汽车落水辅助救生装置设计

2021-11-10王舒岩谢越龚琦森

科学与生活 2021年21期

王舒岩谢越龚琦森

摘要：本设计意在提高汽车总体安全性，在落水之后得以迅速逃生，为拯救生命财产安全提供时间。整体的设计思路为：通过传感器判断汽车状态，并上传至ECU判断落水情况，若判断为落水，则通过嵌入于前窗玻璃内部的低烈度爆破装置破坏前窗，打开逃生通道，创造逃生空间，同时在车身周围展开气囊，减缓下沉速度，争取时间。

关键词：汽车、落水、救助、装置

一、绪论

1.1研究背景和目的

1.1.1汽车落水的调查与数据

全球每年因交通事故导致的死亡人数为125万，其中是由车辆落水导致的溺亡人数高达11.1万;2018 年 10 月28 日，重庆市万州区大桥便有公车处乘客与司机发生争执导致汽车落水而造成多达 15 人死于非命;2018 年 10 月28 日，重庆市万州区大桥便有公车处乘客与司机发生争执导致汽车落水而造成多达 15 人死于非命。

在汽车落水事件中，有效的自救时间在30-120s左右。由于不了解如何自救而错过时间导致溺亡的比例约为70%。

由此可见，对于车辆落水后，知识的普及和技术的改进刻不容缓。

1.1.2研究目的

该设计的主要研究目的在于解决车辆落水后的救援问题。

一方面，汽车落水的情况较为少见，应对的策略普及率比较低，相对而言危险性也较高，而此设计可以在不了解求生策略的情况下尽可能提高求生者的生存率。

另一方面，装置大部分功能依托于自动化操作，比手动操作更加可靠，安全性更高，避免由于驾驶员误操作带来的负面影响;同时可以避免在事故中因慌乱而无法有效的逃生。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外对于汽车落水的研究

当前，国外对于汽车涉水的均有所开发研究，主要集中于水陆两栖车辆，较为广泛的应用于军事、运输领域。如军用物资的运输边防严酷环境的执勤巡逻，救灾救难，探测等专业领域。两栖汽车暂时没有较大进展，其原因大部分为成本过高且技术不成熟。

1.2.2国内对于汽车落水的研究

鉴于国内汽车落水事故频发，国内已有相关研究针对汽车落水后的救助：例如提供气囊减缓车辆的下沉速度，车门与车身分离，破窗等等。而我们此次研究变针对于破窗来进行。

1.3研究内容和研究方法

1.3.1研究内容

此次研究主要内容针对在汽车落水后，通过各种传感器以及ECU的配合实现破坏前挡风玻璃，通过车周身气囊减缓下沉速度，进而打开求生通道，创造求生空间，争取救生时间。

在研究中主要需要研究的问题在于：

一方面，该装置要具有足够的可靠性。在水中，大部分电路机构可能无法及时运行的情况下，要能够及时准确的进行响应。

另一方面，设备要具有足够的安全性。我们计划采用低烈度爆炸的方式破坏前挡风玻璃，因此要确保爆炸后玻璃碎片以及爆炸本身不能对人身造成伤害。在该要点中，我们打算使用虚拟仿真进行选择和测试。

1.3.2研究方法

1.文献研究法：通过阅读，引用，参考文献来完成研究。

2.跨学科研究法：通过各个不同的学科交互知识来解决问题。

3.虚拟仿真法：通过虚拟仿真来模拟场景和结果，以此挑选出最佳材料和设计方案。

1.4研究难点以及创新点

本次研究的难点主要在于：

需要将各个传感器的功能建立联系，合理的安排传感器的功能以及逻辑。

选用合适的材料（包括引起低烈度爆炸的反应发生剂，传感器的材料等）确保装置的可靠和安全。

在保證功能的情况下尽可能压缩成本，提高经济性。对于仿真平台的学习。

本次研究的创新点在于：使用多数自动化的设计替代手工操作，提高了可靠性，响应速度和准确性。

二、需求和功能分析

2.1需求分析

本设计需要准确判断车辆落水状态，在可能短的时间内做出准确的响应。

同时，对于装置的响应必须要考虑到安全性，其中包括在响应时的安全以及启动装置条件的安全性。

2.2功能分析

对于该装置的设计，需要满足将传感器的功能对应串联，保证信号有逻辑地输出;同时准确判断车辆落水状态，不能出现误判和无响应的情况;对于破坏装置要确保起爆装置安全有效地起爆，既可以破坏玻璃起到打开求生通道的作用，也要规避爆炸对于人体的伤害。而对于气囊，要保证及时启动、响应。

2.3可行性分析

设置一个中央处理器集合于汽车的 ECU 内，对该处理器的算法、结构进行研究，得出更准确、高效的中央处理系统。预设多种初始的破门方案，通过实验、实践，采用定向低烈度爆破破方式，最大程度提高效能和智能控制的可操作性。

从目前对汽车落水事故的救助和保护方案来看，国内外都已存在：利用安全气囊来延缓汽车落水增加救助时间的装置及通过控制电磁阀锁磁吸力消失与否控制后排座椅连通后备箱通道逃生的方法。但就此两方案而言都具有一定程度上的不完善，如前者并没有直接打开逃生通道只是增加逃生时间，后者需要从内部打开后备箱，而现有汽车尤其是私家车并没有全部在内部安装后备箱内部打开装置，所以需要单独设立后备箱打开机制，这便造成一定的实用困难。

国外某公司也曾使用某些技术或使用新型材料对车门进行专门改造使得车门可以在特殊情况下仍能开启;国内有高校也曾研究汽车落水的自动浮起和扶正控制系统;但无论是国外对车门的特殊改造和新型材料使用还是国内的系统研发都无可避免的遇到了成本较高难以大量普及的问题。

此项目基于可行性、推广性、独特实用价值和广阔市场潜力开展调查研究。

三、装置的电路设计

在本次装置的设计中，需要将三个传感器信号综合作用后引爆，经过设计，得出如下电路：

四、装置的设计

4.1技术路线

本装置由水压传感器、车速传感器、压力传感器、ECU、爆破装置，气囊弹射装置组成。

工作原理：其中传感器安装于车体各部，当汽车点火信号，和车速传感器高速行驶信号，水位信号，压力冲击信号，共同传输至 ECU 时准确第一件时间判断汽车落水情况，判断落水后 ECU 处理信号，放大信号由输出端将信号传递至与前挡风玻璃，四角嵌入定向型，低烈度爆破装置，启动爆破使玻璃碎裂。

4.1.1传感器的设计与使用

压力传感器：传感器安装在汽车进风口下，当车体冲入水面，外部水流冲击积水盘，使击水盘关闭并拍击集液器内积水，形成水锤效应，产生较大压力经过取液孔冲击内部压力传感器产生压力信号。

这样，一方面可以保证压力传感器工作顺利，可以精确反应当车辆冲入水面时的剧烈程度;另一方面，传感器的安装位置和检测效果、精度，可以保证几乎很少会有其他液体进入的情况，保证了传感器工作的安全与准确。

水位传感器：水位传感器安装于车体顶部，当水位高度超过车身 2/3 高度时水液进入传感器内部使浮球上升，产生水位信号，判断车身淹没程度，防止由于下雨环境或其他路面积水环境使得错误判断汽车是否落水。

4.1.2起爆装置的设计与选用

低烈度爆炸装置：

电爆管：由 ECU 控制信号，只需达到一节普通纽扣电池电压。

反应发生剂：SiO2

2NH4NO3（高温、爆炸）=2N2？+O2？+4H2O

2NaN3（高温、爆炸）=2Na+3N2？

4.2起爆的仿真与模拟

4.2.1对于玻璃结构的分析

对于玻璃结构，可分为三层，分别是内侧玻璃，夹胶层，外侧玻璃。

日本丰田EPC汽车前挡玻璃采用PVB夹层玻璃。玻璃总厚度 4.76mm，其中上、下2层玻璃均为2mm，中间PVB夹層0.76mm。

设计预采用3层体单元结构模拟前挡玻璃。

因而，整个小组的设计思路为先使用ug制作玻璃的模型，后导入workbench中调整材质，模拟、仿真出玻璃的模型与性质

Workbench参数设置：

Windows：

4.2.2爆炸的仿真

在workbench中模拟爆炸效果，求解反应时间，计算冲击力大小，并绘制变化曲线，与安全性指标进行对比。

4.3仿真模拟结果

4.4车身落水姿态的分析

在该模块中，我们将选用球形传感器配合分析落水汽车的姿态，进而保证整个系统的安全与实用。

传感器结构与工作原理：车身姿态球形传感器是由焊接在一起的个空心金属半球与个放置其中的短路实心金属球构成。汽车落水之后，球形传感器控制系统才开始工作，此时汽车车身姿态会发生改变，实心球在空心金属球内滚动，其空间位置也会有相应改变。球形传感器控制系统通过判断实心球的空间位置而确定当前的车身姿态。上下个空心金属半球的内表面被平均划分成个区域，分别被命名为位于下半球的第一、二、三、四象限与上半球的五、六、七、八象限;每个象限又划分成个小区域，如图所示;分别采用绝缘胶将每个小区域的表面与铜丝粘结固定，各小区域中的铜丝之间留有合适的间距，汇集成根导线引出连接至单片机电路，输入为高电平，如图所示;从空心金属球面引出根导线连接至单片机电路，输入为低电平。

车身姿态确定方法当实心球滚到图所示的第一象限，则表示汽车向右前方下沉;滚到第二象限，则表示汽车向左前方下沉;滚到第三象限，则表示汽车向左后方下沉;滚到第四象限，则表示汽车向右后方下沉;当实心球滚到第五、六、七、八象限，则表示汽车处于翻车状态。实心球若滚到第一象限的z11区域，说明车身向右侧倾斜 0¡ã～ 30¡ã;若滚到z12或z13区域，说明车身向右侧倾斜 30¡ã～60 °;若滚到z14或z15区域，说明车身向右侧倾斜 60¡ã～90 °。

4.6仿真的结论

通过比较发现，仿真与实验冲击碰撞结果较为一致的是出现了与实验类似的环状及径向裂纹。但仿真中尚有缺陷的是，一方面径向裂纹较实验结果少; 另一方面实验中心位置出现了全局破坏，但仿真中并未完全体现。主要考虑两方面原因：（ 1）体单元模型较壳单元模型现象没有那么明显; （ 2）与模型中失效时采用的单元删除法有关。在接触碰撞过程中，玻璃应力状态经历了 3 个阶段：初始阶段、临界阶段、产生裂纹后的阶段。在不同阶段实验和仿真，玻璃的应力基本相同，但产生裂纹后两者裂纹周围区域的应力有所区别，不再一致。

究其原因，在实验中，玻璃发生破坏时，破碎的玻璃被黏结在 PVB 模上，不同阶段实验和仿真前挡玻璃的应力对比应力得以传播。在仿真分析中，只要单元格满足失效准则时，即被直接删除，其周边的单元应力也随之急剧下降或者消失，应力无法继续传播，造成难以产生完全一致的裂纹现象。

由此可知，本次设计的结果是较为可靠且安全的。

参考文献

[1] 毛明哲，王丽.汽车落水救助装置设计[J].汽车实用技术，2020，45（20）：20-21+24.

[2] 李和森，赵子喻，白光辉.基于应急心理与行为的汽车落水救生工具设计研究[J].中国包装，2020，40（10）：52-55.

[3] 曾添.基于多信息融合的车辆落水驾乘人员逃生系统[J].南方农机，2020，51（09）：1

[4] 林振楠，蔡承均.汽车落水逃生呼吸器[J].青少年科技博览，2020（03）：15-16.

[5] 刘发亮，卢晓坡，余泳康，陈文彬，黄辉，徐峰.一种基于单片机控制的落水车辆保护系统的设计[J].电子世界，2019（22）：145-146.

[6] 张佳新，孙立书，张翰康，黄鑫，杨健.一种紧急汽车落水逃生系统[J].汽车零部件，2019（10）：1-4.

[7] 蔡未希宇.汽车落水紧急自动粉碎玻璃装置[J].学苑创造，2019（10）：2

[8] 吕锰涛，娄资豪，何梦圆，吕璐佳，赵岩松，孙文福.汽车水上安全气囊装置研究[J].内燃机与配件，2019（17）：99-101.

[9] 常伟斌，申杰伟，张津铭，梁宇轩，王渤谦.汽车落水驾乘人员自救装置[J].科技创新导报，2019，16（15）：117+121.