基于無(wú)人機(jī)海上協(xié)同搜救關(guān)鍵技術(shù)研究

朱武斌 周立 張一 李進(jìn)軍 祁晶

摘 ?要：無(wú)人機(jī)作為一種新型的海上協(xié)同搜救設(shè)備，具有搜救成本低，效率高、操縱靈活等優(yōu)勢(shì)，本文首先對(duì)無(wú)人機(jī)協(xié)同搜救進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，對(duì)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和探討，其中包括目標(biāo)智能識(shí)別與定位、機(jī)載無(wú)線通信技術(shù)及海圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等，結(jié)合機(jī)載AIS和北斗通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海目標(biāo)和惡劣氣候下的搜索，增加北斗救助反饋鏈路，突破船舶搜索低視角、低通信的局限性，為增強(qiáng)海上協(xié)同搜救能力提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);海上協(xié)同搜救;識(shí)別與定位;無(wú)線通信;坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：V279+.3 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）13-0001-03

Research on Key Technologies of Marine Collaborative Search and

Rescue Based on UAV

ZHU Wubin，ZHOU Li，ZHANG Yi，LI Jinjun，QI Jing

（Jiangsu Ocean University，Lianyungang ?222005，China）

Abstract：As a new type of marine collaborative search and rescue equipment，UAV have the advantages of low cost，high efficiency，and flexible operation. This paper first systematically expounds UAV coordinated search and rescue，and studies and discusses the key technologies involved. These include the intelligent identification and positioning of targets，airborne wireless communication technology，and chart coordinate conversion. Combined with airborne AIS and Beidou communication systems，we can achieve long-range sea targets and search under harsh weather conditions，and increase the Beidou rescue feedback chain. To break through the limitation of low angle of ship search and low communication，it provides technical guarantee for enhancing the capability of marine search and rescue.

Keywords：UAV;coordinated search and rescue;identification and positioning;wireless communications;coordinate conversion

0 ?引 ?言

隨著國(guó)家的發(fā)展，海洋開發(fā)和航運(yùn)量的不斷增大，海上活動(dòng)呈現(xiàn)高密度、多元化趨勢(shì)，海洋捕撈、石油開發(fā)、近岸工程建設(shè)以及船舶大型化交織在一起，海上交通安全形勢(shì)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，海難事故及成本不斷增加，在有限海域空間下海船舶的高密度和大型化導(dǎo)致船舶領(lǐng)域減少，碰撞危險(xiǎn)系數(shù)增大。目前主要救助對(duì)象還是以船舶事故為主，由于海上氣候條件及水深的制約，搜救耗時(shí)長(zhǎng)、搜尋效率低，因此在通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及AI技術(shù)快速發(fā)展的今天，無(wú)人機(jī)快速、高效、便捷的搜索、定位和救助能力成為船艇協(xié)同搜救的有效手段。

無(wú)人機(jī)是一種自動(dòng)化作業(yè)工具，因其速度快、視野廣，能夠縱深到海里，迅速地可操作性被廣泛應(yīng)用。海洋應(yīng)用領(lǐng)域從用途方面可以分為軍用和民用兩個(gè)大類，軍用包括：軍事打擊、敵情監(jiān)測(cè)、通信中繼等等，楊小川在基于油電混合動(dòng)力的中小型無(wú)人機(jī)及其作戰(zhàn)應(yīng)用展望中對(duì)油電無(wú)人機(jī)在軍事中的作用和未來(lái)作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了介紹;朱濤、李淋杰等在無(wú)人機(jī)在敘利亞戰(zhàn)爭(zhēng)中的作戰(zhàn)運(yùn)用與啟示一文中闡述了無(wú)人機(jī)的軍事用途以及其在敘利亞戰(zhàn)爭(zhēng)中的使用特點(diǎn)。民用方面可以分為：海洋監(jiān)管、海洋測(cè)繪、氣候探測(cè)、海上搜救、等領(lǐng)域。如海事方面段貴軍介紹了無(wú)人機(jī)在海事領(lǐng)域的應(yīng)用范圍和海事監(jiān)管中面臨的問(wèn)題及解決方案;海上測(cè)繪方面徐福祥利用無(wú)人機(jī)對(duì)黃海綠潮進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感在時(shí)空上的分辨率不足的問(wèn)題，建立了無(wú)人機(jī)綠潮監(jiān)測(cè)顏色指數(shù)，并對(duì)MODIS監(jiān)測(cè)誤差進(jìn)行了定量分析;張凱、張好運(yùn)等人利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)海島進(jìn)行三維重建，介紹了測(cè)量中無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制和三維重建兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并在威海海域進(jìn)行了實(shí)地應(yīng)用;氣候探測(cè)方面姜明、史靜等人利用無(wú)人機(jī)搭載微型氣息設(shè)備對(duì)低空溫濕度進(jìn)行探測(cè)，并且和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行了比對(duì)，事實(shí)證明具有很好的一致性，但精度有待提高;海上搜救方面曹德勝、桑凌志等在文中對(duì)無(wú)人機(jī)的定位、信號(hào)傳輸和續(xù)航問(wèn)題進(jìn)行了研究，并且設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)水上交通安全應(yīng)急處置系統(tǒng)，但對(duì)電子海圖相關(guān)信息未做進(jìn)一步闡述;趙德燦介紹了無(wú)人機(jī)在海上搜救中的優(yōu)勢(shì)以及救助中具有定位、視頻傳輸和投放救生設(shè)備三方面的應(yīng)用。當(dāng)然無(wú)人機(jī)的應(yīng)用不僅僅局限以上幾種，隨著技術(shù)的成熟，傳感器的微型化，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。

綜上所述，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用方面已得到高度認(rèn)可，目前無(wú)人機(jī)搜救在陸地應(yīng)用相對(duì)較多，陸地目標(biāo)定位跟識(shí)別較海上容易且具有信號(hào)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，雖然海上救助在澳大利亞有無(wú)人機(jī)成功救助落水人員的案例，但海上搜救研究主要集中在目標(biāo)智能識(shí)別、無(wú)人機(jī)微型傳感器的搭載、機(jī)載通信信號(hào)的穩(wěn)定傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)層面上，本文除了對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行研究總結(jié)外，還對(duì)無(wú)人機(jī)協(xié)同搜救中地理坐標(biāo)與墨卡托海圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究。

1 ?無(wú)人機(jī)協(xié)同搜救總體設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)作為海上協(xié)同搜救設(shè)備之一，具有機(jī)動(dòng)速度快，搜索方位全面，搜尋效率高等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了船舶搜救視角低、水域小以及搜救直升機(jī)人力物力損耗大等缺點(diǎn)，作為海上協(xié)同搜救無(wú)人機(jī)宜選用地面效應(yīng)無(wú)人機(jī)或者多旋翼無(wú)人機(jī)，具有強(qiáng)抗風(fēng)、高承載能力，搭載傳感器和救生設(shè)備，增強(qiáng)搜救能力，海上無(wú)人機(jī)協(xié)同搜救除了常規(guī)的船-岸、船-船通信外，無(wú)人機(jī)集成五大功能模塊：微波通信、機(jī)載攝像系統(tǒng)、甚高頻中繼、導(dǎo)航以及自巡航模塊，提高搜索和救助的效率，并且利用機(jī)載AIS設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)能見度不良情況下的搜索，同時(shí)結(jié)合北斗通信模塊，不僅可以提高通信的穩(wěn)定性，還可以利用北斗通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海搜救水域船舶AIS信息的轉(zhuǎn)發(fā)，及時(shí)了解搜救目標(biāo)周圍船舶動(dòng)態(tài)，利用北斗救助反饋鏈路，通過(guò)機(jī)載音頻VHF或者AIS實(shí)現(xiàn)救助反饋信息的傳達(dá)，提高被救助者的生存信念。

2 ?無(wú)人機(jī)協(xié)同搜救關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 ?無(wú)人機(jī)目標(biāo)智能識(shí)別

海上物標(biāo)識(shí)別類別包羅萬(wàn)象，從搜救角度分析主要包括：事故船舶、落水人員以及搜救用的相關(guān)救生設(shè)備的識(shí)別。海上物標(biāo)識(shí)別相比陸地環(huán)境復(fù)雜多變，受海況和氣象影響較大，搜救的關(guān)鍵是目標(biāo)識(shí)別算法的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，選擇合適的識(shí)別方法利于目標(biāo)的搜索效率，其中包括算法的魯棒性和時(shí)效性，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于卷積云神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)識(shí)別發(fā)展迅猛，目前有R-CNN、YOLO以及SSD系列等識(shí)別方法，三者在識(shí)別領(lǐng)域有著不同的區(qū)別如表1所示。

以上三種方法在實(shí)際運(yùn)行時(shí)往往難以滿足實(shí)時(shí)性，需要通過(guò)加速運(yùn)算的方法來(lái)提高整體系統(tǒng)運(yùn)算速度，目前主要有GPU加速和模型壓縮（Mobile Nets）兩種。在SSD模型實(shí)測(cè)中可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)行速度相比CPU之比為CPU：GPU：GPU+Mobile Nets=1：3：6。無(wú)人機(jī)救助時(shí)面對(duì)海洋復(fù)雜多變，海洋參數(shù)以及救助對(duì)象的非固定性，傳統(tǒng)的識(shí)別方法無(wú)法滿足復(fù)雜海洋大數(shù)據(jù)的處理，機(jī)器學(xué)習(xí)作為目標(biāo)識(shí)別的主要方法，利用深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的快速檢索識(shí)別，在深度學(xué)習(xí)中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）在處理圖像信息方面比其他方法擁有更好的結(jié)果，而受限波爾茲曼機(jī)（RBM）則在語(yǔ)音方面具有較好優(yōu)勢(shì)。夜間目標(biāo)識(shí)別可搭載光電吊艙冷紅外傳感器目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，采集的紅外數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)船基或者岸基處理，實(shí)現(xiàn)夜間搜救識(shí)別和人員生命狀況探測(cè)。

2.2 ?無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位

在無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位中大部分使用的是預(yù)先對(duì)固定區(qū)域進(jìn)行信息采集，再基于特征匹配、坐標(biāo)解算以及生成底圖來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位，海洋領(lǐng)域是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，目標(biāo)特征以及位置實(shí)時(shí)變動(dòng)，并且海洋地理位置與海圖位置需要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換才能顯示，可以利用微型機(jī)載RTK實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自定位功能，然后結(jié)合視覺傳感器和無(wú)人機(jī)航測(cè)高程獲取目標(biāo)信息，無(wú)人機(jī)在協(xié)助救援過(guò)程中由于受風(fēng)和操縱的影響，根據(jù)已知參數(shù)的定位模型定位或者已知無(wú)人機(jī)攝像頭姿態(tài)及位置參數(shù)等定位時(shí)計(jì)算過(guò)程復(fù)雜且精度低，利用基于射影幾何定理的視覺定位算法可以簡(jiǎn)單、快速、較高精度解決目標(biāo)定位問(wèn)題。再通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)海圖顯示。

其基本思路是利用成像平面的已知坐標(biāo)點(diǎn)和目標(biāo)成像點(diǎn)，通過(guò)射影交比不變性解算海上目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)。

目標(biāo)定位過(guò)程中需要選取兩個(gè)計(jì)算平面——目標(biāo)海面平面β和攝影成像圖像平面β′，在海面上通過(guò)衛(wèi)星等手段獲取β平面內(nèi)兩直線De、Dm上已知坐標(biāo)點(diǎn)，分別是（E1、E2、E3、M1、M2），對(duì)應(yīng)的β′平面內(nèi)兩直線De′、Dm′上已知圖像點(diǎn)為（E1′、E2′、E3′、M1′、M2′），通過(guò)已知點(diǎn)M1′、M2′與目標(biāo)成像點(diǎn)O′相交于B2′、B1′，利用交比不變性獲得海面對(duì)應(yīng)交點(diǎn)B2、B1，再用β平面點(diǎn)直線相交得到目標(biāo)點(diǎn)O，如圖1所示。

定位解算中數(shù)學(xué)表達(dá)式包括成像平面求交點(diǎn)B1′與B2′，射影交比變換以及目標(biāo)定位O坐標(biāo)的計(jì)算三部分，各部分函數(shù)關(guān)系式如下：

聯(lián)合上面式（1）～式（5）解算出目標(biāo)點(diǎn)O的坐標(biāo)。如果無(wú)人機(jī)定位GPS信號(hào)弱或者短暫消失，可以利用此方法反向自定位。未來(lái)還可以利用AR技術(shù)、視頻與海圖進(jìn)行三維重疊，協(xié)助搜救定位。

2.3 ?機(jī)載通信研究

通信作為搜救的橋梁，能夠傳遞最新搜救狀況和搜救指令，通信的質(zhì)量會(huì)直接影響搜救的效率，無(wú)人機(jī)機(jī)載通信設(shè)備包括：機(jī)載VHF、AIS、北斗RDSS、高精度RTK等等。通信設(shè)備完成無(wú)人機(jī)、搜救船舶、岸基中心以及衛(wèi)星等平臺(tái)的通信，無(wú)人機(jī)作為海上協(xié)同搜救裝備，近岸搜救可以利用機(jī)載VHF和AIS實(shí)現(xiàn)船基、岸基的短程通信，遠(yuǎn)海搜救利用北斗RDSS和RNSS集成或者高精度RTK模塊，實(shí)現(xiàn)搜救過(guò)程連續(xù)定位和通信，當(dāng)無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)離搜救船舶，搜索到的目標(biāo)可以通過(guò)北斗衛(wèi)星連接到地面控制中心，然后再到海面救援中心，救援中心制定救援策略，例如：聯(lián)系就近船舶救助或者使用反向鏈路進(jìn)行信息反饋等。救援船舶搜救范圍有限，無(wú)人機(jī)利用機(jī)載VHF、AIS和視頻攝影進(jìn)行海面范圍的搜索，擴(kuò)大船舶AIS的接收范圍，利用衛(wèi)星鏈路轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)載AIS信息，根據(jù)AIS信息收集搜救航線的水深數(shù)據(jù)，為救援船舶提供實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)救援的高效性。未來(lái)無(wú)人機(jī)將參與海洋組網(wǎng)建設(shè)中，提供更多的海洋搜救數(shù)據(jù)，連接衛(wèi)星數(shù)據(jù)、海面智能移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)、深海探測(cè)裝備以及融合海底智能觀測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)海洋透明，無(wú)人機(jī)信息獲取多源化、立體化，實(shí)現(xiàn)水上、水面及水下全方位搜索。

2.4 ?海圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

電子海圖（ECDIS）作為海上交通助航設(shè)備，在搜救指揮、交通管理、海洋測(cè)繪等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)海上搜救目標(biāo)在電子海圖上的顯示，轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。海上搜救采用的定位坐標(biāo)是基于WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，電子海圖應(yīng)用的是平面坐標(biāo)——墨卡托投影，由于墨卡托采用的是等角圓柱投影。因此，投影具有等角航線的特性，適合編制航海圖。本文還可以將無(wú)人機(jī)經(jīng)緯度坐標(biāo)在電子海圖中進(jìn)行顯示，輔助救助和無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃。

2.4.1 ?WGS-84與墨卡托投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在繪制海圖時(shí)將WGS-84坐標(biāo)通過(guò)投影正變換轉(zhuǎn)成平面直角坐標(biāo)系，相關(guān)轉(zhuǎn)換公式如下：

式中x、y為墨卡托直角系坐標(biāo);φ、λ為大地坐標(biāo)系經(jīng)緯度;φ1為墨卡托基準(zhǔn)經(jīng)緯度;r為基準(zhǔn)緯度的緯線圈半徑;N為橢球的卯酉圈曲率半經(jīng);q為等量緯度;e為橢球的第一偏心率，a、b為橢球的長(zhǎng)短軸，。

經(jīng)式（1）～式（4）聯(lián)合計(jì)算得到（x，y）墨卡托投影坐標(biāo)絕對(duì)值。由于海圖坐標(biāo)原點(diǎn)不是零點(diǎn)，故可以通過(guò)簡(jiǎn)單的坐標(biāo)平移得到。海圖坐標(biāo)到用戶屏幕的顯示需要通過(guò)坐標(biāo)系和屏幕像素點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，計(jì)算像素的實(shí)際距離進(jìn)行轉(zhuǎn)換，考慮到參考系不同即可。

無(wú)人機(jī)在搜救中結(jié)合電子海圖顯示，可以清晰快速實(shí)現(xiàn)搜索位置相互顯示，并且可以通過(guò)已知搜索到的海圖顯示的AIS目標(biāo)，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反解確定海上目標(biāo)坐標(biāo)三維信息，在能見度不良的海況下指導(dǎo)無(wú)人機(jī)救助，達(dá)到航線規(guī)劃的目的。

3 ?結(jié) ?論

本文在目標(biāo)識(shí)別中加入機(jī)器人學(xué)習(xí)提高搜索運(yùn)行速度，目標(biāo)定位采用魯棒性和定位速度較快的射影幾何定理的視覺定位算法，通信方面則引入北斗反饋鏈路，增強(qiáng)被困人員信心，最后利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)、搜索目標(biāo)以及用戶的位置交互，解決因氣候原因?qū)е碌臒o(wú)人機(jī)視頻搜索效果差的難題，由于海上環(huán)境復(fù)雜多變，希望無(wú)人機(jī)裝備在未來(lái)的發(fā)展中通過(guò)一系列的創(chuàng)新與測(cè)試實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的不斷深入，對(duì)于其裝置與系統(tǒng)呈現(xiàn)進(jìn)一步改進(jìn)，從而使其能更好地開展工作。

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作者簡(jiǎn)介：朱武斌（1987-），男，漢族，湖南邵陽(yáng)人，畢業(yè)于測(cè)繪與海洋信息學(xué)院海洋空間信息技術(shù)專業(yè)，碩士研究生，研究方向：物理海洋學(xué);通訊作者：周立（1959-），男，漢族，貴州貴陽(yáng)人，就職于測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，碩士生導(dǎo)師，教授，研究方向：海洋動(dòng)力過(guò)程信息技術(shù)、智慧海洋。