无人机精准水上救援装置

无人机精准水上救援装置

PrecisionWaterRescueDevicefor

UAV

(-)研究论述

1.研究背景

根据中国卫生部发表的数字显示，中国每年有57000人溺水死亡；相当于每

天有150多人。

中国溺水死亡率为8.77%,其中0岁至14岁的占56.58%0在接到溺水报警

后，我们的民警按规定时间、流程到达现场后，却因不会游泳或者搜救行动不够

娴熟而拖慢了救援进程。在多数的溺水案情中，民警大多是通过抛送竹竿、救生

圈、绳索等方式进行拉拽进而达到救援目的，但是更多情况下这些工具或因为抛

投不到位或因为溺水者自身慌张无法做到有效的救援，因此我国目前的水中救援

形势严峻，救援工具还未到达普及性，这也极大的制约了我国的水上救援工作。

当然尚未普及的原因也是多种多样的，首先一般的救援工具过于依赖救援人员的

救援水平，所以导致单独使用时效果不理想，而大型救援工具由于体积庞大和造

价比较高昂，所以基层派出所鲜少有大型救援工具，而且落水事件具有突发性和

不确定性，大型救援工具搬运不便，所以我们无法保证大型救援工具可以在第一

时间到达事故发生现场。

中国救捞行业目前拥有员工近万人，其中专业技术人员、潜水员和船员占80%

以上；199艘船舶，其中专业救助船76艘，打捞船123艘;20架救助航空器。

截止到2011年5月底，专业救捞力量，成功救助了4,075艘遇险船舶，其中

878艘外籍船舶;成功打捞了1,740艘沉船，其中98艘外籍沉船;成功救援了

56,550名海上遇险人员，其中包括11,823名外籍人员。

根据我国法律规定的不同救援主体，将我国水域内的救援分为以下三类：

（一）海损事故救援

在海损事故救援中，公安机关不是主要责任主体，只负责在接到报警后按110

接处警规则及时派出警力协助海事部门维护现场秩序。若海事部门未及时赶到

时根据现场条件和自身救援力量进行相应先期处置，并采取必要的人员救助和财

产保护措施。

（二）涉水自然灾害事故救援

当自然灾害（包括涉水类的自然灾害如洪水、泥石流和海啸等）发生时，由于破坏

力极大，作为单个个体的人的力量显得十分渺小，因此各国政府都非常重视

社会整体力量在自然灾害中救援的作用。

根据《国家自然灾害救助应急预案》规定，公安机关在发生涉水自然灾害事故

时的职责为一方面在当地政府领导下派出专业救援队伍参与救援，另一方面负

责灾区社会治安，协助组织灾区群众紧急转移，配合有关救灾工作。

（三）水域其他事故救援

公安部2003年发布的《110接处警规定》第29条也规定：110报警服务台受

理求助范围包括：（一）发生溺水等状况，需要公安机关紧急救助的；（三）公众遇

到危难，处于孤立无援状况，需要立即救助的。

水域其他事故救援相对陆地救援而言具有以下特点:一是救援对象较为单一，主

要是人的生命，因为涉及财产的大部分属于海损事故救援的对象。二是时效

性强，因为人类在水中溺水超过5分钟就有生命危险。三是危险性大。因

为水域内救援人员一旦不慎或操作不当则自身就可能溺水牺牲，诸多关于水中

救人者牺牲的报道就充分说明了这一点。

水域内人命救助的时效性非常明显，人一旦溺水超过5分钟即有生命危险。

溺水报警时间较晚，位置极易改变。由于溺水人员落水后，发现时间比较晚，报

警时间相对较迟，给消防的救援工作带来一定的难度。最后，水上救援发生在

晚上，救援困难。由于晚上视线不清晰，对河道情况不熟悉，救助难度大，救

助人员自身安全有隐患。

水上救援是一个新课题，随着经济的发展，水上救援的难度、规模都在不断扩大。

而实际上，基层单位却缺乏必要的水上救援装备，虽然大部分中队仅配备了为数

不多的救生衣、救生圈和少量的水上照明设施，个别中队甚至配备了射绳枪，但

此类抛投型救生工具存在救援精准度不够，耗费人力物力大，救援成功率低等问

题。

而人工下水进行救援时，危险性比较大。由于水中的情况比较复杂加上水质浑浊,

水里能见度几乎为零，水中经常有树根、垃圾、渔网等各种的杂物，所以救援人

员下水实施救援时极易发生安全事故。

加之水上突发事件受水域的天气和水流等自然环境的影响，情况非常复杂，给

搜救带来极大的困难。

无人机是当代社会中一种新型小巧的设备，无人机的快速发展，已经应用到

公安工作之中，比如使用无人机勘察现场或者实施监控，但是根据无人机小巧便

携的特点，其在救援工作中也可以起到巨大作用。但在日常救援工作中，无人机

的使用结果却有些不尽人意，这也是我们小组对改进无人机救援工作研究的出发

点和落脚点。

2.案例分析

现在社会中时常出现有人失足落水或者在其他情况下导致的落水情况，落水

者极容易出现慌乱失措的情况，因为人的本能反应会让人在落水后来不及呼救，

进而导致窒息，因此如果在慌乱中不能及时的得到救助，就容易发生溺水身亡的

事故。据不完全统计，我国每年有约57000人死于溺水，溺水死亡率为8.77%

其中0岁至14岁的占56.58%,而很多人发现有人溺水时都会立即报警，但及时

赶来的民警对落水的人员进行施救时，时常会遇到执勤民警不会游泳的现象，在

这种情况下进行施救时通常是向落水的人员进行抛送竹竿、绳索或救生圈来让落

水者进行抓扶，但由于风力影响或救援者力量限制亦或是落水者距岸边距离较

远，救援工具往往难以抛送到落水者身边。即使能够抛送过去，救援工具仍可能

被水流冲离救援者，且落水者在慌乱情况下很难将抛送过去的物体进行准确的抓

扶。这种情况下再寻求消防官兵的救援就已经来不及了，因此目前各个基层派出

所的救援方式无法有效的对落水者进行救援，从而导致救援生还率较低，甚至曾

出现有人溺水报警后，到场警察均不会游泳而看着落水者溺亡的新闻，造成的社

会影响较差。以下是几个真实案情。

2004年6月6日，洛阳经贸学院学生习喜凤和两个同学来到洛阳洛浦公园

游玩,23时15分左右习喜凤不慎跌入了2米多深的湖里。习喜凤落水10分钟以

后，洛阳市110指挥中心接到报警立即指令离公园不太远的珠江路派出所民警火

速前往出事地点。23时33分习喜凤落水18分钟，即接到报警后7分钟，值班

民警王海涛和他的两位同事来到现场。由于赶到的民警都不会游泳，而且缺乏

基本的救助工具，在场群众也不会游泳，失去了救助习喜凤的有利时机。次日凌

晨0点15分左右习喜凤被打捞了上来，不幸死亡。

2004年7月8日下午2时许，三位年仅15岁的“民工”到河边洗澡，其中

一位名叫张永（化名）的少年爬上了一艘汽布船。由于汽布船没有固定，自然地漂

向河中，不会游泳的张永开始慌乱；在慌乱之中汽布船翻入河中，张永落入河中

深水区。其他两个孩子见状，急忙呼救，岸上的成人随即拨打110报警。此后的

一个多小时中十几警察陆续赶到现场，却因不会游泳和缺乏救援工具束手无策。

最终张永不幸溺水身亡。

2007年4月19日在云南某地有一名男子落入河内，一位民警和一位巡防

人员接到指挥中心的命令迅速赶到现场处置，把救生圈扔人水中，谁知落入水中

的男子并没有抓住近在咫尺的救生圈，反而游向相反的方向，最终溺水身亡。这

起落水与施救事件发生后在当地引起了社会各界的关注。民警该不该下水救人一

时成为了市民议论的话题。在这起事件中出现了三类人：落水者、警务人员（民

警和巡防人员）、围观者。议论一，他们的施救过程没有失误，可能在施救的方

法与策略上不太完善。议论二，他们应该下水，因为他们是警务人员。

上述事件中我们的警察在接警后几分钟也就赶到了现场，是相当及时的了。

面对民警为什么不下水救人却成为整个事件的焦点，通过媒体的报道我们已经知

道，出警的两名警务人员，一个水性不好，根本游不到溺水者的位置，另一位根

本就不会游泳。如果就这样贸然下水施救，极有可能人没有救起来还要把自己赔

进去，做无谓的牺牲。

警察水上直接救助溺水者，可以利用部分警械例如警棍等长条状物。将溺水

者拉上岸。如果周围有竹竿、木棒、雨伞、苕帚、拖把等也可代替警械使用。溺

水者距岸边较远时，用上述方法无法救援时，采用绳子一端拴在救生圈上，把救

生圈投掷给溺水者。

2014年10月31日下午4时许，临邑县德平镇富丽花园小区人工湖有人不

幸落水，现场马上有人打110报警，当地公安德平派出所派员出警到达现场时，

落水人已沉入水底。派出所民警万般无奈，就组织人员进行打捞，然而民警却不

会游水，这时群众郭某某说他会水，并下到水中，将绳索捆到他的腰部，这才算

把落水者打捞上岸，然而上岸时已经死亡。现场120医生也爱莫能助。

这一个个案例中的数字让人触目惊心，也让人陷入沉思，由于警察的无作为

导致的群众生命健康受到威胁。虽然现在对警察是否会游泳并没有硬性要求，但

是溺水案件的发生率和死亡率一直居高不下确实值得每一位公安干警沉思。

除了由于警察不会游泳导致溺水者死亡的情况，还有“水性极好者下水救人

自己溺亡”的事故也是频繁发生，救生船等设备由于重量和体积的限制不便携带

并且难以迅速到达救援现场，而出警中救援器械的过多导致无法保证每次出警都

能带着所有的救援工具，这些事得出的结论显然易见，那就死现有的机械救生设

备无法更有效地满足人们的需求。因此为降低水上救援生还率低，危险性大的问

题，我们设计了此款救援器械。

3.研究需求

根据现实情况和当代科技发展，我们在日常的警务工作中，尤其是在基层公

安水上救援行动中，我们急需一种简单便携而且费用相对较低，使用方便的一种

新型救援工具。根据实际水上救援工作的需要，我们对这种新型的救援工具有了

一个大体的特点要求。

我们收集了目前常用的一些水上救援工具，并根据我国现实情况做了利弊分

析。常用的小型救援工具（如救生圈、救生衣、抛绳包、绳索抛投器等），大型

的救援工具（如救生艇、救生船、救生筏等），以及新时代新环境下诞生的无人

机救援等其他新型救援器材。

救生圈、救生衣是生活中常用的一类救援工具，它们的工作原理是通过储存

一定量的气体使其漂浮在水上。其好处在于价格低廉，方便携带，使用简单，目

前大部分河流、湖泊周围都会放置救生圈。但是由于我国国土面积大，江河湖泊

分布广泛，不能保证所有水域周围都有放置足够数量的救生圈和救生衣，且不能

保证这类救援器材在紧急救援中得到有效的使用。除此之外，在发生险情后，救

生圈和救生衣的使用都需要救援人员下水进行施救，如果选择投掷的方法，很难

保证扔到溺水者伸手可以抓到的范围之内，这无疑也是对施救人员救援技术和身

体素质的考验，可是根据现实情况，我们很难保证公安派出所的民警都具备专业

的水上救援知识，甚至要求所有民警都会游泳也是难以实现的，同时也不符合安

全执法的理念。

抛绳包是一种将绳索存入其中的救援器械，在溺水者意识清醒、可以较灵活

的支配自己身体的情况下，救援人员用力将绳索抛至溺水人员周围，溺水人员拽

着绳索或将绳索绑在自己身上，再由施救者将溺水者拉至安全区域。其优点是方

便携带、小巧、用法简单。但抛绳包极易受到风力或者水流的影响，虽然在使用

过程中常常通过事先浸入水中增大绳索重量而提高投掷的准确性，但是同时也对

抛投力度提高了要求，且其投掷精准度的问题依旧制约着该工具。该工具最大的

局限性是只能救助刚溺水或者溺水不久仍有判断力的溺水者，对于溺水严重甚至

陷入昏迷的人无法起到作用。

绳索抛投器是以压缩空气或火药作为动力，向目标抛投绳索及救生圈的一种

装备。按其动力源可分为气动式抛投器和火药式抛投器，一般采用4mm绳索，落

水者可以方便的抓住。发射角度取35-40度。其好处是尽量选择在落水者的上流

或上风位置发射，发射目标对准落水者上流或上风方向的5-10米处，以便救生

圈顺流而下，乘风漂至落水者身边，而不至于落体伤害到落水者。这种工具大大

提高了救援工具的精准度，但依旧对风力和救援对象有一定要求。

救生艇、救生船、救生筏等大型救援设备上可以配备各种救援工具，能应对

多种救援情况，是最全面最安全的救援方式。但是发生溺水事件时，我们无法保

证在第一时间调动相应的大型救援工具，不能保证救援的时效性，溺水救援，时

间就是生命，要争取在最短时间内救援溺水者，这种大型救援设备不能说是首选。

且许多水域并不具备配置和养护此类大型设备的能力。

根据对常用水上救援工具的利弊分析，我们对新型救援工具概括了其应该具

有的几个特点。

（1）这种工具要能够提供开阔清晰的视野。我们可以通过这种工具准确观察到

溺水者的情况，这样以便于我们更好的将救援工具放到溺水者能直接接触到的范

围内，并且可以根据水流流速或者风力干扰做出相应的调整，同时，及时判断溺

水者状况以调整救援计划。

（2）这种工具要具有便携性和易操作性。由于溺水案件具有突发性和不确定性,

需要快速进行处置，所以我们要求这种新型的救援工具方便携带。基层公安民警

或救援队工作繁忙，难以拿出大量时间进行培训，需要可以快速上手的救援工具,

且当发生溺水事件时可能会引起其他状况，比如围观群众过多、现场骚乱，这些

情况会影响操作人员的判断力和操作，所以我们要求该工具易操作。

（3）这种工具要具有一定的抓力或者可携带一定重量的物品。我们可以根据现

场情况对该仪器上携带的救援工具进行一定的调整，所以这必然要求该工具要可

以携带至少5kg的救援物品，以应对各种情况。

(4)该工具的造价不能过高，为了更好的普及这种工具，其造价必须控制在能

让大多数人接受的范围之内。

下面是截取的一段报道。

晨报讯今年夏天起，在天鹅湖上，经常可以看到一艘无人智能巡逻艇在劈波斩浪。

得益于它和专业水上救援队的助力，2017年的夏天，天鹅湖“零溺亡”。11月

13日，记者了解到，这款安徽中科华澄智能科技有限公司研发的水面机器人，

也将亮相家博会。

天鹅湖今夏零溺亡有它的贡献

碧波荡漾的天鹅湖，近年来却发生过多起溺亡事件。今年7月，合肥市公安局巢

湖水上分局在天鹅湖正式投放警用无人智能巡逻艇。到夏季结束，天鹅湖没有发

生一起溺亡事件。

记者了解到，在天鹅湖上保驾护航的无人智能巡逻艇由中科院合肥物质科学研究

院院属企业安徽中科华澄智能科技有限公司研发，是一款主攻智能安防的水面机

器人。

“在家博会智能制造产品展区，可以看到我们的产品。”中科华澄相关负责人告

诉记者，将在家博会上展示核心产品之一的智能安防水面机器人，这款水面机器

人获得了“安徽省新产品"和''合肥市两创产品”的称号。

水上水下均可实现目标搜索

据介绍，智能安防水面机器人主要针对各种湖泊水域的水面巡逻、监测、搜救，

能够长时间工作，具有智能安防功能以及与之配套的系统软件产品。

“水面机器人拥有目标识别算法，实现针对水上水下目标搜索、动态目标跟踪、

目标定位等功能。”工作人员告诉记者，这是技术人员进行大量的理论论证和无

数次的实验取得的成果。“传统识别是二维图像识别，无法创建识别对象，识别

目标的跟踪通过移动距离相近来判断，对于类似目标无法做到轨迹跟踪。目前国

内外都有同类的研究，都还没有成熟的产品。我们已经应用到我们产品上，并已

经取得95%以上识别精度。”

“通过水上IP高清摄像机与热像仪结合、水下摄像机与声呐相结合，利用高效

的图像识别算法，对所在水域进行24小时的多方位监控，一旦发现目标或者危

险情况，水面机器人会主动发出声光报警。”上述工作人员表示，这将有望替代

现有的人工巡逻监控、水面湖泊人工打捞式搜救方法，进一步推动智能安防行业

的技术发展和产业化。

任意水域、天气都可监测水质

除了参与水上安防救援，机器人还可以实现水质动态监测与早期预警。

“水质动态监测和早期预警水面机器人产品被列为合肥市首创产品及安徽省新

产品，智能安防水面机器人被列为合肥市两创产品及安徽省新产品。”上述工作

人员表示，水质动态监测与早期预警水面机器人是一种长工作时间、高可靠性的

无人船以及与之配套的监控软件。可应用于环境污染治理、水质检测、安全、救

援等领域。

“可以在任意水域、全天候、原位和低成本水质监测与预警。”工作人员表示，

这可以将水面工作的高效、智能及可持续化，带动无人船领域和水环境监测领域

的技术创新和应用。

这份报道的出现让我们找到了新的改进对象和实验目标。

4.研究原因

由于科技的发展，无人机渐渐进入平凡人的生活中，无人驾驶飞机简称“无

人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操

纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。与有人驾驶

飞机相比，无人机往往更适合那些太“愚钝，肮脏或危险”的任务。无人机按应

用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。民用方面，

无人机+行业应用，是无人机真正的刚需；目前在航拍、农业、植保、微型自拍、

快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、

救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，

发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。我们搜集了以下国外无人机

救援的使用情况。

面对广阔的水域，仅靠船舶和人工进行监测和搜救难以达到理想的效率，且

会出现许多搜寻盲点。由于无人机具有一定的飞行高度，其视频图像的范围比船

上的可视范围要扩大数十倍甚至几十倍，因此，可第一时间监测到异情。用无人

机进行水上安全的监测和搜寻，其效果和效率都明显好于船舶加人工。据了解,

美国，法国，德国，巴西和新西兰是今年运用无人机进行海上搜救次数最多的国

家，无人机在这些国家充当着名副其实的海滩卫士。一般成年人在水中溺亡的

时间大约是60秒，儿童的溺亡时间只有30秒，搜救人员很难在这样短的时间内

到达受困者的位置。而无人机配有的摄像头在监测到异常情况后，可传递与落水

者相关的详细位置信息，然后从水面上方直接飞到受困者的位置，并向溺水者投

放救生圈。使用无人机进行海滩救援的最大意义就是，保证在紧急救援人员到达

现场之前，溺水者能够凭借无人机投放的救生圈保持漂浮状态，并且进行适当的

自救活动，为他们提供更多的宝贵时间等待救援。法国，新西兰和美国也相继

宣布启用无人机帮助救生员巡逻危险水域。（本段来源全球无人机网）

根据这些报道，毫无疑问，这种水上工具符合我们提出的新型水上救援工具

的要求，当然我们也对水上无人机的发展做了一定的材料收集。

与一般的陆基飞行器进行对比我们发现，水上无人机在水面驻留作业的能力

是相对来说比较强的，所以近几年，其应用的范围变得越来越广泛，比如：海上

快速救援、海上运输等等。在飞行的时候，最容易发生事故的一个阶段就是着陆

阶段，因此在无人机的发展应用中，最关键的技术就成为了自主着陆控制技术。

对于一般的无人机来说，其取得的研究成果是十分丰富的，现阶段，已经有很多

种控制方法可以应用于其陆控制器的设计上了。但有关与水上无人机的文献却是

少之又少，目前只有一小部分的文献对自主着水控制的研究进行了提及，比如美

国的飞鱼，该水上无人机在着水这个阶段的时候，主要采取的策略就是开环控制

策略，这样一来，水上无人机在进行着水操作的时候，发动机就会关闭，升降舵

的偏转角度就可以维持在最大的角度。然而想在不同海况下完成水上无人机的自

主着水的话，现在面临的问题主要有两点，首先，在着水的瞬间，水上无人机受

到的冲击是非常巨大的，要是不能以良好的姿态入水的话，就会造成动力学不稳

定的情况出现，严重情况下甚至会造成左右摇晃的现象，从而对机身的结构造成

破坏。其次，要是海况的情况较高，水上无人机在进行着水操作后，海浪就会对

其造成巨大威胁，一旦不能对海浪进行适当的跟随，就极有可能出现抛出海面的

跳跃现象。由此我们可以看出，自主着水控制系统在水上无人机中起到的作用是

至关重要的。（［1］曹德胜，桑凌志.无人机水上遇险搜救关键技术研究［J］工

业：00245-00245.）

现在所使用的水上无人机主要是用水电池作为能源，用可降解塑料作为构造

的主要材料，在日常的使用中，为了保证其具有一定续航能力，所以一般使用3

到4块电池作为主要能源，使用水电池的好处是污染小，供能充足，价格适中。

可降解塑料具有实用性、降解性、安全性、经济性；（1）实用性。一般来说，可

降解塑料的应用性能以及卫生性能都与同类的普通塑料没有多少的差异，而且它

还比同类的普通塑料更为环保。（2）降解性。当可降解塑料的使用功能全都完成

以后，其可以将其放在自然的环境条件下完成降解，经过一段时间的降解以后，

可降解塑料就能成为容易被环境分解吸收的碎片，最终回归到自然当中。（3）安

全性。在进行降解的时候，可降解塑料产生的残留物质并不会对环境造成任何的

影响。（4）经济性。与普通的塑料进行比较的话不难发现，可降解塑料的价格是

与普通塑料持平的，只有极少数的可降解塑料价格是比普通塑料高出些的。综上

所述，水上无人机是一种绿色环保低能耗，正处于逐步发展和完善阶段的一种新

型救援工具。

根据我们对水上无人机资料的搜集，我们发现水上无人机存在极大的不足。

1、水上无人机具有不普及性。水上无人机是一种专业类型的救援工具，相较于

普通的无人机性能相对要好一些，但是普及率极低，操作上有一定的技术要求，

而且造价比一般民用无人机价钱要高。

2、水上无人机具有不稳定性。由于它的体型较小所以容易受到风力影响，当然

这种影响普遍存在于各种型号的无人机上。

3、水上救援无人机具有局限性。水上救援无人机携带的救援工具一般为救生圈，

工作原理是通过空中抛投将救生圈投放至落水者周围，随后再经过救援人员将落

水者安全带到岸边，这种情况前提是落水者落水不久尚且保持清醒的意识，具备

一定的游泳能力，否则仍会由于抛投不精准或水流过急冲走救生圈，导致救援失

败。倘若落水者神志不清，此种救援方式将几乎没有任何作用，就体现出了这种

水上救援无人机更大的局限性。

（二）研究设计

1.设计结构

本作品提供了一种精准救援装置，它结构简单，设计合理，操作方便，能够

结合大部分普通航拍无人机，也是在普通航拍无人机的基础上结合专业的水上救

援无人机的不足之处改进出来的一种新式的水上救援无人机。航拍系统可以保证

根据落水者的位置进行准确的定位，并根据落水者的状态做出相应的救援措施，

当本装置靠近落水者时，通过岸上救援人员的操作可以准确的对落水者进行卡

抓，卡抓后能够保证救援气囊时刻处于落水者一臂范围之内，方便落水者抓取，

如果落水者此时已经神志不清，还可以通过救援气囊增大落水者在水中的浮力，

保证气囊与落水者相连接，通过救援气囊的浮力来实现对落水者的有效支撑，再

由岸边救援人员将落水者拉至岸边，期间无人机跟随飞行实时反馈落水者情况。

此种精准水上救援装置更有效地满足了人们的需求，解决了现有水上无人机救援

中存在的技术问题。

2.技术参数

本产品提供了一种电动救生装置，它结构简单，设计合理，操作简单，能够

搭载大部分普通航拍无人机，准确根据落水者落水的距离进行准确的定位，当本

装置靠近落水者时通过岸上救援人员的操作可以准确的对落水者进行卡抓，卡抓

后能够保证救援气囊时刻处于落水者身边，方便落水者抓取，且保证气囊与落水

者相连接，通过救援气囊的浮力来实现对落水者的有效支撑，更有效地满足了人

们的需求，解决了现有技术中存在的问题。

本产品为解决上述技术问题所采用的技术方案是：使用带有高清摄像头的航

拍无人机搭载一遥控机械救生卡爪，卡爪通过一弹性绳索与无人机连接，避免了

落水者慌乱中向上大力抓取而造成无人机坠落。卡爪带一救援气囊，气囊两侧侧

壁分别设有一辅助拉拽把手，同时气囊连接一救生绳用于岸边救援人员拉动被救

者。机械卡爪上有一大扭矩舵机，可产成足够的夹力。舵机与接收器相连接，可

远程控制机械卡爪的开合。通过无人机的高清摄像头，可以清楚的观看到卡爪是

否夹紧落水者。对于神志清醒的落水者，即使没有夹紧，在无人机一直跟随落水

者飞行的情况下，保证救援气囊始终处于落水者身旁，落水者也可以通过抓住救

援气囊而获救。

救援气囊采用环保PVC材质，由两个相对独立的气囊组成，即使一个气囊意

外破损，另一个气囊的浮力也可支持救援的继续进行。采用航空气嘴，保证充气

放气的安全方便。气囊通身橙色，对于凶猛的鱼类能起到震慑作用。

气囊两侧侧壁设有两个辅助拉拽把手，通过颜色的对比，使把手更加突出鲜

明，容易抓取。

本产品所具有的有益效果是，结构简单，设计合理，操作简单，能够准确根

据落水者落水的距离进行准确的定位，当本装置靠近落水者时通过岸上救援人员

的操作可以准确的对落水者进行卡抓，卡抓后落水者能够得到有效的救援，通过

本救生圈的浮力来实现对落水者的支撑，救援人员通过控制本装置从而可以实现

对落水者的后续救援，更有效地满足人们的需求。

附图说明：

图1为本产品的结构示意图。

图中，1、机械爪主板；2、救援卡爪；3、防水舵机；4、舵机线；5、信号

接收器；6、救援气囊；7、内部双气囊；8、气囊连接线；9、辅助把手；10、拖

拽绳索。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，

对本实用新型进行详细阐述。

如图1所示，一种电动救生装置，包括一机械爪主板1,在主板1上连接舵

机以及两相对设置的救援卡爪2,各救援卡爪2中部的转轴与主板1中段底部的

防水舵机3相连，防水舵机3上的舵机线4与信号接收器5相连，同时主板上连

接一救援气囊6,救援气囊内部采用双气囊7设计，外部两侧连接两个辅助把手

9,当本装置靠近落水者时落水者在没有较大的力气抱住救援气囊6的情况下，

可以通过将手臂伸至各辅助把手9的空腔内来达到漂浮的目的，更加省力；控制

装置采用普通普通航拍无人机的遥控器即可，适应性较强，技术人员可根据需要

就可以实现简单的连接。

救援人员可以通过观察无人机（示意图未画出）上的摄像头所捕获的画面情

况，方便观察水面具体情况。

当观察到落水者已经被救援卡爪2卡接住身体时，落水者抱住救援气囊，岸

上救援人员通过拉动拖拽绳索10来将落水者向岸边拉动。

当发现有人落水时，无人机吊着本装置飞至落水者上空，然后施救人员通过

控制防水舵机3打开救援卡爪2,并通过无人机上的摄像头观察调整夹住落水者,

当施救人员通过视觉观察或者是通过显示屏观察到卡爪将落水者卡牢后，为了安

全起见落水者可以将手臂伸至各辅助把手9的空腔内来达到漂浮的目的，同时可

以趴在救援气囊6上起到省力的目的，此时岸上的施救人员可以通过拉动拖拽绳

索10进行拉拽，从而可以加快落水者上岸的时间。从而保证了施救的成功率。

图1

遥控器利用高频无线电波实现对机械爪内舵机的远程控制，遥控机械爪电子

部分由发射机、接收机、舵机（示意图见图2）、电源组成。发射机、接收器

采用主流2.4GHz-2.483GHz频段，发射功率在lOOmw以内，可以保证遥控距离在

100米以上。

图二

接收器与舵机、电池相连接，接收器在收到发射机的指令后，将信号传到舵

机控制电路处，舵机控制电路将转动命令传至转动轴，通过转动轴上的齿轮，带

动舵机摇臂的转动，舵机摇臂与机械爪相连接，进而带动机械爪的开合。

传动轴

图三

本产品未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

（三）研究总结

1.研究方案

本设计我们前后共进行了七次实验，以下是我们每次实验的内容、总结和改进的

过程。

第一次实验

我们确定了设计的大体思路，即设计一种方便快捷可以在复杂的水面完成救

援任务的设备。起初我们将改进对象加装到了近似船体上，或者直接使用大浮力、

扁平状球体结构（以下代号实验一），在根据上述对象试验过程中，我们加大了

发动机的动力以及转向桨，并在设备头部设置了可以遥控操纵的钩爪，并携带一

救生圈作为救援工具。在水面试验，通过遥控操纵实验一准确到达被救援人偶处,

抓住人偶并顺利投放携带的救生圈，再转向利用发动机提供动力将人偶带回岸

边。但是救援过程中，我们发现了三个问题。

第一，实验一在拖拽人偶过程中所需的动能明显增大，原因是其在返程过程中需

要克服自身和人体受到的水面阻力，这一点导致对实验一的发动机是一个极大的

考验，可能因为超负荷运转从而导致发动机损坏并减少使用寿命。

第二，我们在水面波涛起伏的情况下进行试验，出现实验一的救援时间明显增加

的问题，原因是实验一在水流波动的情况下会出现左右浮动的情况，从而会出现

航线偏移，这让我们在操纵过程中需要随时调整方向;返程也是如此，由于返程

中需要拖拽人偶，人偶的左右摆动使实验一的摆动幅度加大，加大了侧翻几率。

第三，我们在处于流动状态的河流进行实验时发现，需要克服水流冲击的实验一

出现了动力下降的情况，根据测试我们推断当水流过于湍急时，实验一很难在强

大的冲击下顺利完成任务。

船类或者直接使用大浮力、扁平状球体结构是不适宜严峻工作环境的，受水域影

响太大，水流湍急耗能高，操作困难。

第二次实验

我们放弃了第一次选择的改进对象，继而选择了一种可以规避水流影响的对

象一一无人机。无人机最大的好处是可以通过其拥有的清晰的航拍功能进行远距

离的救援行动，对于救援人员难以直接通过肉眼观察现场情况的环境下，无人机

却可以顺利进行任务。但是无人机的缺点也非常明显，那就是受风力影响较大，

对于这点我们通过适当加大无人机动力及自身的重量在增大其稳定性。

我们对无人机进行了两种改进，第一种是去除了它的航拍系统并在无人机下

面加挂了一个救生圈，第二种是在保留它的航拍系统的情况下加挂救生圈（对于

以上两种改进统称为实验二）。通过相同的实验过程对比看出实验二的飞行优势

是显而易见的，相比于实验一它可以更好在的情况不明的水面进行工作，虽然风

力会对实验二有一定的影响，但是相比于实验一，这种影响明显小了很多；其次

是保留航拍系统的情况，保留航拍系统的无人机明显可以探索更广阔的区域，而

且救生圈的投放率也要大的多，所以保留航拍系统是非常必要的。但是反复试验

中我们发现，实验二依旧有几个问题是急需要解决的。

第一，在保留航拍系统的情况下，我们应该如何规避摄像头可能被救援工具遮挡

视线的情况。对于此我们提出了多种假设，比如将加挂物换成其他的不阻挡视线

的救援工具，或者是选择其他方式携带救援工具而不是直接使用加挂的方式。

第二，救生圈的投放精准度较低。尽管拥有航拍系统的无人机可以通过镜头将水

面情况一览无余，但在投放救生圈的过程中很难将救生圈准备的投放到人偶附

近。

第三，水流影响较大。即使排除风力影响，无人机能够比较准确的将救生圈投放

到人偶附近，但5秒之内便会被水流冲离人偶，若落水者不能立刻抓住救生圈，

将导致救援失败，而大部分落水者由于恐惧、紧张等情绪的影响，难以快速做出

反应，行动较为迟钝。

因此我们决定对实验二进行一下改进。

第三次实验

为了解决实验二的第一个问题，我们将实验二加挂的救生圈换成了救生网，

由于救生网在展开以前体型较小，所以极少会出现遮挡摄像头的状况，所以我们

又进行了实验（以下称为实验三），可是效果十分不理想，实验三在把救生圈替

换成救生网后出现了几个较为严重的问题。

第一，虽然救生网相比于救生圈覆盖范围更大也更轻盈，但是救生网对于风力大

小有较为严格的要求，风力过大会导致投掷偏移，起不到救援的效果。倘若在风

大时降低投放高度，则完全无法提现救生网覆盖广泛的特点。

第二，救生网不具备漂浮性。当落水人员在水中时会本能的抓住靠近的物体，但

是救生网不支持被抓扶的特点，而且使用救生网可能会加剧落水人员心理紧张程

度。甚至由于慌乱中的挣扎，捆绑束缚住落水者。

第三，单纯使用救生网无法达到救援目的。救生网在救援过程中只能起到辅助作

用，更多的是靠人力拖拽，这具有很大的局限性，不仅限制了无人机的飞行距离,

还对拉拽救生网的绳索具有十分高的要求。

综上所述，实验三是失败的，我们想到是否可以通过无人机拖拽实现营救行动

呢？

第四次实验

本次实验的目的是测试能否通过无人机拖拽达到救援目的，因此我们保留了

无人机直接加挂救援工具的特点，并将救援工具换成遥控钩爪（以下成为实验

四）。当实验四达到落水者上空时缓缓降低高度，等到钩爪活动范围，通过遥控

装置用钩爪直接拖拽将人拖至岸边。实验发现以下两个问题。

第一，实验四的拖拽能力十分有限。通过改变人偶的重量，实验四的拖拽能力下

降十分严重，多次拖拽较重物体可能导致设备损毁。

第二，尽管可以通过改变无人机型号，比如从测试用四轴无人机改换成更高动力

的六轴无人机，但高成本和高损耗会使这种改动得不偿失。

但是这次实验让我们意识到单纯的救援工具是不足以达到快速救援的目的，只有

人力与设备结合才能达到快速救援的效果。

第五次实验

本次实验在实验四的基础上保留了钩爪的设计，并加挂一个救生圈，在救生

圈上连接了一根细长的绳索（以下称为实验五）。本次实验的思路是先操纵实验

五飞行至落水者上空，通过遥控钩爪卡抓到落水者身体的某一部分，同时救生圈

被投放到落水者周围，由于救生圈与钩爪相连，可以保证救生圈被固定在落水者

一米范围之内，伸手即可以抓住，当落水者抓住救生圈后，救援人员再拖拽绳索

把落水者拉到岸边。当然，根据落水者落水时间长短和精神状态，我们考虑了两

种情况。

假设一，落水者落水时间较短，神志清晰并没有陷入昏迷状态，那么就操纵实验

五和钩爪，在摄像头拍摄的情况下处于低空，将救生圈投放到落水者一臂范围内，

落水者自主套上救生圈，拖拽至岸边即可。

假设二，落水者落水时间较长，或者过于紧张已经神志不清甚至已经陷入了昏迷

状态，那么可以操纵钩爪抓住落水者一部分，由于救生圈的带动，增加落水者的

浮力，避免拖拽过程中再次发生危险，拖拽至岸边即可。

但是通过真人试验，实验五的弊端显露了出来。

在拖拽过程中，由于水流的影响或者落水者的慌乱抓取导致救生圈翻转。人

偶试验之后，我们进行了试验人员的真人试验，结果表明，慌乱中抓取救生圈，

极易导致救生圈受力不均而发生翻转，反而增大了落水者的危险性。

因此我们在保留现有结构的情况下，又进行了进一步的改进。

第六次实验

我们将救生圈替换下了改成了救生浮球（以下称为实验六）。救生浮球的特

点是带有把手和双气囊构造，把手可以方便落水者的抓取且不会发生翻转，双气

囊结构保证了救生浮球不会出现类似于救生圈的侧翻现象，也可以避免由于水中

的漂流物和石头对救生气囊刮蹭后导致漏气而产生二次危险。

实验六操作起来十分顺利，没有了前几次出现的问题，但在重复实验的情况

下出现了新的问题。

第一，塑料制的钩爪的抓力下降导致的无法正常工作，由于前几次实验拖拽的物

体重量过大导致钩爪在实验中出现了损坏，在合拢过程中明显出现了缝隙和松

动。

第二，钩爪出现滑落的现象，钩爪在抓取昏迷者（假扮）后，在拖拽过程中，由

于完全依靠钩爪，而在水中操作减小了钩爪的摩擦力，出现了滑落的现象。

所以我们对钩爪进行了改进并进行了新一轮的实验。

第七次实验

本次实验我们将前次的钩爪换成了使用防滑材料制作而成高抓力钩爪，该钩

爪安装使用了大扭力舵机，这加大了钩爪的抓力和使用寿命，而且防滑材料防止

了抓取后的滑落，进行了多次实验均顺利完成。

研究结果及其分析

经过几次实验我们确定了改进的无人机由三部分构成，分别是无人机身、钩

爪和救生浮球。无人机身以四轴无人机为基础，带有航拍功能，可以清楚地通过

航拍系统看到水面和落水者情况；钩爪使用防滑材料和高扭力的大舵机设计，保

证了有足够的抓力；救生浮球提供了足够的浮力，保证落水者可以牢牢抓住救生

浮球后由救援者通过绳索拉到岸边。

通过我们在明水校区的模型试验（见附件视频），此改进方案确实可以提高

救援的成功率。采用无人机救援代替人工下水救援，能够在保证精准度的前提下

同时大大提高救援安全性。第一，我们在传统无人机水上救援的基础上增加了遥

控救援卡爪，可以解决水流湍急将救生气囊冲走或落水者体力不支不能自主抓牢

气囊的问题。保证了救援的精准度。第二，采用救生气囊代替救生圈，避免了救

生圈在水中因受力不均而翻转造成二次伤害和危险。第三，“双绳”设计，弹性

绳索和拖拽绳索始终与无人机相连接，避免了投放救援气囊偏离被困人而造成的

救援失败。弹性绳索避免了落水者慌乱中向上大力抓取而造成无人机坠落。第四，

救生气囊两侧增加了两个辅助把手，方便落水者抓取。且采用颜色对比使把手位

置突出。

目前的救援方式无法有效的在岸边对落水者进行救援，下水救援难度大、危

险性高，人命关天。通过研究改进，此救援设备结构、操作简单，能够对落水者

进行准确的定位，且保证救援人员安全。当本装置靠近落水者时通过岸上救援人

员的操作可以准确的对落水者进行卡抓，卡抓后落水者能够得到有效的救援，通

过本救生圈的浮力来实现对落水者的支撑，救援人员通过控制本装置从而可以实

现对落水者的后续救援，能更有效地满足人们的需求。水上救援人员救援时首选

的是救生圈、救生艇等各种救生器械，本项研究可以有效解决救生圈抛投不准、

抛投距离不够和救生艇体积大、携带运送不便的问题。此产品成本不高，符合无

人机广泛应用的社会情况，大部分单位都配有自己的航拍无人机，适用于各种民

间救援机构，以及武警消防、基层派出所。

附：实验视频截图，此截图仅展示作品大体外观

2.操作要求

1.两人配合，分工协作

无人机和钩爪的操作可以由一人单独进行，也可选择双遥控由两名救援人员

同时进行，最优方式为两人操作，此种方法一是可以更好的观察情况，以便快速

应对突发事件；二是能够分工协作，有更高的机动性。派出所民警出警时，至少

有两名正式民警，完全可以通过简单的培训熟练掌握此种救援工具。

2.在飞行前关闭视觉定位模块

悟和精灵3的视觉定位模块，在实际表现中，并不是非常完美，因为这个模

块抽风而导致炸机的事情也有发生。在水面上飞行时，视觉定位功能最好关闭，

因为起伏的洋面和纹理单一的水面都不太适合视觉定位系统的工作。

3.注意波浪的高度

拍摄大潮时惊涛骇浪的场景当然是非常酷的，但是也要非常注意不要无人机

飞得太低，被一个浪头卷到水里去，逐渐的降低高度，并靠目视来确保安全高度

是比较稳妥的做法。

4.远离遮挡物和干扰源

金属物体会干扰磁罗盘的工作，而高大的建筑物会阻挡遥控和图传信号，所

以在飞行的时候要注意，如果因为遮挡信号丢失而引发自动返航，很有可能让飞

机撞上障碍物。

5.小心鸟儿

不要与鸟群飞得太近,有些鸟会认为无人机是入侵者,进而主动攻击无人机,

无人机有被撞击落下的可能。

6.灵活使用智能飞行模式

在适当的时候利用智能飞行模式可以取得较好的影像效果。

7.不要忽视风的影响

在开阔的水面上飞行，一不小心就可能飞出几公里，而如果顺风飞出去太远

或空中停留太久耽误时间，很有可能逆风无法顺利返航，要留好裕度。

8.练好在移动的物体中降落的技能

在航行的船上放飞和回收时，就要注意船本身是在运动的，而且执行一键返

航的时候，飞机是回到初始的出发点，而那个位置现在已经不是船，而是水面了！

所以一定要人工控制飞机降落。

9.对于飞机可能的落水做好准备

可以试试诸如Waterbuoy水上防丢器之类的器材（参阅公众号“飞会儿君”

10月13号的介绍），提前考虑飞机不慎落水后的处理。但是不能把希望都寄托

在这上面，做好前面几项，基本不会落水。

10.安全第一

一定要记得的是，飞机落水不过是损失一架机器而已，必须避免砸到落水者

产生二次伤害的情况发生。另外，飞机落水时不要贸然下水打捞，特别是在水况

不明的水域。

3.技术领域

本发明涉及无人机设计和制造领域。

背景技术

水资源、水污染、水上救援等问题在江河、湖泊、海洋上的表现越来越重

要，洪涝灾害、地质灾害、河流水质长期检测、渔业、反海盗、船运监测、临海

权益等均对可靠可行的平台提出了新的需求，无人机的研究应用在以上方面均有

重要应用价值，将成为未来重要研究方向。

此款精准水上救援无人机相比于传统水上救援工具，具有独特的智能操控

和水面驻留作业能力，可灵活装载于救援车辆后备箱、普通舰船、公务船上，在

派出所和民间救援队等部门均有广泛用途。而水上救援无人机设计和制作，面临

诸多问题，如起飞后救援过程中航向的稳定性、水面浪花大、水上风的阻力大等

问题，存在损害无人机结构和机载设备的隐患；其次，提高低速飞行稳定性和载

荷的一种途径是较大的升阻比，以适应较大任务需求和续航能力；最后，水面长

期滞留和作业，需要水上无人机具有优秀的续航能力和防水防腐能力。

本产品的技术问题在于当前的水上救援工具设计和制作存在以下几个