CN113291440B - 一种可飞行无人船水面救援方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可飞行无人船水面救援方法及装置，本装置，包括：无人机、快速连接杆装置、无人船及遥控装置，无人机用于识别目标、运输无人船至目标位置及投递无人船；快速连接杆装置用于将无人船固定至无人机上，快速联接及快速释放；无人船用于水面救助目标人员并载其驶向岸边救援，遥控装置作为远程可视化操作手段，随时监测救援情况并进行人工干预。

Description

一种可飞行无人船水面救援方法及装置

技术领域

本发明涉及水面救援领域，具体而言，尤其涉及一种可飞行无人船水面救援方法及装置。

背景技术

随着海上捕捞、海岸旅游产业的飞速发展，海滨场所发生的溺水事故也越来越多。全球每年因溺水失去生命的人约37.2万，一旦有人员溺水，不超过5分钟就会失去意识，最多10分钟就会死亡，被救回的人六成以上有严重的脑损伤，所以溺水急救，时间非常重要。因此，海滨场所往往需要一种体积小、成本低的救援设备随时待命。现有的救援技术中，无人机救援方法越来越常用，是由于其飞行速度和机动性，能够实现快速救援。

CN109850095A中公布了一种基于无人机的智能水下救援方法及其系统，但是其利用存储仓对人进行救援的方法中途需要排水，增加了救援时间，其无人机需要提升存储仓、仓内积水及被救人员，还要在排空仓内积水后飞向急救中心，其大载荷势必导致所需无人机为大功率型无人机，对救援装备的经济性和便携性是一种挑战。

CN109733556A中公布了一种基于火箭运输的海上救援方法，但火箭运输也会有便携性弱和操作难度大的问题，同时也是更适合远距离的救援。

CN111731453A一种基于搭载无人机的救生无人船的海上救援方法和系统，适用于多人救援，本发明更适用于单体救援，响应速度更快，无人机飞至待救援目标位置即刻进行救援，节省更多时间。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种可飞行无人船水面救援方法、装置以及快艇，以进行水面救援时，为后续的救援行动提供快速的响应、快速到达目标的规划和快速展开的救援动作。

本发明采用的技术手段如下：

一种可飞行无人船水面救援方法，应用于携带有无人船的无人机，包括以下步骤：

确地目标处于待救援状态；

确定目标的位置信息；

根据所述目标位置信息规划路径信息；

在目标位置上空通过图像识别，搜寻目标并锁定目标，并根据目标位置移动情况准确接近目标；

根据上述目标位置飞行至目标近距离区域内；

在上述近距离区域内通过图像识别确定目标的精准位置信息和姿态信息，并记录目标位置变化情况，根据姿态信息判断目标有无意识；

通过目标位置进行无人船投掷的参数输入；

处理器通过基于多位置信息投掷算法，最终确认无人机指定投掷高度H1，无人船投掷的初速度V1和与目标距离L0；

确定投掷的参数后，打开无人船与无人机连接的快速连接装置，使无人船和无人机脱离；

无人船入水稳定后，通过图像识别，确定目标姿态；

控制无人船行驶至目标位置，然后控制救援杆伸出，实施救援；

无人机的图像识别装置和无人船的图像识别装置辅助控制救援杆救援成功；

救援成功后无人船识别遥控装置位置信息或者预设的救援站位置信息，进行返航；

无人机轨迹跟踪跟随无人船，并通过无人机的图像识别装置实时监测目标信息。

上述图像识别均为通过摄像头实现图像采集工作。

所述遥控装置设置有显示屏幕，显示上述摄像头的实时画面。

无人机通过广角摄像头Ⅰ监测水面信息，用于搜寻和锁定目标；

通过长焦摄像头Ⅱ识别目标的位置信息和姿态信息。

投掷的参数包括，通过红外距离传感器测出当前与水面的距离H和与目标距离L，处理器根据位置信息计算出无人机与目标的水平距离，通过风速传感器测出实时风速V及风向与航向夹角φ。

无人船下落俯冲时，船控制器控制伸缩杆少部分伸出，按投掷时风速风向对无人船重心进行调节，调节无人船俯冲角使得无人船能够精确到达指定入水位置。

一种可飞行无人船水面救援装置，包括：

无人机、支架、无人船、快速连接杆装置和用于控制无人机和无人船的遥控装置；

支架固定在无人机上，无人船与快速连接杆装置下部联接，无人机与快速连接杆装置上部联接；支架与无人船接触但不联接，支架与无人船接触部分用于定位无人船；

无人机控制器固定在无人机的机架上；

无人机控制器上集成有，用于确定目标状态处于待救援状态的状态确定模块，用于确定目标位置的位置确定模块，用于根据目标位置信息以及预设救援中心或者遥控装置的置位信息规划路径信息的路径规划模块，用于接收救援中心或者远控装置的控制指令的通讯模块，用于搜索目标的搜寻模块，用于锁定目标的目标锁定模块，用于控制无人机飞行的飞行控制模块，用于采集无人船投掷数据信息的信息采集模块，用于计算采集模块输入的投掷数据信息的处理模块，用于执行处理模块投掷信息以及控制无人船投掷的投掷模块；

无人船上集成有，用于控制无人船航行的无人船控制模块和集成在无人船上用于采集目标姿态信息的目标姿态采集模块。

进一步的，

搜寻模块为摄像头Ⅰ，且固定在无人机控制器上；

目标锁定模块为摄像头Ⅱ，且固定在无人机控制器上；

信息采集模块为风速传感器及红外测距传感器，且固定在无人机控制器上；

目标姿态采集模块为摄像头Ⅲ，且固定在无人船上；

无人船控制模块还能够控制无人船上的救援杆的动作，且救援杆伸出方向均朝向船尾方向。

进一步的，

快速链接杆装置，包括：连接杆、外壳、旋转夹紧架、小轴、小弹簧、舵机和舵轮；

连接杆上部固定在无人机的机架上，外壳固定在无人船的船体上，旋转夹紧架中间穿小轴，旋转夹紧架可绕小轴旋转，旋转夹紧架底部用小弹簧联接，通过小弹簧提供夹紧预紧力，舵机固定在外壳底部，舵轮与舵机联接，并与旋转夹紧架底部接触。

进一步的，

无人船包括：船体、救援杆、轴、辅助杆、船控制器、摄像头Ⅲ、船驱动电机、小齿轮、电磁铁、活动销、弹簧、减速电机和船叶轮；

船体与救援杆联接，轴固定在救援杆上，辅助杆与轴联接，辅助杆可绕轴旋转；船控制器固定在船体上，摄像头Ⅲ固定在船体上，船驱动电机固定在船体上，船叶轮与船驱动电机联接，减速电机固定在船体上，小齿轮与减速电机联接，救援杆上有直齿，小齿轮与救援杆通过齿啮合联接；电磁铁固定在救援杆内部，活动销与电磁铁联接，弹簧与辅助杆和救援杆联接，轴穿过弹簧固定在救援杆上。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明采用去程无人机携带无人船，返程时无人机飞回，无人船载着被救人员从水面驶回的方式。

2.本发明采用了无人机搭载无人船的救援方法，降低了无人机所需的负载要求，也就是降低了无人机的展开直径，增强了整个救援装置的便携性，同时也降低了所需无人机的价格。

3.本发明对无人船的落水位置进行了精准控制，针对环境因素的变化进行调节，防止在救援时对救助目标进行二次伤害。

4.本发明采用了可伸缩的救援杆方式，利用重心调节无人船仰角，可对水下一定深度区域救援，同时可以对已无意识人员进行救助。

5.本发明中救援装置体积小重量轻，方便携带，对特定区域(尤其是不方便大型救援设备进出的水域，或岸边情况复杂时)救援效果显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：救援装置整体轴侧视图；

图2：救援装置侧视图；

图3：无人船救援状态轴侧视图；

图4：无人船剖视图；

图5：救援杆内部结构视图；

图6：快速连接杆装置内部结构图。

图7：系统简图；

图8：救援示意图；

图9：救援方法流程图。

图中：1.无人机，2.支架，3.无人船，4.快速连接杆装置；

5.摄像头Ⅰ，6.无人机控制器，7.摄像头2，8.风速传感器及红外测距传感器；

31.船体，32.救援杆，33.辅助杆；34.船控制器，35.摄像头3，36.船驱动电机，37.小齿轮，38.减速电机，39.船叶轮；32a.电磁铁，32b.活动销，33a.弹簧，33b.轴；

41.连接杆，42.外壳，43.旋转夹紧架，44.小轴，45.小弹簧，46舵机，47.舵轮。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1和图2所示，本发明提供了一种可飞行无人船水面救援装置包括：四个装置，无人机、快速连接杆装置、无人船及遥控装置，无人机用于识别目标、运输无人船至目标位置及投递无人船；快速连接杆装置用于将无人船固定至无人机上，快速联接及快速释放；无人船用于水面救助目标人员并载其驶向岸边救援，遥控装置作为远程可视化操作手段，随时监测救援情况并进行人工干预。

图1及图2中，支架4固定在无人机1，无人船3与快速连接杆装置4下部联接，无人机1与快速连接杆装置4上部联接；支架4与无人船3接触但不联接，只起定位作用。无人机控制器6固定在无人机1的机架上，摄像头Ⅰ5固定在无人机控制器6上，摄像头Ⅱ7固定在无人机控制器6上，风速传感器及红外测距传感器8固定在无人机控制器6上。

无人机控制器6包括电池、控制电路板、WiFi模块等电气原件。

图3、图4及图5中，船体31与救援杆32联接，轴33b固定在救援杆32上，辅助杆33与轴33b联接，辅助杆33可绕轴33b旋转。船控制器34固定在船体31上，摄像头Ⅲ35固定在船体31上，船驱动电机36固定在船体31上，船叶轮39与船驱动电机36联接，减速电机38固定在船体31上，小齿轮37与减速电机38联接，救援杆32上有直齿，小齿轮37与救援杆32通过齿啮合联接。电磁铁32a固定在救援杆32内部，活动销32b与电磁铁联32a接，弹簧33a与辅助杆33和救援杆32联接，轴33b穿过弹簧33a固定在救援杆32上。

船控制器通过控制船驱动电机，使船叶轮正转翻转，达到船前进后退的目的。船体包含一对船驱动电机，电机转速不同，达到船左转右转的目的。传控制器通过控制减速电机，使小齿轮正转反转，小齿轮通过与救援杆上的直齿啮合，带动救援伸出和缩回。

船控制器控制电磁铁使活动销伸缩，辅助杆在初始状态下，弹簧是被压缩状态，当活动销缩回时，活动销与辅助杆端头的卡槽脱离，辅助杆弹出至垂直状态。

图6中，连接杆41上部固定在无人机1的机架上，外壳42固定在无人船的船体31上，旋转夹紧架43中间穿小轴44，旋转夹紧架43可绕小轴44旋转，旋转夹紧架43底部用小弹簧45联接，舵机46固定在外壳42底部，舵轮47与舵机46联接，并与旋转夹紧架43底部接触。

安装时，连接杆插入外壳内，旋转夹紧架在小弹簧的作用下，使连接杆端部卡入旋转夹紧架卡扣，能够快速固定不脱离。分离时，传控制器控制舵机旋转，带动舵轮旋转使弹簧压缩，旋转夹紧架上部松开，连接杆与外壳脱离。

如图1和图7所示，一种可飞行无人船水面救援装置，包括：

无人机1、支架2、无人船3、快速连接杆装置4和用于控制无人机和无人船的遥控装置；

支架2固定在无人机1上，无人船3与快速连接杆装置4下部联接，无人机1与快速连接杆装置4上部联接；支架2与无人船3接触但不联接，支架2与无人船3接触部分用于定位无人船3；

无人机控制器6固定在无人机1的机架上；

无人机控制器6上集成有，用于确定目标状态处于待救援状态的状态确定模块，用于确定目标位置的位置确定模块，用于根据目标位置信息以及预设救援中心或者遥控装置的置位信息规划路径信息的路径规划模块，用于接收救援中心或者远控装置的控制指令的通讯模块，用于搜索目标的搜寻模块，用于锁定目标的目标锁定模块，用于控制无人机飞行的飞行控制模块，用于采集无人船投掷数据信息的信息采集模块，用于计算采集模块输入的投掷数据信息的处理模块，用于执行处理模块投掷信息以及控制无人船投掷的投掷模块；

无人船3上集成有，用于控制无人船航行的无人船控制模块和集成在无人船上用于采集目标姿态信息的目标姿态采集模块。

搜寻模块为摄像头Ⅰ5，且固定在无人机控制器6上；

目标锁定模块为摄像头Ⅱ7，且固定在无人机控制器6上；

信息采集模块为风速传感器及红外测距传感器8，且固定在无人机控制器6上；

目标姿态采集模块为摄像头Ⅲ35，且固定在无人船上；

无人船控制模块还能够控制无人船上的救援杆的动作，且救援杆伸出方向均朝向船尾方向。

如图9所示，救援方法包括以下步骤：

1.无人机通过快速连接杆装置固定携带好无人船，无人机接收救援位置指令并规划路径；

2.无人机飞向救援目标上空，通过广角摄像头1监测水面信息，当识别到目标后，锁定目标并根据目标位置移动情况准确接近目标，摄像头1拍摄画面显示在遥控装置的屏幕上；

3.无人机飞行至目标近距离区域内，切换至通过长焦摄像头2识别救援目标位置信息和姿态信息，记录目标位置变化情况，并根据图像采集到的姿态信息判断目标有无意识，若无意识则进行投掷参数输入；

4.通过红外测距传感器测出当前与水面的距离H和与目标距离L，并发送数据至处理器，处理器根据位置信息计算出无人机与目标的水平距离，通过风速传感器测出实时风速V及风向与航向夹角φ并将信息传至处理器，处理器根据以上信息通过基于多位置信息投掷算法，令无人机控制器控制无人机到达指定投掷高度H1，并确定无人船投掷的初速度V1和与目标距离L0，如图8所示；

5.船控制器控制舵机旋转，使旋转夹紧架松开，连接杆与外壳分离，使得无人船与无人机脱离；

6.无人船下落俯冲时，船控制器控制伸缩杆少部分伸出，按投掷时风速风向对无人船重心进行调节，调节无人船俯冲角使得无人船能够精确到达指定入水位置；

7.无人船入水稳定后，通过摄像头3识别目标位置与姿态，控制无人船倒退行驶至目标位置，控制救援杆全部伸出，使无人船重心倾向船尾，增加无人船仰角，方便救援；

9.通过无人船配合无人机共同拍摄的图像位置信息控制无人船使救援杆从人体两侧穿过，打开辅助杆勾住目标身体，救援杆缩回一定距离，稳定救援目标；

10.无人机在空中拍摄画面，识别救援目标头部露出水面状态后，无人船根据遥控装置位置信息驶向岸边进行救援,无人机通过backstepping轨迹跟踪法跟随无人船并实时观测目标状态，一同驶向岸边。

11.救援期间，可通过遥控装置上的屏幕人为监测救助过程，并随时进行人工操作控制。

采用上述技术方案的本发明，无人机携带无人船并进行投递，需要控制器进行计算，否则应对海面风速过大会使无人船投递位置不准确，入水位置距离目标过近，可能会对救援目标造成二次伤害，入水位置距离目标过远，增加了救援难度。

通常人在疲劳溺水时，在水中为直立姿态，这也是本发明能够完成快速救援的基础，使用救援杆和辅助杆配合，可以救助无意识人员。

无人机携带无人船救援，返航时无人船载着被救人员在水面返航的救援方式，既加快救援时间，使救援人员能够尽快得到正常呼吸条件，又降低了无人机对载荷和续航的要求。

快速连接杆装置体积小重量轻，机械结构可靠，同时也便于快速安装和脱离。

救援杆选用密度较大的材质，其伸出和缩回可以调节无人船重心位置和仰角，使救助深度增加。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种可飞行无人船水面救援装置，其特征在于，包括：

无人机（1）、支架（2）、无人船（3）、快速连接杆装置（4）和用于控制无人机和无人船的遥控装置；

上述支架（2）固定在无人机（1）上，无人船（3）与快速连接杆装置（4）下部联接，无人机（1）与快速连接杆装置（4）上部联接；支架（2）与无人船（3）接触但不联接，支架（2）与无人船（3）接触部分用于定位无人船（3）；

无人机控制器（6）固定在无人机（1）的机架上；

上述无人机控制器（6）上集成有，用于确定目标状态处于待救援状态的状态确定模块，用于确定目标位置的位置确定模块，用于根据目标位置信息以及预设救援中心或者遥控装置的位置信息规划路径信息的路径规划模块，用于接收救援中心或者遥控装置的控制指令的通讯模块，用于搜索目标的搜寻模块，用于锁定目标的目标锁定模块，用于控制无人机飞行的飞行控制模块，用于采集无人船投掷数据信息的信息采集模块，用于计算采集模块输入的投掷数据信息的处理模块，用于执行处理模块投掷信息以及控制无人船投掷的投掷模块；

上述无人船（3）上集成有，用于控制无人船航行的无人船控制模块和集成在无人船上用于采集目标姿态信息的目标姿态采集模块；

所述无人船（3）包括：船体（31）、救援杆（32）、轴（33b）、辅助杆（33）、船控制器（34）、摄像头Ⅲ（35）、船驱动电机（36）、小齿轮（37）、电磁铁（32a）、活动销（32b）、弹簧（33a）、减速电机（38）和船叶轮（39）；

船体（31）与救援杆（32）联接，轴（33b）固定在救援杆（32）上，辅助杆（33）与轴（33b）联接，辅助杆（33）可绕轴（33b）旋转；船控制器（34）固定在船体（31）上，摄像头Ⅲ（35）固定在船体（31）上，船驱动电机（36）固定在船体（31）上，船叶轮（39）与船驱动电机（36）联接，减速电机（38）固定在船体（31）上，小齿轮（37）与减速电机（38）联接，救援杆（32）上有直齿，小齿轮（37）与救援杆（32）通过齿啮合联接；电磁铁（32a）固定在救援杆（32）内部，活动销（32b）与电磁铁（32a）联接，弹簧（33a）与辅助杆（33）和救援杆（32）联接，轴（33b）穿过弹簧（33a）固定在救援杆（32）上，利用救援杆伸出和缩回调节无人船重心位置和仰角。

2.根据权利要求1所述的一种可飞行无人船水面救援装置，其特征在于：

上述搜寻模块为摄像头Ⅰ（5），且固定在无人机控制器（6）上；

上述目标锁定模块为摄像头Ⅱ（7），且固定在无人机控制器（6）上；

上述信息采集模块为风速传感器及红外测距传感器（8），且固定在无人机控制器（6）上；

上述目标姿态采集模块为摄像头Ⅲ，且固定在无人船上；

上述无人船控制模块还能够控制无人船上的救援杆的动作，且上述救援杆伸出方向均朝向船尾方向。

3.根据权利要求2所述的一种可飞行无人船水面救援装置，其特征在于：

上述快速连接杆装置（4），包括：连接杆（41）、外壳（42）、旋转夹紧架（43）、小轴（44）、小弹簧（45）、舵机（46）和舵轮（47）；

连接杆（41）上部固定在无人机的机架上，外壳（42）固定在无人船的船体上，旋转夹紧架（43）中间穿小轴（44），旋转夹紧架可绕小轴旋转，旋转夹紧架底部用小弹簧（45）联接，通过小弹簧（45）提供夹紧预紧力，舵机（46）固定在外壳（42）底部，舵轮（47）与舵机（46）联接，并与旋转夹紧架（43）底部接触。

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