CN115258098A - 基于声纳探测与gps定位的水中救生系统及控制方法 - Google Patents

基于声纳探测与gps定位的水中救生系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声纳探测与GPS定位的水中救生系统及控制方法；其特征在于：水中救生系统包括救生圈、主控模块、声纳模块、GPS模块。其中，GPS模块来对救生圈进行定位并将救生圈的坐标信息发送给主控模块；声纳模块通过接收落水人员在水中发出的声波来对落水人员进行定位；主控模块控制无人救生圈前进来对落水人员进行快速救援；无人救生圈上设有两个永磁同步电机，用于驱动救生圈进行运动和调整方向；本发明能够适用于没有配备足够救生员的大面积水域，在有人员不幸落水的情况下进行快速救援。

Description

基于声纳探测与GPS定位的水中救生系统及控制方法
技术领域
本发明涉及水上作业和水中救生技术领域，具体涉及一种基于声纳探测与GPS定位的水中救生系统及控制方法。
背景技术
随着炎热夏季的到来，到户外水中游泳玩耍的人越来越多，因此在容易发生溺水的水域放置水中救生装置就极为重要。传统的水中救生装置基本都是游泳圈、救生衣等佩戴在人员身上的装置。在溺水发生时这种装置只能依靠救援人员去主动佩戴在落水人员身上，这种救援方式在水域环境复杂时不仅救援难度大、而且危险系数高。
随后出现的遥控式智能救生圈，当有人员落水或者洪涝灾害遇险被困时，救援人员可以在岸边或者船上，通过遥控智能救生圈，快速下水开展施救工作，既可以救助落水人员，也可以保护救援人员。遥控式智能救生圈与传统的水中救生装置相比提高了落水者生还几率、减小了救援人员的安全隐患问题。但遥控式智能救生圈需要救援人员通过遥控设备，操控救生圈飞速游向落水者，这种方式依赖于救援人员对于救生圈的专业操控能力，并且遥控式智能救生圈信号接收距离有限，在距离较远时不能完成救援。
最近出现的还有与无人机结合的救生圈，通过无人机与气胀式救生圈、传统救生圈结合起来进行救援。例如，无人机抓取救生圈后，在救援人员的操纵下飞至落水者上空，再将救生圈投落至落水者身边。其中气胀式救生圈与传统救生圈相比较为轻便，未打开时形似可乐罐大小的气囊，一旦遇水则快速膨胀成小型救生圈，落水者可浮在上方等待救援。但这种装置造价昂贵、受环境条件限制并且依然没有解决需要专业人员操纵的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于声纳探测与GPS定位的水中救生系统及控制方法，此水中救生系统能够适用于没有配备足够救生员的大面积水域，在有人员不幸落水的情况下进行快速救援。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
基于声纳探测与GPS定位的水中救生系统，包括救生圈、主控模块、声纳模块、GPS模块、永磁同步电机、压力传感器。其中，GPS模块来对救生圈进行定位并将救生圈的坐标信息发送给主控模块；人员落水后会在水中挣扎发出声波，声纳模块通过接收水中声波来分析水中信息，来对落水人员进行定位；主控模块通过GPS模块和声纳模块来确定落水人员的位置和前进方向；无人救生圈上设有两个永磁同步电机，用于驱动救生圈进行运动和调整方向。
进一步地，无人救生圈通过分别调整尾部的两个电机的扭矩和转速来调整无人救生圈前进的方向；当左侧尾翼的电机转速小于右侧尾翼的转速时，电机前进方向往逆时针方向调整；当左侧尾翼的电机转速大于右侧尾翼的电机转速时，电机前进方向往顺时针方向调整。
进一步地，在步骤五中救生圈的坐标和落水者坐标的差值越大，永磁同步电机的转速越大，这样可以保证救生圈快速到达落水者位置。
进一步地，救生圈中握柄处设有压力传感器来检测落水者是否抓住了救生圈。压力传感器与主控模块相连并将压力值实时传输给主控模块，当压力值超过设定阈值时，则认为落水者已抓紧救生圈，此时启动电机将落水者带回岸边。
本发明通过对声纳模块采集的声波数据以及GPS定位来确定落水者的位置和无人救生圈的位置，之后通过主控模块驱动永磁同步电机旋转来使救生圈前进并快速到达落水者身边进行救援；一种基于声纳定位与GPS巡航的救生系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：当发现有人员意外落水时将无人救生圈置于水域中并启动无人救生圈，初始化GPS模块及声纳模块；
步骤二：GPS模块定位当前无人救生圈坐标并传输给主控模块作为出发坐标进行记录，主控模块分析声纳模块采集的数据是否超过设定的阈值来判断是否检测到有人员落水，若不是，进入步骤三，否则，进入步骤四；
步骤三：进入方向调整模式，主控模块控制无人救生圈的两侧尾翼电机进行逆时针旋转，无人救生圈每次旋转15度，方向旋转完成后返回步骤二；当检测到人员落水时立即停止旋转，进入步骤四；
步骤四：进入搜救模式，主控模块通过声纳模块返回的数据检测落水者位置；
步骤五：GPS模块获取无人救生圈的实时坐标，主控模块以检测到的落水者位置为前进的目标位置进行加速直线前进，到达落水者位置；
步骤六：主控模块分析压力传感器采集的压力值是否超过阈值来判断落水人员是否抓住了救生圈；若是，GPS模块获取当前无人救生圈坐标，主控模块以出发坐标为目的地驱动电机带动无人救生圈和落水人员返回岸边；否则，返回步骤四；
进一步地，在步骤四中，声纳模块检测落水者位置包括如下步骤：
1、人员落水后会在水中挣扎，向周围发出声波；
2、声纳模块接收前方水面的声波信号，利用三元声纳阵列测距方法，估算声波信号到达三个阵元的时间差来反推目标声源的位置，其中，三个阵元分别为首阵元、中阵元、尾阵元，首阵元和中阵元间距为d，中阵元和尾阵元间距为Kd，目标声源到中阵元的距离即为要测定的目标距离R；
3、目标距离 R的计算公式为：
Figure 356567DEST_PATH_IMAGE001
其中，R为要测定的目标距离；d为阵元间距；K为大于等于1的实数；
Figure 812956DEST_PATH_IMAGE002
为声波信号到达首阵元、中阵元的时间差，
Figure 37264DEST_PATH_IMAGE003
为声波信号到达中阵元、尾阵元的时间差，c为声波信号传播速度；
目标角度
Figure 629919DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为：
Figure 914270DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 326797DEST_PATH_IMAGE004
为要测定的目标角度；
Figure 885954DEST_PATH_IMAGE006
为声波到达首阵元、尾阵元的时间差。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明利用被动声纳来探测落水者的位置，能使无人救生圈自动驶向落水人员进行快速救援，减小了救生人员的伤亡并且增加了落水者被救的几率。第二，本发明利用GPS模块对无人救生圈进行定位，在落水者抓住无人救生圈后根据GPS坐标自动规划返回路径，保证救援的高效性。
附图说明
图1基于声纳探测与GPS定位的水中救生系统结构示意图。
图2基于声纳探测与GPS定位的水中救生系统的控制方法流程图。
图3声纳探测的三元阵测距模型。
附图中，各标号说明：
1、永磁同步电机，2、永磁同步电机，3、反光条，4、装有压力传感器的持握把手，5、GPS模块，6、LED警示灯，7、声纳模块。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，基于声纳定位与GPS巡航的救生系统，包括救生圈、主控模块、声纳模块、GPS模块、永磁同步电机、压力传感器。其中，GPS模块来对救生圈进行定位并将救生圈的坐标信息发送给主控模块；人员落水后会在水中挣扎发出声波，声纳模块通过接收水中声波来分析水中信息，来对溺水人员的位置进行定位；主控模块通过GPS模块和声纳模块来确定落水人员的位置和前进方向；救生圈上设有两个永磁同步电机，用于驱动救生圈进行运动和调整方向。
其中，无人救生圈通过分别调整尾部的两个电机的扭矩和转速来调整无人救生圈前进的方向；当左侧尾翼的电机转速小于右侧尾翼的转速时，电机前进方向往逆时针方向调整；当左侧尾翼的电机转速大于右侧尾翼的电机转速时，电机前进方向往顺时针方向调整。
其中，在步骤五中救生圈的坐标和落水者坐标的差值越大，永磁同步电机的转速越大，这样可以保证救生圈快速到达落水者位置。
其中，救生圈中握柄处设有压力传感器来检测落水者是否抓住了救生圈。压力传感器与主控模块相连并将压力值实时传输给主控模块，当压力值超过设定阈值时，则认为落水者已抓紧救生圈，此时启动电机将落水者带回岸边。
本发明通过对声纳模块采集的声波数据以及GPS定位来确定落水者的位置和无人救生圈的位置，之后通过主控模块驱动永磁同步电机旋转来使救生圈前进并快速到达落水者身边进行救援；如图2所示，一种基于声纳定位与GPS巡航的救生系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：当发现有人员意外落水时将无人救生圈置于水域中并启动无人救生圈，初始化GPS模块及声纳模块；
步骤二：GPS模块定位当前无人救生圈坐标并传输给主控模块作为出发坐标进行记录，主控模块分析声纳模块采集的数据是否超过设定的阈值来判断是否检测到有人员落水，若不是，进入步骤三，否则，进入步骤四；
步骤三：进入方向调整模式，主控模块控制无人救生圈的两侧尾翼电机进行逆时针旋转，无人救生圈每次旋转15度，方向旋转完成后返回步骤二；当检测到人员落水时立即停止旋转，进入步骤四；
步骤四：进入搜救模式，主控模块通过声纳模块返回的数据检测落水者位置；
步骤五：GPS模块获取无人救生圈的实时坐标，主控模块以检测到的落水者位置为前进的目标位置进行加速直线前进，到达落水者位置；
步骤六：主控模块分析压力传感器采集的压力值是否超过阈值来判断落水人员是否抓住了救生圈；若是，GPS模块获取当前无人救生圈坐标，主控模块以出发坐标为目的地驱动电机带动无人救生圈和落水人员返回岸边；否则，返回步骤四；
其中，在步骤四中，声纳模块检测落水者位置包括如下步骤：
1、人员落水后会在水中挣扎，向周围发出声波；
2、声纳模块接收前方水面的声波信号，利用三元声纳阵列测距方法，估算声波信号到达三个阵元的时间差来反推目标声源的位置，其中，三个阵元分别为首阵元、中阵元、尾阵元，首阵元和中阵元间距为d，中阵元和尾阵元间距为Kd，目标声源到中阵元的距离即为要测定的目标距离R；
3、如图3所示的三元阵测距模型，待测声源S为点源，目标方位为
Figure 67537DEST_PATH_IMAGE007
，声波以球面波的方式向外传播，1、2、3分别代表接收阵的首阵元、中阵元、尾阵元，首阵元和中阵元间距为d，中阵元和尾阵元间距为Kd，声源到达各个阵元的距离分别为r1、r2、r3，其中，r2即为待测的目标距离R；目标距离 R的计算公式为：
Figure 257210DEST_PATH_IMAGE001
其中，R为要测定的目标距离；d为阵元间距；K为大于等于1的实数；
Figure 438923DEST_PATH_IMAGE002
为声波信号到达首阵元、中阵元的时间差，
Figure 5034DEST_PATH_IMAGE003
为声波信号到达中阵元、尾阵元的时间差，c为声波信号传播速度；
目标角度
Figure 837861DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为：
Figure 198435DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 116712DEST_PATH_IMAGE004
为要测定的目标角度；
Figure 486514DEST_PATH_IMAGE006
为声波到达首阵元、尾阵元的时间差。
本领域普通技术人员可以理解,以上所述仅为发明的优选实例而已,并不用于限制发明,尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内,所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于声纳探测与GPS定位的水中救生系统，其特征在于：包括：救生圈、主控模块、声纳模块、GPS模块、永磁同步电机、压力传感器；其中，GPS模块来对救生圈进行定位并将救生圈的坐标信息发送给主控模块；人员落水后会在水中挣扎发出声波，声纳模块通过接收水中声波来分析水中信息，来对溺水人员的位置进行定位；主控模块通过GPS模块和声纳模块来确定落水人员的位置和前进方向；救生圈上设有两个永磁同步电机，用于驱动救生圈进行运动和调整方向；
其中，无人救生圈通过分别调整尾部的两个电机的扭矩和转速来调整无人救生圈前进的方向；当左侧尾翼的电机转速小于右侧尾翼的转速时，电机前进方向往逆时针方向调整；当左侧尾翼的电机转速大于右侧尾翼的电机转速时，电机前进方向往顺时针方向调整；
其中，救生圈中握柄处设有压力传感器来检测落水者是否抓住了救生圈；压力传感器与主控模块相连并将压力值实时传输给主控模块，当压力值超过设定阈值时，则认为落水者已抓紧救生圈，此时启动电机将落水者带回岸边。
2.一种基于声纳探测与GPS定位的水中救生系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：当发现有人员意外落水时将无人救生圈置于水域中并启动无人救生圈，初始化GPS模块及声纳模块；
步骤二：GPS模块定位当前无人救生圈坐标并传输给主控模块作为出发坐标进行记录，主控模块分析声纳模块采集的数据是否超过设定的阈值来判断是否检测到有人员落水，若不是，进入步骤三，否则，进入步骤四；
步骤三：进入方向调整模式，主控模块控制无人救生圈的两侧尾翼电机进行逆时针旋转，无人救生圈每次旋转15度，方向旋转完成后返回步骤二；当检测到人员落水时立即停止旋转，进入步骤四；
步骤四：进入搜救模式，主控模块通过声纳模块返回的数据检测落水者位置；
步骤五：GPS模块获取无人救生圈的实时坐标，主控模块以检测到的落水者位置为前进的目标位置进行加速直线前进，到达落水者位置；
步骤六：主控模块分析压力传感器采集的压力值是否超过阈值来判断落水人员是否抓住了救生圈；若是，GPS模块获取当前无人救生圈坐标，主控模块以出发坐标为目的地驱动电机带动无人救生圈和落水人员返回岸边；否则，返回步骤四。
3.根据权利要求2所述的一种基于声纳探测与GPS定位的水中救生系统的控制方法，其中，步骤四中声纳模块检测落水者位置，其特征在于：包括以下步骤：
a、人员落水后会在水中挣扎，向周围发出声波；
b、声纳模块接收前方水面的声波信号，利用三元声纳阵列测距方法，估算声波信号到达三个阵元的时间差来反推目标声源的位置，其中，三个阵元分别为首阵元、中阵元、尾阵元，首阵元和中阵元间距为d，中阵元和尾阵元间距为Kd，目标声源到中阵元的距离即为要测定的目标距离R；
c、目标距离 R的计算公式为：
Figure 75264DEST_PATH_IMAGE001
其中，R为要测定的目标距离；d为阵元间距；K为大于等于1的实数；
Figure 488927DEST_PATH_IMAGE002
为声波信号到达首阵元、中阵元的时间差，
Figure 372570DEST_PATH_IMAGE003
为声波信号到达中阵元、尾阵元的时间差，c为声波信号传播速度；
目标角度
Figure 315118DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为：
Figure 753053DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 455560DEST_PATH_IMAGE004
为要测定的目标角度；
Figure 928130DEST_PATH_IMAGE006
为声波到达首阵元、尾阵元的时间差。
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CN116165903A (zh) * 2023-04-26 2023-05-26 济南大学 一种海上无人救援艇系统的实现及最优鲁棒性控制方法

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