CN113212699B - 一种水面援助设备的翻转控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水上援助机器人技术领域，具体为一种水面援助设备及其翻转控制方法，在浮体倒置于水面时，通过反转动力系统，使得形成反向喷射的水流，利用水流的推力将浮体翻转成正置状态，且浮体正置后，动力系统正转，就能形成浮体向前进的推力，解决抛掷过程中，浮体倒置，动力系统无法形成动力推进浮体的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及水上援助机器人技术领域，具体为一种水面援助设备的翻转控制方法。
背景技术
救生圈是水上救生设备的一种，通常由泡沫塑料或其他比重较小的轻型材料制成，救生圈的形状为环状，中间开口，使用者将上身穿过中间开口并把双手搭在救生圈上，就可在放松的状态下利用救生圈的浮力浮在水面上，当有人意外落水或在海上救援时，拯救人员需要开船至落水者附近或海滩现场，然后将救生圈抛洒至落水者旁边，落水者抓取到救生圈后才能较为安全地继续等待救援，拯救人员也才有充裕的时间更加安全地实施救援。
现有的救生圈都是需要人工抛掷，这一方面要求拯救人员必须赶到落水现场，但若现场环境不利于救援艇航行，则极为影响救援工作，甚至无法顺利实施救援，而若需要同时对多名落水者施加救援，则需要反复移动至各个落水者位置，然后分别抛洒救生圈，导致救援速度缓慢；另一方面，救生圈一般都较为厚重，而重量较轻的又容易受风力或者空气阻力影响，导致救生圈抛洒的准确性极难控制，而又因落水者大多都是不会游泳的，一些会游泳的落水者在等待救援的过程中也会耗费了大量的体力，如果拯救人员不能顺利将救生圈抛洒至落水者旁边，落水者就无法抓住救生圈，即使拯救人员多余的救生圈进行重新抛洒，也必将极大地耽误救援工作。
另外，若落水者位置无法供救生船驶入，或拯救人员没有救生船，使用现有的救生设备将无法对落水者进行施救。
现有的水上援助机器人在抛掷过程中，一旦浮体倒置，动力系统运转无法形成推力进行前进，需要将浮体翻转为正置。
在专利号为CN201920126287.0(下称对比文献)的专利文献公开了一种应用双向吸水泵喷结构的V型水上援助机器人，其包括救生圈主体，该救生圈主体包括成梭形设置的头部与该头部固定连接的翼部，该翼部对称设置，且其还包括设置于头部内的控制机构，设置于翼部内的双向吸水泵，其通过在救生圈主体的翼部上设置两组动力泵组，不论救生圈主体那一面与水面接触，都有一组动力泵组可以快速反应进行工作，使救生圈主体行进，解决了救生圈主体抛掷过程中，无需分辨正反面的技术问题。
但是，上述的技术方案公开的水上援助机器人的双向吸水泵的结构复杂，虽然不需要进行浮体的翻转，但是需要设置两组的动力泵组作为推进器，质量增加，且造成动力浪费。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种水面援助设备的翻转控制方法，在浮体倒置于水面时，通过反转动力系统，使得形成反向喷射的水流，利用水流的推力将浮体翻转成正置状态，且浮体正置后，动力系统正转，就能形成浮体向前进的推力，解决抛掷过程中，浮体倒置，动力系统无法形成动力推进浮体的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水面援助设备，倒置在水面上时，通过反转动力系统喷射水流形成推力进行翻转调节姿态。
作为改进，包括浮于水面的浮体，该浮体倒置时，安装于浮体尾部的动力系统置于水面下方，所述动力系统喷射水流形成推力翻转所述浮体调节为正置姿态。
作为改进，所述浮体调节姿态时，所述动力系统向水面上方喷射水流形成姿态翻转调节的推力。
作为改进，所述浮体置于水中时，浮力中心a点位于浮体的头部，所述动力系统反转时，所述浮体绕a点翻转，由倒置姿态调整为正置姿态。
作为改进，所述浮体绕a点翻转时，所述浮体头部重心点为b点，所述浮体的尾部重心点为c点，点b至点a的距离为L1，点c至点a的距离为L2，L1与L2满足关系：L1＜L2；
所述动力系统产生的推力F满足关系：F＞δf*COSα，其中，δf为旋转过程浮体尾部增加的浮力，α为动力系统正转喷力方向与水平面的夹角。
作为改进，所述动力系统包括驱动单元，该驱动单元对称设置于所述浮体(2)的尾部两侧向外延伸的翼部内。
作为改进，所述驱动单元上分别对应设置有吸入及喷射水流形成推力的第一开口及第二开口。
作为改进，所述第一开口及第二开口分设于相应的驱动单元的下部与尾部处。
作为改进，所述第一开口及第二开口分设于相应的驱动单元的下部与上部处。
作为改进，包括感应所述浮体姿态的感应系统，该感应系统控制所述动力系统正、反运转。
作为改进，所述感应系统包括：
姿态识别元件，所述姿态识别元件上安装有识别所述浮体姿态的陀螺仪芯片；以及
控制板，所述控制板接收所述姿态识别元件输出的信号，控制所述动力系统运转。
一种基于上述任一项所述的一种水面援助设备的翻转控制方法，包括以下步骤：
步骤一，姿态识别，感应系统识别浮体的姿态；
步骤二，倒置翻转，步骤一中，感应系统识别出浮体的姿态为倒置时，感应系统控制浮体上的动力系统反转，形成翻转浮体的推力，使得浮体翻转为正置姿态后前进；
步骤三，正置前进，步骤一中，感应系统识别出浮体的姿态为正置时，跳过所述第二步骤，动力系统正转，形成推送浮体前进的动力。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明在浮体倒置于水面时，通过反转动力系统，使得动力系统形成反向喷射的水流，利用水流的推力将浮体翻转成正置状态，且浮体正置后，动力系统正转，就能形成浮体向前进的推力，解决抛掷过程中，浮体倒置，动力系统无法形成动力推进浮体的技术问题；
(2)本发明通过利用姿态识别系统自动识别浮体的姿态，进而控制动力系统进行正、反转，达到快速调节浮体姿态的目的，整体调节过程全自动，无需进行人为操控，智能性高且反应迅速，节省时间；
(3)本发明为了解决因为电池集中于浮体头部带来的应力问题，利用浮体的双层固定结构，电池包位于浮体内部空间，浮体内部只留一个敞开口方便电池安装，电池包五个面与浮体为面接触，且不固定，电池包与浮体之间留有一定间隙用来填充缓冲物质，另外，敞开口处用固定板安装于电池包表面上，固定板两头有螺丝孔通过螺丝与浮体固定，进一步的电池包在电池仓内晃动时有六个接触面被固定，避免电池盒因受侧向冲击而导致电池包与浮体连接处螺丝即受拉力又受剪切力，这样容导致螺丝接触部分浮体材料和塑料材料应力过度而裂掉致脱落；
(4)本发明在将动力系统与浮体进行连接时，设计了一种定位环，位于浮体和动力法兰面之间，因为浮体和动力采用不同的成型工艺，之间装配做不到足够的装配间隙来卸掉法兰螺丝的剪切应力，定位环是通过激光切割或者其它精密切割工艺制作的板状结构件，其外尺寸和内尺寸可以根据两种成型工艺的公差范围最终确定，从而使浮体和动力的装配精度达到应力所需间隙，其中环内圈与浮体安装处的凸台同轴装配，外环与动力法兰内圈固定。
综上所述，本发明具有自动翻转、结构稳定等优点，尤其适用于水上救援结构技术领域。
附图说明
图1为本发明实施例一立体结构示意图；
图2为本发明实施例一翻转状态示意图；
图3为本发明实施例一翻转原理示意图；
图4为本发明实施例一翻转零界状态示意图；
图5为本发明实施例二翻转状态示意图；
图6为本发明实施例二前进状态示意图；
图7为本发明实施例三翻转状态示意图；
图8为本发明实施例三前进状态示意图；
图9为本发明实施例四感应系统结构示意图；
图10为本发明实施例五立体结构示意图；
图11为本发明实施例五电池包安装结构示意图；
图12为本发明实施例六定位环安装结构示意图；
图13为本发明翻转控制方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1：
如图1与图2所示，一种水面援助设备，倒置在水面上时，通过反转动力系统1喷射水流形成推力进行翻转调节。
进一步的，包括浮于水面的浮体2，该浮体2尾部安装的动力系统1置于水面下方，所述浮体2倒置时，所述动力系统1喷射水流形成推力翻转所述浮体2的姿态。
需要说明的是，在抛掷水面援助设备时，并不能确定浮体2在水面上时刚好是处于正置的状态，一旦浮体2处于倒置状态，大部分的水面援助设备就需要翻转后吸水口位于水面下才能启动，形成水流喷射推送。
本发明通过利用动力系统1的反向运转，形成喷射水流产生驱动浮体翻转的推力，使得浮体翻转为正置姿态。
需要着重说明的是，本发明并不局限于限定动力系统反向运转产生的水流的喷射方向，凡能实现浮体2翻转的水流喷射方向均属于本发明的保护范围。
实施例2：
图3为本发明一种水面援助设备的实施例2的一种结构示意图；如图3所示，其中与实施例1中相同或相应的部件采用与实施例一相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例1的区别点。该实施例2与图1所示的实施例1的不同之处在于：
如图3至图6所示，一种水面援助设备，所述浮体2倒置时，所述动力系统1向水面上方喷射水流形成推力，翻转所述浮体2的姿态。
进一步的，所述动力系统1包括驱动单元11，该驱动单元11对称设置于所述浮体2的尾部两侧向外延伸的翼部21内。
更进一步的，所述驱动单元11上设置有吸附及喷射水流形成推力的第一开口111及第二开口112。
其中，所述第一开口111及第二开口112分设于所述驱动单元11的下部及尾部处。
需要说明的是，本发明中的浮体2在水面倒置时，由于动力系统1置于水面下方，动力系统1预设的喷射口即第二开口112位于水面下方，而预设的吸水口即第一开口111位于水面的上方，通过反向运转驱动单元11中的电机，使得驱动单元11从第二开口112吸入水流再从第一开口111向外喷射水流产生推力，由于此时，第一开口111朝向水面上方，产生的推力使得浮体头部翘起后翻转。
本申请中，向水面上方喷射水流形成推力时，水流喷射方向满足本申请的技术方案要求的均属于本申请的保护范围。
进一步说明的是，如图3所示，当浮体2反面朝上(即倒置时)，处于稳定状态时，a为浮力中心，b为前部重心，前部重量m1，c为后部重心，后部质量m2。
前部重心b距离浮力中心a距离为L1,后部重心c距离浮力中心a为L2。浮体此时的状态可简化为以a为支点的杠杆，且满足：m1*L1＝m2*L2；当驱动单元11中的螺旋桨反转时，水从第一开口111喷出，产生作用力F。
此时m2*l2*G*COSα+(F-δf*COSα)*L2>m1*L1*G*COSα。其中α为驱动单元11中推进器所在轴线与水平面的夹角，G为重力加速度，δf为旋转过程中翼部21增加的浮力，浮体处于非稳态，此时机器会沿着F方向，以a为圆心旋转。
在上述过程中翼部21浮力逐渐增大，头部浮力逐渐减小。需要满足F*L2>(m1*L1-m2*L2)*G*COSα+δf*COSα*L2。
既：F>δf*COSα才可以实现正常翻转。由于在实践中，电池重量集中于b处，尾部即尾翼处较为轻，所以其特征为L2>L1时，形成省力杠杆较为容易实现反转。
如图4所示，浮体处于零界状态。此时m1*G+m2*G与自身的浮力相等。F垂直于推进器所在的轴线。所以在F作用下仍旧沿着旋转方向旋转。旋转至浮体正面朝上时，驱动单元11会自动切回正转向前推进，使浮体正常航行。
其中，驱动单元11的结构与背景技术记载的对比文献中的双向吸水泵中单向的结构相似，驱动单元11仅包括一组的动力泵外壳，动力泵外壳内也仅设置了一组的吸水管，吸水管的两端分别为进水口与喷水口，分别对应本申请中的的第一开口与第二开口，吸水管内设置一组的动力泵组，动力泵组由电机和桨叶组成。
实施例3：
图7为本发明一种水面援助设备的实施例3的一种结构示意图；如图7所示，其中与实施例2中相同或相应的部件采用与实施例2相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例2的区别点。该实施例3与图3所示的实施例2的不同之处在于：
如图7与图8所示，所述第一开口111及第二开口112分设于所述驱动单元11的下部及上部处。
需要说明的是，较实施例2，本发明中的第二开口112还可以开设于驱动单元11的上部处，驱动单元11正转时，水流从第二开口112斜向后侧喷出，驱动浮体2向前推进。
实施例4：
图9为本发明一种水面援助设备的实施例4的一种结构示意图；如图9所示，其中与实施例1-3中相同或相应的部件采用与实施例1-3相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例1-3的区别点。该实施例4与实施例1-3的不同之处在于：
如图9所示，一种水面援助设备，包括感应所述浮体2姿态的感应系统，该感应系统控制所述动力系统1正、反运转。
其中，所述感应系统包括：
姿态识别元件，所述姿态识别元件上安装有识别所述浮体2姿态的陀螺仪芯片；以及
控制板，所述控制板接收所述姿态识别元件输出的信号，控制所述动力系统1运转。
需要说明的是，浮体2的正置与反置依靠感应系统进行识别，感应系统工作原理是，姿态识别元件为姿态识别电路板，电路板水平装于浮体2的控制仓内，确保电路板所在平面与航行器要识别的正反面所在平面之间的夹角小于90°，陀螺仪芯片有两个轴：X轴和Y轴，当电路板绕x轴和y轴旋转不同角速度时，会产生不同的数字信号，姿态识别元件板上的单片机通过对角速度值进行解算即可获得当前相对于初始角度所偏转角度，当偏转角度大于所设定值时，如大于85°(具体值可在试验中确定)即认为浮体2偏转至反面，同时产生一个高电平信号告诉控制板，浮体2现在是倒置，并相应的给出指令让动力系统1中的电机反转，因为x轴和y轴两个维度可以确定一平面，所以机器不管以何种角度翻转都可以被识别到。
其中，其中姿态识别元件将最终正反识别的信息以0和1两个电平状态通过导线传输给控制板，控制板对0和1两种输入信号做出反应，并分别使出正转和反转两种信号给动力系统1中的电机驱动器，电机驱动器最终驱动电机正转或者反转，浮体2上的电池为电机驱动器，电机、控制板供电。
实施例5：
图10为本发明一种水面援助设备的实施例5的一种结构示意图；如图10所示，其中与实施例1-4中相同或相应的部件采用与实施例1-4相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例1-4的区别点。该实施例5与实施例1-4的不同之处在于：
如图10与图11所示，电池包3位于浮体2内部空间内，浮体2内部只留一个敞开口方便电池包3安装，电池包3五个面与浮体2为面接触，且不固定。电池包3与浮体2之间留有一定间隙用来填充缓冲物质。浮体2上电池仓敞开面需要固定电池包3，通过设置固定板4，固定板4为金属，碳纤维或者其它高强度材料，固定板4位于电池包3表面上，固定板4两头有螺丝孔通过螺丝与浮体2固定。
进一步的，电池包3在电池仓内晃动时有六个接触面被固定，固定方式为面接触，这样大大降低冲击对电池包材料的冲击力。另有电池仓盖板5位于固定板4上，电池仓盖板5为装饰板同时通过四颗以上螺丝与浮体2固定，电池仓盖板5与固定板4表面之间可以填充缓冲物质进一步承受冲击力，如此一来电池包被双重固定，可以有效提高抗冲击能力。相对于电池包直接与浮体通过螺丝连接，本发明的双层固定结构可以避免电池盒因受侧向冲击而导致电池包与浮体连接处螺丝即受拉力又受剪切力，这样容导致螺丝接触部分浮体材料和塑料材料应力过度而裂掉致脱落。
实施例6：
图12为本发明一种水面援助设备的实施例6的一种结构示意图；如图12所示，其中与实施例1-5中相同或相应的部件采用与实施例1-5相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例1-5的区别点。该实施例6与实施例1-5的不同之处在于：
如图12所示，在浮体2与动力系统1进行安装连接时，在动力系统1与浮体2之间通过法兰结构进行连接，互为中心对称的六颗螺丝固定动力系统1与浮体2。在高抛冲击中法兰结构中固定螺丝容易受到剪切力导致螺丝孔劈裂，从而使安装结构失效。
因此，本发明设计了为一种定位环6，位于浮体2和动力系统1的连个法兰面之间。因为浮体2和动力系统1采用不同的成型工艺，之间装配做不到足够的装配间隙来卸掉法兰螺丝的剪切应力。定位环6是通过激光切割或者其它精密切割工艺制作的板状结构件，其外尺寸和内尺寸可以根据两种成型工艺的公差范围最终确定。从而使浮体2和动力系统1的装配精度达到应力所需间隙。其中定位环6的环内圈与浮体2安装处的凸台同轴装配，外环与动力系统1的法兰内圈固定。
实施例7：
参照实施例1至6，描述本发明实施例5的一种水面援助设备的翻转控制方法
如图13所示，一种基于实施例1至6任一项所述的一种水面援助设备的翻转控制方法，包括以下步骤：
步骤一，姿态识别，感应系统识别浮体2的姿态；
步骤二，倒置翻转，步骤一中，感应系统识别出浮体2的姿态为倒置时，感应系统控制浮体2上的动力系统1反转，形成翻转浮体2的推力，使得浮体2翻转为正置后前进；
步骤三，正置前进，步骤一中，感应系统识别出浮体2的姿态为正置时，跳过所述第二步骤，动力系统1正转，形成推送浮体2前进的动力。
需要说明的是，本发明通过利用感应系统识别浮体2的姿态控制动力系统1进行反转，达到控制浮体2翻转的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种水面援助设备，其特征在于，倒置在水面上时，通过反转的动力系统(1)喷射水流形成推力进行翻转调节姿态；
包括浮于水面的浮体(2)，该浮体(2)倒置时，安装于浮体(2)尾部的动力系统(1)置于水面下方，所述动力系统(1)喷射水流形成推力翻转所述浮体(2)调节为正置姿态；
所述浮体(2)置于水中时，浮力中心a点位于浮体(2)的头部，所述动力系统(1)反转时，所述浮体(2)绕a点翻转，由倒置姿态调整为正置姿态；
电池包(3)位于浮体(2)内部空间内，浮体(2)内部只留一个敞开口方便电池包(3)安装。
2.根据权利要求1所述的一种水面援助设备，其特征在于，所述浮体(2)调节姿态时，所述动力系统(1)向水面上方喷射水流形成姿态翻转调节的推力。
3.根据权利要求1所述的一种水面援助设备，其特征在于，所述浮体(2)绕a点翻转时，所述浮体(2)头部重心点为b点，所述浮体(2)的尾部重心点为c点，点b至点a的距离为L1，点c至点a的距离为L2，L1与L2满足关系：L1＜L2；所述动力系统(1)产生的推力F满足关系：F＞δf*COSα，其中，δf为旋转过程浮体(2)尾部增加的浮力，α为动力系统(1)正转喷力方向与水平面的夹角。
4.根据权利要求1所述的一种水面援助设备，其特征在于，所述动力系统(1)包括驱动单元(11)，该驱动单元(11)对称设置于所述浮体(2)的尾部两侧向外延伸的翼部(21)内。
5.根据权利要求4所述的一种水面援助设备，其特征在于，所述驱动单元(11)上分别对应设置有吸入及喷射水流形成推力的第一开口(111)及第二开口(112)。
6.根据权利要求5所述的一种水面援助设备，其特征在于，所述第一开口(111)及第二开口(112)分设于相应的驱动单元(11)的下部与尾部处。
7.根据权利要求5所述的一种水面援助设备，其特征在于，所述第一开口(111)及第二开口(112)分设于相应的驱动单元(11)的下部与上部处。
8.根据权利要求1所述的一种水面援助设备，其特征在于，包括感应所述浮体(2)姿态的感应系统，该感应系统控制所述动力系统(1)正、反运转，所述感应系统包括：
姿态识别元件，所述姿态识别元件上安装有识别所述浮体(2)姿态的陀螺仪芯片；以及控制板，所述控制板接收所述姿态识别元件输出的信号，控制所述动力系统(1)运转。
9.一种基于权利要求8所述的一种水面援助设备的翻转控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，姿态识别，感应系统识别浮体(2)的姿态；
步骤二，倒置翻转，步骤一中，感应系统识别出浮体(2)的姿态为倒置时，感应系统控制浮体(2)上的动力系统(1)反转，形成翻转浮体(2)的推力，使得浮体(2)翻转为正置姿态后前进；
步骤三，正置前进，步骤一中，感应系统识别出浮体(2)的姿态为正置时，跳过步骤二，动力系统(1)正转，形成推送浮体(2)前进的动力。
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