基于机器视觉的水上救援装置设计研究.pdf

智 慧 交 通 新 业 态水上安全 2023 年 第 7 期4作者简介：刘川溥，男，本科，初级专业技术职务，研究方向为智能消防应用。基于机器视觉的水上救援装置设计研究刘川溥（慈溪市消防救援大队，浙江慈溪 315300）摘要：当前，科技水平逐渐进步，水上救援设备得到了优化与完善，为了解决设备操作复杂、识别差等问题，设计出利用机器视觉的救援装置。本文主要围绕着水上救援装置来展开，基于机器视觉，探究装置的整体设计，分析总控系统设计所注意的要点内容，借助集成形式的总体控制系统，达到救援的自动化水平，提升系统的可靠性。关键词：图像处理；反馈输入；信号输送；预测目标；救援设备0 引言结合近几年的发展情况来看，江河湖海的水量明显增长，在诸多区域经常出现洪水问题，水域活动的参与人员也在增加，高效的救援方式具有必要性。当前，水上救援活动需要先进救援设备的支持，智能化设备得到了广泛应用，比如，水上无人机等，为了提升救援装置的自动化水平，本文研究了一款借助机器视觉作用来实现救援的装置。1 水上救援装置的功能研究1.1 工作模式基于应用环境的差异，救援地点的不同，救援装置呈现出的模式也不同，首先，作为智能化的识别模式，可以达到完全无人化的操作形式，装置开始自行巡航，借助智能化的识别技术，发挥自动识别功能，了解溺水事件，援助溺水人员，与此同时，可以躲开其中的障碍物，此过程也展现着较强的自主性；其次，远距离遥控辅助形式，如果水情严峻，装置没有办法自行开展救援行动，就需要人工的力量，利用智能终端，远距离操控装置，展开救援作业行动1。1.2 性能分析机械机构趋于稳定可靠，骨架一般运用着轻铝合金，其身形比较轻巧，同时又具有结构稳定的特征，观察装置的外在，一般运用流线形式，避免航行阶段受到更大的水流阻力，在边缘设置中，借助防水硅胶，提升具体的防水效果，有效缓解了冲击作用，有助于保护装置；续航时间比较久，在装置内部，加入了高倍率的锂电池，可以为装置的系统带来足够且稳定的电压，续航时间比较久，一般可以达到 60min。关于电池设计，可以方便拆卸，在需要的时间方便替换电池，电量的稳定供应，让救援工作可以连续开展；智能水平比较高，在远距离控制下，操作人员能在岸边操控，展开智能化的救援工作，借助智能的识别方式，装置可以察觉落水人员情况，智能化躲开路径中的阻碍物，准确到达目的地，开展精准的救援行动。其中的数据信息可以高速传送，保证救援人员实时获取到有关信息，从而设定具有针对性的救援计划。2 装置的整体设计为了提升救援装置的自动化水平，本文研究了一款借助机器视觉作用来实现救援的装置，结合装置的整体情况来看，由于主要借助机器视觉，所以摄像头是重点应用部分，装置中还包含推进器、总控系统，另外还涉及传送装置、机械臂。分析总控系统的组成情况，在电源模块的支撑下得到动力，应用电机驱动装置来运作，同时还需要微控制器环节、图像处理环节的支持，由此组成了总控系统，而电源部分、图像处理部分相对更加关键、复杂。关于传送装置，需要利用传送带，其应用材料比较特殊，属于强力形式的尼龙片基带，借助带网孔加以设计，当传送被落水人员时，可以有效处理被救人员身体携带的水滴，在网孔处理作用下，将其带出装置，让传送带表面避免出现打滑的现象2。救援工作开展期间，如果落水人员存在着自主意识，捞网电机会做出响应，降低捞网的高度，一直降低到水平面，人员可以爬到捞网，经过传送带的输送功能，传至总控系统中，到达救生平台处；若落水人员已经不存在着自主意识，救援装置开始响应，在摄像范围里，围绕着落水智 慧 交 通 新 业 态Maritime Safety 水上安全5人员的坐标，实现位置调整，促使装置可以与落水人员实现正对效果，这个时候捞网电机也会降低捞网，处于落水人员的身下，然后将捞网升起，轻轻放置落水人员，将其安置在传送带上，然后有序运送到救生平台。3 总控系统设计要点3.1 分析电源模块关于系统中所应用的电源模块，要从两个部分来分析，在第一部分中，借助电源芯片的 TPS54302-DDCR 型号，实现电流的转换，原本为直流 24V，将其变为直流 5V，借助此电压条件，为摄像头提供电压，同时也可以为图像处理器提供电压，这一电路具有特殊性，可以借助反馈来控制关断行为，若反馈电压发生了变化，也就是说，降压处理之后，直流 5V出现了变化，电源芯片会第一时间响应关断行为，维护供电的外设部分，达到良好的保护效果；关于第二部分，应用电源芯片的 TLV62569 型号，针对电源模块的第一部分，实现降压处理之后，直流 5V 再次降低为直流 3.3V 形式，应用此种电压形式，让微控制器得到供电电压，从此电源芯片可以看出，属于开关电源芯片，观察反馈电压，也就是当微控制器的供电电压出现波动，此电源芯片会第一时间做出关断行为，在实时条件下，保护微控制器本身3。针对 24V 变成 5V 这一转变过程，执行电路设计工作时，需要应用到降压芯片，具体型号为 TPS54302，它属于一款降压转换器，具有容压差较高的特征，从有效电压输入情况来看，输入范围比较大，达到了 4.5V到 28V 之间，关于最大输出电流，可以达到 3A。此芯片中，涉及 2 个金属-氧化物-半导体（metal-oxide-semiconductor，MOS）集成开关，在内部回路具有补偿功能，接下来细化分析此型号芯片的管脚功能：1）转换（switch，SW）功能，用于高、低侧 N 沟道场效应管（N-channelfieldeffecttransistor，NFET），在此之间连接开关节点。2）地线（ground，GND），对于高侧 NFET 位置的接地引脚、源极端子等形式的接地端子。3）电压输入（voltin，VIN）功能，可以起到电压电源引脚的输入功能。4）反馈（feedback，FB）功能，实现转换器的反馈输入。5）使能（enable，EN）功能，属于使能引脚。6）引导（bootstrap，BOOT）功能，基于高侧 NFET，实现栅极驱动电源的输入。围绕着本型号的数据手册，若需要对此芯片进行开启处理，将 5V 电压输出，就要严格要求使能电压，其值要大于 1.2V，并且明确反馈电压值，处于 0.6V，在此电路中，开启电压应用 VEN来表示，反馈电压应用来 VFB表示，借助计算以下公式获取解算结果：VEN=2420140=4（1）VFB=51083.2=0.6（2）在 5V 转换为 3.3V 的设计电路中，关于应用的电源芯片，型号为 TLV62569，它属于同步电压形式的转换器，具有直流转直流（directcurrenttodirectcurrent,DC-DC）特性，其中，分析最大输出电流，可以达到 2A，细化分析芯片的管脚功能为：1）SW 功能，用于高、低侧 NFET，在此之间连接开关节点。2）GND 功能，对于低侧 NFET 位置的接地引脚、源极端子等形式的接地端子。3）EN 功能，属于使能引脚。4）FB 功能，实现转换器的反馈输入。5）VIN 功能，可以起到电压电源引脚的输入功能。当处于大负载情况，TLV62569 可以实现自动工作，处于脉宽调制器（pulse-widthmodulator，PWM）的工作形式下；当处于小负荷情况中，芯片会做出响应，自动启动节能形式，所以此芯片发挥着重要作用，为所有负荷电流提供保障，保证电流范围始终符合高效情况。此外，在外部位置，需要设立滑动变阻器，通过对其调整阻值，就能间接性改动输出的电压信号，分析电源控制器，从芯片的内部结构中可以看出，具备着软启动电路，可以发挥对晶片的限制作用，防止在开启阶段中形成浪涌电流。围绕着此型号的数据手册，如果有必要去开启芯片，保证输出的电压达到 3.3V，就要制约使能开启电压，保证数值超过 1.2V，维护反馈电压值，数值要等于 0.6V。此电路设计中，借助计算公式，求出开启电压、反馈电压为 VEN=55.110.2=2.5（3）VFB=3.31055=0.6（4）3.2 分析图像处理器装 置 搭 载 高 性 能 的 图 像 处 理 器，型 号 为STM32H743II，在图像处理器的外部，接上摄像头，需要保证高清画质，增加采集图像的清晰程度，关于此型号的处理器，分析其主时钟频率，可以达到 480MHz 的水平，在短时间内处理图像，同时可以展现实时处理功能，让救援工作最快开展；一个安全参数索引（securityparameterindex，SPI）总线，负责进行数据的传输工作，其速度比较快，能达到 100Mbit/s 的水平，并且对图像流数据限制力小，允许输送到液晶显示屏（liquidcrystaldisplay，LCD），还可以传送到微控制器，方便在需要的时间查看被营救人员的状况，在此处理器中，携带着红外热成像形式的模组，即便是在夜间，也能实现救援工智 慧 交 通 新 业 态水上安全 2023 年 第 7 期6作。分析装置中的处理器，主要以开发板的形式存在，开发板的设计方式比较特别，结合了模块、底板，整体看起来十分立整，且便捷小巧，板载带着 C 型（type-C）接口，电路为通用串行总线（universalserialbus，USB）转通用异步接收发送设备（universalasynchronousreceiver/transmitter，UART）的形式，可以直接借助有关线路和电脑进行连接，从而进行开发，搭配上多种接口，比如LCD 等，展现出强大的功能效果，可以为水上救援装置带来协助力量，面对图像时，可以实现快速处理和运算。关于图像处理器，可以发挥实时的采集功能，获取到摄像头回传处理的数据，利用选择性搜索的对策，形成候选区域，大致达到 2000 个，在每个候选区域中，将会被调整处理，形成固定大小的图像，像素个数为 227227 个，然后进行并入处理，到达 1 个卷积神 经 网 络（convolutionalneuralnetworks，CNN）模 型中，借助卷积层、全连接层，数量分别为 5 个、2 个，逐渐向前来传播，获取到维度特征向量，然后继续输送，到达 1 个具有多种类别的支持向量机（supportvectormachine，SVM）分类器中，在快速分析处理的条件下，展开预测功能，针对候选区域，掌握有关物体隶属于每个类出现的可能性。关于预测检测目标，若属于人体的概率，当符合设定值时，图像处理器会响应，将特定的命令识别语句发送出去，由微控制器来接收，在控制器的判断作用下，对准其他外设，给予相应的命令，实现救援工作。基于上述预测目标，在方案设计中设定阈值，默认数值是 0.8，如果阈值低于这个标准，在图像中，形状类似于人体的信息出现，会对处理器形成干扰作用；如果阈值高于这个标准，对于比较模糊的人体目标，处理器就会产生丢失现象；在实验中分析结果，若阈值刚好处于 0.8，这样的情况比较合理，处理器也能发挥出理想的分析效果4。3.3 分析系统控制原理围绕着装置的总体控制系统，主要将芯片作为关键的控制器，芯片应用的是STM32F407VGT6型号，其中的微控制器属于32位形式。分析时钟频率，数值为72MHz，这样能够在短时间里轻松解决问题，处理摄像头中的回传数据，确保救援工作足够准时，在芯片中，具有超过112个较快的输入输出（input/output，I/O）端口，这样有利于总控系统运作，符合诸多外设连接的需要，在内部安置内存程序处理器，安排了闪存（flashmemory），容量为 512kB，还涉及静态随机 存取 存储器（staticrandomaccessmemory，SRAM），容量为 64kB，这样能够便捷地储存水上救援各个时间段的画面。装置工作的过程中，摄像头发挥实时工作效果，对所拍摄的图像进行回传处理，在图像处理器的分析作用下，实现回传处理，到达微控制器，然后在判断条件下，若是识别期间出现救援的情况，处理器会第一时间发出信号，下接外设接收到信号，保证救援人员实时获取到有关信息，从而设定具有针对性的救援计划，让落水人员得到救援行动。为了检验装置的应用性能，开展 1 次整体性实验，借助 3 维（threedimensions,3D）打印功能，形成的人体模型之后，用来替代落水人员。针对此项救援装置，将其放进湖中，按下启动键，装置开始发挥巡航工作功能，然后取人体模型并抛进湖中，装置会察觉到形似落水的目标，快速向其驶进，当到达疑似目标的周围之后，由于装置中会搭载机械臂，可以实现摄像头的推进处理，到达疑似目标的前方位置，在摄像头的支持下，针对目标、附近图像，实现传送处理，到达图像处理器，处理器开始快速分析，处理疑似目标，得到落水人员的结果，依据落水人员在图像中的坐标值，返回到此位置，结合装置整体，实现细微的调整，保证落水人员能位于捞网的正中间位置，细微调整之后，装置开始启动捞网，同时开启传送带，利用传送带来传送落水人员，最后到达装置的救生平台，装置开始有序返航，运送落水人员，从而到达湖边，实验内容完毕。通过开展本次实验，总结装置的巡航、返航应用时间，一共运用了 23s，关于目标识别过程，还有装置的细微调整环节，应用时间为 2s，其中识别应用时间更短，不到 1s，借助捞网、传送带，可以实现落水人员的及时传送，高效到达救生平台，应用时间为15s，分析整体救援环节，应用时间也比较短，时间为40s，借助集成形式的总体控制系统，提升系统的可靠性。在实验结果中可以看出，装置具有良好的稳定性，能够展现出所需的功能效果，达到救援的自动化水平。4 结束语通过上述分析可知，先前的水上救援装置已经不能适应时代发展，面对诸多区域的水域问题，为了保证救援行动可靠、及时，需要借助高效的救援方式技术，应用机器视觉来展开水上救援工作，为水上救援活动带来了先进的救援设备，实现智能化、集成化发展，不仅适应能力强，还会节约功耗，是当前比较理想的救援装置形式，应用价值明显。参考文献1 赵泽鑫,丁畅,高兴宇,等.基于机器视觉的水上救援装置设计 J.装备制造技术,2022(9):29-33.2 深圳市蔚蓝方舟科技有限公司.一种带实时交互功能的水上救援机器人:CN201921614340.8P.2020-06-02.3 盛肖炜,于林鑫.一种小型智能水上救援机器人的设计 J.江苏工程职业技术学院学报,2022,22(4):17-23.4 肖长诗,陈华龙,文元桥,等.一种水上搜救机器人系统的设计与实现 J.船舶工程,2020,42(11):106-113.