高卿光 郝國(guó)凱 李元昊

摘 要：溺水事件在我國(guó)時(shí)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(shí)遇到的阻力較大，不能對(duì)落水較遠(yuǎn)的人員進(jìn)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(jìn)行救援，而是設(shè)計(jì)一款在人們落水時(shí)幫助救援人員確定救援地點(diǎn)，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(gè)該輔助平臺(tái)便可以確保這一片的水域的安全情況。本文將對(duì)水中救援的水下輔助平臺(tái)的背景進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并將對(duì)其組成原理和市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行分析。

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

1 水下輔助平臺(tái)的背景及意義：

近些年，溺水事件在我國(guó)時(shí)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(shí)遇到的阻力較大，不能對(duì)落水較遠(yuǎn)的人員進(jìn)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(jìn)行救援，而是設(shè)計(jì)一款在人們落水時(shí)幫助救援人員確定救援地點(diǎn)，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(gè)該輔助平臺(tái)便可以確保這一片的水域的安全情況。該平臺(tái)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(jì)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(duì)現(xiàn)有的水下探測(cè)器或水下潛航器的研究，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了球形的外殼，阻力小，運(yùn)動(dòng)更加靈活；殼體透明，方便生命探測(cè)傳感器的布置與探測(cè)；受力均勻，在水下 能承受更大的壓強(qiáng)，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(tái)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(jìn)行探測(cè)運(yùn)動(dòng)。 在監(jiān)測(cè)時(shí)，通過 GPRS 模塊與短信模塊，可以將具體的地點(diǎn)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(tái)潛入深水區(qū)域時(shí)，由于水下聲波會(huì)受到很大衰減[8]，所以在進(jìn)行下潛工作時(shí)，該平臺(tái)會(huì)拖曳一浮標(biāo)并搭載天線，以增強(qiáng)動(dòng)作控制、圖像傳輸和短信息信號(hào)。工作方式主要有以下三種：

1）路徑規(guī)劃，自主運(yùn)動(dòng)

通過上位機(jī)端對(duì)路徑進(jìn)行提前規(guī)劃，并設(shè)置監(jiān)測(cè)報(bào)告間隔，通過串口將規(guī)劃的信號(hào)載入該平臺(tái)，放入水中后可以按照設(shè)置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與監(jiān)測(cè)。

2）手機(jī)遙控，靈活取樣

通過手機(jī)調(diào)控模塊用手機(jī)信號(hào)來即時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作與位置，同時(shí)通過圖像傳輸對(duì)水下情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以清楚觀察水下情況

3）傳感導(dǎo)向，自治防護(hù)

在本文水中搜救平臺(tái)中搭載有多個(gè)熱釋傳感器，當(dāng)有熱血?jiǎng)游锍霈F(xiàn)時(shí)，會(huì)采用探測(cè)與運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的工作方式，該平臺(tái)通過其搭載的傳感器收集信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷與處理，從而控制不同電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制球形該平臺(tái)的上升、下降、前 進(jìn)、后退，且可以通過差速實(shí)現(xiàn)另一坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)；進(jìn)而逐漸向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

2.4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)：

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

其整體結(jié)構(gòu)方案為：以球形殼機(jī)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(jìn)器組成，分別負(fù)責(zé)提供 y 軸與 z 軸方向的動(dòng)力，兩組螺旋槳都可以通 過差速來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)兩個(gè)橫向推進(jìn)器產(chǎn)生差速時(shí)，機(jī)器人可以在 XY 平面內(nèi) 運(yùn)動(dòng)；兩個(gè)縱向推進(jìn)器產(chǎn)生差速時(shí)，機(jī)器人將在 XZ 平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)橫向推進(jìn)器與縱向推進(jìn)器同時(shí)工作時(shí)，將產(chǎn)生在 YZ 平面的運(yùn)動(dòng)。

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(jìn)電機(jī)，與其相連為上層結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)可以控制上層結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以便圖像傳輸?shù)臄z像 頭可以快速捕捉多角度場(chǎng)景，增大其視野的利用率

2）球形殼為兩個(gè)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(jìn)器安裝方式如圖，電機(jī)與傳動(dòng)軸由亞克力筒包裹，傳動(dòng)軸與螺旋槳連接處采用動(dòng)態(tài)密封圈。

2.5 通訊部分：

1）數(shù)據(jù)采集

救援平臺(tái)在水下采集的數(shù)據(jù)。機(jī)器通過遙控或提前準(zhǔn)備好的運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行游動(dòng)，將返回的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)將繪制并標(biāo)記出機(jī)器在水下的運(yùn)動(dòng)軌跡， 并記錄每次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的水下檢測(cè)信息。當(dāng)不使用巡游模式時(shí)，可以通過遙控機(jī)器到待測(cè)地 點(diǎn)采集水下信息。

2）上位機(jī)通訊

上位機(jī)由 VB.Net 編寫。上位機(jī)通過藍(lán)牙串口，接收每隔一段時(shí)間返回的水體和地址 信息。并據(jù)此數(shù)據(jù)繪制機(jī)器運(yùn)動(dòng)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(jī)和顯示屏，可以實(shí)時(shí)觀察水下情況。因?yàn)樗丫绕脚_(tái)主體中攝像頭與圖傳發(fā)射器為獨(dú)立的系統(tǒng)，并不占用單片機(jī)的資源。因此處理能力更強(qiáng)。

3市場(chǎng)應(yīng)用：

3.1落水救援：

近些年，溺水事件在我國(guó)時(shí)常發(fā)生，利用該平臺(tái)可以有效的提高救援效率。

3.2作為搭載平臺(tái)：

該搜救平臺(tái)可以作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，可以搭載不同的裝置以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]《深海環(huán)境實(shí)驗(yàn)裝置水下靜態(tài)受力計(jì)算》1672-9242（2008）05-0005-04

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