基于無人機海上協同搜救關鍵技術研究

朱武斌 周立 張一 李進軍 祁晶

摘 ?要：無人機作為一種新型的海上協同搜救設備，具有搜救成本低，效率高、操縱靈活等優勢，本文首先對無人機協同搜救進行了系統闡述，對涉及的關鍵技術進行了研究和探討，其中包括目標智能識別與定位、機載無線通信技術及海圖坐標轉換等，結合機載AIS和北斗通信系統可以實現遠海目標和惡劣氣候下的搜索，增加北斗救助反饋鏈路，突破船舶搜索低視角、低通信的局限性，為增強海上協同搜救能力提供了技術保障。

關鍵詞：無人機;海上協同搜救;識別與定位;無線通信;坐標轉換

中圖分類號：V279+.3 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）13-0001-03

Research on Key Technologies of Marine Collaborative Search and

Rescue Based on UAV

ZHU Wubin，ZHOU Li，ZHANG Yi，LI Jinjun，QI Jing

（Jiangsu Ocean University，Lianyungang ?222005，China）

Abstract：As a new type of marine collaborative search and rescue equipment，UAV have the advantages of low cost，high efficiency，and flexible operation. This paper first systematically expounds UAV coordinated search and rescue，and studies and discusses the key technologies involved. These include the intelligent identification and positioning of targets，airborne wireless communication technology，and chart coordinate conversion. Combined with airborne AIS and Beidou communication systems，we can achieve long-range sea targets and search under harsh weather conditions，and increase the Beidou rescue feedback chain. To break through the limitation of low angle of ship search and low communication，it provides technical guarantee for enhancing the capability of marine search and rescue.

Keywords：UAV;coordinated search and rescue;identification and positioning;wireless communications;coordinate conversion

0 ?引 ?言

隨著國家的發展，海洋開發和航運量的不斷增大，海上活動呈現高密度、多元化趨勢，海洋捕撈、石油開發、近岸工程建設以及船舶大型化交織在一起，海上交通安全形勢面臨著嚴峻的挑戰，海難事故及成本不斷增加，在有限海域空間下海船舶的高密度和大型化導致船舶領域減少，碰撞危險系數增大。目前主要救助對象還是以船舶事故為主，由于海上氣候條件及水深的制約，搜救耗時長、搜尋效率低，因此在通信技術、計算機技術及AI技術快速發展的今天，無人機快速、高效、便捷的搜索、定位和救助能力成為船艇協同搜救的有效手段。

無人機是一種自動化作業工具，因其速度快、視野廣，能夠縱深到海里，迅速地可操作性被廣泛應用。海洋應用領域從用途方面可以分為軍用和民用兩個大類，軍用包括：軍事打擊、敵情監測、通信中繼等等，楊小川在基于油電混合動力的中小型無人機及其作戰應用展望中對油電無人機在軍事中的作用和未來作戰優勢進行了介紹;朱濤、李淋杰等在無人機在敘利亞戰爭中的作戰運用與啟示一文中闡述了無人機的軍事用途以及其在敘利亞戰爭中的使用特點。民用方面可以分為：海洋監管、海洋測繪、氣候探測、海上搜救、等領域。如海事方面段貴軍介紹了無人機在海事領域的應用范圍和海事監管中面臨的問題及解決方案;海上測繪方面徐福祥利用無人機對黃海綠潮進行監測研究，彌補了衛星遙感在時空上的分辨率不足的問題，建立了無人機綠潮監測顏色指數，并對MODIS監測誤差進行了定量分析;張凱、張好運等人利用無人機航空攝影測量技術對海島進行三維重建，介紹了測量中無人機自動控制和三維重建兩項關鍵技術，并在威海海域進行了實地應用;氣候探測方面姜明、史靜等人利用無人機搭載微型氣息設備對低空溫濕度進行探測，并且和傳統監測設備進行了比對，事實證明具有很好的一致性，但精度有待提高;海上搜救方面曹德勝、桑凌志等在文中對無人機的定位、信號傳輸和續航問題進行了研究，并且設計了無人機水上交通安全應急處置系統，但對電子海圖相關信息未做進一步闡述;趙德燦介紹了無人機在海上搜救中的優勢以及救助中具有定位、視頻傳輸和投放救生設備三方面的應用。當然無人機的應用不僅僅局限以上幾種，隨著技術的成熟，傳感器的微型化，無人機的應用范圍越來越廣。

綜上所述，無人機的應用方面已得到高度認可，目前無人機搜救在陸地應用相對較多，陸地目標定位跟識別較海上容易且具有信號傳輸穩定等優勢，雖然海上救助在澳大利亞有無人機成功救助落水人員的案例，但海上搜救研究主要集中在目標智能識別、無人機微型傳感器的搭載、機載通信信號的穩定傳輸等關鍵技術層面上，本文除了對上述技術進行研究總結外，還對無人機協同搜救中地理坐標與墨卡托海圖坐標轉換進行了研究。

1 ?無人機協同搜救總體設計

無人機作為海上協同搜救設備之一，具有機動速度快，搜索方位全面，搜尋效率高等優勢，彌補了船舶搜救視角低、水域小以及搜救直升機人力物力損耗大等缺點，作為海上協同搜救無人機宜選用地面效應無人機或者多旋翼無人機，具有強抗風、高承載能力，搭載傳感器和救生設備，增強搜救能力，海上無人機協同搜救除了常規的船-岸、船-船通信外，無人機集成五大功能模塊：微波通信、機載攝像系統、甚高頻中繼、導航以及自巡航模塊，提高搜索和救助的效率，并且利用機載AIS設備可以實現能見度不良情況下的搜索，同時結合北斗通信模塊，不僅可以提高通信的穩定性，還可以利用北斗通信實現遠海搜救水域船舶AIS信息的轉發，及時了解搜救目標周圍船舶動態，利用北斗救助反饋鏈路，通過機載音頻VHF或者AIS實現救助反饋信息的傳達，提高被救助者的生存信念。

2 ?無人機協同搜救關鍵技術研究

2.1 ?無人機目標智能識別

海上物標識別類別包羅萬象，從搜救角度分析主要包括：事故船舶、落水人員以及搜救用的相關救生設備的識別。海上物標識別相比陸地環境復雜多變，受海況和氣象影響較大，搜救的關鍵是目標識別算法的準確性和實時性，選擇合適的識別方法利于目標的搜索效率，其中包括算法的魯棒性和時效性，隨著人工智能技術的發展，基于卷積云神經網絡的目標識別發展迅猛，目前有R-CNN、YOLO以及SSD系列等識別方法，三者在識別領域有著不同的區別如表1所示。

以上三種方法在實際運行時往往難以滿足實時性，需要通過加速運算的方法來提高整體系統運算速度，目前主要有GPU加速和模型壓縮（Mobile Nets）兩種。在SSD模型實測中可以發現運行速度相比CPU之比為CPU：GPU：GPU+Mobile Nets=1：3：6。無人機救助時面對海洋復雜多變，海洋參數以及救助對象的非固定性，傳統的識別方法無法滿足復雜海洋大數據的處理，機器學習作為目標識別的主要方法，利用深度學習和強化學習實現目標的快速檢索識別，在深度學習中卷積神經網絡（CNN）在處理圖像信息方面比其他方法擁有更好的結果，而受限波爾茲曼機（RBM）則在語音方面具有較好優勢。夜間目標識別可搭載光電吊艙冷紅外傳感器目標進行探測，采集的紅外數據經過船基或者岸基處理，實現夜間搜救識別和人員生命狀況探測。

2.2 ?無人機目標定位

在無人機目標定位中大部分使用的是預先對固定區域進行信息采集，再基于特征匹配、坐標解算以及生成底圖來實現無人機目標定位，海洋領域是個動態過程，目標特征以及位置實時變動，并且海洋地理位置與海圖位置需要經過坐標轉換才能顯示，可以利用微型機載RTK實現無人機自定位功能，然后結合視覺傳感器和無人機航測高程獲取目標信息，無人機在協助救援過程中由于受風和操縱的影響，根據已知參數的定位模型定位或者已知無人機攝像頭姿態及位置參數等定位時計算過程復雜且精度低，利用基于射影幾何定理的視覺定位算法可以簡單、快速、較高精度解決目標定位問題。再通過坐標轉換實現海圖顯示。

其基本思路是利用成像平面的已知坐標點和目標成像點，通過射影交比不變性解算海上目標坐標點。

目標定位過程中需要選取兩個計算平面——目標海面平面β和攝影成像圖像平面β′，在海面上通過衛星等手段獲取β平面內兩直線De、Dm上已知坐標點，分別是（E1、E2、E3、M1、M2），對應的β′平面內兩直線De′、Dm′上已知圖像點為（E1′、E2′、E3′、M1′、M2′），通過已知點M1′、M2′與目標成像點O′相交于B2′、B1′，利用交比不變性獲得海面對應交點B2、B1，再用β平面點直線相交得到目標點O，如圖1所示。

定位解算中數學表達式包括成像平面求交點B1′與B2′，射影交比變換以及目標定位O坐標的計算三部分，各部分函數關系式如下：

聯合上面式（1）～式（5）解算出目標點O的坐標。如果無人機定位GPS信號弱或者短暫消失，可以利用此方法反向自定位。未來還可以利用AR技術、視頻與海圖進行三維重疊，協助搜救定位。

2.3 ?機載通信研究

通信作為搜救的橋梁，能夠傳遞最新搜救狀況和搜救指令，通信的質量會直接影響搜救的效率，無人機機載通信設備包括：機載VHF、AIS、北斗RDSS、高精度RTK等等。通信設備完成無人機、搜救船舶、岸基中心以及衛星等平臺的通信，無人機作為海上協同搜救裝備，近岸搜救可以利用機載VHF和AIS實現船基、岸基的短程通信，遠海搜救利用北斗RDSS和RNSS集成或者高精度RTK模塊，實現搜救過程連續定位和通信，當無人機遠離搜救船舶，搜索到的目標可以通過北斗衛星連接到地面控制中心，然后再到海面救援中心，救援中心制定救援策略，例如：聯系就近船舶救助或者使用反向鏈路進行信息反饋等。救援船舶搜救范圍有限，無人機利用機載VHF、AIS和視頻攝影進行海面范圍的搜索，擴大船舶AIS的接收范圍，利用衛星鏈路轉發機載AIS信息，根據AIS信息收集搜救航線的水深數據，為救援船舶提供實時水深數據，實現救援的高效性。未來無人機將參與海洋組網建設中，提供更多的海洋搜救數據，連接衛星數據、海面智能移動觀測平臺、深海探測裝備以及融合海底智能觀測網，實現海洋透明，無人機信息獲取多源化、立體化，實現水上、水面及水下全方位搜索。

2.4 ?海圖坐標轉換

電子海圖（ECDIS）作為海上交通助航設備，在搜救指揮、交通管理、海洋測繪等領域發揮著重要作用，通過坐標轉換可以實現海上搜救目標在電子海圖上的顯示，轉換流程如圖2所示。海上搜救采用的定位坐標是基于WGS-84坐標系統，電子海圖應用的是平面坐標——墨卡托投影，由于墨卡托采用的是等角圓柱投影。因此，投影具有等角航線的特性，適合編制航海圖。本文還可以將無人機經緯度坐標在電子海圖中進行顯示，輔助救助和無人機航線規劃。

2.4.1 ?WGS-84與墨卡托投影坐標轉換

在繪制海圖時將WGS-84坐標通過投影正變換轉成平面直角坐標系，相關轉換公式如下：

式中x、y為墨卡托直角系坐標;φ、λ為大地坐標系經緯度;φ1為墨卡托基準經緯度;r為基準緯度的緯線圈半徑;N為橢球的卯酉圈曲率半經;q為等量緯度;e為橢球的第一偏心率，a、b為橢球的長短軸，。

經式（1）～式（4）聯合計算得到（x，y）墨卡托投影坐標絕對值。由于海圖坐標原點不是零點，故可以通過簡單的坐標平移得到。海圖坐標到用戶屏幕的顯示需要通過坐標系和屏幕像素點坐標轉換，計算像素的實際距離進行轉換，考慮到參考系不同即可。

無人機在搜救中結合電子海圖顯示，可以清晰快速實現搜索位置相互顯示，并且可以通過已知搜索到的海圖顯示的AIS目標，經過坐標反解確定海上目標坐標三維信息，在能見度不良的海況下指導無人機救助，達到航線規劃的目的。

3 ?結 ?論

本文在目標識別中加入機器人學習提高搜索運行速度，目標定位采用魯棒性和定位速度較快的射影幾何定理的視覺定位算法，通信方面則引入北斗反饋鏈路，增強被困人員信心，最后利用坐標轉換實現無人機、搜索目標以及用戶的位置交互，解決因氣候原因導致的無人機視頻搜索效果差的難題，由于海上環境復雜多變，希望無人機裝備在未來的發展中通過一系列的創新與測試實現關鍵技術的不斷深入，對于其裝置與系統呈現進一步改進，從而使其能更好地開展工作。

參考文獻：

[1] 張偉.基于AIS實態觀測的受限水域船舶領域模型研究 [D].大連：大連海事大學，2018.

[2] 楊小川，王運濤，黃勇，等.基于油電混合動力的中小型無人機及其作戰應用展望[J].飛航導彈，2018（11）：41-45+51.

[3] 朱濤，李淋杰，凌海風.無人機在敘利亞戰爭中的作戰運用與啟示 [J].飛航導彈，2018（11）：31-34.

[4] RedmonJ，Farhadi A. Yolo9000：Better，Faster，Stronger [C]//2017 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition （CVPR），2017：6517-6525.

[5] 徐福祥.基于無人機及多源數據的黃海綠潮監測研究 [D].煙臺：中國科學院大學（中國科學院煙臺海岸帶研究所），2018.

[6] 張凱，張好運，盧旭升，等.無人機海島礁航空攝影測量技術應用 [J].測繪通報，2018（9）：87-90.

[7] 姜明，史靜，姚巍，等.多旋翼微型無人機氣象探測適用性分析 [J].氣象科技，2018，46（3）：479-484.

[8] 曹德勝，桑凌志.無人機水上遇險搜救關鍵技術研究 [J].交通運輸研究，2017，3（3）：62-68.

[9] 趙德燦.無人機在海上搜救中的應用 [J].中國水運，2018（6）：29-30.

[10] 黃卓.無人機運動目標實時檢測識別算法研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

[11] 周立，張陽，張一，等.無人海洋測繪技術體系構建 [J].測繪通報，2019（4）：130-133.

作者簡介：朱武斌（1987-），男，漢族，湖南邵陽人，畢業于測繪與海洋信息學院海洋空間信息技術專業，碩士研究生，研究方向：物理海洋學;通訊作者：周立（1959-），男，漢族，貴州貴陽人，就職于測繪與海洋信息學院，碩士生導師，教授，研究方向：海洋動力過程信息技術、智慧海洋。