CN109131184B - 一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统及避障方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统，包括：安全气囊组件；空气压缩机，其连通安全气囊组件，多个电磁阀，其设置在安全气囊组件和空气压缩机之间，能够控制压缩气体进出安全气囊组件，调节安全气囊组件的刚度；信息采集模块，其设置在所述汽车车头位置，采集路面积水时水位信息及从一定高度坠落时高度信息；控制模块，其连接所述信息采集模块和所述安全气囊模块，用于接收并分析所述信息采集模块发送的信息，控制安全气囊组件的刚度，采用多个安全气囊组件安装在汽车底盘和车身四周，在积水路面和高空坠落时能迅速充气，有效避险，还公开了一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障方法。
Description
技术领域
本发明涉及汽车安全领域，尤其涉及一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统及其方法。
背景技术
夏天我国多地普遍会有暴雨侵袭，带来大量降水，造成地面积水，对人们的生命和财产安全照成损失，汽车驶入积水造成人员伤亡、积水毁坏车辆的事件也时有发生。为了防止这种情况的发生，一般会在这些路段上设置警示牌，提示过往车辆减速慢行，前方水深危险。
设置路障和人员疏散虽然在一定程度上可以减少事故发生，但是也存在许多问题：其一，市区路段会设置路段和人员疏导，但是郊区和其他地方较少，不能有效解决这个危险；其二，当车辆停放过程中遭遇暴雨时雨水会浸入车辆，损坏电器设备；其三，发生危险后不能计时提醒获取救援。但是，一些已经设计出来的汽车防落水安全系统为入水可打开车门系统，这样在积水较深时便不能很好地保障人员生命安全和汽车毁损，且都是基于水位传感器，试用范围小。
发明内容
本发明设计开发了一种汽车防落水及高空坠落的安全避障装置，采用多个安全气囊组件安装在汽车底盘和车身四周，在积水路面和高空坠落时能迅速充气，有效避险。
本发明还设计了一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障方法，通过控制安全气囊的含气量改变气囊刚度，减轻撞击力度，避免事故发生，从而汽车便可正常行驶。
本发明提供的技术方案为：
一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统，包括：
第一安全气囊组件，其设置在汽车底盘内；
多个第二安全气囊组件，其设置在汽车车门内；
第三安全气囊组件，其设置在汽车前保险杠内；
第四安全气囊组件，其设置在汽车车尾；
空气压缩机，其连通所述第一安全气囊组件、第二安全气囊组件、第三安全气囊组件和所述第四安全气囊组件；
多个电磁阀，其设置在所述安全气囊组件和所述空气压缩机之间，能够控制压缩气体进出所述安全气囊组件，调节所述安全气囊组件的刚度；
信息采集模块，其设置在所述汽车车头位置，采集路面积水时水位信息及从一定高度坠落时高度信息；
控制模块，其连接所述信息采集模块和所述安全气囊模块，用于接收并分析所述信息采集模块发送的信息，控制安全气囊组件的刚度。
优选的是，所述第一安全气囊组件包括：
第一气囊壳体，其为方形，并能够扣合在所述底盘上；
第一气囊，其一端连接所述第一气囊壳体。
优选的是，所述第一气囊内具有隔层，并将所述第一气囊分隔成四个彼此不连通的分隔气囊，所述分隔气囊均具有进气口。
优选的是，还包括防回流组件，其设置在所述分隔气囊进气口位置，能够防止第一气囊内气体回流，所述防回流组件包括：
进气筒，其为顶部具有开口的锥形筒，所述锥形筒顶端位于空气压缩机的一侧；
多个进气叶片，其设置在所述锥形筒底部，所述进气叶片充气后互相遮挡。
优选的是，所述信息采集模块包括：
回声测深仪，其设置在汽车车头、车身、车尾三个位置，车头与车尾处回声探测仪安装在一侧，车身处回声探测仪安装在另一侧，通过三点成面来确定数据协调配合；
车载传感器，其为压电式传感器，设置在汽车底板上，能够检测汽车总质量。
优选的是，还包括警示求救灯，其连接所述控制模块，与安全气囊模块同时启动，以提醒其他车辆前方路段危险和获取救援。
一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障方法，包括：
采用回声探测仪检测积水深度H和淤泥深度Δh；
当积水深度H≥10cm时，开启电磁阀，向第一气囊内充入压缩空气，并采用车载传感器检测汽车总质量MC，计算第一气囊刚度
其中，Mc为汽车总质量，α为折减系数，L为车长，H为积水深度，Δh为淤泥深度，T为第一气囊充气响应时间；h为高度系数；δ为车体横截面系数，B为车体宽度，D为第一安全气囊回弹高度；g为重力加速度，x为第一安全气囊充满气的高度。
进而计算第一气囊的充气效率
其中，x为第一安全气囊充满气的高度，D为第一安全气囊回弹高度，t为充电时间，τ为时间间隔，取值为0.09s；
当积水深度H≥10cm且Δh≥5cm时，向第一气囊、第二气囊、第三气囊和第四气囊内同时充气；
充气速率为
其中，x为第一安全气囊充满气的高度，D为第一安全气囊回弹高度，t为充电时间，τ为时间间隔，取值为0.09s。
优选的是，所述积水深度的计算公式为：
式中，H为积水深度；C为声波在介质中的传播速度,t为声波从发射换能器发出到接收换能器接收到声波时间；L为发射换能器与接受换能器之间距离；E为声波传播介质的弹性模量，ρ为介质密度。
优选的是，所述淤泥深度的计算公式为：
Δh＝Hlf-Hhf
Δh为淤泥厚度，Hlf为低频声波所测深度，Hhf为高频声波所测深度。
本发明所述的有益效果
本发明设计开发了一种汽车防落水及高空坠落的安全避障装置，采用多个安全气囊组件安装在汽车底盘和车身四周，在积水路面和高空坠落时能迅速充气，有效避险。本发明的气囊采用复合结构，保证弹性，且增加气囊实用寿命。气囊的进气口安装防回流组件，防止气囊内气体回流，以保证气囊实用效果。
本发明还设计了一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障方法，通过控制安全气囊的含气量改变气囊刚度，减轻撞击力度，避免事故发生。
附图说明
图1为本发明所述的安全气囊组件的结构示意图。
图2为本发明所述的第一安全气囊组件的结构示意图。
图3为本发明所述的防回流组件的结构示意图。
图4为本发明基于回声探测的汽车避障防落水及高空坠落安全系统的结构示意图。
图5为本发明实施例的信息采集模块中回声探测仪工作原理图。
图6为本发明实施例的信息采集模块中回声探测仪位置布置示意图。
图7为本发明所述的汽车防落水及高空坠落的安全避障装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供的汽车防落水及高空坠落的安全避障装置包括：第一安全气囊组件110、多个第二安全气囊组件120，第三安全气囊组件130和第四安全气囊组件140。
如图2所示，第一全气囊组件110设置在汽车底盘内，第一安全气囊组件110包括：第一气囊壳体111为方形，并能够扣合在底盘上；第一气囊112，一端连接第一气囊壳体111，第一气囊112内具有隔层，并将第一气囊112分隔成四个彼此不连通的分隔气囊，分隔气囊均具有进气口。进气口连通空气压缩机，第一气囊112安装时，连接空气压缩机，第一气囊112内没有气体，将第一气囊112折叠放入底盘下方，并将第一气囊壳体111扣合在底盘下方，第一气囊壳体111上具有卡扣，能够放入底盘下方的凹槽，空气压缩机通过进气口向第一气囊内充气，第一气囊壳体111被第一气囊112挤压弹出，第一气囊112具有四个分隔气囊，充气时同时鼓起，气囊能够快速鼓起，且气体在气囊内的均匀性更好。
如图3所示，防回流组件113设置在分隔气囊进气口位置，能够防止第一气囊112内气体回流，防回流组件113包括：进气筒114和多个进气叶片115，进气筒114其为顶部具有开口的锥形筒，所形筒顶端位于空气压缩机的一侧；多个进气叶片115其设置在锥形筒底部，进气叶片充气后互相遮挡。进气筒114连通进气管，进气管连通空气压缩机，进气管伸入进气管114内当需要在第一气囊112内充气时，进气管伸入进气筒114并穿过进气叶片115向第一气囊112内充气，当充气完毕时，进气管抽出，位于进气筒114的上端，进气叶片114充气后互相遮挡，进而阻挡第一气囊内气体回流。
第二安全气囊组件120包括：第二气囊壳体，其为方形，并能够扣合在汽车车门外侧；第二气囊，其一端连接第二气囊壳体；其中，第二气囊充气后为柱形，第二安全气囊充气后位于汽车四周。
第三安全气囊组件130包括：第三气囊壳体，其为方形，并能够扣合在汽车前端；第三气囊，其一端连接第三气囊壳体；其中，第二气囊充气后为位于汽车保险杠和汽车前端之间。第四安全气囊组件140包括：第四气囊壳体，其为方形，并能够扣合在汽车尾部；第四气囊，其一端连接第四气囊壳体，另一侧具有进气口；其中，所述第四气囊充满气体后为弧形。
空气压缩机连通第一安全气囊组件110、第二安全气囊组件120、第三安全气囊组件130和第四安全气囊组件140，充气后，第二安全气囊组件120、第三安全气囊组件130和第四安全气囊组件140围合成圆形，位于第一安全气囊组件110四周，形成充气船式结构，以保证汽车遇险时汽车能够漂浮在水上。第二安全气囊充气后位于汽车四周；
多个电磁阀，其设置在安全气囊组件和所述空气压缩机之间，通过调整电磁阀的开度可以控制第一安全气囊组件110、第二安全气囊组件120、第三安全气囊组件130和第四安全气囊组件140的充其量，进而控制气囊刚度。
实施以汽车防落水及高空坠落的安全避障装置的工作过程为例作进一步说明：
当检测到汽车进入涉水路面时，开启空气压缩机，空气压缩机通过进气口向第一气囊内充气，第一气囊壳体111被第一气囊112挤压弹出，第一气囊112具有四个分隔气囊，充气时同时鼓起，气囊能够快速鼓起，且气体在气囊内的均匀性更好，，进气管伸入进气筒114并穿过进气叶片115向第一气囊112内充气，当充气完毕时，进气管抽出，位于进气筒114的上端，进气叶片114充气后互相遮挡，进而阻挡第一气囊内气体回流。充气后，第二安全气囊组件120、第三安全气囊组件130和第四安全气囊组件140围合成圆形，位于第一安全气囊组件110四周，形成充气船式结构，以保证汽车遇险时汽车能够漂浮在水上。
如图5所示，基于回声探测的汽车避障防落水及高空坠落安全系统还包括信息采集模块300、控制模块200以及安全气囊模块100；在后期维护过程中，如果检测有损坏则直接更换相应的模块即可；
信息采集模块300，用于采集车辆的载荷信息、路面积水时水位信息及从一定高度坠落时高度信息，发送给控制模块200；
控制模块200，电连接信息采集模块300和安全气囊模块100，用于接收并分析信息采集模块300发送的信息，根据分析结果控制安全气囊模块100；
安全气囊模块100，包括空气压缩机410、电磁阀组420、安全气囊组件；
空气压缩机电连接控制模块200，用于在安全气囊模块300的控制下产生压缩气体；通过容积型压缩机、动力型压缩机和热力型压缩机等压缩机产生压缩气体。
电磁阀组气道连接空气压缩机和安全气囊组件，电连接控制模块200，用于在控制模块200的控制下控制压缩气体进出安全气囊组件，控制安全气囊组件的开启和刚度；
安全气囊组件布置于汽车底盘、车前保险杠、车尾、车身两侧，在压缩气体的作用下工作，改变自身的刚度，从而起到防止汽车入水，缓和冲击的作用。
本发明实施例中，电磁阀组420包括若干进气电磁阀421和若干排气电磁阀422，进气电磁阀421连接空气压缩机410；
安全气囊组件包括并联的若干安全气囊组，一个空气弹簧连接一个进气电磁阀421和一个排气电磁阀422。
上述实施例中，在空气压缩机410接收到控制模块200发送的开启安全气囊模块指令时开始工作，同时控制模块200控制进气电磁阀421打开，排气电磁阀422关闭，此时安全气囊的含气量和刚度提高，从而汽车可浮于水面，减轻撞击力度；在空气压缩机410接收到控制模块200发送的排去安全气囊组件中气体的指令时停止工作，同时控制模块200控制进气电磁阀421关闭，排气电磁阀422打开，此时安全气囊组件的含气量和刚度降低，从而汽车便可正常行驶。
本发明实施例中，如图6所示，回声探测仪310布置于车头、车尾和另一侧车身，三点异侧分布提高系统的安全性与可靠性，防止停靠水边由于位置不当时引发安全气囊组件，带来不必要的后果。
信息采集模块300包括：
回声探测仪310，连接控制模块200，用于采集路面积水时水位信息及从一定高度坠落时高度信息，并发送给控制模块；
回声探测仪310的工作原理图如图5所示，发射机311通过发射机换能器312，垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底经反射或散射返回，被接收换能器313所接受，发送到接收机314，内部由公式便可计算出积水深度在显示器320上得到积水路段水深，然后发送到控制模块进行判断：
积水深度的计算公式为：
式中，H为积水深度；C为声波在介质中的传播速度,t为声波从发射换能器发出到接收换能器接收到声波时间；L为发射换能器与接受换能器之间距离；E为声波传播介质的弹性模量，ρ为介质密度。
回声探测仪为双频工作模式时可测出泥泞路段淤泥厚度：
淤泥深度的计算公式为：
Δh＝Hlf-Hhf
Δh为淤泥厚度，Hlf为低频声波所测深度，Hhf为高频声波所测深度。
车载传感器330，实际上是一个压电式传感器，布置于汽车底板，压电式传感器频带宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠，压电材料受力后表面产生电荷，经电荷放大器、测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出，汽车总质量便可输入到控制模块200，进行安全气囊组件充气量和刚度设置。
在另一实施例中,还包括：
警示求救灯模块340连接控制模块200，用于在控制模块200的控制下显示灯光，以警示其他车辆前方路段危险需减速慢行，同时获得救援。
本发明实例中在空气压缩机410接收到控制模块200发送的开启安全气囊模块指令时开始工作，同时控制模块200控制进气电磁阀421打开，排气电磁阀422关闭，此时安全气囊的含气量和刚度提高，从而汽车可浮于水面，减轻撞击力度；在空气压缩机410接收到控制模块200发送的排去安全气囊组件中气体的指令时停止工作，同时控制模块200控制进气电磁阀421关闭，排气电磁阀422打开，此时安全气囊组件的含气量和刚度降低，从而汽车便可正常行驶。
一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障方法，包括：
采用回声探测仪检测积水深度H和淤泥深度Δh；
当积水深度H≥10cm时，开启电磁阀，向第一气囊内充入压缩空气，并采用车载传感器检测汽车总质量MC，计算第一气囊刚度
其中，Mc为汽车总质量，α为折减系数，L为车长，H为积水深度，Δh为淤泥深度，T为第一气囊充气响应时间；h为高度系数；δ为车体横截面系数，B为车体宽度，D为第一安全气囊回弹高度；g为重力加速度，x为第一安全气囊充满气的高度。
进而计算第一气囊的充气效率
其中，x为第一安全气囊充满气的高度，D为第一安全气囊回弹高度，t为充电时间，τ为时间间隔，取值为0.09s。
当积水深度H≥10cm且Δh≥5cm时，向第一气囊、第二气囊、第三气囊和第四气囊内同时充气；
充气速率为
其中，x为第一安全气囊充满气的高度，D为第一安全气囊回弹高度，t为充电时间，τ为时间间隔，取值为0.09s。
本发明设计开发了一种汽车防落水及高空坠落的安全避障装置，采用多个安全气囊组件安装在汽车底盘和车身四周，在积水路面和高空坠落时能迅速充气，有效避险。本发明的气囊采用复合结构，保证弹性，且增加气囊实用寿命。气囊的进气口安装防回流组件，防止气囊内气体回流，以保证气囊实用效果，还设计了一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障方法，通过控制安全气囊的含气量改变气囊刚度，减轻撞击力度，避免事故发生。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统，其特征在于，包括：
第一安全气囊组件，其设置在汽车底盘内；
多个第二安全气囊组件，其设置在汽车车门内；
第三安全气囊组件，其设置在汽车前保险杠内；
第四安全气囊组件，其设置在汽车车尾；
空气压缩机，其连通所述第一安全气囊组件、第二安全气囊组件、第三安全气囊组件和所述第四安全气囊组件；
多个电磁阀，其设置在所述安全气囊组件和所述空气压缩机之间，能够控制压缩气体进出所述安全气囊组件，调节所述安全气囊组件的刚度；
信息采集模块，其设置在所述汽车车头位置，采集路面积水时水位信息及从一定高度坠落时高度信息；
控制模块，其连接所述信息采集模块和所述第一、第二、第三、第四安全气囊组件，用于接收并分析所述信息采集模块发送的信息，控制所述第一、第二、第三、第四安全气囊组件的刚度；
采用回声探测仪检测积水深度H和淤泥深度△h；
当积水深度H≥10cm时，开启电磁阀，向第一气囊内充入压缩空气，并采用车载传感器检测汽车总质量MC，计算第一气囊刚度
其中，Mc为汽车总质量，α为折减系数，L为车长，H为积水深度，△h为淤泥深度，T为第一气囊充气响应时间；h为高度系数；δ为车体横截面系数，B为车体宽度，D为第一安全气囊回弹高度；g为重力加速度，x为第一安全气囊充满气的高度；
进而计算第一气囊的充气效率：
其中，x为第一安全气囊充满气的高度，D为第一安全气囊回弹高度，t为充电时间，τ为时间间隔，取值为0.09s；
当积水深度H≥10cm且△h≥5cm时，同时向第一气囊、第二气囊、第三气囊和第四气囊内同时充气；
充气速率为
其中，x为第一安全气囊充满气的高度，D为第一安全气囊回弹高度，t为充电时间，τ为时间间隔，取值为0.09s。
2.根据权利要求1所述的基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统，其特征在于，所述第一安全气囊组件包括：
第一气囊壳体，其为方形，并能够扣合在所述底盘上；
第一气囊，其一端连接所述第一气囊壳体。
3.根据权利要求2所述的基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统，其特征在于，所述第一气囊内具有隔层，并将所述第一气囊分隔成四个彼此不连通的分隔气囊，所述分隔气囊均具有进气口。
4.根据权利要求3所述的基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统，其特征在于，还包括防回流组件，其设置在所述分隔气囊进气口位置，能够防止第一气囊内气体回流，所述防回流组件包括：
进气筒，其为顶部具有开口的锥形筒，所述锥形筒顶端位于空气压缩机的一侧；
多个进气叶片，其设置在所述锥形筒底部，所述进气叶片充气后互相遮挡。
5.根据权利要求1所述的基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统，其特征在于，所述信息采集模块包括：
回声测深仪，其设置在汽车车头、车身、车尾三个位置，车头与车尾处回声探测仪安装在一侧，车身处回声探测仪安装在另一侧，通过三点成面来确定数据协调配合；
车载传感器，其为压电式传感器，设置在汽车底板上，能够检测汽车总质量。
6.根据权利要求5所述的基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统，其特征在于，还包括警示求救灯，其连接所述控制模块，与安全气囊模块同时启动，以提醒其他车辆前方路段危险和获取救援。
7.根据权利要求6所述的基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统，其特征在于，所述积水深度的计算公式为：
式中，H为积水深度；C为声波在介质中的传播速度,t为声波从发射换能器发出到接收换能器接收到声波时间；L为发射换能器与接受换能器之间距离；E为声波传播介质的弹性模量，ρ为介质密度。
8.根据权利要求7所述的基于回声探测的汽车防落水及高空坠落的安全避障系统，其特征在于，所述淤泥深度的计算公式为：
△h＝Hlf-Hhf；
△h为淤泥厚度，Hlf为低频声波所测深度，Hhf为高频声波所测深度。
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