一种可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统

本发明属于水下可穿戴系统，更具体地，涉及一种可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统。

背景技术：

1、随着海洋资源开发和利用力度的不断加大，海上施工和打捞日益频繁，需要水下作业的机会也越来越多。潜水员单次水下作业时间往往很长，考虑到能量供给有限，因此降低潜水员水下作业的能量消耗具备重大意义。其中，水下运动姿态的优化对降低能量能耗具有重要作用，此外，当超过一定水深时，巨大的水压会对潜水员的身体造成伤害。为了保证潜水员水下作业可以省力、安全的进行，研制出一套可对潜水员进行实时反馈可穿戴系统具有重大意义。

2、在运动姿态监测方面，目前的水下穿戴式系统主要通过惯性测量单元和视频图像作为感知方法。肌肉作为肢体关节运动的唯一动力来源，蕴含着丰富的信息，因此可以被作为新的信号源进行人体运动状态辨识。

3、目前，很多测量肌肉形变的方法都是通过施加边界约束，将肌肉形变转换为压力值，再通过压力传感器进行测量的。中国专利cn106821321b通过多个压力传感器监测肌肉形变，但只展示了陆地的应用。中国专利cn113995404b展示了一种用于监测水陆两栖肌肉形变的柔性电容压力传感器，并展示了在步态测量中的可行性。

4、然而，上述专利均没有提及水下可穿戴系统的搭建，并且当采用压力传感器作为传感器件构建水下可穿戴设备时，传感器信号受到水压和人体肌肉形变数据的双重影响，因此无法准确量化当前的待测物理量，降低了设备的使用性能。

5、因此，如何解决在宽水深范围(大于1米)运动时，水深的实时监测以及水压和肌肉形变数据相耦合的问题，是亟需研究的。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，能有效解决在宽水深范围(大于1米)运动时，水深的实时监测以及水压和肌肉形变压强相耦合的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，包括穿戴组件以及安装在穿戴组件上的监测组件，所述监测组件包括：

3、水压电容传感器，用于测量实时水压数据；

4、若干个肌肉形变电容传感器，均对压力敏感，用于测量使用者水下运动过程中的实时肌肉形变数据；

5、处理器，用于根据水压电容传感器的初始电容值与其测量到的实时水压数据计算电容变化率，通过预先存储的水压电容传感器中水压与电容变化率的映射函数计算实时水压，然后根据实时水压计算使用者当前所在位置的水深；接着根据肌肉形变电容传感器的初始电容值与其测量到的实时肌肉形变数据计算电容变化率，通过预先存储的肌肉形变电容传感器中肌肉形变与电容变化率的映射函数计算实时肌肉形变，最后通过实时水压和预先存储的修正函数对实时肌肉形变进行补偿，以得到消除水压干扰后的真实肌肉形变数据。

6、在其中一个实施例中，所述实时水压pw的计算公式为：

7、pw＝fw(ew) (1)

8、所述实时肌肉形变vm的计算公式为：

9、vm＝fm(em) (2)

10、式中，fw表示水压与电容变化率的映射函数，ew＝(cw-cw0)/cw0表示水压电容传感器的电容变化率，cw表示水压电容传感器测量到的反映实时水压数据的电容值，cw0表示水压电容传感器在无水压状态下的初始电容值；fm表示肌肉形变与电容变化率的映射函数，em＝(cm–cm0)/cm0表示肌肉形变电容传感器的电容变化率，cm表示肌肉形变电容传感器测量到的反映实时肌肉形变数据的电容值，cm0表示肌肉形变电容传感器在无水压、无肌肉形变状态下的初始电容值。

11、在其中一个实施例中，经过水压补偿后的真实肌肉形变vr的计算公式为：

12、vr＝vm-α(pw) (3)

13、使用者当前所在位置的水深h的计算公式为：

14、h＝pw/ρg (4)

15、式中，α为实时肌肉形变vm在水压补偿过程中的修正函数；ρ表示水的密度，g表示重力加速度。

16、在其中一个实施例中，所述映射函数fw,fm和修正函数α是事先在实验室通过压力位移试验机和压力桶标定得到。

17、在其中一个实施例中，所述水压电容传感器安装在使用者的颧骨上，若干个肌肉形变电容传感器通过尼龙带安装在使用者的一块或多块骨骼肌的肌腹处，所述尼龙带提供了边界约束，将肌肉形变转换为压力进行测量。

18、在其中一个实施例中，还包括与处理器相连的反馈装置；

19、所述处理器还用于根据计算到的使用者当前所在位置的水深以及使用者真实的肌肉形变数据，通过人工智能算法，分析得到使用者游泳姿态、能量消耗和肌肉疲劳度指标信息，然后根据该指标信息发出相应的控制指令；所述反馈装置用于接收并根据该控制指令，对使用者进行实时信息反馈。

20、在其中一个实施例中，所述反馈装置的反馈形式采用听觉、视觉或触觉形式中的一种或多种。

21、在其中一个实施例中，所述处理器与肌肉形变电容传感器、水压电容传感器和反馈装置之间的通信方式采用声波通信、电磁波通信、水声光纤通信和有线电缆通信中的一种。

22、在其中一个实施例中，水压电容传感器和肌肉形变电容传感器均包括防水壳体、柔性电容传感单元、采集电路和防水弹性层；

23、所述柔性电容传感单元设置在防水壳体的上方，包括上层电极、介电层和下层电极，介电层设置在上层电极和下层电极之间；所述防水弹性层设置在防水壳体的上方，并完全包裹所述柔性电容传感单元，用于隔绝电容传感单元与水环境；所述采集电路设置在防水壳体的内部，用于采集所述柔性电容传感单元上层电极和下层电极之间的电容变化信号。

24、在其中一个实施例中，所述介电层的材质采用聚氨酯和钛酸铜钙复合结构，所述上层电极和下层电极的材质采用导电织物，所述介电层与上层电极和下层电极之间通过硅胶粘合剂进行组装。

25、本发明提供的可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，具有如下效果：(1)增设水压电容传感器实时监测水压，当使用者在宽水深范围运动时，可穿戴系统根据水压电容传感器的输出值消除水压对肌肉形变传感器的干扰，可实现运动的准确测量，对于压力传感器在深水领域运动测量方面的应用扩展具有重大意义，并且通过水压电容传感器的输出值可以计算当前所处的水深；(2)增设了反馈装置，反馈装置根据处理器的控制指令，给予使用者相应的实时反馈信息，有助于实现运动姿态优化，进而降低水下潜水运动的能量消耗，并且可以提示当前水深，实现潜水员的导航和安全预警。

技术特征：

1.一种可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，其特征在于，包括穿戴组件以及安装在穿戴组件上的监测组件，所述监测组件包括：

2.根据权利要求1所述的可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，其特征在于，所述实时水压pw的计算公式为：

3.根据权利要求2所述的可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，其特征在于，经过水压补偿后的真实肌肉形变vr的计算公式为：

4.根据权利要求3所述的可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，其特征在于，所述映射函数fw,fm和修正函数α是事先在实验室通过压力位移试验机和压力桶标定得到。

5.根据权利要求1所述的可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，其特征在于，所述水压电容传感器安装在使用者的颧骨上，若干个肌肉形变电容传感器通过尼龙带安装在使用者的一块或多块骨骼肌的肌腹处，所述尼龙带提供了边界约束，将肌肉形变转换为压力进行测量。

6.根据权利要求1所述的可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，其特征在于，还包括与处理器相连的反馈装置；

7.根据权利要求6所述的可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，其特征在于，所述反馈装置的反馈形式采用听觉、视觉或触觉形式中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，其特征在于，所述处理器与肌肉形变电容传感器、水压电容传感器和反馈装置之间的通信方式采用声波通信、电磁波通信、水声光纤通信和有线电缆通信中的一种。

9.根据权利要求1所述的可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，其特征在于，水压电容传感器和肌肉形变电容传感器均包括防水壳体、柔性电容传感单元、采集电路和防水弹性层；

10.根据权利要求9所述的可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，其特征在于，所述介电层的材质采用聚氨酯和钛酸铜钙复合结构，所述上层电极和下层电极的材质采用导电织物，所述介电层与上层电极和下层电极之间通过硅胶粘合剂进行组装。

技术总结
本发明公开了一种可补偿水压干扰并监测水深的水下柔性可穿戴系统，包括穿戴组件以及安装在穿戴组件上的监测组件，该监测组件包括水压电容传感器、肌肉形变电容传感器和处理器；处理器，用于根据水压电容传感器中的水压数据与其初始值，通过水压电容传感器中水压与电容变化率的映射函数计算实时水压，并根据肌肉形变电容传感器中的肌肉形变数据和其初始值，通过肌肉形变电容传感器中肌肉形变与电容变化率的映射函数计算实时肌肉形变，再根据与实时水压相关的修正函数消除肌肉形变数据中的水压干扰；然后根据实时水压计算使用者当前所在位置的水深。本发明能有效解决在宽水深范围运动时，水深的实时监测以及水压和肌肉形变数据相耦合的问题。

技术研发人员：郭家杰,刘宇超,郭楚璇,刘子杰,童毅然,夏俊杰
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15