CN108622336A - 一种水面救援装置 - Google Patents

Abstract

一种水面救援装置，包括壳体、驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块、主系统模块、电源模块、重心位置调节模块；所述充气模块用于向给定气囊充放气和保压，以提供与施救者自身负重和状态匹配的浮力；所述姿态与水压检测模块包括姿态传感器、设置于所述前壳体外表面上半部的液压传感器、以及对称设置于所述后壳体外表面下半部左右两侧的液压传感器，用于监测施救者在水姿态及其变化趋势、施救者特定部位的水压变化；所述重心位置调节模块采用丝杆式十字滑台机构，用于自动调节所述电源模块相对于所述壳体内部的相对位置。本发明的有益之处在于：根据施救者姿态与状态控制气囊充排气和调节重心位置，可使施救者始终保持最佳入水姿势。

Description

一种水面救援装置

技术领域

本发明涉及一种水面救援装置，尤其涉及一种省力安全的便携式水面救援装置。

背景技术

据我国卫生部的不完全估计，全国每年约有6万人死于溺水，相当于每天150多人溺水死亡。另据世界卫生组织(世卫组织)统计，中国溺亡人数约占世卫组织西太平洋区域总溺亡人数的80％。可见，溺水死亡严重威胁到我国人民的生命财产安全。

值得注意的是，在上述溺亡数据中，发生于野外水域的溺水者身亡和施救者身亡数占比相当，这说明野外水域施救难度大，施救风险较高，究其原因在于：由于一方面施救者急于救人，导致短时间内体力消耗过度而发生虚脱、抽筋或昏迷等突发症状，使施救者丧失运动能力而呛水身亡；另一方面，由于溺水人溺水时的求生本能和恐慌心理，溺水者大力拉扯拖拽施救者，导致施救者连同溺水人一同下沉溺亡，或发生单侧大角度倾覆后呛水死亡；但更为根本的原因是，野外水域开阔，水情复杂，目前缺少适应该水域特点的水面救援装置，即能够辅助救援人员高效省力地到达救援地点(节省体力)，并能够确保施救者自身安全的提前下展开安全可靠的施救工作。

通过市场产品调研获知，目前存在救生圈、救生衣等小型典型无动力救生装置，但存在救援时效性低(如溺水者需自行游回安全地点)、适用范围窄(如溺水者失去意识时无法有效救援，施救者距离溺水者较远时无法有效救援，水流较为湍急时无法有效救援)等缺陷。现有救援冲锋舟、皮筏艇等大型水上救援装置，则存在价格较贵、不便携带、机动性差(如溺水者失去意识或被水下物体缠绕受困等则无法有效救援)等局限性。通过专利文献调研可知，虽然专利领域存在无人远距离遥控式水上救援装置，该装置结构复杂，成本高昂，且因过度依赖传感器检测精度、图像识别精度和操作者技能，过度强调无人值守下的多功能集成，导致该装置可靠性、灵活性和实用性均较低。例如，中国专利一种便携式水面快速救生器(申请号：201620350458)就属于一种无人式水上救援装置，包括浮体、搂抱式夹持装置、推进装置、控制装置、触动开关和回拉绳，该装置采用回拉绳拖曳溺水者的方式进行施救，然而当溺水者被水下障碍物(如旧渔网等)缠绕时，该装置则存在可靠性、灵活性和实用性均较低的局限性(如强行拖曳反而会对溺水者造成二次伤害)；中国专利一种水上救援装置(申请号：2016111427442)也属于一种无人式水上救援装置，包括主体、推进装置、传感器、姿态控制装置、无线遥控通讯装置，当遇到中小型水面漂浮物时(如经过洪灾过后的水域)，由于该装置远距离无人操控困难，因此在可靠性、灵活性和实用性方面远低于有人式水面辅助救援装置。

部分有人式水面辅助救援装置采用螺旋桨、高速水流等方式驱动。为使得这些装置下水后具有有益于向前推进的姿态(如装置与水平面呈一定夹角，并在自然状态下达到左右平衡，或使得螺旋桨或者高压水喷头完全浸没水中)，一般会提前合理布置零部件相对位置，并额外增设浮块和配重块。然而，浮块和配重块的加入，会消耗驱动功率；此外，由于装置配重(或自身浮力)在出厂前已经固定，无法在施救过程中根据施救者负重情况(如额外携带有救援救生装置，或托举有失去游动能力的溺水者)和施救者自身状态(是否存在下沉溺亡的趋势)来自动调节配重(或自身浮力)，使得施救者自身安全得不到保障，且驱动阻力无法合理降低。当然，可能想到的是，有人式水面辅助救援装置可采用水泵向储水空腔内注排水来达到实时调节配重的目的，然而所述储水空腔本身体积较大，一方面会导致其在水中行进时阻力较大，耗能较多；另一方面，当施救者完全浸没水中时(如遭遇体力不支、被溺水人拖拽束缚等)，因连接储水空腔的进排气孔也可能会浸没入水中，导致无法及时排水上浮。当然可以采用增加进排气管露出水面的垂直高度，但无疑过长的进排气管会增加被溺水人拖拽扯断的风险。

综上来看，无论是无人式水上救援装置，还是有人式水面辅助救援装置，均无法根据救援时负重情况和自身状态实时自动地调节配重(或自身浮力)，达到安全快速救援的目的，因此发明一种水面救援装置，尤其是一种成本低廉、操作简单、便于携带、响应快速、灵活省力、安全可靠的有人式水面辅助救援装置，是本领域设计人员目前急需解决的关键技术问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供了一种水面救援装置，包括壳体、驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块、主系统模块、背架、电源模块、重心位置调节模块，其特征在于：

所述壳体包括前壳体和后壳体，其中：

所述前壳体和后壳体通过卡扣紧密扣合；所述卡扣的配合面间垫入密封橡胶圈；所述壳体具有子弹头状流线外型；

所述壳体内部空间被纵横布置的隔板分隔为前腔、后腔和中腔，其中：所述前腔内填充有低密度的物质；在所述前壳体两外侧表面上且与所述中腔相对应的位置处对称地开设气囊储槽；

所述充气模块包括储气瓶、气囊、气压传感器、电磁换向阀、单向阀，用于根据所述主系统模块反馈的指令控制所述电磁换向阀，向给定气囊充放气和保压，以实时提供与施救者自身负重情况和自身状态相匹配的浮力，其中：所述储气瓶填充压缩气体，为所述充气模块提供高压气源；在所述气囊储槽内各设置一个所述气囊；所述储气瓶、气压传感器、单向阀、电磁换向阀、气囊通过气管顺次连接；所述电磁换向阀用于启闭所述气囊的充气通道和向外排气通道，以使得所述气囊在不同工作状态下达到不同的充盈状态；

作为优选，本装置采用两位三通电磁换向阀和三位四通电磁换向阀；位于所述前壳体左、右两侧的所述气囊分别与各自相对应的气囊连接气管的一端相连；所述气囊连接气管的另一端密闭地穿过所述前壳体的壳体壁向所述中腔延伸，并经由所述左、右侧气囊各自相对应的气压传感器II，再分别与所述三位四通电磁换向阀的工作口相连接；所述三位四通电磁换向阀的压力口与所述两位三通电磁换向阀的工作口相连接；所述三位四通电磁换向阀的泄压口与外界大气相通；所述储气瓶、气压传感器I、单向阀、两位三通电磁换向阀的压力口通过气管顺次连接；所述两位三通电磁换向阀泄压口与外界大气相通；所述两位三通电磁换向阀、三位四通电磁换向阀、气压传感器I、气压传感器II与所述主系统模块电连接。

作为优选，所述气囊在初始状态下呈完全压缩状态；所述气囊在极端左、右倾覆状态下呈不对称膨胀状态，所述气囊在垂向下沉状态下呈对称膨胀状态，为施救者提供额外上浮力；所述气囊在施救时正常推进状态下呈部分充气状态，以平衡施救者自身负重，使得施救者以最佳入水姿势向前推进；所述气囊在施救后正常推进状态下会继续(相对于施救时正常推进状态)充入一定气体，但仍处于未完全充满状态，以平衡施救者自身负重和溺水者负重，同时降低在水中推进时的阻力；所述气囊在施救后上岸状态下呈完全压缩状态。

所述气囊在初始状态下被储槽盖板覆盖；所述储槽盖板活动地铰接于前壳体上；所述储槽盖板在所述气囊处于压缩状态时呈闭合状态；

所述电源模块包括电池组、控制电路，用于向所述驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块、主系统模块、重心位置调节模块供电；

所述背架包括背带、背板，其中：所述背板与所述壳体固接；所述背带与所述背板固接；所述背带用于施救者双肩背负携带；

所述驱动转向模块包括推进电机、螺旋桨、舵片、转向电机，用于根据所述主系统模块反馈的指令控制所述舵片转动角度和所述螺旋桨的正反转方向及转速，以响应施救者姿态变化，最终达到自动控制施救者推进速度和方向的目的，其中：所述推进电机置于所述后腔中，其输出轴密闭且活动地穿过所述后腔的壳壁，与所述螺旋桨固接；所述螺旋桨用于推动本装置在水中前进；所述螺旋桨外设置有所述保护罩；所述保护罩固接于所述后壳体上；

所述转向电机安放在所述保护罩尾部上方；所述舵片设置于所述保护罩内且位于所述螺旋桨的正后方；所述转向电机通过减速器与所述舵片动力连接，用于带动所述舵片左右摆动，以改变前进方向。

所述姿态与水压检测模块包括姿态传感器、设置于所述前壳体外表面上半部的液压传感器I、以及对称设置于所述后壳体外表面下半部左右两侧的液压传感器II，用于实时监测施救者在水中的姿态参数及其变化趋势、施救者特定部位的水压变化情况；

作为优选，当施救者背负本装置入水后处于最佳入水姿势时，所述液压传感器I的水压测点处于过施救者鼻翼的水平面内，用以检测施救者头部附近区域的水压变化；而所述液压传感器II的水压测点处于过施救者胸部的水平面内，用于检测施救者入水后胸部左右两侧区域的水压变化及压差。

所述主系统模块包括CPU、电机调速模块、数据选择器、译码电路、继电器控制逻辑、半导体开关控制逻辑、信号源、监控器、控制混合接头等其他元器件，用于系统状态初始化、状态自检与报警、数据采集分析、状态逻辑判断、基于施救者姿态参数的水下推进速度与方向控制、基于施救者姿态与状态的气囊充排气控制、基于施救者姿态与状态的重心位置调节；所述主系统模块与所述驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块、重心位置调节模块电性连接。

所述重心位置调节模块，用于自动调节所述电源模块相对于所述壳体内部的相对位置。

作为优选，所述重心位置调节模块采用丝杆式十字滑台机构；所述丝杆式十字滑台机构由X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构叠加组合而成，其中：所述X向和Y向丝杆式滑台调节机构各包括一套调节电机、导轨体、螺母、丝杆、滑块；Y向所述导轨体固接于所述壳体的内衬板上；所述X向和Y向丝杆式滑台调节机构中的两螺母分别与所述电池组和X向所述导轨体固接；X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构中的两滑块分别固设于所述电池组和X向所述导轨体上；所述X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构中的两调节电机分别在X向所述导轨体和Y向所述导轨体上被固定；所述调节电机分别带动所述丝杆，使得固设在所述电池组和X向所述导轨体上的滑块分别相对于X向所述导轨体和Y向所述导轨体直线往复移动。

作为优选，当施救者按正常方式双肩背负携带所述水面救援装置入水后，在自然稳定状态下，处于最佳入水姿势，即施救者达到左右平衡，同时施救者颈部以上部位在自然状态下露出水面，且所述背板所在平面与水平面呈35～45°夹角。

作为优选，下水报警模块包括电容式触发器和北斗定位系统；所述电容式触发器设置在所述螺旋桨附近，遇水则启动北斗定位系统的短发报功能，以向当地医疗部门发送医疗救护请求和提供位置信息。

作为优选，在所述储气瓶的出气口采用快速接头与气管连接。

作为优选，所述前壳体上设置有凸台；所述前壳体与所述背板通过所述凸台连接；所述背板上开有减重槽；在所述背板正前方设置有把手；所述凸台开设有过流孔。

本发明优点在于提供一种操作简单、便携、响应快速、省力的水面救援装置，从而大大提高救援的安全性和效率。

附图说明

图1为本发明水面救援装置具体实施例一的三维结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为图2的B-B面剖视图(储气瓶未剖切)。

图4为图2的E-E面剖视图。

图5为图1去掉保护罩后的三维结构示意图。

图6为重心位置调节模块三维结构示意图。

图7为图1中充气模块的充气原理图。

图8为施救者在水中背负如图1所示本发明水面救援装置时的正常向前推进状态效果图。

图9为施救者在水中背负如图1所示本发明水面救援装置时的左倾斜状态效果图。

图10为施救者在水中背负如图1所示本发明水面救援装置时的右倾斜状态效果图。

图11为重心位置调节模块三维结构另一方向示意图。

图12为施救者在水中背负如图1所示本发明水面救援装置时的极端左倾覆状态效果图

图13为施救者在水中背负如图1所示本发明水面救援装置时的极端右倾覆状态效果图

图中：1-1前壳体；1-2液压传感器I；1-3活动铰链；1-4后壳体；1-5保护罩；1-6背架；1-6-1背带；1-6-2背板；1-6-2-1减重槽；1-6-2-2把手；1-7凸台；1-7-1过流孔；1-8液压传感器II；2-1姿态与水压检测模块；2-2主系统模块；2-3储槽盖板；2-4储气瓶；2-5气囊连接气管；3-1泡沫块；3-2气囊；3-3密封橡胶圈；3-4卡扣；3-5电池组；3-6推进电机；3-7螺旋桨；3-8舵片；3-9壳体前腔；3-10壳体中腔；3-11壳体后腔；3-12气囊储槽；3-13内衬板；4-1转向电机；4-2主动齿轮；4-3从动齿轮；5-1调节电机；5-2-1X向导轨体；5-2-2Y向导轨体；5-3螺母；5-4滑块；5-5丝杆。

具体实施方式

为了更好地描述本发明的技术方案和优点，现结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。

如图1至图13为本发明具体实施例一。

如图1至图6所示，一种水面救援装置包括壳体、驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块(2-1)、主系统模块(2-2)、背架(1-6)、电源模块、重心位置调节模块，其中：

壳体主要包括前壳体(1-1)和后壳体(1-4)；为了提高装置的可装配性，前壳体(1-1)和后壳体(1-4)通过卡扣(3-4)结构紧密贴合，并在卡扣(3-4)的结合面外周的缝隙处套入用于防水的密封橡胶圈(3-3)；为了减少本装置在水中运行的阻力，所述壳体具有子弹头状流线外型；为了增加本装置整体气密性，提高内置电气元件的安全性，所述壳体内部空间被纵横布置的隔板分隔为三个相对独立的容腔，即前腔(3-9)、后腔(3-11)和中腔(3-10)；这样一来，纵使其中任一容腔渗水，其他容腔内的电气元件仍能保证安全；为了调节本装置自身浮力，使得施救者肩负本装置入水后能以一个适合的姿态自然浮起，前腔(3-9)内填充有极低密度的物质，本例中选用泡沫块；

在前壳体(1-1)左右两外侧表面上且与中腔(3-10)相对应的位置处对称地开设气囊储槽(3-12)；

如图7所示，充气模块包括储气瓶(2-4)、气囊(3-2)、气压传感器、电磁换向阀、单向阀，用于根据所述主系统模块反馈的指令控制所述电磁换向阀，使得给定气囊充气、放气、保压，以实时提供与施救者自身负重情况和自身状态相匹配的浮力，其中：储气瓶(2-4)采用钢瓶，内部填充(一般为充满)压缩气体，如压缩空气，为充气模块提供高压气源；在气囊储槽(3-12)内各设置一个气囊(3-2)，本例中采用橡胶气囊；储气瓶(2-4)、气压传感器I、单向阀、电磁换向阀、气囊(3-2)通过气管顺次连接；为了监测气囊(3-2)的气压，还可以在电磁换向阀和气囊(3-2)之间各加入一个气压传感器II；所述电磁换向阀用于启闭气囊(3-2)的充气通道和向外排气通道，在如下工作状态下实现气囊的不同充盈状态：

1、气囊(3-2)在初始状态下(本装置未启动)呈完全压缩状态，以减少本装置体积，便于携带；

2、气囊(3-2)在如下三种紧急状态下充气膨胀，为施救者提供额外上浮力：

①极端左倾覆状态。施救时，受溺水者单侧向下拖拽力作用下，施救者呈如图12所示极端左倾覆状态时，为了避免施救者因左侧鼻孔浸没水中而导致呛水，两侧气囊(3-2)快速充气膨胀，但左侧气囊(3-2)膨胀体积相对(右侧气囊)较大，以便以最快速度从左侧托举起施救者，并使得施救者尽快恢复左右平衡的最佳入水姿势；

②极端右倾覆状态。施救时，受溺水者单侧向下拖拽力作用下，施救者呈如图13所示极端右倾覆状态时，类似地，两侧气囊(3-2)快速充气膨胀，但右侧气囊(3-2)膨胀体积相对较大，以便以最快速度从右侧托举起施救者，并使得施救者尽快恢复左右平衡的最佳入水姿势；

③垂向浸没状态。当施救者赶赴至溺水区域后，施救者一般从背部抱住溺水者。然而，由于溺水人溺水时的求生本能和恐慌心理，往往都会大力拉扯拖拽施救者，加之施救者还会发生体力耗尽、抽搐、昏迷等突发症状，因此极可能导致施救者处于垂向浸没状态；

施救时，受溺水者垂直向下的拖拽力作用下，施救者迅速垂向下沉，并有没顶趋势时，两侧气囊(3-2)同时快速充气膨胀，膨胀体积大小一致，使得施救者头部以最快速度上浮出水面，并使得施救者尽快恢复左右平衡的最佳入水姿势；

3、施救时正常推进状态下(施救者未遇险情，状态平稳，且未托举溺水者时)，左右两气囊(3-2)可能呈部分充气状态，以平衡施救者自身负重(考虑到施救者自重、辅助器材重量)，使得施救者以最佳入水姿势向前推进，以尽量降低在水中推进时的阻力；

4、施救后正常推进状态下(施救者未遇险情时，状态平稳，溺水者获救并处于平静状态下)左右两气囊(3-2)可能会继续(相对于施救时正常推进状态)充入一定气体，但仍处于未完全充满状态，以平衡施救者自身负重(考虑到施救者自重、携带的辅助器材重量)和溺水者负重(考虑到溺水者自重、溺水者附加的重量)，使得施救者以最佳入水姿势向前推进，以尽量降低在水中推进时的阻力；

5、施救后上岸，气囊(3-2)同初始状态一样，处于完全压缩状态。

本例中，所述充气模块的气路连接原理和实施细节更为具体地描述如下：采用如图7所示的两位三通电磁换向阀(默认处于左位状态)和三位四通电磁换向阀(默认状态处于中位)；位于前壳体左、右两侧的气囊(3-2)分别与各自相对应的气囊连接气管(2-5)的一端相连；气囊连接气管(2-5)的另一端密闭地穿过前壳体(1-1)的壳体壁向中腔(3-10)延伸，并经由左、右气囊(3-2)各自相对应的气压传感器II，再分别与三位四通电磁换向阀的两工作口A口和B口相连接；三位四通电磁换向阀的进气口P口与两位三通电磁换向阀的工作口A口相连接；三位四通电磁换向阀的排气口S口与外界大气相通；储气瓶(2-4)、气压传感器I、单向阀、两位三通电磁换向阀进气口P口通过气管顺次连接；两位三通电磁换向阀排气口S口与外界大气相通；所述两位三通电磁换向阀、三位四通电磁换向阀、气压传感器I、气压传感器II与主系统模块(2-2)电连接；

气囊储槽(3-12)上覆盖储槽盖板(2-3)，储槽盖板(2-3)通过活动铰链(1-3)与前壳体(1-1)转动连接；在弹性元件的作用下，储槽盖板(2-3)在气囊(3-2)处于压缩状态时呈闭合状态；

电源模块包括电池组(3-5)、控制电路，用于向驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块(2-1)、主系统模块(2-2)、重心位置调节模块供电；本例中，电池组采用锂电池；

背架(1-6)包括背带(1-6-1)、背板(1-6-2)，其中：背板(1-6-2)与壳体固接；背带(1-6-1)与背板(1-6-2)固接；背带(1-6-1)用于施救者双肩背负携带；本例中，更为具体地，前壳体(1-1)上设置有凸台(1-7)；背板(1-6-2)通过螺钉与凸台(1-7)固定联接；同时在背板(1-6-2)上开设有多道减重槽(1-6-2-1)以降低本装置重量；同时为了便于提起装置，在背板(1-6-2)正前方设置有把手(1-6-2-2)；最后，为了有效降低水面阻力，前壳体(1-1)的凸台(1-7)上在不影响螺钉联接性能的情况下开设有多个过流孔(1-7-1)

驱动转向模块包括推进电机(3-6)、螺旋桨(3-7)、舵片(3-8)、转向电机(4-1)，用于根据所述主系统模块反馈的指令控制所述舵片转动角度和所述螺旋桨的正反转方向，以响应施救者姿态变化，最终达到自动控制施救者推进速度和方向的目的，其中：推进电机(3-6)的输出轴密闭且活动地穿过后腔的壳壁，与螺旋桨(3-7)固接；推进电机(3-6)用于驱动螺旋桨(3-7)高速旋转，使得本装置获得前进推力；本例中，为了确保推进电机(3-6)的输出轴的密闭性，可在后壳体(1-4)尾部开设一个通孔；所述通孔内设置不锈钢轴承；推进电机(3-6)的输出轴穿过所述不锈钢轴承内圈，并在所述通孔与推进电机(3-6)的输出轴之间设置旋转式动密封，并在所述不锈钢轴承上和输出轴露出壳体外部分涂抹防水脂；

螺旋桨(3-7)外设置有保护罩(1-5)，保护罩(1-5)固接于后壳体(1-4)上；转向电机(4-1)安放在保护罩(1-5)尾部上方；舵片(3-8)设置于保护罩(1-5)内且位于螺旋桨(3-7)的正后方；转向电机(4-1)通过减速器与舵片(3-8)动力连接，用于带动舵片(3-8)左右摆动，使得本装置转换前进方向；本例中，所述减速器为一对外啮合的主动齿轮(4-2)和从动齿轮(4-3)；

根据流体动力学原理初步测算可知，当施救者按正常方式双肩背负携带所述水面救援装置入水后，在自然稳定状态下(无重力、浮力之外的外力作用，未遇到险情，且施救者肢体自然舒展)，若施救者达到左右平衡，同时施救者颈部以上部位在自然状态下露出水面，且背板(1-6-2)所在平面与水平面呈35～45°夹角时，施救者处于一个最佳入水姿势。此时，本装置仅40～50％的体积浸没水中，推进阻力最小，推进速度最高，能耗最小。为了使得施救者能够始终保持最佳入水姿势，是完全可以采取如下技术手段加以实现的：

1、给定参照标准，设计本装置的初始浮力和重心位置。假定标准施救者为一名身高为170CM且具有标准体型的成年亚洲男性，根据该男性施救者的人体密度、体重、浮力、重心位置的一般范围标准，合理调节本装置自身初始浮力(设计所述泡沫块的尺寸)；同时，采用如下技术手段，便可使得与标准施救者具有相同体型的施救者在肩负本装置入水后，获得最佳的重心位置：

①合理规划布置本装置内所有具有较高重量和较低密度的零部件之间的相对位置关系。本例中具体而言，具有高密度的电池组(3-5)置于后腔(3-11)并靠近推进电机(3-6)；如前所述，具有较高密度的推进电机(3-6)置于后腔(3-11)内；除推进电机(3-6)之外的驱动转向模块(具有较高密度的)位于本装置尾部；具有极低密度的物质填充于前腔(3-9)；充气模块中除气囊(3-2)和部分气管外的零部件(如储气瓶(2-4)、电磁换向阀，具有较低密度)均设置于中腔(3-10)下层；具有很低密度的电器元件主系统模块(2-2)、姿态与水压检测模块(2-1)放置于中腔(3-10)。这样的布置方案，使得本装置自身头轻尾重；当标准施救者双肩背负携带本装置入水后，在初始状态下总体重心(施救者和本装置一起)位于施救者腰腹后部；

②板块化集成设计和分区放置，以便于装拆和调节质量平衡。本例中，更为具体地，中腔(3-10)又被隔板分割成中腔上层、中腔中层和中腔下层；姿态与水压检测模块(2-1)的电路部分集成于电路板II上；主系统模块(2-2)集成于电路板I上；所述电路板II、电路板I通过卡槽分别卡固在中腔上层、中腔中层内；充气模块还包括充气模块支撑板；所述充气模块中除气囊(3-2)和部分气管外的零部件均安装于所述充气模块支撑板上；所述充气模块支撑板固设于所述中腔下层内。

③合理设计所有零部件外形尺寸，以便使其仅可能满足对称布置的要求。所述壳体、驱动转向模块、背架、电源模块均采用对称结构；所述壳体、驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块(电路板II)、主系统模块(电路板I)、背架(1-6)、电源模块关于螺旋桨轴线左右基本对称布置。需要解释说明的是，电路板I、电路板II和充气模块虽然为非对称的近似为块状的物体，但考虑到质量较轻，可以近似认为，将电路板I、电路板II和充气模块支撑板的几何对称中心面与螺旋桨(3-7)轴线达到共面，即可保证标准施救者双肩背负携带本装置入水后在初始状态下保持基本的左右平衡。

2、综合利用充气模块和重心位置调节模块，以实现本装置工作时姿态可调。考虑到实际使用过程中施救者与参照标准(如体重，体型及人体密度)存在一定差异，施救者左右侧实际负重大小可能不同(如施救者可能需要单手持握额外的辅助救援装备(如救生绳等)，以及可能托举有失去意识的溺水者)，以及紧急状态下各种外力因素会影响破坏最佳入水姿势(如溺水者拉扯使得施救者左右不能平衡)，因此本装置除采用充气模块外，还采用了重心位置调节模块，以保证任一施救者双肩背负携带本装置入水后能够维持最佳入水姿势。重心位置调节模块用于自动调节本装置内部元器件(主要为电源模块、充气模块等较重的零部件)相对于所述壳体内部的相对位置，以获得最佳的重心位置(工作时)。更为具体地，本例中采用丝杆式十字滑台机构作为重心位置调节模块，该机构由X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构叠加组合而成，其中：X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构各包括一套调节电机(5-1)、导轨体(本例中导轨体上开设有T形滑槽)、螺母(5-3)、丝杆(5-5)、滑块(5-4)(本例中滑块(5-4)为与所述T形滑槽相配合的T形滑块)。为了合理简化结构，本例中仅调节比重最大的电池组(3-5)相对于壳体的平面位置；如图6和图11所示，Y向导轨体(5-2-2)固接于壳体的内衬板(3-13)上；X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构中的两螺母(5-3)分别与电池组(3-5)和X向导轨体(5-2-1)固接；X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构中的两滑块分别固设于电池组(3-5)和X向导轨体(5-2-1)上；X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构中的两调节电机(5-1)分别在X向导轨体(5-2-1)和Y向导轨体(5-2-2)上被固定；调节电机(5-1)分别带动丝杆(5-5)，驱动与之向配合的螺母做直线往复运动，从而使得固设在电池组(3-5)和X向导轨体(5-2-1)上的滑块(5-4)分别相对于X向导轨体(5-2-1)和Y向导轨体(5-2-2)直线移动，从而最终改变电池组(3-5)相对于壳体的平面位置。由于采用了重心位置调节模块，故无需额外挂载配重来手动调节左右平衡，降低了阻力，同时增加了本装置的灵活性和适用范围。

本例中，推进电机、调节电机和转向电机均采用高寿命高精度的无刷电机。

姿态与水压检测模块(2-1)包括姿态传感器(本例选用MPU 6050型陀螺仪)、设置于前壳体外表面上半部的液压传感器I(1-2)、对称设置于后壳体(1-4)外表面下半部左右两侧的液压传感器II(1-8)、以及控制接口、电源接口、信号接口等其他元器件，用于实时监测施救者在水中的姿态参数(欧拉角的角度、方向等)和姿态变化趋势，以及实时监测施救者在水中特定部位的水压变化情况，并将上述姿态与水压信号反馈给所述主系统模块。液压传感器的检测原理为：根据水的静压强计算公式P＝ρgh，P为液压传感器测得的静压强，ρ为水的密度，g为重力加速度，h为液压传感器的测点入水后的垂直深度。

更为具体地，作为优选，如图2和图8所示，当施救者背负本装置入水后处于如图8所示最佳入水姿势时，液压传感器I(1-2)的水压测点处于过施救者鼻翼的水平面内，用以检测施救者头部附近区域的水压变化；而液压传感器II(1-8)的水压测点处于过施救者胸部的水平面内，用于检测施救者入水后胸部左右两侧区域的水压变化及压差。

主系统模块(2-2)包括CPU(本例中选用STM32型单片机)、电机调速模块(本例中选用A2212型电机调速模块)等主要元器件外，还包括数据选择器、译码电路、继电器控制逻辑、半导体开关控制逻辑、信号源、监控器、控制混合接头等其他元器件；此外，本例中还包括安全保护电路(过载保护电路、漏电保护电路、短路保护电路)、漏水传感器、自检警示装置(含LED闪光灯、喇叭等)；主系统模块(2-2)与所述驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块(2-1)、重心位置调节模块电性连接；主系统模块(2-2)的主要功能包括：

1、系统状态初始化、状态自检与报警。初始化包括姿态传感器校准与初始化，重心位置调节模块的初始化、充气模块的初始化、液压传感器校准与调零、舵片回正等；状态自检包括电量、北斗连接情况、储气瓶压力、气囊储气余量、舵片位置、电池位置自检等；报警包括电量报警、渗水报警、北斗连接失败报警、储气瓶压力不足报警、紧急状态报警、驱动转向模块卡死报警等；

2、数据采集分析，包括采集分析推进电机(3-6)转速信号、转向电机(4-1)的转角位置和转向信号、以及调节电机(5-1)的转角位置和转向信号；采集分析姿态与水压检测模块(2-1)的输出信号，分析姿态与状态是否发生改变，是否在合理范围内；采集充气模块的输出信号，分析储气瓶(2-4)和气囊(3-2)的充盈程度；

3、状态逻辑判断，包括：综合判定施救者是否处于紧急状态、是否因重心位置不当而处于左右失稳状态、还是处于正常推进状态下姿态自主(即非外界因素突发引起，而是施救者主动动作)改变(以便控制推进速度和方向)、判断状态是否发生转变(紧急状态和失稳状态是否消除，施救过程是否完成等)；

4、基于施救者姿态参数控制水下推进速度与方向。当判定姿态与状态的改变是施救者主动动作，且处于合理范围内时，则根据施救者姿态参数数据(欧拉角的角度、方向等)控制推进电机(3-6)和转向电机(4-1)的启停、转速和旋转方向，实现基于施救者姿态参数的水下推进速度与方向控制；

5、基于施救者姿态与状态控制气囊充排气。当判定施救者处于紧急状态、或处于左右失稳状态时，控制所述电磁换向阀得失电，使得给定气囊(3-2)充气、放气、保压，以实时提供与施救者自身负重情况和自身状态相匹配的浮力，迅速消除紧急状态或左右失稳状态。

6、基于施救者姿态与状态调节重心位置。当判定施救者处于紧急状态、或处于左右失稳状态时，控制X向和Y向调节电机(5-1)，使得本装置具有合适的重心位置，达到左右平衡的目的。

作为优选，为了提高救援的快速性和通讯的可靠性，主系统模块(2-2)还包括下水报警模块；所述下水报警模块包括电容式触发器和北斗定位系统；所述电容式触发器设置在螺旋桨(3-7)附近(如固设在临近螺旋桨的后壳体外表面尾部)，遇水启动北斗定位系统；利用北斗定位系统的短发报功能，在下水施救的同时向当地医疗部门发送医疗救护请求和提供位置信息。

作为优选，为了便于更换储气瓶(2-4)，在储气瓶出气口采用快速接头与气管连接，并通过活动绷带将其固定在面板上。

本装置的水面辅助救援过程包括如下步骤：

1、装置初始下水。当施救者发现有人落水呼救后，施救者肩负本装置入水；一旦位于螺旋桨(3-7)附近的电容式触发器遇水，便启动北斗定位系统，利用北斗定位系统的短发报功能，在下水施救的同时向当地医疗部门发送医疗救护请求和提供位置信息；同时，启动本装置，进行系统状态初始化与自检工作。

2、入水姿势初始调整。施救者初始下水后，主系统模块(2-2)根据姿态与水压检测模块(2-1)反馈的数据，分析施救者姿态与状态是否发生改变，以及是否在合理范围内；一般情况下，因施救者与标准施救者存在差异，且施救者负重情况各异，施救者下水后处于左右非平衡状态；主系统模块按照“先重心位置调节模块后充气模块”的优先顺序进行控制，使得施救者能够始终保持最佳入水姿势。

3、赶赴溺水区域。主系统模块根据姿态与水压检测模块反馈的数据，当判定姿态与状态的改变是施救者主动动作，且处于合理范围内时，则基于施救者姿态参数控制水下推进速度与方向；具体而言，施救者身体在水中略微前倾，姿态与水压检测模块(2-1)检测出施救者前倾状态及持续前倾的趋势后，启动推进电机(3-6)以便推动施救者加速前进；此时，施救者双臂和双腿也可自由划动，增加水中前进速度；当需要绕道避开水面漂浮物(如经过洪灾过后的水域)时，施救者身体在水中略微向右、或向左倾斜，姿态与水压检测模块(2-1)检测出施救者前倾状态及持续前倾的趋势后，启动转向电机(4-1)运行，从而带动舵片(3-8)相应地向右、或向左转动，最终实现自动转向。当然，由于是有人式操作，故纵使发生水面漂浮物卡住本装置的这一极端小概率事件，施救者也能够利用双手灵活自由的脱困。本装置在水中转向的同时，施救者双臂双腿的协调运动，也可起到准确的辅助转向的作用。当接近落水者后，施救者身体在水中略微后仰，使得本装置减速并最终停止。施救者在水下的方向控制类似于两轮平衡车。

4、近距离施救与姿势维持。当施救者赶赴至溺水区域后，施救者一般从背部抱住溺水者，但不排除处于紧急状态的可能。考虑到施救者利用自身姿态控制本装置转向时可能会引起两侧压力差发生轻微变化，从而导致主系统模块(2-2)误判施救者处于极端倾覆状态，因此主系统模块(2-2)应根据姿态与水压检测模块(2-1)反馈的数据信号，综合判定施救者是否处于紧急状态、左右失稳状态、还是正常推进状态下姿态自主改变；根据综合判定结果，主系统模块按照“先重心位置调节模块后充气模块”的优先顺序进行控制，使得施救者能够始终保持最佳入水姿势。现假定液压传感器I(2-5)检测出水压P1，而位于后壳体(1-4)外表面下半部分左右两侧的液压传感器II(1-8)分别检测出水压P3和P4，则左右两侧的水压差ΔP＝P3-P4，来描述本例中可能用到的综合判定准则：

①当姿态与水压检测模块(2-1)检测到施救者左右平衡，P1、P3和P4均大于零，而ΔP等于零时，主系统模块(2-2)应判定施救者处于垂向下沉且浸没的紧急状态，所述电磁换向阀换向，使得所述充气通道进行切换，位于气囊储槽(3-12)内的两个气囊(3-2)同时被快速充气膨胀，同时挤开位于前壳体(1-1)两外侧的储槽盖板(2-3)，与外界水流接触，达到为施救者和溺水者快速提供额外浮力的目的，施救者头部浮出水面，同时溺水者也浮出水面。

②当姿态与水压检测模块(2-1)检测到施救者姿态左右平衡，P1等于零P3和P4均不等于零，主系统模块(2-2)应判定施救者处于正常推进状态(如图8所示)；

③当姿态与水压检测模块(2-1)检测到施救者姿态左倾或右倾，P1等于零，P3和P4均≤2205Pa，|ΔP|≤500～600Pa，主系统模块(2-2)应判定施救者处于正常转向状态，充气模块不动作。

④当姿态与水压检测模块(2-1)检测到施救者姿态左倾(如图9所示)或右倾(如图10所示)，P1等于零，P3和P4均≤2205Pa，|ΔP|≥600Pa，主系统模块(2-2)应判定施救者处于正常大幅转向状态，充气模块不动作。(注：2205Pa为施救者与水平面呈65°时液压传感器II的值)

⑤当姿态与水压检测模块(2-1)检测到施救者姿态左倾或右倾，P1等于零，P3和P4均>2205Pa，|ΔP|≥800Pa(完全倾覆相差为1200Pa)，主系统模块(2-2)应判定施救者处于正常大幅转向状态，施救者具有一定的倾覆潜在危险，应适度调整姿态；主系统模块(2-2)报警，充气模块等待进一步动作指令。

⑥当姿态与水压检测模块(2-1)检测到施救者姿态左倾或右倾，P1>0，P3和P4均>2205Pa，|ΔP|≥1000Pa，主系统模块(2-2)应判定施救者处于极端左倾覆(如图12所示)或右倾覆(如图13所示)状态，主系统模块(2-2)报警，驱动转向模块停止工作，充气模块按如下情况动作：

当ΔP>0，则两侧气囊(3-2)快速充气膨胀，但左侧气囊(3-2)膨胀体积相对(右侧气囊)较大，迅速消除极端左倾覆(如图12所示)状态；

当ΔP<0，则两侧气囊(3-2)快速充气膨胀，但右侧气囊(3-2)膨胀体积相对(左侧气囊)较大，迅速消除极端右倾覆(如图13所示)状态。

⑦当姿态与水压检测模块(2-1)检测到施救者姿态左倾或右倾，P1>0，P3和P4均<2205Pa，|ΔP|≤900Pa，主系统模块(2-2)应判定施救者处于左倾覆或右倾覆状态，主系统模块(2-2)报警，驱动转向模块停止工作，充气模块按如下情况动作：

当ΔP>0，则左侧气囊(3-2)充气膨胀，迅速消除左倾覆状态；

当ΔP<0，则右侧气囊(3-2)充气膨胀，迅速消除右倾覆状态。

⑧当P1→0，P3↓P4↓，且P3、P4均小于2205Pa，|ΔP|→500～600Pa时，则主系统模块(2-2)综合判定为紧急状态消除(溺水者脱离溺水状态并从极端挣扎恐惧的状态转入平静后)，则所述电磁换向阀复位，气囊(3-2)向外界大气适当排气以部分回缩，此时总浮力(施救者、溺水者和本装置)和总重力(施救者、溺水者和本装置)相平衡，储槽盖板(2-3)在弹性元件的弹力作用下逐渐闭合；此时，本装置在水中的浮力降低，前行阻力减小，以便施救者带溺水者迅速返回岸边接受治疗。值得说明的是，在施救过程中，施救者也可主动地控制气囊(3-2)预先充气，并根据情况和自身状态灵活地控制气囊(3-2)排气，以减少阻力。

5、当姿态与水压检测模块(2-1)检测到施救者姿态左倾或右倾，P1、P3和P4均等于零，判断救援者已在岸上。

本发明的有益之处在于：

1、本装置配置了驱动转向模块，为施救者往返施救水域提供了驱动动力，故省力方便；2、本装置可根据施救者水中姿态动作控制施救者在水中的推进速度和方向，一方面使得本装置操作简单，灵活易用；另一方面可解放施救者四肢，使得施救者可以灵活地用双手脱困(如规避水面漂浮物，自我施救)，或者四肢辅助划动，节能经济之余，还提高了救援响应速率；

3、基于施救者姿态与状态，综合进行气囊充排气控制和重心位置调节，可使得施救者能够始终保持最佳入水姿势。

4、所述壳体具有子弹头状流线外型，且本装置无需额外配置配重块，可实现小阻力、低功耗地快速推进。

5、施救时，本装置主系统模块能够借助姿态与水压检测模块反馈的信号综合判定施救者是否遭遇险情，并利用充气模块及时为施救者提供单侧或双侧的额外浮力，防止施救者因体力透支、溺水人恐慌挣扎而导致溺亡；但当施救结束后，本装置又能够综合判定施救完成状态，使得气囊(3-2)部分回缩，已达到总浮力(施救者、溺水者和本装置)和总重力(施救者、溺水者和本装置)相平衡的状态，此时前行阻力最小，便于快速返回陆地；

6、本装置为有人值守式救援装置，灵活度高。

综上所述，本发明优点在于提供一种操作简单、便携、响应快速、省力的水面救援装置，从而大大提高救援的安全性和效率。

Claims (10)

1.一种水面救援装置，包括壳体、驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块、主系统模块、背架、电源模块、重心位置调节模块，其特征在于：

所述壳体包括前壳体和后壳体，其中：

所述前壳体和后壳体通过卡扣紧密扣合；所述卡扣的配合面间垫入密封橡胶圈；所述壳体具有子弹头状流线外型；

所述壳体内部空间被纵横布置的隔板分隔为前腔、后腔和中腔，其中：所述前腔内填充有低密度的物质；在所述前壳体两外侧表面上且与所述中腔相对应的位置处对称地开设气囊储槽；

所述充气模块包括储气瓶、气囊、气压传感器、电磁换向阀、单向阀，用于向给定气囊充放气和保压，以实时提供与施救者自身负重情况和自身状态相匹配的浮力，其中：所述储气瓶填充压缩气体，为所述充气模块提供高压气源；在所述气囊储槽内各设置一个所述气囊；所述储气瓶、气压传感器、单向阀、电磁换向阀、气囊通过气管顺次连接；所述电磁换向阀用于启闭所述气囊的充气通道和向外排气通道；

所述气囊在初始状态下被储槽盖板覆盖；所述储槽盖板活动地铰接于前壳体上；所述储槽盖板在所述气囊处于压缩状态时呈闭合状态；

所述电源模块包括电池组、控制电路，用于向所述驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块、主系统模块、重心位置调节模块供电；

所述背架包括背带、背板，其中：所述背板与所述壳体固接；所述背带与所述背板固接；所述背带用于施救者双肩背负携带；

所述驱动转向模块包括推进电机、螺旋桨、舵片、转向电机，用于施救者在水中推进和转向，其中：所述推进电机置于所述后腔中，其输出轴密闭且活动地穿过所述后腔的壳壁，与所述螺旋桨固接；所述螺旋桨用于推动所述水面救援装置在水中前进；所述螺旋桨外设置有保护罩；所述保护罩固接于所述后壳体上；

所述转向电机安放在所述保护罩尾部上方；所述舵片设置于所述保护罩内且位于所述螺旋桨的正后方；所述转向电机通过减速器与所述舵片动力连接，用于带动所述舵片左右摆动，以改变前进方向；

所述姿态与水压检测模块包括姿态传感器、设置于所述前壳体外表面上半部的液压传感器I、以及对称设置于所述后壳体外表面下半部左右两侧的液压传感器II，用于实时监测施救者在水中的姿态参数及其变化趋势、施救者特定部位的水压变化情况；

所述主系统模块包括CPU、电机调速模块，用于系统状态初始化、状态自检与报警、数据采集分析、状态逻辑判断、基于施救者姿态参数的水下推进速度与方向控制、基于施救者姿态与状态的气囊充排气控制、基于施救者姿态与状态的重心位置调节；所述主系统模块与所述驱动转向模块、充气模块、姿态与水压检测模块、重心位置调节模块电性连接；

所述重心位置调节模块，用于自动调节所述电源模块相对于所述壳体的相对位置。

2.根据权利要求1所述的一种水面救援装置，其特征在于：所述电磁换向阀采用两位三通电磁换向阀和三位四通电磁换向阀；位于所述前壳体左、右两侧的所述气囊分别与各自相对应的气囊连接气管的一端相连；所述气囊连接气管的另一端密闭地穿过所述前壳体的壳体壁向所述中腔延伸，并经由所述左、右侧气囊各自相对应的气压传感器II，再分别与所述三位四通电磁换向阀的工作口相连接；所述三位四通电磁换向阀的压力口与所述两位三通电磁换向阀的工作口相连接；所述三位四通电磁换向阀的泄压口与外界大气相通；所述储气瓶、气压传感器I、单向阀、两位三通电磁换向阀的压力口通过气管顺次连接；所述两位三通电磁换向阀泄压口与外界大气相通。

3.根据权利要求1所述的一种水面救援装置，其特征在于：所述重心位置调节模块采用丝杆式十字滑台机构；所述丝杆式十字滑台机构由X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构叠加组合而成，其中：所述X向和Y向丝杆式滑台调节机构各包括一套调节电机、导轨体、螺母、丝杆、滑块；Y向所述导轨体固接于所述壳体的内衬板上；所述X向和Y向丝杆式滑台调节机构中的两螺母分别与所述电池组和X向所述导轨体固接；X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构中的两滑块分别固设于所述电池组和X向所述导轨体上；所述X向丝杆式滑台调节机构和Y向丝杆式滑台调节机构中的两调节电机分别在X向所述导轨体和Y向所述导轨体被固定；所述调节电机分别带动所述丝杆，使得固设在所述电池组和X向所述导轨体上的滑块分别相对于X向所述导轨体和Y向所述导轨体直线往复移动。

4.根据权利要求1所述的一种水面救援装置，其特征在于：所述主系统模块还包括下水报警模块；所述下水报警模块包括电容式触发器和北斗定位系统；所述电容式触发器设置在所述螺旋桨附近，遇水则启动北斗定位系统的短发报功能，以向当地医疗部门发送医疗救护请求和提供位置信息。

5.根据权利要求1所述的一种水面救援装置，其特征在于：在所述储气瓶的出气口采用快速接头与气管连接。

6.根据权利要求1所述的一种水面救援装置，其特征在于：所述前壳体上设置有凸台；所述前壳体与所述背板通过所述凸台连接；所述凸台开设有过流孔。

7.根据权利要求1所述的一种水面救援装置，其特征在于：所述背板上开有减重槽；在所述背板正前方设置有把手。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种水面救援装置，其特征在于：当施救者按正常方式双肩背负携带所述水面救援装置入水后，在自然稳定状态下，处于最佳入水姿势，即施救者达到左右平衡，同时施救者颈部以上部位在自然状态下露出水面，且所述背板所在平面与水平面呈35～45°夹角。

9.根据权利要求8所述的一种水面救援装置，其特征在于：所述气囊在初始状态下呈完全压缩状态；所述气囊在极端左、右倾覆状态下呈不对称膨胀状态，所述气囊在垂向下沉状态下呈对称膨胀状态，为施救者提供额外上浮力；所述气囊在施救时正常推进状态下呈部分充气状态，以平衡施救者自身负重，使得施救者以所述最佳入水姿势向前推进；所述气囊在施救后正常推进状态下会继续充入一定气体，但仍处于未充满状态，以平衡施救者自身负重和溺水者负重，同时降低在水中推进时的阻力；所述气囊在施救后上岸状态下呈完全压缩状态。

10.根据权利要求8所述的一种水面救援装置，其特征在于：当施救者背负所述水面救援装置入水后处于所述最佳入水姿势时，所述液压传感器I的水压测点处于过施救者鼻翼的水平面内，用以检测施救者头部附近区域的水压变化；而所述液压传感器II的水压测点处于过施救者胸部的水平面内，用于检测施救者入水后胸部左右两侧区域的水压变化及压差。