一种自主搜救无人船及自主搜救方法

1.本发明属于无人船技术领域，具体为一种自主搜救无人船及自主搜救方法。


背景技术：

2.近年来，无人船与人工智能、通信和传感技术等学科的结合，已经逐渐成为集智能感知、自主决策、远程操控于一体的智能水上航行器，且智能水上航行器逐渐被投入各类巡防、监测、救援等任务当中。而目前海难救援方式为大型救援船到达海难地点之后向落水人员抛出救生圈进行救援，这种救援方式会因为海水流动，导致搜救范围不断扩大，且当遇到黑夜、雨雾等能见度低的天气条件时，搜救会变得更加困难，且危险度大大增加。


技术实现要素：

3.发明目的：为解决现有救援船在黑夜、雨雾等能见度低的环境下存在搜救困难、搜救危险性大等问题，本发明提出了一种自主搜救无人船及自主搜救方法，利用视觉和毫米波雷达进行目标检测，能精准检测落水人员位置，提高救援效率和降低救援风险。
4.技术方案：一种自主搜救无人船，包括：无人船船体，以及设置在所述无人船船体上的信息感知模块、智能决策模块、自主航行模块和救生设备弹射模块；
5.所述信息感知模块，用于判定是否存在落水人员，以及当存在落水人员时，获取落水人员的实时位置信息和实时图像信息；
6.所述智能决策模块，用于根据落水人员的实时位置信息，确定最佳救援泊点，并得到对自主航行模块的控制指令；以及当无人船船体航行至最佳救援泊点时，根据落水人员的当前位置信息，计算得到救生设备弹射模块的救生衣弹射角度；以及根据落水人员所在区域的实时图像信息，在判断落水人员穿上救生衣时，向救生设备弹射模块发送弹射救生气垫的命令和牵引命令；
7.所述自主航行模块，用于根据控制指令，驱动无人船船体航行至最佳救援泊点；
8.所述救生设备弹射模块，用于根据救生设备弹射模块的救生衣弹射角度，向落水人员弹射救生衣；以及用于根据弹射救生气垫的命令，弹射救生气垫，根据牵引命令，将落水人员牵引至救生气垫处。
9.进一步的，所述信息感知模块包括毫米波雷达和网络摄像头，所述毫米波雷达设置在无人船船体的船头，用于判定是否存在落水人员，以及当存在落水人员时，获取落水人员与无人船船体的实时距离；所述网络摄像头设置在无人船船体的顶部，用于仅当毫米波雷达判定存在落水人员时，获取落水人员所在区域的实时图像信息和落水人员的实时位置信息。
10.进一步的，还包括通讯模块，所述通讯模块用于获取来自救援母船的搜救命令，所述搜救命令包括搜救区域；并将该搜救命令传输至智能决策模块；
11.所述智能决策模块用于根据来自救援母船的搜救命令，得到对自主航行模块的控制指令，使无人船船体航行至搜救区域。
12.进一步的，所述自主航行模块包括能源动力设备和运动控制设备；
13.所述能源动力设备，用于为无人船船体提供动力；
14.所述运动控制设备，用于根据控制指令，控制无人船船体的运动姿态。
15.进一步的，所述救生设备弹射模块包括救生衣弹射装置、救生气垫弹射装置和弹射装置控制组件；
16.所述救生衣弹射装置包括多个自充气式救生衣和多个牵引机构，一个牵引机构对应一个自充气式救生衣，
17.所述救生气垫弹射装置包括设置在无人船船体船尾的自充气式救生气垫；
18.所述弹射装置控制组件，用于根据救生设备弹射模块的救生衣弹射角度，控制救生衣弹射装置向落水人员弹射救生衣；以及用于根据弹射救生气垫的命令，控制救生气垫弹射装置弹射救生气垫，根据牵引命令，控制相应的牵引机构将落水人员牵引至救生气垫处。
19.进一步的，所述救生衣弹射装置还包括：弹射筒、支撑轴杆和水平转动基座；所述自充气式救生衣和牵引机构设置在弹射筒内，所述弹射筒通过转动轴承与支撑轴杆活动连接，所述支撑轴杆通过水平转动基座设置在无人船船体上。
20.本发明公开了一种自主搜救方法，包括以下步骤：
21.步骤1：判断是否存在落水人员，仅当存在落水人员时，获取落水人员的位置信息；
22.步骤2：根据落水人员的位置信息，进行航行路径规划，并根据规划的航行路径，航行至最佳救援泊点；
23.步骤3：根据落水人员的当前位置信息，计算得到救生衣弹射角度；基于救生衣弹射角度，向落水人员弹射救生衣；
24.步骤4：根据落水人员所在区域的图像信息，判断落水人员是否穿上救生衣，仅在落水人员穿上救生衣后，弹射救生气垫；
25.步骤5：根据落水人员的当前位置信息和救生气垫的位置，牵引落水人员至救生气垫处。
26.进一步的，步骤1中，通过毫米波雷达判断是否存在落水人员。
27.进一步的，步骤1中，所述的获取落水人员的位置信息，包括：
28.仅当判定存在落水人员时，通过网络摄像头，获取包括落水人员所在区域的图像信息；
29.通过图像增强算法和目标检测算法，得到落水人员的位置信息。
30.进一步的，步骤3具体包括：
31.根据落水人员的当前位置信息，计算得到救生衣弹射角度；
32.当救生衣的落地位置在设定的误差范围内时，基于救生衣弹射角度，向落水人员弹射救生衣。
33.有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
34.(1)本发明利用信息感知模块智能决策模块、自主航行模块和救生装置弹射模块，能够实现自主搜索落水人员，并进行及时救援；
35.(2)本发明利用毫米波雷达和摄像头信息融合检测，更加适合黑暗雨雾环境，摄像头在可见度低的情况下成像效果不好，检测时间会增加；因此首先采用毫米波雷达首先锁
定感兴趣区域再进行摄像头目标检测会缩减检测时间，提高搜救无人船在黑暗、雨雾等环境搜救落水人员的效率；
36.(3)本发明的救生衣装置弹射装置能够在水平方向、垂直方向转动，可根据落水人员位置自动调整弹射角度，内置入水自动充气式救生衣和连接船体和救生衣的牵引绳，保证向落水人员及时、准确的弹射救生衣，并将落水人员牵引至救生气垫；
37.(4)本发明的救生气垫弹射装置设置在船尾，内置入水自动充气式救生气垫，未使用时占用面积小，能够在救援过程中搭载落水人员，降低救援时间，提升救援效率。
附图说明
38.图1为本发明的自主搜救无人船的立体结构示意图；
39.图2为本发明的自主搜救无人船的平面剖视图；
40.图3为本发明的自主搜救无人船的救援流程图。
具体实施方式
41.现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
42.实施例1：
43.如图1和图2所示，本实施例公开了一种自主搜救无人船，其主要包括无人船船体、信息感知模块、智能决策模块、通信模块、自主航行模块和救生设备弹射模块；其中，信息感知模块、智能决策模块、通信模块、自主航行模块和救生设备弹射模块均配置在无人船船体上。
44.其中，信息感知模块主要由毫米波雷达2和网络摄像头3构成，毫米波雷达2设置在无人船船体的船头，用于判断探测区域是否有落水人员，以及当存在落水人员时，实时获取无人船船体与落水人员之间的实时距离。当毫米波雷达2返回表示探测区域有落水人员时，设置在无人船船体的顶部的网络摄像头3将捕获该区域图像信息。同时，目标检测模型通过算法增强获取到的区域图像信息，并对落水位置进行检测，得到落水人员的坐标信息。信息感知模块将坐标信息和距离信息传送至智能决策模块。
45.其中，智能决策模块设置在无人船船体的中部，用于根据落水人员的实时位置信息，对救援路径进行规划，并将规划好的救援路径传送给自主航行模块。此处规划好的救援路径指的是对自主航行模块的控制指令；以及用于当无人船船体航行至救援泊点时，根据落水人员的当前位置信息，计算得到救生设备弹射模块的救生衣弹射角度；以及用于根据落水人员所在区域的实时图像信息，在判断落水人员穿上救生衣时，向救生设备弹射模块发送弹射救生气垫的命令和牵引命令。
46.其中，通信模块为卫星通讯设备5，卫星通讯设备5设置在无人船船体的顶部，卫星通讯设备5经卫星网络，实现无人船与搜救母船之间的无线通讯，搜救母船向无人船发送搜救命令，该搜救命令包括搜救区域，智能决策模块根据来自救援母船的搜救命令，得到对自主航行模块的控制指令，使无人船船体航行至搜救区域。
47.其中，自主航行模块主要由能源动力设备、运动控制设备和定位导航设备构成，能源动力设备主要由电机6、全回转吊舱螺旋桨7和蓄电池8构成，蓄电池为电机供电，电机带动螺旋桨旋转，为无人船提供动力；该能源动力设备设置在无人船船体的后侧，为无人船船
体提供动力；本实施例的定位导航设备设置在无人船船体的顶部，在一些实施例中，可采用北斗全球定位系统9实时监测无人船船体的速度、所在经度信息、所在纬度信息和时间信息。采在无人船上配置定位导航设备的目的在于：将无人船的实时位置信息传送给搜救母船，方便搜救母船实时监控搜救无人船的相关信息，方便在紧急情况下对无人船进行召回和控制。实施例的运动控制设备设置在无人船船体中部，根据救援路径控制无人船船体的运动姿态。
48.其中，救生设备弹射模块主要由救生衣弹射装置11、救生气垫弹射装置12和弹射装置控制组件13构成。救生衣弹射装置11分布在无人船船体的甲板上，在救生衣弹射装置11内设置有可自充气式救生衣，在可自充气式救生衣上设有牵引绳，牵引绳的另一端固定在无人船船体上。本实施例的救生衣弹射装置11可在水平方向180
°
旋转和在垂直方向90
°
旋转，确保救生衣弹射装置11能绕无人船船体360
°
进行可自充气式救生衣弹射。具体的，本实施例的救生衣弹射装置11包括弹射筒、支撑轴杆、水平转动基座和可自充气式救生衣；该可自充气式救生衣设置在弹射筒内，弹射筒与支撑轴杆之间有可转动轴承，支持垂直方向转动；支撑轴杆与船体之间有可水平转动基座，支持水平方向转动。本实施例的救生气垫弹射装置12设置在无人船船体的船尾，当网络摄像头检测到落水人员穿上救生衣后，智能决策模块4发出指令，弹射装置控制组件13控制救生气垫弹射装置12将入水自充气式救生气垫弹射入水，并控制救生衣弹射装置11调整角度，收回牵引绳将落水人员牵引至救生气垫。
49.本发明的一种自主搜救无人船利用网络摄像头检测落水人员，毫米波雷达测量落水人员距离等信息，融合探测信息输出落水人员坐标，根据输出坐标调整救生装置弹射装置角度，达到快速、准确救援落水人员位置并及时救援的目的，且在雨雾、黑夜等能见度低的环境情况下也能精准检测落水人员位置，并及时向落水人员弹射救生衣，将落水人员搭载回搜救母船，提高救援效率。如图3所示，本实施例的搜救流程，主要包括：
50.步骤1：搜救母船向搜救无人船输入搜救区域信号，并发出航行指令；
51.步骤2：启动搜救无人船向搜救区域自主航行，同时开启毫米波雷达和网络摄像头对搜救区域进行目标搜索，毫米波雷达对搜救区域进行探测，判断探测区域是否有落水人员，并返回目标实时距离；若雷达波返回表示有落水人员，摄像头将捕获该区域图像信息。同时，目标检测模型通过算法增强获取的图像，并对落水位置进行检测，雷达、摄像头对已确定落水人员位置进行实时检测，并将位置坐标及距离传输给智能决策模块；
52.步骤3：智能决策模块根据接收到的目标实时坐标及距离确定最优救援泊点，并进行航行路径规划，无人船向路径规划目标位置行驶；
53.步骤4：无人船行驶过程中保持对落水人员进行实时检测定位，行驶到目标泊点后，输出落水人员位置坐标并传输给智能决策模块；
54.步骤5：根据落水人员位置坐标实时调整救生衣弹射角度，当落水人员位置坐标与救生衣弹射坐标在误差范围内时，弹射装置控制组件控制救生衣弹射装置弹射救生衣；
55.步骤6：摄像头保持对救援场景的实时检测，检测到所有落水人员穿上救生衣后，弹射装置控制组件控制救生气垫弹射装置弹射救生气垫；
56.步骤7：救生气垫弹出充气后，救生衣弹射装置调整角度并收回牵引绳将所有落水人员牵引至救生气垫；
57.步骤8：检测到被救援人员全部登上救生气垫后，搜救无人船向搜救母船发出返回
申请，接收到返回信号后开始返回母船，救援行为完成。
58.本发明在执行任务时，能够通过网络摄像头与毫米波雷达信息融合，在黑暗、雨雾等恶劣环境下，搜索落水人员具体位置检测，并能向落水人员精准弹射救生装置，提升搜救无人船的感知能力，快速、精准的完成搜救任务，提高救援效率，降低人工救援成本与风险。

技术特征：
1.一种自主搜救无人船，其特征在于：包括：无人船船体，以及设置在所述无人船船体上的信息感知模块、智能决策模块、自主航行模块和救生设备弹射模块；所述信息感知模块，用于判定是否存在落水人员，以及当存在落水人员时，获取落水人员的实时位置信息和实时图像信息；所述智能决策模块，用于根据落水人员的实时位置信息，确定最佳救援泊点，并得到对自主航行模块的控制指令；以及当无人船船体航行至最佳救援泊点时，根据落水人员的当前位置信息，计算得到救生设备弹射模块的救生衣弹射角度；以及根据落水人员所在区域的实时图像信息，在判断落水人员穿上救生衣时，向救生设备弹射模块发送弹射救生气垫的命令和牵引命令；所述自主航行模块，用于根据控制指令，驱动无人船船体航行至最佳救援泊点；所述救生设备弹射模块，用于根据救生设备弹射模块的救生衣弹射角度，向落水人员弹射救生衣；以及用于根据弹射救生气垫的命令，弹射救生气垫，根据牵引命令，将落水人员牵引至救生气垫处。2.根据权利要求1所述的一种自主搜救无人船，其特征在于：所述信息感知模块包括毫米波雷达和网络摄像头，所述毫米波雷达设置在无人船船体的船头，用于判定是否存在落水人员，以及当存在落水人员时，获取落水人员与无人船船体的实时距离；所述网络摄像头设置在无人船船体的顶部，用于仅当毫米波雷达判定存在落水人员时，获取落水人员所在区域的实时图像信息和落水人员的实时位置信息。3.根据权利要求1所述的一种自主搜救无人船，其特征在于：还包括通讯模块，所述通讯模块用于获取来自救援母船的搜救命令，所述搜救命令包括搜救区域；并将该搜救命令传输至智能决策模块；所述智能决策模块用于根据来自救援母船的搜救命令，得到对自主航行模块的控制指令，使无人船船体航行至搜救区域。4.根据权利要求1所述的一种自主搜救无人船，其特征在于：所述自主航行模块包括能源动力设备和运动控制设备；所述能源动力设备，用于为无人船船体提供动力；所述运动控制设备，用于根据控制指令，控制无人船船体的运动姿态。5.根据权利要求1所述的一种自主搜救无人船，其特征在于：所述救生设备弹射模块包括救生衣弹射装置、救生气垫弹射装置和弹射装置控制组件；所述救生衣弹射装置包括多个自充气式救生衣和多个牵引机构，一个牵引机构对应一个自充气式救生衣，所述救生气垫弹射装置包括设置在无人船船体船尾的自充气式救生气垫；所述弹射装置控制组件，用于根据救生设备弹射模块的救生衣弹射角度，控制救生衣弹射装置向落水人员弹射救生衣；以及用于根据弹射救生气垫的命令，控制救生气垫弹射装置弹射救生气垫，根据牵引命令，控制相应的牵引机构将落水人员牵引至救生气垫处。6.根据权利要求1所述的一种自主搜救无人船，其特征在于：所述救生衣弹射装置还包括：弹射筒、支撑轴杆和水平转动基座；所述自充气式救生衣和牵引机构设置在弹射筒内，所述弹射筒通过转动轴承与支撑轴杆活动连接，所述支撑轴杆通过水平转动基座设置在无人船船体上。
7.一种自主搜救方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：判断是否存在落水人员，仅当存在落水人员时，获取落水人员的位置信息；步骤2：根据落水人员的位置信息，进行航行路径规划，并根据规划的航行路径，航行至最佳救援泊点；步骤3：根据落水人员的当前位置信息，计算得到救生衣弹射角度；基于救生衣弹射角度，向落水人员弹射救生衣；步骤4：根据落水人员所在区域的图像信息，判断落水人员是否穿上救生衣，仅在落水人员穿上救生衣后，弹射救生气垫；步骤5：根据落水人员的当前位置信息和救生气垫的位置，牵引落水人员至救生气垫处。8.根据权利要求7所述的一种自主搜救方法，其特征在于：步骤1中，通过毫米波雷达判断是否存在落水人员。9.根据权利要求7所述的一种自主搜救方法，其特征在于：步骤1中，所述的获取落水人员的位置信息，包括：仅当判定存在落水人员时，通过网络摄像头，获取包括落水人员所在区域的图像信息；通过图像增强算法和目标检测算法，得到落水人员的位置信息。10.根据权利要求7所述的一种自主搜救方法，其特征在于：步骤3具体包括：根据落水人员的当前位置信息，计算得到救生衣弹射角度；当救生衣的落地位置在设定的误差范围内时，基于救生衣弹射角度，向落水人员弹射救生衣。

技术总结
本发明公开了一种自主搜救无人船及自主搜救方法，包括：无人船船体，信息感知模块，用于获取落水人员的实时位置信息和实时图像信息；智能决策模块，用于根据落水人员的实时位置信息，得到对自主航行模块的控制指令；以及计算得到救生设备弹射模块的救生衣弹射角度；以及根据落水人员的实时图像信息，向救生设备弹射模块发送弹射救生气垫的命令和牵引命令；自主航行模块，用于驱动无人船船体航行至救援泊点；救生设备弹射模块，用于根据救生设备弹射模块的救生衣弹射角度，向落水人员弹射救生衣；以及用于根据弹射救生气垫的命令，弹射救生气垫，根据牵引命令，将落水人员牵引至救生气垫处。气垫处。气垫处。


技术研发人员：窦培林 赵佳怡 刘梦鸽 刘明琛 张慧中 陈慧敏
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/18