自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)的設(shè)計

□ 馮陸穎 □平雪良 □孫明春 □孔繁強 □任東來

1.江南大學(xué) 機械工程學(xué)院 江蘇無錫 2141222.江南大學(xué) 君遠學(xué)院 江蘇無錫 214122

1 設(shè)計背景

在日常生活中,自行車是許多市民選擇的代步工具及鍛煉器材,然而很少有自行車安裝轉(zhuǎn)向燈,因此在日常騎行過程中,經(jīng)常會遇到由于騎行速度過快、突然轉(zhuǎn)向或急剎車所帶來的安全隱患。

目前，已有眾多技術(shù)人員針對自行車騎行的安全問題設(shè)計了轉(zhuǎn)向裝置,如專為夜間騎行設(shè)計的投影轉(zhuǎn)向燈[1]、騎行佩戴的手套式轉(zhuǎn)向燈[2]、便攜式無線控制轉(zhuǎn)向燈腰包[3]等。但是，這些設(shè)計都不方便使用,如投影轉(zhuǎn)向燈需要騎行前連接移動電話中的軟件,手套式轉(zhuǎn)向燈、便攜式無線控制轉(zhuǎn)向燈需要隨身攜帶。

普通的轉(zhuǎn)向燈需要手動操作,較為麻煩,加之許多人沒有養(yǎng)成騎非機動車打轉(zhuǎn)向燈的習(xí)慣,因此市面上大多數(shù)自行車都沒有轉(zhuǎn)向燈，轉(zhuǎn)向燈裝置無法普及。針對這一問題,筆者設(shè)計了一種自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng),通過感應(yīng)自行車兩個車把手間的握力，提前預(yù)判自行車動向,同時應(yīng)用姿態(tài)傳感器進行自行車姿態(tài)判斷與矯正,準確控制自行車車把手末端的轉(zhuǎn)向燈按要求閃爍,實現(xiàn)轉(zhuǎn)向燈的智能化控制。

2 工作原理

2.1 握力感應(yīng)

自行車在騎行轉(zhuǎn)向前,騎車人的眼睛先接收信息,再通過大腦發(fā)出指令,人體做出相應(yīng)動作來控制自行車轉(zhuǎn)向,這不是簡單的在轉(zhuǎn)彎時用左右手轉(zhuǎn)動車把手，而是潛意識的一種經(jīng)驗思維和行為習(xí)慣[4]。轉(zhuǎn)向前騎行中的人們,為了在轉(zhuǎn)向時維持車身平衡,需要將車把手向轉(zhuǎn)向一側(cè)傾斜,同時人車系統(tǒng)向轉(zhuǎn)向一側(cè)傾斜,來克服離心力[5]。此時抓住車把手的兩手握力會發(fā)生改變，以應(yīng)對維持轉(zhuǎn)向平衡。即在轉(zhuǎn)向前,一般轉(zhuǎn)向一側(cè)的手會不自覺地握得更緊,另一側(cè)的手會稍稍提起。在剎車時，兩手則緊握車把手。通過使用握力傳感器,可以檢測出這類動作場景對肌肉收縮的隱式影響[6]。筆者提出通過采集大數(shù)據(jù),整合比對人們在騎自行車時的握力數(shù)據(jù),得出大多數(shù)人轉(zhuǎn)向前握力隨時間變化的可行域,以及剎車前握力隨時間變化的可行域,從而在轉(zhuǎn)向或剎車前作出預(yù)判,提前改變轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)[7]。

2.2 姿態(tài)感應(yīng)矯正

在自行車轉(zhuǎn)向前,握力的變化因人而異,而在自行車轉(zhuǎn)向過程中,自行車會傾斜相應(yīng)角度這個事實則不會改變。因此，筆者在握力感應(yīng)的基礎(chǔ)上增加姿態(tài)傳感器用于矯正,感應(yīng)車身角度的偏差值,用于判斷實際轉(zhuǎn)向。當握力預(yù)判與實際有誤時，改變當前轉(zhuǎn)向模式,并將數(shù)據(jù)傳送至主控板。由主控板對握力感應(yīng)系統(tǒng)中用于判斷的可行域做出個性化調(diào)整,并在握力預(yù)判失誤時及時矯正。

2.3 設(shè)計啟示原理

啟示性是陌生的,但是人們能夠快速理解與學(xué)習(xí)。啟示性激發(fā)個體的意識和行為,是自動行為的心里開關(guān)。有數(shù)據(jù)表明,通過大量重復(fù)性行為模式操作,可以使用戶將有意識的操作變?yōu)闈撘庾R[8]。在自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)使用前，告知用戶轉(zhuǎn)向前握力的改變可以控制轉(zhuǎn)向燈。用戶在初期實踐中被設(shè)計所啟示,會從有意識增大握力發(fā)展為形成潛意識行為?；谝陨显O(shè)計啟示原理,配合個性化調(diào)整功能,人與系統(tǒng)進行交互,可以增強系統(tǒng)的可用性，提高用戶的滿意度。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)

自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)主要由握力傳感器、姿態(tài)傳感器、主控板、自行車左右車把套、電池組成。車把套由橡膠、塑料等材料制成,分兩層,外層可緊套在自行車兩個車把手上,內(nèi)層置于車把手孔內(nèi),中間約有23 cm3的圓柱形空間。車把套外層內(nèi)置握力傳感器,可以收集車把手上的握力數(shù)據(jù)，并傳輸至主控板。車把套一端設(shè)有雙色發(fā)光二極管轉(zhuǎn)向燈,可亮紅、黃兩種顏色。車把套內(nèi)層圓柱形空間用于放置主控板和電池。主控板上集成有姿態(tài)傳感器，進行姿態(tài)感應(yīng)。電池為整個智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)供電。兩個車把套內(nèi)置導(dǎo)線，用于連接。自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 工作流程

當自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)中兩個車把手握力感應(yīng)值為零時,系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。當車把手上握力值不為零時,系統(tǒng)啟動,姿態(tài)傳感器實時檢測姿態(tài)數(shù)據(jù),并將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至主控板。自行車在騎行時會發(fā)生左右小幅擺動,主控板基于姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷出變化情況，計算出車身初始坐標,避免車把套擺動帶來的誤差,之后以初始坐標為基礎(chǔ)，處理所有檢測到的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)。

在轉(zhuǎn)向前，主控板通過對握力隨時間變化情況分析自行車的動向。在隨時間變化時,若左車把手握力大于右車把手，并在某一可行域,則左車把手亮黃燈;若右車把手握力大于左車把手，并在某一可行域,則右車把手亮黃燈;若左右兩側(cè)車把手握力都增大至某一可行域時,則兩車把手都亮紅燈;若任意一個車把手握力變?yōu)榱?則兩車把手也都亮紅燈。右轉(zhuǎn)前后左右車把手握力變化曲線如圖2所示。在7～8 s時,右車把手握力處于右轉(zhuǎn)狀態(tài)可行域,右車把手轉(zhuǎn)向燈亮黃燈。

▲圖2 右轉(zhuǎn)前后握力變化曲線

姿態(tài)傳感器可以在同一時間作輔助判斷。當姿態(tài)傳感器未感應(yīng)到轉(zhuǎn)向或剎車這兩種狀態(tài)時,將握力傳感器獲取的信息作為主要判斷依據(jù)。當姿態(tài)傳感器判斷為轉(zhuǎn)向或剎車時,將姿態(tài)傳感器判斷結(jié)果作為主要判斷依據(jù),以此來避免握力傳感器工作中可能出現(xiàn)的錯誤判斷。

3.3 控制系統(tǒng)軟硬件

控制系統(tǒng)由握力傳感器、姿態(tài)傳感器、主控板、繼電器、雙色發(fā)光二極管燈和機械本體組成。主控板為適應(yīng)圓柱形車把手，設(shè)計為長條狀。姿態(tài)傳感器直接安裝在主控板上。主控板負責整個工作過程的控制,如信號采集與處理、發(fā)光二極管燈控制、參數(shù)調(diào)整等。姿態(tài)感應(yīng)由姿態(tài)傳感器完成,握力數(shù)據(jù)的采集由握力傳感器完成,繼電器用于休眠。

軟件設(shè)計是整個控制系統(tǒng)的核心。姿態(tài)傳感器可以通過自行車在騎行中的左右擺動及前進方向，分析得到自行車靜止狀態(tài)的坐標。將此坐標作為參考坐標,并運用旋轉(zhuǎn)矩陣描述自行車在騎行中實時坐標與參考坐標之間的相對位置關(guān)系,通過旋轉(zhuǎn)矩陣的復(fù)合變換等獲得自行車所處狀態(tài)，如左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、剎車、?？康萚9],并可通過自平衡控制系統(tǒng)過濾自行車在騎行過程中由于地面而產(chǎn)生的顛簸、搖晃等問題[10]?？刂葡到y(tǒng)運行流程如圖3所示。

▲圖3 控制系統(tǒng)運行流程

4 用途擴展

除了基本功能外，自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)還可以進行用途擴展:

(1) 返航功能。加入全球定位系統(tǒng)后,迷路時調(diào)整為返航模式,便可在遇到交叉路口通過閃爍轉(zhuǎn)向燈的方式指示所需轉(zhuǎn)向方向,通過指示返回出發(fā)地。

(2) 呼救功能。加入全球定位系統(tǒng)后,針對山地騎行愛好者,在遇到困難后開啟呼救模式，向周圍發(fā)出求救信號,并傳送當前位置。

(3) 導(dǎo)航功能。加入語音識別及語音系統(tǒng),說出目的地便可進行語音導(dǎo)航,并按目標路線在路口進行轉(zhuǎn)向前自動閃爍轉(zhuǎn)向燈。

可見，自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)可以滿足不同需求,集成化程度高,充分利用了自行車車把手的內(nèi)部空間,除設(shè)置模式外不需要進行手動操作,具有良好的發(fā)展前景。

5 結(jié)束語

筆者根據(jù)實際生活中自行車的出行需求，設(shè)計了自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)。這一系統(tǒng)應(yīng)用姿態(tài)傳感器對自行車姿態(tài)進行判斷和矯正,不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向及剎車前用于判斷握力隨時間變化的可行域，實現(xiàn)智能化和個性化。采用自行車智能化轉(zhuǎn)向燈系統(tǒng)，有助于保證人們的出行安全,避免交通事故。