1.本发明涉及应急救援领域，具体涉及一种基于声波定位的无人机救援装置的定位方法。
背景技术：2.电力野外作业所处地理环境复杂，大量设备均为山区，地形复杂，自然环境恶劣，不少山区甚至为无人区，这给电力设备的运维和检修带来了很多困难，也增加了作业人员的风险；随着电网的不断建设和发展，人均管辖电力设备数量不断增加，野外作业找寻路径不仅耗时耗力，还可能迷路，存在一定的安全隐患。野外作业经常发生无通信信号的情况导致人员失联，搜救难度非常高，搜救定位速度慢，效率低，往往延误了救援最佳时机，即使投入大量人力物力，效果也很有限，救援工作难以及时开展。历史上有多起考察、勘探、维护等野外作业工作人员发生意外后搜救失败的案例，造成了惨痛的损失。传统地毯式搜索方式和通用航空人眼观测搜索方式受客观环境和人主观意识影响大；现有机载探测器大多以航拍、红外成像、热成像和图像识别等光学设备为主，且多适用于草原、沙漠等遮挡物较低、较少的空旷地区。而电力行业野外作业多在山林，有大量遮挡因素，现有的方法在这方面更显不足。无人机现已得到常态化应用，但无人机并没有足够智能的搜救专用系统，并没有发挥无人机的应用优势。当野外工作人员被困于地形复杂的信号盲区，仅依靠地毯式搜索或无人机搜寻效率并不高，若被困人员体力不支或遭遇意外，此时快速精准定位救援就显得尤为重要。
技术实现要素：3.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于声波定位的无人机救援装置的定位方法，能够很好地解决定位救援被困于环境遮挡较多信号盲区丧失自主搜救能力的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于声波定位的无人机救援装置，包括无人机、地面被困人员配套装置和地面控制pc，无人机内设有通信模块、喇叭、无人机端音频识别模块和声源定位模块，地面被困人员配套装置包括佩戴式手环和便携发声装置，佩戴式手环和便携发声装置通讯连接，佩戴式手环内设有蓝牙模块、地面人员端音频识别装置和发声装置控制模块，地面被困人员配套装置和地面控制pc通讯连接，地面人员端音频识别装置用于识别无人机发出的音频信号，佩戴式手环控制便携发声装置发出音频信号便于无人机进行识别和定位。
5.上述的无人机包括无人机电源、通信模块、喇叭控制模块、无人机端音频识别模块和声源定位模块，无人机底部设有麦克风阵列架，麦克风阵列架上阵列有多个麦克风模块，麦克风阵列架下方设有喇叭和摄像机，通信模块用于和地面控制pc进行通讯，麦克风模块用于接收音频信号，无人机端音频识别模块用于对音频信号识别，声源定位模块用于对声源方位进行定位。
6.上述的佩戴式手环内设有锂电池电源，锂电池电源为脉搏监测模块、蓝牙模块、发
声装置控制模块、计步模块和地面人员端音频识别装置提供电源，蓝牙模块用于与便携发声装置进行通讯，发声装置控制模块用于控制便携发声装置发出音频信号，地面人员端音频识别装置用于识别音频。
7.上述的便携发声装置内设有电源、蓝牙模块、地面人员端喇叭控制装置和多方位发声喇叭，多方位发声喇叭布置与设备封装外壳四周，蓝牙模块用于与佩戴式手环建立通讯。
8.上述的地面控制pc包括pc电源、飞行控制模块、地面pc端通信模块和显示器，地面pc端通信模块用于和无人机建立通讯，飞行控制模块用于对无人机进行飞行控制。
9.使用上述的基于声波定位的无人机救援装置的定位方法，包括以下步骤：步骤一、地面控制pc控制无人机飞向指定区域上空；步骤二、无人机上的喇叭向指定区域发送音频信号；步骤三、地面人员端音频识别装置接收到喇叭发出的音频信号并进行鉴别，判断为无人机发出的音频信号后地面人员端喇叭控制装置控制多方位发声喇叭发出反馈音频信号；步骤四、无人机上无人机端音频识别模块接收到多方位发声喇叭发送的音频信号并进行识别，判断为地面人员设备发出的音频信号后声源定位模块根据当前无人机的高程信息以及麦克风的时延差对声源区域进行定位，并对计算的声源区域进行聚焦摄像工作，以最终锁定地面人员坐标信息和影像；步骤五、无人机将计算出的定位信息和影像发送至地面控制pc。
10.上述的步骤二和步骤三中，喇叭和多方位发声喇叭发出的音频信号为频率小于20hz的声波信号。
11.上述的步骤二和步骤三中，喇叭和多方位发声喇叭发出的音频信号为间隔不连续声波信号，且喇叭和多方位发声喇叭发出声波信号间隔方式不同。
12.上述的步骤三中多方位发声喇叭为编码声波信号，编码声波信号内包含地面人员脉搏、心率及计步信息。
13.本发明提供的一种基于声波定位的无人机救援装置的定位方法，通过控制无人机在搜索区域的间隔悬停，使搜索区域覆盖整个目标区域，无人机发出的音频信号被地面人员端音频识别装置识别后，控制便携发声装置发出音频信号，无人机根据接收到的音频信号和麦克风的时延计算出地面人员的坐标信息并进行标记和聚焦摄像，并将信息传送给地面控制pc，该装置能够避免航拍、红外成像、热成像和图像识别受地形和树木的信号遮挡，能够很好地实现对复杂地形人员的搜救工作，适合在电力施工、地质勘探等需要在复杂地形下工作的领域推广使用。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明总体结构示意图；图2为无人机的装置示意图；图3为地面被困人员配套装置示意图；图4为地面控制pc的结构示意图；
图5为音频识别模块电路原理图；图6为声源定位模块电路原理图。
15.图中：无人机电源1、通信模块2、喇叭控制模块3、无人机端音频识别模块4、声源定位模块5、麦克风阵列架6、麦克风模块7、喇叭8、摄像机9、锂电池电源10、脉搏监测模块11、蓝牙模块12、发声装置控制模块13、计步模块14、外部封装15、电源16、多方位发声喇叭17、设备封装外壳18、pc电源19、飞行控制模块20、地面pc端通信模块21、显示器22、封装外壳23、无人机24、地面被困人员配套装置25、地面控制pc26、地面人员端音频识别装置27、地面人员端喇叭控制装置28、adc模块29、主控模块30、mic模块31、mic阵列32、mic控制模块33。
具体实施方式
16.如图1-4中所示，一种基于声波定位的无人机救援装置，包括无人机24、地面被困人员配套装置25和地面控制pc26，无人机24内设有通信模块2、喇叭8、无人机端音频识别模块4和声源定位模块5，地面被困人员配套装置25包括佩戴式手环和便携发声装置，佩戴式手环和便携发声装置通讯连接，佩戴式手环内设有蓝牙模块12、地面人员端音频识别装置27和发声装置控制模块13，地面被困人员配套装置25和地面控制pc26通讯连接，地面人员端音频识别装置27用于识别无人机24发出的音频信号，佩戴式手环控制便携发声装置发出音频信号便于无人机24进行识别和定位。
17.上述的无人机24包括无人机电源1、通信模块2、喇叭控制模块3、无人机端音频识别模块4和声源定位模块5，无人机24底部设有麦克风阵列架6，麦克风阵列架6上阵列有多个麦克风模块7，麦克风阵列架6下方设有喇叭8和摄像机9，通信模块2用于和地面控制pc26进行通讯，麦克风模块7用于接收音频信号，无人机端音频识别模块4用于对音频信号识别，声源定位模块5用于对声源方位进行定位。
18.上述的佩戴式手环内设有锂电池电源10，锂电池电源10为脉搏监测模块11、蓝牙模块12、发声装置控制模块13、计步模块14和地面人员端音频识别装置27提供电源，蓝牙模块12用于与便携发声装置进行通讯，发声装置控制模块13用于控制便携发声装置发出音频信号，地面人员端音频识别装置27用于识别音频。
19.上述的便携发声装置内设有电源16、蓝牙模块12、地面人员端喇叭控制装置28和多方位发声喇叭17，多方位发声喇叭17布置与设备封装外壳18四周，蓝牙模块12用于与佩戴式手环建立通讯。
20.上述的地面控制pc26包括pc电源19、飞行控制模块20、地面pc端通信模块21和显示器22，地面pc端通信模块21用于和无人机24建立通讯，飞行控制模块20用于对无人机24进行飞行控制。
21.当救援无人机在空中悬停时，不是持续地发出探测声音信号，而是由喇叭控制器3控制喇叭在定长时间内发出探测声波信号，定长时间内停止发声，并判断无人机端音频识别模块4是否识别到来自地面的反馈声波信号。
22.根据实际的地势环境通过地面pc端无人机飞行控制模块20调整无人机的飞行高度，由于无人机携带喇叭发生器8的角度固定，所以当飞行高度不同时，声音的覆盖面积也不同，通过地面pc端的通信模块21对无人机的飞行轨迹进行动态调整。
23.如图5中所示，adc模块29采用ac107芯片，ac107是具有i2s/tdm输出转换的高度集
成的2通道adc。它专为高清语音捕获和识别应用平台中的多麦克风阵列而设计。在以上原理图中，采用两个spm3729at38s5麦克风来采集声音，利用ac107芯片来对两个麦克风采集的声音进行处理；主控模块30采用机芯智能的xr872at-01模块作为主控模块，其内置arm cortex-m4f的32位微型mcu，主频高达384mhz。还包括了1个用于麦克风输入的24位音频模数(adc)通道；mic模块31采用单麦克风和双麦克风同时采集，支持硅电容麦或驻极体麦，ac107连接双驻极体麦克风，xr872at-01连接单硅电容麦wmm7037at2。
24.如图6中所示，mic阵列32在原理图中采用麦克风阵列进行声音采集。利用6个音频接口的数字麦克风msm261s4030h0组成一个六边形阵列，六边形中间再放置一个数字麦克风，这样就可以根据每个麦克风采集到声音的区别来进行声源定位；mic控制模块33采用kendryte k210芯片作为主控模块，其拥有双核64位处理器，具有更好的功耗性能、稳定性和可靠性。内置fpu、400mhz标准频率(可超频)，同时还内置神经网络处理器。
25.使用上述的基于声波定位的无人机救援装置的定位方法，包括以下步骤：步骤一、地面控制pc26控制无人机24飞向指定区域上空；步骤二、无人机24上的喇叭8向指定区域发送音频信号；步骤三、地面人员端音频识别装置27接收到喇叭8发出的音频信号并进行鉴别，判断为无人机24发出的音频信号后地面人员端喇叭控制装置28控制多方位发声喇叭17发出反馈音频信号；步骤四、无人机24上无人机端音频识别模块4接收到多方位发声喇叭17发送的音频信号并进行识别，判断为地面人员设备发出的音频信号后声源定位模块5根据当前无人机24的高程信息以及麦克风的时延差对声源区域进行定位，并对计算的声源区域进行聚焦摄像工作，以最终锁定地面人员坐标信息和影像；步骤五、无人机24将计算出的定位信息和影像发送至地面控制pc26。
26.上述的步骤二和步骤三中，喇叭8和多方位发声喇叭17发出的音频信号为频率小于20hz的声波信号，低频声波信号属于次声波，其波长较长，不易衰减，不易被水和空气吸收。
27.上述的步骤二和步骤三中，喇叭8和多方位发声喇叭17发出的音频信号为间隔不连续声波信号，且喇叭8和多方位发声喇叭17发出声波信号间隔方式不同。
28.上述的步骤三中多方位发声喇叭17为编码声波信号，编码声波信号内包含地面人员脉搏、心率及计步信息。
技术特征：1.一种基于声波定位的无人机救援装置的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、地面控制pc（26）控制无人机（24）飞向指定区域上空；步骤二、无人机（24）上的喇叭（8）向指定区域发送音频信号；步骤三、地面人员端音频识别装置（27）接收到喇叭（8）发出的音频信号并进行鉴别，判断为无人机（24）发出的音频信号后地面人员端喇叭控制装置（28）控制多方位发声喇叭（17）发出反馈音频信号；步骤四、无人机（24）上无人机端音频识别模块（4）接收到多方位发声喇叭（17）发送的音频信号并进行识别，判断为地面人员设备发出的音频信号后声源定位模块（5）根据当前无人机（24）的高程信息以及麦克风的时延差对声源区域进行定位，并对计算的声源区域进行聚焦摄像工作，以最终锁定地面人员坐标信息和影像；步骤五、无人机（24）将计算出的定位信息和影像发送至地面控制pc（26）；无人机救援装置包括无人机（24）、地面被困人员配套装置（25）和地面控制pc（26），无人机（24）内设有通信模块（2）、喇叭（8）、无人机端音频识别模块（4）和声源定位模块（5），地面被困人员配套装置（25）包括佩戴式手环和便携发声装置，佩戴式手环和便携发声装置通讯连接，佩戴式手环内设有蓝牙模块（12）、地面人员端音频识别装置（27）和发声装置控制模块（13），地面被困人员配套装置（25）和地面控制pc（26）通讯连接，地面人员端音频识别装置（27）用于识别无人机（24）发出的音频信号，佩戴式手环控制便携发声装置发出音频信号便于无人机（24）进行识别和定位；所述的便携发声装置内设有电源（16）、蓝牙模块（12）、地面人员端喇叭控制装置（28）和多方位发声喇叭（17），多方位发声喇叭（17）布置与设备封装外壳（18）四周，蓝牙模块（12）用于与佩戴式手环建立通讯；所述的佩戴式手环内设有锂电池电源（10），锂电池电源（10）为脉搏监测模块（11）、蓝牙模块（12）、发声装置控制模块（13）、计步模块（14）和地面人员端音频识别装置（27）提供电源，蓝牙模块（12）用于与便携发声装置进行通讯，发声装置控制模块（13）用于控制便携发声装置发出音频信号，地面人员端音频识别装置（27）用于识别音频。2.根据权利要求1所述的一种基于声波定位的无人机救援装置的定位方法，其特征在于，所述的步骤二和步骤三中，喇叭（8）和多方位发声喇叭（17）发出的音频信号为频率小于20hz的声波信号。3.根据权利要求1所述的一种基于声波定位的无人机救援装置的定位方法，其特征在于，所述的步骤二和步骤三中，喇叭（8）和多方位发声喇叭（17）发出的音频信号为间隔不连续声波信号，且喇叭（8）和多方位发声喇叭（17）发出声波信号间隔方式不同。4.根据权利要求1所述的一种基于声波定位的无人机救援装置的定位方法，其特征在于，所述的步骤三中多方位发声喇叭（17）为编码声波信号，编码声波信号内包含地面人员脉搏、心率及计步信息。
技术总结一种基于声波定位的无人机救援装置的定位方法，包括步骤一、无人机飞向指定区域；步骤二、无人机上发送音频信号；步骤三、地面人员端接收到音频信号并进行鉴别，识别音频信号并发出反馈音频信号；步骤四、接收到反馈音频信号并进行识别，对声源区域进行定位，进行聚焦摄像工作，锁定坐标信息和影像；步骤五、无人机将计算出的定位信息和影像发送至地面控制PC。通过控制无人机在搜索区域的间隔悬停，使搜索区域覆盖整个目标区域，无人机发出的音频信号被地面人员端音频识别装置识别后，控制便携发声装置发出音频信号，无人机根据接收到的音频信号和麦克风的时延计算出地面人员的坐标信息并进行标记和聚焦摄像，并将信息传送给地面控制PC。制PC。制PC。
技术研发人员：刘勇 邓雨薇 龚国强 李武 黄俊
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2020.12.31
技术公布日：2022/7/5
