基于陀螺儀的智能騎行掛飾

劉世棟 孫越 葛楊 郭嘉儀

摘 要：在共享時(shí)代，單車出行成為主流。隨之而來，非機(jī)動(dòng)車安全問題也在不斷增多。特別是在照明弱、霧霾天氣等能見度低的條件下，單車事故更加頻發(fā)。在這種背景下這款基于zigbee無線傳輸技術(shù)的智能騎行配件應(yīng)運(yùn)而生。它通過mpu6050做傳感器來感知騎行轉(zhuǎn)向，通過zigbee無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳給控制器做處理，點(diǎn)亮led燈提醒后方車輛。具有結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)，價(jià)格便宜等特點(diǎn)。有指明單車轉(zhuǎn)向，車距提醒，事故報(bào)警等功能。

一、背景

無論是在"國際范兒"和北上廣或西方國家的道路，有在現(xiàn)場的非機(jī)動(dòng)車道。然而，自行車和電動(dòng)自行車的迅速發(fā)展一直伴隨著難于管理，事故頻發(fā)等問題。因此，非機(jī)動(dòng)車的安全問題成為用戶的關(guān)注越來越多關(guān)注的焦點(diǎn)。天津交管部門數(shù)據(jù)公布顯示：在全市交通事故死亡人數(shù)，行人和非機(jī)動(dòng)車使用更多的人員，占死亡，負(fù)責(zé)在事故總數(shù)的48.4%，占5.6%。另外一個(gè)易發(fā)生事故的重要原因是道路照明較差，燈光昏暗，缺乏車身反光設(shè)備。當(dāng)視力不良條件下的非機(jī)動(dòng)車出行的原因，很容易側(cè)擊車輛和非機(jī)動(dòng)車發(fā)生事故的背后。此外，霧霾可能會(huì)讓可見度降低，對道路上的行人、機(jī)動(dòng)車輛和非機(jī)動(dòng)車輛都有很大的安全隱患，十分危險(xiǎn)。在夜間或嚴(yán)重霧霾天氣昏暗，如果因?yàn)楸苷舷钠哲嚢褟澢那败?，車是很難理解汽車前進(jìn)隊(duì)伍的前面，最有可能是由于時(shí)間沖突與車輛在沒有制動(dòng)前面，造成交通事故。并且，除了以上路況不明的情況，日常騎行過程中也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)非機(jī)動(dòng)車輛由于某種原因突然轉(zhuǎn)向而引發(fā)的交通事故，由此可見非機(jī)動(dòng)車輛使用轉(zhuǎn)向提示以及其他智能安全設(shè)備功能的重要性。

目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)的相關(guān)智能騎行配件，比如Varia智能騎行車燈，騎車人背背佳掛件智能遙控方向安全指示燈等產(chǎn)品，往往存在過于強(qiáng)調(diào)科技元素的使用，"形式重于實(shí)質(zhì)"，定價(jià)過高或者功能過于片面，技術(shù)含量不夠的問題，缺乏實(shí)用性，無法普及開來，使群眾受益。本著安全智能的理念，為了解決非機(jī)動(dòng)車輛出行轉(zhuǎn)向無法明示易導(dǎo)致交通事故等安全方面的問題，本產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。

二、主要功能

本產(chǎn)品采用ZigBee無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)無線通信，在平?？梢援?dāng)做一個(gè)美觀的背包掛飾。本產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上可以分成兩部分：識別模塊和控制模塊。識別模塊由龍頭方盒、MPU6050六軸傳感器、ZigBee模塊、前照探測燈四部分組成。用戶可輕擊從車把安裝和拆卸的非機(jī)動(dòng)立方體，處理操作是非常容易的，通過六軸傳感器模塊的ZigBee角信息提供給控制模塊。ZigBee模塊的控制模塊，LED屏幕，蜂鳴器，最小系統(tǒng)板，GPS模塊，GSM模塊一體化，OV7670相機(jī)模塊。ZigBee模塊是一款非常成熟的近距離數(shù)據(jù)傳輸傳感器，它將收集到的數(shù)據(jù)傳給最小系統(tǒng)板，由系統(tǒng)板進(jìn)行姿態(tài)解算，并控制LED顯示燈以及語音播報(bào)模塊進(jìn)行相關(guān)的提示。

三、主要技術(shù)

ZigBee無線傳輸模塊ZigBee是一種無線連接，具有低功耗、成本低、時(shí)延短等特點(diǎn)。

mpu6050感測方向MPU-6000（6050）是一個(gè)集成的6軸運(yùn)動(dòng)處理部件，相對于多組分實(shí)施例中，不使用陀螺儀和加速度計(jì)軸線的組合差的問題，降低了包裝空間。數(shù)字矩陣輸出軸旋轉(zhuǎn)軸線或 四元數(shù)（四元），歐拉角格式（EulerAngleforma）的數(shù)據(jù)融合算法。產(chǎn)品通過求解在6050，滾動(dòng)角和俯仰角獲得的算法計(jì)算偏航角來解決。

我們知道，歐拉角表達(dá)被旋轉(zhuǎn)的最簡單的方法，形成一個(gè)三維向量，表示所述對象物的旋轉(zhuǎn)角度大約三個(gè)坐標(biāo)軸（X，Y，歐拉角表達(dá)被旋轉(zhuǎn)的最簡單的方法，形成一個(gè)三維向量，表示所述對象物的旋轉(zhuǎn)角度大約三個(gè)坐標(biāo)軸（X，Y，Z軸）的值。以x，y，z軸表示偏航、橫滾和俯仰非常簡單。因此我們需要編程將6050得到的四元數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化成歐拉角矩陣?？梢灾腹潭ǖ娜S世界坐標(biāo)系軸，旋轉(zhuǎn)軸也可以指物體坐標(biāo)系。旋轉(zhuǎn)的三個(gè)軸的順序不同，會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果。

四元數(shù)旋轉(zhuǎn)歐拉角如下：

為了驗(yàn)證該算法，使用六個(gè)度通過在MATLAB仿真模型提供的一個(gè)封裝好的模擬器，可以給定的扭矩和力輸出的三個(gè)歐洲拉三軸角度和角加速度，這樣可以非常好的模擬傳感器的狀態(tài)。為使達(dá)到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，該模型通過調(diào)整初始輸入條件設(shè)定為固定步模式中，0.0S，即，50赫茲的模擬取樣頻率，的步驟中，歐拉角的變化可以在整個(gè)可實(shí)現(xiàn)角度范圍，不會(huì)出現(xiàn)非常短的時(shí)間，并且根據(jù)一個(gè)大的跳躍。比較的實(shí)際情況和便利性，輸出調(diào)整六個(gè)自由度模型的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的域的歐拉角制成。

因?yàn)樾拚硕x域，某些點(diǎn)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的變化（這些點(diǎn)實(shí)際上是連續(xù)的，比如說航向角低于零的點(diǎn)使用定義域修正后變?yōu)榇笥?60的值，而大于360的值變成接近零的值即可），這樣就可以模擬大機(jī)動(dòng)飛行條件下的飛行姿態(tài)。通過四元數(shù)微分方程更新求解過程，采用三階泰勒展開法這樣精確度較高，得到三軸歐拉角的誤差曲線如圖。三軸歐拉角的誤差在仿真過程中的最大偏差值為：[0.1422，0.6948，0.7037].為了進(jìn)一步驗(yàn)證算法對于計(jì)算的穩(wěn)定性以及俯仰角變化的跟蹤敏感性，設(shè)計(jì)了滾轉(zhuǎn)角和偏航角均為0度，只在俯仰角大范圍連續(xù)變化下的算法仿真，下圖為400秒（20000次）下計(jì)算值與理論值之間的誤差曲線以及俯仰角值的變化曲線?？梢钥闯?，一些連續(xù)的急劇變化時(shí)，誤差值始終是一個(gè)很小的范圍內(nèi)，有良好的跟蹤性能之內(nèi)。