CN108928448B - 一种水面救援装置及施救者姿态状态操控方法 - Google Patents

Abstract

与一种水面救援装置配套使用的施救者姿态状态操控方法，包括如下步骤：系统自动激活、初始化与报警、姿态首次纠偏、施救前正常向前推进状态维持与姿态操控推进、正常驻水施救状态切换、近距离驻水施救与正常驻水施救状态维持、施救后正常共同返航状态切换与姿态操控推进、系统自动延时关闭；所述操控方法利用施救者姿态、水压、压差，及其变化趋势，来判定施救者状态；所述水面救援装置采用重心位置调节模块、配重调节模块和充气模块根据判定结果调节重力、浮力和重心位置。本发明实施过程简单，经济适用，响应快速、省力安全；该方法既能够辅助救援人员高效省力地到达救援地点，又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。

Description

一种水面救援装置及施救者姿态状态操控方法

技术领域

本发明涉及一种水面救援装置及施救者姿态状态操控方法，尤其涉及一种省力安全的施救者双肩背负式水面救援装置及施救者姿态状态操控方法。

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，以及与该水面救援装置配套使用的既能够辅助救援人员高效省力地到达救援地点(节省体力)，又能够确保施救者自身安全的提前下展开科学可靠的施救工作姿态操控(即利用施救者在水中的身体姿态操控该水面救援装置向前推进与转向，同时实时控制施救者在施救过程中总体浮力、总体重力和总体重心的位置，以使得施救者始终保持最佳在水姿态)的方法。

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(如发生溺水者失去意识或被水下物体缠绕受困等突发情况时，则无法进行有效救援)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(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，或提供一种该水面救援装置配套使用的既能够辅助救援人员高效省力地到达救援地点(节省体力)，又能够确保施救者自身安全的提前下展开科学可靠且灵活自如的施救工作的姿态操控(即利用施救者在水中的身体姿态操控该水面救援装置向前推进与转向，同时实时控制施救者在施救过程中总体浮力、总体重力和总体重心的位置，以使得施救者始终保持最佳在水姿态)方法，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、配重调节模块，其特征在于，

所述壳体内部空间被分隔为前腔、后腔和中腔，其中：所述前腔内填充有低密度的物质；所述充气模块包括对称设置于所述壳体左右外侧表面上的气囊；

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，其中：所有姿态传感器用于检测施救者的姿态参数；所述液压传感器I用以检测施救者头部附近区域的水压变化；所述液压传感器II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、电容式触发器、北斗定位系统，其中：所述电容式触发器设置在所述壳体上，遇水则激活启动所述水面救援装置；所述主系统模块的功能包括下水自动激活、系统初始化和报警、数据采集分析、状态逻辑判断、基于施救者姿态参数控制水下推进速度与方向、基于施救者状态控制气囊充排气、基于施救者状态调节内部零部件的重心位置、基于施救者状态调节配重大小及其重心位置、上岸自动延时关闭；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、配重调节模块电性连接；

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水面救援装置内部零部件和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水面救援装置内部零部件和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，使得固设在所述水面救援装置内部零部件和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；

所述配重调节模块包括储水罐、注排水泵，其中：所示储水罐对称地固设于所述中腔内部的左右两侧；注排水泵用于向储水罐注排水液。

作为优选，所述主系统模块的报警功能包括系统报警与远程报警功能。

与所述水面救援装置配套使用的一种施救者姿态状态操控方法，其步骤如下：

步骤一：系统自动激活、初始化与报警；当施救者双肩背负携带所述水面救援装置尽量以最佳入水姿态入水后，系统自动激活，并进行系统初始化；若系统初始化成功，则进入步骤二，否则，所述水面救援装置报警，施救者应停止使用；

步骤二：在水姿态首次纠偏；主系统模块进行首次数据采集分析工作，包括采集分析姿态与水压检测模块的输出信号；主系统模块结合采集数据，分析姿态是否达到最佳在水推进姿态，且施救者状态是否正常；如是，则进入步骤三；若否，所述水面救援装置通过调节自身重力、浮力和重心位置，使得施救者能够始终保持最佳在水推进姿态，并进入步骤三；

步骤三：施救前正常向前推进状态维持与姿态操控推进；主系统模块启动驱动转向模块，使得所述水面救援装置逐渐达到经济推进速度；在施救前正常向前推进状态下，当施救者保持最佳在水推进姿态不变时，所述水面救援装置默认以经济推进速度匀速前进，而当需要操控推进速度和方向时，施救者主动变换在水姿态进行控制；

当主系统模块检测到施救者状态发生被动改变，驱动转向模块停止工作，所述水面救援装置通过调节自身重力、浮力和重心位置，使得施救者能够恢复到施救前正常向前推进状态，并始终维持最佳在水推进姿态；

当检测到施救者状态主动改变为正常驻水施救状态，则进入步骤四；

当检测到施救者状态主动改变为上岸状态，则进入步骤七；

步骤四：正常驻水施救状态切换；主系统模块关闭驱动转向模块，所述水面救援装置通过调节自身重力、浮力和重心位置，使得施救者切换至正常驻水施救状态，并获得最佳驻水施救姿态，同时转入步骤五；

步骤五：近距离驻水施救与正常驻水施救状态维持；驻水近距离救援阶段过程中，当主系统模块检测到施救者状态发生被动改变，所述水面救援装置通过调节自身重力、浮力和重心位置，使得施救者恢复至最佳驻水施救状态，并获得最佳驻水施救姿态；

当检测到施救者将最佳驻水施救状态主动向施救后正常共同返航状态改变，且该状态持续一定时间时，则转入步骤六；

步骤六：施救后正常共同返航状态切换与姿态操控推进；与步骤三类似，所述水面救援装置通过调节自身重力、浮力和重心位置，使得施救者能够恢复到施救后正常共同返航状态，并始终维持最佳在水推进姿态；主系统模块再次开启驱动转向模块；在施救后正常共同返航状态下，施救者利用在水姿态参数控制所述水面救援装置的水下推进速度与方向；

当检测到施救者状态主动改变为上岸状态，则进入步骤七；

步骤七：系统自动延时关闭；所述水面救援装置激活自动延时关闭功能，同时在关闭前进行系统自检，若自检异常，则所述水面救援装置报警。

作为优选，步骤二、三、五和六中，主系统模块按照“先重心位置调节模块、再配重调节模块、后充气模块”的顺序进行调节控制，以分别使得施救者能够始终保持最佳在水推进姿态、使得施救者能够恢复到施救前正常向前推进状态、使得施救者恢复至最佳在水推进姿态、以及使得施救者能够恢复到施救后正常共同返航状态；

作为优选，步骤四中，主系统模块按照“先重心位置调节模块、再充气模块、后配重调节模块”的顺序进行调节控制，使得施救者切换至正常驻水施救状态；

作为优选，步骤三中，在施救前正常向前推进状态下，施救者在水中主动作出前倾、后仰、左倾、右倾的姿态动作，且被姿态与水压检测模块检测出给定范围内的相对最佳在水推进姿态变化量后，主系统模块相应地控制推进电机加速或减速转动、控制转向电机带动舵片向左或向右转动。

作为优选，与水面救援装置配套使用的一种施救者姿态状态操控方法，其特征还在于，所述水面救援装置利用重心位置调节模块、配重调节模块和充气模块以调节控制自身重力、浮力和重心位置，其中：所述充气模块用于向给定气囊充放气和保压；所述重心位置调节模块，用于自动调节所述水面救援装置内部的零部件相对于所述壳体内部的相对位置；所述配重调节模块用于向给定的储水罐注排水液，以调节配重大小和重心位置。

作为优选，与水面救援装置配套使用的一种施救者姿态状态操控方法，其特征还在于，利用施救者在水中的姿态变化量、施救者入水后特定部位的水压及其压差，姿态、水压、压差的变化趋势，来综合判定施救者的状态。

更为优选，所述姿态变化量为相对于最佳姿态的相对变化量，Δα、Δβ、Δγ；

更为优选，所述水压值包括施救者头部附近区域的水压P1、施救者胸部左右两侧区域的水压P3和P4；所述水压压差为施救者胸部左右两侧区域的水压差ΔP＝P3-P4；姿态、水压、压差的变化趋势参数t；

更为优选，施救者各状态的判断准则为：

当姿态与水压检测模块检测到Δα＝0、Δβ＝0、Δγ＝0，P1、P3和P4均大于零，而ΔP等于零，t≥t0时，主系统模块应判定施救者处于垂向浸没状态；

当姿态与水压检测模块检测到Δα<30°、Δβ<10°、Δγ<30°，P1等于零、P3和P4均≤2205Pa，800Pa≥|ΔP|≥300Pa，t≥t0时，主系统模块应判定施救者处于施救前后正常推进状态；

当姿态与水压检测模块检测到Δα＝0、Δβ>10°、Δγ＝0，P1等于零，P3和P4均<2205Pa，900Pa≥|ΔP|≥800Pa，t≥t0，主系统模块应判定施救者处于失稳状态；

当姿态与水压检测模块检测到Δα＝0、Δβ>30°、Δγ＝0，P1>0，P3和P4均<2205Pa，1200Pa≥|ΔP|≥900Pa，t≥t0，主系统模块应判定施救者处于极端倾覆状态；

当姿态与水压检测模块检测到Δα、Δβ、Δγ为任意值，P1、P3和P4均等于零，t≥t0，主系统模块应判定救援者处于上岸状态；

其他为过渡状态。

作为优选，t0＝3～5s。

本发明优点在于提供一种可应用于水面救援装置的施救者在水施救过程中姿态与状态的操控方法；该方法实施过程简单，经济适用，响应快速、省力安全；该操控方法既能够辅助救援人员高效省力地到达救援地点(节省体力)，又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。

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中气液控制原理图。

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14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垂向浸没状态效果图。

图15为所述水面救援装置工作时绝对坐标系与姿态传感器坐标系的相互关系示意图。

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；2-6储水罐；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、6-1注排水孔；6-2排气孔。

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15为一种救援装置的技术方案说明图。

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、配重调节模块，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)；为了增加所述水面救援装置整体气密性，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；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)；

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)、配重调节模块、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；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)；

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舵片(3-8)转动角度和螺旋桨(3-7)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：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，使得所述水面救援装置获得前进推力；本例中，更为具体地，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，使得所述水面救援装置转换前进方向；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)；

一般而言，在所述水面救援装置设计制造之初，可以采用如下的设计经验，使得所述水面救援装置具有较好的流体动力学性能和平衡性：

1、为了增加所述水面救援装置的初始浮力，使得施救者肩负所述水面救援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；此外，在背板(1-6-2)上开设有多道减重槽(1-6-2-1)以降低所述水面救援装置重量；

2、为了减少所述水面救援装置在水中运行的阻力，所述壳体具有子弹头状流线外型；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)

3、给定参照标准，设计所述水面救援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，合理调节所述水面救援装置自身初始浮力(设计所述泡沫块的尺寸)；

4、合理规划布置所述水面救援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，如图4所示，具有高密度的电池组(3-5)，以及较高密度的推进电机(3-6)均置于后腔(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)位于所述水面救援装置尾部；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，使得所述水面救援装置自身头轻尾重；当标准施救者双肩背负携带所述水面救援装置入水后，在初始状态下尽量使得总体重心(施救者和所述水面救援装置一起)位于施救者腰腹后部；

5、集成化设计和分区放置，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。

6、合理设计所有零部件外形尺寸，以便使其尽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、电源模块关于螺旋桨(3-7)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所述水面救援装置入水后在初始状态下保持基本的左右平衡。

然而，考虑到实际施救过程中施救者与前述参照标准(以下简称为标准施救者)在体型、体重、身高、人体密度和重心位置等方面存在一定差异，或者考虑到施救者左右两侧实际负重在施救前后可能发生变化(如施救者前往溺水者附近区域时可能需要单手持握额外的辅助救援装备(如救生绳等)，施救完成后施救者可能会托举失去意识的溺水者返航)，以及考虑到施救者姿态状态在施救前后可能突发改变，因此所述水面救援装置采用重心位置调节模块、充气模块、配重调节模块，上述三个模块协同工作，以实现在实际施救过程中施救者总体浮力、总体重力、总体重心位置可实时调节。

在介绍所述三个模块的技术特征之前，有必要对实际施救过程中施救者处于的如下工作阶段进行介绍：

1、入水阶段。施救者双肩背负本水面救援装置下水，此时要求施救者尽量平稳快速地下水，以减少不必要的调整纠偏的时间；下水前，所述水面救援装置处于初始工作状态(未通电工作)；

2、施救前向前推进阶段。下水后，当施救者未遇险情，且自身状态平稳正常。此时，施救者会快速向溺水者附近水域推进，以争取施救时间；

3、驻水近距离救援阶段。当施救者推进至溺水者附近水域时，所述水面救援装置应逐渐减小推进速度及至停止，然后由施救者自主游动至最佳位置(如溺水者身后)展开驻水近距离救援，以便科学高效地施救；

4、施救后共同返航阶段。当完成驻水近距离救援完，若施救者未遇险情，且自身状态平稳，同时溺水者获救也处于平静状态时，施救者会托举溺水者向安全地点快速推进，以争取医疗救助的时间；

5、上岸阶段。当施救者与溺水者抵达安全地点后，便转入上岸阶段。

在上述工作阶段中，施救者可能出现的姿态介绍如下：

1、最佳入水姿态。在入水阶段，施救者存在一个最佳入水姿态；例如，按照泳池的标准入水要求，施救者应双手高高抬起伸直，然后双手前后合拢；上半身做“鞠躬”状动作，双手并紧后指尖对准水面，双腿略弯曲站立；双手先入水，双脚最后入水，身体保持平直且缓和地入水。这样一来，可使得所述水面救援装置快速地平衡，避免不必要地激活启动充气模块等，以节省能源；

2、最佳在水推进姿态。在施救前向前推进阶段和施救后共同返航阶段，均存在最佳在水推进姿态。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)，若施救者达到左右基本平衡(左右侧身体偏角小于5°)，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在水推进姿态。此时，推进阻力最小，推进速度最高，能耗最小。

3、最佳驻水施救姿态。驻水近距离救援阶段，均存在最佳驻水施救姿态。根据常识可知，当施救者赶赴至溺水者附近水域后，施救者一般应缓慢游动至溺水者身后，随后施救者四肢施加外力，自主抬起身体，以便从背后环抱住溺水者，此时存在一个最佳驻水施救姿态，使得施救风险小，且施救成功率高；本例中，假定施救者在自然稳定状态下(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)左右基本平衡，且背板(1-6-2)所在平面与水平面呈80～90°夹角，即为最佳驻水施救姿态。

所述最佳入水姿态、最佳在水推进姿态、最佳驻水施救姿态统称为最佳姿态；

根据施救者的姿态参数及其变化趋势，以及结合水压等其他参数数据，可以判断出施救者所处的状态：

1、正常状态。以上述三种最佳姿态为基准参照，当施救者主动作出(如施救者想通过如图9所示相对于最佳在水推进姿态的略微左倾斜或图10所示的略微右倾斜以控制推进的方向时)或被动引发(如水浪、湍流、风力作用)其姿态发生改变时，其姿态参数会相对最佳姿态发生上下波动，当波动幅度和频率仍处于合理范围内，且施救者头颈部位于水面以上时，则认为施救者处于正常状态，包括正常入水状态、施救前正常向前推进状态、正常驻水施救状态、施救后正常返航推进状态；施救前正常向前推进状态和施救后正常返航推进状态统称为施救前后正常推进状态；

2、紧急状态。施救前向前推进阶段、驻水近距离救援阶段和施救后共同返航阶段，可能存在如下三种紧急状态：

①极端左倾覆状态。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。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(左侧身与水平面角度小于15°)时，此时施救者因左侧鼻孔浸没水中，故处于呛水的紧急状态；

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(右侧身与水平面角度小于15°)时，类似地，此时施救者因右侧鼻孔浸没水中，故同样处于呛水的紧急状态；

③垂向浸没状态。若施救者发生体力耗尽、抽搐、昏迷等突发症状，或受溺水者垂直向下的拖拽力作用下，此时，施救者会迅速垂向下沉，并有没顶趋势，导致施救者处于如图14所示的垂向浸没状态；

3、失稳状态。以上述三种最佳姿态为基准参照，当施救者主动作出(如通过其姿势的相对倾斜以控制推进速度和方向，但动作过大)或被动引发(如昏迷、抽搐等突发事件)其姿态发生大幅度改变时，其姿态参数会相对最佳姿态发生剧烈波动，当波动幅度和频率超出合理范围，但施救者头部仍位于水面以上时，则认为施救者处于失稳状态；

4、上岸状态。在上岸阶段末期，当施救者垂直站立，且无任何水压作用时，即处于上岸状态，此时所述水面救援装置重新处于初始工作状态。

5、过渡状态。其他未能准确描述，非稳态状态。

为了使得施救者在各工作阶段保持最佳在水姿态，所述水面救援装置采用了重心位置调节模块、充气模块、配重调节模块协同工作，现一一介绍其技术方案如下：

1、重心位置调节模块。重心位置调节模块用于自动调节所述水面救援装置内部元器件(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)相对于壳体内部的平面位置；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)相对于壳体内部的平面位置。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，同时增加了所述水面救援装置的灵活性和适用范围。

2、充气模块。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，以在施救者处于不同状态下实现气囊的不同充盈状态，继而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；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；

本例中，更为具体地，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。

3、配重调节模块，包括储水罐(2-6)、注排水泵(本例中选用微型双向变量水泵)、注排水控制阀、排气孔、注排水孔，其中：储水罐(2-6)可采用钢质胶囊形罐体，两个储水罐(2-6)对称地设置于中腔内部的左右两侧(如图3所示)，且分别与中腔内部左右两侧壁固接，用于存储外界水液以调节中腔内部左右两侧的配重大小；储水罐(2-6)顶部开设有进排气口，底部开设有注排水口；注排水孔(6-1)开设于后壳体下部表面且靠近保护罩处，当施救者携带所述水面救援装置入水后，注排水孔(6-1)位于水面下；排气孔(6-2)设置于前壳体(1-1)顶部，与外界大气相通；注排水控制阀用于启闭向储水罐内注排水的液流通道；注排水孔(6-1)、注排水泵、注排水控制阀、储水罐(2-6)的注排水口通过管路依次相连；储水罐(2-6)的进排气口与排气孔相连，进而使得进排气口与外界大气相连通；更为具体地，如图7所示，注排水控制阀采用两位两通电磁换向阀(默认状态处于左位)；

作为优选，为了防止进排气孔在储水罐排水进气时从外界吸入水液，进排气口通过进排气切换控制阀可实现选择性地与排气孔或与储气瓶相连通；在进排气切换控制阀与排气孔连通构成的排气通道之间加入一个防止水液向进排气切换控制阀内逆流的单向阀。本例中，更为具体地，进排气切换控制阀采用如图7所示的三位四通电磁换向阀(默认处于中位状态)；两个储水罐的进排气口分别与三位四通电磁换向阀的工作口A和B口相连通；三位四通电磁换向阀的泄压口S口通过单向阀和排气孔(6-2)相连通，三位四通电磁换向阀进气口P口依次与电磁节气阀、单向阀、气压传感器、储气瓶(2-4)连接。值得说明的是，尽管排气孔(6-2)有被外界水流浸没的可能，但将三位四通电磁换向阀置于左位或右位，即相应地向左端或右端储水罐(2-6)内注入较高压气体，也可从注排水孔(6-1)顺利排水；

作为优选，进排气切换控制阀与储气瓶(2-4)连通构成的进气通道之间加入一个用于减压调速的节气阀(本例中选用电磁节气阀)，以防止储气瓶内气压过高损坏管路；

作为优选，为了保护注排水泵，在注排水泵和注排水控制阀之间的液流通道上旁支出由安全阀构成的安全回路；

作为优选，考虑当施救者遭遇紧急状态时，注排水泵的排水效率会阻碍降低配重和增加浮力的快速实现，在注排水控制阀和储水罐(2-6)之间的液流通道上旁支出由溢流阀(本例中选用电磁溢流阀)构成的泄流回路；在后壳体下部表面且靠近注排水孔(6-1)处增设大口径的泄流孔，且所述泄流孔与所述溢流阀的溢流口相连接。这样一来，紧急状态下，当启动注排水控制阀使得储水罐(2-6)向外排水的同时向内充入较高压气体(储气瓶输送)时，高压气体作用于储水罐(2-6)内液流液面上，由于注排水泵排水效率的限制，导致储水罐(2-6)内水液产生增压效果(如储水罐内水压从1000Pa急剧增加至12000Pa)，使得储水罐(2-6)借助泄流孔向外辅助泄流，以提高降低配重的速度；

更为具体地，本例中，所述注排水控制阀、进排气切换控制阀、气压传感器、节流阀、注排水泵与主系统模块(2-2)电连接。

为了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入水后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主系统模块(2-2)，所述水面救援装置还采用了姿态与水压检测模块(2-1)，其包括姿态传感器(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。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，当施救者背负所述水面救援装置入水后处于如图8所示最佳在水推进姿态时，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)除了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)、电容式触发器和北斗定位系统等主要元器件以外，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)；所述电容式触发器设置在所述壳体上，遇水则激活启动所述水面救援装置；更为具体地，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)；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、配重调节模块电性连接；主系统模块(2-2)的主要功能包括：

1、下水自动激活。当施救者发现有人落水呼救后，施救者肩负所述水面救援装置入水；一旦位于螺旋桨附近的电容式触发器遇水，便激活启动所述水面救援装置；

2、系统初始化、报警。系统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，以及包括电量、北斗定位系统连接情况、储气瓶压力、气囊储气余量、舵片位置、电池组位置自检等；

报警包括系统报警与远程报警，其中：

①系统报警；当发生电量不足、渗水、北斗定位系统连接失败、储气瓶压力不足、进入紧急状态、驱动转向模块卡死等情况时，系统报警提示；

②远程报警；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。

3、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；

4、状态逻辑判断，包括：综合判定施救者是否处于紧急状态，还是处于正常状态；判定姿态的改变是否为施救者主动作出；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)；

5、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；

6、基于施救者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，控制所述充气模块的电磁换向阀得失电，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。

7、基于施救者状态调节所述水面救援装置内部零部件的重心位置。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)，小范围地调节所述水面救援装置的重心位置，使得施救者尽量达到左右平衡的目的。

8、基于施救者状态调节配重大小及其重心位置。当判定施救者处于紧急状态、或处于左右失稳状态时，控制所述配重调节模块的电磁换向阀得失电，向给定储水罐充排水，以大范围地改变所述水面救援装置的重心位置；同时配合所述充气模块，大范围地调节所述水面救援装置的浮力。

9、上岸自动延时关闭。当施救者托举溺水者返回安全地带，系统检测出上岸状态后，所述水面救援装置激活自动延时关闭功能。

综上来看，如图1所示的水面救援装置系一种施救者双肩背负式水面救援装置，即广义上的有人式水面救援装置。

为了进一步清楚地说明与如图1所示水面救援装置配套使用的一种施救者姿态状态操控方法，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)。

一种施救者姿态状态操控方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：系统自动激活、初始化与报警；当施救者双肩背负携带所述水面救援装置尽量以最佳入水姿态入水后，系统自动激活，并进行系统初始化；若系统初始化成功，则进入步骤二，否则，所述水面救援装置报警，施救者应停止使用；

步骤二：在水姿态首次纠偏；由于施救者个体存在差异性(相对于标准施救者)和负重的差异性，以及入水姿态的差异性(相对于最佳入水姿态)，导致施救者携带所述水面救援装置入水后其姿态存在动态调整；尽管在水姿态会最终缓慢达到稳定，但并非总是处于最佳状态，并获得最佳在水推进姿态。为了尽快进入施救前向前推进阶段，需要在上述调整过程中及时进行姿态的首次纠偏，其具体过程为：主系统模块(2-2)进行首次数据采集分析工作，包括采集分析姿态与水压检测模块(2-1)的输出信号；主系统模块(2-2)结合采集数据，分析姿态是否达到最佳在水推进姿态，施救者状态是否正常；如是，则进入步骤三；若姿态或状态超出合理范围，则主系统模块按照“先重心位置调节模块、再配重调节模块、后充气模块”的顺序进行控制，使得施救者能够始终保持最佳在水推进姿态，并进入步骤三；

值得解释说明的是，重心位置调节模块、配重调节模块、充气模块三者的调节能力和范围、调节效果、调节精度、调节后的影响、调节原理各异；综合来说，重心位置调节模块调节能力和范围较低(仅能调节所述水面救援装置内部零部件的相对位置，但无法调节配重和浮力大小)，调节精度最高，对行进速度和能耗基本无负面影响；配重调节模块调节范围一般，调节精度较高，可适当调节左右配重和浮力大小，但由于该模块被设置于装置内部，对行进速度和能耗影响较小；虽然充气模块调节范围较大，然而，充气模块调节装置重心是通过增加设置于壳体两外侧的气囊体积，且因气囊为大变形软材料势必会增加与水面接触面积，故对行进速度、能耗和调节精度影响较大。综合上述考虑，步骤二中一般先开启重心位置调节模块进行调节，再利用配重调节模块快速降低入水后所述水面救援装置的浮力(安全起见，所述水面救援装置初始状态下浮力设计一般过剩)，如有必要的情况下，才使用充气模块增加浮力。

步骤三：施救前正常向前推进状态维持与姿态操控推进；主系统模块(2-2)启动驱动转向模块的推进电机(3-6)，使得所述水面救援装置逐渐达到经济推进速度；在施救前正常向前推进状态下，当施救者保持最佳在水推进姿态不变时，所述水面救援装置默认以经济推进速度匀速前进，而当需要操控推进速度和方向时，施救者主动变换在水姿态进行控制(类似于陆地上的两轮平衡车)；具体而言，在施救前正常向前推进状态下，施救者在水下利用姿态操控所述水面救援装置的推进速度和方向，即施救者在水中主动作出略微前倾、后仰、左倾、右倾的姿态动作，且被姿态与水压检测模块(2-1)检测出如表1所示范围内的相对最佳在水推进姿态变化量后，主系统模块相应地控制推进电机(3-6)加速或减速转动、控制转向电机(4-1)带动舵片(3-8)向左或向右转动。

本例中，定义姿态相对变化量Δα、Δβ、Δγ分别为姿态传感器坐标系下绕x、y、z轴的旋转角度，顺时针为正，逆时针为负；所示姿态传感器坐标系的定义为：施救者双肩背负本水面救援装置处于最佳姿态时，y轴正向垂直于所述水面救援装置背板；x轴平行于水平面；z轴与所述水面救援装置螺旋桨轴线重合；绝对坐标系XYZ采用如图15所示的大地坐标系；测量时，当最佳姿态限定为如图15所示的最佳在水推进姿态时，姿态传感器坐标系xyz进一步定义为如图15所示的最佳在水推进姿态下姿态传感器坐标系x₂y₂z₂，该坐标系下测得的姿态相对变化量Δα、Δβ、Δγ进一步定义为相对最佳在水推进姿态变化量Δα₂、Δβ₂、Δγ₂；

类似地，可定义相对最佳入水姿态变化量Δα₁、Δβ₁、Δγ₁，以及相对最佳驻水施救姿态变化量Δα₃、Δβ₃、Δγ₃；

值得补充说明的是，在施救前正常向前推进状态下，施救者双臂和双腿可自由划动，可增加水中前进速度；所述水面救援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；此外，由于是有人式操作，故纵使发生水面漂浮物卡住所述水面救援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。

表1相对最佳在水推进姿态变化量Δα₂、Δβ₂、Δγ₂与驱动转向模块推进转向控制关系表

表1中，姿态相对变化量Δα、Δβ、Δγ分别为如图15所示的姿态传感器坐标系下绕x、y、z轴的旋转角度，顺时针为正，逆时针为负；所示姿态传感器坐标系的定义为：施救者双肩背负本水面救援装置处于最佳在水推进姿态时，y轴正向垂直于所述水面救援装置背板；x轴平行于水平面；z轴与所述水面救援装置螺旋桨轴线重合；如图15所示定义绝对坐标系XYZ采用大地坐标系。本例中，α1＝-15°，α2＝15°，β1＝-5°，γ1＝0°，β2＝5°，γ2＝15°，γ3＝-15°。

当主系统模块(2-2)检测到施救者状态发生被动改变(如施救者姿态操控动作过大，转入紧急状态或失稳状态)，驱动转向模块停止工作，主系统模块按照“先重心位置调节模块、再配重调节模块、后充气模块”的顺序进行控制，使得施救者能够恢复到施救前正常向前推进状态，并始终维持最佳在水推进姿态；

当检测到施救者状态主动改变为正常驻水施救状态(如进入驻水近距离救援阶段)，则进入步骤四；

当检测到施救者状态主动改变为上岸状态(因某种突发状况提前返回安全地点)，则进入步骤七；

步骤四：正常驻水施救状态切换；主系统模块(2-2)关闭驱动转向模块，主系统模块(2-2)按照“先重心位置调节模块、再充气模块、后配重调节模块”的顺序进行控制，使得施救者切换至正常驻水施救状态，并获得最佳驻水施救姿态，同时转入步骤五；

值得解释说明的是，当施救者双肩背负本水面救援装置处于最佳驻水施救姿态时，浮力相对最小(身体与水体的接触面积最小)，施救者易因浮力不足而易发生左右失稳或垂直浸没。如前所述，重心位置调节模块虽然调节能力和范围较低，但考虑到对所述水面救援装置行进速度和能耗无负面影响，故最先启动；此后，再利用充气模块快速增加驻水时所述水面救援装置的浮力；考虑到充气模块调节精度的不足，最后再启动配重调节模块调节左右平衡。

步骤五：近距离驻水施救与正常驻水施救状态维持；驻水近距离救援阶段过程中，当主系统模块(2-2)检测到施救者状态发生被动改变(如施救者姿态操控动作过大，引起左右失稳状态)，转入紧急状态或失稳状态，主系统模块按照“先重心位置调节模块、再配重调节模块、后充气模块”的顺序进行控制，使得施救者恢复至最佳驻水施救状态，并获得最佳驻水施救姿态；

当完成近距离驻水施救后，且溺水者状态平稳，施救者可主动向前大幅度倾斜身体，将施救者姿态向最佳在水推进姿态调整，同时保持头颈部位于水面之上，当一定程度上接近最佳在水推进姿态，且该状态(即具有与最佳在水推进姿态相接近的姿态，且头颈部位于水面之上)持续一定时间时，则转入步骤六；

步骤六：施救后正常返航推进状态切换与姿态操控推进；本步骤与步骤三类似，主系统模块(2-2)按照“先重心位置调节模块、再配重调节模块、后充气模块”的顺序进行控制，使得施救者能够恢复到施救后正常返航推进状态，并始终在自然状态下维持最佳在水推进姿态；主系统模块(2-2)再次开启驱动转向模块；在施救后正常返航推进状态下，施救者利用在水姿态参数控制所述水面救援装置的水下推进速度与方向；以便返航回安全地带；

当检测到施救者状态主动改变为上岸状态(因某种突发状况提前返回安全地点)，则进入步骤七；

步骤七：系统自动延时关闭；所述水面救援装置激活自动延时关闭功能，同时在关闭前进行系统自检，若自检异常，则所述水面救援装置报警，以提示及时进行维护，方便下次正常使用。

值得补充解释的是，当需要启用充气模块进行调节时，施救者处于各状态下气囊(3-2)动作方式不同，具体如下：

1、气囊(3-2)在初始工作状态下呈完全压缩状态；

2、气囊(3-2)在极端左倾覆(如图12所示)、极端右倾覆(如图13所示)状态下呈不对称膨胀状态；更为具体地，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状态(如图12所示)；

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状态(如图13所示)；

3、气囊(3-2)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；更为具体地，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；

4、气囊(3-2)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，使得施救者以最佳在水推进姿态向前推进；

5、气囊(3-2)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；更为具体地，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、溺水者和所述水面救援装置)和总重力(施救者、溺水者和所述水面救援装置)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，所述水面救援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。

6、气囊(3-2)在施救后上岸状态下呈完全压缩状态；

7、值得说明的是，在施救全过程中，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。

作为优选，与如图1所示水面救援装置配套使用的一种施救者姿态状态操控方法，其特征还在于，利用施救者在水中的姿态变化量、施救者入水后特定部位的水压及其压差，姿态、水压、压差的变化趋势，来综合判定施救者的状态。

更为优选，所述姿态变化量为相对于最佳姿态的相对变化量，Δα、Δβ、Δγ；

更为优选，所述水压值包括施救者头部附近区域的水压P1、施救者胸部左右两侧区域的水压P3和P4；所述水压压差为施救者胸部左右两侧区域的水压差ΔP＝P3-P4；此外，为了防止主系统模块(2-2)因姿态、水压、压差的瞬态波动而导致误判，进而造成重心位置调节模块、配重调节模块、充气模块不必要地频繁动作，仅当姿态、水压、压差参数在时间t(单位为s)内持续处于表2中所列某一状态定义范围内时，才判定施救者真正进入该状态；t定义为姿态、水压、压差的变化趋势参数；

更为优选，施救者各状态的判断准则为：

①垂向浸没状态。当姿态与水压检测模块(2-1)检测到Δα＝0、Δβ＝0、Δγ＝0，P1、P3和P4均大于零，而ΔP等于零时，t≥t0，主系统模块(2-2)应判定施救者处于垂向浸没状态；

②施救前后正常推进状态。姿态与水压检测模块(2-1)检测到Δα<30°、Δβ<10°、Δγ<30°，P1等于零、P3和P4均≤2205Pa，800Pa≥|ΔP|≥300Pa，t≥t0时，主系统模块(2-2)应判定施救者处于施救前后正常推进状态；

③失稳状态。当姿态与水压检测模块(2-1)检测到Δα＝0、Δβ>10°、Δγ＝0，P1等于零，P3和P4均<2205Pa，900Pa≥|ΔP|≥800Pa(完全倾覆相差为1200Pa)，t≥t0，主系统模块(2-2)应判定施救者处于失稳状态(具有潜在的倾覆危险)；

④极端倾覆状态(极端左倾覆状态、极端右倾覆状态)。当姿态与水压检测模块(2-1)检测到Δα＝0、Δβ>30°、Δγ＝0，P1>0，P3和P4均<2205Pa，1200Pa≥|ΔP|≥900Pa，t≥t0，主系统模块(2-2)应判定施救者处于极端倾覆状态；

⑤上岸状态。当姿态与水压检测模块(2-1)检测到Δα、Δβ、Δγ为任意值，P1、P3和P4均等于零，t≥t0，判断救援者已在岸上，施救结束，处于上岸状态。

⑥过渡状态。其他为过渡状态。

表2施救者各状态下姿态相对变化量及其变化趋势、水压、压差及其变化趋势的变化范围表

本实施例中:a₁＝0,a₂＝30°,b₁＝0,b₂＝10°,b₃＝30°,c₁＝0,c₂＝30°,δ₁＝0,ε₁＝0,ζ₁＝0,η₁＝0,ε₂＝2205Pa,ζ₂＝2205Pa,η₂＝300Pa,η₃＝800Pa,η₄＝900Pa,η₅＝1200Pa；作为优选，t₀＝3～5s。

Claims (9)

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、配重调节模块，其特征在于：

所述壳体内部空间被分隔为前腔、后腔和中腔，其中：所述前腔内填充有低密度的物质；所述充气模块包括对称设置于所述壳体左右外侧表面上的气囊；

所述壳体包括前壳体和后壳体；所述前壳体和所述后壳体通过卡扣结构紧密贴合；

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，其中：所有姿态传感器用于检测施救者的姿态参数；所述液压传感器I用以检测施救者头部附近区域的水压变化；所述液压传感器II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、电容式触发器、北斗定位系统，其中：所述电容式触发器设置在所述壳体上，遇水则激活启动所述水面救援装置；所述主系统模块的功能包括下水自动激活、系统初始化和报警、数据采集分析、状态逻辑判断、基于施救者姿态参数控制水下推进速度与方向、基于施救者状态控制气囊充排气、基于施救者状态调节内部零部件的重心位置、基于施救者状态调节配重大小及其重心位置、上岸自动延时关闭；所述主系统模块的报警功能包括系统报警与远程报警功能；

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、配重调节模块电性连接；

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水面救援装置内部零部件和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水面救援装置内部零部件和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，使得固设在所述水面救援装置内部零部件和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；

所述配重调节模块包括储水罐、注排水泵，其中：所示储水罐对称地固设于所述中腔内部的左右两侧；注排水泵用于向储水罐注排水液。

2.与权利要求1所述水面救援装置配套使用的一种施救者姿态状态操控方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：系统自动激活、初始化与报警；当施救者双肩背负携带所述水面救援装置尽量以最佳入水姿态入水后，系统自动激活，并进行系统初始化；若系统初始化成功，则进入步骤二，否则，所述水面救援装置报警，施救者应停止使用；

步骤二：在水姿态首次纠偏；主系统模块进行首次数据采集分析工作，包括采集分析姿态与水压检测模块的输出信号；主系统模块结合采集数据，分析姿态是否达到最佳在水推进姿态，且施救者状态是否正常；如是，则进入步骤三；若否，所述水面救援装置通过调节自身重力、浮力和重心位置，使得施救者能够始终保持最佳在水推进姿态，并进入步骤三；

步骤三：施救前正常向前推进状态维持与姿态操控推进；主系统模块启动驱动转向模块，使得所述水面救援装置逐渐达到经济推进速度；在施救前正常向前推进状态下，当施救者保持最佳在水推进姿态不变时，所述水面救援装置默认以经济推进速度匀速前进，而当需要操控推进速度和方向时，施救者主动变换在水姿态进行控制；

当主系统模块检测到施救者状态发生被动改变，驱动转向模块停止工作，所述水面救援装置通过调节自身重力、浮力和重心位置，使得施救者能够恢复到施救前正常向前推进状态，并始终维持最佳在水推进姿态；

当检测到施救者状态主动改变为正常驻水施救状态，则进入步骤四；

当检测到施救者状态主动改变为上岸状态，则进入步骤七；

步骤四：正常驻水施救状态切换；主系统模块关闭驱动转向模块，所述水面救援装置通过调节自身重力、浮力和重心位置，使得施救者切换至正常驻水施救状态，并获得最佳驻水施救姿态，同时转入步骤五；

步骤五：近距离驻水施救与正常驻水施救状态维持；驻水近距离救援阶段过程中，当主系统模块检测到施救者状态发生被动改变，所述水面救援装置通过调节自身重力、浮力和重心位置，使得施救者恢复至最佳驻水施救状态，并获得最佳驻水施救姿态；

当检测到施救者将最佳驻水施救状态主动向施救后正常共同返航状态改变，且该状态持续一定时间时，则转入步骤六；

步骤六：施救后正常共同返航状态切换与姿态操控推进；与步骤三类似，所述水面救援装置通过调节自身重力、浮力和重心位置，使得施救者能够恢复到施救后正常共同返航状态，并始终维持最佳在水推进姿态；主系统模块再次开启驱动转向模块；在施救后正常共同返航状态下，施救者利用在水姿态参数控制所述水面救援装置的水下推进速度与方向；

当检测到施救者状态主动改变为上岸状态，则进入步骤七；

步骤七：系统自动延时关闭；所述水面救援装置激活自动延时关闭功能，同时在关闭前进行系统自检，若自检异常，则所述水面救援装置报警。

3.根据权利要求2所述的一种施救者姿态状态操控方法，其特征在于，步骤二至六中，所述水面救援装置采用重心位置调节模块、配重调节模块和充气模块综合调节控制自身重力、浮力和重心位置，其中：所述充气模块用于向给定气囊充放气和保压；所述重心位置调节模块，用于自动调节所述水面救援装置内部的零部件相对于所述壳体内部的相对位置；所述配重调节模块用于向给定的储水罐注排水液，以调节配重大小和重心位置。

4.根据权利要求3所述的一种施救者姿态状态操控方法，其特征在于，步骤二、三、五和六中，主系统模块按照“先重心位置调节模块、再配重调节模块、后充气模块”的顺序进行调节控制，以分别使得施救者能够始终保持最佳在水推进姿态、使得施救者能够恢复到施救前正常向前推进状态、使得施救者恢复至最佳驻水施救姿态、以及使得施救者能够恢复到施救后正常共同返航状态；步骤四中，主系统模块按照“先重心位置调节模块、再充气模块、后配重调节模块”的顺序进行调节控制，使得施救者切换至正常驻水施救状态。

5.根据权利要求4所述的一种施救者姿态状态操控方法，其特征在于，步骤三中，在施救前正常向前推进状态下，施救者在水中主动作出前倾、后仰、左倾、右倾的姿态动作，且被姿态与水压检测模块检测出给定范围内的相对最佳在水推进姿态变化量后，主系统模块相应地控制推进电机加速或减速转动、控制转向电机带动舵片向左或向右转动。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的一种施救者姿态状态操控方法，其特征在于，利用施救者在水中的姿态变化量、施救者入水后特定部位的水压及其压差，姿态、水压、压差的变化趋势，来综合判定施救者的状态。

7.根据权利要求6所述的一种施救者姿态状态操控方法，其特征在于，所述姿态变化量为姿态传感器坐标系下施救者在水中的姿态相对于最佳姿态产生的绕x、y、z轴的旋转角度，其值分别定义为Δα、Δβ、Δγ。

8.根据权利要求7所述的一种施救者姿态状态操控方法，其特征在于，所述水压值包括施救者头部附近区域的水压P1、施救者胸部左右两侧区域的水压P3和P4；所述水压压差为施救者胸部左右两侧区域的水压差ΔP＝P3-P4；姿态、水压、压差的变化趋势参数为时间t。

9.根据权利要求8所述的一种施救者姿态状态操控方法，其特征在于，施救者各状态的判断准则为：

当姿态与水压检测模块检测到Δα＝0、Δβ＝0、Δγ＝0，P1、P3和P4均大于零，而ΔP等于零，t≥t0时，主系统模块应判定施救者处于垂向浸没状态，其中，t0＝3～5s；

当姿态与水压检测模块检测到Δα<30°、Δβ<10°、Δγ<30°，P1等于零、P3和P4均≤2205Pa，800Pa≥|ΔP|≥300Pa，t≥t0时，主系统模块应判定施救者处于施救前后正常推进状态；

当姿态与水压检测模块检测到Δα＝0、Δβ>10°、Δγ＝0，P1等于零，P3和P4均<2205Pa，900Pa≥|ΔP|≥800Pa，t≥t0，主系统模块应判定施救者处于失稳状态；

当姿态与水压检测模块检测到Δα＝0、Δβ>30°、Δγ＝0，P1>0，P3和P4均<2205Pa，1200Pa≥|ΔP|≥900Pa，t≥t0，主系统模块应判定施救者处于极端倾覆状态；

当姿态与水压检测模块检测到Δα、Δβ、Δγ为任意值，P1、P3和P4均等于零，t≥t0，主系统模块应判定救援者处于上岸状态；

其他为过渡状态。

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