自行車智能化轉向燈系統的設計

□ 馮陸穎 □平雪良 □孫明春 □孔繁強 □任東來

1.江南大學 機械工程學院 江蘇無錫 2141222.江南大學 君遠學院 江蘇無錫 214122

1 設計背景

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向燈,因此在日常騎行過程中,經常會遇到由于騎行速度過快、突然轉向或急剎車所帶來的安全隱患。

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

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

2 工作原理

2.1 握力感應

自行車在騎行轉向前,騎車人的眼睛先接收信息,再通過大腦發出指令,人體做出相應動作來控制自行車轉向,這不是簡單的在轉彎時用左右手轉動車把手，而是潛意識的一種經驗思維和行為習慣[4]。轉向前騎行中的人們,為了在轉向時維持車身平衡,需要將車把手向轉向一側傾斜,同時人車系統向轉向一側傾斜,來克服離心力[5]。此時抓住車把手的兩手握力會發生改變，以應對維持轉向平衡。即在轉向前,一般轉向一側的手會不自覺地握得更緊,另一側的手會稍稍提起。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據,整合比對人們在騎自行車時的握力數據,得出大多數人轉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,從而在轉向或剎車前作出預判,提前改變轉向燈狀態[7]。

2.2 姿態感應矯正

在自行車轉向前,握力的變化因人而異,而在自行車轉向過程中,自行車會傾斜相應角度這個事實則不會改變。因此，筆者在握力感應的基礎上增加姿態傳感器用于矯正,感應車身角度的偏差值,用于判斷實際轉向。當握力預判與實際有誤時，改變當前轉向模式,并將數據傳送至主控板。由主控板對握力感應系統中用于判斷的可行域做出個性化調整,并在握力預判失誤時及時矯正。

2.3 設計啟示原理

啟示性是陌生的,但是人們能夠快速理解與學習。啟示性激發個體的意識和行為,是自動行為的心里開關。有數據表明,通過大量重復性行為模式操作,可以使用戶將有意識的操作變為潛意識[8]。在自行車智能化轉向燈系統使用前，告知用戶轉向前握力的改變可以控制轉向燈。用戶在初期實踐中被設計所啟示,會從有意識增大握力發展為形成潛意識行為。基于以上設計啟示原理,配合個性化調整功能,人與系統進行交互,可以增強系統的可用性，提高用戶的滿意度。

3 系統設計

3.1 結構

自行車智能化轉向燈系統主要由握力傳感器、姿態傳感器、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,內層置于車把手孔內,中間約有23 cm3的圓柱形空間。車把套外層內置握力傳感器,可以收集車把手上的握力數據，并傳輸至主控板。車把套一端設有雙色發光二極管轉向燈,可亮紅、黃兩種顏色。車把套內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傳感器，進行姿態感應。電池為整個智能化轉向燈系統供電。兩個車把套內置導線，用于連接。自行車智能化轉向燈系統結構如圖1所示。

▲圖1 自行車智能化轉向燈系統結構

3.2 工作流程

當自行車智能化轉向燈系統中兩個車把手握力感應值為零時,系統處于休眠狀態。當車把手上握力值不為零時,系統啟動,姿態傳感器實時檢測姿態數據,并將所采集的數據發送至主控板。自行車在騎行時會發生左右小幅擺動,主控板基于姿態數據判斷出變化情況，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，處理所有檢測到的實時姿態數據。

在轉向前，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為零,則兩車把手也都亮紅燈。右轉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狀態可行域,右車把手轉向燈亮黃燈。

▲圖2 右轉前后握力變化曲線

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

3.3 控制系統軟硬件

控制系統由握力傳感器、姿態傳感器、主控板、繼電器、雙色發光二極管燈和機械本體組成。主控板為適應圓柱形車把手，設計為長條狀。姿態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、發光二極管燈控制、參數調整等。姿態感應由姿態傳感器完成,握力數據的采集由握力傳感器完成,繼電器用于休眠。

軟件設計是整個控制系統的核心。姿態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的坐標。將此坐標作為參考坐標,并運用旋轉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系,通過旋轉矩陣的復合變換等獲得自行車所處狀態，如左轉、右轉、剎車、停靠等[9],并可通過自平衡控制系統過濾自行車在騎行過程中由于地面而產生的顛簸、搖晃等問題[10]。控制系統運行流程如圖3所示。

▲圖3 控制系統運行流程

4 用途擴展

除了基本功能外，自行車智能化轉向燈系統還可以進行用途擴展:

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

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

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

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

5 結束語

筆者根據實際生活中自行車的出行需求，設計了自行車智能化轉向燈系統。這一系統應用姿態傳感器對自行車姿態進行判斷和矯正,不斷調整轉向及剎車前用于判斷握力隨時間變化的可行域，實現智能化和個性化。采用自行車智能化轉向燈系統，有助于保證人們的出行安全,避免交通事故。