基于红外感应技术的海上即时搜救无人机设计

摘要：为提高海上救援的效率与可实施性，节省救援过程中的人力，规避因海上不可控因素导致的施救人员伤亡，实现远程救援。本文通过开展对海上救援问题的研究并结合海上救援的特殊性，对传统无人机进行创新性设计，采用集高灵敏度红外热成像、微光摄像技术于一体的高清自动聚焦摄像机以搜索遇害者，并采用定点悬停技术保证无人机能够精准稳定施救。设计出了一款拥有红外感应、微光摄像技术以及定点悬停技术优化的无人机设计。提出一种基于红外感应与动态捕捉技术结合的海上即时搜救无人机设计方案。

关键词：海上救援；无人机；提高效率；红外感应；定点悬停

中图分类号：TB472 文献标识码：A文章编号：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

随着中国海洋产业的蓬勃发展和海上救援力量的不断改善，无人驾驶飞机救援速度和效率将成为未来海上救援的主要考虑点之一，为海上救援提供了更多的时间和能力。据统计，世界上每小时有40人左右溺亡，每年大概有372000人死于溺水，中国每年有7.5万人死于溺水，其中少年儿童占了56%。未及时发现与施救不及时是导致他们溺亡的重要原因。而无人机所具备的空中控制权和远距离快速转场能力能够很好地解决这一困境。本文以海上搜救无人机为研究案例，试图设计一款操作简洁、反应迅速、载荷丰富、任务用途广、自主飞行等特点的无人搜救机。实现建立岸边基站+船载基站+卫星传输+无线救援网络等技术融合。

一、 无人机运用于海上救援

（一）现有的主要海上救援方式

直升机救援一般分为3种救援方式，主动搜索救援、绞车救援、机降救援。其中主动搜索救援主要会先对事发地进行GPS定位，准确地找到遇难者的位置，并展开救援；绞车救援一般是在直升机到达事发地后，工作人员将遇难者带到救生员处，使用救生设备将遇难者带到直升机上；机降救援就是通过直升机的直接降落将被困者转移到直升机上，其优点是效率高，但需要工作人员现场救援，无法确保不出现多人死亡的惨剧发生[1]。

（二）无人机在海上救援的优点

海上救援需要搜救人员冒一定的风险，是十分危险、紧迫，也是不可预期的。海上救援有众多不确定因素，即便是训练有素的救援人员，每年还是会出现在救援过程中丧命的情况。而无人机救援就解决了这一问题，救援人员可以远程操控无人机进入搜救现场进行勘察，通过在救援区域上空来回飞行的方式收集与救援现场实际情况相关的数据信息、影像图片等，为救援人员救援方案的制订以及救援行动的开展提供参考[2]。与此同时，无人机可将现场勘查的相关数据信息传输至指挥中心，便于工作人员做出正确的救援决策。

无人机由于其飞行特点，与船舶救援的拍摄视角不同，无人机能够拍摄到更远、更广、幅宽更大的场景，并且视角可以360°进行旋转，使得无人机拍摄的影像更有参考价值，也更容易发现遇害者。与小型工业无人机相比，中型固定翼无人机具有飞行速度更快、高度更高、距离更长、巡航面积更大、载荷能力更强、应用范围更广、更加安全可靠等特点[3]。

二、 无人机海上救援相关需求及相关技术

（一）无人机海上救援需求分析

一般溺水停止呼吸5—10分钟后，就会出现脑死亡，因此，在溺水事故发生的6 min内是救援的“黄金时期”[4]。及时动身救援和快速搜索遇难者就变得尤为重要[5]。要尽可能节省救援过程中浪费救援时间的环节。通常当救援人员对溺水人群施以援助时，起初，由于受害者的紧张与害怕情绪，极有可能会失去理智或者做出妨碍救援的动作，会给救援人员带来极大不便，造成救援时间的浪费[6]。另外，许多溺水者在受到援助时已经消耗了大量的体力，剩余的体力不足以做体力消耗较大的救援动作。所以在营救溺水者时，要尽量做到无需被救者做出过多反应配合救援，做到无人机主动救援，在保留被救者体力的同时，也防止被救者因失去理智而造成不必要的伤害。在溺水事故中，尤其是夜晚落水造成的死亡率相对较高，夜晚水面能见度低，如果碰上雨天和雾天更增加了救援难度，为了能够第一时间快速搜索到遇难者的位置，应保证无人机的摄影装备无论白天和夜晚均正常运作，不受天气条件的影响，并能够快速捕捉到生命迹象。

在救援过程当中，由于无人机需要将捕捉到的景象实时传输给岸上的指挥中心，这时就需要保证视频传输低时延、高可靠、低功耗、无卡顿。保证工作人员能够看到清晰流畅的画面，以更好、更准确地进行救援决策。

由此可见，下一步产品设计需要探索的是如何在充分考虑遇难者、自然环境、通信等多方面要求的同时，对无人机进行创新性设计，使无人机海上救援更加高效、简单、安全。

（二）红外探测技术

红外探测技术是利用红外热成像技术为使用者在无光的条件下进行可视化观察的一种特殊方式，其中分为主动式与被动式两种。

1. 主动式的红外探测原理是使用近红外光束来照射对象将物体反射出的近红外辐射转化成可看到的图像，来实现在黑暗条件下较为清晰地看到该目标。这种探测方式需要进行红外照射源比较被动地探索，但是主动式红外探测就可以在不受对象温度影响的条件下，实现黑暗条件下的目标探测

2. 被动式的红外探测是根据物体，在产生不同辐射特征的前提下，利用对中远红外比较敏感的半导体作为探测器将发生不同热辐射的对象，用可见的图像进行区分。被动式的红外探测是根据物体，在产生不同辐射特征的前提下，利用对中远红外比较敏感的半导体作为探测器将发生不同热辐射的对象，用可见的图像进行区分。进而达到探测生命体征的目的，一般将这种方式得到的图像称为红外热成像，其相对比较突出的特征，是不需要借助外来的辐射源就可以进行工作，但是被测量的物体温度分布有比较小的差异，因此，这种探测的方式得到的图像对比度比较低。在海上救援时遇难者与大面积的海洋会呈现相对较大的温度差，此时远红外探测获得的图像相对较为清晰。

（三）微光摄像技术

微光摄像技术是观察对象十分微弱的辐射光产生光电子，或者是光生载流子产生视频信号，通过图像的处理，在显示屏上呈现可视图像。观察者不需要进入观察区域。通过电路的信息处理对图像的对比度进行加强，获得更好的视觉效果。

针对无人机海上救援遇难者的位置无法确定，需要较大面积地进行搜查，拍摄距离较远，并且无人机与海平面有一定的距离，用普通的摄像技术所拍摄的影像会比较模糊，对工作人员的识别会有一定的不利影响，所以需要微光摄像技术的支持，使其导出的影像更加清晰，能够更快、更准确地发现和锁定遇害者。

（四）定点悬停

目前，无人机定点悬停，最成熟且应用广泛的方法是利用gps+气压计+陀螺仪的组合导航方式。其中的气压计是用来测量高度发生的变化，通过GPS的模块进行水平坐标的获得，并结合陀螺仪的数据得到三维的坐标，把坐标提供给无人机，从而实现定点悬停。另外，有光流定点方法，该方法使用机载的光流传感器测算无人机相对于地面的光流场，以此得到无人机当前速度矢量信息（速度+方向），光流模块根据上述运动矢量信息计算出反向加速度控制变量，使无人机保持定点悬停状态。该方法不需要外部发射信号的协助，因此适用范围较广，系统误差较小，但由于要计算整幅图像的光流信息，因此计算量较大，无人机机载处理器难以承受的计算量会导致计算效率低，给出控制信号将会严重滞后。

三、 无人机海上救援问题解决策略

根据以上对无人机海上救援的需求分析，思考能够解决相应问题的方案。

（1）针对溺水者体力大量消耗的问题，为确保救援过程顺利进行，并防止被救者因失去理智而造成不必要的伤害，采用自主救援的模式。设置一个无需遇难者消耗过多体力即可配合的装置来帮助其与无人机进行绑定，从而获救。

（2）针对天气条件复杂以及夜晚作业可见度低无法清晰地识别遇害者的问题，需要选用能够不受光线影响以及多变的天气情况影响的技术，在没有照明条件下仍能识别观察对象的红外线探测技术，使得能够清楚区分海上物体与遇害者，以便确定遇害者的位置。

（3）在解决了识别遇害者的问题后，无人机收集到的影像清晰度的问题需要一同解决，普通的摄像技术无法将辽阔的海面拍摄清楚，就需要将红外探测与微光摄影技术相结合，在收集红外成像的同时，提高画面清晰度，以确保更清晰地分辨遇难者。

（4）针对精准救援的问题，在锁定遇难者并准确靠近后，无人机应在固定的位置稳定悬停，以确保能够准确稳定地捕捉到遇难者。

（5）为了能够收集到平稳、清晰的录像，无人机的形态应设计得相对厚重有体量感，不过度受海风或天气的影响。此外，飞机的外形应为流线型以减少风阻对飞机前进的影响。

四、 海上救援无人机设计方案

（一）救援流程

系统的整体方案首先由指挥中心或船载基站收集遇险警报，组织无人机出动救援。无人机出海搜救时，通过自带的生命探测仪摄像头收集周边海域的影像，并传输给工作人员，由工作人员对无人机进行远程操控，生命探测摄像头实时监测海上的生命迹象，发现遇难者后，工作人员将会操控无人机精准靠近已锁定的目标，来到目标身边后向遇难者投放救生弹，救生弹炸开后上浮，将遇难者托起，由无人机将遇难者带回岸边。

（二）通讯流程

无人机出海搜救后，通过热成像生命探测仪的红外探测和微光摄像技术将周边海域的影像生成视频，传输到机载信息发射台，再由发射台向指挥中心进行视频传输，这一过程使用5G通信技术，必要时使用卫星传输。指挥中心工作人员收到实时视频信息后进行远程操作，同时拟定路线，并将指令传输到机载信息发射台，无人机执行指令进行即时营救[7]。

（三）配色方案选取

无人机整体采用流线型设计，主要由机身外壳、油箱、发动机、主翼、副翼、 360°热成像生命探测仪、动力涡扇等结构组成，搭载SGCPE通信系统、5G通信传感器高倍、光学成像模块、救生弹装备储存及弹射系统。其中主体颜色选取海洋蓝色的对比色橙色，搭配灰色及黑色以体现海上救援的风格，颜色取自德国劳尔色卡（图1）。

（四）造型设计迭代

在海上救援无人机的造型迭代设计研究中，我们首先通过仿生设计，将海上救援无人机参考鸟类的形体进行初次设计，在初次形体设计出来以后，对其增加结构，优化细节，从最初的简单形体逐渐转化为较为完善的结构形态，并进行简单的渲染。由于初次迭代出来的形体简单、结构暴露，并且缺乏动力配件，无人机的机头也缺乏造型美感，需要进行二次迭代。为海上救援无人机增加了动力装置，增添了360°生命探测摄像头以及两侧涡扇与后置涡扇，是海上救援无人机造型更完善，结构更严谨，见图2。

（五）无人机配套设备

海上救援无人机在遇到溺水情况时，尤其是相对远海救援的情况下，大多数的待救人员是非主观因素被困，在这种情况下，大部分人体力透支的情况比较严重，几乎丧失了自救能力，一般只能进行一些简单的配合救援工作的行为，这时就需要无人机能够精准工作，无须消耗待救人员过多的体力从而展开救援工作。我们将一个机械式的救生弹嵌入无人机内部，该救生弹内部植入了一个安全气囊，在感应到有人抓取救生弹的表面装置后，自动弹出安全气囊，其设计原理见图6。海上救援无人机在精准定位待救人员后，将救生弹投掷到其身旁，救生弹将会下沉到待救人员身下，救生弹炸开，弹出安全气囊，由浮力上浮，将待救人员托起，从而使得其获救，并且无需配合救援，见图3。

热能探测仪是海上救援无人机极其重要的一个零部件，该设计将热能探测仪以摄像头的形式嵌入到海上救援无人机中，该设计将热能探测仪采用滚轮的形式，方便360°旋转测量与探测。热能探测仪同样具有位置测量的功能，通过无线无人机通信单元输入微控制单元。微控制单元处理出来的数据以及命令被输送到执行单元，然后信号通过电机驱动单元输送到电机，然后改变无人机的飞行位置。利用飞行位置测量模块，相关信息可以被传输到飞行控制单元进行位置与姿势防窥，见图4。在溺水事故中，尤其是夜晚落水造成的死亡率相对较高，夜晚水面能见度低，如果碰上雨天和雾天更增加了救援难度，为了能够第一时间快速搜索到遇难者的位置，应保证无人机的摄影装备无论白天和夜晚均正常运作，不受天气条件的影响，并能够快速捕捉到生命迹象。

（六）无人机结构设计

见图5，海上救援无人机设有可炸开的救生弹用来施展救援，捕捉并吊起遇难者，其中救生弹包括了牵引绳和机械式救生筏弹出舱两部分组成，牵引绳用来固定救生弹与海上救援无人机，救生筏弹采用机械感应结构，当遇到压力时会自动弹出安全气囊供遇难者漂浮在水面。

海上救援无人机的底部球形摄像头为360°热成像生命探测仪，搭载红外探测技术以及微光摄像技术，摄像头本身可进行360°旋转，以收集比较广阔的景象。主要动力来源为前侧两个动力涡扇以及尾部的大型涡扇发动机。以维持无人机的稳定飞行。无人机两侧设有SGCPE通信系统以及信息发射台，用来进行信息接收与传递。飞机尾部设有油箱，用来储存燃油以支持飞机较长时间的飞行。飞机设有一对主翼及一对副翼，以保证飞机更加平稳飞行？飞机整体有顶部的机身外壳保护。同时，在海上救援无人机内部还嵌有排烟筒、高倍光学成像模块、5G通信传感器、5GCPE通讯系统等内置模块，极大提高无人机的救人效率与救人精准度，见图6。海上救援无人机主要由8个部分构成：电源部分、微控制单元部分、位置测量部分、高度测量部分、无线电和驱动单元部分、应急监控部分和功能支持部分。传感器、湿度传感器、气囊释放装置等。

（七）无人机造型设计与场景图

由于离岸流的流速越大，逆流而上容易造成体力不支或是抽筋，最终造成溺水事故具有不可预知性。离岸流的强度和状态因波浪、潮汐、天文、风力风向等多种因素而改变，所以不可预见[8]。海上搜救任务日益繁重，搜救难度越来越大，对海上搜救工作提出了新的更高要求。与传统的海船作业模式相比，无人机具有灵活性、机动性、飞行面积大、视野广、经济、便捷、操作方便等优点，有效减少了人员的生命风险。在应急响应、搜救等领域的应用越来越受到海上救援部门的关注与青睐[9]。海洋气象形式相对复杂，会遇到侧风、强风、横风等。当海上救援无人机在海上执行搜救任务时，由于风向的突然变化，出现事故是不可避免的，因此，有必要研究海上救援无人机在海上的回收打捞等相关问题，这确保了海上救援无人机在恶劣的海洋条件下坠毁后能够自动漂浮在海面上，从而简化了搜救行动。通过在无人机上安装SGCPE通讯系统、5G通信传感器，可以实现在遇到危害时能够触发信号和精确定位功能，可以有效降低救援成本，提高搜救效率。同时也可以防止海上救援无人机联合搜救行动中的碰撞风险，确保搜救行动的安全可靠[10]。由于其飞行特性，无人机可以捕捉到比救援船更宽、更广的场景，这些场景具有不同的视角，可以360°旋转，使无人机的图像信息更丰富，更容易识别。与小型工业无人机相比，中型无人机具有飞行速度更快、高度更高、距离更长、飞行面积更大、运载能力更大、应用范围更广、安全可靠的特点。图7为海上救援无人机的救援场景图。

结论

本文以海上救援无人机进行作为设计对象，通过对无人机的具体结构以及外形进行创新性设计，添加红外感应、微光摄像技术以及定点悬停技术优化无人机的功能，并对海上救援无人机的运行模式进行创新，创新救援流程以及通信流程，同时确保了海上救援无人机在恶劣的海洋条件下坠毁后能够自动漂浮在海面上，从而简化了搜救行动。打造出一款飞行速度快、救援成本低、载荷能力强、安全可靠性高、适用范围广、实用性强且人性化的无人机。改善了无人机在复杂环境下的适应能力，提高了水上救援的效率，减少了海上救援的意外伤亡，为海上应急救援工作提供了强有力的保障。

参考文献

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[9]董美玲，陈烈胜，徐江华.无人机造型发展演变与设计方法研究[J].设计，2021，34（15）：94-96.邮寄地址：四川省成都市蓉蓉杏园

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