阅读说明：本技术 一种基于两栖无人航行器的青少年溺水预防和救助平台及其方法 (Juvenile drowning prevention and rescue platform based on amphibious unmanned aircraft and method thereof ) 是由 杨晓飞 叶浩 叶辉 朱志宇 宋大鹏 王俊 朱鹏 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于两栖无人航行器的青少年溺水预防和救助平台及其方法。该系统主要由两大部分组成,分别是指挥中心信息平台,包括基于电子地图的路径规划系统,基于电子地图的坐标定位系统,现场监控系统,一键信息共享功能系统,通话模块系统,以及航行器运行状态反馈系统；救助和预防平台包括两栖航行器的四旋翼动力系统,船用涡喷推进器,双光红外热成像传感器,导航定位系统,4G远程通讯系统,语音系统,能源系统,船载电脑和航行器控制器的控制系统,以及辅助救助系统。本发明将溺水预防和救助相统一,能提前发现涉险目标和实施提前干预,并对涉水遇险和溺水目标开展第一时间救助,减少溺水死亡事故率。(The invention discloses a juvenile drowning prevention and rescue platform based on an amphibious unmanned aircraft and a method thereof. The system mainly comprises two parts, namely a command center information platform, and comprises a path planning system based on an electronic map, a coordinate positioning system based on the electronic map, an on-site monitoring system, a one-key information sharing function system, a call module system and an aircraft running state feedback system; the rescue and prevention platform comprises a four-rotor power system of an amphibious aircraft, a marine turbojet propeller, a double-light infrared thermal imaging sensor, a navigation positioning system, a 4G remote communication system, a voice system, an energy system, a control system of a shipborne computer and an aircraft controller, and an auxiliary rescue system. The drowning prevention and rescue system integrates drowning prevention and rescue, can find the wading target in advance and carry out early intervention, carries out rescue for the wading target in danger and drowning in the first time, and reduces the drowning death accident rate.)

一种基于两栖无人航行器的青少年溺水预防和救助平台及其 方法

技术领域

本发明涉及溺水的预防和搜救技术领域，具体涉及一种基于两栖无人航行器的青少年溺水预防和救助平台及其方法。

背景技术

全球儿童安全组织与中国疾病预防控制中心发布《中国青少年儿童伤害现状回顾报告2010-2015》指出：中国青少年死因首位是溺水，占比约一半。由于城市和乡村地区存在大量的河流和滨水公园，单纯依靠派人巡视盯守比较困难，装备和足够人手，日常巡查制度难以落实，无法及时发现和阻止青少年进入危险水域，加上应急设施和配套技术落后，即使发现险情也难以施救，导致无法快速将遇险人员带离水体和开展生命急救。

现有各类救援设备和系统大多为针对溺水预防和救助的某一点上进行开发，传统溺水预防多以篱笆、护栏、告示等进行物理隔离和警告，阻止青少年进入水中，实际应用效果一般，还有一些泳池底部铺设传感器或佩带智能手表，这两种方式使用成本较高，且青少年的活动具有不可预测性。水中救援的方式多以水面航行器为主，不具备空中航行能力，这种方式智能化程度不高，需要人为操作，搜索效率不高，通常只用于人员遇险后，不能起到提前预防和实时救助的功能，难以满足国家建立“全方位覆盖、全天候运行、反应迅速、救助有效”水上救助体系的需求。因此研制出一种上述的预防与救援设备是刻不容缓的。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于两栖无人航行器的青少年溺水预防和救助平台及其方法，配合包括用于巡视搜索和参与辅助救援的两栖无人航行器，以及信息化管理平台，满足政府预防青少年溺水管理部门组织开展快速日常自主巡视和第一时间参与救助的需求，提前发现涉险目标和实施提前干预，预防溺水事故发生，对于涉水遇险和溺水目标开展第一时间救助，减少溺水死亡事故率。

其技术方案包括：指挥中心信息平台、救助和预防平台和两栖航行器，所述指挥中心信息平台用于记录和保存每次巡视过程中出现的特殊状况信息，便于后期进行大数据分析和判断，为以后开展防溺水工作提供信息支持，对数据进行智能信息的处理并对电量不足和发现涉险和遇险青少年分别警报显示；

救助和预防平台目前由两栖航行器构成主体完成高频次日常的巡视，通过指挥中心信息平台判断信息后反馈进行对于涉险人员的提前干预和对遇险人员进行救援，实时向指挥中心信息平台传输图像语音及自身参数。

优选的，所述指挥中心信息平台包括基于电子地图的路径规划系统、基于电子地图的坐标定位系统、现场监控系统、一键信息共享系统、通话模块系统和航行器运行状态反馈系统，基于电子地图的路径规划系统用来规划两栖航行器的路径；基于电子地图的坐标定位系统通过对图像进行目标检测算法在电子地图上标定坐标点；现场监控系统实时传输可见光和红外图像，显示巡视现场的视频监控画面并实时显示在指挥中心信息平台；一键信息共享系统能够迅速通知警务和医务部门；通话模块系统能够使后台工作人员与现场人员交互；航行器运行状态反馈系统向指挥中心信息平台提供两栖航行器的各项信息。

优选的，基于电子地图的路径规划系统的路径规划采用百度地图API设定路径的起始节点的标记及连线，为两栖航行器规划巡视路径。

优选的，所述基于电子地图的坐标定位系统坐标定位通过发现水面遇险人员后，对目标实时锁定跟踪，并通过坐标系的转换计算得出落水人员的地理坐标信息回传至后方显控系统。

优选的，所述两栖航行器状态反馈，通过4G网络即时回传，使指挥中心信息平台实时监测航行器的状态信息并对电量不足进行警报提示。

优选的，所述两栖航行器包括四旋翼动力系统、船用涡喷推进器、双光红外热成像传感器、导航定位系统、4G远程通讯系统、拾音器和喇叭构成语音系统、锂电池和太阳能构成的能源系统、船载电脑和航行器控制器构成的控制系统和辅助救助系统，两栖航行器入水后由安装在船尾的船用涡喷推进器完成入水后的航行；双光红外热成像传感器完成对目标的识别和进行监控；导航定位系统通过采用高精度的接收机，配合地面基站可以对两栖航行器进行精确定位；4G远程通讯系统，能够准确收发数据，和指挥中心信息平台交互；拾音器和喇叭构成语音系统实现对涉险人员进行驱离；锂电池和太阳能构成的能源系统由锂电池和太阳能双电源供电，确保顺利完成救助；船载电脑和航行器控制器构成的控制系统实现将工业电脑和主控芯片结合，对所有数据进行分析处理和对航行器进行控制。

优选的，所述双光红外热成像传感器为一个红外热成像双光模组，所述船载电脑和航行器控制器构成的控制系统作为两栖航行器的数据分析终端，将压缩后的图像、语音及采集的信息输出给指挥中心信息平台。

优选的，所述辅助救助系统上救援设备能够在两栖航行器入水时自动释放和膨胀，提前为救援做好准备。

本发明提供一种基于两栖无人航行器的青少年溺水预防和救助方法，包括以下步骤：

a、开始巡视前，依据巡视水域特点和需要重点巡视段，设置巡视路径获取航点信息，并由4G远程通讯系统通过4G网络输入航行器的船载电脑和航行器控制器构成的控制系统；

b、开始巡航后,船载电脑和航行器控制器构成的控制系统结合导航定位系统，两栖航行器沿着规划路径进行自主导航巡视；

c、巡视过程中，开启双光红外热成像传感器对巡视水域和附近区域进行涉险青少年、遇险和溺水人员进行检测和搜索；

d、结束救援后，通过航行器运行状态反馈系统判断航行器是否正常，若正常，则继续巡视直至结束或者电量达到返航要求，若倾覆或者损坏，则等待回收。

进一步，当检测到涉险或溺水人员目标后，若为涉险人员，则下降高度，通过语音系统进行警告驱离；若为溺水人员，所述两栖航行器立刻入水救援。

指挥中心信息平台通过4G无线通信网络，指挥中心信息平台可以有效链接事故现场和其它部门的协作，以及参与巡视路径的规划、对于发现目标的坐标位置显、实时的画面监控、语音通话、一键信息共享、航行器状态信息的显示，用于记录和保存每次巡视过程中出现的特殊状况信息，便于后期进行大数据分析和判断，为以后开展防溺水工作提供信息支持，同时对于救助和预防平台进行控制以及对其传回数据进行智能信息的处理并显示。救助和预防平台，通过对两栖航行器的高频次日常的巡视和对于指挥中心信息平台判断信息后反馈进行反馈，对于涉险人员的提前干预和对遇险人员立刻救援，实时向指挥中心平台传输图像语音及自身参数，展示救援的动态，便于指挥中心快速分析并发出相应指令，应对一些突发状况产生。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：(1)路径规划，利用电子地图提前规划好路径，并能够及时更改路径。(2)“一机两用”，融合了无人船和四旋翼无人机的优点，通过旋翼和涡喷系统实现空中飞行和水中航行。(3)能够提前发现涉险青少年并进行干预和即时对遇险青少年进行救助。(4)结合自身GPS位置信息利用惯导、超声波获取的信息，以及规划的航行路径，实现自主避障和导航。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明整体流程图；

其中，1-指挥中心信息平台，2-救助和预防平台，3-两栖航行器，4-基于电子地图的路径规划系统，5-基于电子地图的坐标定位系统，6-现场监控系统，7-一键信息共享系统，8-通话模块系统，9-航行器运行状态反馈系统，10-四旋翼动力系统，11-船用涡喷推进器，12-双光红外热成像传感器，13-导航定位系统，14-4G远程通讯系统，15-拾音器和喇叭构成语音系统，16-锂电池和太阳能构成的能源系统，17-船载电脑和航行器控制器构成的控制系统，18-辅助救助系统。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例，结合附图1，本发明所述的一种基于两栖无人航行器的青少年溺水预防和救助平台，包括指挥中心信息平台1、救助和预防平台2，其中指挥中心信息平台1作为“大脑”完成对救助和预防平台2数据的分析判定，并对救助和预防平台2发出对应指令，使其完成预防和救援任务，同时记录和保存每次巡视过程中出现的特殊状况信息，便于后期进行大数据分析和判断，为以后开展防溺水工作提供信息支持。

所述指挥中心信息平台1所示包括：

1)基于电子地图的路径规划系统4：通过百度地图API，在地图上标定起始节点，而后根据所标节点自动连线，由卡尔曼滤波算法生成路径中间节点，最后返回节点位置。

2)基于电子地图的坐标定位系统5：双光摄像机检测到具体目标且指挥中心判断需要救援后会立刻通过航行器内置GPS，返回当前的坐标给指挥中心，为后续通知警务部门和医务部门第一时间赶到现场，进行快速救援提供保障；

3)现场监控系统6：发现事故或者需要巡视监控画面时，信息管理平台能够实时得到并显示巡视现场的视频监控画面，后方对动态及时捕获，有效处理突发状况。

4)一键信息共享系统7：与公安110、医疗120、和水上救援热线12395进行联动，实现信息的共享，使得警方派出警力和医护人员第一时间赶到现场。

5)通话模块系统8：对于涉险人员的驱离，能够让后方指挥中心的人员参与到救援过程中，与涉险和遇险人员进行交互。

6)航行器运行状态反馈系统9：对于航行器返回自身参数的实时显示，保证航行器处于稳定安全的状态，保障航行器自身安全。

所述救助和预防平台2目前主体是两栖航行器通过其高频次日常的巡视，救助和预防平台2包括：

1)四旋翼动力系统10：通过四个电调分别控制无刷电机并按照水空两栖无人航行器的总体指标，采用每个电机的最大动力至少3kg，并要求防水，相对质量较少。

2)船用涡喷推进器11：通过航向PID控制器控制两个涡喷器实现，使用姿态解析模块获得航行器的当前航向，将目标航向与当前航向做差，并将差值反馈给航向PID控制器，航向PID控制器根据计算结果改变涡喷的推进量，以此改变航行器的水中航向，使航行器航向不断接近目标航向。

3)双光红外热成像传感器12：采用一个红外热成像双光模组，包含一颗200万像素的可见光镜头、一颗160*120分辨率的红外热成像镜头。

4)导航定位系统13：结合信息平台预设路径航行器和高精度的Sky2机载型GNSS接收机和惯导设备，配合RTK厘米级定位模块、毫米波雷达模块、超声波模块，完成导航并避免局部碰撞。

5)4G远程通讯系统14：采用的是移远通信最近推出EC20 R2.0 LTE模块，该模块安装与航行器的船载电脑中，能够使用4G网络，实现语音，图像，姿态信息与指挥控制中心的无线传输。

6)拾音器和喇叭构成语音系统15：由拾音器和喇叭组成，对接收到的语音进行解析播放，对采集的语音压缩后传入船载电脑。

7)锂电池和太阳能构成的能源系统16：采用12S容量为12000mAH的锂电池、太阳能充电板，大容量锂电池提供主体，部分可以由太阳能电池在线补充。

8)船载电脑和航行器控制器构成的控制系统17：采用高频处理器的工业一体机作为船载电脑，完成对信息的采集、存储、分析以及与信息平台交互。

9)辅助救助系统18：航行器水上辅助救援工具主要包括救援拉环、自动充气式大浮力救生衣等。

基于此，如图2所示，本发明采用的整体预防和救助方法包括以下步骤:

1)开始巡视前，依据巡视水域特点(如呈现条带、椭圆或其他类型)和需要重点巡视段，在指挥中心信息平台1通过基于电子地图的路径规划系统4设置巡视路径获取航点信息，并由4G远程通讯系统14通过4G网络输入航行器的船载电脑和航行器控制器构成的控制系统17；

2)开始巡航后，船载电脑和航行器控制器构成的控制系统17通过导航定位系统13，沿着规划路径开始自主导航巡视；

3)巡视过程中，开启双光红外热成像传感器12对巡视水域和附近区域进行涉险青少年、遇险和溺水人员进行检测和搜索。若发现岸边存在涉险青少年，则下降高度利用拾音器和喇叭构成语音系统15进行警告驱离，通过4G网络在指挥中心信息平台1进行记录，为后续重点巡视区域增加数据，并停留观察一段时间，若警告无效，则通过中心的一键信息共享系统7，有警务部门派出人员，预防溺水事故发生，航行器继续巡视直到巡视结束或者电量达到返航要求。若发现水中有人，通过指挥中心信息平台1进行识别，若为涉水人员，则下降高度通过语音系统进行警告驱离，通过4G网络在指挥中心信息平台1进行记录，为后续重点巡视区域增加数据，并停留观察一段时间，若警告无效，则通过中心的一键信息共享系统7，有警务部门派出人员；若为溺水人员，立刻通过中心的一键信息共享系统7通知警务部门和医务部门告知其溺水位置，同时航行器迅速降低高度并入水，锁死四旋翼动力系统10，启动船用涡喷推进器11，由救援拉环和救援浮体构成的辅助救助系统18的拉环释放，浮力救生衣开始充气，到达遇险或溺水目标旁，使其抱住船体或浮体，如果船体为倾覆，则启动水中局部路径规划和导航程序返回岸边，通过通话模块系统8对遇险人员进行安抚并询问其状态，反馈给医务部门；若航行器倾覆，则浮力足够保证目标安全，等待进一步救援，通过通话模块系统8对遇险人员进行安抚并询问其状态，反馈给医务部门。

4)结束救援后，通过航行器运行状态反馈系统9判断航行器是否正常，若航行器正常，则继续巡视直至结束或者电量达到返航要求，若航行器倾覆或者损坏，则有管理部门按照定位信息进行回收处理。

5)指挥中心信息平台1能够通过现场监控系统6和通话模块系统8可以得到实时的现场画面并参与其中，更加有效的协助警务部门和医务部门完成救援工作，并且所有的警情信息可以通过信息平台日志系统进行存档，便于统计出重点巡视区域。

工作原理：

1、空中自主巡视：由指挥中心信息平台1设置巡视路径并根据修改的路径自动更改巡视的区域，通过两栖航行器3的旋翼和飞行控制系统，提供空中按给定路径机动飞行能力。

2、空中俯视观察：通过双光红外热成像传感器12，结合红外和可见光对准确地发现岸边的涉险人员以及水面遇险人员。

3、对涉险人员干预：利用智能的图像检测和识别算法(卷积神经网络技术)，在空中巡航过程中实时检测和发现岸边青少年目标，通过内置的语音系统，对其进行警告，防患与未然。若不听劝阻，则通过4G网络系统，将相关信息一键共享至警务部门。

4、对溺水人员救援：若为溺水状态，则立即通过语音系统呼救和通过信息管理平台呼叫110和120请求警务和医务部门介入，航行器同时入水救助，启动目标跟踪系统，到达遇险或溺水目标后，将船载救援浮体充气，并通过语音系统引导目标抱住浮体甚至船体，保障生命安全，如果能够抓住船载拉环和船体未倾覆，则启动水中局部路径规划和导航程序，航行器将目标拖曳到岸边，若未能拉到拉环或者船体倾覆(概率很低，但存在可能性)，则浮力足够保障目标安全，等待进一步救援。救援完成后，如果航行器运行正常，则继续巡视直至巡视结束或者能量达到返航要求时返回，若航行器倾覆，则由管理部门按照定位信息回收处理。

以上为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。