加入气体检测功能 汽车被动安全设计更周全

2013-05-20 20:40:48来源: 修平科技大学
    根据交通部统计资料显示,疲劳驾驶是导致交通事故主要原因之一。由于台湾夏天高温酷热的天气型态,以及空气品质不佳,许多驾驶人习惯长时间使用车内循环空调系统。然而,在车厢狭小的密闭空间里,人体新陈代谢产唿出的二氧化碳快速在车厢内积聚,将使车内空气污浊。当二氧化碳浓度达到0.5%时,人就会出现头痛、头晕等不适感,导致身体疲惫注意力不集中而不自知,许多疲劳驾驶状况就因此产生,导致交通事故的意外事件频传,变成交通安全一大隐忧。

  此外,若汽车引擎燃烧不完全,其产生的废气含有一氧化碳等有毒气体,可能因汽车通气孔老化,导致有毒气体透过通气孔流回车室内。由于一氧化碳是一种无色、无味的气体,中毒后的症状不易被察觉,驾驶人会不知不觉中毒而失去知觉,因而成为潜藏于汽车封闭空间的隐形杀手,对驾驶人生命安全及社会资源造成极大的威胁。

  本装置是与汽车被动安全设计有关,特别是关于一种预防汽车驾驶人昏迷或疲倦装置,可侦测出车室内部特定气体的浓度,当其浓度大于设定的警戒值,对人体造成昏迷或疲倦时,可进行自动开启车窗;当其浓度大于设定的临界值时,可自动发出汽车定址与求救信号,达到及时降低车室内部特定气体的浓度,避免驾驶人长时间处在高浓度特定气体的密闭空间内,并增进后续救援的效率,有效降低车内人员伤亡,避免后续伤亡扩大。

  强化安全防护性 汽车被动式安全系统成风

  本装置深入探讨其主要原因有二:首先,是当驾驶人身处于高浓度的一氧化碳或二氧化碳密闭空间内,常常不自觉中毒而产生昏睡时,若此时车窗玻璃无法自动侦测下降,让外面的新鲜空气导入降低车室内部有毒气体的浓度时,长时间暴露下来,仍会对驾驶人性命产生极大的威胁;其次,当驾驶人已经中毒昏睡,本身已无意识及力气能告知人车正确的位置,若救援人员无法在短时间内获知人车位置,并提供后续救援行动,仍无法避免伤亡恶化甚至扩大(如暴露一氧化碳浓度 1,600ppm的环境内,2小时内就会死亡),预防汽车驾驶人昏迷或疲倦,进一步避免疲劳驾驶、预防憾事发生暨争取抢救时间,为该装置开发的另一大动机。

  图1是表示汽车在一般道路行驶之车辆(主动/被动)安全防护系统示意图。至于一般车辆道路行车安全防护系统可分为三个阶段,第一阶段为主动式安全阶段,其主要目的在于避免车祸意外发生;第二阶段为被动式安全阶段,其主要目的在于降低车祸意外伤害;第三级阶段主要目的在于避免后续伤害扩大。

  

  图1 车辆安全防护系统的範畴

  依目前全球先进安全系统技术发展趋势,重心已有从过去主动式逐渐朝向被动式,甚至第三阶段发展,常见已开发主动式安全技术包含有防锁死煞车系统(ABS)、电子车身稳定系统(ESP)、倒车雷达、主动头灯、抬头显示、夜视、车距保持防撞及车道保持等。

  然而。因行车意外事件一直无法完全避免,尤其在强大车祸撞击下,为降低车内人员的伤亡,已朝向被动式安全发展,以降低伤害,常见已开发的技术有安全带、安全汽囊、正撞防护、侧撞防护、后撞防护及翻滚保护等;部分高级车甚至重视第三阶段安全防护以避免伤害扩大,目前发展的技术有自动切断油路、自动开中控锁、定位发警报及紧急救援等技术。

  依数据显示,2010年先进安全车辆电子控制与安全系统约占整车成本40%,显见在人身性命安全逐渐被重视的人权时代,第二阶段被动安全系统及第三阶段紧急救援的设计重要性突显,然上述安全技术皆局限于汽车行驶一般道路车祸意外的被动式安全防护系统。

  预防驾驶一氧化碳中毒 被动式安全防护系统再进化

  中华民国专利号第M405617号,是揭露有关于一种“车用气体侦测装置”,其主要为一气体侦测单元、一控制单元及一警报单元所组成,气体侦测单元包含有分设于车体内、外的感知元件。其中,感知元件能量测环境中的一氧化碳浓度,并转换成数位信号传送至气体侦测单元。

  气体侦测单元判定一氧化碳浓度过高时就发送信号至控制单元,藉以引发警报单元作动提醒使用人,或更进一步关闭电源强制将车辆熄火,以保护人员生命安全,其技术虽然有提及对驾驶者之警示及安全保护,但是属于被动消极性的。环保署及消防署资料显示,少许的一氧化碳浓度就会造成人员昏迷而失去意识,警报声对昏迷驾驶人而言已经没有太大警示作用,关闭电源强制熄火对密闭的车室内部一氧化碳浓度亦无显着的降低。

  此外,气体侦测单元无法将已昏迷驾驶人的停车地点进行定址,并立即对外自动发出求救信号,造成后续抢救时机已失去大半,对驾驶者的安全及性命无法获得保护。因此,若要降低驾驶人的伤亡及避免后续伤亡的扩大,最重要的处置应该是立即开车窗以降低车室内部一氧化碳浓度,其次,将对停车地点进行定址并立即对外自动发出求救信号。

  另外,参考中华民国专利号第M295137号,是揭露有关于一种“具侦测有害气体及可发出警报的臭氧机”,包含一机壳、设置在该机壳内部之臭氧产生器、设置在该机壳内部之电路基板、连接到该电路基板之至少一侦测器及至少一警报装置;其中,臭氧产生器可受控制以输出臭氧,侦测器能侦测瓦斯、高浓度一氧化碳或二氧化碳等有害气体,当该侦测器检测到瓦斯漏气、高浓度一氧化碳或二氧化碳等有害气体外洩时,将会输出电子信号至电路基板,藉以促使臭氧产生器生成臭氧来氧化分解有害气体,且警报装置会发出蜂鸣或闪光来告知使用者,达成解决瓦斯漏气或烧炭产生高浓度的一氧化碳所造成的严重危害。

  然此传感器若应用至预防汽车驾驶人一氧化碳中毒并无积极有效的作用,理由同上述,因少许的一氧化碳浓度就会造成人员昏迷而失去意识,警报装置对已昏迷驾驶人而言已经没有太大警示作用,加上无后续对对停车地点进行定址及对外自动发出求救信号,对驾驶者的安全及性命无法获得保护。

  为避免上述先前技术的气体侦测警报系统,对车室内部“一氧化碳浓度”无法达到显着的降低;再者,亦无法在第一时间自动发出汽车定址与求救信号,造成抢救时机已失去大半,体认到目前行车意外事件并不局限于一般常见于道路行驶的车祸意外;反而是特定气体浓度异常而导致驾驶人昏迷或疲倦,其造成车祸伤亡数及意外致死率远高于一般车祸意外(因驾驶人往往在不自觉的状况中昏睡窒息死亡,当被人发现时皆已回天乏术),因此预防汽车驾驶人一氧化碳中毒暨求救的被动式安全防护系统应该进一步被重视,传统局限于汽车一般道路车祸意外的被动式安全防护系统,应被扩大定义及设计至汽车驾驶人因特定气体浓度所导致的伤亡。

    避免驾驶昏迷/疲倦 车内气体浓度侦测成关键

  本装置目的在于提供一种预防汽车驾驶人昏迷或疲倦装置,可侦测出车室内部特定气体的浓度,当其浓度大于设定的警戒值,对人体造成昏迷或疲倦时,可进行自动开启车窗;当其浓度大于设定的临界值时,可自动发出汽车定址与求救信号,达到即时降低车室内部特定气体的浓度,避免驾驶人长时间处在高浓度特定气体的密闭空间内,并增进后续救援的效率,有效降低车内人员伤亡,避免后续伤亡扩大。

  图2是表示本装置方法步骤的流程图,其步骤如下:先设定对人体具危险警戒的特定气体浓度警戒值P1,当汽车车室内部某特定气体浓度(如一氧化碳或二氧化碳)逐渐上升时,气体侦测器侦测车室内部特定气体浓度,HT46F49E晶片判断特定气体浓度P是否大于具危险警戒特定气体浓度警戒值P1;若是,HT46F49E晶片控制马达转动并带动车窗下降,同时将车窗玻璃朝下带动以打开车窗;若否者,则回到气体侦测器侦测车室内部特定气体浓度。

  

  图2 本装置操作步骤流程图

  该HT46F49E晶片控制单元更设定有对生命安全具重大威胁的特定气体浓度临界值P2(如一氧化碳1,600ppm),当气体侦测器侦测特定气体浓度仍持续增加,并已经大于该特定气体浓度临界值P2(步骤S14),代表驾驶人可能已经呈现昏迷或晕眩,若短时间内(如一氧化碳1,600ppm,2小时)不立即处置,将导致驾驶人死亡,该求救定址单元立即发射该求救信号及该定址信号至该至少一预定接收单元(步骤S15),方便警察单位、搜救中心、消防单位或亲朋好友们等预设人员对驾驶人进行定址与搜救;若否者,则再回到步骤S11。

  求救定址单元是一全球卫星定位系统(GPS),用以发射出一求救信号及一定址信号至至少一预定接收单元;而预定接收单元可为一手机,而预定接收单元的拥有者可为警察单位、搜救中心、消防单位或亲朋好友们等。

  新一代被动式安全防护系统工作原理介绍

  本装置是针对汽车内一氧化碳及二氧化碳等有毒气体浓度达到对人体有害浓度警戒值P1(如一氧化碳800ppm),此时可能导致驾驶人员疲劳甚至造成生命安全危险时,车室内设置气体侦测器,并利用具内建类比数位转换器(ADC)功能的HT46F49E晶片来判断特定气体浓度P是否大于具危险警戒特定气体浓度警戒值P1;若是,则自动打开车窗玻璃,让车内与车外自然空气对流通风,以降低有害气体浓度,使车内保持一定的空气品质。

  当气体侦测器侦测特定气体浓度仍持续增加,并已经大于对生命安全具重大威胁的特定气体浓度临界值P2(如一氧化碳1,600ppm),代表驾驶人可能已经呈现昏迷或晕眩,若短时间内(如一氧化碳1,600ppm,2小时)不立即处置,将导致驾驶人死亡,将透过GSM手机通报系统自动即时传递GPS定位座标及求救信息给自行设定的指定号码(如亲朋好友、119或消防局),自动发出求救信号让救难人员知道你在哪里,第一时间定位并且通报及时抢救,这样才能将伤害降到最低。

  若有害气体浓度严重超出设定值,将发出求信号让救难人员知道你在哪里,第一时间定位并且通报及时抢救,这样才能将伤害降到最低。

  本装置是针对汽车内当所产生的有害气体(CO、CO2)浓度高于安全值时,让气体传感器传递信号至微控制器判别动作,使得车窗动作打开一缝隙,使车内保持通风减少有害气体浓度。当气体浓度超出设定值时,将透过GSM手机警报通报系统自动即时传递GPS定位通报及信息给自行设定的指定号码(如亲朋好友、 119或消防局),方便后续搜救人员定位搜寻。

  新一代被动式安全防护系统结构说明

  图3是表示本预防汽车驾驶人昏迷或疲倦装置之结构示意图,其中,气体侦测器是设置在车室内部,较佳者,气体侦测器设置在车室通气孔周围,避免汽车废气因透过通气孔跑回车内而不自觉,如此时气体侦测器就可侦测汽车密闭空间内部特定气体的浓度。

 图3 本装置实体结构示意图

    为模拟在密闭的车室空间内充满有毒的特定气体(如一氧化碳或二氧化碳),本装置将宝特瓶模拟为汽车密闭空间,用宝特瓶置入已点燃的线香,此时宝特瓶内将逐渐充满二氧化碳气体,且其浓度将愈来愈高,图4为本装置的实验模拟配置图。

  

  图4 本装置的实验模拟配置图

  假设气体侦测器侦测车内有害气体浓度P,HT46F49E晶片内建对人体有害浓度警戒值P1;当P>P1时,透过HT46F49E这颗晶片内建的 ADC转换功能,让HT46F49E发出命令信号给车窗玻璃的升降机构。当气体侦测器侦测特定气体浓度仍持续增加,并已经大于对生命安全具重大威胁的特定气体浓度临界值P2;即当P>P2时,GSM发出紧报求救信息及GPS定位信号给给自行设定的指定号码(如亲朋好友、119或消防局)(图5)。

  

  图5 本装置实验模拟架构流程图

  因HT46F49E晶片所输出信号值太小,无法直接驱动车窗玻璃升降机马达,必须透过放大电路予以放大输出信号。气体侦测器外部要一些电子元件来驱动,其驱动电路如图6。

  

  图6 气体侦测器驱动电路实体图

  整合气体侦测器 被动安全防护系统性能加分

  因一氧化碳或二氧化碳是无色无味的有毒气体,不管是人为或意外因素而皆会导致驾驶人疲劳驾驶甚至陷入昏迷,其造成车祸伤亡数及意外致死率不亚于于一般车祸或酒醉驾驶意外(因驾驶人往往在不自觉的状况中昏睡窒息死亡,当被人发现时皆已回天乏术),因此预防汽车驾驶人一氧化碳中毒暨求救的被动式安全防护系统应进一步被重视;此外,传统局限于汽车一般道路车祸意外的被动式安全防护系统,应被扩大定义及设计至汽车驾驶人因特定有毒气体浓度所导致的伤亡,其被动安全防护系统应进一步被重视。

另一方面,本汽车被动安全设计装置是针对汽车内一氧化碳及二氧化碳等有毒气体,当其浓度达到对人体有害浓度警戒值,能自动启动安全开窗机制,让车内与车外自然空气对流通风,以降低有害气体浓度,使车内保持一定的空气品质。若气体侦测器侦测特定气体浓度仍持续增加,并已大于对生命安全具重大威胁的特定气体浓度临界值,代表驾驶人可能已经呈现昏迷或晕眩(若短时间内不立即处置,将导致驾驶人死亡),透过GSM手机通报系统自动即时传递GPS定位座标及求救信息给自行设定的指定号码(如亲朋好友、119或消防局),方便搜救人员定位搜寻,避免在繁荣市区大海捞针似的搜寻人车,争取极有限的搜救时效。

  从图7观之,本装置将已点燃的线香放入宝特瓶的密闭空间中,让宝特瓶逐渐充满二氧化碳,以模拟车室内遇有害气体过浓意外事件,并将气体侦测器置入已挖孔的宝特瓶盖内,气体侦测器会将感测信号传给HT46F49E晶片,当其浓度达到对人体有害浓度警戒值时,晶片触发作动信号让汽车车窗玻璃自动下降。

  

  图7 本装置利用线香模拟CO2测试

  倘若气体侦测器侦测特定气体浓度仍持续增加,并已经大于对生命安全具重大威胁的特定气体浓度临界值,代表驾驶人可能已经呈现昏迷或晕眩(若短时间内不立即处置,将导致驾驶人死亡),本装置透过GSM手机通报系统自动即时传递GPS定位座标及求救信息给自行设定的指定号码(如亲朋好友、119或消防局),方便搜救人员定位搜寻,避免在繁荣市区大海捞针似的搜寻人车,争取极有限的搜救时效,其GPS系统定位出人车意外的座标,GSM系统发出求救简信给救难单位 (图8、图9)。

  

  图8 GPS系统动作示意图

  

  图9 GSM系统简信动作示意图

  本装置整合气体侦测器自动感测车室内部CO或CO2等有毒气体浓度、自动开窗降低车室有毒气体浓度、GPS及GSM求救简信发送搜救单位。

  更多发展可能性 被动安全防护系统展多元风貌

  未来可结合车窗薄膜太阳能辅助发电,作为独立的备用电源以防供电系统故障或电瓶没电而无法动作;或整合酒精吹嘴、类神经控制感测应用至本装置,加以实验数据研发出可防酒驾危险驾驶等相关被动安全系统设计。

  总的来说,人在吸入过多有害气体,疲倦、昏眩等轻微不适症状,往往已经中毒而不自觉的状况下,然而目前汽车被动式安全防护系统设计皆只重视一般道路车祸,本装置特别针对气体意外事件发生前加以进行防护设计,符合汽车安全设计趋势;再者,本装置利用气体传感器主动侦测有害气体浓度是否过高,并立即自动开窗及解中控锁,提升车内人员逃生机会,符合被动式安全设计;此外,本装置利用GPS及GSM进行有害气体事件后自动汽车定址及求救简信发送,方便搜救人员第一时间获知人地物信息,立即进行后续搜救,以避免后续伤亡扩大,符合第三阶段安全设计。

关键字:加入  功能  汽车  设计

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0520/article_7195.html
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