一種用于水中救援的水下搜救輔助平臺

高卿光 郝國凱 李元昊

摘 要：溺水事件在我國時常發(fā)生，生活中常用的救生工具是救生圈，但普通的救生圈只適合近距離投擲，且投擲時遇到的阻力較大，不能對落水較遠的人員進行有效快速救援。為了解決這一問題，我們改變思路，不再使用救生圈進行救援，而是設(shè)計一款在人們落水時幫助救援人員確定救援地點，在水中可以自由的巡邏的一種水中輔助救援裝置，在一片水域投放若干個該輔助平臺便可以確保這一片的水域的安全情況。本文將對水中救援的水下輔助平臺的背景進行簡單介紹，并將對其組成原理和市場應(yīng)用進行分析。

關(guān)鍵詞：水下救援；輔助平臺；組成原理和市場應(yīng)用；自主巡航；

1 水下輔助平臺的背景及意義：

近些年，溺水事件在我國時常發(fā)生，生活中常用的救生工具是救生圈，但普通的救生圈只適合近距離的投擲，且投擲時遇到的阻力較大，不能對落水較遠的人員進行有效快速救援。為了解決這一問題，我們改變思路，不再使用救生圈進行救援，而是設(shè)計一款在人們落水時幫助救援人員確定救援地點，在水中可以自由的巡邏的一種水中輔助救援裝置，在一片水域投放若干個該輔助平臺便可以確保這一片的水域的安全情況。該平臺的被廣泛的應(yīng)用于救援領(lǐng)域，可以大大的提高了救援效率！

2設(shè)計方案：

2.1外形結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：

目前使用的水中救援裝置主要是救生圈，我們改變思路通過對現(xiàn)有的水下探測器或水下潛航器的研究，我們在設(shè)計中采用了球形的外殼，阻力小，運動更加靈活；殼體透明，方便生命探測傳感器的布置與探測；受力均勻，在水下 能承受更大的壓強，具有較大的適應(yīng)性。

2.2 工作方式總述：

該水下搜救輔助平臺主要可通過規(guī)劃 S 型路徑、遙控、傳感器引導(dǎo)三種方式來進行探測運動。 在監(jiān)測時，通過 GPRS 模塊與短信模塊，可以將具體的地點信息以短信形式發(fā)送給搜救人員。需要注意的是，當(dāng)該平臺潛入深水區(qū)域時，由于水下聲波會受到很大衰減[8]，所以在進行下潛工作時，該平臺會拖曳一浮標(biāo)并搭載天線，以增強動作控制、圖像傳輸和短信息信號。工作方式主要有以下三種：

1）路徑規(guī)劃，自主運動

通過上位機端對路徑進行提前規(guī)劃，并設(shè)置監(jiān)測報告間隔，通過串口將規(guī)劃的信號載入該平臺，放入水中后可以按照設(shè)置進行運動與監(jiān)測。

2）手機遙控，靈活取樣

通過手機調(diào)控模塊用手機信號來即時調(diào)節(jié)運動動作與位置，同時通過圖像傳輸對水下情況進行監(jiān)測，可以清楚觀察水下情況

3）傳感導(dǎo)向，自治防護

在本文水中搜救平臺中搭載有多個熱釋傳感器，當(dāng)有熱血動物出現(xiàn)時，會采用探測與運動相結(jié)合的工作方式，該平臺通過其搭載的傳感器收集信號，對信號進行判斷與處理，從而控制不同電機的正反轉(zhuǎn)，進而控制球形該平臺的上升、下降、前 進、后退，且可以通過差速實現(xiàn)另一坐標(biāo)方向運動；進而逐漸向目標(biāo)運動。

2.4 結(jié)構(gòu)動力設(shè)計：

經(jīng)過對比與分析，選定球形結(jié)構(gòu)，主要由于該球形救援平臺作為一類外型為球形的水下機器人，相比其它類型的水下機器人有很大的優(yōu)勢：一是耐水壓性強，抗沖擊性強， 密封性更好。二是流體動力學(xué)計算無藕合。三是各向流體動力參數(shù)相等。外殼的球?qū)ΨQ性使 得該球形救援平臺各向的流體動力參數(shù)相等，便于分析與計算。

其整體結(jié)構(gòu)方案為：以球形殼機器內(nèi)部為操作主體，內(nèi)部用于存放核心元件與控制電路，

外部由兩組螺旋槳推進器組成，分別負責(zé)提供 y 軸與 z 軸方向的動力，兩組螺旋槳都可以通 過差速來控制機器人的運動方向。當(dāng)兩個橫向推進器產(chǎn)生差速時，機器人可以在 XY 平面內(nèi) 運動；兩個縱向推進器產(chǎn)生差速時，機器人將在 XZ 平面內(nèi)運動；當(dāng)橫向推進器與縱向推進器同時工作時，將產(chǎn)生在 YZ 平面的運動。

具體組裝方案為：1）內(nèi)部由兩層構(gòu)架，其上鋪有電路所需元件和傳感器等，下層裝有步進電機，與其相連為上層結(jié)構(gòu)，步進電機可以控制上層結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)動，以便圖像傳輸?shù)臄z像 頭可以快速捕捉多角度場景，增大其視野的利用率

2）球形殼為兩個半圓所組成，其中上半球殼嵌有外置開關(guān)，球殼連接處采用硅膠密封墊壓緊連接。

3）外置推進器安裝方式如圖，電機與傳動軸由亞克力筒包裹，傳動軸與螺旋槳連接處采用動態(tài)密封圈。

2.5 通訊部分：

1）數(shù)據(jù)采集

救援平臺在水下采集的數(shù)據(jù)。機器通過遙控或提前準(zhǔn)備好的運動方案進行游動，將返回的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機將繪制并標(biāo)記出機器在水下的運動軌跡， 并記錄每次數(shù)據(jù)傳輸時的水下檢測信息。當(dāng)不使用巡游模式時，可以通過遙控機器到待測地 點采集水下信息。

2）上位機通訊

上位機由 VB.Net 編寫。上位機通過藍牙串口，接收每隔一段時間返回的水體和地址 信息。并據(jù)此數(shù)據(jù)繪制機器運動軌跡和水體質(zhì)量分布。

3）手持圖傳設(shè)備

手持設(shè)備為接收機和顯示屏，可以實時觀察水下情況。因為搜救平臺主體中攝像頭與圖傳發(fā)射器為獨立的系統(tǒng)，并不占用單片機的資源。因此處理能力更強。

3市場應(yīng)用：

3.1落水救援：

近些年，溺水事件在我國時常發(fā)生，利用該平臺可以有效的提高救援效率。

3.2作為搭載平臺：

該搜救平臺可以作為一個獨立的系統(tǒng)，可以搭載不同的裝置以實現(xiàn)不同的功能。

參考文獻：

[1]馬驍.《面向災(zāi)后救援的人體生命體征探測研究》.成都：電子科技大學(xué)，2016.

[2]《深海環(huán)境實驗裝置水下靜態(tài)受力計算》1672-9242（2008）05-0005-04

[3]劉金國，王越超，李斌，馬書根. 《災(zāi)難救援該平臺研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵性能及展望》機械工程學(xué)報 ，2006.