一种蛙人水下定位系统的制作方法

本实用新型涉及蛙人水下定位技术领域，具体领域为一种蛙人水下定位系统。

背景技术：

根据2009年5月1日新修订颁布的《中华人民共和国消防法》和2018年消防转隶到应急管理部后的职责，明确了消防队伍更加专业化、职业化的应急救援的职责。目前水上救援任务量占据了消防救援相当大的比例，每年全国消防官兵执行各类水域抢险救援任务上万次，特别是拥有沿江、河、湖、海的省市，消防部门的水上救援任务繁重。对于水域抢险救援这项新的任务，消防队伍的救援能力和相关装备还不能完全不适应新的挑战。由于水下环境复杂，消防员在作业时效率不高，对自己所处位置不清楚，容易导致危险出现。蛙人水下定位系统作为水下的消防员抢险的重要手段，在出现危险时能起到关键作用。该设备同样适用于蛙人训练作业、民间救援、水上作业人员落水搜救和矿山透水救援等。因此，蛙人水下定位系统具有重要的意义。

目前蛙人水下救援作业主要靠在身上系安全绳来固定，地上指挥人员无法实时判断蛙人位置，而且安全绳也容易发生缠绕危及蛙人的安全。国外有类似蛙人导航的水下定位装置，但没有列装，且不能快速现场布放和工作。国内有一些相关研究，但是功能比较单一，精度比较低，没有形成系统完整的产品。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种蛙人水下定位系统。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种蛙人水下定位系统，包括中继浮标、显控计算机、无线通信模块、红色信标和黄色信标，中继浮标与无线通信模块无线通讯，显控计算机与无线通信模块的数据互通，红色信标和黄色信标分别与中继浮标水声信道通讯，

所述中继浮标包括安装架和设置在安装架上的电子仓、接收换能器和收发共置换能器一，电子仓包括仓体和密封安装在仓体内的磁罗盘模块、gps模块、数据采集模块、数据发射模块、控制模块一和通讯模块，仓体固定在安装架的顶部，接收换能器设置有4个，4个接收换能器中的两个分别设置在安装架底部的两侧处，另外两个并排设置在安装架底部的中心处，且4个接收换能器在安装架上位于同一水平面的直线上，收发共置换能器一设置在安装架的底部靠近位于安装架中心处的接收换能器处，4个接收换能器和1个收发共置换能器一在安装架上构成五元线阵结构，4个接收换能器的数据端分别与数据采集模块的接收端电性连接，收发共置换能器一的数据端与数据发射模块的输出端电性连接，控制模块一的输出端与数据发射模块的输入端连接，磁罗盘模块、gps模块和数据采集模块的信号输出端分别于控制模块一的输入端连接，通讯模块的接收端与控制模块一的输出端连接，通讯模块的发射端通过无线通信模块与显控计算机数据通讯；

所述红色信标包括外部为红色的圆柱状水密管、安装在圆柱状水密管底部的收发共置换能器二、设置在圆柱状水密管内的电源模块、深度测量模块、控制模块二、数据接收模块、数据发送模块和求救模块，电源模块用于对收发共置换能器二、深度测量模块、控制模块二、数据接收模块、数据发送模块和求救模块的供电连接，收发共置换能器二的数据端与数据发送模块的输出端连接，深度测量模块的输出端与数据接收模块的输入端连接，数据接收模块的输出端与控制模块二输入端连接，控制模块二的输出端与数据发送模块的输入端连接，收发共置换能器二与接收换能器水声信道通讯，求救模块与中继浮标水声信道通讯；

所述黄色信标的结构与红色信标相同，且黄色信标内未设置求救模块，黄色信标的圆柱状水密管外部为黄色颜色设置。

优选的，所述的圆柱状水密管上设置有故障指示灯、电源指示灯和充电孔，故障指示灯与控制模块二的输出端连接，电源指示灯与电源模块的电源端连接，电源模块的充电端连接设置在充电孔内。

优选的，所述电源模块为储能电池。

优选的，所述控制模块一和控制模块二均为逻辑处理器。

优选的，所述数据采集模块、数据发射模块、数据接收模块和数据发送模块均为数据电缆。

优选的，所述通讯模块为lora无线收发模块。

优选的，所述无线通信模块为集成有4g、5g功能的lora无线收发模块。

优选的，所述深度测量模块为水深深度检测传感器。

优选的，所述求救模块包括设置在圆柱状水密管上的按钮和发射换能器，按钮与发射换能器的触发端连接，同时按钮与控制模块的输入端连接。

优选的，所述的五元线阵结构总长度为400-500mm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：主要用于水下救援蛙人与救援物的导航定位，实时记录显示蛙人的位置信息，包括距离、角度、深度信息，掌握蛙人的动态。具有求救功能，蛙人遇到危险可以向指挥中心发出求救信号，指挥中心可以及时作出救援，保证蛙人安全；

通过五元线阵结构的设置，能够计算五元线阵四个接收换能器接收方位信号的时延差，利用时延差得到蛙人的方位信息；

通过红色信标的设置，能够将红色信标用于蛙人的随身携带，方便对蛙人的定位和蛙人遇险时的主动求救；通过求救模块的设置，能够实现发射换能器和收发共置换能器二同时发出求救信号，提高求救信号的接收效率和信号稳定性；

通过黄色信标的设置，能够将黄色信标用于救援物的定位。

附图说明

图1为本实用新型的系统原理示意图；

图2为本实用新型的中继浮标的结构示意图；

图3为本实用新型的五元线阵结构原理图；

图4为本实用新型的红色信标结构示意图；

图5为本实用新型的黄色信标结构示意图；

图6为本实用新型的系统工作原理框图。

图中：1、中继浮标；2、显控计算机；3、无线通信模块；4、红色信标；5、黄色信标；6、安装架；7、电子仓；8、接收换能器；9、收发共置换能器一；10、磁罗盘模块；11、gps模块；12、数据采集模块；13、数据发射模块；14、控制模块一；15、通讯模块；16、圆柱状水密管；17、收发共置换能器二；18、电源模块；19、深度测量模块；20、控制模块二；21、数据接收模块；22、数据发送模块；23、求救模块；24、故障指示灯；25、电源指示灯；26、充电孔；27、按钮；28、发射换能器；29、无线通信；30、4g/5g网络；31、卫星；32、接收换能器1；33、接收换能器2；34、接收换能器3；35、连接线缆；36、收发共置换能器；37、接收换能器4。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至6，本实用新型提供一种技术方案：一种蛙人水下定位系统，包括中继浮标1、显控计算机2、无线通信模块3、红色信标4和黄色信标5，中继浮标1与无线通信模块3无线通讯，显控计算机2与无线通信模块3的数据互通，红色信标4和黄色信标5分别与中继浮标1水声信道通讯，

所述中继浮标1包括安装架6和设置在安装架6上的电子仓7、接收换能器8和收发共置换能器一9，电子仓7包括仓体和密封安装在仓体内的磁罗盘模块10、gps模块11、数据采集模块12、数据发射模块13、控制模块一14和通讯模块15，仓体固定在安装架6的顶部，接收换能器8设置有4个，4个接收换能器8中的两个分别设置在安装架6底部的两侧处，另外两个并排设置在安装架6底部的中心处，且4个接收换能器8在安装架6上位于同一水平面的直线上，收发共置换能器一9设置在安装架6的底部靠近位于安装架6中心处的接收换能器8处，4个接收换能器8和1个收发共置换能器一9在安装架6上构成五元线阵结构，4个接收换能器8的数据端分别与数据采集模块12的接收端电性连接，收发共置换能器一9的数据端与数据发射模块13的输出端电性连接，控制模块一14的输出端与数据发射模块13的输入端连接，磁罗盘模块10、gps模块11和数据采集模块12的信号输出端分别于控制模块一14的输入端连接，通讯模块15的接收端与控制模块一14的输出端连接，通讯模块15的发射端通过无线通信模块3与显控计算机2数据通讯；

仓体内也设置有对电子仓内各个模块供电的储能电池，储能电池为锂电池。

显控计算机2安装显控软件，实时显示蛙人方位信息，将蛙人与救援物的绝对位置，包括距离、深度、方位信息，采用三维视图的方式显示在人机交互界面上，并显示蛙人的求救信息。

磁罗盘模块10用于测量地磁场方向，对五元线阵测量角度进行补偿矫正。gps模块11通过卫星获得所述中继浮标1所在位置的绝对方位坐标信息。

所述红色信标4包括外部为红色的圆柱状水密管16、安装在圆柱状水密管16底部的收发共置换能器二17、设置在圆柱状水密管16内的电源模块18、深度测量模块19、控制模块二20、数据接收模块21、数据发送模块22和求救模块23，电源模块18用于对收发共置换能器二17、深度测量模块19、控制模块二20、数据接收模块21、数据发送模块22和求救模块23的供电连接，收发共置换能器二17的数据端与数据发送模块22的输出端连接，深度测量模块19的输出端与数据接收模块21的输入端连接，数据接收模块21的输出端与控制模块二20输入端连接，控制模块二20的输出端与数据发送模块22的输入端连接，收发共置换能器二17与接收换能器8水声信道通讯，求救模块23与中继浮标1水声信道通讯；红色信标4用于蛙人，使用时挂在蛙人身上，发出声信号。

所述黄色信标5的结构与红色信标4相同，且黄色信标5内未设置求救模块23，黄色信标5的圆柱状水密管16外部为黄色颜色设置。黄色信标5用于救援物，使用时挂在救援物上，一般处于休眠状态，打捞救援物时利用中继浮标1唤醒黄标，对救援物进行定位。

所述的圆柱状水密管16上设置有故障指示灯24、电源指示灯25和充电孔26，故障指示灯24与控制模块二20的输出端连接，电源指示灯25与电源模块18的电源端连接，电源模块18的充电端连接设置在充电孔26内。

所述电源模块18为储能电池。

所述控制模块一14和控制模块二20均为逻辑处理器。

所述数据采集模块12、数据发射模块13、数据接收模块21和数据发送模块22均为数据电缆。

所述通讯模块15为lora无线收发模块。

所述无线通信模块3为集成有4g、5g功能的lora无线收发模块。

所述深度测量模块19为水深深度检测传感器。

所述求救模块23包括设置在圆柱状水密管16上的按钮27和发射换能器28，按钮27与发射换能器28的触发端连接，同时按钮27与控制模块的输入端连接。

所述的五元线阵结构总长度为400-500mm。

通过本技术方案，蛙人定位系统利用红色信标4对蛙人进行定位，红色信标4利用收发共置换能器发出声信号，信号包括距离信号、方位信号、深度信号、求救信号、信标电量信号，信号通过水声信道传给中继浮标1，中继浮标1有四个接收换能器8，通过计算检测距离信号相关峰得到接收信号的时间信息从而得到蛙人的距离。计算五元线阵四个接收换能器8接收方位信号的时延差，利用时延差得到蛙人的方位信息。红色信标4利用深度模块测量蛙人所处的深度，将蛙人深度信息直接发给中继浮标1，中继浮标1解析出深度信息后直接传给显控计算机2显示。图6是系统工作原理框图。

当蛙人按下求救发射器的按钮27时，求救发射器发出求救信号，信号通过水声信道传给红色信标4，红色信标4将信号发给中继浮标1，中继浮标1检测到求救信号后，在显控软件上显示相应蛙人求救信息。

黄色信标5用于救援物打捞，一般处于休眠状态，当对救援物进行打捞时，利用中继浮标1唤醒黄色信标5。信号包括距离信号、方位信号、信标电量信号，信号通过水声信道传给中继浮标1，中继浮标1有四个接收换能器8，通过计算检测距离信号相关峰得到接收信号的时间信息从而得到救援物的距离。计算五元线阵四个接收换能器8接收方位信号的时延差，利用时延差得到救援物的方位信息。

根据上述说明，本实用新型具体使用过程中的实施为：

实施例1：

本实施例提供的是红色信标4工作过程和原理，红色信标4为蛙人携带信标，用于对蛙人进行定位。

(1)使用时先打开中继浮标1，根据需要，将其放入使用的水域近岸位置，五元线阵会没入水中，密封电子仓7浮于水面。

(2)红色信标4轻巧便于携带，可以方便的安装于蛙人现有的装备，同时不会对蛙人的活动有任何影响。红色信标4采用应答的方式工作，可以同时有5个红色信标4同时工作，便于蛙人实施救援行动。信标采用入水开关，在显控计算机2上设置了蛙人的相关信息后蛙人便可以携带红色信标4入水，确认蛙人信息显示正常，蛙人即可开展救援；

(3)蛙人携带红色信标4入水后，红色信标4发射声信号，中继浮标1通过水声信道接收红色信标4发出的信号，并转换成四个通道的数据进行处理。通过相关计算，检测相关峰，确定蛙人距离；计算各个通道的时延差，根据时延差计算得到蛙人的方位信息，并利用磁罗盘矫正，结合蛙人的深度信息，得到蛙人相对中继浮标1的位置，并利用gps映射成绝对位置；

(4)密封电子仓7中的控制模块利用无线传输将蛙人的绝对位置传到显示控制中心，显示控制中心采用三维视图，显示携带红色信标4蛙人的绝对方位信息，包括距离、水平坐标、深度。从蛙人入水开始跟踪记录数据，并每隔2.5秒刷新一次；

(5)若蛙人遇到危险，可以按下求救发射器按钮27，长按2秒，求救发射器发射求救信号，求救信号通过水声信道传给红色信标4，红色信标4将求救信号通过水声信道传到中继浮标1，中继浮标1将信息传到显控计算机2，显控计算机2及时显示蛙人求救信息，控制中心采取相应的救援措施，保证蛙人生命安全。

实施例2：

本实施例提供的是黄色信标5工作过程和原理，黄色信标5放于救援物上，标记救援物位置，方便打捞。

(1)黄色信标5使用时直接由蛙人或其它救援设备携带，放置于救援物上。救援人员做好打捞相应救援物的准备以后，由中继浮标1五元线阵中的收发共置换能器发出声信号，经过水声信道传输，黄色信标5接收到该信号后发出声信号，经过水声信道传输，中继浮标1接收黄色信标5发出的信号，并转换成四个通道的数据进行处理。通过相关计算，检测相关峰，确定救援物距离；计算各个通道的时延差，根据时延差计算得到救援物的方位信息，并利用磁罗盘矫正，得到救援物相对中继浮标1的位置，并利用cps映射成绝对位置；

(2)显示控制中心采用三维视图，显示黄色信标5标记的救援物的位置，便于救援人员进行打捞。

根据上述说明，本实用新型具有如下有益效果：

1.本实用新型将三元定位与超短基线阵定位结合起来，对目标进行准确定位。相比于传统的超短基线阵定位，利用增加阵元间距提高了定位精度，定位精度达到角度误差≤2°，距离误差≤0.5％dm，d为测量距离。

2.本实用新型可以实现多用户使用，同时观测多个蛙人的动态，方便实施救援工作；

3.本实用新型利用磁罗盘对测量角度进行矫正，磁罗盘轻巧灵敏，具有抗倾斜优点，使得测向更加准确；

4.本实用新型信标轻巧便于携带，重量0.8kg～1kg，可以直接安装到现有的蛙人设备；

5.本实用新型基阵长度400mm～500mm，重量10kg～12kg，使用时安装布放方便快捷，可以快速使用，为蛙人救援节省时间，符合蛙人救援工作要求；

6.本实用新型还可用于水下救援物的定位，相应的黄色信标5工作时间较长，救援人员有充足的时间去为打捞救援物做准备；

7.本实用新型不仅提供蛙人的方位信息，同时还有求救系统，实时显示蛙人的方位信息，显控中心充分掌握蛙人动态，及时发现蛙人发出的求救信号以便采取相应救援措施，保证蛙人安全；

8.本实用新型显示控制中心利用三维视图显示，直观清晰，方便用户使用；

9.本实用新型作用距离达到：≥1.5km(水深≥5m)，≥0.5～1km(水深3～5m)，工作水深≤50m，充分满足蛙人救援需求。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。