基于多信息融合的车辆落水驾乘人员逃生系统

刘宇轩 曾添

摘要

近期汽车落水事件时常发生，比如10.28重庆公交坠江事件导致13人遇难。在车辆落水过程中，驾乘人员对此缺乏经验，酿成无可挽回的损失。对此提出通过水浸传感器的红外接收模块和水压传感器的水压接收模块进行数据收集，经信息融合后判断车辆是否处于落水状态和车辆所处的不同姿态，启动气囊使车辆浮起，从而使驾乘人员逃生。

关键字：水浸传感器，水压传感器，气囊系统

1.研究背景

目前市场针对车辆落水尚无相关保护设备，措施为在车辆落水时利用安全锤砸开车窗逃生或从后备箱逃生等。

1.1国内外研究现状

目前，国外对于汽车涉水均有所研究开发，主要是水陆两栖车辆这方面研究较多，主要广泛应用于军事如军用物资的运送，边防严酷环境的执勤巡逻，救灾救难，探测等专业领域。目前两栖汽车尚未广泛应用，并且整车设计的改动需要较大的改装成本。

针对车辆落水的事故的频发，国内已有相关研究针对车辆落水的驾乘人员逃生装置，比如提供气囊使车辆上浮、车门与车身分离以及破窗装置等，多种方案的提出都是基于车辆落水上浮的角度，从而使驾乘人员逃生。因事故的难以预料、水下环境的复杂和气囊布局等特殊情况需要更合理地考虑。

2.设计原理

2.1设计思路

本系统以DSP芯片TMS320F28377为主要核心，由水浸传感器、水压传感器、以及气囊系统等组成。通过红外接收模块和水压接收模块的数据收集，判断车辆是否处于落水状态和车辆所处的姿态，一旦检测到汽车落水，通过信息融合从而使气囊弹开，最后车辆上浮。

2.2工作原理

若车辆以前倾的状态落水，由于发动机的较大质量，车头先朝下触水，红外水浸传感器的红外接收模块和水压传感器的水压接收模块的所有参数，经数模转换至DSP芯片，经计算得红外光分子量减少，水压接收模块的参数值明显增大，启动全部气囊；若车辆以侧翻的状态落水，传感器检测到的所有参数，经数模转换至DSP芯片，经计算得红外光分子量减少，水压接收模块的参数值明显增大，同时两侧水压差值大于一定值时，启动车身一侧气囊，自动扶正后，启动剩余气囊使车辆上浮。

3系统组成

3.1水浸传感器

此传感器利用红外线反折射以及在水中传播速度快的思路，传感器包括红外发射及接收模块、反射玻片及底座等构成，红外发射及接收装置置于底座，传感器和DSP芯片TMS320F28377D相连接。若本传感器置于有水浸入状态时，所得信号经过放大电路、滤波器以及A/D转换之后输出有效参数，将有效参数与外部存储器存储的红外反射光线的标准参数相比较，若绝对差值处于误差允许范围内，判断结果为无水浸入状态，否则判断结果为有水浸入状态。水浸传感器可放置于进排气系统的空气滤清器后管道。

3.2水压传感器

此原理是被测水压的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与水压成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，并经过放大电路，滤波器等信号调理，输出一个相对于电阻所对应的水压大小，并将此数字信号传入DSP芯片与标准大气压比较，同时比较两侧水压的相对大小，若两侧水压绝对差值小于设定范围内，启动所有气袋；若两侧水压绝对差值大于设定范围外，先启动一侧水压值较大的气囊，直到两测水压绝对差值小于设定范围内，启动剩余气囊。水压传感器可置于发动机舱内部两侧位置，便于判断车姿。

3.3气囊系统

气囊系统包括气体发生器和气袋，车辆在上浮过程中，气袋的材质可采用超高分子量聚乙烯（UHMWPE），有较好的密封性，耐冲击性，抗压性以及防水性能。气袋需要缓慢充气的过程和保持较长时间的充气状态。气囊系统的位置置于汽车四个车门内部。同时为考虑到发动机和变速箱的较大质量，因此前排座椅的两侧车门所设计的气袋采用相比后排座椅两侧车门的较大的体积。

3.3.1气袋参数计算

G

一般轿车规格大体如下，质量约为1.9t，长约为4900mm，宽约为1900mm，高约为1400mm，

轴距约为2900mm，轮胎直径约为0.5m，轮胎宽度约为0.2m。经分析，四个汽车轮胎受到的浮力约为1600N，汽车外壳受到的浮力约为2000N，汽车内饰物受到的浮力约为2000N，汽车底盘受到的浮力约为2000N。其它部件受到浮力约为1000N。由于汽车本身的重力为19000N。那么气袋应承受的浮力至少应为11000N,每个气袋应承受的浮力至少为2700N，因此每个气袋充满气后理想体积约为0.3m³。

每一个气袋参数的要求至少是：长度为0.8米，直径为0.35米。由于一般汽车前端较重，所以前端气袋的参数应适当增加一点：长度为0.85米，直径为0.4米。

3.3.2气体发生器

本团队计划采用汽车安全气囊系统所选用的双缸烟火型气体发生器，具有主副两燃烧室，具有费用低，体积较小以及较轻质量的优势。本气囊充气需要较为缓慢，防止内外压力的冲击而导致驾乘人员的二次伤害。

3.3.3气体发生剂原料

本团队采用PAK为原料，Fe₂O₃为氧化剂的气体发生剂，其优点是燃烧速度较慢，燃烧热低，烟雾小，燃烧温度不高，有毒气体含量小以及低成本，其分子式为C₉H₈N₉O₁₀K，燃烧产物主要为N₂、CO₂和H₂O，混合物相对分子质量为441，含氮质量分数为28.6%，燃烧时间和压力达到国际技术要求。在气体发生器进行反应后通过冷凝器和过滤器后，充进气囊。

3.4基于BP网络的多传感器信息融合系统

在车辆落水驾乘人员逃生系统中，由于各信息源所提供的信息都具有一定程度的不确定性，如水压传感器会受温度等的影响，水浸传感器会受到湿度的影响，因此可以采用神经网络特定的学习算法获取信息，充分利用神经网络的信号处理能力和自动推理功能，即实现多传感器的数据融合。本团队采用基于BP网络的信息融合特征级方法，针对车辆落水，充分利用车辆落水的特征参数来判断车辆落水事件的发生，运用红外水浸传感器以及水压传感器的信息，来准确判断车辆落水事件的发生，该方法能提高本系统的识别精度。

4.创新点

(1)本团队所提出水压传感器和水浸传感器的组合使用，理论上能够第一时间检测到车辆处于落水状态，拥有高效性、快速性的特点。

(2)利用车辆落水的特征参数如红外水浸传感器和水压传感器，能够准确判断车辆落水事件的发生，融合总结出车辆的状态,并且能够消除错误和冗余信息，有效减少数据量，获取有效数据。

(3)气体发生剂原料采用PAK为原料，Fe₂O₃为氧化剂的气体发生剂，其优点是燃烧速度较慢，燃烧热低，烟雾小，燃烧温度不高，有毒气体含量小以及低成本，能够有效地满足本系统在车辆落水时气囊系统工作的要求。

5.应用前景

本文所研究的车辆落水后驾乘人员逃生装置，目前尚无研发汽车落水逃生装置相关设备。由于水下环境的复杂，驾乘人员面对车辆落水的经验不足，常有惨案发生。本团队所研究的项目在一定程度上可推动车辆落水相关设备的研发，使得厂家或公司关注此问题，为驾乘人员多一份人身安全的保障。

参考文献

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[2]燕灏.信息融合几种算法的研究[D].南京理工大学,2003

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[4]王耀南，李树涛.多传感器信息融合及其应用综述[J].控制与决策.2001

西南科技大学大学生创新基金项目（CX19-037）Supported by Undergraduate Innovation Fund Project by Southwest Universitiy of Science and Technology (CX19-037)

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