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浅谈无人机水上遇险搜救关键技术

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：郭洋辰

[导读] 摘要：随着无人机技术发展的日益成熟，无人机在各个领域中的应用日益广泛。

        中华人民共和国南通海事局 226000
        摘要：随着无人机技术发展的日益成熟，无人机在各个领域中的应用日益广泛。本文对无人机水上遇险搜救关键技术展开了分析与探讨，仅供参考。
        关键词：无人机；搜救系统；GPS 定位；UWB 技术
        随着信息技术的迅猛发展，依托各项综合技术成果研制的无人机日趋成熟，在民用领域，特别是抢险救援中其发挥着重要作用。近些年来，一些学者对无人机搜救系统进行了研究。例如东北林业大学的学生设计了一款基于无人机的GPS 全球定位系统和图像语义分割自识别系统，营救人员获取无人机传输的图像资料对无人机进行救援遥控控制；法国Helper 公司制造的“Helper”无人机往溺水人员附近，通过摄像头实时传回画面，对落水人员及其周围环境进行初步甄别，确定溺水人员位置后，无人机向溺水人员投放其携带的救生圈；但是，以上水上救援方法都具有一定的局限性，如溺水人员落水时经常发生挣扎行为，造成人员分辨不清晰的后果，致使投放不够准确；或是无法实现自主定位，还需人工遥控等。相关研究认为无人机应当突破自主导航、稳定控制、自主起降、远程监控。
        1 无人机运用于水上遇险搜救的关键技术分析
        1.1 基于无人机的无线图像传输系统构建
        根据实际需求，文章对基于无人机的无线图像传输系统进行了构建。在采集图像的一端运用了数字视频压缩技术，系统构建的具体做法是，首先视频信息会被转换成数字信号，然后对数字信号进行压缩，使信息传输能够达到高速度。根据对现有技术的调查，找到一种拥有高性能的视频编解码技术，这种技术的应用率非常高、质量非常好、拥有低码率、适应于多种网络，能够符合无线通信的要求。所以，采集图像的一端用这种技术来压缩拍摄的图像。
        使用无线传输的方式于信道传输上，无线图像传输的方式机动性较好、传输距离也比较远，在人员不能够或者是不方便进入的地方，利用这种方式就能够很容易的进入，并且将视频图像传输回来。通过实验对比分析，最后使用数字超短波传输，利用QPSK 来进行调制，nRF905 来作为无线收发，它的通信距离能够符合系统构建的要求，而且拥有较低的功耗、成本，技术也比较成熟。
        1.2 无线图像传输系统构建的整体结构
        无线图像传输系统构建的整体结构有图像处理系统、发射系统、接收系统，在图像处理系统中，无人机的摄像机能够获取高清视频信号，然后经过图像预处理、图像编码，进入无线传输系统，对图像数据进行信道编码，再到达调制器，利用信道变频来进行放大，这时再由天线将图像信息发射出去。图像信息发射到达接收系统中，由信道变频送入到解码器中，对图像信息进行信道解码，经无线传输再完成图像解码，最后到达显示器来显示出相应的视频数据信息。
        系统的完善建立主要是针对信道来研究的，信道多径失真问题以及信道衰落问题是需要重点关注的，信息技术的发展使得人们对图像质量的要求在逐渐的提高，在无线图像传输系统建立的过程中，信道编码技术是最重要的问题，通过分析对比，使用MIMO信道。这种信道的使用能够将图像失真问题降到最小，使图像信息的传输质量更高。
        1.3 系统构建可行性分析
        基于无人机的无线图像传输系统建立的机载部分，其图像编码以及解码的工作流程主要是图像数据在完成收集之后，进行预处理，再把数据流送到H.264 中，运用压缩算法进行压缩，这样得到的视频图像码经过信道到达调制器经调制编码后再发射出去，接收设备系统接收到图像编码信息后再进行解码，将图像信息在显示设备上显示出来。这一过程视频编解码技术非常关键。
        系统使用的图像格式是CIF/VGA，无人机进行图像拍摄是在高空中进行的，这一过程要确保图像质量。H.264在对图像信息进行压缩时，由于受到无人机在高空飞行时的速度影响，压缩比设置为600：1，而根据图像质量标准以及信道利用问题，将信道带宽设置为1MHz。
        在对图像信号进行调制时，由于所处的环境主要是空旷的地方，来自于外界的干扰相对较小，调制带宽主要设置为500KHz。带宽的提升能够使信噪比率得到提高，这样对接收机的灵敏度就不会有太高的要求，最后使用的总带宽是1500KHz。系统建立的可行性要充分的考虑到外界的影响因素，在系统设计时要有一定的余地，通过分析和计算得出，系统建立是可靠的。
        2 无人机技术在水上遇险搜救中的实际应用
        相对传统的水上救援方案，我们设计的搜救型无人机结合其优越的系统性能，可快速、高效、便捷地在湍急的河道上空对遇险目标进行定位与救援，具有更加智能化、成本低、无人员伤亡风险、机动性能好等优点。本无人机搜救系统同样也支持在地面运输工具无法展开救援行动的情况下将必要的食品、药品等物资投放给在山区等偏僻地区的迷途人员。且在灾情发生时，也可通过无人机自主投放物资用品等帮助遇险人员自救，并协助救援队顺利完成救助任务。一级定位过程实现方案：当求救人员按下所示便携式装备上的电源开关后，此装备中集成的GPS 模块通过无线数传模块将经纬度定位信息发送给上位机，上位机通过地面站控制系统规划出无人机到达定位点的最短航线后，再通过无线数传电台模块发送指令，控制无人机启动并执行系统任务。
        二级定位过程实现方案：无人机到达初步定位区域后，将通过UWB 模块测距，完成对搜救目标精准定位。飞控锁定目标后，通过I/O 口输出PWM 信号控制舵机，完成投放。UWB 模块定位系统基于无线超窄脉冲技术。该定位系统相对无线定位领域内的其他产品，具有定位精度高，性能稳定和抗干扰性强等特点。UWB 模块有“基站”和“标签”两种工作模式，根据三边测量法的原理，通常建立有一标签，三基站式的定位系统，以及一标签，四基站式的定位系统等。但基于本项目对无人机空中定位的特殊要求与条件，我们建立了一标签，一基站式定位系统，其大致工作原理如图1 所示。

图1 基于UWB 的定位算法原理图
无人机沿单方向飞行并实时测量出飞机同目标点的距离S，由点到直线的距离变化趋势可知S 先变小，后变大。既在单一方向上存在一个距离最小值，当测距模块检测到距离变化拐点时，无人机将减速并朝向目标点的一侧转向90 度，由此产生制动距离x，x的大小随着无人机不断接近目标点而逐次递减。预设最大允许投放距离为a，则当无人机垂直投影到目标点的水平距离d 在区域（0，a] 内时，表明无人机已到达目标区域，完成定位。在程序中，我们的实现方法为：飞控搭载UWB 模块，在起飞任务开始执行后，UWB 模块将测得的距离值大小反馈给飞控，飞控通过判断前后两次数值大小得到距离的变化趋势q，当q>0 时，飞控调转无人机飞行方向角180 度。当q<0 时，飞控保持水平，且以直线方向飞行，此时q 值变大且趋向于0。当q=0 时，飞控以上一次转角方向为基准使无人机转向90 度并保持直线飞行，此时q 值变化使飞控重新执行判断命令。直到水平距离d 满足下式：

        其中，a 为系统预设值，表示无人机同目标点间的最大可投放距离。h 为无人机实测相对高度，由飞控搭载的超声波模块测得。当无人机到达可投放区域后，飞控调整模式转换为悬停模式，并通过I/O 接口向舵机发送PWM 信号，使单片机控制舵机完成投放动作。
        3 结语
        综上所述，无人机水上遇险搜救关键技术的应用能够实现多级定位，精度高稳定性强，且UWB 模块功耗低，易于集成在电子手环，工程帽等装置中，方便人们日常携戴以在发生危险时即时使用，具有较强的适应性。
        参考文献：
        [1]朱武斌，周立，张一.基于无人机海上协同搜救关键技术研究[J].现代信息科技，2019（13）.
        [2]王超.浅谈无人机相关技术与发展趋势[J].文存阅刊，2019，000（011）：39.
        [3]王敬泉，孙琦，王春光.无人机测绘数据处理关键技术及应用探究[J].工程建设与设计，2018，396（22）：274-275.