一种无人机搜救装置及其搜救方法与流程

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其是指一种无人机搜救装置及其搜救方法。


背景技术：

2.在发生自然灾害后，常用的搜救方式是：无人机上装载光学镜头、热成像等，光学镜头所到之处拍摄的画面传输到控制的搜救人员处，方便搜救人员查看灾区现场的情况；另外也有地面贴近人为搜索的、动物嗅觉搜索的或者生命探测仪搜索的方式。
3.上述几种探测方式，虽然同样能够寻找到失踪的人员，但是，效率低下，搜救也不全面，当信号微弱的情况下，工作人员也难以确定是否真的有待搜救人员，具体位置也需要时间确定，因而搜救人员的工作量是非常大的。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的问题提供一种无人机搜救装置及其搜救方法，在无人机上装载机载微型基站，通过机载微型基站搜寻被困人员的手机信号，从而可以更快速、更准确定位到被困人员的位置，及时反馈给地面的控制中心，便于搜救的工作人员及时定制搜救方案。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种无人机搜救装置，包括地面控制设备以及无人机，所述地面控制设备用于与所述无人机通信以及操控无人机工作，还包括机载微型基站以及转接环，所述机载微型基站通过所述转接环与所述无人机通信连接，所述无人机带动所述机载微型基站移动；所述机载微型基站包括外壳以及均装设于所述外壳内的控制模块、天线和功率放大模块，所述天线和功率放大模块均与所述控制模块信号连接；
6.所述无人机根据地面控制设备的控制命令进行飞行，并用于将地面控制设备的控制命令通过转接环传输给所述机载微型基站的控制模块；所述控制模块根据控制命令发出搜索信号，所述功率放大模块用于使搜索信号放大；所述天线用于使放大的搜救信号发射到地表的或被浅埋的手机以及接收手机反馈的信号，并将接收的手机信号传输到所述控制模块；所述控制模块使接收的手机信号数字化并将数字化的信息传输到所述无人机，所述无人机用于将接收的手机信号回传到所述地面控制设备。
7.优选的，所述无人机包括机身、主控mcu以及电池模块，所述电池模块用于为机身以及主控mcu提供电源，所述主控mcu用于控制机身飞行以及与所述机载微型基站的控制模块通信，所述电池模块通过所述转接环为所述机载微型基站供电。
8.优选的，所述无人机还包括与所述主控mcu信号连接的光学镜头，所述光学镜头用于拍摄地面的情形并将拍摄数据反馈到主控mcu，主控mcu再将数据传输到所述地面控制设备。
9.优选的，所述无人机还包括与所述主控mcu信号连接的热成像，所述热成像用于检测地面的情况并将检测数据反馈到主控mcu，主控mcu再将数据传输到所述地面控制设备。
10.优选的，所述外壳包括上壳以及与上壳可拆卸连接的下壳，所述上壳与下壳组装后形成安装腔，所述控制模块、天线和功率放大模块均装设于所述安装腔中，所述上壳凸设有安装口，所述转接环可拆卸装配于所述安装口。
11.优选的，所述上壳和所述下壳均开设有若干散热孔。
12.优选的，所述机载微型基站还包括装设于所述安装腔中的散热模块，所述散热模块用于为所述控制模块以及功率放大模块散热。
13.优选的，所述散热模块装设有固定环，所述固定环套设于所述控制模块的外周用于将控制模块固定。
14.优选的，所述机载微型基站还包括天线支架，所述天线装配于所述天线支架，所述天线支架可拆卸装设于所述散热模块。
15.一种搜救方法，包括以下步骤：
16.a.地面控制设备包括浏览终端、服务器、移动终端设备以及遥控器，浏览终端以及移动终端设备均通过网络与服务器通信连接，遥控器与移动终端设备通信连接；
17.b.搜救人员通过移动终端设备发送配置数据到机载微型基站，并通过遥控器操控无人机在搜索区域上空按照指定的路线飞行；
18.c.飞行过程中，机载微型基站发送特定的数据给沿途的手机，手机接收到特定的数据后，主动发起位置区更新流程，使机载微型基站能获取沿途手机的imsi号、imei号、频点以及信号强度；
19.d.机载微型基站将沿途获取的手机imsi或imei号、频点以及信号强度通过转接环传输到无人机，无人机再通过无线通信协议将数据传输到遥控器，遥控器将接收的数据传输到移动终端设备，移动终端设备再通过网络上传到服务器，服务器最终将数据传输到浏览终端，供搜救工作人员查看。
20.优选的，步骤d中，当移动终端设备获取到被困人员的手机imsi或imei号后，则发送控制命令到机载微型基站，机载微型基站则下发指令到指定imsi的目标被困人员的手机，使被困人员的手机进行信号测量，并持续向机载微型基站报告，从而机载微型基站结合天线可以持续获取到指定imsi的被困人员的手机的频点、信号强度及信号相对入射角。
21.优选的，步骤d中，移动终端设备接收到imsi或imei、频点以及信号强度后，获取无人机的经纬度并将无人机的经纬度数据存储；将被搜索区域划分为多个栅格，遥控器控制无人机在每个栅格上飞行；移动终端设备上显示栅格化的搜索区域，在每个栅格区域搜索之后进行已搜索的标记，并且在每个栅格区域标记已搜索到的imsi数量。
22.优选的，步骤d中，移动终端设备获取到imsi或imei后，则发送指令给遥控器，遥控器通过无线通信协议将指令传递到无人机，无人机根据指令改变姿态使机载微型基站倾斜θ角度，接着无人机根据指令匀速旋转360度，获取机载微型基站的天线接收到的被困人员手机的信号强度最强的第一个方位；接着，控制无人机移动到另一个位置，重新根据移动终端设备的指令调整姿态并使机载微型基站倾斜θ角度，再匀速旋转360度，获取机载微型基站的天线在当前位置所接收到的被困人员手机的信号强度最强的第二个方位；最后，通过获取无人机的经纬度来计算出第一个方位和第二个方位的交叉点的经纬度，获取被困人员的位置。
23.优选的，在获取被困人员手机的经纬度后，移动终端设备发送指令到无人机，控制
无人机调整姿态，使记载微型基站匀速倾斜，接着获取机载微型基站获取到被困人员手机最强信号的角度α，则可以获取被困人员手机的高度h＝g
‑
d*tan(90
‑
α)，其中，根据无人机的经纬度以及被困人员手机的经纬度计算获取无人机到被困人员手机的水平距离d，g为无人机的高度，根据被困人员手机的经纬度以及所处位置的高度来获取被困人员的手机的具体位置。
24.本发明的有益效果：
25.本发明提供的一种无人机搜救装置，控制无人机飞行，带动机载微型基站在灾区的上空飞行，机载微型基站发出特定的频率信号，由被困人员的手机接收，手机再反馈信号到机载微型基站，机载微型基站的控制模块再将接收到的反馈信号传输到无人机，最后由无人机将信号传输到地面控制设备，搜救的工作人员可以及时了解到灾区的被困人员的位置以及情况，从而可以制定更有效的搜救方案，可以及时、高效地解救被困人员。
附图说明
26.图1为本发明的无人机与机载微型基站的结构示意图。
27.图2为本发明的机载微型基站的结构示意图。
28.图3为本发明的机载微型基站的分解结构示意图。
29.图4为本发明的地面控制设备、无人机以及机载微型基站之间配合的结构示意图。
30.图5为本发明的搜救方法的搜索区域栅格化的示意图。
31.图6为本发明的搜救方法确定被困人员手机信号位置经纬度的方式示意图。
32.图7为本发明的搜救方法确定被困人员手机信号位置高度的方式示意图。
33.在图1至图7中的附图标记包括：
[0034]1‑
地面控制设备，2
‑
无人机，3
‑
机载微型基站，4
‑
转接环，5
‑
控制模块，6
‑
天线，7
‑
功率放大模块，8
‑
机身，9
‑
主控mcu，10
‑
电池模块，11
‑
光学镜头，12
‑
热成像，13
‑
上壳，14
‑
下壳，15
‑
安装口，16
‑
散热孔，17
‑
散热模块，18
‑
固定环，19
‑
天线支架。
具体实施方式
[0035]
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。
[0036]
本实施例提供的一种无人机搜救装置，如图1至4，包括地面控制设备1以及无人机2，所述地面控制设备1用于与所述无人机2通信以及操控无人机2工作，还包括机载微型基站3以及转接环4，所述机载微型基站3通过所述转接环4与所述无人机2通信连接，所述无人机2带动所述机载微型基站3移动；所述机载微型基站3包括外壳以及均装设于所述外壳内的控制模块5、天线6和功率放大模块7，所述天线6和功率放大模块7均与所述控制模块5信号连接；所述无人机2根据地面控制设备1的控制命令进行飞行，并用于将地面控制设备1的控制命令通过转接环4传输给所述机载微型基站3的控制模块5；所述控制模块5根据控制命令发出搜索信号，所述功率放大模块7用于使搜索信号放大；所述天线6用于使放大的搜救信号发射到地表的或被浅埋的手机以及接收手机反馈的信号，并将接收的手机信号传输到所述控制模块5；所述控制模块5使接收的手机信号数字化并将数字化的信息传输到所述无人机2，所述无人机2将接收的手机信号回传到所述地面控制设备1，手机反馈的信号为模拟
信号，因而控制模块5需要将该模拟信号进行数字化，通过模数转化、量化及调节后转换为数字化的信息，便于进行传输。其中，功率放大模块7为现有技术，本实施例的天线，具有定向及全向两种工作模式。
[0037]
具体地，本实施例的无人机2优选采用常规的可通信的无人机2，地面控制设备1包括有操控通信用的遥控器、移动终端、通信用的服务器以及其他智能浏览终端例如显示器，地面控制设备1主要用于接收无人机2传送的数据信息以及根据实际需求发送控制命令给无人机2，控制无人机2的飞行。人们基本都是人手一部手机，并且手机也与本人的信息绑定，如手机号码是与身份证绑定的，在遇到突发的自然灾害如地震时，人们的手机大概率也还是会在身上或者掉落在附近，因而可以通过与搜索手机的特定信号，来搜寻被困人员，例如手机每个手机都有一个imsi或imei码，即使在无网络的情况下也是可以通过发送特定频率的信号给到手机，从而使手机反馈出imsi或imei码，进而可以获得手机的位置。
[0038]
本实施例的搜救原理为：首先在无人机2上搭载机载微型基站3，机载微型基站3与现有的移动、通信的基站用途相似，兼容3gpp相应的2、3、4、5g通用协议，可以与手机进行通信，搜寻时，地面控制设备1发送控制命令，控制无人机2在灾区上空飞行，飞行的过程中，地面控制设备1发送指令到无人机2的主控mcu9，无人机2的主控mcu9再通过转接环4将数据传输到机载微型基站3的控制模块5，控制模块5接收命令后，发送出特定频率的信号，由功率放大模块7将特定频率的信号放大，并由天线6将该特定频率的信号发送出去；当被困人员的手机接收到该特定频率的信号后，便主动发起位置区更新流程，即tau流程，使得机载微型基站3可以获取到沿途手机的imsi或imei、频点和信号强度，并通过转接环4将获取到的数据传输到无人机2的主控mcu9，再有无人机2的主控mcu9将数据传输到地面控制设备1上，使搜救工作人员了解到当前的灾区被困人员的所在区域、人数等，并且还可以根据手机的imsi确定被困人员的身份信息。现有技术中，被困人员是通过地面的近距离可见光搜索，狗搜索或通过生命体征等仪器搜索，所以存在次生风险高，时间长、不可视目标搜寻难等情况，而本实施例中，选择通过控制被困人员的手机主动发出信号，从而机载微型基站3可以定位到手机的所在区域，从而根据手机的所在地来快速、及时地搜寻到可视的或不可视的被困人员，即使被困人员的行动不便或者失去意识也可以快速定位。
[0039]
本实施例提供的一种无人机搜救装置，如图4，所述无人机2包括机身8、主控mcu9以及电池模块10，所述电池模块10用于为机身8以及主控mcu9提供电源，所述主控mcu9用于控制机身8飞行以及与所述机载微型基站3的控制模块5通信，所述电池模块10通过所述转接环4为所述机载微型基站3供电。进一步的，所述无人机2还包括与所述主控mcu9信号连接的光学镜头11和热成像12，所述光学镜头11用于拍摄地面的情形并将拍摄数据反馈到主控mcu9，主控mcu9再将数据传输到所述地面控制设备1，所述热成像12用于检测地面的情况并将检测数据反馈到主控mcu9，主控mcu9再将数据传输到所述地面控制设备1。其中，无人机2的机身8结构为现有技术。
[0040]
具体地，无人机2上除了机载微型基站3之外，还装载有光学镜头11以及热成像12，光学镜头11在无人机2飞行的过程中将拍摄到的画面传输到地面控制装置，供工作人员更清楚看到灾区情况，便于进行搜救部署。热成像12可以在机载微型基站3的搜救之外，再通过热成像寻找被困人员，避免有些没有携带手机的被困人员不能被找到。本实施例中，机载微型基站3的供电是无人机2的电池模块10提供的，转接环4的功能既可以传输数据，也可以
用于充电，因而机载微型基站3无需在另外设置电源，直接通过无人机2的电池模块10进行供电便可，有助于降低机载微型基站3的重量。
[0041]
本实施例提供的一种无人机搜救装置，如图2、图3，所述外壳包括上壳13以及与上壳13可拆卸连接的下壳14，所述上壳13与下壳14组装后形成安装腔，所述控制模块5、天线6和功率放大模块7均装设于所述安装腔中，所述上壳13凸设有安装口15，所述转接环4可拆卸装配于所述安装口15，可通过卡接或或者螺丝等形式固定转接环4。进一步的，上壳13和下壳14均开设有若干散热孔16，便于进行散热。
[0042]
具体地，机载微型基站3组装结构简单，便于拆装，也便于维修。其中的控制模块5为现有技术，如移动或者通信等运营商用的基站内的控制模块5类型，只不过本实施例的控制模块5为小型化的，因为本实施例中传输的数据比较少，因而可以将控制模块5小型化。
[0043]
更进一步的，本实施例的机载微型基站3还包括有散热模块17，散热模块17的结构如图3所示，将控制模块5安装到散热模块17上，再在控制模块5的外周套设一固定环18，通过螺丝将固定环18固定在散热模块17上，从而固定控制模块5；而天线6，则通过将天线6固定到天线支架19上，再通过螺丝等零件将天线支架19锁紧到散热模块17上即可完成组装，而上壳13和下壳14还可以设置相应的安装槽来安装功率放大模块7等结构，组装完成后，再将上壳13和下壳14通过螺丝锁紧。本实施例的散热模块17，运用了孔状通风使无人机飞行过程的风在腔体结构中形成对流风冷的结构，增加接触面积的铝散热器结构，风扇增加风压散热多方式对控制模块5、装设于外壳内的电路模块进行散热，电路模块为通信中必备的结构，本实施例不做具体限制。
[0044]
本实施例提供的一种无人机2搜救装置的搜救方法，包括以下步骤：
[0045]
a.地面控制设备1包括浏览终端、服务器、移动终端设备以及遥控器，浏览终端以及移动终端设备均通过网络与服务器通信连接，遥控器与移动终端设备通信连接；
[0046]
b.搜救人员通过移动终端设备发送配置数据到机载微型基站3的控制模块5，并通过遥控器操控无人机2在搜索区域上空按照指定的路线飞行；
[0047]
c.飞行过程中，机载微型基站3发送特定的数据给沿途的手机，手机接收到特定的数据后，主动发起位置区更新流程即tau流程，使机载微型基站3能获取沿途手机的imsi或imei、频点以及信号强度；
[0048]
d.机载微型基站3将沿途获取的手机imsi或imei、频点以及信号强度通过转接环4传输到无人机2，无人机2再通过无线通信协议(即bridge协议)将数据传输到遥控器，遥控器将接收的数据传输到移动终端设备，移动终端设备再通过网络上传到服务器，服务器最终将数据传输到浏览终端，供搜救工作人员查看。进一步的，当移动终端设备获取到被困人员的手机imsi或imei后，与现有技术中的internet后台端的大数据及地面控制设备1连接，通过算法筛选真正被困人员特征，识别目标后则发送控制命令到机载微型基站3，机载微型基站3则将命令发送到被困人员的手机，使被困人员的手机按指定的信道进行测量并发送报告，从而使机载微型基站3可以持续获取到被困人员的手机频点以及信号强度及相对入射角。
[0049]
本实施例中的手机imsi或imei、频点均是手机自带的特定的数据，imsi或imei为国际移动用户识别码，是区别移动用户的标志，储存在sim卡中以及手机终端中，是可用于区别移动用户的有效信息，因而在获取到本困人员的手机imsi或imei后，结合后台大数据
及应急救援情报数据便可识别出被困人员的特征画像及身份。为了确认移动台的位置，网络覆盖区被分为许多个跟踪区，是通信系统中位置更新和寻呼的基本单位；当移动台由一个位置区移动到另一个位置区时，则必须在新的位置区上重新进行位置登记以通知网络来更改它所存储的移动台的位置信息，这个过程就是跟踪区更新。另外还有测量报告，是rrm(无线资源管理)进行相关控制如功率控制、rb动态控制、切换控制及无线链路监控等的重要依据，并可为后续的网络规划、网络优化提供依据。而api则是操作系统留给应用程序的一个调用接口，应用程序通过调用操作系统的api而使操作系统去执行应用程序的命令。
[0050]
具体地，本实施例的搜救方法，主要通过搜寻被困人员的手机信号，使被困人员的手机主动发起可被机载微型基站3搜寻到的手机信号，再根据该手机信号来确定手机的位置，进而搜寻到被困人员的位置。具体过程为：如图4，控制无人机2飞行，地面的移动终端设备例如移动终端，发送配置数据给无人机2，无人机2将数据传输给机载微型基站3，于是在飞行过程中，机载微型基站3根据配置的数据发送特定的数据给到沿途的被困人员的手机，使被困人员的手机主动发起tau流程，发送出手机的imsi或imei、频点，机载微型基站3则沿途接收这些手机的imsi或imei以及频点，并获取这些手机发送数据的信号强度，接着将沿途接收到的imsi或imei、频点以及信号强度通过转接环4传输到无人机2的主控mcu9，无人机2的主控mcu9再将数据通过无线通信协议传递到地面的遥控器，遥控器将接收的数据传输到移动终端设备上，移动终端设备则通过internet传输数据给到服务器中，并且可以存储数据再服务器上，浏览终端则通过internet从服务器上获取到机载微型基站3收集到的数据信息，进而搜救的工作人员可以通过浏览终端查看了解灾区的情况，制定相应的搜救方案。
[0051]
其中，本实施例的搜救方法可以分为三个阶段。
[0052]
第一阶段，确定被搜索区域的被困人员的情况。步骤d中，移动终端设备接收到imsi或imei、频点以及信号强度后，通过api获取无人机2的经纬度并将无人机2的经纬度数据存储；将被搜索区域划分为多个栅格，遥控器控制无人机2在每个栅格上飞行；移动终端设备上显示栅格化的搜索区域，在每个栅格区域搜索之后进行已搜索的标记，并且在每个栅格区域标记已搜索到的imsi数量。
[0053]
具体地，本实施例中，将被搜索的地区划分为多个栅格，如图5，并且栅格化的被搜索地区显示于地面的移动终端设备。接着，操控无人机2依次搜寻每个栅格区域，例如按照图5的顺序进行搜寻，每完成一个栅格区域的搜寻，均会将该栅格区域进行标记，避免出现重复搜寻而浪费时间的情况。除了标记已搜寻的栅格区域外，每个栅格区域搜寻到的被困人员的手机信号的个数，也会在移动终端设备上显示出来，进而搜救工作人员可以根据每个栅格区域的不同迫切程度制定搜救的优先程度以及分配搜救工作人员到对应的栅格区域进行搜救。所以，第一阶段主要是整体确定整个被搜寻的地区的情况。
[0054]
第二阶段，确定搜寻到的被困人员手机的信号方位。步骤d中，移动终端设备获取到imsi或imei后，调用无人机2厂商的api发送指令给遥控器，遥控器通过无线协议将指令传递到无人机2，无人机2根据指令改变姿态使机载微型基站3倾斜θ角度，θ为0
‑
90度的范围，使得无人机2的天线6朝向一个方向，接着无人机2根据指令匀速旋转360度，即使天线6360度寻找，获取被困人员手机的信号强度最强的第一个方位；接着，控制无人机2移动到另一个位置，重新根据移动终端设备的指令调整姿态并使机载微型基站3倾斜θ角度，再匀
速旋转360度，获取机载微型基站3的天线6在当前位置所接收到的被困人员手机的信号强度最强的第二个方位；最后，通过获取无人机2的经纬度来计算出第一个方位和第二个方位的交叉点的经纬度，获取被困人员的位置，如图6所示。也就是说，根据两个方向的交叉点来辨别出手机信号的出处，接着，根据无人机2两次确定方位的位置的经纬度，便可以获取信号交叉点的具体经纬度。
[0055]
第三阶段，则是确定手机信号出处的高度。因为往往在灾区，被困人员会在困在不同的位置，高度也不同，因而确定被困人员的高度位置，搜救工作人员才能更准确、快速地找到被困人员。在第二阶段中，已经确定被困人员手机的信号出处的经纬度，接着移动终端设备继续调用无人机2厂商的api来发送指令到无人机2，控制无人机2调整姿态，使记载微型基站匀速倾斜，倾斜的角度范围为0
‑
90度，如图7所示，接着获取机载微型基站3获取到被困人员手机最强信号的角度α，则可以获取被困人员手机的高度h＝g
‑
d*tan(90
‑
α)，其中，根据无人机2的经纬度以及被困人员手机的经纬度计算获取无人机2到被困人员手机的水平距离d，g为无人机2的高度，根据被困人员手机的经纬度以及所处位置的高度来获取被困人员的手机的具体位置。
[0056]
上述的三个阶段，首先确定被搜索区域的各个方位的待被搜救的人员的大致方位以及数量情况，接着便通过手机信号的强度确定被困人员的方位及其经纬度，最后再根据无人机2的高度以及手机信号出处的经纬度，计算确定被困人员手机信号位置的高度，从而准确的得到被困人员手机的位置，进而获得被困人员的较为准确的位置，必要的时候，再配合光学镜头11、热成像12，便可以更进一步得到被困人员的位置，便于进行搜救。
[0057]
本实施例的搜救方法，能够地面救援到达前快速侦测分析出可视的与不可视的被困人员的位置分布情况，有助于有效指挥调度救援人员，救援装备开展精准施救，避免过多的无用功的出现，影响搜救的及时性。通过联系、现有技术的大数据算法、被困人员手机的imsi或imei等来确定被困人员的画像及身份，有助于精准统计筛查灾区人员的伤情以及能够及时与其家属联系，使灾区的搜救行动能高效的进行，解救更多的生命，降低伤亡率。
[0058]
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。