一种紧急汽车落水逃生系统

2019-11-13张佳新孙立书张翰康黄鑫杨健

汽车零部件 2019年10期

张佳新，孙立书，张翰康，黄鑫，杨健

(江苏科技大学电子信息学院，江苏张家港 215600)

0 引言

随着经济的发展，汽车以其快捷、省时、舒适的优势赢得了越来越多人的青睐。然而随着汽车的增多，汽车的事故发生率也陡然上升，使得汽车安全性问题倍受关注。虽然就多种事故的发生而衍生出来的安全措施日趋成熟，但针对汽车落水这个问题一直没有设计出具有可行性的系统，而汽车一旦落入水中，遇难者的逃生概率少之又少，给人们的生命财产带来巨大的损失。因此，设计出一种行之有效的汽车落水保护装置具有重要的现实意义。基于人们在遇到突发情况时无法正常进行冷静的思考与判断和可利用的逃生时间短暂等情况，设计出一套智能控制系统去完成应对汽车落水这一紧急情况发生时的救护措施，第一时间为人们争取最大的生存机会。

通过社会调研分析，得出当汽车落水时，车况和车内人的状态随时间变化的调查结果，如表1[1]所示。

表1 汽车落水时车和人的状况

然而当汽车落水时，人员进行自救只能通过3个出口：车门、天窗、后备箱。3种逃生方案的优缺点[2]如下：

(1)破窗逃生。优点：距离乘坐人员很近，便于逃生。缺点：车窗本身就很坚固，不容易敲碎、车窗较小不利于逃脱。

(2)后备箱逃生。优点：逃生空间大。缺点：后备箱打开过程太复杂、距离前座的乘客较远。

(3)天窗逃生。优点：天窗位于顶部有利于车内人员逃生。缺点：车的天窗较小不利于人员的逃脱、不是每辆车都配备天窗。

3种方案的逃生综合指数[3]如图1所示。

图1 逃生综合指数

从图1可见，天窗的逃生综合指数最高，逃脱最为方便，但是天窗的逃脱距离相比车窗较远，因此，选择车窗进行逃生系统设计。

汽车在落水过程中，大致呈现3个阶段，分别是：漂浮在水面上、在水中下沉、浸没在水中。在不同情况下，被困人员逃生所需时间如表2[4]所示。

表2 不同情况下人员所需逃生时间

文献[5]显示，汽车落入湖水以后，下沉深度与湖水压力之间呈线性关系，关系曲线如图2所示。由于水的浮力，在落水的1～2 min之内，汽车不会下沉。在2 min之后，汽车落水深度与时间之间的关系如图3所示，几乎呈线性关系，下沉速度非常快，因此车内人员必须在落水10 s内破窗逃生。

图2 下沉深度与湖水压力之间的关系

图3 汽车下沉深度与时间之间的关系

1 系统设计任务和功能

该系统是一种集车体浮起和逃生于一身的落水应对系统。它包括3个部分：(1)用GSM来实现高效的第三方救援。通过第三方救援，被困人员获救的概率会大幅提升。(2)由于车体下沉的速度太快导致救援的时间太短，因此设计车体浮起系统。(3)考虑第三方救援支援的时间相比于下沉速度要慢得多，所以设计了自救系统，通过车门的脱落和车门上的“救生圈”来实现人员的自救。

该系统要实现的功能要求为

(1)整个系统工作时间不超过1 min，车辆落水后传感器检测信号并报警直到破窗结束，时间控制在10 s以内；浮起系统工作时间在30 s内；系统中的GSM模块和传感器模块时间控制在10 s之内，整个系统可以快速高效地完成人员自救。

(2)系统不会误判。开启系统要满足2个条件：①人员自我按下按钮；②压力传感器和湿度传感器都检测到信号。这样能减少因人员失误和单个传感器工作而导致的系统工作。

2 系统整体设计

该系统的硬件结构框图如图4所示，主要包括：传感器部分、浮起系统、车门逃生系统、GSM系统(即定位和报警系统)，实现第三方营救。

在车辆落水时，由此系统高精度液位变送器将检测到的水位电压值送给单片机，经A/D转换器转换成汽车下沉深度的数字信号。当汽车下沉深度超过2 m时，启动逃生救护报警电路，语音提示电路提示车主解开安全带、点亮救护灯、开启蜂鸣器向外界发出求救信号，同时将车窗打开。而救护灯和蜂鸣器是为了向周围求救而设置的。此系统不仅可以为车内被困人员提供信息，也可向外界求救，从而提高了被困人员的生还概率。该系统的硬件设计包含电源电路、落水检测电路、逃生救护报警电路；软件设计包含落水检测和实时数据显示。

图4 系统硬件结构

2.1 传感器部分

传感器模块由1个压力传感器和1个液位传感器组成。压力传感采用BP8A压力变送器，输出电流为4～20 mA,供电电压为24 VDC。压力传感器如图5所示。

液位传感器采用BP800K投入式液位传感器，4～20 mA电流输出，二线制；0～5 V、0～10 V电压输出，三线制；量程为0～2 000 m，工作温度-20～60 ℃，精度为0.25%FS、供电电压为24 VDC。液位传感器如图6所示。

图5 压力传感器

图6 液位传感器

2.2 浮起系统

此系统的技术解决方案是在轮毂中部预先安装汽车防水淹安全气囊装置，该气囊装置由浮力气囊、胎压感应系统、自动充气气嘴、独立气体补充器、充气控制气阀、自动落水感应开关(压力传感器和液位传感器)、手动开启开关等组成。

一旦检测到落水信号,控制装置向气体发生器发出点火命令或是传感器直接点火。点火后发生爆炸反应,产生氮气或将储气罐中压缩氢气释放出来充满碰撞气袋,以达到打开气囊、实现车体落入水中能够及时将车体浮起的目的。

2.3 车门逃生系统

当车辆落水后，控制系统检测到压力传感器和液位传感器的信号，GSM系统和车门逃生系统同时启动。GSM系统发送位置和求救信息，被困人员等待第三方救援，获救概率增大。车门逃生系统主要通过破窗器破窗实现逃生目的。破窗器采用ASQ-02自动爆玻器，安全电流：≤150 mA；使用电压： DC12～24 V；启动电流：≥600 mA；使用环境温度：-40～85 ℃。

2.4 GSM系统

使用单片机通过RS232串口与M590E GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能。当车内人员按下按钮时，求救信息通过GSM模块发送给警方并通过NEO-6M/7N模块实现实时定位，进行第三方救援。求救与定位信息如图7所示。

图7 求救与定位信息

3 控制系统软件设计

系统软件部分程序执行流程如图8所示。

图8 主程序流程示意

4 模拟实验

在硬件系统和软件系统设计完毕后，经联调并进行模拟实验。由于汽车在落水后1～2 min不会下沉，2 min之后汽车空隙开始进水，车体开始下沉，因此实验数据是从汽车开始下沉时记录。通过查询大量文献，设定该系统的报警深度为2 m。当车开始下沉时，对车作受力分析。首先，汽车受水的浮力和自身的重力，如公式(1)—(3)所示。

F浮=p液gV排

(1)

F车=p车gV排

(2)

可得：

a下沉=(p车-p液)g/p车

(3)

由公式(3)可知，车体下沉加速度和液体密度有关，和汽车体积无关。因此，实验选取体积比为1∶18的车模进行，车模图形如图9所示。

图9 车模

利用该车模进行模拟实验，采集到车体下沉车门所受到的水的压力和时间的关系曲线如图10所示，下沉深度与时间的关系曲线如图11所示。从图11可知，汽车下沉2 m，所需时间大概为1.37 s，从图10可知车门此时所受压力大概为2 MPa，此时系统开始报警，用破窗器破窗，破窗时间很短，瞬间完成。因此，该系统将车体下沉到破窗结束的时间控制在10 s之内，能够很好地实现设计要求。将该系统的实验结果(实验组)和前人的实验结果(对照组)进行比较，具体如图12所示。