一種汽車涉水智能保護(hù)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

黃茜

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西柳州市 545616

1 汽車涉水智能保護(hù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與反思

近年來，因強(qiáng)降雨天氣，造成眾多汽車駐車時(shí)被積水浸泡、行車時(shí)因盲目涉水而熄火的事件屢有發(fā)生。汽車駐車被淹時(shí)，車輛在積水中的長(zhǎng)時(shí)間浸泡會(huì)造成車輛高壓分電系統(tǒng)潮濕、進(jìn)水短路和車內(nèi)各電器元件損壞的問題，大大影響了汽車的電器功能。在汽車涉水行駛通過積水路段時(shí)，由于駕乘人員對(duì)積水深度的錯(cuò)誤判斷而盲目涉水，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水、或者因車輛涉水后的二次啟動(dòng)造成的發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，都會(huì)給車主帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.1 傳統(tǒng)汽車研究現(xiàn)狀

為了解決因強(qiáng)降雨而造成的汽車涉水熄火和駐車被淹的問題，解決或減少汽車涉水問題給車主帶來的經(jīng)濟(jì)損失，諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。

目前，用于汽車涉水的報(bào)警裝置主要有單一功能的水位報(bào)警裝置和組合式雙重功能的涉水報(bào)警裝置、關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的涉水報(bào)警系統(tǒng)三大類，缺乏系統(tǒng)、功能完整、能滿足涉水行駛和停車駐車等不同條件下的涉水智能報(bào)警裝置。

1.單一功能的水位報(bào)警裝置

（1）汽車涉水報(bào)警裝置。主要有液位傳感器、報(bào)警裝置、控制器和撥號(hào)設(shè)備組成。通過設(shè)置不同高度、不同位置的傳感器，監(jiān)測(cè)不同涉水深度，同時(shí)通過電信號(hào)連接報(bào)警裝置與控制器。

主要解決了駕駛?cè)藛T盲目涉水導(dǎo)致車輛熄火和強(qiáng)降雨導(dǎo)致車輛駐車被積水浸泡的問題。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)涉水一旦達(dá)到第三液位傳感器時(shí)，只能發(fā)出聲音提醒，無(wú)法自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。

（2）車輛涉水深度自動(dòng)報(bào)警裝置,由液位檢測(cè)裝置、警示燈、報(bào)警器等構(gòu)成。通過設(shè)置不同高度的電極與對(duì)應(yīng)的電路連接，液位檢測(cè)輸出端連接報(bào)警器和警示信號(hào)燈，一旦超過涉水深度的預(yù)警值，將會(huì)發(fā)出聲光提醒，有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)涉水問題。

存在問題：功能單一，僅能通過檢測(cè)涉水深度，發(fā)出報(bào)警聲，警示駕駛?cè)藛T，報(bào)警裝置無(wú)法自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。報(bào)警聲音雖能提醒車主出現(xiàn)涉水情況，但是無(wú)法顯示汽車的涉水具體深度。一旦汽車涉水達(dá)到一定危險(xiǎn)值，電路不穩(wěn)定，電機(jī)無(wú)法立即停止工作，仍會(huì)損害發(fā)動(dòng)機(jī)，裝置實(shí)用性較弱。

2.組合式雙重功能涉水報(bào)警裝置

一種汽車涉水遠(yuǎn)程報(bào)警裝置的研制。該系統(tǒng)涵蓋單片機(jī)控制系統(tǒng)、測(cè)距裝置、通信電路等。除了進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，還可以在水位深度超過安全值時(shí)，遠(yuǎn)程報(bào)警提示車主，以便車主轉(zhuǎn)移汽車，減少自身經(jīng)濟(jì)損失。通過單片機(jī)進(jìn)行控制，整個(gè)裝置體積減小、實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì),價(jià)格實(shí)惠。

3.關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的涉水報(bào)警系統(tǒng)

該類系統(tǒng)主要通過水位傳感器，探測(cè)水坑深度。當(dāng)涉水深度達(dá)到一定預(yù)警值，報(bào)警模塊將會(huì)發(fā)出警示，同時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。解決了報(bào)警裝置，僅發(fā)出提示而不能自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的問題，提高了整個(gè)裝置的實(shí)用性。

存在問題：忽略了南方的特殊天氣，強(qiáng)降雨多，容易造成汽車駐車時(shí)被積水浸泡、電器設(shè)備損壞的問題。在汽車駐車時(shí)，車輛在積水中的長(zhǎng)時(shí)間浸泡會(huì)造成車輛高壓分電系統(tǒng)潮濕、進(jìn)水短路和車內(nèi)各電器元件損壞的問題，大大影響了汽車的電器功能。

1.2 新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀

除了傳統(tǒng)燃油汽車，在涉水行駛和駐車淹車存在安全隱患。其他類型的汽車，也面臨同樣的問題：

①新能源汽車——純電動(dòng)汽車因其并沒有傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，不存在進(jìn)氣口和排氣管，也就不會(huì)發(fā)生傳統(tǒng)汽車涉水時(shí)操作不當(dāng)所導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。同時(shí)，電動(dòng)車的電池、電機(jī)等硬件在出廠時(shí)就已經(jīng)充分考慮了防水性能，因此其涉水性能相比傳統(tǒng)汽車要好很多，但是除了電機(jī)、電池等硬件外，純電動(dòng)汽車的底盤懸架、制動(dòng)系統(tǒng)等與傳統(tǒng)汽車一致的地方，涉水行駛后也可能會(huì)產(chǎn)生與傳統(tǒng)汽車一樣的風(fēng)險(xiǎn)問題，同樣有潛在的安全隱患。

②混合動(dòng)力汽車——因其具備發(fā)動(dòng)機(jī)，因此涉水行駛的潛在風(fēng)險(xiǎn)與傳統(tǒng)汽車一致。

③搭載了無(wú)人駕駛系統(tǒng)的汽車——在涉水行駛時(shí)因其車身搭載的傳感器數(shù)量相比非無(wú)人駕駛汽車更多，在非無(wú)人駕駛汽車上所能發(fā)生的隱患的基礎(chǔ)上，更容易產(chǎn)生其他的安全隱患，比如傳感器設(shè)備的短路、損壞，處理器、控制器的毀壞等等，甚至導(dǎo)致整個(gè)無(wú)人駕駛系統(tǒng)紊亂，給車內(nèi)成員造成極大的安全威脅。

因而，為了解決不同因強(qiáng)降雨而造成的汽車涉水熄火和駐車被淹的問題，同時(shí)，適用于傳統(tǒng)汽車、新能源汽車、混動(dòng)汽車等不同車型，需要研發(fā)新一代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)涉水智能保護(hù)系統(tǒng)，通過自主判斷車輛的行車與駐車狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)涉水智能保護(hù)功能。當(dāng)汽車駐車時(shí)，可以遠(yuǎn)程向車主發(fā)送報(bào)警信息。當(dāng)汽車涉水行駛時(shí)，可以根據(jù)不同危險(xiǎn)階段的積水深度發(fā)出相應(yīng)的多級(jí)報(bào)警提醒;并且，在水位達(dá)到指定高度時(shí)，能智能切斷點(diǎn)火電路和啟動(dòng)電路，自主關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)智慧預(yù)警、智能管控和安全保護(hù)效果。

2 汽車涉水智能報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

當(dāng)前，新能源汽車、汽車人工智能、汽車智能網(wǎng)聯(lián)、無(wú)人駕駛等已經(jīng)成為汽車研發(fā)的主流趨勢(shì)。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)汽車和新能源汽車保有量不斷增加，設(shè)計(jì)一種人性化、精準(zhǔn)化、智能化發(fā)動(dòng)機(jī)涉水自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，是我們研究的主要方向。

通過設(shè)計(jì)研發(fā)這一新增的發(fā)動(dòng)機(jī)涉水智能保護(hù)功能，確保各類新能源汽車、智能汽車、無(wú)人駕駛車輛在涉水情況下，既能保證車輛安全行駛，又能自動(dòng)保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，避免在熄火后發(fā)動(dòng)機(jī)的二次啟動(dòng)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞，其現(xiàn)實(shí)作用非常巨大而有意義。該系統(tǒng)不僅可以在涉水途中，自動(dòng)保護(hù)我們的發(fā)動(dòng)機(jī)，還可以無(wú)差別的安裝在所有傳統(tǒng)汽車和新能源汽車上，此類車輛市場(chǎng)保有量巨大，市場(chǎng)推廣價(jià)值很大。

3 汽車涉水智能保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要開發(fā)一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)涉水自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)涉水智能關(guān)閉和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停功能的監(jiān)測(cè)控制自動(dòng)關(guān)閉兩個(gè)部分構(gòu)成。解決涉水熄火和駐車被淹問題。當(dāng)遇到暴雨、積水等天氣，一旦車輛涉水熄火和駐車被淹時(shí)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)，可以智能切斷啟動(dòng)電路和點(diǎn)火電路，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在涉水狀態(tài)下因人為啟動(dòng)或自主二次啟動(dòng)，造成損壞。更加人性化、精準(zhǔn)化、智能化保護(hù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，延長(zhǎng)汽車使用壽命，同時(shí)，廣泛適用于所有傳統(tǒng)汽車和新能源汽車，也適用于其他沒有啟停技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)。覆蓋面廣、成本較低。具體內(nèi)容如下：

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)原理如下：一是在雨刮高速檔的控制單元中串聯(lián)一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)系統(tǒng)判斷為雨刮高速檔開始工作，則輸出信號(hào)，則將怠速啟停控制單元的繼電器執(zhí)行斷開，怠速啟停功能自動(dòng)關(guān)閉。二是增加一個(gè)水位傳感器，當(dāng)?shù)孛娣e水達(dá)到設(shè)定的水位高度時(shí)系統(tǒng)發(fā)光報(bào)警提示，并通過控制模塊，斷開自動(dòng)關(guān)閉怠速啟停功能。水位傳感器通過電路接入控制，控制模塊再通過外部電路打開報(bào)警燈光并接入繼電器。當(dāng)水位傳感器在路面積水到達(dá)設(shè)定水位后發(fā)出信號(hào)到單片機(jī)，單片機(jī)接收處理信號(hào)并輸出信號(hào)，通過外部電路驅(qū)動(dòng)繼電器，控制繼電器的開關(guān)，將啟停按鈕短接，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停的目的。

電路中，水位傳感電路由水位監(jiān)測(cè)電極A、B和電阻R1、晶體管V1組成；光報(bào)警、控制電路由晶體管V1～V4、電容C、電阻R1、R2、發(fā)光二極管VL和繼電器KM組成。在地面積水未達(dá)到設(shè)定水位時(shí)，電極A、B之間的阻值較大，V1處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光報(bào)警電路不工作，VL不發(fā)光。當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定水位時(shí)，電極A、B通過水的電阻相連，使V1～V4導(dǎo)通，VL點(diǎn)亮;同時(shí)控制模塊驅(qū)動(dòng)繼電器KM工作，觸點(diǎn)K1閉合，將啟動(dòng)開關(guān)導(dǎo)通一次，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。

改變電極A、B之間的距離，即可設(shè)定需要報(bào)警的水位。調(diào)整R1的阻值，可改變報(bào)警器動(dòng)作的靈敏度。具體如圖1所示：

圖1 汽車水位監(jiān)控工作示意圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1．發(fā)動(dòng)機(jī)涉水智能關(guān)閉保護(hù)

通過設(shè)計(jì)增加水位傳感器和控制模塊，在地面積水達(dá)到設(shè)定水位時(shí)發(fā)光報(bào)警提示，并通過控制模塊，斷開自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。該水位監(jiān)控報(bào)警控制電路由水位監(jiān)測(cè)電路和發(fā)光報(bào)警電路組成。水位信號(hào)通過電路接入控制，控制模塊再通過外部電路打開報(bào)警燈光并接入繼電器。當(dāng)水位傳感器在路面積水到達(dá)設(shè)定水位后發(fā)出信號(hào)到單片機(jī)，單片機(jī)接收處理信號(hào)并輸出信號(hào)，通過外部電路驅(qū)動(dòng)繼電器，控制繼電器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的目的。該水位監(jiān)控報(bào)警控制電路由水位監(jiān)測(cè)電路和發(fā)光報(bào)警電路組成。

（1）通過搭載水位傳感器、控制器、執(zhí)行器等，智能判斷車輛的行車與駐車狀態(tài)，對(duì)水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)汽車涉水行駛時(shí)，可以根據(jù)不同危險(xiǎn)等級(jí)的積水深度發(fā)出相應(yīng)的多級(jí)報(bào)警提醒。并且，可以遠(yuǎn)程向車主發(fā)送報(bào)警信息。

（2）當(dāng)水位傳感器在路面積水到達(dá)設(shè)定水位后，發(fā)出信號(hào)到單片機(jī)，單片機(jī)接收處理信號(hào)并輸出信號(hào)，通過外部電路驅(qū)動(dòng)繼電器，控制繼電器的開關(guān)，自動(dòng)關(guān)閉、保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。

（3）通過設(shè)計(jì)的控制模塊發(fā)光報(bào)警提醒駕駛員并自動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)關(guān)閉，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自鎖功能。通過加裝一個(gè)繼電器，切斷信號(hào)的輸出，避免發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停系統(tǒng)反復(fù)開啟關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自鎖。從而避免特殊天氣或極端條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)在涉水狀態(tài)下突然熄火，因怠速啟停系統(tǒng)工作自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)而造成的發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞、大修，造成車輛的大幅貶值、給駕駛員帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。

2．自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停功能的監(jiān)測(cè)控制

目前我們的技術(shù)，無(wú)法感知當(dāng)前的道路環(huán)境信息，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)在大雨中因行進(jìn)緩慢容易造成不必要的頻繁啟停問題，即需要設(shè)計(jì)一種監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)用于自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停。通過監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)汽車的雨刮是否工作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，判斷雨刮的擋位（高速檔位）是否在工作。一旦高速檔位的雨刮開始運(yùn)行，監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)將立刻執(zhí)行關(guān)閉怠速啟停功能。從而避免特殊天氣或極端條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)在涉水狀態(tài)下突然熄火，因怠速啟停系統(tǒng)工作自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)而造成的發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞、大修，造成車輛的大幅貶值、給駕駛員帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。

通過設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)感應(yīng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)啟停技術(shù)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在涉水狀態(tài)下二次啟動(dòng)，造成損壞。

系統(tǒng)通過光敏三極管接收到雨刮高速檔工作的信息（雨刮工作在高速檔是大暴雨的工作環(huán)境）。在雨刮高速檔的控制單元中串聯(lián)一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)系統(tǒng)判斷為雨刮高速檔開始工作，則輸出信號(hào)，則將怠速啟?？刂茊卧睦^電器執(zhí)行閉合，怠速啟停功能自動(dòng)關(guān)閉。

4 解決的關(guān)鍵問題

通過研究一種汽車涉水發(fā)動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)，使車輛在涉水途中，能夠自主感知當(dāng)前的環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)智慧預(yù)警、智能管控和安全保護(hù)，進(jìn)一步提升用戶駕乘體驗(yàn)。

圖2 汽車涉水發(fā)動(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)

①實(shí)現(xiàn)駐車被淹遠(yuǎn)程提醒功能。當(dāng)檢測(cè)到車輛處于駐車狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)到水位可能威脅到汽車安全時(shí)，通過手機(jī)APP發(fā)送警示信息通知車主，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。

②實(shí)現(xiàn)智能涉水報(bào)警功能。通過搭載水位傳感器、控制器、執(zhí)行器等，智能判斷車輛的行車與駐車狀態(tài)，對(duì)水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)汽車涉水行駛時(shí)，可以根據(jù)不同危險(xiǎn)等級(jí)的積水深度發(fā)出相應(yīng)的多級(jí)報(bào)警提醒。并且，可以遠(yuǎn)程向車主發(fā)送報(bào)警信息。

③實(shí)現(xiàn)涉水自主保護(hù)功能。當(dāng)水位傳感器在路面積水到達(dá)設(shè)定水位后，發(fā)出信號(hào)到單片機(jī)，單片機(jī)接收處理信號(hào)并輸出信號(hào)，通過外部電路驅(qū)動(dòng)繼電器，控制繼電器的開關(guān)，自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停系統(tǒng)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在涉水狀態(tài)二次啟動(dòng)，造成其損毀，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。

同時(shí)，通過搭載多個(gè)智能網(wǎng)聯(lián)傳感器、控制器和執(zhí)行器，融合智能通信與云端技術(shù)，全方位實(shí)現(xiàn)車車、車路、車云動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互，實(shí)現(xiàn)人、車、路、云的智能協(xié)同，保證行駛安全，提高通行效率，從而形成的安全、高效和環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)涉水保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全、節(jié)能、舒適行駛的新一代智能汽車。

該系統(tǒng)性能可靠、成本低，適合在不同車型上推廣應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)在涉水途中安全、方便、精準(zhǔn)、智能保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的效果。