CN105291973A - 用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统及预警方法 - Google Patents

Abstract

用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统及预警方法，包括设置在下穿式立交下用于监测水位的水位监测模块，与水位监测模块相连的预警装置，以及与预警装置相连且用于发出预警的危险预警模块。通过比较水位信号和当前车辆底盘高度，判断该车辆是否能够安全通过积水路段，当水位高于等于车辆底盘高度时，则认为车辆不能安全通过积水路段，点亮危险预警模块的警示灯。本发明可以在车辆距离积水点较远时就向车辆发出水深信息，确保车辆经过下穿式立交时安全，并能根据各车底盘高度具体情况不同做出不同响应。本发明设计简单、可靠性高，安装要求低，适用范围广。

Description

用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统及预警方法

技术领域

本发明属于机动车主动安全技术领域，特别涉及一种用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统及预警方法。

背景技术

随着城市建设的深入，下穿式立交在城市立交中越来越普遍，由于此类立交桥本身的特点，在遇到强降雨时，下穿式立交底部就会产生积水，另外部分城市的管网建设不健全，加重了积水现象。纯电动汽车作为新能源汽车，近年来得到了良好的普及，对于纯电动汽车，其动力电池位于底盘上，电压高达数百伏，另外随着人们对车辆操控性动力性要求的不断提高，汽车底盘高度也不断降低，如果此时有纯电动汽车经过积水，当车辆底盘高度低于水面高度，动力电池将浸泡在水中，会对动力电池的安全性造成影响，一旦漏电或者短路将严重威胁到车上乘客和驾驶员的安全。当水面高度处于车辆底盘高度的临界状态时，驾驶员又无法远距离观测到，因此很难判断车辆能否安全通过，增加了行驶的危险性。因此纯电动汽车急需涉水行驶预警。

目前，针对汽车使用的涉水预警装置，通常是在车辆已经行驶进水中后，利用安装在车身四周的传感器来测量车辆涉水高度，之后再对车辆进行控制，此类预警装置并不能在车辆未驶入水中前对驾驶员进行预警，当车辆驶入水中后，极有可能在系统做出响应时已经对车辆和人员造成危险，同时在一定的水位深度时，底盘较高的车辆是可以顺利通过的，但由于目前现有的涉水预警装置的阈值是固定的，因此不能对底盘高度不同的汽车给予相应的警示。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的在于，提供一种用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统及预警方法，该方法能够对于不同底盘高度的汽车给予相应的警示，保证行车安全。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统，包括设置在下穿式立交下用于监测水位的水位监测模块，与水位监测模块相连的预警装置，以及与预警装置相连且用于发出预警的危险预警模块，所述水位监测模块包括设置在下穿式立交桥底部路面两侧的水位监测筒，水位监测筒上设置有反光板，水位监测筒上部设置有用于测量反光板所处高度的第一红外测距传感器。

所述水位监测筒的侧壁上开设有竖直槽，竖直槽内设置有导轨，反光板设置在导轨上。

所述水位监测模块包括设置在下穿式立交桥底部路面两侧的水位监测筒，水位监测筒的侧壁上开设有竖直槽，竖直槽内设置有导轨，导轨上设置有反光板，水位监测筒上部设置有用于测量反光板所处高度的第一红外测距传感器。

所述竖直槽的最高处设有用于防止反光板滑出的限位装置。

所述第一红外测距传感器安装在水位监测筒上方20cm处。

所述预警装置包括第一单片机、第二单片机、无线传输模块、第一红外测距传感器、安装在纯电动汽车上用于采集纯电动汽车底盘高度的第二红外测距传感器以及用于实时监测车身姿态的陀螺仪，第一红外测距传感器与无线传输模块相连，无线传输模块经第一单片机与第二单片机相连，第二红外测距传感器与第二单片机相连，陀螺仪与第二单片机相连。

所述危险预警模块包括安装在驾驶舱内仪表板上的警示灯、安装在车后部的双闪灯、第一继电器、第二继电器、第三继电器以及接触器；纯电动汽车的低压电池经过双闪灯开关与双闪灯连接，在双闪灯开关上并联有第二继电器的常闭触点，低压电池经过第一继电器的常开触点与警示灯相连，第三继电器的常闭触点与接触器线圈相连，第一继电器、第二继电器以及第三继电器的线圈正极与5V电源相连，负极与第二单片机输出的故障信号相连。

用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警方法，第一红外测距传感器将检测到的水位信号通过无线传输模块发送到行驶在此立交桥附近的各纯电动汽车，各纯电动汽车通过车载的无线传输设备接收水位信号并将接收到的水位信号的发送给第二单片机；安装在纯电动汽车底盘上第二红外测距传感器采集当前纯电动汽车底盘高度，并发送给第二单片机，第二单片机通过比较水位信号和当前纯电动汽车底盘高度，判断该纯电动汽车是否能够安全通过积水路段；

如果不能安全通过积水路段，通过陀螺仪实时监测车身姿态，到达时间阈值时，若纯电动汽车垂直方向与陀螺仪的Z轴的夹角C＝0，或汽车沿陀螺仪的X轴速度v＝0，则判定驾驶员采取了措施，否则判定驾驶员未采取措施，此时触发危险预警模块，危险预警模块将自动断开汽车的动力系统，并打开双闪灯，保证汽车安全，并警示后车；其中，纯电动汽车垂直方向为与车辆底盘平面垂直方向；陀螺仪水平安装在汽车底盘上，陀螺仪的Z轴与水平地面垂直，X轴指向汽车正前方，Y轴指向正右侧。

设在未接收到水位信号前陀螺仪采集到的单位时间t_i内汽车绕Z轴的角速度为ω_i，此时纯电动汽车垂直方向与Z轴的夹角C为

如果从判定不能安全通过积水路段开始，点亮驾驶舱内的警示灯，到达时间阈值之前，单位时间X轴的加速度为a_i，则任意时刻汽车沿X轴速度v为如果v不断减小直至为零，则判定驾驶员采取了相应措施。

所述时间阈值通过以下方法计算：

设下穿式立交限速为v₁(km/h)，无线传输模块的接收距离为2km，则时间阈值 $t=\frac{2}{v_1}\·3600*0.6\left(s\right).$

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过设置水位监测模块、预警装置和危险预警模块，与传统的车辆涉水预警装置相比，可以在车辆距离积水点较远时就向车辆发出水深信息，确保车辆经过下穿式立交时安全，并能根据各车底盘高度具体情况不同做出不同响应。本发明设计简单、可靠性高，安装要求低，而且不需要对现有纯电动汽车进行过多改装，适用范围广。

进一步的，当下穿式立交下部出现积水情况时，由于水位监测筒两侧开有槽，因此雨水可以进入监测筒内，筒两侧安装有导轨，使得安装在其上的反光板能够随着水位的变化上下移动，此时红外测距传感器检测到的其与反光板的距离也是不断变化的，因此可以实时监测桥底水位。将检测到的水位信号通过无线传输模块发送到行驶在此立交桥附近的各车辆，纯电动汽车通过车载的无线传输设备接收水位信号，并与车辆自身底盘高度进行对比，判断本车是否能够安全通过积水路段，如果不能安全通过，则点亮驾驶舱内的警示灯。

当车辆通过下穿式立交时，第一红外测距传感器将检测到的水位信号通过无线传输模块发送到行驶在此立交桥附近的各车辆，各纯电动汽车通过车载的无线传输设备接收水位信号并将接收到的水位信号的发送给第二单片机；安装在车辆底盘上第二红外测距传感器采集当前车辆底盘高度，第二单片机通过比较水位信号和当前车辆底盘高度，判断该车辆是否能够安全通过积水路段，当水位高于车辆底盘高度时，则认为车辆不能安全通过积水路段；如果不能安全通过。陀螺仪实时监测车身姿态，若纯电动汽车垂直方向与陀螺仪的Z轴的夹角C＝0，或汽车沿陀螺仪的X轴速度v＝0，则判定驾驶员采取了相应措施，否则判定驾驶员未采取措施，车辆继续保持原有方向行驶，此时触发危险预警模块，危险预警模块将自动断开汽车的动力系统，并打开双闪灯，保证汽车安全，并警示后车。

进一步的，如果从判定不能安全通过积水路段开始，到达时间阈值之前，单位时间X轴的加速度为a_i，则任意时刻汽车沿X轴速度v为如果v不断减小直至为零，则判定驾驶员采取了相应措施，即正确措施，然后可以将车辆驶出立交桥。

附图说明

图1为用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警装置示意图。

图2为水位测量筒结构图。

图3为故障检测判断流程图。

图4为危险预警模块电路图。

图中，1为水位监测模块，1-1为水位监测筒，1-2为第一红外测距传感器，1-3为反光板，1-4为导轨，1-5为安装孔，2为预警装置，2-1为无线传输模块，2-2为陀螺仪，2-3为第二红外测距模块，3为危险预警装置，3-1为第一继电器，3-2为第二继电器，3-3为第三继电器，3-4为警示灯，3-5为双闪灯，3-6为双闪灯开关，3-7为接触器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

如图1所示，一种用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警装置，包括用于监测水位的水位监测模块1，与水位监测模块1相连的预警装置2以及与预警装置2相连的危险预警模块3。

参见图2，水位监测模块1包括水位监测筒1-1，水位监测筒1-1底部开设有用于固定水位监测筒1-1的安装孔1-5；第一红外测距传感器1-2和反光板1-3。水位监测筒1-1可安装在下穿式立交桥底部路面两侧，并在水位监测筒1-1的侧壁上开设有用于安装反光板1-3的竖直槽，竖直槽内设置有导轨1-4，反光板1-3设置在导轨1-4内；用以考虑到颜色对反射率的影响，反光板宜采用白色，反光板1-3随着水位的高低上下浮动，并在水位监测筒1-1上的竖直槽最高处设有用于反光板1-3滑出的限位装置，避免水位过高时反光板1-3浮出水位监测筒1。由于第一红外测距传感器1-2测量最小高度限制，第一红外测距传感器1-2用于测量反光板1-3所处高度，并且第一红外测距传感器1-2安装在水位监测筒1-1正上方20cm处。

预警装置2包括第一单片机、第二单片机、无线传输模块2-1、第一红外测距传感器1-2、安装在纯电动汽车上用于采集纯电动汽车底盘高度的第二红外测距传感器2-3以及用于实时监测车身姿态的陀螺仪2-2，第一红外测距传感器1-2与无线传输模块2-1相连，无线传输模块2-1经第一单片机与第二单片机相连，第二红外测距传感器2-3与第二单片机相连，陀螺仪2-2与第二单片机相连。第一红外测距传感器1-2将检测到的水位信号发送给无线传输模块2-1，无线传输模块2-1经第一单片机将水位信号发送到行驶在此立交桥附近的各车辆，车辆通过车载的无线传输设备接收水位信号。第二红外测距传感器2-3安装在车辆底盘上，一旦车辆接收到水位信号，立刻采集当前车辆底盘高度，并将采集的车辆底盘高度发送给第二单片机。陀螺仪2-2用于实时监测车身姿态，陀螺仪2-2水平安装在车辆底盘上，使得陀螺仪的Z轴与水平地面垂直，X轴指向车辆正前方，Y轴指向整右侧，设在未接收到水位信号前陀螺仪采集到的单位时间车辆绕Z轴的角速度为ω_i，由于采样间隔极短(一般为8ms)，因此此时车辆垂直方向与Z轴的夹角为在同一座下穿式立交，坡度可认为是不变或变化极小的，如果当车辆行驶在立交上时，车辆垂直方向与Z轴的夹角应保持不变或仅产生微小变化，因此如果车辆在接收到水位信号并判定为不能安全通过，即判断为危险状态后，驾驶员将车驶出立交桥，车辆垂直方向与Z轴的夹角应明显减小，则认为驾驶员采取了正确措施。通常下穿式立交纵坡坡度在2％-6％，因此车辆垂直方向与Z轴的夹角C应减小2-6度(即C＝0)则认为驾驶员采取了正确措施。其中，车辆垂直方向为与车辆底盘平面垂直的方向。

同理如果从判定为危险状态开始，到达时间阈值之前，单位时间X轴的加速度为a_i，则任意时刻汽车延X轴速度v为如果v不断减小直至为零，则认为驾驶员采取了正确措施，然后驾驶员可将车辆驶出立交桥。

参见图4，危险预警模块包括一个安装在驾驶舱内仪表板上的警示灯3-4、一个安装在车后部的双闪灯3-5、第一继电器3-1、第二继电器3-2、第三继电器3-3以及一个接触器；车辆的低压电池经过双闪灯开关3-6与双闪灯3-5连接，在双闪灯开关3-3上并联有第二继电器3-2的常闭触点，低压电池经过第一继电器3-1的常开触点与警示灯3-4相连，第三继电器3-3的常闭触点与接触器3-7线圈相连，第一继电器3-1、第二继电器3-2以及第三继电器3-3的线圈正极与5V电源相连，负极与第二单片机输出的故障信号相连。

当危险预警模块触发后，第一继电器3-1、第二继电器3-2以及第三继电器3-3的触点分别闭合，点亮警示灯3-4和双闪灯3-5，断开接触器3-7线圈，从而断开车辆动力系统。

第二单片机根据接收到的水位信号和车辆底盘高度信号对比，判断是否需要进行危险预警，如果水位高度大于等于车辆底盘的高度，说明车辆已经处于危险状态，则在距离立交积水点较远时立刻对驾驶员提前预警，闭合第一继电器3-1、第二继电器3-2和第三继电器3-3触点，点亮警示灯3-4。到达时间阈值后，如果判定驾驶员没有采取正确措施，危险预警模块3将自动串联在车辆低压电上的第二继电器3-2触点，断开纯电动汽车的高压接触器线圈，进而断开高压动力系统，并闭合并联在双闪灯开关3-6上的第二继电器3-2触点，打开双闪灯3-5，保证车辆安全，并警示后车。如果汽车垂直方向与陀螺仪的Z轴的夹角C＝0，或汽车沿陀螺仪的X轴速度v＝0，则判定驾驶员采取了相应的措施，然后可以将车辆驶出立交桥。

本发明中第一红外测距传感器1-2将检测到的水位信号通过无线传输模块2-1发送到行驶在此立交桥附近的各车辆，各车辆与无线传输模块2-1的距离与无线传输模块的功率大小有关系，本发明中的无线传输模块2-1的接收距离为2km，即无线传输模块2-1可以将信息发送到距离此立交桥2km内的各车辆。

时间阈值方法计算如下：

设下穿式立交限速为v₁(km/h)，无线传输模块的接收距离为2km，并且考虑到时间余量，则时间阈值 $t=\frac{2}{v_1}\·3600*0.6\left(s\right).$

本发明中第一红外测距传感器和第二红外测距传感器军采用夏普GP2Y0A02YK0F传感器；无线传输模块采用NORDIC生产的NRF24L01传输模块；陀螺仪采用MPU6050陀螺仪。

在下穿式立交下安装有水位监测筒，在监测筒上方安装有红外测距传感器，在筒两个侧面开有槽，槽上安装导轨，用以安放红外测距传感器所需的反光板。在监测筒上方还安装有用以发送当前水位信息的无线传输模块。在车辆上安装有无线传输模块，用以接收当前水位信息；驾驶舱内安装有警示灯3-4，用于在距离立交积水点较远时对驾驶员提前预警；在车辆底盘上安放有陀螺仪，用于检测车身姿态；危险预警模块3包括第一继电器3-1、第二继电器3-2以及第三继电器3-3，当车辆距离积水点到达设定的阈值时，危险预警模块能够断开车辆的动力系统，并打开车辆双闪灯，警示后车；车辆底盘上安装有第二红外测距传感器2-3，用以检测当前车辆的底盘高度。

当下穿式立交下部出现积水情况时，由于水位监测筒两侧开有槽，因此雨水可以进入监测筒内，筒两侧安装有导轨，使得安装在其上的反光板能够随着水位的变化上下移动，此时红外测距传感器检测到的其与反光板的距离也是不断变化的，因此可以实时监测桥底水位。将检测到的水位信号通过无线传输模块2-1发送到行驶在此立交桥附近的各车辆，车辆通过车载的无线传输设备接收水位信号，并与车辆自身底盘高度进行对比，判断本车是否能够安全通过积水路段，如果不能安全通过，则点亮驾驶舱内的警示灯。陀螺仪实时监测车身姿态，如果在判断为不能安全通过的状态下，车辆继续保持原有方向行驶，到达时间阈值时将自动断开车辆的动力系统，并打开双闪灯，保证车辆安全，并警示后车。

具体的，参见图3，用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警方法为：第一红外测距传感器1-2将检测到的水位信号通过无线传输模块2-1发送到行驶在此立交桥附近的各车辆，各车辆通过车载的无线传输设备接收水位信号并将接收到的水位信号经第一单片机发送给第二单片机；安装在车辆底盘上第二红外测距传感器2-3采集当前车辆底盘高度，并将底盘高度发送给第二单片机，第二单片机通过比较水位信号和当前车辆底盘高度，判断该车辆是否能够安全通过积水路段，当水位低于车辆底盘高度则是安全状态；当水位高于等于车辆底盘高度时，则认为车辆不能安全通过积水路段，属于危险状态，点亮危险预警模块3的警示灯3-4。如果不能安全通过积水路段，通过陀螺仪实时监测车身姿态，到达时间阈值时，若纯电动汽车垂直方向与陀螺仪的Z轴的夹角C不为0，或汽车沿陀螺仪的X轴速度v不为0，则说明驾驶员没有采取相应措施，车辆继续保持原有方向行驶，此时触发危险预警模块3，危险预警模块3将自动断开车辆的动力系统，并打开双闪灯，保证车辆安全，并警示后车；

通过陀螺仪实时监测车身姿态，陀螺仪2-2水平安装在车辆底盘上，陀螺仪2-2的Z轴与水平地面垂直，X轴指向车辆正前方，Y轴指向正右侧，设在未接收到水位信号前陀螺仪采集到的单位时间t_i内车辆绕Z轴的角速度为ω_i，此时车辆垂直方向与Z轴的夹角C为根据城市道路立交设计标准，其纵坡坡度应在2-6度，因此若车辆垂直方向与陀螺仪的Z轴的夹角C减小2-6度(即C＝0)，则判定驾驶员采取的相应的措施，或者汽车沿陀螺仪的X轴速度v＝0，则判定驾驶员采取的相应的措施，然后驾驶员可以将车辆驶出立交桥。

如果从判定不能安全通过积水路段开始，到达时间阈值之前，单位时间X轴的加速度为a_i，则任意时刻汽车沿X轴速度v为如果汽车沿X轴速度^v不断减小直至为零，则判定驾驶员采取的正确的措施。

所述时间阈值通过以下方法计算：设下穿式立交限速为v₁(km/h)，无线传输模块的接收距离为2km，并且考虑到时间余量，则时间阈值其中，*表示相乘。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，所做出的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统，其特征在于，包括设置在下穿式立交下用于监测水位的水位监测模块(1)，与水位监测模块(1)相连的预警装置(2)，以及与预警装置(2)相连且用于发出预警的危险预警模块(3)，所述水位监测模块(1)包括设置在下穿式立交桥底部路面两侧的水位监测筒(1-1)，水位监测筒(1-1)上设置有反光板(1-3)，水位监测筒(1-1)上部设置有用于测量反光板(1-3)所处高度的第一红外测距传感器(1-2)。

2.根据权利要求1所述的用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统，其特征在于，所述水位监测筒(1-1)的侧壁上开设有竖直槽，竖直槽内设置有导轨，反光板(1-3)设置在导轨上。

3.根据权利要求2所述的用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统，其特征在于，所述竖直槽的最高处设有用于防止反光板(1-3)滑出的限位装置。

4.根据权利要求2所述的用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统，其特征在于，所述第一红外测距传感器(1-2)安装在水位监测筒(1-1)上方20cm处。

5.根据权利要求1所述的用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统，其特征在于，所述预警装置(2)包括第一单片机、第二单片机、无线传输模块(2-1)、第一红外测距传感器(1-2)、安装在纯电动汽车上用于采集纯电动汽车底盘高度的第二红外测距传感器(2-3)以及用于实时监测车身姿态的陀螺仪(2-2)，第一红外测距传感器(1-2)与无线传输模块(2-1)相连，无线传输模块(2-1)经第一单片机与第二单片机相连，第二红外测距传感器(2-3)与第二单片机相连，陀螺仪(2-2)与第二单片机相连。

6.根据权利要求5所述的用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警系统，其特征在于，所述危险预警模块(3)包括安装在驾驶舱内仪表板上的警示灯(3-4)、安装在车后部的双闪灯(3-5)、第一继电器(3-1)、第二继电器(3-2)、第三继电器(3-3)以及接触器(3-7)；纯电动汽车的低压电池经过双闪灯开关(3-6)与双闪灯(3-5)连接，在双闪灯开关(3-3)上并联有第二继电器(3-2)的常闭触点，低压电池经过第一继电器(3-1)的常开触点与警示灯(3-4)相连，第三继电器(3-3)的常闭触点与接触器(3-7)线圈相连，第一继电器(3-1)、第二继电器(3-2)以及第三继电器(3-3)的线圈正极与5V电源相连，负极与第二单片机输出的故障信号相连。

7.用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警方法，其特征在于，第一红外测距传感器(1-2)将检测到的水位信号通过无线传输模块(2-1)发送到行驶在此立交桥附近的各纯电动汽车，各纯电动汽车通过车载的无线传输设备接收水位信号并将接收到的水位信号的发送给第二单片机；安装在纯电动汽车底盘上第二红外测距传感器(2-3)采集当前纯电动汽车底盘高度，并发送给第二单片机，第二单片机通过比较水位信号和当前纯电动汽车底盘高度，判断该纯电动汽车是否能够安全通过积水路段；

如果不能安全通过积水路段，通过陀螺仪实时监测车身姿态，到达时间阈值时，若纯电动汽车垂直方向与陀螺仪的Z轴的夹角C＝0，或汽车沿陀螺仪的X轴速度v＝0，则判定驾驶员采取了措施，否则判定驾驶员未采取措施，此时触发危险预警模块(3)，危险预警模块(3)将自动断开汽车的动力系统，并打开双闪灯，保证汽车安全，并警示后车；其中，纯电动汽车垂直方向为与车辆底盘平面垂直方向；陀螺仪(2-2)水平安装在汽车底盘上，陀螺仪(2-2)的Z轴与水平地面垂直，X轴指向汽车正前方，Y轴指向正右侧。

8.根据权利要求7所述的用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警方法，其特征在于，设在未接收到水位信号前陀螺仪采集到的单位时间t_i内汽车绕Z轴的角速度为ω_i，此时纯电动汽车垂直方向与Z轴的夹角C为

9.根据权利要求8所述的用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警方法，其特征在于，

如果从判定不能安全通过积水路段开始，点亮驾驶舱内的警示灯，到达时间阈值之前，单位时间X轴的加速度为a_i，则任意时刻汽车沿X轴速度v为如果v不断减小直至为零，则判定驾驶员采取了相应措施。

10.根据权利要求7所述的用于下穿式立交的纯电动汽车涉水预警方法，所述时间阈值通过以下方法计算：

设下穿式立交限速为v₁(km/h)，无线传输模块的接收距离为2km，则时间阈值 $t=\frac{2}{v_1}\·3600*0.6\left(s\right).$