基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统，包括救生圈、设置于救生圈上的多个机械臂以及主控模块，每个机械臂内设有陀螺仪模块，用于采集水波纹数据；陀螺仪模块电连接一姿态解算模块，与主控模块电连接，用于获取陀螺仪模块的数据，并通过波动检测定位算法获取振动源位置；救生圈上设有一GPS模块，主控模块通过GPS模块和巡航算法控制救生圈沿预设巡航路线或搜救路线运动；救生圈上设有多个电机马达，用于驱动救生圈运动。本发明专利技术通过在传统救生圈上加设机械臂、主控模块、陀螺仪模块、姿态解算模块、GPS模块以及电机马达，以较低成本将传统救生圈升级为智能救生圈，能够对指定水域进行巡航和搜救，救援效率高。救援效率高。救援效率高。

【技术实现步骤摘要】
基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及救生装置领域，特别涉及一种基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统及控制方法。

技术介绍

[0002]传统的智能救生装置多数设计为在下水时佩戴在游泳者身上的装置。遇险时，智能防溺水装置能检测并启动报警系统，弹出气囊等浮漂装置，发出设计的声光报警等。这类产品很好地提升了一类溺水事件的生存率，但对于意外落水类事件，仍然无法解决。
[0003]随后发展的遥控式智能救生圈，配备高速水下螺旋桨，操作人员在岸边使用遥控便能使智能救生圈迅速接近落水者。这一设计不仅解决了救援时救生人员下水的安全隐患问题，还因其强大的水上行驶能力(救生员12倍以上)，有效减地少了救援时间，大大增加落水者生还几率。与传统智能救生装置比，遥控式智能救生圈能应变更多的突发状况。但其遥控的设计，依赖于配备专业的救生人员，对于无人管辖的水域如水库，人工湖等，不能很好地完成救援。并且，还受到遥控距离的限制，对于室外面积大的水域，无法有效地完成救援。再者，现有的遥控式智能救生圈的设计大多为“U型”异形救生圈，需要定制，造价昂贵，在基金上难以充足配备至所需水域。
[0004]后续发展的智能救援系统使用多个传感器如人体红外感应，超声波、激光测距及人脸识别来实现落水者位置检测与营救。其采集的参数多，对比任务繁重，且红外检测，人脸识别和测距在现实环境下受不确定因素如天气，光线，障碍物等影响大，难以降低或消除误差，导致识别准确率低，救援效率难以保证。
[0005]目前国内的水面救援主要依赖专业救生人员，而水库等由于地理位置偏僻，面积较大等原因，较少配置专业人员，导致该类场景溺水事件高发。市场现有产品以遥控系统为主，无法摆脱对他人救援的依赖，在少人出没的地点或时间段不具备适用性，同时价格相对较高。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统，能适用于无人、缺少管制的大型开放水域，在操作人员与智能救生设施配备难以充足实现的情况下实现高效率、低成本防溺水智能救生。
[0007]本专利技术解决上述问题所采用的技术方案为：基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统，包括救生圈、设置于救生圈上的多个机械臂以及主控模块，每个所述机械臂内设有一与主控模块电连接的陀螺仪模块，用于采集水波纹数据，实时分析水波纹波动幅度及频率；所述陀螺仪模块电连接一姿态解算模块，所述姿态解算模块与主控模块电连接，用于获取陀螺仪模块的俯仰角和翻滚角，并通过波动检测定位算法获取振动源位置；所述救生圈上设有一与主控模块电连接的GPS模块，所述主控模块通过GPS模块和巡航算法控制救生圈沿预设巡航路线或搜救路线运动；所述救生圈上设有多个电机马达，用于驱动救生圈进行运
动。
[0008]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：通过在传统救生圈上加设机械臂、主控模块、陀螺仪模块、姿态解算模块、GPS模块以及电机马达，以较低成本将传统救生圈升级为智能救生圈，能够对指定水域进行巡航和搜救，救援效率高。
[0009]优选的，所述救生圈上设有一用于检测落水者是否抓住救生圈的水压传感器。这样，通过水压传感器来检测水压值，来判断落水者是否抓住救生圈，再通过主控模块驱动电机马达，带落水者返回最近的岸边，智能化程度高。
[0010]优选的，所述GPS模块获取的救生圈坐标和指定点坐标的差值通过PID算法转换为电机马达的转速。差值越大，说明救生圈距离越远，通过PID算法转换的电机马达转速需更快，这样通过PID算法来不断调整，以确保驶向救援位置的准确性和高效性。
[0011]优选的，所述机械臂包括密封箱和连接杆，所述陀螺仪模块设置于密封箱内，所述连接杆一端与密封箱连接，另一端通过一抱箍与救生圈固定。这样，机械臂能够紧密的固定在救生圈上，保证整个智能救生系统的稳定性，同时也确保各个模块与救生圈位置的相对固定。
[0012]优选的，所述机械臂为四个，四个所述机械臂周向均匀分布设置于救生圈外圈上。这样，通过四个机械臂成轴对称形式均匀分布在救生圈上，保证整个救生圈能够平稳的落在水面上，同时也方便通过波动检测定位算法来确定落水者的位置。
[0013]优选的，所述救生圈上设有多个太阳能发电系统，所述太阳能发电系统与陀螺仪模块、主控模块、GPS模块和电机马达电连接。这样，通过太阳能充电，保证整个系统能量充足。
[0014]本专利技术所要解决的第二技术问题是：提供一种基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统的控制方法，通过对陀螺仪模块采集的水波纹数据来判断是进入巡航模式还是搜救模式，并通过波动检测定位算法来确定落水者的位置，来提高搜救的效率。
[0015]本专利技术解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统的控制方法，包括如下步骤：
[0016]A1、校准所有陀螺仪模块，并将整个智能救生系统置于指定水域；
[0017]A2、主控模块分析陀螺仪模块采集的水波纹数据是否超过阈值，若不是，进入步骤A3，否则，进入A4；
[0018]A3、进入巡航模式，主控模块控制电机马达按照给定转速通过巡航算法沿预设巡航路线在指定水域范围内巡航，返回步骤A2；
[0019]A4、进入搜救模式，姿态解算模块获取陀螺仪模块的俯仰角和翻滚角，并通过波动检测定位算法获取振动源位置；
[0020]A5、GPS模块获取救生圈的坐标和指定点坐标的差值通过PID算法转换为电机马达的转速，主控模块控制电机马达按照转换后的转速和预设搜救路线，到达落水者位置；
[0021]A6、若水压传感器检测到水压数据超出预设水压阈值，则主控模块进入返航模式，主控模块驱动电机马达带动救生圈返回最近岸边，否则返回步骤A4。
[0022]这样，整个智能救生系统平时均处于巡航模式，能够全天候检测水域状态，若出现落水者，能够第一时间转换为搜救模式，把落水者带到岸边，提高救援效率。
[0023]优选的，在步骤A5中，救生圈坐标和指定点坐标的差值越大，电机马达的转速越
快。这样，保证救生圈能以最快速度到达落水者位置。
[0024]优选的，在步骤A4中，所述波动检测定位算法包括如下步骤：
[0025]S11、四个陀螺仪模块分别获取各自的俯仰角和翻滚角数据，并将数据传递至姿态解算模块；
[0026]S12、姿态解算模块获取数据，经卡尔曼滤波及傅里叶变换处理得到水波纹的幅度大小和频率f；
[0027]S13、以救生圈中心为原点，四个陀螺仪模块为坐标轴，建立直角坐标系，根据频率与波长的关系公式，得到水波纹波长在X轴和Y轴向量，与波长的关系公式，得到水波纹波长在X轴和Y轴向量，其中，l
x
为水波纹波长在X轴的向量，f
x
为水波纹频率在X轴的分量，l
y
为水波纹波长在Y轴的向量，f
y
，为水波纹频率在Y轴的分量；
[0028]S14、确定振动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统，其特征在于：包括救生圈(1)、设置于救生圈(1)上的多个机械臂(2)以及主控模块，每个所述机械臂(2)内设有一与主控模块电连接的陀螺仪模块，用于采集水波纹数据，实时分析水波纹波动幅度及频率；所述陀螺仪模块电连接一姿态解算模块，所述姿态解算模块与主控模块电连接，用于获取陀螺仪模块的俯仰角和翻滚角，并通过波动检测定位算法获取振动源位置；所述救生圈(1)上设有一与主控模块电连接的GPS模块，所述主控模块通过GPS模块和巡航算法控制救生圈沿预设巡航路线或搜救路线运动；所述救生圈(1)上设有多个电机马达，用于驱动救生圈进行运动。2.根据权利要求1所述的基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统，其特征在于：所述救生圈(1)上设有一用于检测落水者是否抓住救生圈(1)的水压传感器。3.根据权利要求2所述的基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统，其特征在于：所述GPS模块获取的救生圈坐标和指定点坐标的差值通过PID算法转换为电机马达的转速。4.根据权利要求1所述的基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统，其特征在于：所述机械臂(2)包括密封箱(21)和连接杆(22)，所述陀螺仪模块设置于密封箱(21)内，所述连接杆(22)一端与密封箱(21)连接，另一端通过一抱箍(3)与救生圈(1)固定。5.根据权利要求4所述的基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统，其特征在于：所述机械臂(2)为四个，四个所述机械臂(2)周向均匀分布设置于救生圈(1)外圈上。6.根据权利要求1
‑
5所述的基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统，其特征在于：所述救生圈(1)上设有多个太阳能发电系统，所述太阳能发电系统与陀螺仪模块、主控模块、GPS模块和电机马达电连接。7.一种根据权利要求1
‑
6任意一项所述的基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：A1、校准所有陀螺仪模块，并将整个智能救生系统置于指定水域；A2、主控模块分析陀螺仪模块采集的水波纹数据是否超过阈值，若不是，进入步骤A3，否则，进入A4；A3、进入巡航模式，主控模块控制电机马达按照给定转速通过巡航算法沿预设巡航路线在指定水域范围内巡航，返回步骤A2；A4、进入搜救模式，姿态解算模块获取陀螺仪模块的俯仰角和翻滚角，并通过波动检测定位算法获取振动源位置；A5、GPS模块获取救生圈坐标和指定点坐标的差值通过PID算法转换为电机马达的转速，主控模块控制电机马达按照转换后的转速和预设搜救路线，到达落水者位置；A6、若水压传感器检测到水压数据超出预设水压阈值，则主控模块进入返航模式，主控模块驱动电机马达带动救生圈返回最近岸边，否则返回步骤A4。8.根据权利要求7所述的基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统的控制方法，其特征在于：在步骤A5中，救生圈坐标和指定点坐标的差值越大，电机马达的转速越快。9.根据权利要求7或8所述的基于GPS巡航与姿态解算的智能救生系统的控制方法，其特征在于：在步骤A4中，所述波动检测定位算法包括如下步骤：S11、四个陀螺仪模块分别获取各自的俯仰角和翻滚角数据，并将数据传递至姿态解算
模块；S12、姿态解算模块获取数据，经卡尔曼滤波及傅...

【专利技术属性】
技术研发人员：余艾洋，张奕，吴维正，
申请(专利权)人：宁波诺丁汉大学，
类型：发明
国别省市：