自行车导航系统的开发与应用

李宛津 张林

摘 要：自行车导航系统的开发分为移动端app和导航部件，硬件部分主要包括CC2650主控板，电子墨水屏模块，mpu6050模块。改论文介绍了实现自行车导航的原理同时系统实现的可能性，并对整体项目规划提供思路及原理框图。设计的创新之处在于运用惯导技术使短路程，低速的导航更为精确，同时通过低耗模块的使用，装置更为高续航，以及便携，在app端也更加人性化。

关键词：自行车导航;硬件电路;移动app

0 引言

随着生活水平的提高，人们渐渐开始重视生活品质，其中骑行旅游成为热门项目。但是统传的导航，其导航的精确度是10-15米，对于骑行用户而言，精确度太低，同时传统导航过于依赖手机，这样一方面人们难免会在骑行时关注手机，从而使行车人的安全受到威胁，另有一方面，很消耗手机的电量，其续航能力不高，甚至可能出现骑行时手机没电的窘境。在导航系统中，对于app端增加了约骑，分享的功能，可以随意发布些游记，增强骑行的趣味性。同时，还增加了硬件设备，减少用户对手机的过分依赖，能够增加导航的精确度，能够在无WiFi情况下，进行导航和原路返回。因此，有效，安全，实用的导航系统成为了我们这项设计的关键问题。

1 工作原理

基于导航的基本需求，考虑设计了三个主要部分的功能，分别是基础性需求、表现性需求和社交性需求。基础性需求：1. 精确导航  2.原路返回 3.导航提醒 4.超长续航

基础性需求主要是硬件导航的实现，通过对百度的SDK组件进行二次开发，并引入了六轴陀螺仪来实现精确导航。首先在app填入初始位置和终点位置，在移动端进行路线计算，提供宏指针，将其传输到CC2650即硬件端，在接受到信息后，启用mpu6050运用惯性导航技术进行计步，并且提供微指针，该指针一方面与宏指针进行校对修改，同时将对应的路程信息进行预封装存于主板中，当处于无Wi-Fi时需要原路返回时，调用信息进行，进行微指针累加导航，另一方面传输电子墨水屏端，墨水屏接受信息，根据提示调用内存中对应的指示图片，进行导航提醒。

为了做到超长续航，在开发过程中所使用的显示屏是墨水屏。据了解墨水屏只有在刷新导航信息时才会产生耗电。除此之外还运用到了CC2650，其内置的MCU（微处理器）与蓝牙一体，MCU可直接驱动墨水屏，剩余引脚连接六轴陀螺仪。且CC2650设有看门狗电路，可以实现一键全开机，一键全关机，激活只需要一个蓝牙信号。且CC2650的输入电流0.1安，拿目前用到的2000毫安电池来计算，该装置可以实现在一次充电，使用一年。这样的设计最大程度保障了该系统的续航能力。此外，在充电问题上，由于外壳上做了防水处理，设计中将在装置内安装运用无线充电板，来实现无线充电。

2 硬件电路设计

2.1 CC2650 工作原理

CC2650 器件是一款面向 Bluetooth Smart、 ZigBee和 6LoWPAN，以及 ZigBee RF4CE 远程控制应用的无线 MCU。该器件可以确保产品电池的使用寿命，同时适合小型纽扣电池来提供电流，为产品体积大小提供了便捷优势。

2.2 MPU6050 电路

MPU6050模块内部自带电压稳定电路，可以兼容 3.3V/5V 的嵌入式系统，连接方便。该模块保留了 MPU6050 的 I2C 接口，满足了高级用户希望访问底层测量数据的需求。模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，这一样的结合能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度 0.01 度，稳定性极高，性能甚至优于某些专业的倾角仪。

2.3 e-paper水墨屏工作原理

电子墨水屏（或称水墨屏，E-Ink）是一种由大量细小微胶囊组成的电泳显示器，可分为有源矩阵和无源矩阵两种形式。在环境光线较强的情况下，电子墨水屏克服了传统的液晶屏容易反光的先天不足。另外，电子墨水屏还能够弥补传统液晶屏容易引起视觉疲劳的缺陷。同时，传统的液晶屏是需要不断刷新图像的，所以能耗较大，而电子墨水屏可以让图像有效地保持在屏幕上，只有在刷新时才消耗电能，极大程度的降低了系统功耗。因此，运用墨水屏能够很好的降低了能耗。

3 移动端功能模块

自行车导航装置的app端主要用来满足用户的表现需求和社交性需求。设有精准导航、游记生成以及用户约骑等功能。软件系统框图如图所示

3.1精确导航的实现

统传的导航，其导航的精确度是10-15米，对于骑行用户而言，精确度太低，很有可能错过转弯路口而影响行程，同时传统导航过于依赖手机，这样一方面人们难免会在骑行时关注手机，从而使行车人的安全受到威胁，另有一方面，很消耗手机的电量，其续航能力不高，甚至可能出现骑行时手机没电的窘境。因此该套装置通过六轴陀螺仪进行自行距离测算的同时，通过手机导航进行宏观把控校准，实现宏观与微观相结合来进行精确计算，将导航精确度提升至3-5米，同时装置置放于车把，通过蓝牙将手机路线传输以提高用户安全系数。

3.2 游记生成与分享

在用户骑行的过程中，该软件会对用户骑行的路线、导航信息进行实时记录。骑行结束后，将在RDING应用内提供的模板进行自行選择。同时添加沿途拍摄的风景照片，应用将自动生成骑行游记。这时，用户只需一键分享他的轻生活理念与骑行体验即可记录这段旅程，同时提供给更多旅友新的骑行路线及方案。

3.3 约骑功能

早在2017年1月共享单车用户使用目的分析中就提到，骑行社交的用户占比就已达16.20%。而骑行的确是一项健康而又新兴的社交方式。空闲的时间，如果想约上三五人结伴游周边，骑着单车一起享受轻生活，而又苦恼于没有找到志同道合的同行朋友，这是便能用上了这一功能。约骑方案的设计为用户提供了这样一个功能，可以根据个人需求进行描述及发布约骑消息，找到志同道合的旅友完成一场说走就走的骑行之旅。

3.4 防脱队提醒

经调查发现在团体骑行中，时常会发生因为成员速度不一致而导致的成员脱队现象。所以该系统通过蓝牙实现自由组网。任意两个设备都可通过自组网连接，当有成员脱离其余任何成员超过十五米时，它就会发出提醒。这样的设计大大提高了团体骑行的效率以及安全程度。

4 结语

该项目是用于导航的一款智能硬件设备以及相关拓展的可穿戴设备，严格意义上并不是一套设备，而是用于骑行的以导航为基础功能的应用系统。该自行车导航系统由两个主要部分组成：智能导航硬件装置以及手机端的骑行应用。我们的系统，在传统的导航系统上还增加了原路返回，隊员搜索，约骑等功能，此外，还提高了续航能力，这样用户即使在没有信号的情况下走丢，也能通过这个系统找到回家的路。

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国家级大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：201810065022）.