能投影的智能自行車尾燈

北京市海淀區(qū)上地實驗小學 王奕潼

發(fā)明背景：

我很喜歡騎自行車，借助自行車可以方便、快捷地抵達目的地。偶爾與同學進行的自行車比賽，也給我?guī)砹嗽S多樂趣。

有一天，爸爸給我買了一個自行車尾燈，上面有按鈕和LED 箭頭標志。按下按鈕后箭頭標志中的LED 燈不斷閃爍，可在夜間引起周邊人員和車輛的注意。于是，我把這個自行車尾燈安裝在自行車后座的支架上，保障夜間騎行安全。

一天晚上，我停好自行車，走了十來米后才察覺忘記關自行車尾燈了。在返回的路上，我發(fā)現(xiàn)這種自行車尾燈尺寸較小，距離稍遠時只能看到一個模糊的光團，箭頭標志更是看不清，而且LED 燈閃爍形式較單一，不會因騎行狀態(tài)變化而變化。

因此，我決定設計智能自行車尾燈，它的智能化程度高，提醒效果好，能根據(jù)自行車剎車、轉(zhuǎn)向等騎行狀態(tài)自動發(fā)出準確而清晰的警示信號。

圖1 近距離與遠距離觀察自行車尾燈的效果

設計思路：

我從家用轎車車門的迎賓燈激光投影受到啟發(fā)，想到可以將自行車尾燈警示標志或預設圖案投影在自行車后方地面上，并增大投影尺寸，使尾燈警示信息更加醒目，有效提醒后方車輛注意。

為了測試投影的效果，我購買了2 支激光筆，將其固定在自行車后座的支架上，并分別設置2 支筆的投射方向，使其剛好相反，之后觀察地面投影的變化。我發(fā)現(xiàn)隨著自行車傾斜角度的變化，地面投影與自行車的距離會不斷變化，地面投影尺寸和位置也會發(fā)生變化，如圖2 所示。

圖2 地面投影隨自行車車身傾斜角度變化而改變的示意圖

如何解決上述問題，同時增強自行車尾燈對剎車、轉(zhuǎn)向等騎行狀態(tài)的智能提醒效果呢？我決定利用主控板、加速度傳感器等部件制作自行車智能投影尾燈，這種尾燈能夠根據(jù)車身傾斜程度自動調(diào)整投影角度，保證投影圖案的相對穩(wěn)定，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向自動檢測、剎車自動檢測等功能，并改變投影燈的顏色。

作品結(jié)構(gòu)：

自行車智能投影尾燈采用三棱柱結(jié)構(gòu)，由自穩(wěn)結(jié)構(gòu)（外殼、轉(zhuǎn)軸）、控制系統(tǒng)（水銀開關、加速度傳感器、主控板）、投影燈組（投影燈、透鏡）、電源系統(tǒng)（電池、充電系統(tǒng)）構(gòu)成。

圖3 自行車智能投影尾燈結(jié)構(gòu)圖

自穩(wěn)結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)軸固定在自行車后座的支架上，尾燈重心在自穩(wěn)結(jié)構(gòu)的對稱軸上，可保證自行車車身傾斜時尾燈投影方向不變。

兩個水銀開關分別裝在尾燈內(nèi)部兩側(cè)。調(diào)整水銀開關的放置角度，通過檢測水銀開關的接通與斷開狀態(tài)，可間接知曉自行車的轉(zhuǎn)向。當自行車正常行駛時，水銀開關為斷開狀態(tài)，而當車輛轉(zhuǎn)彎時，一側(cè)的水銀開關為接通狀態(tài)。

加速度傳感器可測量自行車行駛時的加速度，若加速度大于設定閾值，可以判斷自行車存在剎車行為。

投影燈為3 個高亮度的全彩LED燈，能夠根據(jù)主控板的控制信號發(fā)出不同顏色的光，利用光學透鏡將光線匯聚并放大投影到地面上。

制作過程：

我在老師和家長的幫助下，用SolidWorks 軟件繪制基本的3D 模型圖，將尾燈分解為9 個結(jié)構(gòu)零部件，完成模型的初步設計。

圖4 自行車智能投影尾燈3D 模型圖

之后，將設計好的3D 模型圖發(fā)送給3D 打印廠家，由廠家進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。與廠家溝通預留各類控制板和測量模塊的位置，得到3D 打印的結(jié)構(gòu)部件，隨后進行組裝。

我在可自由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸內(nèi)加入阻尼脂，將轉(zhuǎn)軸與尾燈外殼組裝在一起。再將3 個全彩LED 燈分別裝在尾燈的左側(cè)、中間、右側(cè)（可實現(xiàn)3 個方向的投影），并將它們與燈光驅(qū)動器相連，由驅(qū)動器供電和控制發(fā)光。

采用三燈組合的投影燈組，設計不同騎行狀態(tài)下LED 燈閃光模式及發(fā)光顏色，比如自行車即將左轉(zhuǎn)時，右側(cè)的LED 燈發(fā)出綠光，中間的LED 燈發(fā)出紅光，左側(cè)的LED 燈發(fā)出黃光，表示右側(cè)為安全區(qū)域，允許后方車輛通過，左側(cè)為危險區(qū)域。

圖5 自行車智能投影尾燈LED 燈發(fā)光顏色組合

在全彩LED 燈上安裝由5 個光學透鏡組成的光學透鏡組合。

將Arduino 開發(fā)板作為主控板，獲取加速度傳感器的測量值，通過設定程序給出投影燈組的控制信號。目前利用水銀開關可實現(xiàn)自行車車身傾斜30°至70°的自動檢測。通過可充電電池給加速度傳感器、水銀開關、投影燈組以及主控板供電。

最后，采用C 語言對Arduino開發(fā)板進行編程。Arduino 開發(fā)板不斷采集加速度傳感器、水銀開關的信號，實時根據(jù)設定數(shù)值進行判斷，由此獲知自行車騎行狀態(tài)，進而根據(jù)不同的條件控制投影燈組。

我將自行車智能投影尾燈安裝在自行車后座，再進行測試，效果達到了預期。

圖6 作品實物圖

圖7 自行車智能投影尾燈被安裝在自行車后座的使用效果

圖8 自行車智能投影尾燈測試效果圖（分別表示自行車即將左轉(zhuǎn)、剎車、右轉(zhuǎn)）

創(chuàng)新點：

自行車智能投影尾燈集成了多種自動提醒功能，如剎車自動提醒、轉(zhuǎn)向自動提醒等。投影燈組的閃光及顏色變換模式具有針對性，投影燈射向可自動調(diào)整，投影警示效果較好，能有效提醒后方車輛注意。

老師推薦：

王奕潼同學善于思考、敢于嘗試，從自行車騎行安全角度出發(fā)，巧妙利用速度傳感器、重力自穩(wěn)結(jié)構(gòu)等組件發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)簡單、智能、實用的自行車尾燈。作品創(chuàng)新性強，具有很好的應用前景。