CN110466718A - 一种能自动跟踪游泳者的溺水救助装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能自动跟踪游泳者的溺水救助装置，包括救助部分和信号发生部分。信号发生部分佩戴在游泳者身上，包括位置信号发射器和求救按钮，游泳者可通过按下求救按钮发出求救信号。救助部分包括信号接收及控制模块、电磁阀、高压气瓶、动力转向出气口及安全气囊，救助部分漂浮在水面上。信号接收及控制模块根据位置信号，分析救助部分与游泳者的相对位置，并通过控制电磁阀，使高压气瓶在动力转向出气口排气，靠气流的反推力使救助部分向游泳者靠近，并与游泳者保持一定的距离。信号接收及控制模块根据求救信号，使救助部分迅速靠近游泳者，并通过控制电磁阀为安全气囊充气，使游泳者能够借助救助部分浮在水面上，达到救助游泳者的目的。

Description

一种能自动跟踪游泳者的溺水救助装置
技术领域
本发明属于防溺水及救助装备领域，具体涉及一种能自动跟踪游泳者的溺水救助装置。
背景技术
功能性防溺水救生装置，如救生衣、游泳圈等，对正常游泳有较大阻碍。对于游泳者，往往为了避免对游泳动作和速度的影响而不穿戴任何防溺水救生装置，导致游泳者容易因腿脚抽筋和体力不支发生溺水。
近些年出现的一些防溺水游泳背心，正常情况下为一件衣服，可穿着在身上，紧急情况下可充气变成救生衣，其虽然在一定程度上解决了防溺水救生装置妨碍游泳的问题，但是穿戴防溺水游泳背心会给游泳者带来较大的不适感，而且防溺水游泳背心需要长时间的与水接触，对于密闭性有较高的要求，以防止内部充气设备损坏。
中国专利“一种防溺水救助系统”(CN109935051A)，通过设置在手环中的GPS模块及运动检测模块，向远程控制系统发送游泳者监测信息，由远程控制系统根据监测算法向距离发生溺水危险的游泳者最近的救生警报器发送指令。但是，该防溺水救助系统需要救生员在接收到指令后再开展施救工作，明显延误了施救最佳时机。
中国专利“一种急救游泳圈”(CN206255165U)，在圆环形游泳圈本体上安装了位置检测模块及报警模块，可以在游泳者脱离游泳圈的时候及时发出报警信息，但是，游泳圈需要与游泳者结合，影响了正常游泳的动作和速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能自动跟踪游泳者的溺水救助装置，在不影响游泳者的游泳动作和速度的前提下，通过自动跟踪游泳者对发出溺水求救或可能发生溺水的游泳者给予快速施救。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种溺水救助装置，包括可穿戴设备及可自动跟踪游泳者的救助设备；所述可穿戴设备包括用于供游泳者发出求救信号的按钮和信号发射器；所述救助设备包括可飘浮在水面上的壳体、设置在该壳体内的前向测距模块、信号接收及控制模块和气瓶，以及设置在该壳体表面上的动力转向出气口和安全气囊，动力转向出气口和安全气囊分别通过设置于所述壳体内的不同电磁阀与气瓶相连，信号接收及控制模块包括可以与所述信号发射器通信的信号接收器以及与所述信号接收器、电磁阀和前向测距模块分别相连的单片机。
优选的，所述可穿戴设备为手环或集成在游泳时穿着的衣服上。
优选的，所述救助设备在游泳者正常游泳(正常是指非求救状态)时与游泳者保持一定的跟踪距离。
优选的，所述前向测距模块选自超声波测距模块或红外遥感定位模块。
优选的，所述安全气囊为多个，多个安全气囊均匀布置于所述壳体上，动力转向出气口为两对以上，每对的两个动力转向出气口排气方向相反，其中一对动力转向出气口的排气方向与所述前向测距模块的测距方向重合，且有其他一对或多对动力转向出气口的排气方向与所述壳体的边缘相切。
优选的，所述可穿戴设备还包括用于检测游泳者的身体状况的传感器。
优选的，所述救助设备还包括与所述单片机相连的无线电发射模块和语音采集及识别模块。
上述溺水救助装置的溺水救助方法，包括以下步骤：
1)由飘浮于水面上的救助设备判断游泳者个数，若判断仅有一个游泳者，则根据前向测距结果实时定位游泳者的相对位置，并根据所述游泳者的相对位置在保持一定距离的情况下对该游泳者进行跟踪；
2)当所述救助设备接收到游泳者通过可穿戴设备发出的求救信号时，或者，当所述救助设备接收到游泳者通过语音发出的求救信号时，或者，当所述可穿戴设备在检测到反映游泳者身体状况的指标超出设定范围而发出求救信号时，所述救助设备加速靠近所述游泳者，并在达到所述游泳者可触及的范围时，打开所述救助设备上的安全气囊；
3)所述安全气囊打开的同时，所述救助设备通过向周围发射无线电信号，使得救援人员可以及时发现所述救助设备并对所述游泳者展开进一步施救。
优选的，所述救助设备根据利用超声波测距或红外遥感定位实时获得的所述救助设备与游泳者之间的距离，通过控制设置在所述救助设备上的对应动力转向出气口，依靠气流的反推力使所述救助设备向游泳者靠近，并与所述游泳者保持一定的跟踪距离；若所述救助设备在跟踪游泳者的过程中接收到所述游泳者发出的求救信号或者接收到所述可穿戴设备发出的求救信号，则所述救助设备根据利用超声波测距或红外遥感定位实时获得的所述救助设备与游泳者之间的距离，或根据求救信号发出时获得的所述救助设备与游泳者之间的距离靠近所述游泳者，使所述游泳者能够借助所述救助设备浮在水面上。
优选的，所述步骤1)中，所述救助设备通过获得位于其四周不同方向上的障碍物(一般为游泳者)的距离测量(即不同转动角度下的前向测距)结果判断游泳者个数，若判断游泳者为多个，则所述救助设备继续进行一次以上的对其四周不同方向上的障碍物的距离测量，并根据每次的测量结果确定所述救助设备的跟踪对象，若确定跟踪对象为多个游泳者，则继续进行下一次对所述救助设备四周不同方向上的障碍物的距离测量，若确定跟踪对象为单个游泳者，则不再进行对所述救助设备四周不同方向上的障碍物的距离测量，并在保持一定距离的情况下对该游泳者进行跟踪。
本发明的有益效果体现在：
本发明中可自动跟踪游泳者的救助设备与在正常游泳时的游泳者没有直接接触，对游泳者的游泳动作和速度几乎没有阻碍，在接收到求救信号时可自动靠近游泳者，确保游泳者可以得到及时救助，提高救助效率。
进一步的，本发明的救助设备利用气瓶充当动力源，体积小，重量轻，使救助设备可以有效实现跟踪和救助。
进一步的，本发明的救助设备可以根据游泳者通过语音呼救方式发出的求救信号对其进行救助，提高救助设备应对复杂救助情况的能力，提高救助可靠性。
附图说明
图1为救助设备外部结构示意图；
图2为可穿戴设备外部结构示意图；
图3为救助设备内部结构示意图；
图中：1.壳体，2.手环，3.信号接收及控制模块，4.气瓶，5.动力转向出气口，6.安全气囊，7.第一电磁阀，8.第二电磁阀，9.按钮，10.信号发射器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。所述实施例用于对本发明的进一步理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
实施例1
参见图1及图2，本发明提供了一种能自动跟踪游泳者并展开救助的溺水救助器，包括救助设备和可穿戴设备。可穿戴设备为环状(例如，手环2、戒指等，方便穿戴，且对游泳动作、速度干扰较小)，带有信号发射器10和求救按钮9，佩戴在游泳者身上，游泳者可通过按下求救按钮10发出求救信号。救助设备包括超声波测距模块HY-SRF05、信号接收及控制模块3(包括连接为一体的信号接收模块和控制模块，其中，控制模块可采用单片机MK60DN512)、气源(包括电磁阀、高压气瓶)、动力转向出气口5及安全气囊6，并利用壳体1使救助设备工作时漂浮在水面上，壳体1内部与水分隔。信号接收模块接收通过可穿戴设备(例如，手环2)的信号发射器10发出的信号(作为求救信号)。控制模块根据超声波测距模块HY-SRF05的距离测量结果，分析救助设备与游泳者的相对位置，然后通过控制气源，使对应的动力转向出气口5出气，靠气流的反推力使救助设备向游泳者移动，并与游泳者保持一定距离。当控制模块确定信号接收模块检测到求救信号时，则使救助设备迅速靠近游泳者，然后通过控制气源为救助设备的安全气囊6充气，使游泳者能够借助救助设备浮在水面上。
将上述救助设备投入水中即可启动工作，救助设备与游泳者的相对位置分析分为以下几种情况，以超声波定位为例：
1)确定跟踪方向
救助设备启动工作后，位于救助设备上的超声波测距模块HY-SRF05(与单片机MK60DN512连接)向某一方向发射超声波信号，在达到设定的反射信号接收时间阈值后，由单片机MK60DN512控制气源，使救助设备在不同动力转向出气口5作用下于水面原地转动一定角度(并在此时的超声波信号发射方向按照上述阈值再次接收反射信号)，直至通过转动救助设备对救助设备四周完成一次超声波巡检(即不断调整救助设备的超声波发射方向，例如间隔为15～90度，并接收反射信号)。若巡检中超声波测距模块HY-SRF05在某一个方向上接收到反射的超声波信号(即输出有效的距离测量结果)，即可确定对游泳者的跟踪方向(反射信号是由超声波遇到游泳者而形成的，在救助设备投入水中并首次于水面进行超声波巡检时，游泳者应确保除游泳者自己浮于水面之外，救助设备四周一定距离D1内无其他可以反射超声波的障碍物，在设定该距离D1后上述阈值也自动完成设定)。跟踪方向确定后，由单片机MK60DN512根据超声波测距模块HY-SRF05在对应方向的距离测量结果(游泳者与救助设备之间的距离)，驱动救助设备转动后(如果需要转动到该方向)沿跟踪方向靠近游泳者，游泳者看到救助设备开始朝向自己移动时，即可确认救助设备成功启动了对于自己的自动跟踪(移动了一段距离后，救助设备因为保持距离的需要有可能停止移动)。
2)自动跟踪
救助设备在游泳者游泳过程中，利用超声波测距模块HY-SRF05对其与其正前方的游泳者之间的距离进行持续测量，单片机MK60DN512根据测量结果使救助设备向游泳者移动，并与游泳者保持一定距离D2(D1>D2)。若在跟踪过程中，无法获得有效的距离测量结果，则意味着游泳者改变了游泳方向，此时，单片机MK60DN512使救助设备重新进行对跟踪方向的确定，跟踪方向确定后则救助设备继续对游泳者进行自动跟踪。
3)施救过程
单片机MK60DN512根据游泳者通过可穿戴设备(例如，手环2)发出的求救信号，并在确定跟踪的游泳者位置不在变化的情况下，使救助设备快速沿跟踪方向靠近游泳者，并根据距离测量结果或理论推算结果(根据求救信号发出时的距离测量结果和救助设备施救时的移动速度计算)在距离游泳者一定距离D3(D3<D2)时停止移动(使游泳者可触及到救助设备，并且防止冲撞游泳者)，此时救助设备的安全气囊6充气打开，能够提供更大的浮力以可靠的承载抓住救助设备的游泳者。
4)信号干扰的处理
在自动跟踪游泳者过程中，若在跟踪方向上获得两个距离测量结果A1和A2(A1>A2)，则单片机MK60DN512使救助设备加速靠近游泳者，并保持一定距离(D3)，在跟踪方向上的距离测量结果变为一个时，重新进行跟踪方向确定，从而紧随游泳者转向避开前方(原跟踪方向)障碍物，同时，单片机MK60DN512使救助设备在自动跟踪中与游泳者保持的间隔距离恢复为D2。
上述信号发射器10可采用由压电陶瓷片(例如FT-10-20AT)构成的转换器件，在按下求救按钮9时，电路接通并产生电压作用于压电陶瓷片，从而由可穿戴设备(例如，手环2)向四周发射特定频率(即与测距用超声波的频率不同)的超声波，作为求救信号。当救助设备接收到位于正前方的游泳者佩戴的手环2所发出的求救信号时，迅速靠近游泳者并打开安全气囊6。
如图3所示，在一个呈救生圈状的壳体1内布置有信号接收模块(包括采用FT-10-20AT制成的信号接收器)及控制模块(单片机MK60DN512)、电磁阀及高压气瓶4，高压气瓶4为4个，均匀布置。所述壳体1表面则均匀布置有4个动力转向出气口5(其中一组相对的两个动力转向出气口为径向排气，且排气方向相反，用于控制救助设备沿跟踪方向的直线移动；另一组相对的两个动力转向出气口为切向排气，且排气方向相反，用于控制救助设备原地转动一定角度)及4个安全气囊6，每一个高压气瓶4分别连接着一组电磁阀(例如，可采用与单片机MK60DN512连接的RSV低功耗电磁阀)，一组电磁阀由第一电磁阀7和第二电磁阀8组成，分别控制一个动力转向出气口5的排气和一个安全气囊6的充气，安全气囊6均位于壳体1中部以上，打开时不与水接触，不会受到水压产生的阻力的影响，可靠性更高。高压气瓶4中工质为液态，且压力略高于大气压，使高压气瓶4体积较小，且可以避免压力过高而引起的安全隐患。控制模块(单片机MK60DN512)通过控制不同的第一电磁阀7来控制不同的动力转向出气口5排气，从而产生相应方向的反推力，推动救助设备，漂浮在水面上的救助设备与游泳者不直接接触，不会妨碍游泳者正常的游泳动作、速度。当控制模块收到求救信号并移动至靠近游泳者时，使第一电磁阀7关闭，第二电磁阀8全部打开，高压气瓶4给安全气囊6充气，安全气囊6充气后，救助设备能够提供的浮力增大，确保游泳者的安全，同时，控制模块(单片机MK60DN512)还利用与其相连的无线电发射装置(例如，UAA3201T无线电射频发射器)向周围发射信号，确保救援人员及时到达救助设备位置，对发出求救信号的游泳者施救，安全气囊6外侧可增添反光条或者夜光条，反光条、夜光条随安全气囊6充气而展开，即便在夜间救援人员也可以通过反光条、夜光条及时发现救助设备，给游泳者的救援工作提供了便利。
实施例2
与实施例1不同的是，在救助设备投入水中并首次于水面进行超声波巡检时，存在巡检中超声波测距模块HY-SRF05在多个方向上接收到反射的超声波信号(即输出有效的距离测量结果)的情况，这意味着救助设备处于一个具有固定边界的游泳区域内，且该区域内有多名游泳者。因此控制模块(单片机MK60DN512)使救助设备对其四周持续进行超声波巡检，并对于每次巡检中获得的最大测量距离进行综合分析：若最大测量距离不随巡检次数不同而变化(增加)或变化(增加)不大，则认为所述游泳区域四周均具有固定边界(例如游泳池)，控制模块(单片机MK60DN512)使救助设备继续间断或不间断的进行超声波巡检，以便于获得任意方向发出的求救信号；若最大测量距离随巡检次数不同变化(增加)较大，则认为所述游泳区域仅具有部分固定边界(例如自然水体中划定的游道)，则控制模块(单片机MK60DN512)根据最大测量距离所在方向确定跟踪方向，并在确定大部分或所有游泳者都位于其前方后，沿跟踪方向开始自动跟踪(可设置多个救助设备以满足前向跟踪中及时收到求救信号的需要)。
当所述游泳区域中某一个游泳者通过可穿戴设备(例如，手环2)发出求救信号(按压求救按钮9)时，救助设备向该信号发生方向的游泳者移动(移动中利用超声波测距模块HY-SRF05测量距离，防止冲撞游泳者)，从而使一个救助设备可以给一片区域内的游泳者提供必要的救助。
实施例3
与实施例1、2不同的是，救助设备内设置的信号接收及控制模块3根据游泳者通过语音发出的求救信号，使救助设备迅速靠近游泳者。即当游泳者遇到危险时，可以大声呼救，救助设备利用ADMP401全向麦克风模块进行语音信号检测(采集和识别)，并将求救信号传输给控制模块(单片机MK60DN512)，控制模块获得求救信号以后，执行相应的救助方案。
实施例4
与实施例1、2不同的是，由救助设备上设置的红外遥感定位模块(例如，Risym 8路循迹避障模块)替换超声波测距模块HY-SRF05，并获得救助设备自身与游泳者的相对距离，发送给控制模块(单片机MK60DN512)，以简化巡检过程。
实施例5
与实施例1、2不同的是，可穿戴设备(手环2)具有检测游泳者的身体状况的传感器(例如，心率传感器和血氧饱和度传感器等)，通过判断游泳者可能发生溺水的潜在风险(根据传感器检测的反应身体状况的指标)，以便提醒游泳者及时发出求救信号，从而避免游泳者在游泳中无法觉察到溺水危险的情况。

Claims (10)

1.一种溺水救助装置，其特征在于：包括可穿戴设备及可自动跟踪游泳者的救助设备；所述可穿戴设备包括用于供游泳者发出求救信号的按钮(9)和信号发射器(10)；所述救助设备包括可飘浮在水面上的壳体(1)、设置在该壳体(1)内的前向测距模块、信号接收及控制模块(3)和气瓶(4)，以及设置在该壳体(1)表面上的动力转向出气口(5)和安全气囊(6)，动力转向出气口(5)和安全气囊(6)分别通过设置于所述壳体(1)内的不同电磁阀与气瓶(4)相连，信号接收及控制模块(3)包括可以与所述信号发射器(10)通信的信号接收器以及与所述信号接收器、电磁阀和前向测距模块分别相连的单片机。
2.根据权利要求1所述一种溺水救助装置，其特征在于：所述可穿戴设备为手环(2)或集成在游泳时穿着的衣服上。
3.根据权利要求1所述一种溺水救助装置，其特征在于：所述救助设备在游泳者游泳时与游泳者保持一定的跟踪距离。
4.根据权利要求1所述一种溺水救助装置，其特征在于：所述前向测距模块选自超声波测距模块或红外遥感定位模块。
5.根据权利要求1所述一种溺水救助装置，其特征在于：所述安全气囊(6)为多个，多个安全气囊(6)均匀布置于所述壳体(1)上，动力转向出气口(5)为两对以上，每对的两个动力转向出气口(5)排气方向相反，其中一对的排气方向与所述前向测距模块的测距方向重合，且有一对以上的排气方向与所述壳体(1)的边缘相切。
6.根据权利要求1所述一种溺水救助装置，其特征在于：所述可穿戴设备还包括用于检测游泳者的身体状况的传感器。
7.根据权利要求1所述一种溺水救助装置，其特征在于：所述救助设备还包括与所述单片机相连的无线电发射模块和语音采集及识别模块。
8.一种溺水救助方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)由飘浮于水面上的救助设备判断游泳者个数，若判断仅有一个游泳者，则根据前向测距结果实时定位游泳者的相对位置，并根据所述游泳者的相对位置在保持一定距离的情况下对该游泳者进行跟踪；
2)当所述救助设备接收到游泳者通过可穿戴设备发出的求救信号时，或者，当所述救助设备接收到游泳者通过语音发出的求救信号时，或者，当所述可穿戴设备在检测到反映游泳者身体状况的指标超出设定范围而发出求救信号时，所述救助设备加速靠近所述游泳者，并在达到所述游泳者可触及的范围时，打开所述救助设备上的安全气囊(6)；
3)所述安全气囊(6)打开的同时，所述救助设备通过向周围发射无线电信号，使得救援人员可以及时发现所述救助设备并对所述游泳者施救。
9.根据权利要求8所述一种溺水救助方法，其特征在于：所述救助设备根据利用超声波测距或红外遥感定位实时获得的所述救助设备与游泳者之间的距离，通过控制设置在所述救助设备上的动力转向出气口(5)，依靠气流的反推力使所述救助设备向游泳者靠近，并与所述游泳者保持一定的跟踪距离；若所述救助设备在跟踪游泳者的过程中接收到所述游泳者发出的求救信号或者接收到所述可穿戴设备发出的求救信号，则所述救助设备根据利用超声波测距或红外遥感定位实时获得的所述救助设备与游泳者之间的距离，或根据求救信号发出时获得的所述救助设备与游泳者之间的距离靠近所述游泳者，使所述游泳者能够借助所述救助设备浮在水面上。
10.根据权利要求8所述一种溺水救助方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述救助设备通过获得位于其四周不同方向上的障碍物的距离测量结果判断游泳者个数，若判断游泳者为多个，则所述救助设备继续进行一次以上的对其四周不同方向上的障碍物的距离测量，并根据每次的测量结果确定所述救助设备的跟踪对象，若跟踪对象为多个游泳者，则继续进行下一次对所述救助设备四周不同方向上的障碍物的距离测量，若跟踪对象为单个游泳者，则不再进行对所述救助设备四周不同方向上的障碍物的距离测量，并在保持一定距离的情况下对该游泳者进行跟踪。
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