張佳新，孫立書，張翰康，黃鑫，楊健

(江蘇科技大學電子信息學院，江蘇張家港 215600)

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車以其快捷、省時、舒適的優(yōu)勢贏得了越來越多人的青睞。然而隨著汽車的增多，汽車的事故發(fā)生率也陡然上升，使得汽車安全性問題倍受關注。雖然就多種事故的發(fā)生而衍生出來的安全措施日趨成熟，但針對汽車落水這個問題一直沒有設計出具有可行性的系統(tǒng)，而汽車一旦落入水中，遇難者的逃生概率少之又少，給人們的生命財產(chǎn)帶來巨大的損失。因此，設計出一種行之有效的汽車落水保護裝置具有重要的現(xiàn)實意義?；谌藗冊谟龅酵话l(fā)情況時無法正常進行冷靜的思考與判斷和可利用的逃生時間短暫等情況，設計出一套智能控制系統(tǒng)去完成應對汽車落水這一緊急情況發(fā)生時的救護措施，第一時間為人們爭取最大的生存機會。

通過社會調(diào)研分析，得出當汽車落水時，車況和車內(nèi)人的狀態(tài)隨時間變化的調(diào)查結(jié)果，如表1[1]所示。

表1 汽車落水時車和人的狀況

然而當汽車落水時，人員進行自救只能通過3個出口：車門、天窗、后備箱。3種逃生方案的優(yōu)缺點[2]如下：

(1)破窗逃生。優(yōu)點：距離乘坐人員很近，便于逃生。缺點：車窗本身就很堅固，不容易敲碎、車窗較小不利于逃脫。

(2)后備箱逃生。優(yōu)點：逃生空間大。缺點：后備箱打開過程太復雜、距離前座的乘客較遠。

(3)天窗逃生。優(yōu)點：天窗位于頂部有利于車內(nèi)人員逃生。缺點：車的天窗較小不利于人員的逃脫、不是每輛車都配備天窗。

3種方案的逃生綜合指數(shù)[3]如圖1所示。

圖1 逃生綜合指數(shù)

從圖1可見，天窗的逃生綜合指數(shù)最高，逃脫最為方便，但是天窗的逃脫距離相比車窗較遠，因此，選擇車窗進行逃生系統(tǒng)設計。

汽車在落水過程中，大致呈現(xiàn)3個階段，分別是：漂浮在水面上、在水中下沉、浸沒在水中。在不同情況下，被困人員逃生所需時間如表2[4]所示。

表2 不同情況下人員所需逃生時間

文獻[5]顯示，汽車落入湖水以后，下沉深度與湖水壓力之間呈線性關系，關系曲線如圖2所示。由于水的浮力，在落水的1～2 min之內(nèi)，汽車不會下沉。在2 min之后，汽車落水深度與時間之間的關系如圖3所示，幾乎呈線性關系，下沉速度非常快，因此車內(nèi)人員必須在落水10 s內(nèi)破窗逃生。

圖2 下沉深度與湖水壓力之間的關系

圖3 汽車下沉深度與時間之間的關系

1 系統(tǒng)設計任務和功能

該系統(tǒng)是一種集車體浮起和逃生于一身的落水應對系統(tǒng)。它包括3個部分：(1)用GSM來實現(xiàn)高效的第三方救援。通過第三方救援，被困人員獲救的概率會大幅提升。(2)由于車體下沉的速度太快導致救援的時間太短，因此設計車體浮起系統(tǒng)。(3)考慮第三方救援支援的時間相比于下沉速度要慢得多，所以設計了自救系統(tǒng)，通過車門的脫落和車門上的“救生圈”來實現(xiàn)人員的自救。

該系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能要求為

(1)整個系統(tǒng)工作時間不超過1 min，車輛落水后傳感器檢測信號并報警直到破窗結(jié)束，時間控制在10 s以內(nèi)；浮起系統(tǒng)工作時間在30 s內(nèi)；系統(tǒng)中的GSM模塊和傳感器模塊時間控制在10 s之內(nèi)，整個系統(tǒng)可以快速高效地完成人員自救。

(2)系統(tǒng)不會誤判。開啟系統(tǒng)要滿足2個條件：①人員自我按下按鈕；②壓力傳感器和濕度傳感器都檢測到信號。這樣能減少因人員失誤和單個傳感器工作而導致的系統(tǒng)工作。

2 系統(tǒng)整體設計

該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，主要包括：傳感器部分、浮起系統(tǒng)、車門逃生系統(tǒng)、GSM系統(tǒng)(即定位和報警系統(tǒng))，實現(xiàn)第三方營救。

在車輛落水時，由此系統(tǒng)高精度液位變送器將檢測到的水位電壓值送給單片機，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成汽車下沉深度的數(shù)字信號。當汽車下沉深度超過2 m時，啟動逃生救護報警電路，語音提示電路提示車主解開安全帶、點亮救護燈、開啟蜂鳴器向外界發(fā)出求救信號，同時將車窗打開。而救護燈和蜂鳴器是為了向周圍求救而設置的。此系統(tǒng)不僅可以為車內(nèi)被困人員提供信息，也可向外界求救，從而提高了被困人員的生還概率。該系統(tǒng)的硬件設計包含電源電路、落水檢測電路、逃生救護報警電路；軟件設計包含落水檢測和實時數(shù)據(jù)顯示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 傳感器部分

傳感器模塊由1個壓力傳感器和1個液位傳感器組成。壓力傳感采用BP8A壓力變送器，輸出電流為4～20 mA,供電電壓為24 VDC。壓力傳感器如圖5所示。

液位傳感器采用BP800K投入式液位傳感器，4～20 mA電流輸出，二線制；0～5 V、0～10 V電壓輸出，三線制；量程為0～2 000 m，工作溫度-20～60 ℃，精度為0.25%FS、供電電壓為24 VDC。液位傳感器如圖6所示。

圖5 壓力傳感器

圖6 液位傳感器

2.2 浮起系統(tǒng)

此系統(tǒng)的技術(shù)解決方案是在輪轂中部預先安裝汽車防水淹安全氣囊裝置，該氣囊裝置由浮力氣囊、胎壓感應系統(tǒng)、自動充氣氣嘴、獨立氣體補充器、充氣控制氣閥、自動落水感應開關(壓力傳感器和液位傳感器)、手動開啟開關等組成。

一旦檢測到落水信號,控制裝置向氣體發(fā)生器發(fā)出點火命令或是傳感器直接點火。點火后發(fā)生爆炸反應,產(chǎn)生氮氣或?qū)夤拗袎嚎s氫氣釋放出來充滿碰撞氣袋,以達到打開氣囊、實現(xiàn)車體落入水中能夠及時將車體浮起的目的。

2.3 車門逃生系統(tǒng)

當車輛落水后，控制系統(tǒng)檢測到壓力傳感器和液位傳感器的信號，GSM系統(tǒng)和車門逃生系統(tǒng)同時啟動。GSM系統(tǒng)發(fā)送位置和求救信息，被困人員等待第三方救援，獲救概率增大。車門逃生系統(tǒng)主要通過破窗器破窗實現(xiàn)逃生目的。破窗器采用ASQ-02自動爆玻器，安全電流：≤150 mA；使用電壓： DC12～24 V；啟動電流：≥600 mA；使用環(huán)境溫度：-40～85 ℃。

2.4 GSM系統(tǒng)

使用單片機通過RS232串口與M590E GSM模塊通信，使用標準的AT命令來控制GSM模塊實現(xiàn)各種無線通信功能。當車內(nèi)人員按下按鈕時，求救信息通過GSM模塊發(fā)送給警方并通過NEO-6M/7N模塊實現(xiàn)實時定位，進行第三方救援。求救與定位信息如圖7所示。

圖7 求救與定位信息

3 控制系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分程序執(zhí)行流程如圖8所示。

圖8 主程序流程示意

4 模擬實驗

在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設計完畢后，經(jīng)聯(lián)調(diào)并進行模擬實驗。由于汽車在落水后1～2 min不會下沉，2 min之后汽車空隙開始進水，車體開始下沉，因此實驗數(shù)據(jù)是從汽車開始下沉時記錄。通過查詢大量文獻，設定該系統(tǒng)的報警深度為2 m。當車開始下沉時，對車作受力分析。首先，汽車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車=p車gV排

(2)

可得：

a下沉=(p車-p液)g/p車

(3)

由公式(3)可知，車體下沉加速度和液體密度有關，和汽車體積無關。因此，實驗選取體積比為1∶18的車模進行，車模圖形如圖9所示。

圖9 車模

利用該車模進行模擬實驗，采集到車體下沉車門所受到的水的壓力和時間的關系曲線如圖10所示，下沉深度與時間的關系曲線如圖11所示。從圖11可知，汽車下沉2 m，所需時間大概為1.37 s，從圖10可知車門此時所受壓力大概為2 MPa，此時系統(tǒng)開始報警，用破窗器破窗，破窗時間很短，瞬間完成。因此，該系統(tǒng)將車體下沉到破窗結(jié)束的時間控制在10 s之內(nèi)，能夠很好地實現(xiàn)設計要求。將該系統(tǒng)的實驗結(jié)果(實驗組)和前人的實驗結(jié)果(對照組)進行比較，具體如圖12所示。

圖10 壓力與時間關系曲線

圖11 下沉深度與時間關系曲線

圖12 實驗組與對照組的下沉速度比較

從對比結(jié)果可以看到，使用該系統(tǒng)的汽車在落水后下沉速度較慢，能更好地實現(xiàn)人員逃生。因此，該系統(tǒng)設計合理有效，能較好地實現(xiàn)車內(nèi)人員逃生。

5 結(jié)論

設計一種緊急汽車落水逃生系統(tǒng)，在汽車落水的情況下，能夠通過快速破窗、車體浮起及發(fā)送求救與定位信號等一系列舉措，幫助被困人員在較短時間內(nèi)擺脫困境，提高存活的可能性。但在一些惡劣環(huán)境時，如落水前汽車經(jīng)過嚴重撞擊，部分硬件被毀壞，會導致作用失效。因此，該系統(tǒng)還有待進一步改進。