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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811060593.5 (22)申请日 2018.09.12 (71)申请人 金陵科技学院 地址 211169 江苏省南京市江宁区弘景大 道99号 (72)发明人 高英杰 叶全意 张金 (74)专利代理机构 南京钟山专利代理有限公司 32252 代理人 戴朝荣 (51)Int.Cl. A61B 5/0205(2006.01) G01S 13/88(2006.01) (54)发明名称 一种可远程监测人体生命体征的无人机装 置 (57)摘要 本发明涉及一种可远程监测人体生命体征。
2、 的无人机装置， 包括无人机探测装置和地面智能 终端； 将超宽带雷达装置挂载在无人机下方， 设 有发射天线和接收天线， 所述发射天线和接收天 线的方向垂直向下， 面向废墟方向； 所述无人机 上设有机载电脑， 可根据雷达天线信号判断有无 人体生命； 所述无人机探测装置将机载电脑的判 断结果发送至地面智能终端； 所述地面智能终端 具有终端界面， 终端界面上在地图上显示出无人 机所在的位置， 并可选择无人机探测装置搜救的 区域范围， 控制无人机探测装置在选定的区域往 复飞行。 本发明可以广泛应用于灾后人员搜救， 可以利用无人机的高机动性， 大范围快速探测废 墟下的人体生命信号。 权利要求书2页 说明。
3、书4页 附图2页 CN 109044298 A 2018.12.21 CN 109044298 A 1.一种可远程监测人体生命体征的无人机装置， 其特征在于： 包括无人机探测装置和 地面智能终端； 将超宽带雷达装置挂载在无人机下方， 设有发射天线和接收天线， 所述发射 天线和接收天线的方向垂直向下， 面向废墟方向； 所述无人机上设有机载电脑， 可根据雷达 天线信号判断有无人体生命存在； 所述无人机探测装置将机载电脑的判断结果发送至地面 智能终端； 所述地面智能终端具有终端界面， 终端界面上的地图可显示出无人机所在的位 置， 并可在终端界面选择无人机探测装置搜救的区域范围， 控制无人机探测装置在。
4、选定的 区域内往复飞行； 所述地面智能终端设有警示灯， 雷达天线信号判断出有人体生命时， 所述 警示灯出现红色闪烁， 且发出报警声。 2.根据权利要求1所述的可远程监测人体生命体征的无人机装置， 其特征在于： 当无人 机挂载的超宽带雷达装置产生的超宽带脉冲信号入射到人体表面的时候， 一部分被人体吸 收， 其余的被人体表面反射， 由于人体胸腔和腹部的周期性运动， 与超宽带雷达装置天线之 间的距离也会发生相应的周期性变化， 在接收天线接收的反射回波中包含了是否具有人体 生命体征的信号。 3.根据权利要求2所述的可远程监测人体生命体征的无人机装置， 其特征在于： 将接收 天线接收的超宽带回波信号通过。
5、可调延时， 进行取样积分， 滤除杂波干扰， 再通过放大滤 波、 A/D转换， 解调出是否具有人体生命体征的信号， 若存在人体生命体征， 则通过无人机的 数据链将报警结果发送到地面智能终端上， 为地面搜救人员提供救援信息； 信号的分析处 理整个过程在无人机的机载电脑上实时完成； 相应地， 程序自动引导无人机原地尽可能降 低飞行高度， 贴近废墟表面， 通过机载电脑计算得到心率和呼吸率的估计值， 为搜救人员提 供参考信息。 4.根据权利要求1所述的可远程监测人体生命体征的无人机装置， 其特征在于： 人体生 命体征的信号包括呼吸信息和心跳信息。 5.根据权利要求1所述的可远程监测人体生命体征的无人机装。
6、置， 其特征在于： 假设人 体心跳造成的胸腔微动距离以 (t)表示， 其微动的频率， 即心率为f， 微动的最大幅度为a， 则： (t)asin2 ft 天线与人体腹部的距离变为： d(t) (t)+d0asin2 ft+d0 则接收的超宽带脉冲信号的延时为： 其中， v是超宽带脉冲信号在废墟中的传播速度； 从上述公式看出， 人体胸腔的微动造 成了延时的周期性变化， 且变化频率和心率是同步的； 同理， 人体腹部的微动变化频率和呼 吸率也是同步的。 6.根据权利要求5所述的可远程监测人体生命体征的无人机装置， 其特征在于： 在实际 环境中， 往往存在许多杂波干扰， 需要进行取样积分， 滤除杂波干扰。
7、， 重现出淹没在强噪声 中的重复性微弱人体体征信号； 采用多次累加的取样积分方式， 将超宽带回波信号作多次 相关重复累积， 多次累积后由于混杂的噪声信号无相关性， 其积累效果差， 因此通过相关取 样积分， 可将回波信号中的有效的人体生命体征信号从混杂有噪声的超宽带回波信号中提 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 109044298 A 2 取出来。 7.根据权利要求6所述的可远程监测人体生命体征的无人机装置， 其特征在于： 对于心跳信号和呼吸信号， 在取样积分后再变换分析域， 采用快速傅里叶变换， 在频谱 中对微弱的心跳和呼吸时域信号进行分析； 然后， 按照呼吸、 心跳可能出现的频率带在。
8、频谱 中分别对心跳和呼吸时域信号通过加窗函数， 进行带通滤波， 分别获得心跳信号和呼吸信 号的频谱图， 频谱图中两个最高峰值点的值分别为心率和呼吸率； 由此可以通过心率和呼 吸率估计值来判断废墟下人体的健康状态及排除动物的干扰。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 109044298 A 3 一种可远程监测人体生命体征的无人机装置 技术领域 0001 本发明涉及远程监测技术领域， 具体涉及一种可远程监测人体生命体征的无人机 装置。 背景技术 0002 目前市场上已有的大多数人体生命体征监测装置都是接触式的， 需要将被监测对 象与监测设备连接在一起， 如医用肺活量计， 绑带式心率测量仪等，。
9、 无法做到远距离非接触 式测量， 因此无法应用在废墟下， 大范围的灾后人员搜救中。 然而， 超宽带雷达可以做到远 距离非接触式测量， 具有小体积、 低功耗、 低成本、 高分辨率等特点， 在远程监测方面有着其 独特的优势。 发明内容 0003 本发明的目的是提供一种可远程监测人体生命体征的无人机装置， 通过无人机挂 载超宽带(Ultra Wideband,UWB)雷达装置， 在无人机移动的同时， 可以远程监测生命体征， 包括心率和呼吸率。 本发明可以广泛应用于灾后人员搜救， 可以利用无人机的高机动性， 大 范围快速探测废墟下的人体生命信号。 0004 为实现上述目的， 本发明提供的技术方案是： 。
10、0005 一种可远程监测人体生命体征的无人机装置， 包括无人机探测装置和地面智能终 端； 将超宽带雷达装置挂载在无人机下方， 设有发射天线和接收天线， 所述发射天线和接收 天线的方向垂直向下， 面向废墟方向； 所述无人机上设有机载电脑， 可根据雷达天线信号判 断有无人体生命存在； 所述无人机探测装置将机载电脑的判断结果发送至地面智能终端； 所述地面智能终端具有终端界面， 终端界面上的地图上可显示出无人机所在的位置， 并可 在终端界面选择无人机探测装置搜救的区域范围， 控制无人机探测装置在选定的区域往复 飞行； 所述地面智能终端设有警示灯， 雷达天线信号判断出有人体生命时， 所述警示灯出现 红色。
11、闪烁， 且发出报警声。 0006 当无人机挂载的超宽带雷达装置产生的超宽带脉冲信号入射到人体表面的时候， 一部分被人体吸收， 其余的被人体表面反射， 由于人体胸腔和腹部的周期性运动， 与超宽带 雷达装置天线之间的距离也会发生相应的周期性变化， 在接收天线接收的反射回波中包含 了是否具有人体生命体征的信号。 0007 将接收天线接收的超宽带回波信号通过可调延时， 进行取样积分， 滤除杂波干扰， 再通过放大滤波、 A/D转换， 解调出是否具有人体生命体征的信号， 通过无人机的数据链发 送到地面智能终端上， 为地面搜救人员提供救援信息。 信号的分析处理整个过程在无人机 的机载电脑上实时完成。 000。
12、8 人体生命体征的信号包括呼吸信息和心跳信息。 0009 假设人体心跳造成的胸腔微动距离以 (t)表示， 其微动的频率， 即心率为f， 微动 的最大幅度为a， 则： 说 明 书 1/4 页 4 CN 109044298 A 4 0010 (t)asin2 ft 0011 天线与人体腹部的距离变为： 0012 d(t) (t)+dxasin2 ft+d0 0013 则接收的超宽带脉冲信号的延时为： 0014 0015 其中， v是超宽带脉冲信号在废墟中的传播速度； 从上述公式看出， 人体胸腔的微 动造成了延时的周期性变化， 且变化频率和心率是同步的； 同理， 人体腹部的微动变化频率 和呼吸率也是。
13、同步的。 0016 在实际环境中， 往往存在许多杂波干扰， 需要进行取样积分， 滤除杂波干扰， 重现 出淹没在强噪声中的重复性微弱人体体征信号； 采用多次累加的取样积分方式， 将超宽带 回波信号作多次相关重复累积， 多次累积后由于混杂的噪声信号无相关性， 其积累效果差， 因此通过相关取样积分， 可将回波信号中的有效的人体生命体征信号从混杂有噪声的超宽 带回波信号中提取出来。 0017 不过由于人体胸腔和腹腔的微动幅度都比较小， 因此人体体征信号中的心跳信号 和呼吸信号都比较微弱， 很难在时域上从超宽带回波信号中提取出来。 因此， 对于心跳信号 和呼吸信号， 还需要在取样积分后再变换分析域， 采。
14、用快速傅里叶变换， 即在频谱中对微弱 的心跳和呼吸时域信号进行分析。 0018 然后， 按照呼吸、 心跳可能出现的频率带在频谱中分别对心跳和呼吸时域信号通 过加窗函数， 进行带通滤波， 分别获得心跳信号和呼吸信号的频谱图。 图中两个最高峰值点 的值分别为心率和呼吸率。 0019 其中， 人体成人正常心率为60-100次/分， 正常呼吸率为每分钟16-20次/分。 人体 幼儿速率相对较快， 老人速率相对稍慢， 并且人体在活动或情绪激动时速率增加， 休息和睡 眠时速率减小。 由此可以通过心率和呼吸率估计值来判断废墟下人体的健康状态及排除动 物的干扰。 0020 与现有技术相比， 本发明的有益效果是。
15、： 0021 本发明采用远距离非接触式的超宽带雷达进行灾后人员搜救， 超宽带雷达装置发 射时能将微弱的脉冲信号分散在宽阔的频带中， 具有低功耗的特点， 非常适合无人机这样 对挂载装置功耗低的要求。 0022 超宽带脉冲信号不会被衣服、 树叶及地表等非金属障碍物吸收， 穿透能力强， 具有 很强的抗干扰能力， 其能对多个目标进行探测和跟踪， 具有较高的目标分辨率。 0023 并且超宽带雷达装置只需集成超宽带信号发射源和取样积分接收电路， 而信号分 析处理部分则由无人机内置的嵌入式机载电脑完成， 可以保证超宽带雷达装置具有小体 积， 低重量， 易于挂载的特点。 附图说明 0024 图1： 无人机挂载。
16、超宽带雷达装置监测示意图。 0025 图2： 超宽带雷达装置人体体征监测系统示意图。 0026 图3： 地面智能终端界面分布图。 说 明 书 2/4 页 5 CN 109044298 A 5 0027 图中： 1-无人机探测装置， 2-地面智能终端， 3-宽带雷达装置， 4-发射天线， 5-接收 天线， 6-终端界面， 7-地图， 8-搜救范围选择按钮， 9-是/否存在生命显示， 10-心率估计值， 11-呼吸率估计值， 12-飞行控制摇杆。 具体实施方式 0028 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。 0029 一种可远程监测人体生命体征的无人机装置， 包括无人机探测装置1和地面智能 终。
17、端2； 将超宽带雷达装置3载在无人机下方， 设有发射天线4和接收天线5， 所述发射天线4 和接收天线5的方向垂直向下， 面向废墟方向； 所述无人机上设有机载电脑， 可根据雷达天 线信号判断有无人体生命； 所述无人机探测装置1将机载电脑的判断结果发送至地面智能 终端2。 0030 所述地面智能终端2具有终端界面6， 终端界面6上在地图7上显示出无人机所在的 位置， 并可选择无人机探测装置1搜救的区域范围， 控制无人机探测装置1在选定的区域往 复飞行； 所述地面智能终端2设有警示灯， 雷达天线信号判断出有人体生命时， 所述警示灯 出现红色闪烁， 且发出报警声。 0031 如图1所示， 超宽带雷达装。
18、置3挂载在无人机下方， 装置地发射天线4和接收天线5 方向垂直向下， 面向废墟方向。 由于人体相对介电常数与废墟相对介电常数相差较大， 发射 天线4发射的超宽带脉冲信号穿过废墟遇到人体后， 部分能量则反射回接收天线5。 0032 生命体征信号主要包含呼吸、 心跳、 血压等， 这些信号虽然很微弱， 但都是具有规 律性的周期性信号。 当人体出现异常时， 通常会引起呼吸信号或者心跳信号的变化， 因此呼 吸与心跳信号可以在一定程度上来表征身体发生的变化。 因此， 心率和呼吸率是两项重要 的生命征象， 有助于判断埋在废墟下人的整体健康状况， 从而为搜救人员提供参考。 0033 人体正常的生命活动时有心跳。
19、和呼吸等生理运动， 这些运动会造成人体胸腔和腹 部发生周期性的位移。 当无人机挂载的超宽带雷达装置3产生的超宽带脉冲信号入射到人 体表面的时候， 一部分会被人体吸收， 其余的会被人体表面反射， 由于人体胸腔和腹部的周 期性运动， 它与超宽带雷达装置天线之间的距离也会发生相应的周期性变化， 其接收天线5 接收的反射回波中包含了人体生命体征信号。 将带有人体生命体征信息的超宽带回波信号 通过可调延时， 进行取样积分， 滤除杂波干扰。 再通过放大滤波、 A/D转换等处理， 则可以解 调出人体生命体征信号， 最终得到人体的呼吸和心跳信息， 通过无人机的数据链发送到地 面智能终端2上， 为地面搜救人员提。
20、供救援信息。 信号的分析处理整个过程在无人机的机载 电脑上实时完成。 0034 假设人体心跳造成的胸腔微动距离以 (t)表示， 其微动的频率， 即心率为f， 微动 的最大幅度为a， 则： 0035 (t)asin2nft 0036 天线与人体腹部的距离变为： 0037 d(t) (t)+d0asi2 ft+d0 0038 则接收的超宽带脉冲信号的延时为： 0039 说 明 书 3/4 页 6 CN 109044298 A 6 0040 其中， v是超宽带脉冲信号在废墟中的传播速度。 从上述公式可以看出， 人体胸腔 的微动造成了延时的周期性变化， 且变化频率和心率是相同的。 同理， 人体腹部的微。
21、动变化 频率和呼吸率也是相同的。 0041 因此， 可以通过判断回波信号数据中是否存在周期变化来判断废墟中是否存在生 命体征。 但在实际环境中， 往往存在许多杂波干扰， 所以需要进行取样积分， 滤除杂波干扰， 可重现出淹没在强噪声中的重复性微弱人体体征信号， 其取样积分的算法原理如下： 0042 如果超宽带回波信号是无噪声的、 稳定的周期信号， 则信号积分后的数值是恒定 的； 0043 但是现实中， 超宽带回波信号中往往混有噪声， 则实时采集到的信号数值很难判 断是否为正常值。 取样积分则是采用多次累加的方式， 将超宽带回波信号作多次相关重复 累积。 超宽带回波信号中通常包含较多的噪声信号， 。
22、而噪声信号又都是随机的， 因此邻近的 回波信号之间的波形可能是不同的。 但是由于超宽带回波信号中有效的人体生命体征信号 与取样信号是相关的， 因此其可以进行多次累积。 而混杂的噪声信号由于无相关性， 其积累 效果会很差。 因此通过相关取样积分， 可以将回波信号中的有效的人体生命体征信号从混 杂有噪声的超宽带回波信号中提取出来。 0044 不过由于人体胸腔和腹腔的微动幅度都比较小， 因此人体体征信号中的心跳信号 和呼吸信号都比较微弱， 很难在时域上从超宽带回波信号中提取出来。 因此， 对于心跳信号 和呼吸信号， 还需要在取样积分后再变换分析域， 采用快速傅里叶变换， 即在频谱中对微弱 的心跳和呼。
23、吸时域信号进行分析。 0045 然后， 按照呼吸、 心跳可能出现的频率带在频谱中分别对心跳和呼吸时域信号通 过加窗函数， 进行带通滤波， 分别获得心跳信号和呼吸信号的频谱图。 图中两个最高峰值点 的值分别为心率和呼吸率。 0046 其中， 人体成人正常心率为60-100次/分， 正常呼吸率为每分钟16-20次/分。 人体 幼儿速率相对较快， 老人速率相对稍慢， 并且人体在活动或情绪激动时速率增加， 休息和睡 眠时速率减小。 由此可以通过心率和呼吸率估计值来判断废墟下人体的健康状态及排除小 动物的干扰。 0047 终端界面6上可以在地图7上显示出无人机所在的位置， 且可以通过搜救范围选择 按钮，。
24、 在地图7上手动框出要搜救的区域。 无人机接收指令后， 在框出的搜救范围内， 以安全 高度进行往复式航线分析， 一旦发现废墟中存在生命现象， 则警示灯红色闪烁， 且发出报警 声。 相应地， 程序自动引导无人机原地尽可能降低飞行高度， 贴近废墟表面， 通过电脑计算 得到心率和呼吸率的估计值， 为搜救人员提供参考信息。 0048 以上所述， 仅是本发明的较佳实施例， 并非对本发明作任何形式上的限制， 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， 依据本发明的技术实质， 对以上实 施例所作的任何简单的修改、 等同替换与改进等， 均仍属于本发明技术方案的保护范围之 内。 说 明 书 4/4 页 7 CN 109044298 A 7 图1 图2 说 明 书 附 图 1/2 页 8 CN 109044298 A 8 图3 说 明 书 附 图 2/2 页 9 CN 109044298 A 9 。