CN109987203A - 一种具有动态平衡功能的潜水背包及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有动态平衡功能的潜水背包及其使用方法，其特征是包括背包单元、动力单元、动态平衡单元、以及视觉感应单元。其中，背包单元包括壳体，内置在所述壳体内的氧气瓶，固定在所述壳体上的两个把手，以及安装在所述把手末端的控制棒；动力单元包括转动设置在所述壳体两侧的发动机，以及密封内置在所述壳体内部的锂电池；动态平衡单元内置在所述壳体内部，包括姿态传感器，伺服控制装置，以及与所述姿态传感器和伺服控制装置电性连接的主控单元；视觉感应单元包括以预定位置固定在所述壳体上的多个摄像头和距离传感器。本发明能够在水中实现自我动态平衡，通过感知潜水员的身体倾斜完成转向操作，灵活性高。

Description

一种具有动态平衡功能的潜水背包及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种潜水器，具体涉及一种具有动态平衡功能的潜水背包及其使用方法。

背景技术

潜水的原意是为进行水下查勘、打捞、修理和水下工程等作业而在携带或不携带专业工具的情况下进入水面以下的活动。潜水员下水时需穿着潜水装具，潜水装具有重装式和轻装式两种：重装式有头盔、输气管、通信电缆、电话、潜水衣、压铅和铅底潜水鞋等；轻装式有面罩、输气管、通信电缆、电话、应急气瓶、潜水衣等。

使用重装潜水装具在水中工作时必须脚踏水底或实物，或手抓缆索，不能悬浮工作，并且放漂（即在水底因潜水服中气体过多，失去控制而突然急速上升）的危险性大，所以重装潜水装具已逐渐被轻装式取代。

轻装式潜水载具摆脱了压铅和缆索的束缚，具有更高的灵活性，然而这种潜水载具需要潜水员拥有很高的潜水技能，这对潜水员的平衡性、方向感等具有很高的要求。

发明内容

发明目的：提供一种具有动态平衡功能的潜水背包，解决了现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种具有动态平衡功能的潜水背包，包括背包单元、动力单元、动态平衡单元、以及视觉感应单元。

其中，背包单元，包括壳体，内置在所述壳体内的氧气瓶，固定在所述壳体上的两个把手，以及安装在所述把手末端的控制棒；

动力单元，包括转动设置在所述壳体两侧的发动机，以及密封内置在所述壳体内部的锂电池；

动态平衡单元，内置在所述壳体内部，包括姿态传感器，伺服控制装置，以及与所述姿态传感器和伺服控制装置电性连接的主控单元；

视觉感应单元，包括以预定位置固定在所述壳体上的多个摄像头和距离传感器。

在进一步的实施例中，所述把手包括两段折弯处，一段做90度折弯并倒圆角处理，另一段做180度折弯并倒圆角处理；所述把手经过上述两段折弯后能够更好地适应潜水员的臂膀，符合人体工学设计，防止在潜水时发生脱落。

在进一步的实施例中，所述控制棒呈圆柱体，包括若干个贴合在所述圆柱体侧表面的感应片，内置在所述圆柱体内部的PT2272调制解调器，以及弹性设置在所述圆柱体上端面的触发按钮；所述感应片为压敏电阻；控制棒上的压敏电阻能够感应受压强度，即感应到潜水员是否双手握紧控制棒，当压敏电阻受到的压力大于预定值时，触发总开关，当压敏电阻受到的压力小于预定值时，设备不启动。

在进一步的实施例中，所述发动机包括防护罩，固定在所述防护罩内的无刷电机，以及安装在所述无刷电机输出轴上的桨叶；防护罩对桨叶起保护作用，无刷电机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成；位置传感器按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流，即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换；定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

在进一步的实施例中，所述姿态传感器包括陀螺仪、以及加速度传感器；所述主控单元包括基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，即STM32处理器，与所述STM32处理器电性连接的编码器，以及与所述STM32处理器电性连接的电源管理模块；所述STM32处理器的主频为72Mhz，具有512K字节的存储器；所述伺服控制装置与所述STM32处理器电性连接，包括连接所述发动机和壳体的伺服电机；所述陀螺仪的选型为ADXRS300，其量程范围为-300°/s至+300°/s，线性误差小于等于0.1%；所述加速度传感器的选型为MMA7260QT，该加速度传感器的精度为800mV/g，内部继承有低通滤波器；所述伺服电机的选型为MG995，该伺服电机的扭矩为13kg·cm，死区设定为4微米。

在进一步的实施例中，所述编码器与所述STM32处理器电性连接，同时与所述伺服电机连接；所述编码器包括安装法兰，固定在所述安装法兰内的轴承座，过盈配合套设在所述轴承座内的圆锥滚子轴承，转动设置在所述轴承内的转轴，套设在所述轴承上的底盘，套设在所述转轴上、且位于所述底盘一侧的码盘，设置在所述码盘和底盘之间的固定圈，螺纹锁紧固定在所述码盘一端的紧固帽，以及固定在所述码盘和底盘之间预定位置处的光敏元件；所述码盘上圆周阵列有若干扇形区域；伺服电机的转动方向和转速被编码器上的码盘读取，码盘将角位移量转变为电信号后发送至信号采样电路，信号采样电路将信号实时反馈至STM32处理器。

在进一步的实施例中，所述距离传感器可以为红外线测距传感器，包括红外信号发射器、以及接收二极管；红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。

在进一步的实施例中，所述距离传感器可以为超声波测距传感器，包括压电晶片，以及两个螺纹锁紧、且一端穿孔的金属套，所述压电晶片设置在所述金属套内；压电晶片组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能。

一种具有动态平衡功能的潜水背包的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、潜水员将背包单元背上，此时臂膀位于把手内，双手握紧控制棒；

第二步、位于控制棒上的感应片感应到潜水员的双手已经握紧，当压敏电阻受到的压力大于预定值时，触发总开关，当压敏电阻受到的压力小于预定值时，设备不启动；

第三步、当达到设备启动的预设条件后，动力单元启动，无刷电机带动桨叶旋转，利用桨叶排开水流的反作用力推动潜水员在水下前进；

第四步、潜水员依靠身体的倾斜完成转向操作，当潜水员身体倾斜时，内置在姿态传感器内的陀螺仪和加速度传感器会输出相应的姿态信息，主控单元接收该姿态信息后控制伺服电机驱动，从而带动发动机转动预定角度，进而改变推力方向，起到转向的效果；

第五步、陀螺仪和加速度传感器按预定频率实时测量车辆姿态，并实时输出姿态信息到主控单元上的STM32处理器，进而实时调整伺服电机的转动方向和转速，对设备整体保持动态平衡；

第六步、伺服电机的转动方向和转速被编码器上的码盘读取，码盘将角位移量转变为电信号后发送至信号采样电路，信号采样电路将信号实时反馈至STM32处理器；

第七步、距离传感器按需启动，通过红外线测距传感器或超声波测距传感器对前方障碍物做出距离计算并输出至主控单元，当潜水员与前方物体之间的距离达到预定范围后，主控单元控制发动机的推力方向，进而做出主动避障。

有益效果：本发明涉及一种具有动态平衡功能的潜水背包，通过设置动态平衡单元，具体的，通过态传感器、伺服控制装置、主控单元之间的配合，在进一步的实施例中，所述姿态传感器包括陀螺仪和加速度传感器，通过上述姿态传感器的协同工作，使得该设备能够根据潜水员身体的倾斜自动完成转向操作，并通过编码器和主控单元之间的反馈调节实时修正状态。通过上述设计，使得该发明具有自动动态平衡的特点，极大地降低了潜水员的潜水难度。同时，通过设置距离传感器使得该发明能够主动避障。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明中编码器的拆解图。

图3为本发明中发动机的剖切图。

图4为本发明中动态平衡单元的工作框图。

图中各附图标记为：壳体1、防护罩2、桨叶3、把手4、控制棒5、触发按钮501、感应片502、多极绕组定子6、永磁体转子7、紧固帽8、码盘9、扇形区域10、固定圈11、光敏元件12、底盘13、圆锥滚子轴承14、轴承座15、转轴16。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图4所示，本发明涉及一种具有动态平衡功能的潜水背包及其使用方法。下面分别对一种具有动态平衡功能的潜水背包和一种具有动态平衡功能的潜水背包的使用方法进行具体描述。

实施例一：

一种具有动态平衡功能的潜水背包包括壳体1、氧气瓶、把手4、控制棒5、发动机、锂电池、姿态传感器、伺服控制装置、主控单元、摄像头、以及距离传感器；所述氧气瓶内置在所述壳体1内，所述把手4固定在所述壳体1上，所述控制棒5安装在所述把手4的末端，所述发动机转动设置在所述壳体1两侧，可以预定角度转动，所述锂电池密封内置在所述壳体1内部，所述姿态传感器、伺服控制装置、以及主控单元共同构成动态平衡单元，所述主控单元与所述姿态传感器和伺服控制装置之间电性连接，所述摄像头和距离传感器分别以预定位置固定在所述壳体1上。

更为具体的，所述把手4包括两段折弯处，一段做90度折弯并倒圆角处理，另一段做180度折弯并倒圆角处理；所述把手4经过上述两段折弯后能够更好地适应潜水员的臂膀，符合人体工学设计，防止在潜水时发生脱落。所述控制棒5呈圆柱体，包括感应片502、调制解调器、以及触发按钮501，所述感应片502贴合在所述圆柱体的侧表面，所述调制解调器内置在所述圆柱体内部，选型为PT2272，所述触发按钮501弹性设置在所述圆柱体的上端面，所述感应片502为压敏电阻，控制棒5上的压敏电阻能够感应受压强度，即感应到潜水员是否双手握紧控制棒5，当压敏电阻受到的压力大于预定值时，触发总开关，当压敏电阻受到的压力小于预定值时，设备不启动。所述发动机包括防护罩2、无刷电机、桨叶3，所述无刷电机固定在所述防护罩2内，所述桨叶3以预定的迎角安装在所述无刷电机的输出轴上，所述防护罩2对桨叶3起保护作用，无刷电机由永磁体转子7、多极绕组定子6、位置传感器等组成；位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流，即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换；定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。所述姿态传感器包括陀螺仪、以及加速度传感器，所述主控单元包括STM32处理器、编码器、以及电源管理模块，所述STM32处理器为基于ARMCortex-M内核的32位微控制器，所述编码器与所述STM32处理器之间电性连接，所述电源管理模块与所述STM32处理器之间电性连接；所述STM32处理器的主频为72Mhz，具有512K字节的存储器；所述伺服控制装置与所述STM32处理器电性连接，包括连接所述发动机和壳体1的伺服电机；所述陀螺仪的选型为ADXRS300，其量程范围为-300°/s至+300°/s，线性误差小于等于0.1%；所述加速度传感器的选型为MMA7260QT，该加速度传感器的精度为800mV/g，内部继承有低通滤波器；所述伺服电机的选型为MG995，该伺服电机的扭矩为13kg•cm，死区设定为4微米。所述编码器与所述STM32处理器电性连接，同时与所述伺服电机连接；所述编码器包括安装法兰、轴承座15、圆锥滚子轴承14、转轴16、底盘13、码盘9、固定圈11、紧固帽8、以及光敏元件12；所述轴承座15固定在所述安装法兰内，所述圆锥滚子轴承14过盈配合套设在所述轴承座15内，所述转轴16转动设置在所述轴承内，所述转轴16的一端与所述伺服电机的输出端连接，由伺服电机带动同步转动；所述底盘13套设在所述轴承上，所述码盘9套设在所述转轴16上、且位于所述底盘13的一侧，所述固定圈11设置在所述码盘9和底盘13之间，所述紧固帽8螺纹锁紧固定在所述码盘9的一端，所述光敏元件12固定在所述码盘9和底盘13之间的预定位置处；所述码盘9上以预定夹角圆周阵列有多个扇形区域10；伺服电机的转动方向和转速被编码器上的码盘9读取，码盘9将角位移量转变为电信号后发送至信号采样电路，信号采样电路将信号实时反馈至STM32处理器。所述距离传感器可以为红外线测距传感器，包括红外信号发射器、以及接收二极管；红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。

实施例二：

在前述实施例一的基础上，所述距离传感器还可以为超声波测距传感器，由于声波在水中传播的衰减极小，故用作探测障碍物具有得天独厚的优势，通过超声波测距传感器能够检测到更远的障碍物，并提前做出响应。所述超声波测距传感器包括压电晶片，以及两个螺纹锁紧、且一端穿孔的金属套，所述压电晶片设置在所述金属套内；压电晶片组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能。

在上述技术方案下，下面对本发明具体的工作过程及工作原理做出详细阐述：

首先，潜水员将背包单元背上，此时臂膀位于把手4内，双手握紧控制棒5；位于控制棒5上的感应片502感应到潜水员的双手已经握紧，当压敏电阻受到的压力大于预定值时，触发总开关，当压敏电阻受到的压力小于预定值时，设备不启动；此过程能够最大限度地保证潜水人员的安全性，确保潜水人员的双手已经握紧把手4。当达到设备启动的预设条件后，动力单元启动，无刷电机带动桨叶3旋转，利用桨叶3排开水流的反作用力推动潜水员在水下前进。采用无刷电机的原因有如下几点：由于无刷电机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步；无刷电机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点。当潜水人员在水下需要转向时，潜水员依靠身体的倾斜完成转向操作，当潜水员身体倾斜时，内置在姿态传感器内的陀螺仪和加速度传感器会输出相应的姿态信息，主控单元接收该姿态信息后控制伺服电机驱动，从而带动发动机转动预定角度，进而改变推力方向，起到转向的效果。陀螺仪和加速度传感器按预定频率实时测量车辆姿态，并实时输出姿态信息到主控单元上的STM32处理器，进而实时调整伺服电机的转动方向和转速，对设备整体保持动态平衡。上述过程的运作原理建立在“动态稳定”的基本原理上，即该设备拥有自平衡的能力，通过内置的陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，通过精密且高速的STM32处理器计算出适当的指令后，驱动伺服电机做出相应动作，从而达到平衡的效果。伺服电机的转动方向和转速被编码器上的码盘9读取，码盘9将角位移量转变为电信号后发送至信号采样电路，信号采样电路将信号实时反馈至STM32处理器；具体的，本发明中所述的编码器为增量型编码器，该增量型编码器的工作过程如下：增量型编码器每转动一周可产生一系列脉冲信号，根据设置在码盘9上的多个扇形区域10，结合预定的算法即可将这种脉冲信号转变为角位移量。当光源（未图示）发出平行光照射在所述码盘9上，光敏元件12接收到光线，并经过数字电路（未图示）放大信号后得出一组正弦波信号。同时，距离传感器按需启动，通过红外线测距传感器或超声波测距传感器对前方障碍物做出距离计算并输出至主控单元，当潜水员与前方物体之间的距离达到预定范围后，主控单元控制发动机的推力方向，进而做出主动避障。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (9)

1.一种具有动态平衡功能的潜水背包，其特征是包括：

背包单元，包括壳体，内置在所述壳体内的氧气瓶，固定在所述壳体上的两个把手，以及安装在所述把手末端的控制棒；

动力单元，包括转动设置在所述壳体两侧的发动机，以及密封内置在所述壳体内部的锂电池；

动态平衡单元，内置在所述壳体内部，包括姿态传感器，伺服控制装置，以及与所述姿态传感器和伺服控制装置电性连接的主控单元；

视觉感应单元，包括以预定位置固定在所述壳体上的多个摄像头和距离传感器。

2.根据权利要求1所述的一种具有动态平衡功能的潜水背包，其特征在于：所述把手包括两段折弯处，一段做90度折弯并倒圆角处理，另一段做180度折弯并倒圆角处理。

3.根据权利要求1所述的一种具有动态平衡功能的潜水背包，其特征在于：所述控制棒呈圆柱体，包括若干个贴合在所述圆柱体侧表面的感应片，内置在所述圆柱体内部的PT2272调制解调器，以及弹性设置在所述圆柱体上端面的触发按钮；所述感应片为压敏电阻。

4.根据权利要求1所述的一种具有动态平衡功能的潜水背包，其特征在于：所述发动机包括防护罩，固定在所述防护罩内的无刷电机，以及安装在所述无刷电机输出轴上的桨叶。

5.根据权利要求1所述的一种具有动态平衡功能的潜水背包，其特征在于：所述姿态传感器包括陀螺仪、以及加速度传感器；所述主控单元包括基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，即STM32处理器，与所述STM32处理器电性连接的编码器，以及与所述STM32处理器电性连接的电源管理模块；所述伺服控制装置与所述STM32处理器电性连接，包括连接所述发动机和壳体的伺服电机；所述陀螺仪的选型为ADXRS300，所述加速度传感器的选型为MMA7260QT，所述伺服电机的选型为MG995。

6.根据权利要求5所述的一种具有动态平衡功能的潜水背包，其特征在于：所述编码器与所述STM32处理器电性连接，同时与所述伺服电机连接；所述编码器包括安装法兰，固定在所述安装法兰内的轴承座，过盈配合套设在所述轴承座内的圆锥滚子轴承，转动设置在所述轴承内的转轴，套设在所述轴承上的底盘，套设在所述转轴上、且位于所述底盘一侧的码盘，设置在所述码盘和底盘之间的固定圈，螺纹锁紧固定在所述码盘一端的紧固帽，以及固定在所述码盘和底盘之间预定位置处的光敏元件；所述码盘上圆周阵列有若干扇形区域。

7.根据权利要求1所述的一种具有动态平衡功能的潜水背包，其特征在于：所述距离传感器可以为红外线测距传感器，包括红外信号发射器、以及接收二极管。

8.根据权利要求1所述的一种具有动态平衡功能的潜水背包，其特征在于：所述距离传感器可以为超声波测距传感器，包括压电晶片，以及两个螺纹锁紧、且一端穿孔的金属套，所述压电晶片设置在所述金属套内。

9.一种具有动态平衡功能的潜水背包的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、潜水员将背包单元背上，此时臂膀位于把手内，双手握紧控制棒；

S2、位于控制棒上的感应片感应到潜水员的双手已经握紧，当压敏电阻受到的压力大于预定值时，触发总开关，当压敏电阻受到的压力小于预定值时，设备不启动；

S3、当达到设备启动的预设条件后，动力单元启动，无刷电机带动桨叶旋转，利用桨叶排开水流的反作用力推动潜水员在水下前进；

S4、潜水员依靠身体的倾斜完成转向操作，陀螺仪在潜水员下水前预设为初始状态，当潜水员身体倾斜时，内置在姿态传感器内的陀螺仪和加速度传感器会输出相应的姿态信息，主控单元接收该姿态信息后控制伺服电机驱动，从而带动发动机转动预定角度，进而改变推力方向，起到转向的效果；

S5、陀螺仪和加速度传感器按预定频率实时测量车辆姿态，并实时输出姿态信息到主控单元上的STM32处理器，进而实时调整伺服电机的转动方向和转速，对设备整体保持动态平衡；

S6、伺服电机的转动方向和转速被编码器上的码盘读取，码盘将角位移量转变为电信号后发送至信号采样电路，信号采样电路将信号实时反馈至STM32处理器；

S7、距离传感器按需启动，通过红外线测距传感器或超声波测距传感器对前方障碍物做出距离计算并输出至主控单元，当潜水员与前方物体之间的距离达到预定范围后，主控单元控制发动机的推力方向，进而做出主动避障。