智能救援救生圈优化设计

吴宝有 尹英磊 李晓琪

摘 要：智能救援救生圈是一种带有动力装置的新型水上救生装置。采用U型结构，由尾部的两个推进器、内部的电路系统、定位系统、配套的遥控及接收装置等组成。救生圈连接三种不同的控制器可实现三种不同的救援功能。（1）遥控救援救生圈。连接遥控装置，由施救人员遥控救生圈前往救援落水者。（2）距离感应式救生圈。连接配套手环，游泳者佩戴手环下水游泳，救生圈将始终与佩戴的手环保持一米左右的距离。（3）桩站式自动救援救生圈。连接定位手环，游泳者佩戴手环下水游泳，遇到紧急情况，按下手环红色按钮，在救生圈存放点的对应救生圈会自动脱钩，滑下水面，以最大速度奔向求助者！目前使用的救生圈体积大，重量重，在实际使用时，由于重量重，投掷距离不远，救援范围有很大限制，并且对救援人员的素质和能力有较高的要求，同时还存在投掷的救生圈砸中落水者的风险。我们所设计的智能救援救生圈是一种能遥控前往救援的新型水上救生装置，整体长度86厘米，宽度70厘米，总重约为4kg，使用简单、安全，可靠。一键启动既可以使用，适用于消防专业救援及家庭旅游防护救援。

关键词：智能;救生圈;遥控;距离感应

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.166

0 引言

救生圈是水上救援最为常用的救生设备之一，应用较为广泛，在船舶航运、水上作业、水上旅游休闲以及抗洪救灾等场合均需配备。目前市面上使用的救生圈只有单一的漂浮功能，救援效率上显然不足。在国内，日益频发的溺水悲剧从侧面也反映出救援人员的意识措施和装置存在很多方面的不足，尤其高效救援装置的普及化存在很大的空白。一个不用救援人员涉险而又能高效迅速的传递给被救人员的救生圈，在分秒必争的救援中显得尤为珍贵。

1 救生圈结构设计

智能救援救生圈采用U型壳体结构、壳体内部安装有动力电池、中央处理单元、定位装置、遥控信号接收装置，电调，无刷电机及喷水推进器。救生圈的三维模型图如图1，整体结构布置图如图2，1处喷水推进器及无刷电机安装在尾部左右各一个（左侧为1号推进器，右侧为2号推进器），2处安装电调左右各一个左侧为1号电调，右侧为2号电调，3处安装遥控接受装置，4处安装中央处理器和定位装置，5处安装发光而二极管，6处安装动力电池组。外环预留的四个穿绳孔穿上符合救生圈规范的直径为12mm的合成纤维把手索绳。

该智能救援救生圈外壳整体U型，救生圈本体符合《SOLLA公约》要求，外表呈现橙黄色，贴有50mm发光带圈四处，由前段半个椭圆及中间椭圆柱以及后端圆柱和由铰链相连的套筒组成。救生圈与推进器套筒铰链连接，可自由旋转，实现了救生圈任意一面落水，推进器均可以埋没于水线之下，增強其可靠性，且可以提高推进效率。救生圈左右两边各两个拉绳固定孔，穿上绳子方便落水者抓住救生圈。救生圈尾部两端盖可以拆开，将内部电池、主控、接收器、电调等置入救生圈内，避免了多处开孔，保证了密封性能。

2 救生圈的功能使用

本救生圈圈体连接三种不同的装置实现三种不同的救援功能。

2.1 遥控式救生圈

救生圈圈体内中央处理器连接遥控器，实现一个可遥控救生圈。

该装置在平时悬挂于船舷侧，配套遥控器存放于傍边专用存放箱。在需要救援时，取出救生圈，打开救生圈和遥控器电源，将其尽量掷向落水者，救生圈与遥控器无线连接，操作者操作救生圈遥控器控制救生圈靠近落水者。落水者抓住救生圈绳索，将腋下部卡入U型内部，双手拉住两侧拉绳，操作者将遥控救生圈将其带回岸边。

2.2 手环式自动跟随救生圈

救生圈圈体中央处理器连接一个感应手环，实现一个跟随救生圈。

此救生圈主要应用于海水浴场、游泳馆等大型水上游乐场所。当有人需要下水游泳时，佩戴一个定位手环，开启救生圈电源，实现手环与救生圈配套连接，将救生圈放入水中，救生圈将始终与游泳者保持一米左右的距离。当遇到紧急情况，按下手环中的红色按钮，救生圈将立即缩短与游泳者的距离。实现安全救援，给游泳者带来保障。

2.3 桩站式自动救援救生圈

救生圈圈体中央处理器连接一个定位手环，当遇到危险时按下紧急求助按钮，救生圈实现自动救援。

此救生圈同样主要应用于海水浴场、游泳馆等大型水上游乐场所。在离岸100米左右处设置自动救援救生圈桩站。游泳者佩戴定位手环后，下水游泳。当游泳者遇到紧急情况时，按下手环红色紧急求助按钮，在救生圈桩站中对应的救生圈会自动脱钩，滑下水面，以最大速度奔向求助者！当求助者抱住救生圈时，按下绿色一键返回按钮，救生圈自动将其带回岸边。

3 具体实施方式

3.1 遥控式救生圈实现功能原理

遥控式救生圈功能实现原理图如图4所示。

救生圈内部电源连接中央处理器、遥控接收器、发光二极管、左右电调、遥控器接收机等为其供电，中央处理器接收到遥控器（遥控器拥有独立电源）的指令控制电调从而控制无刷电机去控制喷水推进器工作实现救生圈功能。操作者操作遥控器的操作手杆去发送速度指令给中央处理器，中央处理器通过调节电调去控制无刷电机的电流，进而控制推进器推进功率，实现速度大小调节。当救生圈需要转向时，控制操作杆幅度形成左右电机速度差实现救生圈的转向。

3.2 手环式自动跟随救生圈实现功能原理

游泳者佩戴的手环内装有定位装置，在中央处理单元中编写好救生圈本体与手环保持一米左右距离的程序。当在水中游泳时，游泳者往向前游泳远离救生圈，救生圈圈体内部中央处理单元检测到手环与其距离大于一米，于是根据算法控制两个电机工作实现前进和转弯。实现与游泳者保持一米左右的距离。

3.3 桩站式自动救援救生圈实现功能原理

此功能大致与自动跟随功能相似。区别在于救生圈悬挂于桩站上，桩站上有总处理器。游泳者通过手环向桩站发出求助，桩站根据游泳者位置算出派出最近的救生圈，并将其指令转接至被派出的救生圈，本派出的救生圈通过算法规划最佳路线前往救援。

4 总结

智能救援救生圈在一定程度上代表了现在整个救生装置发展的一个趋势，即外形上趋于低阻力，轻便化;救生功能趋于多样化;救援方式趋于安全化;装置操作性趋于简单化;救援时间的极速化。

具体的来说本设计的优点有如下：

（1）该救生装置坚实耐用，易于操作，适用于野外，水上作业等场合，尤其适合中国这个海域辽阔、江川河流众多的地域;（2）救生圈采用锂离子电池作为动力源，操作起来可快可慢可转弯，易以操控，摆脱了传统救生圈“随波逐流”的弊端。在大风大浪等恶劣的海况中有传统救生圈无法比拟的优势;（3）遥控式救生圈通过遥控前往落水者身边，救援范围广，解决了远距离救援时间紧，拋落位置不确定等问题，施救人员可站在安全的地方远程操控，降低了救援人员的风险;（4）手环式自动救援救生圈，游泳者出现危险时自己寻求帮助，无需救援人员发现，由“被救”转化为“自救”。解决了溺水者发现不及时以及救援不及时等问题！（5）手环式自动跟随救生圈始终漂浮在游泳者的附近，无形中给游泳者带来极大安全感，适用于游泳初学者。

可以断定的是，在可预见的将来一段时间，这种智能高效实用的救生设计理念，将会成为整个救援过程中一个不可或缺的环节，不仅为落水者提高生存概率，更为施救者带来保障。

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本文由烟台大学大学生创新创业训练计划项目“智能救援救生圈（201811066013）”支持   项目编号：201811066013

作者简介：吴宝有（1997-），男，江西瑞金人，本科，研究方向：轮机工程。

*为通讯作者