基于Arduino的智慧自行车测控系统

◎首都师范大学附属中学初三（3）班 王子畅

本期点评专家

谭迪熬中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。

一、项目背景

上中学以来，我一直骑自行车上下学。在骑行过程中，经常有汽车开上非机动车道，我感到很不安全。背着沉重的书包骑车上桥上坡，我有时感觉比较吃力。能否让我的自行车自己主动观察周围情况，有危险时及时提醒，上坡吃力时帮我一把呢？因此我萌发了设计基于Arduino的智慧自行车测控系统的想法。

二、总体方案

基于Arduino的智慧自行车测控系统被安装在自行车上，可以使普通自行车变为“智慧自行车”，解决骑行过程中安全、省力和便捷性这三个方面存在的问题。

安全方面：安装在自行车尾部的双超声波传感器监测后方半径450 cm120°扇面范围内的物体，并识别车辆和行人。之后根据危险程度提醒骑行者注意安全，并警示后方车辆保持安全距离。

省力方面：薄膜压力传感器监测骑行者的蹬力和蹬踏频率，倾角传感器监测道路坡度，根据需要智能电动助力。

图1 总体方案图

便捷性方面：在灯控手柄、助力手柄完成手动控制的基础上，用离线语音识别技术实现语音指令控制和科普内容的输出，其中科普内容包括绿色出行、自行车相关的科普知识。

三、硬件组装

我用SolidWorks绘图软件设计装配模型，3D打印后分别安装在自行车的头部、车架中部、尾部、脚蹬等四个部位，然后在模型内装配电子器件，最后进行硬件的集成。

1.车头建模装配

3D打印出车头模型后，我将其固定在车把中央的位置。接着，我把前置Trig/Echo接口的超声波传感器、驻极体咪头、腔体喇叭、大灯转接板和助力转接板等电子器件装配固定在模型内。

2.尾部建模装配

我将3D打印的尾部模型固定在自行车尾部，再把夹角可调节的防水型双超声波传感器、左右动态转向灯、环形天使眼闪烁灯、激光防追尾灯等电子器件固定在模型外表面，模型内部固定电源升压模块、转接端子排等器件。

3.脚蹬建模装配

3D打印出脚蹬模型后，我将其替换原有的脚蹬，然后把薄膜压力传感器、信号调理模块、无线采集发送模块、18350可充电锂电池、电源管理模块等电子器件固定在模型内部和表面。

4.车架中部建模装配

图2 电子器件被固定在车头模型内

图3 尾部模型及装配的器件

图4 脚蹬模型及器件实物图

图5 中部建模图及实物

中部模型固定在车架中部，分内侧和外侧两个仓。我在内侧仓放置5 V/12 V双电源输出锂电池，在外侧仓放置主控板Mega2560、扩展板、6路继电器板、离线语音识别模块、三轴倾角传感器和薄膜压力传感器的无线接收模块等电子器件。

5.电动助力器选配

电动助力器电机功率为350 W，配备48 V、7.8 Ah的电池，特点是自动离合，无需干预，通过手柄控制助力速度。我将它安装在脚蹬轴下方。

6.整机设备集成

我用电源线、信号线、控制线等将各组件与主控部分连接，使系统集成为一个整体。

图6 系统集成后的整机

四、测控软件编程

测控软件包括Arduino Mega2560主控软件和离线语音识别软件。

1.主控软件

我把系统程序分成六个独立的功能模块，分别完成编程后集成为一个整体。

初始化模块对使用到的系统软硬件资源进行初始化配置。

读取输入设备数据和状态模块每隔100毫秒读取所有输入设备的数据和状态，包括尾部双超声波传感器监测的后方物体距离数据、车架中部三轴倾角传感器监测的道路坡度数据等。

人车识别、提醒警示模块判断分析尾部双超声波传感器的数据，进行人车识别并提醒警示：如果尾部单个超声波传感器监测到物体且距离较近，则判定是行人，通过IO口控制喇叭模拟音乐声提醒骑行者注意；如果尾部两个超声波传感器同时监测到物体，且双超声波传感器监测到的数据的距离差小于30 cm，则判定是车辆，通过IO口控制蜂鸣器模拟警笛声提醒骑行者注意，同时打开尾部天使眼闪烁灯和激光防追尾灯，警示后方车辆保持安全距离。

图7 主控软件流程图

图8 超声波传感器判断后方有行人

图9 双超声波传感器判断后方物体是车辆

蹬力、坡度综合分析模块统计最近3次蹬力的最大值。如果有两次超过294 N，则判断骑行者有加速意图，用语音询问是否打开电动助力。如果倾角传感器监测到正在上坡且坡度大于3%，则语音询问是否打开电动助力；如果倾角传感器监测到正在下坡且坡度大于3%，则语音提醒控制速度、注意安全。

灯控手柄输入信号响应模块和语音识别输入信号响应模块对灯控手柄操作和语音指令进行综合响应。

2.离线语音识别软件

离线语音识别软件用来识别语音指令和科普指令，并将识别的控制指令传送给主控软件进行设备控制，或直接对科普指令做出响应。

离线语音识别软件采用免代码编程方式。我先在网络开发平台上用配置的方式完成编程，再上传到服务器进行语音编译，然后下载编译的代码，用烧录器写入芯片，实现离线语音识别、应答和控制。

设备控制指令

设备控制指令用来实现语音方式对设备的控制，采用一主一备的方式以提升兼容性。用户说出指令，离线语音识别模块识别后执行控制动作，并回复应答词。安装在自行车尾部、骑行时不易观察的设备采用定时自动关闭模式，离线语音识别模块识别语音后执行控制动作，并在10秒后给主控软件发送关闭设备控制信息。

表1 设备控制指令及应答词

科普指令

科普指令以语音响应的方式输出，可在科普知识的同时提升骑行体验。科普知识被烧录在芯片中，与环保、绿色出行等有关，共有15条，在用户提问时语音输出。

五、系统测试

整机集成后，我在室内、室外进行整机试用，整体性能满足设计要求，主要指标如下：

1.超声波传感器测量范围为3～450 cm；

2.双超声波传感器人车识别率为96%；

3.薄膜压力传感器测量范围为0～490 N；

4.电动助力器工作状态：在中等油门状态下，无坡道路行驶距离为15.2 km；

5.语音识别成功率：室内安静环境下成功率大于93%，室外骑行状态下成功率大于85%。

图10 我在室内、室外进行整机测试

六、创新点

基于Arduino的智慧自行车测控系统可以主动观察分析自行车周围的情况，有危险时提醒骑行者注意，并警示后方车辆保持安全距离；会主动监测骑行者蹬力、蹬踏频率和道路坡度，在需要时电动助力；可通过语音指令控制设备，并答复执行情况；以语音对讲方式输出绿色出行、自行车等相关的科普知识。

七、完善设想

由于采用Arduino平台开发，电路之间的连接大多采用杜邦线插接，导致连接不牢固，有时候会脱落。计划之后用锁扣型扩展板替换排针型扩展板，并对线路进行相应的改动，以提高作品的可靠性。增加GPS定位和GPRS移动通信功能，让家人随时知道骑行者所在的位置。

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专家点评

王子畅同学的基于Arduino的智慧自行车测控系统，是一件颇具技术应用性的创客作品。

自行车的发明源于“U形发明法”，也就是人们常说的“生气发明法”。那是1790年的一天，法国人西弗拉克行走在巴黎的街道上。刚下过雨，路上有很多积水，突然一辆四轮马车从身后滚滚而来，他被溅了一身的泥水。遇到这种倒霉事情，别人见了都替他难过，但特别爱动脑筋的西弗拉克却反过来想：路这么窄，行人又那么多，为什么不可以把马车的构造改一改呢？……对，应当把马车顺着切掉一半，四个轮子变成前后两个轮子！他回家立马动手设计。经过反复试验，1791年，第一架代步的“木马轮”小车造出来了。后来经过人们不断改进，形成了现代自行车的样式。

然而，自行车的功能还可以拓展么？王子畅同学依据自身需求所产生的创意，设计并物化，完成了这件作品。通过这一实践过程，他的工程思维、创新能力等无疑都得到了实质性提高。