一种基于无人机的儿童防溺水监控系统及无人机的制作方法
本实用新型涉及智能救援技术领域，特别是一种基于无人机的儿童防溺水监控系统及无人机。
背景技术：
户外溺水事故时常发生，由于条件限制，很多情况下由于溺水者离岸边太远，或者岸边没有能够提供救助的人员而无法及时救助溺水者，导致危险发生。
2016年，申请号为[2016112684434]的专利，设计了一种可用于救援的无人机救助装备，该装备包括可佩戴式监测和救助端以及无人机监测端，该专利具体设计了可穿戴设备的结构，人体溺水后，一方面该穿戴设备将位置信息播报给救生员，同时释放气囊，另一方面无人机飞行寻找溺水者，并将溺水者实时情况拍摄为视频传送给救生员，其中支持通讯方式3g、4g、wifi、蓝牙或以及红外。该专利中，无人机的作用比较局限，仅为查询以及跟踪溺水者。
2017年，申请号为[201710784016x]的专利使用旋翼无人机设计了海上救援系统，结合四个普通旋翼无人机和一个载物台，使其能够有飞行和海上航行两种状态无人机定位到溺水者后，垂直下落到溺水者所在海面上空，溺水者顺着梯子爬拿到无人机所搭载的载物台上上，无人机推动溺水者在海面上行动。同年，申请号为[201710497150.1]的专利提出了一种能够远程遥控的海上救援无人机，包括机身、飞行控制模块、飞行机构和投放机构，可用于溺水者没有佩戴定位设备的救援场景，无人机在远程人工控制下搜寻，待搜寻到溺水人员后，下放拉绳和救生圈，在拉绳上设置有定位装置，以告知他人救助。同年，申请号为[2017210238462]的专利提出了一种可投放救生圈的无人机，与前一专利主要不同之处在于详细设计了投放无人机的机械爪。
2018年，申请号为[2018105911697]的专利提供了一种用于急救的无人机设计，该设计适用于已被救助上岸的溺水人员，无人机受远程操控定位到已被救助上岸的溺水人员，投放氧气罩等救助物资。同年，申请号为[2018110415697]的专利，该专利公开了一种基于系留无人机的防溺水监测方法，利用无人机搭载摄像头，通过无人机的四个方向上的摄像头拍摄游泳池中所有的场景，避免死角，将拍摄到的四个方向上的图像按照顺序排列组合成一组新的图像，并与前面的一组进行游泳运动变化规律分析，找出不符合规律的图像，并将图像与溺水图像进行栅格比对，最终找出溺水点的大致区域，再通过激光测距仪测出准确的溺水点，救生员得到信息后及时进行施救，该专利适用于在没有人为察看下判断是否有溺水者以及溺水者具体位置位置的情况，不包括具体施救措施。
2019年，申请号为[201910382747.0]的专利公开了一种基于机器视觉的溺水为在线识别方法，包括采集图像；预处理；图像传输：将预处理后的图像将通过无线网络传输至云服务器；离线训练openpose：云服务器基于轻量级加速openpose，离线训练适用于提取水中人体关键点的模型；离线训练分类器：提取的人体关键点后，再训练基于神经网络的二分类器，用于判断人员是否溺水；服务器在线监测：云服务器在线运行改进的轻量级加速openpose用于取图像中人体关键点，并对关键点进行溺水判断、计算危险程度、输出报警信息。本实用新型能够被使用在水上小型机器人、水上固定摄像机或者水下固定摄像机上，用于识别游泳者的实时姿态，对溺水可疑姿态进行甄别和预警，在泳池和海边等处辅助救生员识别溺水的作用。
然而，上述各专利技术具有以下缺陷：(1)现有能够实施直接救助的无人机的防溺水系统缺乏自主性，全程需要人为操控实现定位返航以及救助；(2)部分无人机仅监测(人为远程控制监测，在线自主识别监测)溺水行为，并且向相关人员播报位置以及实时环境进行求助，而不实施直接如下放救生圈或救生绳索的救助；(3)部分能够直接实施救助的专利，没有考虑到溺水者已经沉入水中无法触碰到水面救助工具(如救生绳索和救生圈)的情况；(4)无人机的救援路线没有进行最优规划，容易耽误救援时间；(5)目前一般通过水面视频判断是否溺水，在空中飞行搜索水面溺水者，而没有考虑到溺水者可能已经沉入水中，这种情况下仅在空中搜索水面是无法确定溺水者位置的。
技术实现要素：
本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种救援效率高，救援速度快的基于无人机的儿童防溺水监控系统及无人机。
本实用新型的技术方案是：
本实用新型之一种基于无人机的儿童防溺水监控系统，包括：
机壳；
导航单元，包括处理器以及与处理器连接的导航摄像头、监控摄像头和超声波距离传感器；
浮标通信单元，包括通信浮标，所述处理器通过通信浮标连接服务器；
飞控单元，包括设于机壳尾部的水下推进器和设于机壳顶部的飞翼螺旋桨，所述水下推进器由推进电机驱动；所述飞翼螺旋桨由旋翼电机驱动；所述推进电机和旋翼电机连接处理器的输出端；
充电单元，包括充电电池和电池续航状态检测单元，电池续航状态监控单元连接处理器的输入端；
气囊控制单元，包括充气气囊和气囊阀控制器；机壳上设有气囊出口，气囊出口处设有气囊阀控制器，所述气囊阀控制器连接处理器的输出端；所述充气气囊设于机壳内，能够沿气囊出口放出或收回。
进一步，所述浮标通信单元还包括浮标锁控制器；所述浮标锁控制器连接处理器的输出端，用于对通信浮标进行锁定或解锁。
进一步，所述机壳上设有与充电电池电源端连接的自主充电触点和外引导点，自主充电装置通过红外导引与自主充电触点接触进行充电电池的自主充电。
进一步，所述服务器分别与穿戴式设备、无人机、监护人终端通信连接。
进一步，还包括照明单元，所述照明单元连接处理器的输出端。
进一步，所述机壳采用ip69级防水设计。
进一步，所述处理器采用飞腾处理器，并搭载有北斗信号、电子罗盘、惯性导航单元。
进一步，所述导航摄像头为vslam摄像头；所述监控摄像头为270°高清摄像头。
本实用新型之一种无人机，包括由前述任一项所述的基于无人机的儿童防溺水监控系统。
进一步，所述导航摄像头设于机壳的下侧,所述监控摄像头设于机壳的前端；所述通信浮标和浮标锁控制器设于机壳尾部上侧；所述气囊出口设于导航摄像头的后端。
本实用新型的有益效果：
(1)通过设置充气气囊和气囊阀控制器，人体产生溺水风险时主动入水施救，大大降低危险性；
(2)通过设置通信浮标，一方面，无人机入水救援时仍然可以提供较低的控制时延和视频画面；另一方面，当无人机下水后，通信浮标事先锁在浮标锁内，不会阻碍无人机进入水中，得到快速救援；
(3)自主无人机设有水下推进器，入水后开启水下推进器，比只靠旋翼驱动具有更好的救援时效；
(4)无人机通过与服务器建立通信，无人机在救援阶段以外的飞行、监控行为可无需人员干预，入水救援阶段通过服务器远程实时操控释放救援设备，灵活性高，稳定性强，运营成本低；
(5)在溺水风险较高的水域附近设置无人机自主充电点，无人机降落在自主充电点以后能够快速自主充电；
(6)通过两栖式自主无人机对人体的下水行为进行主动干预，产生溺水风险时主动入水施救，大大降低危险性。
附图说明
图1是本实用新型实施例救援系统的电路结构框图；
图2是本实用新型实施例无人机的结构示意图；
图3是本发明实施例无人机另一方向的结构示意图；
图4是本发明实施例无人机的监控状态示意图。
附图标识说明：1.机壳；2.监控摄像头；3.自主充电触点；4.水下推进器；5.飞翼螺旋桨；6.推进电机；7.浮标锁。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
如图1～图3所示：一种基于无人机的儿童防溺水监控系统，包括机壳1，所述机壳1上设有飞控单元、导航单元、浮标通信单元、充电单元、气囊控制单元和照明单元。
所述机壳1采用ip69级防水设计，可以实现下潜至水下十米进行搜救。
所述导航单元包括处理器以及与处理器连接的导航摄像头、监控摄像头2、超声波距离传感器和摄像头云台。其中，处理器优选采用基于自主可控的飞腾处理器，来替代国外基于intel、nvidia作为自主定位与导航的处理器，通过搭载北斗信号、电子罗盘、惯性导航，来获得自身位置，处理器采用差分gnss定位技术接收卫星信号(包括北斗卫星或gps)。所述的导航摄像头设于机壳的下侧，优选采用vslam摄像头，摄像头呈圆孔状，导航摄像头与处理器相配合，设计视觉融合的vslam算法，使无人机在计算自身位置的同时构建环境地图，解决无人机在未知环境下运动时的定位与地图构建问题。所述的监控摄像头设于机壳的前端，采用270°高清摄像头，用于拍摄外界环境以及水中的场景，通过270°转动能够避免死角。监控摄像头通过摄像头云台进行角度调整。所述的超声波距离传感器用于检测障碍物，以避免障碍。
所述气囊控制单元包括充气气囊和气囊阀控制器；机壳的下侧中部设有气囊出口，用于放出充气气囊，气囊阀控制器设于气囊出口侧，通过控制阀门开合，来控制充气气囊的放出和收回；所述气囊阀控制器连接处理器的输出端。气囊出口优选设于导航摄像头的后端。当需要释放充气气囊时，处理器会发送控制指令给气囊阀控制器，以控制阀门开启。
所述充电单元包括充电电池和电池续航状态检测单元，电池续航状态监控单元连接处理器的输入端；当电池续航状态监控单元检测到充电电池的电量低于一预设的参考电量时，会向处理器发送一充电请求信号。机壳侧身设有两个与充电电池电源端连接的自主充电触点3和一个红外引导点，当无人机降落到指定位置以后，自主充电装置通过红外导引与自主充电触点3接触进行自主充电。
所述飞控单元包括设于机壳尾部的水下推进器4和设于机壳顶部的飞翼螺旋桨5，所述水下推进器用于水下行使，由推进电机6驱动；下水时飞翼螺旋桨主要作为转向动力，由旋翼电机驱动，旋翼电机的数量为四个。所述推进电机和旋翼电机连接处理器的输出端。
所述照明单元为led灯，用于水下或夜间照明，led灯连接处理器的输出端。led灯可设于机壳的任意位置。
所述浮标通信单元包括设于机壳尾部上侧的通信浮标和浮标锁控制器，浮标锁控制器连接处理器，用于对通信浮标进行锁定或解锁。当无人机正常飞行时被锁定在机壳上。当无人机收到入水指令后，控制浮标锁控制器将浮标锁7打开，通信浮标被放出，通信浮标为中空的发射天线，本实施例优选为一条5米长的通信细缆。无人机入水后，浮力作用会使得该浮标浮在水面上，为入水无人机提供高带宽的通信中继，优选采用4g或5g移动网络进行通信。
所述处理器通过通信浮标与服务器进行通信，服务器为超级计算机云平台。且服务器分别与穿戴式设备、无人机、监护人终端进行通信；服务器用于根据溺水风险函数判断人体溺水的风险等级，进行预警分级，向穿戴式设备和监护人终端发送预警指令；监护人终端若选择无人机出行，则服务器与无人机的处理器建立通信，获取无人机的电池续航状态信息以及位置信息，统一根据在飞无人机、备飞无人机、附近无人机和风向信息调度无人机阵列，同时通知救援中心人工客服准备随时人工介入营救活动；服务器还用于获取无人机在目标位置拍摄的图像信息，根据图像信息进行行为，判断人体是否处于溺水状态，若判断为溺水，服务器远程实时指挥无人机实施救援。
如图4所示：本实施例的无人机若未接收到服务器发送的请求支援指令时，则无人机原地充电或处于等待状态，若接收到服务器的救援指令，则选择离水域最近的无人机被调度前往目标位置，其他无人机处于等待状态，若前往的无人机存在电量减弱时，则服务器调度候补无人机前往，而需充电的无人机则在水域附近找到充电装置进行自主充电，
在应对户外人体(尤其是儿童)的溺水问题中，本实用新型设计的防溺水系统与方法分别在两个阶段使用到了自主无人机。
第一阶段为预警阶段，具体包括：
儿童佩戴有穿戴式设备，穿戴式设备可以是手表、手环活校徽等形态；穿戴式设备会将儿童的相关位置信息发送给服务器，服务器根据儿童位置计算出儿童距离危险水域的距离d，具体为：标注危险水域边界，通过有序点集合p＝{p1,p2,p3,p4,p5,...,pn}表示；计算危险水域边界的平均值
危险水域的标注方法通过ugc(用户生产内容)与pgc(专业生产内容)相结合的方式进行管理，即通过用户(如学生家长、老师等)与专家(如官方、管理员等)相结合提供标注数据。系统初始化阶段，系统管理员会导入重点水域的基础数据，该数据来源于政府水利设施等测绘部门，服务器提供接口接入数据。
其中，由于汛期水域宽度和深度信息变化较为剧烈。特别是雨季水量变化较大，早上和中午的水位和河道宽度都会有较大变化，因而需要能够对水域的实时宽度和深度进行动态测绘。系统对重要的危险水域进行动态测绘和跟踪，通过无人机技术结合定位技术。无人机每次飞行采集有序点集合p’，替换掉服务器的该水域的有序点集合p。
所述预警分级包括：根据人体位置信息自动触发近水、临水、入水三级预警；当人体接近危险水域时，系统向人体发出ⅲ级警示；临水时向人体发出ii级警示，同时通知人体的相关联系人；当检测到人体可能入水时，系统向人体发出ⅰ级警示，同时再次通知人体的相关联系人。
当服务器向监护人终端发送信号以通知儿童的危险情况后，监护人可以选择是否需要无人机出动。若监护人需要无人机出动，则监护人终端会向服务器发送请求无人机支援的请求指令，服务器接收到指令后，会根据附近无人机的电池续航状态以及距离监控地点的距离通知无人机到达监控现场。服务器将儿童的位置发送给无人机，无人机获得目标位置以后，会根据地图信息和当前风向信息规划一条事件最短的路径飞往监控地点。其中，服务器会统一根据在飞无人机、备飞无人机、附近无人机和风向信息调度无人机阵列全周期覆盖近水人体。无人机起飞以后，服务器根据当前无人机阵列的电池续航状态，规划候补无人机进行准备，同时通知救援中心人工客服准备随时人工介入营救活动。无人机就会由远程操控到儿童位置附近进行监控观察，并将监控下的实时视频上传到服务器，由服务器再发送至监护人客户端(无人机监控画面可以通过运营商网络同时传给救援中心、家长、附近热心群众，形成联动联合救援)。服务器会在电池续航短缺之前，自动调度下一台无人机接替当前无人机进行监护。若成功劝离儿童或儿童未发生溺水危险，无人机自主返航到出发点并自主充电。其中，无人机自主充电点设在溺水风险较高的水域附近，使得无人机降落在自主充电点以后能够快速自主充电。
本实施例中，所述无人机规划的最短路径是指无人机从起点飞往目标监控地点的最短路径，其具有规划方法包括以下步骤：s1：无人机首先将三维地图信息网格化；s2：将三维地图中的障碍物(主要是山、高楼)赋予最高代价权重；s3：采用人工势场法，根据无人机起点和终点信息计算三维网格的每一格的代价权重；s4：根据风向和风力大小，沿着风向方向逐步提高每个网格代价权重；s5：采用d*算法在三维网格中搜索从起点到终点的最低代价路径。
第二阶段为救援阶段，具体包括：
当无人机将儿童下水的视频内容实时上传到服务器后，服务器对实时视频进行行为分析，判断入水者是否处于溺水状态，若判断为溺水，服务器采用客服坐席远程实时指挥无人机实施救援。下水时飞翼螺旋桨主要作为转向动力，无人机设有水下直线推进器，从而提高入水后的行进速度。操控人员操控无人机到达溺水人员旁，远程操控释放充气气囊，为溺水人员水上漂浮提供可靠浮力，为救生员或附近群众的救援争取更多的时间。另外，入水救援时仍然可以通过通信浮标提供较低的控制时延和视频画面给服务器，以便监测溺水者的水下动态。
本实用新型在溺水救援问题中，设计了无人机-服务器-无人机方法，即无人机将拍摄的视频实时传送给服务器，经过行为识别判断溺水行为是否发生，之后再由后台操作无人机直接进行搜索与释放气囊救助。无人机不仅进行判断溺水行为是否发生的工作，也进行直接救助的工作，溺水行为识别与溺水救助连续进行能够一定程度提高救助效率。而针对溺水者可能已经沉于水中无法触及水面救助的漂浮物这样的情况，本实用新型对于无人机的两栖设计能够实现在水下释放充气气囊的功能，无人机不仅能在水下搜寻到溺水者，还能够直接在溺水者身边释放充气气囊。
另外，本实用新型设计的无人机具有自主飞行，自主定位，自主返航与自主充电功能，一定程度提高了无人机的自主性，缩短了救助时间，提高了救助效率。
其中，自主飞行是通过全局路径规划和局部路径规划两个层次的路径规划算法来实现，算法启动之前系统会先将三维地图栅格化，然后通过d*全局路径规划算法计算无人机当前位置到达监控地点的完整飞行路径，再加入当前无人机的动力学特征采用dwa算法对全局路径进行逼近，逼近后的运算结果控制飞控单元飞往事发位置。
前述的最短路径算法即为d*算法(全局路径规划层次)，后述的dwa算法(dynamicwindowapproach，译为动态窗口法)，即为局部路径规划层次。通过采用d*的全局导航算法,可以为机器人规划出一条最优的全局路径，此算法不考虑机器实际飞行时的动态问题，而提供理论上可行的最短路径，上述“动态问题”可能为：在实际飞行中，由于变化的飞行速度而引起的路径变化问题，假设机器飞行中有转弯需求，若此时飞行速度过快时，那么这个转弯路径弧度会比较大，反之路径弧度会比较小。dwa基于动态窗口法的局部路径规划算法,加入了机器实际运动时速度的动态特征，用于应对上述当机器实际运动时面临的动态问题。二者配合体现了两个全局路径规划和局部路径规划两个层次。
自主定位是通过以下方式实现的：配合使用基于自主可控的飞腾处理器，北斗信号、电子罗盘、惯性导航以及vslam算法，无人机在计算自身位置的同时构建环境地图，解决无人机在未知环境下运动时的定位与地图构建问题，实现自主定位。
自主返航是自主飞往监控点的逆过程，在无人机结束监控或候补无人机到达现场时，无人机会获得服务器给出的返航指令。由于无人机起飞点可能已经被其它候补无人机使用，服务器会调度其最近的可用返航点指示其返航，返航期路径搜索算法与自主飞行路径算法相同。
自主充电是当无人机降落到指定位置以后，自主充电装置通过红外导引与自主充电触点接触进行自主充电。
综上所述，本实用新型能够防止类似的溺水危险以及在溺水危险发生时，直接对溺水者进行救助。当人体靠近可能溺水的危险区域时，自主无人机出动，并提供可能发生溺水危险地区的监控视频到监护人终端app。当溺水危险发生时，服务器采用客服坐席远程实时指挥无人机入水施放救援设备的方式进行救援，救援过程及时、自主，干预少、救援速度快。
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