基于紅外感應技術的海上即時搜救無人機設計

摘要：為提高海上救援的效率與可實施性，節省救援過程中的人力，規避因海上不可控因素導致的施救人員傷亡，實現遠程救援。本文通過開展對海上救援問題的研究并結合海上救援的特殊性，對傳統無人機進行創新性設計，采用集高靈敏度紅外熱成像、微光攝像技術于一體的高清自動聚焦攝像機以搜索遇害者，并采用定點懸停技術保證無人機能夠精準穩定施救。設計出了一款擁有紅外感應、微光攝像技術以及定點懸停技術優化的無人機設計。提出一種基于紅外感應與動態捕捉技術結合的海上即時搜救無人機設計方案。

關鍵詞：海上救援；無人機；提高效率；紅外感應；定點懸停

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）08-0112-04

Abstract：In order to improve the efficiency and enforceability of maritime rescue，save manpower in the rescue process，avoid casualties of rescuers caused by uncontrollable factors at sea，and realize remote rescue.In this paper，the traditional UAV is innovatively designed by carrying out research on maritime rescue problems and combining the particularity of maritime rescue. The high-definition auto-focusing camera integrating high-sensitivity infrared thermal imaging and low-light camera technology is used to search for the victims，and the fixed-point hovering technology is used to ensure the accurate and stable rescue of the UAV.The design department has designed a UAV with infrared sensing，low-light camera technology and fixed-point hover technology optimization. This paper presents a design scheme of real-time search and rescue UAV at sea based on the combination of infrared sensing and dynamic capture technology.

Keywords：Maritime rescue；UAV；Efficiency improvement；Infrared sensing；Fixed hover

引言

隨著中國海洋產業的蓬勃發展和海上救援力量的不斷改善，無人駕駛飛機救援速度和效率將成為未來海上救援的主要考慮點之一，為海上救援提供了更多的時間和能力。據統計，世界上每小時有40人左右溺亡，每年大概有372000人死于溺水，中國每年有7.5萬人死于溺水，其中少年兒童占了56%。未及時發現與施救不及時是導致他們溺亡的重要原因。而無人機所具備的空中控制權和遠距離快速轉場能力能夠很好地解決這一困境。本文以海上搜救無人機為研究案例，試圖設計一款操作簡潔、反應迅速、載荷豐富、任務用途廣、自主飛行等特點的無人搜救機。實現建立岸邊基站+船載基站+衛星傳輸+無線救援網絡等技術融合。

一、 無人機運用于海上救援

（一）現有的主要海上救援方式

直升機救援一般分為3種救援方式，主動搜索救援、絞車救援、機降救援。其中主動搜索救援主要會先對事發地進行GPS定位，準確地找到遇難者的位置，并展開救援；絞車救援一般是在直升機到達事發地后，工作人員將遇難者帶到救生員處，使用救生設備將遇難者帶到直升機上；機降救援就是通過直升機的直接降落將被困者轉移到直升機上，其優點是效率高，但需要工作人員現場救援，無法確保不出現多人死亡的慘劇發生[1]。

（二）無人機在海上救援的優點

海上救援需要搜救人員冒一定的風險，是十分危險、緊迫，也是不可預期的。海上救援有眾多不確定因素，即便是訓練有素的救援人員，每年還是會出現在救援過程中喪命的情況。而無人機救援就解決了這一問題，救援人員可以遠程操控無人機進入搜救現場進行勘察，通過在救援區域上空來回飛行的方式收集與救援現場實際情況相關的數據信息、影像圖片等，為救援人員救援方案的制訂以及救援行動的開展提供參考[2]。與此同時，無人機可將現場勘查的相關數據信息傳輸至指揮中心，便于工作人員做出正確的救援決策。

無人機由于其飛行特點，與船舶救援的拍攝視角不同，無人機能夠拍攝到更遠、更廣、幅寬更大的場景，并且視角可以360°進行旋轉，使得無人機拍攝的影像更有參考價值，也更容易發現遇害者。與小型工業無人機相比，中型固定翼無人機具有飛行速度更快、高度更高、距離更長、巡航面積更大、載荷能力更強、應用范圍更廣、更加安全可靠等特點[3]。

二、 無人機海上救援相關需求及相關技術

（一）無人機海上救援需求分析

一般溺水停止呼吸5—10分鐘后，就會出現腦死亡，因此，在溺水事故發生的6 min內是救援的“黃金時期”[4]。及時動身救援和快速搜索遇難者就變得尤為重要[5]。要盡可能節省救援過程中浪費救援時間的環節。通常當救援人員對溺水人群施以援助時，起初，由于受害者的緊張與害怕情緒，極有可能會失去理智或者做出妨礙救援的動作，會給救援人員帶來極大不便，造成救援時間的浪費[6]。另外，許多溺水者在受到援助時已經消耗了大量的體力，剩余的體力不足以做體力消耗較大的救援動作。所以在營救溺水者時，要盡量做到無需被救者做出過多反應配合救援，做到無人機主動救援，在保留被救者體力的同時，也防止被救者因失去理智而造成不必要的傷害。在溺水事故中，尤其是夜晚落水造成的死亡率相對較高，夜晚水面能見度低，如果碰上雨天和霧天更增加了救援難度，為了能夠第一時間快速搜索到遇難者的位置，應保證無人機的攝影裝備無論白天和夜晚均正常運作，不受天氣條件的影響，并能夠快速捕捉到生命跡象。

在救援過程當中，由于無人機需要將捕捉到的景象實時傳輸給岸上的指揮中心，這時就需要保證視頻傳輸低時延、高可靠、低功耗、無卡頓。保證工作人員能夠看到清晰流暢的畫面，以更好、更準確地進行救援決策。

由此可見，下一步產品設計需要探索的是如何在充分考慮遇難者、自然環境、通信等多方面要求的同時，對無人機進行創新性設計，使無人機海上救援更加高效、簡單、安全。

（二）紅外探測技術

紅外探測技術是利用紅外熱成像技術為使用者在無光的條件下進行可視化觀察的一種特殊方式，其中分為主動式與被動式兩種。

1. 主動式的紅外探測原理是使用近紅外光束來照射對象將物體反射出的近紅外輻射轉化成可看到的圖像，來實現在黑暗條件下較為清晰地看到該目標。這種探測方式需要進行紅外照射源比較被動地探索，但是主動式紅外探測就可以在不受對象溫度影響的條件下，實現黑暗條件下的目標探測

2. 被動式的紅外探測是根據物體，在產生不同輻射特征的前提下，利用對中遠紅外比較敏感的半導體作為探測器將發生不同熱輻射的對象，用可見的圖像進行區分。被動式的紅外探測是根據物體，在產生不同輻射特征的前提下，利用對中遠紅外比較敏感的半導體作為探測器將發生不同熱輻射的對象，用可見的圖像進行區分。進而達到探測生命體征的目的，一般將這種方式得到的圖像稱為紅外熱成像，其相對比較突出的特征，是不需要借助外來的輻射源就可以進行工作，但是被測量的物體溫度分布有比較小的差異，因此，這種探測的方式得到的圖像對比度比較低。在海上救援時遇難者與大面積的海洋會呈現相對較大的溫度差，此時遠紅外探測獲得的圖像相對較為清晰。

（三）微光攝像技術

微光攝像技術是觀察對象十分微弱的輻射光產生光電子，或者是光生載流子產生視頻信號，通過圖像的處理，在顯示屏上呈現可視圖像。觀察者不需要進入觀察區域。通過電路的信息處理對圖像的對比度進行加強，獲得更好的視覺效果。

針對無人機海上救援遇難者的位置無法確定，需要較大面積地進行搜查，拍攝距離較遠，并且無人機與海平面有一定的距離，用普通的攝像技術所拍攝的影像會比較模糊，對工作人員的識別會有一定的不利影響，所以需要微光攝像技術的支持，使其導出的影像更加清晰，能夠更快、更準確地發現和鎖定遇害者。

（四）定點懸停

目前，無人機定點懸停，最成熟且應用廣泛的方法是利用gps+氣壓計+陀螺儀的組合導航方式。其中的氣壓計是用來測量高度發生的變化，通過GPS的模塊進行水平坐標的獲得，并結合陀螺儀的數據得到三維的坐標，把坐標提供給無人機，從而實現定點懸停。另外，有光流定點方法，該方法使用機載的光流傳感器測算無人機相對于地面的光流場，以此得到無人機當前速度矢量信息（速度+方向），光流模塊根據上述運動矢量信息計算出反向加速度控制變量，使無人機保持定點懸停狀態。該方法不需要外部發射信號的協助，因此適用范圍較廣，系統誤差較小，但由于要計算整幅圖像的光流信息，因此計算量較大，無人機機載處理器難以承受的計算量會導致計算效率低，給出控制信號將會嚴重滯后。

三、 無人機海上救援問題解決策略

根據以上對無人機海上救援的需求分析，思考能夠解決相應問題的方案。

（1）針對溺水者體力大量消耗的問題，為確保救援過程順利進行，并防止被救者因失去理智而造成不必要的傷害，采用自主救援的模式。設置一個無需遇難者消耗過多體力即可配合的裝置來幫助其與無人機進行綁定，從而獲救。

（2）針對天氣條件復雜以及夜晚作業可見度低無法清晰地識別遇害者的問題，需要選用能夠不受光線影響以及多變的天氣情況影響的技術，在沒有照明條件下仍能識別觀察對象的紅外線探測技術，使得能夠清楚區分海上物體與遇害者，以便確定遇害者的位置。

（3）在解決了識別遇害者的問題后，無人機收集到的影像清晰度的問題需要一同解決，普通的攝像技術無法將遼闊的海面拍攝清楚，就需要將紅外探測與微光攝影技術相結合，在收集紅外成像的同時，提高畫面清晰度，以確保更清晰地分辨遇難者。

（4）針對精準救援的問題，在鎖定遇難者并準確靠近后，無人機應在固定的位置穩定懸停，以確保能夠準確穩定地捕捉到遇難者。

（5）為了能夠收集到平穩、清晰的錄像，無人機的形態應設計得相對厚重有體量感，不過度受海風或天氣的影響。此外，飛機的外形應為流線型以減少風阻對飛機前進的影響。

四、 海上救援無人機設計方案

（一）救援流程

系統的整體方案首先由指揮中心或船載基站收集遇險警報，組織無人機出動救援。無人機出海搜救時，通過自帶的生命探測儀攝像頭收集周邊海域的影像，并傳輸給工作人員，由工作人員對無人機進行遠程操控，生命探測攝像頭實時監測海上的生命跡象，發現遇難者后，工作人員將會操控無人機精準靠近已鎖定的目標，來到目標身邊后向遇難者投放救生彈，救生彈炸開后上浮，將遇難者托起，由無人機將遇難者帶回岸邊。

（二）通訊流程

無人機出海搜救后，通過熱成像生命探測儀的紅外探測和微光攝像技術將周邊海域的影像生成視頻，傳輸到機載信息發射臺，再由發射臺向指揮中心進行視頻傳輸，這一過程使用5G通信技術，必要時使用衛星傳輸。指揮中心工作人員收到實時視頻信息后進行遠程操作，同時擬定路線，并將指令傳輸到機載信息發射臺，無人機執行指令進行即時營救[7]。

（三）配色方案選取

無人機整體采用流線型設計，主要由機身外殼、油箱、發動機、主翼、副翼、 360°熱成像生命探測儀、動力渦扇等結構組成，搭載SGCPE通信系統、5G通信傳感器高倍、光學成像模塊、救生彈裝備儲存及彈射系統。其中主體顏色選取海洋藍色的對比色橙色，搭配灰色及黑色以體現海上救援的風格，顏色取自德國勞爾色卡（圖1）。

（四）造型設計迭代

在海上救援無人機的造型迭代設計研究中，我們首先通過仿生設計，將海上救援無人機參考鳥類的形體進行初次設計，在初次形體設計出來以后，對其增加結構，優化細節，從最初的簡單形體逐漸轉化為較為完善的結構形態，并進行簡單的渲染。由于初次迭代出來的形體簡單、結構暴露，并且缺乏動力配件，無人機的機頭也缺乏造型美感，需要進行二次迭代。為海上救援無人機增加了動力裝置，增添了360°生命探測攝像頭以及兩側渦扇與后置渦扇，是海上救援無人機造型更完善，結構更嚴謹，見圖2。

（五）無人機配套設備

海上救援無人機在遇到溺水情況時，尤其是相對遠海救援的情況下，大多數的待救人員是非主觀因素被困，在這種情況下，大部分人體力透支的情況比較嚴重，幾乎喪失了自救能力，一般只能進行一些簡單的配合救援工作的行為，這時就需要無人機能夠精準工作，無須消耗待救人員過多的體力從而展開救援工作。我們將一個機械式的救生彈嵌入無人機內部，該救生彈內部植入了一個安全氣囊，在感應到有人抓取救生彈的表面裝置后，自動彈出安全氣囊，其設計原理見圖6。海上救援無人機在精準定位待救人員后，將救生彈投擲到其身旁，救生彈將會下沉到待救人員身下，救生彈炸開，彈出安全氣囊，由浮力上浮，將待救人員托起，從而使得其獲救，并且無需配合救援，見圖3。

熱能探測儀是海上救援無人機極其重要的一個零部件，該設計將熱能探測儀以攝像頭的形式嵌入到海上救援無人機中，該設計將熱能探測儀采用滾輪的形式，方便360°旋轉測量與探測。熱能探測儀同樣具有位置測量的功能，通過無線無人機通信單元輸入微控制單元。微控制單元處理出來的數據以及命令被輸送到執行單元，然后信號通過電機驅動單元輸送到電機，然后改變無人機的飛行位置。利用飛行位置測量模塊，相關信息可以被傳輸到飛行控制單元進行位置與姿勢防窺，見圖4。在溺水事故中，尤其是夜晚落水造成的死亡率相對較高，夜晚水面能見度低，如果碰上雨天和霧天更增加了救援難度，為了能夠第一時間快速搜索到遇難者的位置，應保證無人機的攝影裝備無論白天和夜晚均正常運作，不受天氣條件的影響，并能夠快速捕捉到生命跡象。

（六）無人機結構設計

見圖5，海上救援無人機設有可炸開的救生彈用來施展救援，捕捉并吊起遇難者，其中救生彈包括了牽引繩和機械式救生筏彈出艙兩部分組成，牽引繩用來固定救生彈與海上救援無人機，救生筏彈采用機械感應結構，當遇到壓力時會自動彈出安全氣囊供遇難者漂浮在水面。

海上救援無人機的底部球形攝像頭為360°熱成像生命探測儀，搭載紅外探測技術以及微光攝像技術，攝像頭本身可進行360°旋轉，以收集比較廣闊的景象。主要動力來源為前側兩個動力渦扇以及尾部的大型渦扇發動機。以維持無人機的穩定飛行。無人機兩側設有SGCPE通信系統以及信息發射臺，用來進行信息接收與傳遞。飛機尾部設有油箱，用來儲存燃油以支持飛機較長時間的飛行。飛機設有一對主翼及一對副翼，以保證飛機更加平穩飛行？飛機整體有頂部的機身外殼保護。同時，在海上救援無人機內部還嵌有排煙筒、高倍光學成像模塊、5G通信傳感器、5GCPE通訊系統等內置模塊，極大提高無人機的救人效率與救人精準度，見圖6。海上救援無人機主要由8個部分構成：電源部分、微控制單元部分、位置測量部分、高度測量部分、無線電和驅動單元部分、應急監控部分和功能支持部分。傳感器、濕度傳感器、氣囊釋放裝置等。

（七）無人機造型設計與場景圖

由于離岸流的流速越大，逆流而上容易造成體力不支或是抽筋，最終造成溺水事故具有不可預知性。離岸流的強度和狀態因波浪、潮汐、天文、風力風向等多種因素而改變，所以不可預見[8]。海上搜救任務日益繁重，搜救難度越來越大，對海上搜救工作提出了新的更高要求。與傳統的海船作業模式相比，無人機具有靈活性、機動性、飛行面積大、視野廣、經濟、便捷、操作方便等優點，有效減少了人員的生命風險。在應急響應、搜救等領域的應用越來越受到海上救援部門的關注與青睞[9]。海洋氣象形式相對復雜，會遇到側風、強風、橫風等。當海上救援無人機在海上執行搜救任務時，由于風向的突然變化，出現事故是不可避免的，因此，有必要研究海上救援無人機在海上的回收打撈等相關問題，這確保了海上救援無人機在惡劣的海洋條件下墜毀后能夠自動漂浮在海面上，從而簡化了搜救行動。通過在無人機上安裝SGCPE通訊系統、5G通信傳感器，可以實現在遇到危害時能夠觸發信號和精確定位功能，可以有效降低救援成本，提高搜救效率。同時也可以防止海上救援無人機聯合搜救行動中的碰撞風險，確保搜救行動的安全可靠[10]。由于其飛行特性，無人機可以捕捉到比救援船更寬、更廣的場景，這些場景具有不同的視角，可以360°旋轉，使無人機的圖像信息更豐富，更容易識別。與小型工業無人機相比，中型無人機具有飛行速度更快、高度更高、距離更長、飛行面積更大、運載能力更大、應用范圍更廣、安全可靠的特點。圖7為海上救援無人機的救援場景圖。

結論

本文以海上救援無人機進行作為設計對象，通過對無人機的具體結構以及外形進行創新性設計，添加紅外感應、微光攝像技術以及定點懸停技術優化無人機的功能，并對海上救援無人機的運行模式進行創新，創新救援流程以及通信流程，同時確保了海上救援無人機在惡劣的海洋條件下墜毀后能夠自動漂浮在海面上，從而簡化了搜救行動。打造出一款飛行速度快、救援成本低、載荷能力強、安全可靠性高、適用范圍廣、實用性強且人性化的無人機。改善了無人機在復雜環境下的適應能力，提高了水上救援的效率，減少了海上救援的意外傷亡，為海上應急救援工作提供了強有力的保障。

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