本实用新型涉及一种应急保障救生系统，属于紧急救生装置。
背景技术：
游泳是一种受到广大人民群众喜爱的休闲运动项目，但这项运动本身蕴含巨大风险，根据瑞典救生组织的统计数字，全世界每年溺水死亡人数约达30万人。目前市面上常用普及的救生设备基本是游泳圈及泡沫救生衣，使用者佩戴后依靠游泳圈或泡沫体产生的浮力漂浮在水面防止溺水，然而这些救生设备臃肿肥大，使用起来笨拙不便，大大降低了游泳乐趣；然而，如果不穿戴救生设备，一旦意外溺水，在很短的时间内如果得不到救援就会很快溺亡，特别是在一些环境比较危险的水域，即使救援人员第一时间赶到，也会由于施救难度较大耽误最佳抢救时机，给人们带来巨大的生命财产损失。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种结构简单、使用方便，能够快速响应并及时采取有效救援措施、可以降低溺亡率，且不会影响游泳者正常活动的应急保障救生系统。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种应急保障救生系统，包括压缩救生圈、发射台和载气弹，
所述压缩救生圈上设有充气盒和控制部件，充气盒中设有浮子小球，所述浮子小球中设有充气插孔，充气插孔通过充气通道与压缩救生圈表面的气孔连通，所述充气盒设有上端盖，上端盖一端与充气盒铰接，另一端与充气盒配合设有卡扣，一推拉式电磁铁Ⅰ穿过卡扣，将上端盖盖合在充气盒上；所述控制部件包括控制器Ⅰ和分别与控制器Ⅰ相连的无线传输模块Ⅰ、心跳传感器，控制器Ⅰ和无线传输模块Ⅰ置于充气盒中，心跳传感器设在充气盒外，且推拉式电磁铁Ⅰ与控制器Ⅰ电连接；
所述发射台包括底座，底座上设有旋转台、控制器Ⅱ和与控制器Ⅱ相连的无线传输模块Ⅰ，所述旋转台由底座下表面的驱动装置驱动旋转，且旋转台上设有发射管，发射管中部通过支架铰接固定在旋转台上，后部通过高度调节装置固定在旋转台上，所述高度调节装置包括液压缸，所述液压缸固定在旋转台上，且液压缸的活塞杆端部铰接有滑块，所述滑块配合安装在发射管后部表面的滑道上，所述发射管后端设有助推器，助推器与控制器Ⅱ电连接；
载气弹包括定位船容纳仓，定位船容纳仓一侧设有储气仓，另一侧设有端盖，所述端盖一端铰接在定位船容纳仓的仓口，另一端通过推拉式电磁铁Ⅲ固定在仓口的端盖卡扣上；定位船容纳仓中设有定位船，所述储气仓上设有充气阀门，所述充气阀门包括设在储气仓仓壁上的阀体和阀芯，所述阀芯配合置入阀体中，且阀芯朝向储气仓的前端直径大于阀芯后端的直径，所述阀芯后段套设有压缩弹簧，所述压缩弹簧一端从内侧顶住阀体、另一端顶住阀芯，一推拉式电磁铁Ⅳ的伸缩杆沿与阀体和阀芯轴线垂直的方向穿过阀体和阀芯，将阀体和阀芯固定在一起；所述定位船的船体上设有机械臂，所述机械臂的前端设有机械手，机械手的中部垂直于其表面设有充气插头，充气插头的后端通过充气管连接至充气阀门；所述定位船上设有自动定位抓取部分，所述自动定位抓取部分包括控制器Ⅲ、单目摄像机、压力传感器和伺服电机驱动器，所述单目摄像机置于定位船上，且依次通过图像采集卡和图像处理模块连接至控制器Ⅲ，控制器Ⅲ的输出端与伺服电机驱动器的输入端连接，伺服电机驱动器的输出端分别与一伺服电机Ⅰ和一伺服电机Ⅱ的输入端连接，伺服电机Ⅰ的输出轴通过减速器Ⅰ与定位船的推进器轴连接，所述伺服电机Ⅱ的输出轴通过减速器Ⅱ与机械臂动作轴连接，所述压力传感器设在机械手表面，推拉式电磁铁Ⅲ、推拉式电磁铁Ⅳ、压力传感器以及载气弹表面的水位传感器分别与控制器Ⅲ电连接，所述载气弹与发射管长度方向一致置于发射管中。
优选的，所述驱动装置包括安装在底座下表面的步进电机，所述步进电机的输出轴垂直穿过旋转台且端部套设有小齿轮，所述小齿轮与套在旋转台上的大齿轮圈啮合。
进一步的，还包括口腔液位传感器，所述口腔液位传感器设在充气盒外，且口腔液位传感器与控制器Ⅰ电连接。
优选的，所述助推器包括火药仓，火药仓后部设有推拉式电磁铁Ⅱ，所述推拉式电磁铁Ⅱ的伸缩杆顶在火药仓上，且推拉式电磁铁Ⅱ与控制器Ⅱ电连接。
优选的，所述上端盖与充气盒铰接的位置通过销钉连接，且销钉上设有扭力弹簧。
优选的，所述气孔中设有防漏气小球，充气插孔中设置隔水膜。
本实用新型的压缩救生圈正常使用时不需要充气，游泳者直接佩戴压缩救生圈就可以正常游泳；溺水时，压缩救生圈上的浮子小球会快速浮出，同时将救援信号传递至发射台，发射出的载气弹中含有定位船，定位船利用内部的自动定位抓取功能快速定位并抓取浮子小球，第一时间利用载气弹中的气体为压缩救生圈充气，使溺水者能够在水面漂浮，避免了溺水，为进一步的救援争取了时间，溺水者在水面漂浮也大大降低了救援的难度。本实用新型可以快速响应，能够为溺水者充分争取救援时间，保障了游泳者的生命财产安全。
附图说明
图1是本实用新型压缩救生圈的示意图；
图2是图1的压缩救生圈的H-H向剖视图；
图3是本实用新型发射台的立体示意图；
图4是本实用新型发射台的俯视图；
图5是图4的C-C向剖视图；
图6是本实用新型载气弹的立体结构示意图；
图7是本实用新型载气弹的左视图
图8是图7的A-A向剖视图；
图9是本实用新型定位船省略掉充气管后的立体结构示意图；
图10是本实用新型定位船的主视图；
图11是本实用新型载气弹安装到发射台中的示意图；
图12是图11的B-B向剖视图；
图13是压缩救生圈的控制原理图；
图14是发射台的控制原理图；
图15是定位船的控制原理图；
图16是采用的一种推拉式电磁铁的结构示意图；
图17是图16的B-B向剖面图；
图中，1.压缩救生圈，11.充气盒，11a.上端盖，11b.卡扣，11c.推拉式电磁铁Ⅰ，11d.销钉，11e.扭力弹簧，12.浮子小球，12a.充气插孔，12b.充气通道，12c.气孔，12d.防漏气小球，
2.发射台，21.底座，22.旋转台，23.发射管，24.支架，25.液压缸，25a.活塞杆，26.滑块，27.步进电机，28a.小齿轮，28b.大齿轮圈，29.火药仓，29a.推拉式电磁铁Ⅱ，
3.载气弹，31.定位船容纳仓，32.储气仓，33.端盖，33a.推拉式电磁铁Ⅲ，33b. 端盖卡扣，34a.阀体，34b.阀芯，34c.压缩弹簧，35.推拉式电磁铁Ⅳ，35a.伸缩杆，
4.定位船，41.机械臂，42.机械手，43.充气插头，44.充气管，45.单目摄像机，
51.拉杆，52.尾座，53.铜线圈，54.弹簧。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1至图15所示是一种应急保障救生系统，包括压缩救生圈1、发射台2和载气弹 3，
图1和图2中，所述压缩救生圈1上设有充气盒11和控制部件，充气盒11中设有浮子小球12，所述浮子小球12中设有充气插孔12a，充气插孔12a通过充气通道12b与压缩救生圈1表面的气孔12c连通，所述充气盒11设有上端盖11a，上端盖11a一端与充气盒 11铰接，另一端与充气盒11配合设有卡扣11b，一推拉式电磁铁Ⅰ11c穿过卡扣11b，将上端盖11a盖合在充气盒11上；所述控制部件包括控制器Ⅰ和分别与控制器Ⅰ相连的无线传输模块Ⅰ、心跳传感器，控制器Ⅰ和无线传输模块Ⅰ置于充气盒11中，心跳传感器设在充气盒11外，且推拉式电磁铁Ⅰ与控制器Ⅰ电连接；
在图3-图5所述的发射台2中包括底座21，底座21上设有旋转台22、控制器Ⅱ和与控制器Ⅱ相连的无线传输模块Ⅰ，所述旋转台22由底座21下表面的驱动装置驱动旋转，且旋转台22上设有发射管23，发射管23中部通过支架24铰接固定在旋转台22上，后部通过高度调节装置固定在旋转台22上，所述高度调节装置包括液压缸25，所述液压缸25 固定在旋转台22上，且液压缸25的活塞杆25a端部铰接有滑块26，所述滑块26配合安装在发射管23后部表面的滑道上，所述发射管23后端设有助推器，助推器与控制器Ⅱ电连接；
图6至图8的载气弹3包括定位船容纳仓31，定位船容纳仓31一侧设有储气仓32，另一侧设有端盖33，所述端盖33一端铰接在定位船容纳仓31的仓口，另一端通过推拉式电磁铁Ⅲ33a固定在仓口的端盖卡扣33b上；定位船容纳仓31中设有定位船4，所述储气仓32上设有充气阀门，所述充气阀门包括设在储气仓32仓壁上的阀体34a和阀芯34b，所述阀芯34b配合置入阀体34a中，且阀芯34b朝向储气仓32的前端直径大于阀芯34b后端的直径，所述阀芯34b后段套设有压缩弹簧34c，所述压缩弹簧34c一端从内侧顶住阀体 34a、另一端顶住阀芯34b，一推拉式电磁铁Ⅳ35的伸缩杆35a沿与阀体34a和阀芯34b轴线垂直的方向穿过阀体34a和阀芯34b，将阀体34a和阀芯34b固定在一起；所述定位船4 的船体上设有机械臂41，所述机械臂41的前端设有机械手42，机械手42的中部垂直于其表面设有充气插头43，充气插头43的后端通过充气管44连接至充气阀门；如图9至图10 所示，定位船4上设有自动定位抓取部分，所述自动定位抓取部分包括控制器Ⅲ、单目摄像机45、压力传感器和伺服电机驱动器，所述单目摄像机45置于定位船4上，且依次通过图像采集卡和图像处理模块连接至控制器Ⅲ，控制器Ⅲ的输出端与伺服电机驱动器的输入端连接，伺服电机驱动器的输出端分别与一伺服电机Ⅰ和一伺服电机Ⅱ的输入端连接，伺服电机Ⅰ的输出轴通过减速器Ⅰ与定位船4的推进器轴连接，伺服电机Ⅰ的转动通过减速器Ⅰ传递到定位船4的推进器轴上从而可以带动定位船4前进或后退；所述伺服电机Ⅱ的输出轴通过减速器Ⅱ与机械臂41动作轴连接，伺服电机Ⅱ的转动通过减速器Ⅱ传递到机械臂41的动作轴上从而可以带动机械臂41动作，所述压力传感器设在机械手42表面，推拉式电磁铁Ⅲ33a、推拉式电磁铁Ⅳ35、压力传感器以及载气弹3表面的水位传感器分别与控制器Ⅲ电连接，所述载气弹3与发射管23长度方向一致置于发射管23中。
优选的，所述驱动装置包括安装在底座21下表面的步进电机27，所述步进电机27的输出轴垂直穿过旋转台22且端部套设有小齿轮28a，所述小齿轮28a与套在旋转台22上的大齿轮圈28b啮合。驱动步进电机27可以带动小齿轮28a转动，小齿轮28a带动与其啮合的大齿轮圈28b转动，调整发射管23的朝向。
进一步的，还包括口腔液位传感器，所述口腔液位传感器设在充气盒11外，且口腔液位传感器与控制器Ⅰ电连接。通过口腔液位传感器可以检测游泳者口腔中的液位，并传至控制器Ⅰ中；溺水情况发生时，水会灌入游泳者的口鼻，当口腔液位传感器检测到液位上升比较快、液位比较高时，会将信号传至控制器Ⅰ中，控制器Ⅰ同时检测到游泳者心跳频率异常、口腔液位持续升高时，即表示游泳者发生溺水危险，控制推拉式电磁铁Ⅰ11c动作与卡扣11b分离，充气盒11的上端盖11a在扭力弹簧11e的作用下打开，充气盒11中的浮子小球12漂浮至水面。
优选的，所述助推器包括火药仓29，火药仓29后部设有推拉式电磁铁Ⅱ29a，所述推拉式电磁铁Ⅱ29a的伸缩杆顶在火药仓29上，且推拉式电磁铁Ⅱ29a与控制器Ⅱ电连接。控制器Ⅱ控制推拉式电磁铁Ⅱ29a动作，伸缩杆对火药仓29的冲击力可以引燃火药仓29，引燃产生的冲击波推动载气弹3从发射管23发射出去，落到监控水域。
优选的，所述上端盖11a与充气盒11铰接的位置通过销钉11d连接，且销钉11d上设有扭力弹簧11e。推拉式电磁铁Ⅲ33a的伸缩杆一旦缩回与端盖卡扣33b分离，扭力弹簧11e 即可使上端盖11a掀开，浮子小球12快速浮出水面。
进一步的，所述气孔12c中设有防漏气小球12d。防漏气小球12d可以避免气体从压缩救生圈1中溢出；充气插孔12a中设置隔水膜，机械臂前端的机械手42抓住浮子小球12 后，机械手42上的充气插头43穿透隔水膜插入充气插孔12a即可开始充气。
防止游泳者溺亡的应急救生方法包括如下步骤：
步骤一：游泳者佩戴压缩救生圈1游泳，心跳传感器和口腔液位传感器实时监测游泳者的心跳频率和口腔液位并传至控制器Ⅰ，当心跳传感器检测到心跳频率异常、口腔液位升高持续3s时，即表示游泳者发生溺水危险，控制器Ⅰ控制推拉式电磁铁Ⅰ11c动作与卡扣11b分离，充气盒11的上端盖11a在扭力弹簧11e的作用下打开，充气盒11中的浮子小球12漂浮至水面，与此同时控制器Ⅰ将救援信号通过无线传输模块Ⅰ传至与发射台2控制器Ⅱ连接的无线传输模块Ⅱ；
步骤二：根据需要监控水域所在的位置预先调整发射管23的朝向和发射角度，驱动步进电机27带动小齿轮28a转动，小齿轮28a带动与其啮合的大齿轮圈28b转动，从而改变发射管23的朝向方位；驱动液压杆25的活塞杆25a伸出，通过改变活塞杆25a的长度改变发射管23的发射角度；控制器Ⅱ接收到救援信号后，控制推拉式电磁铁Ⅱ29a的伸缩杆快速伸出，击打火药仓29，火药仓29受到强大的压力被引燃，产生的冲击波推动载气弹3 从发射管23发射出去，落到监控水域；
步骤三：载气弹3落到水面后，载气弹3表面的水位传感器检测到与水面接触，将信号传至与其相连的控制器Ⅲ，控制器Ⅲ控制推拉式电磁铁Ⅲ33a的伸缩杆缩回，载气弹3的端盖33打开，定位船4从载气弹3中滑出；
步骤四：控制器Ⅲ控制图像采集模块中的单目摄像机45间隔一段时间拍摄一张浮子小球12的照片，完成浮子小球12的光信号到模拟信号的转换，并将转换得到的模拟信号传输到图像采集卡中，图像采集卡接收到浮子小球12图像的模拟信号后，对图像的模拟信号进行A/D转换，生成浮子小球12图像的数字信号；生成图像的数字信号进入图像处理模块后，图像处理模块依次进行图像去噪、图像畸变处理和浮子小球的几何特征描述并输入控制器Ⅲ，浮子小球12的几何特征描述包括浮子小球12当前所占整个图像的像素比例和浮子小球12的水平像素点数量；
步骤五：在控制器Ⅲ中预先设定用于驱动定位船4前进的伺服电机Ⅰ在浮子小球12距定位船4船体不同位置时运行的临界条件，临界条件是：与浮子小球12在图像中所占的像素点数量n进行比较的临界像素点数量n’；当控制器Ⅲ接收到图像处理模块获取的浮子小球12几何特征信号后，将浮子小球12在图像中所占的像素点数量n与临界像素点数量n’进行比较，如果n<n’，则通过伺服电机驱动器控制伺服电机Ⅰ正转带动定位船前进；如果 n>n’，表明定位船4船体与浮子小球12距离过近，此时通过伺服电机驱动器控制伺服电机Ⅰ反转带动定位船4后退，如此前进和后退最终保证定位船4与浮子小球12之间的距离在机械手42可抓取范围内；当第一次n>n’时，启动控制器Ⅲ中的定时器倒计时5s，倒计时结束时控制器Ⅲ控制伺服电机Ⅰ停转，同时控制伺服电机Ⅱ带动机械臂41动作靠近并抓取浮子小球12；
步骤六：机械臂41前端的机械手42抓住浮子小球12后，机械手42上的充气插头43 刚好配合插入浮子小球12中的充气插孔12a，此时机械手42表面的压力传感器检测到与浮子小球12接触的压力，将压力信号传至控制器Ⅲ，控制器Ⅲ控制伺服电机Ⅱ停转，同时控制推拉式电磁铁Ⅳ35的伸缩杆缩回，此时出气口的阀芯34b在压缩弹簧34c的推力作用下伸入载气弹3的储气仓32中，储气仓32中的气体从阀体34a和阀芯34b之间的缝隙溢出，经充气管44、充气插孔12a进入充气通道12b为压缩救生圈1充气，使游泳者始终在水面漂浮，等待进一步的救援。
上述步骤五中图像去噪、图像畸变处理和浮子小球12的几何特征描述的具体方法如下：
一副数字图像可以表示为二维数组的形式f(x,y)，x、y分别表示像素点的坐标，f(x,y) 表示图像的灰度，依次作如下处理：
(1)采用高斯滤波的方式对浮子小球12图像进行去噪处理；
fs(x,y)＝G(x,y)*f(x,y)
fs(x,y)表示高斯滤波后的小球数字图像；
(2)采用Canny边缘检测算法进行图像分割；
计算浮子小球12的图像梯度：
梯度幅度：
梯度方向：
其中，gx：图像梯度在水平方向的差分；gy：图像梯度在垂直方向的差分；
对图像进行非最大抑制，如果M(x,y)的值小于像素点的任意两个邻域之一，则gN(x,y) ＝0(抑制)；否则，令gN(x,y)＝M(x,y)；gN(x,y)表示进行非最大抑制后的小球数字图像；
图像分割的最后一步是进行阈值处理，设定1个阈值为T，进行如下判断并赋值：
gNH(x,y)＝gN(x,y)≥T
gNH(x,y)表示的像素点是浮子小球12所占的像素点；
(3)进行浮子小球的几何特征描述；
一副图像从左上角开始，沿着从左到右，从上到下的顺序依次对每一个像素点进行扫描，规定左上角为坐标原点(0,0)，右下角为最大坐标(Xm，Ym)，扫描到一个没有被标记的像素值为1的像素点(在一副灰度图像中，像素值为0表示白色，像素值为1表示灰色)，将此像素点标记为M1并记录像素点坐标(X1，Y1)，再对该像素点邻域内的八个像素点扫描，如果还有没有被标记的像素值为1的点，继续标记为M2并记录像素点坐标(X2，Y2)，如此递归扫描完所有邻域内的像素点，直到没有被标记的像素值为1的点全部被标记直到 Mn，则这些被标记为M1···Mn的点就是浮子小球12在整个图像中所占的像素点，n为小球所占的像素点数量，继续扫描图像，直到扫描到图像的右下角结束；这些区域内像素点的个数表示了浮子小球12在数字图像中所占的比例大小。
本实用新型中，控制器Ⅲ通过控制伺服电机Ⅱ来控制机械臂41动作。可以通过预先实验获得机械臂41各个旋转副所转动的角度范围并存至控制器Ⅲ中，在浮子小球12实际抓取中，控制器Ⅲ按照实验获得的机械臂41转动副的转动数据，依照预设抓取流程实现浮子小球12的抓取。
临界像素点数量n’的确定：通过预先进行的实验测得定位船4船体到达小球附近时图像中的像素点数目，此数目即为n’。将该数目与小船实际运行中定位船4在图像中的像素点数目相比较，可以判断定位船4是否已经到达小球附近。
本实用新型中：各控制器皆可采用STM32F103C8T6型集成控制器，心跳传感器可以采用SON7015心率传感器，无线传输模块Ⅰ和无线传输模块Ⅱ可以采用ZigBee无线串口模块 CC2530；水位传感器采用星仪CYW11投入式液位变送器，压力传感器为扩散硅压力变送器，单目摄像机为VS-902HC型工业相机，图像采集卡型号为MV-800，图像处理模块为430系列单片机，伺服电机驱动器为DCS810直流伺服电机驱动器。
上述各推拉式电磁铁可以采用推拉式直流电磁铁JF-0530B，具体结构如图16至图17 所示：推拉式电磁铁包括拉杆51和尾座52，尾座52环绕内表面设有铜线圈53，拉杆51 一端置于尾座52中，另一端伸出尾座52，且拉杆51伸出尾座52部分的周向上套设有弹簧 54，弹簧54一端固定在拉杆51上，另一端顶住尾座52。动作过程：铜线圈53不带电时，拉杆51在弹簧54的支撑作用下伸出；控制器控制铜线圈53通电时，铜线圈53产生的电磁力会克服弹簧54的作用力使弹簧54压缩、拉杆51缩回。