锦TWD-501型无人机水上多功能预警救援装置

刘晓静，闫程锦，马晓敏

我国长期未能重视溺水问题，据我国卫生部的不完全估计，全国每年约有6万人死于溺水，据世界卫生组织统计，中国溺亡人数约占世卫组织西太平洋区域总溺亡人数的80%[1]。而夏秋两季属于溺水多发时段。溺水水域大多情况复杂，溺水一旦发生，短时间内即面临着较高的死亡风险，且现场施救人需具备一定的救援水平，往往因救援不及时或盲目救援而造成事故。鉴于以上原因，特研发此无人机溺水救援系统。该溺水救援系统结合无人机救援装置与捕鱼装置基本原理，从而实现无人机的溺水救援。

1 背景及发展

1.1 我国溺水现状及难点 溺水又名淹溺，是大量水液被吸入肺内后，引起人体缺氧窒息的危急病症，溺水可能使机体处于病危状态，最主要的表现是窒息导致的全身缺氧，缺氧时间较长会导致神经系统病变遗留有后遗症，一般认为淹溺后于24 h内死亡者称为溺死。

据国家卫生和计划生育委员会和公安部的统计，我国每年有近5万名0-14岁的儿童死于意外伤害，其中因溺水身亡的儿童就多达2万[8]。全球儿童安全组织与中国疾病预防控制中心于2017年发布的《中国青少年儿童伤害现状回顾报告2010-2015》中提到，0-14岁阶段，中国青少年儿童的首位死因是溺水，占比约34.2%，其次为道路交通伤害，占比23.1%，如图1。

图1 中国0-14岁儿童死因构成图

世界卫生组织在2014年首次发布的《全球溺水报告》中预估，每年会有37.2万人溺水死亡，其中半数以上为青少年和儿童，溺水已成我国儿童非正常死亡的头号死因，全国每年约有5.7万人溺亡，其中14岁以下的占比高达56.58%[2]。

当溺水时间超过10 min后，即使进行了心肺复苏和心脏除颤等急救处理，也会对人体造成不可逆转的伤害，甚至可能会出现植物人的情况。溺水事故发生的6 min内为救援的“黄金时期”[9]。当救援人员对开始溺水人群施以援助时，因多种因素如被施救者紧张做出妨碍救援的动作，会造成救援时间的浪费。

1.2 无人机发展现状 我国出台了一系列政策大力扶持无人机，尤其是民用无人机产业的发展，助力经济结构的转型升级，培育无人机产业经济增长点，见表1，无人机已被列入国家战略重点发展方向之一[3]。

表1 各专业无人机的应用领域及性能指标

由于产品定位和目标人群不同，未来在消费级无人机市场的竞争会更加激烈[4]。专业级无人机市场由于应用领域的多元化，市场规模远大于消费级无人机，根据图2预计未来将有长足的发展。

图2 2016-2024年中国无人机市场结构及预测

救援无人机相对于其他救援设备，不仅应用优势突出，而且能够满足救援任务各个不同环节的各种需求，如灾情侦察、现场实时监控、救援物资运输、重点区域巡逻和应急通信等。救援无人机的多元化功能，既为救援作业带来了巨大利好，也为其自身带来了一片广阔市场。

溺水事故频发，对人民群众的生命财产造成了巨大的威胁。传统的救援方式需要较长的救援时间和对被施救者的安抚工作。无人机还具有较高的速度，较强的定位能力，快速准确判断溺水者的位置及情况，通过远程安抚减少救援时间，从而提高救援效率。与此同时，可以快速直接地安抚被施救者情绪，减少施救阻力。

现有水上救援除简单的无人机救援外，多为红外定位溺水者位置，设有弹射装置，通过超声测距得出船体与落水者的距离，准确弹射出救生圈到落水者附近。该方式需要溺水者有清晰的判断和对被施救者的清醒程度有所要求，而往往针对不同人群的溺水时间会有所不同，而已经溺水且无法进行清晰判断的被施救者无法实现抓取游泳圈的自救手段。根据捕鱼装置并不需要鱼对捕鱼装置有主观能动性的特点，研制依据捕鱼装置原理的无人机救援系统。

2 无人机救援系统

溺水水域多情况复杂，溺水一旦发生在短时间内即面临着较高的死亡风险，且施救人需具备一定的救援水平，结合无人机救援装置与捕鱼装置基本原理，对无人机溺水救援系统进行了研究。一旦发生溺水事件，水域附近的人可就近击破保护罩，激活无人机救援系统进行施救，避免了救援过程中对施救者与溺水者可能会造成的伤害。

2.1 无人机救援系统组成 无人机溺水救援系统主要由多功能无人机防护警报基站、高荷载自巡航交互式无人机和高强度吸附网式捕捞装置三种装置组成，如图3。

图3 无人机溺水救援系统的组成

2.1.1 多功能无人机防护警报基站 无人机救援系统需要提供相应的基站为其日常的运行保养提供相应的场所，如图4。该基站具有高强度、低密度、抗疲劳和耐腐蚀等性能，配备低能环保的太阳能自动充电装置[5]，无人机自动监测与维护保养装置，同时具有一个基站与多个紧急启动装置。无人机外出救援时，基站开启警报系统；人员救出水域后，可向医护人员远程视频连线，帮助指导他人对溺水者实施抢救。

图4 多功能无人机防护警报基站

2.1.2 高荷载自巡航交互式无人机 高荷载自巡航交互式无人机续航可达23 min[6]，速度100 kg/h，承重220 kg，设备装有：（1）人体检测模块，可以检测溺水者位置以及是否有意识，能将急救信息传送给急救中心，方便医护人员的抢救； （2）飞行控制模块，未检测到溺水人员将自动返航； （3）高度检测器，可检测飞行高度，救援后将提升飞行高度保证溺水者安全；（4）气压计，可以准确估计上升与下降速度。设备配置有整机降落伞高荷载自巡航交互式无人机，续航可达23 min[7]，故障时，对无人机实行最大限度的保护，如图5。

图5 高荷载自巡航交互式无人机

高荷载自巡航交互式无人机配置以下技术指标：

（1）处理器：信号处理器的信号输出端经红外线发射电路与红外线发射器连接；信号输入端经红外线接收电路与红外线接收器连接，其反馈信号输出端与外围控制电路连接，从而完成人体位置的感应。

（2）溺水/水下判断检测模块：用于安装在无人机上的红外线检测器实时检测人体是否在水下，利用摄像头检测所述人体是否溺水，若溺水则分析溺水人体情况，检测附近水域情况。

（3）人体分析模块：利用摄取影像来分析人体是否为无意识状态；并将分析结果发向医护工作者。根据人体基本形状比例特征，利用目标区域的高宽比和垂直边缘对称性等特征确定目标，有效排除非人体目标，提高精确性。

（4）扬声器模块：设置于无人机下方，用于发出救援信 息，进行语音提示，对溺水者进行安抚。

（5）连接模块：包括连接绳及卡扣，用于无人机连接装置与高强度吸附网式捕捞装置连接；内装连接检测装置，用于检测是否与无人机救援装置连接。

（6）飞行控制模块：内设有启动装置和导航装置。启动装置用于启动无人机运行；导航装置用于识别并记录无人机的飞行路线以及无人机基站位置[11]，未检测到溺水人员或救援结束后，将按照记录的飞行路线返回基站。

（7）高度检测模块：无人机救援时，可监测飞行高度，提示无人机将高度上升2 m左右，带溺水者至水面以上。

（8）气压检测模块：利用大气压力换算出高度数据，协助无人机导航，上升到所需的高度，准确估计上升与下降速度。

（9）降落伞模块：无人机内部装有降落伞，发生故障时启动，对无人机实行最大限度地保护。

2.1.3 高强度吸附网式捕捞装置 渔网式捕捞装置具有强度高、延伸率小、抗击性能好、抗拉强度高、不易老化等特点，无人机安装有电磁装置，可以使捕捞网下端吸附磁铁向四周弹开撒网，利用强磁性磁铁的吸附力在水下完成收网，将人体完全捕捞，根据人机关系，在设计过程中捕捞装置将大于普通人体正常尺寸，目的是不对溺水者造成二次伤害，如图6。

图6 高强度吸附网式捕捞装置

2.2 无人机溺水救援系统运行原理 溺水事件发生时，水域附近的人可击破紧急启动装置的玻璃保护罩，按下启动按钮，控制器接收到信号后控制基站启动。基站向无人机传输信号，接收到救援信号的无人机快速起飞，利用红外线检测器检测感应到溺水的人体位置，通过声波接收器判断是否有呼救声及通过热成像及图像视觉处理判断是否为溺水者，从而判断人体是否溺水，实施救援。无人机外出救援时，基站内安全警报装置启动，警示灯闪烁、发出警报。

无人机的红外线探测器如未检测到人体溺水，将按照记录的返航航线进行智能返航；如检测到有人溺水时，启动人体分析模块并开启紧急呼救系统，分析人体是否有意识，呼救系统将分析结果发向医护工作者，方便医护人员的抢救。

无人机定位溺水目标后自动巡航飞至目标上方，气压模块根据气压的大小准确的估计上升与下降高度及飞行速度，内部自动控制器将控制无人机经过连接线对电磁铁进行通电，启动高强度吸附网式捕捞装置。

高强度吸附网式捕捞装置的大型磁铁借助重力带动捕捞网快速下沉到水里，将溺水者全面覆盖包围，用磁铁异极相吸的原理在水下完成闭合。为防止闭合过程中夹伤溺水者，高强度吸附网式捕捞装置装有异物检测传感器，检测到有异物时会减少吸和力，开启一定宽度，再次吸和，直至检测无异物。

无人机重力感应系统感应到捕获后，将飞行高度提高2 m，将溺水者带离水域，并飞行至基站附近。到达基站附近后，无人机通过连接线对电磁铁进行通电，向捕获装置上端磁铁发出同极的磁力，使磁体向四周弹开，将溺水者从网中释放。基站会向急救中心发送远程视频连线信号，接收信号后医护人员可远程指导基站附近的人对溺水者第一时间进行抢救。无人机完成救援后，将按照记录的航线返回到基站内，进行充电、维护。

2.3 无人机溺水救援系统建设 多功能无人机防护警报基站建设在水域附近的空地处，旁边设护栏，以防破坏；护栏附近设置警示牌，并装有监控。无人机飞行最大可控距离约为5 km，可按照水域的大小来控制基站建设的数量。紧急启动装置在水域附近每隔10～20 m安装一个，并安装夹丝玻璃，发现溺水者时，方便快速启动无人机溺水救援系统。基站呈四边形，可在四周分别设置（1）对无人机水中救援装置的介绍及使用方法；（2）商业广告区域吸引商业投资；（3）电子屏，平时滚动播放安全警示标语，应急救援时可与医护人员远程视频连线；（4）公益广告区域促进社会性文化公益建设。

3 无人机救援系统保养与维护

3.1 无人机救援系统后续维护 （1）基站日常运行中通过太阳能自动充电装置进行充电，以及给蓄电池进行电量补充，使无人机始终保持有电备战状态[5]。（2）无人机基站建在水域附近，湿度会对无人机造成影响，基站内部装有除湿装置利用物理原理将空气中的水蒸气液化成冷凝水，流入接水盘中，经过水管排出基站。（3）基站内部装有维护装置，摄像头可监视无人机的实时状态，并有传感器对无人机进行检测，检查人员可以通过传感器的信息数据，对无人机的电子部件进行实时监测。（4）基站在季节温度变化时会对基站内电子部件有所影响，基站内装有恒温转换器装置，可对温度进行调整，使基站内达到一种恒温状态。

3.2 无人机救援系统后续保养 （1）保持清洁干燥：无人机作为一种精密的电子设备，需要保持干燥清洁，每次救援完成后基站会对无人机进行除湿和除尘处理。（2）电池保养：无人机救援过程中，需注意外界温度对电池的影响，以免出现电压急速升高的情况。（3）螺旋桨保养：如无人机螺旋桨撞到障碍物后就要特别留意桨叶是否出现裂痕、缺口等影响无人机飞行稳定性的问题。如果螺旋桨损伤比较严重则需要及时更换新的螺旋桨叶。（4）电机保养：电机是无人机的重要组成部分，定期对无人机进行检测工作，防止电机出现意外。（5）高强度吸附网式捕捞装置的维护保养：每次救援结束后，基站管理人员会将捕捞装置及时进行检查，必要时可换新。

4 结 语

未来无人救援机数量将不断增加，种类也不断多样化，各地区、各救援队、各医疗单位、各部队都将广泛配备，无人机将从单个体向大系统发展。无人救援机在紧急情况发生时，立即升空开始救援，让救援实现更短的起飞时间、更快的飞行速度、更耐久的飞行时间、更少的人力物力、更高的救援效率。此外，无人机救援时获得的共享信息也将最大限度地发挥作用。但是无人机水上救援系统在短时间内还无法普及，这需要政府和社会各界长期的关注和支持。相信无人机应急救援事业将持续不断的发展，以最高效的方式保障人们的生命财产安全。