[发明专利]一种湖边落水人员识别救援系统及方法

权利要求书

1.一种湖边落水人员识别救援系统，包括安装在湖岸边的支柱杆（24），所述支柱杆（24）为直角体，由垂直边和水平边构成，在垂直边上安装有设备框（18），在水平边的延伸末端安装有监控摄像头（25）、红色报警灯（4）、绿色指示灯（5），其特征在于：所述监控摄像头（25）安装方向和湖岸延伸方向平行，使监控摄像头（25）能够监控到湖面和岸边的相邻区域，所述监控摄像头（25）通过导线与设置在监控室内的监控电脑（31）相连，所述监控摄像头（25）将采集到的区域内图像实时传输至监控电脑（31）；

在设备框（18）的一个侧面上还活动设置有框门（21），所述框门（21）的开门方向与监控摄像头（25）的监控方向一致，在设备框（18）的内侧还设置有磁铁（19），所述磁铁（19）能够将框门（21）吸附闭合在设备框（18）上；

在设备框（18）的内部还设置有控制电路板、绳索（15）、固定钉（20）、发射筒（8），所述固定钉（20）与绳索（15）的一端连接固定，所述绳索（15）的另一端与发射筒（8）筒口处设置的发射头（16）连接固定；

所述发射筒（8）的底部设置有旋转步进电机（6），旋转步进电机（6）能够带动发射筒（8）旋转，当发射筒（8）摆正时将克服吸附磁力，将框门（21）抵开；

所述发射筒（8）的筒内设置有推动机构，所述推动机构包括弹簧（9），所述弹簧（9）的外侧端与推动器（14）连接，所述弹簧（9）的内侧端与固定挡板（10）连接固定，所述固定挡板（10）的内侧还设置有旋转盘（11），所述旋转盘（11）具体固定在步进电机（7）的转轴上；所述推动器（14）的外侧与发射头（16）接触；

所述控制电路板上分别集成有微控制器（22）、RS485通信模块（1）、语音报警器（3），所述微控制器（22）通过导线分别与RS485通信模块（1）、语音报警器（3）、红色报警灯（4）、绿色指示灯（5）、旋转步进电机（6）、步进电机（7）相连，所述RS485通信模块（1）还通过导线与监控电脑（31）双向连接；

所述监控电脑（31）通过对所述摄像头（25）拍摄的视频帧进行处理，当有人落水时，监控电脑（31）计算得到落水者的位置，然后将该位置信息通过所述RS485通信模块（1）传输给所述微控制器（22），微控制器（22）接收到落水位置信息后，先控制语音报警器（3）和红色报警灯（4）工作，向周围发出求救信号，同时微控制器（22）根据落水者位置信息控制所述旋转步进电机（6）旋转，当旋转步进电机（6）工作结束，最后微控制器（22）再控制步进电机（7）工作；

在所述固定挡板（10）的两端对称设置有一对卡齿载体通口（17），在旋转盘（11）相应位置的两端还对称设置有一对卡齿载体（13），使卡齿载体（13）能够插入卡齿载体通口（17）；

所述卡齿载体（13）上还设置有多排卡齿（12）；

所述推动器（14）具体为圆台形状，圆台的纵向横切面为梯形，所述推动器（14）面积大的一侧向外设置有突出的椎体；

所述发射头（16）具体为球体，在所述发射头（16）与推动器（14）接触的一侧还设置有凹槽，所述凹槽的形状与推动器（14）突出的椎体形状相适应，使发射头（16）能够安装在推动器（14）上；

所述绳索（15）的另一端具体与发射头（16）的凹槽底部连接固定；

所述步进电机（7）旋转会通过转轴带动所述旋转盘（11）一起旋转，安装在旋转盘（11）上的卡齿载体（13）会跟着旋转，最后使所述推动器（14）脱离卡齿载体（13）上的卡齿（12），弹簧（9）得以释放，推动器（14）在弹力的作用下将带着绳索（15）的发射头（16）推出。

2.根据权利要求1所述的一种湖边落水人员识别救援系统，其特征在于：所述旋转步进电机（6）带动发射筒（8）旋转角度的范围为45-135度，所述旋转角度具体根据人员落水点位置计算得出。

3.根据权利要求2所述的一种湖边落水人员识别救援系统，其特征在于：所述绳索（15）包括多条散开的绳索。

4.根据权利要求1所述的一种湖边落水人员识别救援系统，其特征在于：所述微控制器（22）具体为STM32系列的单片机控制器。

5.根据权利要求1所述的一种湖边落水人员识别救援系统，其特征在于：采用湖边落水人员识别救援系统进行识别救援的方法，包括如下识别救援步骤：

步骤一：工作人员将监控摄像头（25）和设备框（18）安装在支柱杆（24）上并进行调试，并记录摄像头相对湖面的高度，俯角以及支柱杆水平边的长度，使用通信线缆将RS485通信模块（1）与监控电脑（31）进行连接，由监控电脑接收监控摄像头（25）发送的视频序列数据，工作人员在监控电脑端输入摄像头相对湖面的高度，俯角以及支柱杆水平边的长度后，首先对视频第一帧图像进行区域划分，划分出湖边危险区域和湖面区域，程序自动保存湖边危险区域边界相关点设为d_point，湖边危险区域作为监控区域进行图像处理的部分，同时保存湖面区域的轮廓设为lake_edge；

步骤二：处理完第一帧图像后，系统进入正式监控状态，由监控电脑继续接收监控摄像头（25）发送的视频序列数据，基于d_point对后续接收图像进行划分，并将划分后的图像进行基于混合高斯模型的运动检测，背景变化依据轮廓数量的变化，判断是否有物体进入该区域：

如果轮廓数量大于阈值，则有运动物体进入；如果轮廓数量小于阈值，则无运动物体进入；

如果没有运动物体进入，则重复步骤二并进行下一帧的检测，如果有运动物体闯入，则进入步骤三；

步骤三：将检测出运动帧的图像送入神经网络进行人体识别：

步骤3.1：神经网络接收运动帧图像输入，基于官方参数迁移学习得到的模型参数，采用只识别人的PSPnet图像分割算法对图像进行分析处理，将人设置为白颜色，取像素值为255，其他物体全部作为背景设置为黑颜色，取像素值为0，得出黑白图像；

步骤3.2：经过PSPnet网络处理得到的黑白图像，将黑白图像先进行Canny边缘检测，再对边缘检测后的图像进行轮廓检测：

没有轮廓表示没人，则进入下一帧的运动检测，即回到步骤二；

有轮廓表示有人，则基于OpenCV轮廓质心算法对所有轮廓进行质心计算，保存质心像素点位置，并计算质心到lake_edge的距离；

步骤3.3：判断质心到lake_edge的距离是否小于预设阈值：

没有小于预设阈值则重复步骤三，直到检测无轮廓，即表示人离开危险区域为止；

小于预设阈值则进入步骤四；

步骤四：程序调用落水点定位算法来计算落水点相对弹射装置到的偏角和距离，监控电脑将偏角和距离数据通过RS485通信模块（1）发送至设备框（18）内部的微控制器（22）进行分析处理；

步骤五：微控制器（22）收到来自监控电脑信息后，根据接收到的距离和偏角控制旋转步进电机（6）旋转相应角度，发射筒（8）在旋转过程中会将框门抵开；

旋转步进电机（6）停止转动后，步进电机（7）转动相应角度，放出弹簧，将发射筒（8）内的绳索（15）通过发射头（16）发射到遇险人员的位置，让遇险人员拉动绳索（15）脱险。