自行车智能化转向灯系统的设计

□ 冯陆颖 □平雪良 □孙明春 □孔繁强 □任东来

1.江南大学 机械工程学院 江苏无锡 2141222.江南大学 君远学院 江苏无锡 214122

1 设计背景

在日常生活中,自行车是许多市民选择的代步工具及锻炼器材,然而很少有自行车安装转向灯,因此在日常骑行过程中,经常会遇到由于骑行速度过快、突然转向或急刹车所带来的安全隐患。

目前，已有众多技术人员针对自行车骑行的安全问题设计了转向装置,如专为夜间骑行设计的投影转向灯[1]、骑行佩戴的手套式转向灯[2]、便携式无线控制转向灯腰包[3]等。但是，这些设计都不方便使用,如投影转向灯需要骑行前连接移动电话中的软件,手套式转向灯、便携式无线控制转向灯需要随身携带。

普通的转向灯需要手动操作,较为麻烦,加之许多人没有养成骑非机动车打转向灯的习惯,因此市面上大多数自行车都没有转向灯，转向灯装置无法普及。针对这一问题,笔者设计了一种自行车智能化转向灯系统,通过感应自行车两个车把手间的握力，提前预判自行车动向,同时应用姿态传感器进行自行车姿态判断与矫正,准确控制自行车车把手末端的转向灯按要求闪烁,实现转向灯的智能化控制。

2 工作原理

2.1 握力感应

自行车在骑行转向前,骑车人的眼睛先接收信息,再通过大脑发出指令,人体做出相应动作来控制自行车转向,这不是简单的在转弯时用左右手转动车把手，而是潜意识的一种经验思维和行为习惯[4]。转向前骑行中的人们,为了在转向时维持车身平衡,需要将车把手向转向一侧倾斜,同时人车系统向转向一侧倾斜,来克服离心力[5]。此时抓住车把手的两手握力会发生改变，以应对维持转向平衡。即在转向前,一般转向一侧的手会不自觉地握得更紧,另一侧的手会稍稍提起。在刹车时，两手则紧握车把手。通过使用握力传感器,可以检测出这类动作场景对肌肉收缩的隐式影响[6]。笔者提出通过采集大数据,整合比对人们在骑自行车时的握力数据,得出大多数人转向前握力随时间变化的可行域,以及刹车前握力随时间变化的可行域,从而在转向或刹车前作出预判,提前改变转向灯状态[7]。

2.2 姿态感应矫正

在自行车转向前,握力的变化因人而异,而在自行车转向过程中,自行车会倾斜相应角度这个事实则不会改变。因此，笔者在握力感应的基础上增加姿态传感器用于矫正,感应车身角度的偏差值,用于判断实际转向。当握力预判与实际有误时，改变当前转向模式,并将数据传送至主控板。由主控板对握力感应系统中用于判断的可行域做出个性化调整,并在握力预判失误时及时矫正。

2.3 设计启示原理

启示性是陌生的,但是人们能够快速理解与学习。启示性激发个体的意识和行为,是自动行为的心里开关。有数据表明,通过大量重复性行为模式操作,可以使用户将有意识的操作变为潜意识[8]。在自行车智能化转向灯系统使用前，告知用户转向前握力的改变可以控制转向灯。用户在初期实践中被设计所启示,会从有意识增大握力发展为形成潜意识行为。基于以上设计启示原理,配合个性化调整功能,人与系统进行交互,可以增强系统的可用性，提高用户的满意度。

3 系统设计

3.1 结构

自行车智能化转向灯系统主要由握力传感器、姿态传感器、主控板、自行车左右车把套、电池组成。车把套由橡胶、塑料等材料制成,分两层,外层可紧套在自行车两个车把手上,内层置于车把手孔内,中间约有23 cm3的圆柱形空间。车把套外层内置握力传感器,可以收集车把手上的握力数据，并传输至主控板。车把套一端设有双色发光二极管转向灯,可亮红、黄两种颜色。车把套内层圆柱形空间用于放置主控板和电池。主控板上集成有姿态传感器，进行姿态感应。电池为整个智能化转向灯系统供电。两个车把套内置导线，用于连接。自行车智能化转向灯系统结构如图1所示。

▲图1 自行车智能化转向灯系统结构

3.2 工作流程

当自行车智能化转向灯系统中两个车把手握力感应值为零时,系统处于休眠状态。当车把手上握力值不为零时,系统启动,姿态传感器实时检测姿态数据,并将所采集的数据发送至主控板。自行车在骑行时会发生左右小幅摆动,主控板基于姿态数据判断出变化情况，计算出车身初始坐标,避免车把套摆动带来的误差,之后以初始坐标为基础，处理所有检测到的实时姿态数据。

在转向前，主控板通过对握力随时间变化情况分析自行车的动向。在随时间变化时,若左车把手握力大于右车把手，并在某一可行域,则左车把手亮黄灯;若右车把手握力大于左车把手，并在某一可行域,则右车把手亮黄灯;若左右两侧车把手握力都增大至某一可行域时,则两车把手都亮红灯;若任意一个车把手握力变为零,则两车把手也都亮红灯。右转前后左右车把手握力变化曲线如图2所示。在7～8 s时,右车把手握力处于右转状态可行域,右车把手转向灯亮黄灯。

▲图2 右转前后握力变化曲线

姿态传感器可以在同一时间作辅助判断。当姿态传感器未感应到转向或刹车这两种状态时,将握力传感器获取的信息作为主要判断依据。当姿态传感器判断为转向或刹车时,将姿态传感器判断结果作为主要判断依据,以此来避免握力传感器工作中可能出现的错误判断。

3.3 控制系统软硬件

控制系统由握力传感器、姿态传感器、主控板、继电器、双色发光二极管灯和机械本体组成。主控板为适应圆柱形车把手，设计为长条状。姿态传感器直接安装在主控板上。主控板负责整个工作过程的控制,如信号采集与处理、发光二极管灯控制、参数调整等。姿态感应由姿态传感器完成,握力数据的采集由握力传感器完成,继电器用于休眠。

软件设计是整个控制系统的核心。姿态传感器可以通过自行车在骑行中的左右摆动及前进方向，分析得到自行车静止状态的坐标。将此坐标作为参考坐标,并运用旋转矩阵描述自行车在骑行中实时坐标与参考坐标之间的相对位置关系,通过旋转矩阵的复合变换等获得自行车所处状态，如左转、右转、刹车、停靠等[9],并可通过自平衡控制系统过滤自行车在骑行过程中由于地面而产生的颠簸、摇晃等问题[10]。控制系统运行流程如图3所示。

▲图3 控制系统运行流程

4 用途扩展

除了基本功能外，自行车智能化转向灯系统还可以进行用途扩展:

(1) 返航功能。加入全球定位系统后,迷路时调整为返航模式,便可在遇到交叉路口通过闪烁转向灯的方式指示所需转向方向,通过指示返回出发地。

(2) 呼救功能。加入全球定位系统后,针对山地骑行爱好者,在遇到困难后开启呼救模式，向周围发出求救信号,并传送当前位置。

(3) 导航功能。加入语音识别及语音系统,说出目的地便可进行语音导航,并按目标路线在路口进行转向前自动闪烁转向灯。

可见，自行车智能化转向灯系统可以满足不同需求,集成化程度高,充分利用了自行车车把手的内部空间,除设置模式外不需要进行手动操作,具有良好的发展前景。

5 结束语

笔者根据实际生活中自行车的出行需求，设计了自行车智能化转向灯系统。这一系统应用姿态传感器对自行车姿态进行判断和矫正,不断调整转向及刹车前用于判断握力随时间变化的可行域，实现智能化和个性化。采用自行车智能化转向灯系统，有助于保证人们的出行安全,避免交通事故。