基于三維混合定位的車載水下應急救生裝置

楊志龍，李亞兵，陰鵬宇，于 翔

（天津城建大學 計算機與信息工程學院，天津 300384）

0 引 言

眾所周知，我國是一個汽車大國。據公安部統計，截至2022年6月底，我國機動車保有量達到4.06億輛，其中汽車有3.1億輛，可見我國汽車數量龐大，發生意外事故的可能性也會大大提高[1]。“7.20”河南特大洪澇災害期間，鄭州僅京廣快速路北段隧道，就有247輛車擁堵被淹，遇難人數6人。2012年7月21日，北京暴雨如注，這場暴雨導致了全城交通處于癱瘓狀態，最后共有37人不幸遇難[2]。2013年8月30日，深圳下了一場大暴雨，一司機經過涵洞時，涵洞中的積水迅速上升，司機受困于車中無法逃脫，最后不幸溺亡[3]。《中國統計年鑒》顯示，2017—2019年，中國交通事故年均發生數23.19萬次，交通事故年均死亡人數6.3萬人，其中汽車涉水事故的死亡率最高。據不完全統計，我國平均每年汽車落水事件達300余起，車內駕乘人員獲救者不足10%。這些數據和事件表明，有一款合適且工作性能穩定的水下救生裝置是多么的重要，它可以在危急時刻挽救多少人的生命。

根據專家統計和專業人士水下實驗，以及汽車涉水后車內獲救人員講述的經驗，總結汽車落水造成駕乘人員死亡的主要原因有六種：一是因缺氧而導致的窒息身亡；二是汽車電路斷電，水壓過大，車門無法打開，無法及時逃生；三是車內沒有擊碎車玻璃的工具、車玻璃硬度較大難以擊碎逃出；四是車玻璃被水壓沖擊破碎后嚴重傷人致死；五是汽車墜入水中時產生的沖擊直接致人死亡；六是溺水死亡。

針對以上問題，本文提出一種基于三維混合定位的車載水下應急求生裝置。本裝置功能豐富，可靠性高，極大地提高了受害者的存活概率。

1 系統整體設計

本文設計的基于三維混合定位的車載水下應急救生裝置主要由五大模塊組成：三維混合定位模塊、推力模塊、供氧模塊、照明模塊以及電源模塊。

在發生危險時，使用者在汽車頭枕支撐桿的一側，找到一個塑料按鍵，按下塑料按鍵后，向上用力將頭枕完全拔出，將頭枕拿下來后，使用汽車頭枕進行破窗；在水中利用推力模塊進行運動，推進器采用無刷電機帶動螺旋槳作為動力來源；采用人體工學設計讓使用者上手舒適；動力大小通過油門拉環調整，采用高品質魚線材質可以承受較大的拉力，并且可以根據使用者的手掌大小不同調整拉環線的長度，方便使用者調節行進速度，避免不必要的磕碰。具有電源指示功能，一方面在未使用時可以及時充電，避免發生使用時電量不足的情況，另一方面在使用時可以幫助使用者及時了解推進器電源的剩余情況，方便使用者及時思考自身的求救方式。

三維混合定位模塊采用Arduino單片機作為主控，利用MPU6050姿態傳感器、JSN-SR20-Y1超聲波傳感器，得到使用者在水下的身體姿態傾斜角度（在水下幫助使用者判斷自己是否因為環境因素發生側翻）、行進方向以及與水下障礙物的距離（幫助使用者及時避開障礙物），并將這些數據展示在TFT顯示屏上進行實時更新，使用者可以通過查看數據，及時調整自身的姿態以及逃生方向；電源模塊分別給三維混合定位模塊和推力模塊進行供電。

在遇到氧氣不足的情況時，可以使用供氧模塊里的便攜式吸氧器進行供氧，以免發生缺氧窒息的情況；打開照明模塊里的探照燈（P70四核強光燈珠）照射水下，便于使用者觀察水下情況，提高使用者的存活概率。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2 系統硬件設計

2.1 主控制器模塊

本裝置所使用的主控制器為Arduino UNO R3開發板，此開發板起源于意大利，Arduino UNO開發板采用Atmel公司推出的ATMEGA328P芯片作為核心處理器，而ATMEGA328P是高性能、低功耗的AVR 8位微控制器，采用先進的RISC體系架構，具有高耐力非易失性內存段，由此產生的架構可以更加有效地運行程序，運算的速度更快[4]，完全可以勝任姿態數據處理等任務。該芯片由1.8～5.5 V的直流電壓供電，最低可在-40 ℃的環境下工作，時鐘電路采用16 MHz的外部晶振作為時鐘源，復位電路采用低電平復位。主控制器模塊電路如圖2所示。

圖2 主控制器模塊電路

2.2 姿態傳感器模塊

姿態傳感器電路采用MPU6050，MPU6050是由3個陀螺儀和3個加速度傳感器組成的六軸運動處理組件，自帶數字運動處理器（Digital Motion Processor,DMP）硬件加速引擎，具有體積小、功耗低、精度高的特點[5]，本設計方案中MPU6050與主控制芯片之間使用I2C協議交互通信、數據傳輸[6]，如圖3所示。

圖3 姿態傳感器模塊電路

2.3 JSN-SR20-Y1超聲波模塊

本文采用JSN-SR20-Y1超聲波模塊測量距離，雙探頭測距可提供2～500 cm的非接觸距離感測功能，測距精度可達到3 mm。JSN-SR20-Y1超聲波模塊相比于HC_SR04超聲波模塊，更加防水且性能穩定，抗干擾能力強。本文救生裝置運用該模塊測出水下障礙物與人之間的距離，幫助自救人員及時避開障礙物、免受傷害。超聲波模塊電路如圖4所示。

圖4 超聲波模塊電路

2.4 顯示器模塊

對于救生裝置上的數據顯示模塊，本文采用的是TFT屏幕。TFT液晶顯示屏的特點是顯示質量高、可視面積大、畫面效果好并且功率消耗小，這些特點能夠幫助人們在水下更清楚地觀看屏幕。本文中TFT屏幕由5 V供電，與主控制器之間使用UART串行接口（TTL電平）方式交互通信、數據傳輸。顯示器模塊電路如圖5所示。

圖5 顯示器模塊電路

2.5 推力模塊

推力模塊動力的大小可以通過調節油門拉環而改變，為了防止誤觸拉環，設計有滑動電源開關。無刷電機因其性能優良而在電機制造行業異軍突起[7]，本文推力模塊以無刷電機作為動力來源，推力可達5 kg，可帶動70 kg的人在水中以1 m/s的速度前行。

2.6 電源模塊

電源模塊采用高性能DC-DC，轉換效率高；使用優質濾波電容；采用LM2596降壓型電源管理單片集成電路的開關電壓調節器，LM2596有固定和可調版本，輸出電壓范圍為1.2～37 V，在輸入電壓最大不超過45 V的帶載條件下，電壓調整率為±4%，外圍電路所需元件少[8]；采用MP1584降壓轉化器，可輸出3.3 V和5 V電壓，且具有輸出電源指示功能。電源模塊電路如圖6所示。

圖6 電源模塊電路

3 系統軟件設計

完整的軟件控制是本裝置平穩運行的核心。本裝置基于Arduino IDE編程環境，運用C語言編寫代碼。程序的關鍵在于采集MPU6050姿態傳感器和JSN-SR20-Y1超聲波傳感器的數據并顯示在TFT屏幕上，實時更新當前運動方向、自身姿態以及當前人與水下障礙物之間的距離數據，幫助使用者獲得求生機會。軟件設計流程如圖7所示。

圖7 軟件設計流程

3.1 MPU6050數據處理

對于姿態部分的數據處理，本文采用的是硬件姿態解算算法，硬件姿態解算算法主要是通過MPU6050內置的硬件DMP直接讀取四元數[9]，從而得到quat[0]-quat[3]，其中quat[1]-quat[3]是四元數的虛部，而quat[0]是四元數的實部，再通過式（1）～（3）[10]將其轉化為俯仰角（Pitch）、橫滾角（Roll）和偏航角（Yaw）。分別表示機體坐標系下的上下角（θ）、翻滾角（φ）以及左右角（ψ），57.3是由弧度轉換的角度，即180/π，得到以“°”作為單位的數據結果。軟件姿態解算則是通過軟件模擬I2C讀取加速度和陀螺儀中的數據，然后計算出四元數，再通過公式（1）～（3）計算出歐拉角。公式如下：

相比于軟件姿態解算，硬件姿態解算直接讀取四元數過程較為簡單，解算時長較短，為279.2 μs。總體來說，硬件姿態解算算法所得到的歐拉角更加穩定[11]。硬件姿態解算算法對水下惡劣環境有著較好的抗干擾能力。程序串口調試如圖8所示。

圖8 程序串口調試界面

3.2 JSN-SR20-Y1超聲波模塊數據處理

JSN-SR20-Y1超聲波測距模塊可提供2～500 cm的非接觸式距離感測，模塊采用高性能處理器、工業級防水防塵超聲波換能器、供電范圍寬、低功耗且工作環境適應性強[12]。超聲波的頻率大于20 kHz，具有較好的反射性、定向性，本系統利用了它反射性較好的特性，采用平時較為常見的反射式測距方法。反射式測距指的是測距模塊上同時安裝了超聲波的發射與接收兩個裝置，測距模塊上的控制芯片控制超聲波發射的同時開始計時，超聲波在碰到障礙后會反射回來，接收裝置將接收到反射回來的超聲波，然后主控芯片會結束計時。原理如圖9所示。

圖9 超聲波模塊測距原理

使用JSN-SR20-Y1超聲波模塊測距，首先需要主控制器提供一個10 μs以上的脈沖觸發信號，隨后超聲波模塊內部會發出8個40 kHz周期的電平并檢測回波，一旦檢測到有回波信號則會輸出回響信號，回響信號的脈沖寬度與障礙物的距離成正比。

通過發射信號到回響信號間隔的時間可以計算出障礙物間隔距離。超聲波在水中的傳播速度大約為1 500 m/s，即為0.15 cm/μs。換一個角度：1/（0.15 cm/μs），約為6.67 μs/cm，這意味著每6.67 μs傳播1 cm的距離，實際上從發送到接收再到反射，超聲波傳播的是兩倍的距離，所以實際是13.34 μs對應著1 cm的距離。在程序中需要把時間間隔除13.34，轉換距離單位為cm。

4 實物展示

裝置內部結構俯視如圖10所示，TFT屏幕顯示深度（單位cm）、上下角、翻滾角以及左右角的數據，方便使用者及時調整自身的姿態以及逃生方向；電源模塊為裝置供電；推進器設計符合人體工學，讓使用者上手舒適。

圖10 裝置內部結構俯視

裝置內部結構側視如圖11所示，推進器兩側把手可手動展開和閉合，閉合后所占體積更小，更加方便攜帶，圖中兩側把手為閉合狀態。供氧模塊放置在推進器正下方，采用便攜式供氧瓶，使用者也可自行更換供氧瓶（氧氣瓶的氧氣含量大小和體積可由使用者自己做適當變化），以備不時之需。

圖11 裝置內部結構側視

TFT屏幕數據顯示界面設計如圖12所示，在該界面設計各數據的顯示效果及方式，使得數據顯示更加直觀化、立體化，方便用戶獲取所需信息。

圖12 數據顯示設計界面

5 結 語

雖然我國對水下救援裝備的研究起步較晚，但也制造出了具有一定功能的水下救援裝置，由于研發相對較少，目前仍然存在一些問題。本文提出的基于三維混合定位的車載水下應急救生裝置，相比于目前的水下救生裝置，集智能化、個性化于一體，裝置更加安全且造價低廉，性價比極高，致力于為用戶打造安全、便捷的水下救生裝置，在保障基本需求的同時，帶給用戶更舒適的體驗，具有廣闊的應用前景。