基于機(jī)器視覺的水上救援裝置設(shè)計(jì)

趙澤鑫，丁 暢，高興宇，馮釗杰，陳以石，馬詩晏

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

近年來，由于暴雨、風(fēng)暴潮等自然因素引起江河湖海的水量急劇增長，多處區(qū)域頻發(fā)洪水，而且隨著人類在水域上活動的增加，如何進(jìn)行高效、可靠的抗險(xiǎn)救援已經(jīng)成為重要的研究課題。目前，發(fā)達(dá)國家水上救援已經(jīng)從救援繩、救生圈等簡單裝備發(fā)展到水上救援轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)[1]，如專用救生艇、無人機(jī)[2]、水上救援機(jī)器人[3]等先進(jìn)設(shè)備。隨著發(fā)達(dá)國家水上救援裝備更新?lián)Q代，水上救援效果也不斷得到檢驗(yàn)。目前現(xiàn)代的水上救援活動已經(jīng)不能離開先進(jìn)救援裝備，救援裝備更是不斷向無人化、信息化、智能化方向發(fā)展，如水上無人機(jī)、無人巡視系統(tǒng)及水上救援機(jī)器人等。中國從1949年新中國成立以來，水上救援發(fā)展至今仍未能擺脫技術(shù)落后、研發(fā)規(guī)劃不充足、研發(fā)人才短缺等問題[4]。當(dāng)前，趙嘉厚等[5]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的伺服式近岸水上救援系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過救援手環(huán)、伺服救援裝置以及管理監(jiān)護(hù)終端組成，但該救援裝置沒有圖像的自動識別功能。熊林林等[6]提出一種新型水上救援拋投彈的設(shè)計(jì)方法，通過空中拋投的方式進(jìn)行水上救援，該設(shè)計(jì)思路具備救援及時(shí)的優(yōu)勢，但對落水人員的定位精度及救援的可靠性欠佳。裴林等[2]提出的旋翼無人機(jī)水上救援方案時(shí)效性強(qiáng)，但靠近和救起的可靠性不能保證。綜上，提升水上救援裝置的高可靠性、大負(fù)載能力、長時(shí)間續(xù)航里程是關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)前的國內(nèi)研究無論從機(jī)械結(jié)構(gòu)還是技術(shù)方案層面都缺乏較為系統(tǒng)而完整的設(shè)計(jì)。

本研究重點(diǎn)關(guān)注了水上待救援目標(biāo)的自動化識別與救援的問題，提出一種基于機(jī)器視覺的水上救援裝置設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)有水上圖像數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)采集、傳輸與處理的功能，設(shè)計(jì)有圖像傳感器與控制電路的協(xié)同機(jī)制，兼顧了水上救援的時(shí)效性與可靠性。

1 裝置的總體設(shè)計(jì)

該裝置由總控系統(tǒng)、攝像頭、推進(jìn)器、機(jī)械臂、傳送裝置五個(gè)部分組成，裝置整體如圖1所示。其中總控系統(tǒng)由電源模塊、圖像處理模塊、微控制器、電機(jī)驅(qū)動器四部分組成，其中，電源模塊與圖像處理模塊是總控系統(tǒng)中最為重要且復(fù)雜的部分。

圖1 裝置整體

傳送裝置如圖2所示，包括傳送帶電機(jī)、傳送帶與撈網(wǎng)。其中傳送帶所使用的材料為強(qiáng)力型尼龍片基帶，采用帶網(wǎng)孔設(shè)計(jì)，在被落水人員傳送時(shí)將被救人員身上滴下的液體經(jīng)由網(wǎng)孔帶出裝置，防止傳送帶表面打滑。在救援過程中，對有自主意識的落水人員，撈網(wǎng)電機(jī)會將撈網(wǎng)下降至水平面，落實(shí)人員可爬上撈網(wǎng)由傳送帶回到總控系統(tǒng)上的救生平臺；對于已無自主意識的落水人員，救援裝置會根據(jù)落水人員在攝像區(qū)域的坐標(biāo)進(jìn)行位置調(diào)整，使裝置正對落水人員，此時(shí)撈網(wǎng)電機(jī)會將撈網(wǎng)降低至落水人員身下，接著升起撈網(wǎng)將落水人員輕輕放置在傳送帶上，傳送帶將其運(yùn)送至救生平臺。

圖2 傳送裝置設(shè)計(jì)方案

2 裝置的總控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

電源模塊分為兩部分，第一部分使用TPS54302-DDCR電源芯片將直流24 V轉(zhuǎn)為直流5 V，并以此電壓作為攝像頭以及圖像處理器的供電電壓，此電路具有反饋控制關(guān)斷的特點(diǎn)，當(dāng)反饋電壓出現(xiàn)變化即降壓后的直流5 V發(fā)生變化時(shí)，電源芯片會及時(shí)關(guān)斷從而對其所供電的外設(shè)起到保護(hù)的作用，該電路圖如圖3所示，圖3中的Uin1=24 V，Uout1=5 V；第二部分使用TLV62569電源芯片將電源模塊第一部分降壓后的直流5 V降壓成直流3.3 V，并以此電壓為微控制器供電電壓，該電源芯片為開關(guān)電源芯片，當(dāng)反饋電壓即微控制器供電電壓發(fā)生改變時(shí)，該電源芯片會及時(shí)關(guān)斷從而達(dá)到對微控制器的實(shí)時(shí)保護(hù)，其電路如圖4所示。圖4中Uin2=Uout1=5V，Uout2=3.3V。

圖3 24 V轉(zhuǎn)5 V電路

圖4 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路

在24 V轉(zhuǎn)5 V電路設(shè)計(jì)中，采用的降壓芯片為TPS54302。TPS54302是一款容壓差較高的降壓轉(zhuǎn)換器[7]，有效電壓輸入范圍為4.5 V～28 V，其最大輸出電流可達(dá)3 A。該芯片包含2個(gè)集成開關(guān)MOS并且擁有內(nèi)部回路補(bǔ)償。TPS54302芯片的各管腳功能如下：

（1）GND功能：低側(cè)NFET的接地引腳、源極端子以及控制器電路的接地端子。

（2）SW功能：高側(cè)NFET和低側(cè)NFET之間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接。

（3）VIN功能：輸入電壓電源引腳。

（4）FB功能：轉(zhuǎn)換器反饋輸入。

（5）EN功能：使能引腳。

（6）BOOT功能：高側(cè)NFET柵極驅(qū)動電路電源輸入

根據(jù)TPS54302數(shù)據(jù)手冊，如需開啟此芯片且輸出5 V電壓，必須使得使能電壓大于1.2 V，且其反饋電壓Vfb等于0.6 V，在本電路中開啟電壓VEN計(jì)算式、反饋電壓Vfb計(jì)算結(jié)果分別為：

在5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路設(shè)計(jì)中，所用到的電源芯片為TLV62569。TLV62569是一款DC-DC同步電壓轉(zhuǎn)換器。TLV62569最大輸出電流可達(dá)2 A。TLV62569芯片的各管腳功能如下所示：

（1）EN功能：使能引腳。

（2）GND功能：低側(cè)NFET的接地引腳、源極端子以及控制器電路的接地端子。

（3）SW功能：高側(cè)NFET和低側(cè)NFET之間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接。

（4）VIN功能：輸入電壓電源引腳。

（5）FB功能：轉(zhuǎn)換器反饋輸入。

在大負(fù)載條件下，TLV62569能夠自動工作在PWM工作模式下；在小負(fù)荷狀況下，該芯片自行開啟節(jié)能模式。因此該芯片得以保證在所有負(fù)荷電流范圍內(nèi)一直保持著高效的工作狀態(tài)。另外，在其外部需要增加一個(gè)滑動變阻器，通過調(diào)整滑動變阻器的阻值進(jìn)而起到調(diào)整輸出電壓信號的作用。該電源控制器芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有軟啟動電路可限制晶片在開啟期間產(chǎn)生的浪涌電流[8]。

根據(jù)TLV62569數(shù)據(jù)手冊，如需開啟此芯片且輸出3.3 V電壓，則需要滿足其使能開啟電壓大于1.2 V，且反饋電壓Vfb等于0.6 V。

在本電路設(shè)計(jì)中，其使能開啟電壓VEN與反饋電壓Vfb的計(jì)算公式、結(jié)果分別為式（3）和式（4）

2.2 圖像處理器

該裝置搭載的圖像處理器為STM32H743II處理器，圖像處理器外接一個(gè)高清攝像頭以保證采集圖像的清晰度，STM32H743II主時(shí)鐘頻率可達(dá)到480 MHz，可以實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)處理，保證救援的時(shí)效性；一個(gè)SPI總線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以達(dá)到100 Mbs的速度，允許將圖像流數(shù)據(jù)[9]傳送至LCD顯示屏與微控制器，便于查看被救人員當(dāng)前的狀態(tài)，且該處理器帶有紅外熱成像模組，便于夜間進(jìn)行救援工作。

處理器以開發(fā)板形式置于裝置。開發(fā)板使用模塊+底板的設(shè)計(jì)方式，具有整潔、小巧的特點(diǎn)，板載Type-C接口和USB-UART電路，可以直接通過USB Type-C線連接電腦進(jìn)行開發(fā)，配置128Mbit Flash、LCD、DVP、Micro SD卡等接口，功能十分強(qiáng)大，能夠更好地支持水上救援裝置進(jìn)行快速的圖像處理運(yùn)算。

該圖像處理器內(nèi)含的算法是基于R-CNN的目標(biāo)檢測算法，以水上救援模型使用的圖像處理器為例，整體工作流程如圖5所示。

圖5 R-CNN目標(biāo)檢測流程

圖像處理器實(shí)時(shí)采集攝像頭回傳的數(shù)據(jù)，通過選擇性搜索的方法大致生成2000個(gè)候選區(qū)域，每個(gè)候選區(qū)域都會被調(diào)整成固定大?。?27像素×227像素）的圖像并入1個(gè)CNN[10]模型中，通過5個(gè)卷積層和2個(gè)全連接層進(jìn)行前向傳播，最后得到1個(gè)4096維度特征向量，被送入1個(gè)多類別SVM分類器中，通過快速分析處理從而預(yù)測出候選區(qū)域中所含物體的屬于每個(gè)類的概率值。當(dāng)預(yù)測檢測目標(biāo)屬于人體的概率達(dá)到設(shè)定值時(shí)，圖形處理器會發(fā)送特定命令識別語句至微控制器，經(jīng)由微控制器判斷后對其他外設(shè)做出相應(yīng)命令，從而達(dá)到救援的目的。上述中預(yù)測目標(biāo)概率在本方案設(shè)計(jì)中，閾值默認(rèn)為0.8。當(dāng)閾值小于0.8時(shí)，圖像中形似人體的信息會對處理器分析產(chǎn)生干擾；當(dāng)閾值大于0.8時(shí)，處理器會丟失掉一些較為模糊的人體目標(biāo)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)閾值取為0.8時(shí)較為合理，處理器的分析效果最佳。

2.3 系統(tǒng)控制原理

該裝置的總控系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F407VGT6芯片作為核心控制器。總體控制原理如圖6所示。其中的STM32F407VGT6型號芯片是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器。其時(shí)鐘頻率為72 MHz，便于快速處理分析攝像頭回傳數(shù)據(jù)，保證救援的時(shí)效性，該芯片多達(dá)112個(gè)快速I/O端口，滿足了總控系統(tǒng)下接多外設(shè)的需求，其內(nèi)置閃存程序存儲器和512 K容量的FLASH及64 K容量的SRAM，便于存儲水上救援的實(shí)時(shí)畫面。

圖6 系統(tǒng)控制原理

該裝置在工作過程中攝像頭實(shí)時(shí)回傳所拍圖像，經(jīng)由圖像處理器分析處理后回傳至微控制器，由微控制器進(jìn)行判斷，如識別到需要進(jìn)行救援的對象，處理器會發(fā)送信號至下接外設(shè)，從而對落水人員進(jìn)行救援。

為驗(yàn)證裝置可靠性，對裝置總體性能進(jìn)行了1次實(shí)驗(yàn)。在本次實(shí)驗(yàn)中，利用3D打印的人體模型代替落水人員。首先將該救援裝置放入湖中，啟動裝置，裝置進(jìn)入巡航模式如圖7（a），接著將人體模型拋入湖中，裝置發(fā)現(xiàn)落水疑似目標(biāo)并向其駛進(jìn)，在靠近疑似目標(biāo)后，利用裝置搭載的機(jī)械臂將攝像頭推進(jìn)至疑似目標(biāo)前方，由攝像頭將目標(biāo)及附近圖像傳送至圖像處理器，經(jīng)過圖像處理器的快速處理分析得到疑似目標(biāo)為落水人員的結(jié)果并且返回落水人員在圖像中的坐標(biāo)值，總控系統(tǒng)接收到結(jié)果后配合圖像處理器返回的坐標(biāo)值對裝置整體進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)從而使得落水人員處于撈網(wǎng)正中央，細(xì)調(diào)結(jié)束后，裝置啟動撈網(wǎng)與傳送帶如圖7（b），落水人員通過傳送帶傳送至裝置的救生平臺，最后裝置返航，將落水人員運(yùn)送至湖邊，至此實(shí)驗(yàn)結(jié)束。在本次實(shí)驗(yàn)中，裝置巡航以及返航共用時(shí)23 s，目標(biāo)識別以及裝置位置細(xì)微調(diào)節(jié)用時(shí)2 s（目標(biāo)識別用時(shí)1 s不到），利用撈網(wǎng)以及傳送帶將落水人員傳送至救生平臺用時(shí)15 s，整個(gè)救援過程用時(shí)僅40 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置穩(wěn)定性好，且功能效果突出。

圖7 裝置工作

3 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)水上救援裝置存在的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的水上救援裝置，該裝置具有控制系統(tǒng)完善、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、續(xù)航能力強(qiáng)以及功耗低的特點(diǎn)，綜上所述該裝置模型滿足了水上救援的需求，對提高水上應(yīng)急救援?dāng)?shù)字化、集成化、智能化有一定的借鑒意義，且具有較高的應(yīng)用價(jià)值。