一种关于车辆水中自救装置的研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 21 日 作者简介：朱婷婷（1989），女，汉族，安徽安庆人，工程师，硕士研究生，研究方向为机电一体化技术自动控制方向。-162-一种关于车辆水中自救装置的研究 朱婷婷 夏春荣 江苏省无锡交通高等职业技术学校，江苏 无锡 214000 摘要：摘要：针对车辆落水或城市内涝等事故，为有效确保驾乘人员生命安全，本文研究设计一种车辆水中自救装置。该装置利用气囊浮力原理，能够使落水车辆迅速浮起，增加驾乘人员自救或等待救援的时间，从而提高生存率。此外，该装置还具备声光报警和求救信号发送等功能，可以提高救援的效率和多样性。这些功能可以吸引周围救援人员的注意，同时将求救信号发送至紧急联络人，可以积极提供额外的救援手段和渠道，以便获得及时救援。关键词：关键词：车辆水中自救；气囊；声光报警；求救信号发送 中图分类号：中图分类号：U463 1 概述 随着小康社会的全面建成，汽车保有量逐年增加，我国年平均汽车落水事故 300 余起，车内驾乘人员获救者不足 10%；近几年来，电动汽车市场迅速崛起，可电动汽车一旦落水，由于车身较重，下沉速度快，生还率几乎为 0！2023 年 7 月-8 月，河北、北京等地特大暴雨，城市严重内涝，大量车辆浸水受损。因此，车辆如何水中自救业已成为机械与控制行业人员研究设计的热点课题。在车辆落水事故中，由于水的重力和压力，死亡率往往较高。主要原因集中在以下两个方面：首先，车辆落水后，车内外水中压强差大，导致车门很难或无法打开。当车辆坠入水中时，水的压力会对车门施加巨大的力量，使得车门变得异常沉重且紧密封闭。同时，在车辆被水淹没的情况下，水流进入车厢，增加了车门打开的困难性。驾驶员和乘客面临着一种紧迫的局势，需要快速找到逃生的方法。其次，车辆浸水后电路失控，车窗无法打开，导致车内驾乘人员无法及时逃生。车辆受到水淹后，电器设备和电路系统可能会受到损坏，这会导致电动车窗、电动门锁等无法正常工作，加剧了逃生的困难。有鉴于此，借助生活中的“救生圈”原理，利用气囊浮力实现车辆浮起，为驾乘人员赢得自救或等待救援的时间。同时，采用声光报警模块，使水中的车辆引起周围车辆或人员的注意，加入 SIM900A 模块，发送求救短信至紧急联络人，从而确保多渠道获得救助。这样的设计方案在一定程度上可以提高驾乘人员的自救能力和等待救援的时间，从而增加生存率。同时，通过声光报警模块和求救短信发送，可以吸引周围车辆和人员的注意，以及及时联系紧急联络人，进一步提高救援的效率和多样性。2 装置构成 这种车辆水中自救装置由充气气路和控制电路两个部分构成。2.1 充气气路 充气气路部分由储气钢瓶、气囊、电磁阀、气管等零部件组成。这些零部件相互协作，以提供车辆所需的气体压力和控制气囊的充放气。储气钢瓶是充气气路的核心组件之一。它通常由高强度材料制成，具有防爆耐压的特性，能够安全地储存气体。储气钢瓶上设有压强计和泄压阀，用于显示瓶内气体的含量和压强。这有助于驾驶员或设备维护人员了解系统的工作状态，并确保其安全运行。当瓶内气体超过最高气压值时，泄压阀会自动释放气体，以保护系统不受过压的影响。气囊在充气气路中起到承载和缓冲作用。气囊通常采用加厚充气袋制成，以提供足够的结构强度和稳定性。气囊具有环保、抗压耐用和不易漏气等特点。当气囊充气时，它能够提供额外的支撑和缓冲效果，以减保证落水或者涉水过深的车辆浮起。电磁阀是控制气体进出气囊的关键零部件。电磁阀采用直流 12V 的单通开关阀结构，通过气管与储气钢瓶和气囊连接。它可以根据系统的控制信号打开或关闭，以调节气囊的充气和排气。通过电磁阀的控制，中国科技期刊数据库 工业 A-163-可以实现对气囊充放气的精确控制。储气钢瓶中的气体通常采用小苏打和柠檬酸反应生成的二氧化碳。这种反应产生的二氧化碳具有足够的压力，可提供给气囊所需的气体。二氧化碳的使用相比其他气体有一些优势，如资源丰富、成本低廉以及绿色环保。这种化学反应工作过程安全可靠，并且成本较低，其化学方程式为：3NaHCO3+C6H8O7=C6H5O7Na3+3H2O+3CO2 在气源的选择上，最初考虑过汽车安全气囊采用叠氮化钠反应产生氮气的方法，虽然气囊可以在极短时间内打开，但其打开瞬间速度特别高，以及车辆重力作用在气囊上的压力，可能导致驾乘人员受到二次伤害，甚至对车体造成破坏。因此，这种方法没有被采用。不同于汽车的安全气囊，该装置整个充气部分是可循环利用的，当气体用完后，可以打开钢瓶，再装入原材料，继续反应产生二氧化碳。总的来说，充气气路部分的各个零部件相互配合，确保系统能够稳定、安全地运行，为车辆提供安全和舒适的行驶环境。但这些零部件的选择和设计都需要经过严格的测试和验证，以满足汽车行业的相关标准和要求。充气气路的合理设计和可靠性能，为车辆的水中自救提供了重要保障。2.2 控制电路 控制电路部分是车辆水中自救装置中至关重要的组成部分。它包括电源、传感器组件、Arduino 模块、SIM900A 模块和声光报警模块等多个关键部件。这些部件通过相互协作，实现了对车辆落水情况的监测、控制和紧急求救功能。下面对每个组件进行更详细的介绍。首先，电源是控制电路部分的基础，为整个系统提供可靠的能量供应。通常情况下，一块 12V 可充电电池被用作能量源。这种电池具有高容量和长时间续航能力，能够支持系统在紧急情况下的持续运行。采用单独的电源模块而不采用车辆上的供电系统，是防止车辆浸水后电路系统受损。其次，传感器组件在水中自救装置中起着关键的作用，其中水压传感器是其中之一。水压传感器用于测量车辆所处水下环境的压力情况。它能够将测得的压力转化为电信号，并传递给Arduino模块进行处理。通过水压传感器，我们可以及时监测车辆所处的水位变化，为后续的控制和报警提供必要的数据支持。Arduino 模块是控制电路部分的核心控制单元。作为一种开源的电子原型平台，基于 ATmega 系列微控制器，Arduino 提供了简单易用的编程接口和软件开发环境。通过编写和上传程序到 Arduino 主板上，我们可以控制和管理其他功能模块。在车辆水中自救装置中，Arduino 模块接收并处理来自传感器的数据，并根据预设的程序逻辑控制各个部件的操作，使整个系统能够按照设计的目标进行运行。图 1 Arduino 模块 图 2 SIM900A 模块 SIM900A 模块是用于无线通信的重要组成部分。它可以插入电话卡，并通过 GSM 网络实现数据通信和语音通信。在车辆水中自救装置中，SIM900A 模块起到与外界进行有效沟通的作用。它可以发送紧急求救信号或状态报告，以便及时得到外部的帮助和支援。通过无线通信的方式，驾驶员和乘客可以与救援人员进行迅速有效的沟通和协调。最后，声光报警模块是车辆水中自救装置中不可或缺的组件之一。它通过发出强烈的声音和光线警报信号，吸引周围的车辆和人员的注意力。当车辆遇到紧急情况时，声光报警模块能够迅速引起周围的关注，中国科技期刊数据库 工业 A-164-提醒人们注意事故车辆的存在，并采取相应的行动。控制电路部分的各个组件相互协作，共同构成了车辆水中自救装置的智能控制系统。它通过监测环境信息、解析数据、控制器件操作和与外界进行通信，保障驾驶员和乘客的安全和逃生机会。这些技术的应用，为车辆落水事故提供了一种创新的解决方案，帮助提高逃生的成功率和生存机会。3 设计方案 3.1 工作流程 在发生车辆落水或涉水过深的情况下，控制电路部分的各个组件起着重要的作用。一旦车底部的水压传感器检测到信号，Arduino 模块将会通过其控制能力同时向电磁阀、声光报警模块和 SIM900A 模块发送信号，触发相应的操作。首先，当 Arduino 模块接收到水压传感器的信号后，它会立即发送信号给电磁阀，通过控制电磁阀打开气囊充气通道。这样，气囊就开始充气，并逐渐产生浮力。随着气囊逐渐充满气体，车辆将会逐渐浮起，直到浮到水面以上。这为驾乘人员提供了时间来处理紧急情况、自救或寻找逃生工具。气囊的增加浮力有效地提高了驾乘人员在落水事故发生时的生存机会。同时，Arduino 模块还会触发声光报警模块，通过发送信号使蜂鸣器发出高频响亮的声音，并使报警灯闪烁。这样的报警信号能够吸引周围的车辆和人员的注意力，提醒他们附近有车辆落水事故的发生。这有助于增加被困车辆得到救援的可能性，与外界保持联系，并吸引周围人的关注和帮助。除此之外，Arduino模块还会通过 SIM900A 模块发送求救短信给预设的紧急联络人。SIM900A 模块是一种专门用于无线通信的模块，可以插入电话卡，通过 GSM 网络实现数据和语音通信。当车辆陷入危险地位时，Arduino 模块会通过SIM900A 模块向紧急联络人发送求救短信。这一举动能够更快捷地通知相关人员，并帮助提高获得及时救援的概率。经过气囊充气完毕后，车辆将会浮起到水面以上，等待救援的到来。在这段时间内，驾乘人员可以利用这个窗口时间去进行自救，例如穿戴救生衣、找到逃生工具、系好生命绳等等。同时，他们也可以与外界保持沟通，通过与紧急联络人的消息交流，进一步提高救援效果。这个工作流程利用了各个模块的协调配合，实现了在车辆落水或者涉水过深的情况下，确保车辆浮起和发出求救信号。这样的设计可以提高车辆驾乘人员的安全性，并增加获取救援的机会。图 3 装置工作流程图 3.2 浮力计算 关于气囊浮力方面的理论计算，根据浮力公式 F浮=G排=液*V排*g 可以知道，一个装满气体的 1 立方米气囊可以支持浮起 1 吨物体。选用的钢瓶容量为 25kg，而 25kg CO2 相当于大约 12.7275 立方米的气体，理论上可以支持约 12 吨物体浮起。以特斯拉 Model3 为例，整车质量为 1.671 吨，最大满载质量为 2.170 吨，所以使用气囊浮力的方案可以实现浮起车辆的目标。3.3 软件设计 该装置使用了 Arduino 模块来实现声光报警和求救短信的发送。在软件部分，通过使用 C+语言编写代码，并利用 Arduino 的硬件和库函数与 SIM900 模块进行通信，并通过调用库函数来实现了发送短信的功能。在设置（setup）函数中，初始化相关引脚和串口。在程序的主要部分，定义了一个函数（Send_en_Meg）用于发送短信。函数接受四个参数：是否使用中文字符、目标手机号码、短信内容和延迟时间。在函数内部，根据是否使用中文字符的参数，设置相应的短信编码格式和模式。如果使用中文字符，中国科技期刊数据库 工业 A-165-将短信模式设置为文本模式，然后配置UCS2格式编码。然后，函数将待发送的短信内容写入到 SIM900A 模块中，并发送给指定手机号码。如果不使用中文字符，将短信模式设置为PDU模式，省略编码格式的配置。然后，同样将待发送的短信内容写入到 SIM900A 模块中，并发送给指定手机号码。Send_en_Meg 函数使用 AT 命令与 SIM900 模块进行通信，配置短信的发送方式和内容。通过控制引脚的高低电平和使用tone函数发声，实现了声光报警的功能。这种设计利用了Arduino的硬件和库函数的优势，使得声光报警和求救短信的发送变得简单而高效。同时，使用 C+语言编写代码可以提供更高的灵活性和可扩展性，方便对功能进行调整和扩展。这种技术结合了硬件和软件的优势，使得装置能够快速响应并满足实际需求。图 4 求救短信截图 3.4 方案特点 这个水中自救装置有以下特点：提高生存率：通过气囊的自动充气，使车辆能够平衡并浮起于水面，为驾乘人员提供了更多的时间来进行自救或者等待救援，从而提高生存率。瞬间触发：该装置采用了自动触发机制，可以在汽车落水时迅速启动，减少人为操作的时间和误操作的风险，提高应急响应的速度和准确性。多功能性：除了气囊充气使车辆浮起的功能外，该装置还具备发送紧急求救信号和声光报警等功能。这些功能可以吸引周围车辆和人员的注意，并利用SIM900A 模块发送求救短信给紧急联络人，以便获得多种途径的救助。这些特点使得该装置在提供救援和保护人员安全方面具有重要的优势，并且有望在真实的紧急情况中发挥积极作用。在车辆落水事故中，确保驾乘人员的生命安全非常重要。这样的设计方案有望帮助解决车辆落水事故中车门难开、电路失控等问题，提供额外的救援手段和渠道，是对车辆驾乘人员安全保障的一种有益补充。可以改善车辆驾乘人员在车辆落水事故中存活率低、城市内涝车辆受淹损失严重的情况。多功能性的设计也增加了装置的实用性和应对不同情况的适应能力。4 结论 车辆水中自救装置的探索和研究，对于应对车辆落水或城市内涝事故具有积极的意义。这样的装置有助于提高驾乘人员在危险情况下的自救能力，同时也为救援人员提供更多的救援选择和手段。但在实际应用中，还需进行更加详细的试验和研究，以确保装置的性能和安全性，并充分考虑到车辆类型和不同水中自救场景的适应性。未来市场的需求主要集中在水网密布地区、洪水易发地以及一些在雨季时容易发生内涝的城市。这些地区的水位常常波动，如果汽车停放在低洼处或地下车库，就容易被水淹没。车辆水中自救装置可以有效地解决这个问题，保护车辆和车主的安全。随着人们对汽车安全意识的提高和政府对汽车安全法规的加强，车辆水中自救装置的市场前景非常广阔。参考文献 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