科學(xué)島團(tuán)隊(duì)研發(fā)的防溺水智能監(jiān)控與機(jī)器人自主救援系統(tǒng)在河南沙澧河景區(qū)啟用

10月25日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所余道洋團(tuán)隊(duì)研發(fā)的防溺水智能監(jiān)控與機(jī)器人自主救援系統(tǒng)在河南省漯河市沙澧河景區(qū)正式啟用。該系統(tǒng)將通過(guò)人防技防融合，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候的監(jiān)控預(yù)警與快速救援，借助人工智能、機(jī)器人、大數(shù)據(jù)和信息化技術(shù)加持，進(jìn)一步推動(dòng)防溺水救援的新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。

據(jù)中國(guó)青少年防溺水大數(shù)據(jù)報(bào)告統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年有約5.9萬(wàn)人死于溺水，其中未成年人占比95%以上。防溺水的關(guān)鍵是預(yù)警和救援，雖然國(guó)內(nèi)部分水域已經(jīng)建設(shè)了溺水事故預(yù)警平臺(tái)，但是現(xiàn)有的方法和技術(shù)的預(yù)警時(shí)效性、準(zhǔn)確性和覆蓋率不足，且應(yīng)急救援行動(dòng)主要以人工為主，存在行動(dòng)滯后、救援裝備缺乏等問(wèn)題。因此很難達(dá)到溺水事件黃金救援時(shí)間3-5分鐘的要求。

固體所余道洋博士團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展無(wú)人船艇技術(shù)研究的團(tuán)隊(duì)之一，近年來(lái)在無(wú)人船艇智能感知、決策和控制領(lǐng)域取得了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)?；诖?，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展防溺水監(jiān)控、預(yù)警與救援技術(shù)，與漯河市沙澧河建設(shè)運(yùn)行保障中心合作研發(fā)了防溺水智能監(jiān)控與機(jī)器人自主救援系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在沙澧河核心景區(qū)布設(shè)100臺(tái)光學(xué)和熱成像攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)禁區(qū)水域的全方位無(wú)死角全天候監(jiān)控；視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸至視頻管理服務(wù)器和算法服務(wù)器，對(duì)闖入禁游水域的人員進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別、分析、定位、計(jì)算經(jīng)緯度坐標(biāo)，并判別是否為疑似溺水人員，決策是否啟動(dòng)溺水救援指令；水面自主救援機(jī)器人在自動(dòng)充電泊船碼頭24小時(shí)全天候待命，接收到服務(wù)器的救援指令后自動(dòng)啟航，根據(jù)服務(wù)器提供的疑似溺水人員經(jīng)緯度坐標(biāo)自主規(guī)劃救援路線；救援初始階段，機(jī)器人通過(guò)服務(wù)器提供的經(jīng)緯度以遠(yuǎn)程引導(dǎo)模式駛向疑似溺水人員，當(dāng)救援機(jī)器人利用船載雙光譜攝像機(jī)自動(dòng)捕捉到人員后，將啟動(dòng)自主捕捉模式，根據(jù)人員的實(shí)時(shí)位置自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)軌跡，到達(dá)疑似溺水人員附近后，釋放救援臂和應(yīng)急裝備。

該防溺水智能監(jiān)控與機(jī)器人自主救援系統(tǒng)根據(jù)水域視頻圖像，構(gòu)建圖像坐標(biāo)系的畸變特征模型，進(jìn)一步研究世界坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的剛體轉(zhuǎn)換、相機(jī)坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的透視投影變換以及圖像坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)疑似溺水人員的準(zhǔn)確定位和世界坐標(biāo)系標(biāo)定。當(dāng)機(jī)器人啟動(dòng)自主追蹤溺水人員時(shí)，運(yùn)用仿鷹眼視覺(jué)及焦距自適應(yīng)控制的目標(biāo)跟蹤算法，兼顧了大場(chǎng)景搜索跟蹤與小場(chǎng)景細(xì)節(jié)特征提取的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過(guò)自動(dòng)變焦處理傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在大視場(chǎng)與高分辨率之間的矛盾，從而較好的解決了視覺(jué)跟蹤的脫靶難題。針對(duì)機(jī)器人對(duì)疑似溺水人員的追蹤路徑控制問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)研究了無(wú)人船舶欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的非線性水力動(dòng)力學(xué)控制預(yù)測(cè)控制模型，通過(guò)待跟蹤軌跡點(diǎn)隊(duì)列以及循環(huán)偏移變量的計(jì)算，獲得欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的航向、直線及橫向距離偏差的逐點(diǎn)追蹤控制變量，并持續(xù)更新直至捕捉到疑似溺水人員。

該系統(tǒng)的人員識(shí)別、分析、定位、跟蹤、自主救援、自主追蹤和捕捉都在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人操控下完成，因此研究團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了自主泊船與充電碼頭，救援機(jī)器人完成任務(wù)后根據(jù)碼頭的精確位置自主返航、定位、歸位并自鎖，同時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟充電裝置。

圖1. 防溺水智能監(jiān)控與機(jī)器人自主救援系統(tǒng)在河南省沙澧河景區(qū)正式啟用。

圖2. 水面自主救援機(jī)器人進(jìn)行溺水救援演習(xí)。