基于六旋翼無人機的踩踏事故預防及救援系統

許自輝，饒肇敏，張心馳，洪向共，王艷慶

(南昌大學 信息工程學院，江西 南昌 330031)

基于六旋翼無人機的踩踏事故預防及救援系統

許自輝，饒肇敏，張心馳，洪向共，王艷慶

(南昌大學 信息工程學院，江西 南昌 330031)

為彌補踩踏事故預防及救援過程中現場信息不全、穿越人群困難與信息溝通不暢等缺點，設計了一種基于六旋翼無人機的新型踩踏事故預防及救援系統。詳細闡述了該系統的功能要求和整體設計,以及六旋翼無人機、圖傳/視頻監控、RFID(射頻識別)和調頻廣播等主要子系統的設計及實現。最后利用研制的踩踏事故預防及救援系統開展了功能實驗驗證，實驗結果表明，該系統可實現對聚集區域的高效自主巡邏、事故現場的實時高清監控、空中廣播、警員實時調配及快速現場救援，滿足踩踏事故預防及救援系統的功能要求。

踩踏；預防；救援；六旋翼無人機；視頻監控；RFID；調頻廣播

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，各地舉辦室外大型群眾性活動的數量越來越多，規模越來越大，擁擠踩踏事件時有發生，并常伴有嚴重事故后果，例如：2014年12月31日，上海外灘陳毅廣場踩踏事故導致76人傷亡；2015年9月25日，麥加朝圣踩踏事故造成至少2 177人死亡[1]；2017年2月10日安哥拉一球場發生踩踏事故，致17人死亡，59人受傷[2]。而大多踩踏傷亡主要是由于缺乏專業的踩踏事故預防及救援系統造成的。在事故發生前，若可通過踩踏事故預防及救援系統獲得實時現場信息，則可降低踩踏事故發生的概率，甚至避免踩踏事故的發生；在踩踏發生后，若能通過踩踏事故預防及救援系統實時查看踩踏事故區域現場畫面，保障現場各方溝通順暢，穿越人群快速到達現場，則可防止踩踏事故的進一步擴大，縮短救援響應時間，提升事故救援效率。

國內外學者進行了相關領域研究，例如：Hughes等[3]研究表明人群運動規律和從眾心理對踩踏事件的發生起重要作用；任常興等[4]研究表明事故預防和控制重點是建立事故應急機制,加強人群的管理、疏導及信息交流等；張青松等[5]研究了利用人群擁擠踩踏事故風險理論揭示事故成因機制。以上理論研究表明事故現場人群信息、場地信息和管理信息的獲取及溝通，對踩踏事故預防及救援有重要意義。方研[6]研究了國外踩踏防范經驗，特別有日本設立了“DJ警察”，“DJ警察”站在高于人群的指揮車上，不斷地通過高音喇叭疏導人群的心理和移動；Sun Jingxuan等[7]運用固定翼無人機(X-UAV Talon)進行了目標搜尋和救援；Greco等[8]運用四旋翼小型無人機結合射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)進行了地面標簽信息獲取。以上研究為踩踏事故預防及救援提供了部分或者單一信息獲取及溝通的途徑，但仍不能全面滿足踩踏事故的預防及救援需求。

針對現有室外大型群眾性活動對踩踏事故預防及救援系統的迫切需求以及目前已有研究的不足之處，筆者設計了一種基于六旋翼無人機的踩踏事故預防及救援系統，在踩踏事故發生前后，系統可獲取現場的完備信息，使救援人員迅速穿越人群到達現場，實現現場信息溝通，進而大大提高預防和救援效率。

1 系統設計

1.1 功能需求

為達到基于六旋翼無人機的踩踏事故預防及救援系統設計的目的，系統應具備且滿足以下功能和要求：

(1)實時獲取現場信息：在踩踏發生前系統自動依航跡對現場進行巡邏，將現場畫面實時發送至地面站，為防范和救援提供條件，并在巡邏的途中識別已部署的警員信息，將信息發至地面站，為防范和救援提供人力資源，防范踩踏事件的發生。

(2)快速穿越人群：事故發生前后，迅速從人群上方跨越人群抵達目的地，縮短警報和救援時間，提高預防及救援效率。

(3)保障現場信息溝通順暢：運用調頻廣播結合警燈，在事故前示警預防，在事故后通過廣播穩定群眾心理，引導現場群眾疏散，調配警員協同救援。

(4)現場信息的可視化：事故發生前后顯示現場畫面和警力部署信息，提高預防和救援系統的易操作性及完整性。

(5)物資運送：對現場有需求的目標進行物資運送，特別是需要急救的人或人群的急救物資運送。

1.2 整體設計

圖1為系統的整體設計框架。圖1(a)為踩踏事故預防及救援系統無人機框架，以零度雙子星飛控(ZERO GEMINI)為核心搭建六旋翼無人機平臺。運用該飛控的自主飛行功能結合警燈和兩只TAROT650電動收放起落架，實現易發事故現場自主巡邏、示警、跨越人群迅速抵達及物資空投；運用飛越T-2D云臺與鷹眼飛螢5S相機結合5.8 GHz RC832圖傳，實現現場的畫面信息采集及傳送；運用2.4 GHz RFID讀卡器與數據無線傳輸結合，實現現場警員分布信息采集及傳送；運用調頻收音機結合功放電路驅動高音質喇叭，接收并播放地面站的調頻廣播，實現空中廣播和指揮。

圖1(b)為踩踏事故預防及救援系統地面站框架。地面站主要運用RFID標簽給現場警員佩戴并分區域部署警力，運用Futaba無人機遙控器對六旋翼無人機進行遠程遙控，運用RC832圖傳接收器結合顯示屏顯示無人機所拍攝的現場畫面，運用RFID數據接收器連接電腦顯示警力部署信息，運用調頻100 MHz發射電臺對現場進行廣播,綜上運用實現現場實時信息在地面站可視，保障地面站與現場信息溝通順暢。

圖1 踩踏事故預防及救援系統設計框架

2 主要子系統設計與實現

2.1 六旋翼無人機子系統

選用零度GEMINI系列飛控、飛越TAROT 680機架、U3508電機、GPS模塊、警燈、兩支電動收放起落架(TAROT 650，兩支起落架正面并排反向放置組成簡易卡鉤)、鋰電池、Futaba T8遙控器等模塊，進行搭建和調試六旋翼無人機。

其中，雙子星飛控自帶黑匣子功能，可在PC或手機地面站軟件上通過拓展的WiFi模塊，讀取回飛控一定時間內的飛行參數等信息。高精度的GPS導航系統以及電子羅盤使雙子星飛控具備自定義航點、自主返航、自動生成航線等功能，繼而能夠按照地面站上規劃好的航線進行指點飛行，如圖2無人機指點飛行所示，在地圖上描好#1、#2、#3三點，無人機進行自主按航線飛行。基于此功能無人機可以自主對事故易發區域自行巡邏，并結合現場情況進行警燈閃爍，提醒現場群眾防范擁擠和踩踏，若已發生踩踏亦可結合電動收放起落架進行定點救援物資空投。

圖2 無人機指點飛行

2.2 RFID子系統

2.2.1硬件設計

圖3是2.4 GHz RFID硬件系統設計框圖。其中讀卡器設計框圖主要包含電源及外圍電路模塊、LPC1764微控模塊、HMC274功率放大模塊、nRF24L01射頻模塊、RS232模塊和RS232信號無線信號發送等模塊。其中LPC1764微控制器模塊主要負責驅動和控制nRF24L01射頻芯片對標簽信息的讀取，HMC274功率放大模塊用于保障RFID子系統的遠距離識別能力，RS232串行通信接口用于與上位機通信，并可結合由Sp3232、Cc2530、Cc2591等芯片構成的無線數據發射電路模塊，將讀卡器讀得數據進行遠距離無線傳輸；讀卡器所傳數據經由Cc2530、Cc2591芯片接收傳至Ch340g芯片處理后，通過USB端口連接到PC(電腦)進行顯示；標簽主要由nRF24L01芯片和紐扣電池設計構成，其中nRF24L01芯片用于數據收發，考慮到標簽的便攜性，天線選擇印制板天線來進行數據收發[9]。

圖3 2.4 GHz RFID硬件系統設計框圖

2.2.2工作流程

RFID系統工作流程如圖4所示，其中標簽所儲備的信息為對預讀區域按面積等分的編號即警員部署編號，標簽為有源標簽。

(1)讀寫器上電復位，之后每隔一定時間向外界發射讀取信號。

(2)讀寫器外部中斷保持常開，若有中斷發生，則外界有標簽，向外界發送信號，從而使可讀范圍內的所有標簽都向讀寫器發送自身的數據。若收到的數據沒有沖突位，則外界為單標簽，反之外界為多標簽，讀寫器調用防碰撞算法，來依次地讀取數據。

(3)讀寫器所讀數據經由RS232接口和Sp3232、Cc2530、Cc2591等芯片處理后由天線發射出去。

(4)讀得數據經由Cc2530、Cc2591及Ch340g等芯片組成的接收模塊處理后在PC上顯示。其中數據速率為9 600 b/s。

圖4 RFID系統工作流程

2.3 調頻廣播子系統

調頻廣播子系統的設立健全了指揮中心與無人機的互動，無人機與無人機下方群眾信息溝通，及指揮中心、無人機與警員三方的協同指揮，可及時有效部署警力、穩定群眾情緒和疏散現場群眾。

圖5(a)為收音機模塊，收音模塊主體由天線、AU6210音頻處理集成芯片和兩個PAM8610功放，驅動4支高音質12 W/4 Ω喇叭組成。4個喇叭分別固定在4支旋翼的下部。無線收音模塊設定頻段為80～115 MHz，設定調頻100 MHz，當k接收到廣播電臺信號之后可對應播放警笛，指揮語音信號等各種廣播聲源實現對無人機下方人群的實時廣播。

圖5(b)為調頻廣播電臺，主要由STC15W204S小型單片機和AD8027數模轉換設計構成。

圖5 收音機與調頻廣播電臺設計框架

3 實驗結果與分析

為驗證所研制系統的功能，開展了踩踏事故預防及救援實驗。實驗場景預設：在標準400 m跑道體育場，將體育場草坪分為3個同心內外包含面積相等的橢圓環，并由外及內依次編號分別寫入3個標簽，將標簽分配給3個處于不同圓環的實驗員，踩踏事故預防及救援無人機飛行高度10 m，勻速飛行速度2 m/s，事故易發生區域假定在體育場中心面積1 m2區域。

實驗結果表明，六旋翼無人機平臺工作正常，1 m2易發事故區域內人群監控視頻清晰，RFID工作正常，調頻廣播工作正常。對系統進行載重和空投飛行測試表明，載重3 kg系統亦可正常飛行和空投。圖6(a)為機載RFID讀卡器最大識別距離實驗，測得最遠識別距離為50 m，即具備以無人機為中心、半徑為50 m的警員部署識別能力，識別面積類似一個標準體育場大小,識別信息無線傳播距離可達800 m，識別信息傳到地面電腦顯示如圖6(b)所示。對機載廣播系統進行聲壓測試，測得FM調頻系統最大聲壓為112.5 dB，能在踩踏嘈雜環境下保障聲音的有效辨識，從而保障指揮管理等聲音信息的有效傳播。綜上測試，可知系統滿足預防和救援的功能需求。

圖6 機載RFID讀卡器最大識別距離實驗圖

4 結論

本文介紹了一種基于六旋翼無人機的踩踏事故預防及救援系統設計。整個系統信息獲取全面，機動性能高，能快速穿越人群，信息溝通實時高效，易于操作，事故響應能力快，成本低，可靠性高，為踩踏事故預防及救援提供了良好的技術平臺。

[1] 人民網.美聯社:朝圣踩踏事故至少2177人死亡[EB/OL].(2015-10-21)[2017-02-20].http://www.people.com.cn.

[2] 搜狐體育.安哥拉一球場發生踩踏事故，已致17人死亡[EB/OL].(2017-02-11).http://sports.sohu.com.

[3] HUGHES R L.A continuum theory for the flow of pedestrians[J]. Transportation Research Part B: Methodology, 2002, 36(6): 507-535.

[4] 任常興,吳宗之,劉茂.城市公共場所人群擁擠踩踏事故分析[J].中國安全科學學報,2005,15(12): 102-106.

[5] 張青松,劉金蘭,趙國敏. 大型公共場所人群擁擠踩踏事故機理初探[J]. 自然災害學報,2009,18(6):81-86.

[6] 方研.國外防踩踏都有哪些經驗[J].生命與災害,2015(1):6-7.

[7] Sun Jingxuan, Li Boyang, Jiang Yifan, et al. A camera-based target detection and positioning UAV system for search and rescue (SAR) purposes[J].Sensors, 2016,16(11): 1778.

[8] GRECO G, LUCIANAZ C, BERTOLDO S, et al. A solution for monitoring operations in harsh environment: a RFID reader for small UAV[C]. 2015 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications, 2015: 859-862.

[9] 付煒,馬建國.2.4 GHz射頻識別中標簽電路設計與實現[J].電子技術應用,2007,33(11):61-64.

Stampede prevention and rescue system based on six-rotor UAV

Xu Zihui, Rao Zhaomin, Zhang Xinchi, Hong Xianggong, Wang Yanqing

(School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

A stampede prevention and rescue system based on six-rotor unmanned aerial vehicle (UAV) is designed to compensate for the shortcomings of trampling accident prevention and rescue, such as incomplete information in the rescue process, difficulty in crossing the crowd, and poor information communication. The functional requirements and overall design of the stampede prevention and rescue system of the six-rotor UAV, the design and workflow of the six-rotor UAV subsystem, the video surveillance subsystem, the RFID subsystem and the FM broadcasting subsystem are presented in detail. Finally, the experiments are conducted, and the results show that the system can meet the functional requirements of the stampede prevention and rescue system, which can realize high-efficient self-patrolling of the gathering area, real-time HD monitoring of the accident scene, air broadcasting, police deployment and rapid on-site real-time rescue.

stampede; prevention; rescue; six-rotor UAV; video surveillance; RFID; FM radio

X928.03; TP399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.022

許自輝，饒肇敏，張心馳，等.基于六旋翼無人機的踩踏事故預防及救援系統[J].微型機與應用，2017,36(23)：76-79.

2017-06-12)

許自輝(1989-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：信息系統及應用。E-mail:xuzihui2015@163.com。

饒肇敏(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信息系統及應用。

張心馳(1994-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信息系統及應用。