基于三維混合定位的車載水下應(yīng)急救生裝置

楊志龍，李亞兵，陰鵬宇，于 翔

（天津城建大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津 300384）

0 引 言

眾所周知，我國是一個汽車大國。據(jù)公安部統(tǒng)計，截至2022年6月底，我國機(jī)動車保有量達(dá)到4.06億輛，其中汽車有3.1億輛，可見我國汽車數(shù)量龐大，發(fā)生意外事故的可能性也會大大提高[1]?！?.20”河南特大洪澇災(zāi)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(shù)6人。2012年7月21日，北京暴雨如注，這場暴雨導(dǎo)致了全城交通處于癱瘓狀態(tài)，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(jī)經(jīng)過涵洞時，涵洞中的積水迅速上升，司機(jī)受困于車中無法逃脫，最后不幸溺亡[3]?！吨袊y(tǒng)計年鑒》顯示，2017—2019年，中國交通事故年均發(fā)生數(shù)23.19萬次，交通事故年均死亡人數(shù)6.3萬人，其中汽車涉水事故的死亡率最高。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國平均每年汽車落水事件達(dá)300余起，車內(nèi)駕乘人員獲救者不足10%。這些數(shù)據(jù)和事件表明，有一款合適且工作性能穩(wěn)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(jù)專家統(tǒng)計和專業(yè)人士水下實(shí)驗(yàn)，以及汽車涉水后車內(nèi)獲救人員講述的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)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(dǎo)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(nèi)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(yán)重傷人致死；五是汽車墜入水中時產(chǎn)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(yīng)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(tǒng)整體設(shè)計

本文設(shè)計的基于三維混合定位的車載水下應(yīng)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(fā)生危險時，使用者在汽車頭枕支撐桿的一側(cè)，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(jìn)行破窗；在水中利用推力模塊進(jìn)行運(yùn)動，推進(jìn)器采用無刷電機(jī)帶動螺旋槳作為動力來源；采用人體工學(xué)設(shè)計讓使用者上手舒適；動力大小通過油門拉環(huán)調(diào)整，采用高品質(zhì)魚線材質(zhì)可以承受較大的拉力，并且可以根據(jù)使用者的手掌大小不同調(diào)整拉環(huán)線的長度，方便使用者調(diào)節(jié)行進(jìn)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(fā)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(jìn)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(jī)作為主控，利用MPU6050姿態(tài)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(tài)傾斜角度（在水下幫助使用者判斷自己是否因?yàn)榄h(huán)境因素發(fā)生側(cè)翻）、行進(jìn)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(shù)據(jù)展示在TFT顯示屏上進(jìn)行實(shí)時更新，使用者可以通過查看數(shù)據(jù)，及時調(diào)整自身的姿態(tài)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(jìn)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(jìn)行供氧，以免發(fā)生缺氧窒息的情況；打開照明模塊里的探照燈（P70四核強(qiáng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(fā)板，此開發(fā)板起源于意大利，Arduino UNO開發(fā)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(jìn)的RISC體系架構(gòu)，具有高耐力非易失性內(nèi)存段，由此產(chǎn)生的架構(gòu)可以更加有效地運(yùn)行程序，運(yùn)算的速度更快[4]，完全可以勝任姿態(tài)數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。該芯片由1.8～5.5 V的直流電壓供電，最低可在-40 ℃的環(huán)境下工作，時鐘電路采用16 MHz的外部晶振作為時鐘源，復(fù)位電路采用低電平復(fù)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(tài)傳感器模塊

姿態(tài)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(yùn)動處理組件，自帶數(shù)字運(yùn)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(diǎn)[5]，本設(shè)計方案中MPU6050與主控制芯片之間使用I2C協(xié)議交互通信、數(shù)據(jù)傳輸[6]，如圖3所示。

圖3 姿態(tài)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(dá)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(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。本文救生裝置運(yùn)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(shù)據(jù)顯示模塊，本文采用的是TFT屏幕。TFT液晶顯示屏的特點(diǎn)是顯示質(zhì)量高、可視面積大、畫面效果好并且功率消耗小，這些特點(diǎn)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(shù)據(jù)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(diào)節(jié)油門拉環(huán)而改變，為了防止誤觸拉環(huán)，設(shè)計有滑動電源開關(guān)。無刷電機(jī)因其性能優(yōu)良而在電機(jī)制造行業(yè)異軍突起[7]，本文推力模塊以無刷電機(jī)作為動力來源，推力可達(dá)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(zhuǎn)換效率高；使用優(yōu)質(zhì)濾波電容；采用LM2596降壓型電源管理單片集成電路的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，LM2596有固定和可調(diào)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(diào)整率為±4%，外圍電路所需元件少[8]；采用MP1584降壓轉(zhuǎn)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(tǒng)軟件設(shè)計

完整的軟件控制是本裝置平穩(wěn)運(yùn)行的核心。本裝置基于Arduino IDE編程環(huán)境，運(yùn)用C語言編寫代碼。程序的關(guān)鍵在于采集MPU6050姿態(tài)傳感器和JSN-SR20-Y1超聲波傳感器的數(shù)據(jù)并顯示在TFT屏幕上，實(shí)時更新當(dāng)前運(yùn)動方向、自身姿態(tài)以及當(dāng)前人與水下障礙物之間的距離數(shù)據(jù)，幫助使用者獲得求生機(jī)會。軟件設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計流程

3.1 MPU6050數(shù)據(jù)處理

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

相比于軟件姿態(tài)解算，硬件姿態(tài)解算直接讀取四元數(shù)過程較為簡單，解算時長較短，為279.2 μs?？傮w來說，硬件姿態(tài)解算算法所得到的歐拉角更加穩(wěn)定[11]。硬件姿態(tài)解算算法對水下惡劣環(huán)境有著較好的抗干擾能力。程序串口調(diào)試如圖8所示。

圖8 程序串口調(diào)試界面

3.2 JSN-SR20-Y1超聲波模塊數(shù)據(jù)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(yè)級防水防塵超聲波換能器、供電范圍寬、低功耗且工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)[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(tǒng)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(fā)射與接收兩個裝置，測距模塊上的控制芯片控制超聲波發(fā)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(jié)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(fā)信號，隨后超聲波模塊內(nèi)部會發(fā)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(fā)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(shí)際上從發(fā)送到接收再到反射，超聲波傳播的是兩倍的距離，所以實(shí)際是13.34 μs對應(yīng)著1 cm的距離。在程序中需要把時間間隔除13.34，轉(zhuǎn)換距離單位為cm。

4 實(shí)物展示

裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)，方便使用者及時調(diào)整自身的姿態(tài)以及逃生方向；電源模塊為裝置供電；推進(jìn)器設(shè)計符合人體工學(xué)，讓使用者上手舒適。

圖10 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視

裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視如圖11所示，推進(jìn)器兩側(cè)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(cè)把手為閉合狀態(tài)。供氧模塊放置在推進(jìn)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(dāng)變化），以備不時之需。

圖11 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視

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

圖12 數(shù)據(jù)顯示設(shè)計界面

5 結(jié) 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(fā)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(yīng)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(yàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。