基于Arduino的智慧自行車測控系統(tǒng)

◎首都師范大學(xué)附屬中學(xué)初三（3）班 王子暢

本期點評專家

譚迪熬中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

一、項目背景

上中學(xué)以來，我一直騎自行車上下學(xué)。在騎行過程中，經(jīng)常有汽車開上非機(jī)動車道，我感到很不安全。背著沉重的書包騎車上橋上坡，我有時感覺比較吃力。能否讓我的自行車自己主動觀察周圍情況，有危險時及時提醒，上坡吃力時幫我一把呢？因此我萌發(fā)了設(shè)計基于Arduino的智慧自行車測控系統(tǒng)的想法。

二、總體方案

基于Arduino的智慧自行車測控系統(tǒng)被安裝在自行車上，可以使普通自行車變?yōu)椤爸腔圩孕熊嚒?，解決騎行過程中安全、省力和便捷性這三個方面存在的問題。

安全方面：安裝在自行車尾部的雙超聲波傳感器監(jiān)測后方半徑450 cm120°扇面范圍內(nèi)的物體，并識別車輛和行人。之后根據(jù)危險程度提醒騎行者注意安全，并警示后方車輛保持安全距離。

省力方面：薄膜壓力傳感器監(jiān)測騎行者的蹬力和蹬踏頻率，傾角傳感器監(jiān)測道路坡度，根據(jù)需要智能電動助力。

圖1 總體方案圖

便捷性方面：在燈控手柄、助力手柄完成手動控制的基礎(chǔ)上，用離線語音識別技術(shù)實現(xiàn)語音指令控制和科普內(nèi)容的輸出，其中科普內(nèi)容包括綠色出行、自行車相關(guān)的科普知識。

三、硬件組裝

我用SolidWorks繪圖軟件設(shè)計裝配模型，3D打印后分別安裝在自行車的頭部、車架中部、尾部、腳蹬等四個部位，然后在模型內(nèi)裝配電子器件，最后進(jìn)行硬件的集成。

1.車頭建模裝配

3D打印出車頭模型后，我將其固定在車把中央的位置。接著，我把前置Trig/Echo接口的超聲波傳感器、駐極體咪頭、腔體喇叭、大燈轉(zhuǎn)接板和助力轉(zhuǎn)接板等電子器件裝配固定在模型內(nèi)。

2.尾部建模裝配

我將3D打印的尾部模型固定在自行車尾部，再把夾角可調(diào)節(jié)的防水型雙超聲波傳感器、左右動態(tài)轉(zhuǎn)向燈、環(huán)形天使眼閃爍燈、激光防追尾燈等電子器件固定在模型外表面，模型內(nèi)部固定電源升壓模塊、轉(zhuǎn)接端子排等器件。

3.腳蹬建模裝配

3D打印出腳蹬模型后，我將其替換原有的腳蹬，然后把薄膜壓力傳感器、信號調(diào)理模塊、無線采集發(fā)送模塊、18350可充電鋰電池、電源管理模塊等電子器件固定在模型內(nèi)部和表面。

4.車架中部建模裝配

圖2 電子器件被固定在車頭模型內(nèi)

圖3 尾部模型及裝配的器件

圖4 腳蹬模型及器件實物圖

圖5 中部建模圖及實物

中部模型固定在車架中部，分內(nèi)側(cè)和外側(cè)兩個倉。我在內(nèi)側(cè)倉放置5 V/12 V雙電源輸出鋰電池，在外側(cè)倉放置主控板Mega2560、擴(kuò)展板、6路繼電器板、離線語音識別模塊、三軸傾角傳感器和薄膜壓力傳感器的無線接收模塊等電子器件。

5.電動助力器選配

電動助力器電機(jī)功率為350 W，配備48 V、7.8 Ah的電池，特點是自動離合，無需干預(yù)，通過手柄控制助力速度。我將它安裝在腳蹬軸下方。

6.整機(jī)設(shè)備集成

我用電源線、信號線、控制線等將各組件與主控部分連接，使系統(tǒng)集成為一個整體。

圖6 系統(tǒng)集成后的整機(jī)

四、測控軟件編程

測控軟件包括Arduino Mega2560主控軟件和離線語音識別軟件。

1.主控軟件

我把系統(tǒng)程序分成六個獨立的功能模塊，分別完成編程后集成為一個整體。

初始化模塊對使用到的系統(tǒng)軟硬件資源進(jìn)行初始化配置。

讀取輸入設(shè)備數(shù)據(jù)和狀態(tài)模塊每隔100毫秒讀取所有輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，包括尾部雙超聲波傳感器監(jiān)測的后方物體距離數(shù)據(jù)、車架中部三軸傾角傳感器監(jiān)測的道路坡度數(shù)據(jù)等。

人車識別、提醒警示模塊判斷分析尾部雙超聲波傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行人車識別并提醒警示：如果尾部單個超聲波傳感器監(jiān)測到物體且距離較近，則判定是行人，通過IO口控制喇叭模擬音樂聲提醒騎行者注意；如果尾部兩個超聲波傳感器同時監(jiān)測到物體，且雙超聲波傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)的距離差小于30 cm，則判定是車輛，通過IO口控制蜂鳴器模擬警笛聲提醒騎行者注意，同時打開尾部天使眼閃爍燈和激光防追尾燈，警示后方車輛保持安全距離。

圖7 主控軟件流程圖

圖8 超聲波傳感器判斷后方有行人

圖9 雙超聲波傳感器判斷后方物體是車輛

蹬力、坡度綜合分析模塊統(tǒng)計最近3次蹬力的最大值。如果有兩次超過294 N，則判斷騎行者有加速意圖，用語音詢問是否打開電動助力。如果傾角傳感器監(jiān)測到正在上坡且坡度大于3%，則語音詢問是否打開電動助力；如果傾角傳感器監(jiān)測到正在下坡且坡度大于3%，則語音提醒控制速度、注意安全。

燈控手柄輸入信號響應(yīng)模塊和語音識別輸入信號響應(yīng)模塊對燈控手柄操作和語音指令進(jìn)行綜合響應(yīng)。

2.離線語音識別軟件

離線語音識別軟件用來識別語音指令和科普指令，并將識別的控制指令傳送給主控軟件進(jìn)行設(shè)備控制，或直接對科普指令做出響應(yīng)。

離線語音識別軟件采用免代碼編程方式。我先在網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺上用配置的方式完成編程，再上傳到服務(wù)器進(jìn)行語音編譯，然后下載編譯的代碼，用燒錄器寫入芯片，實現(xiàn)離線語音識別、應(yīng)答和控制。

設(shè)備控制指令

設(shè)備控制指令用來實現(xiàn)語音方式對設(shè)備的控制，采用一主一備的方式以提升兼容性。用戶說出指令，離線語音識別模塊識別后執(zhí)行控制動作，并回復(fù)應(yīng)答詞。安裝在自行車尾部、騎行時不易觀察的設(shè)備采用定時自動關(guān)閉模式，離線語音識別模塊識別語音后執(zhí)行控制動作，并在10秒后給主控軟件發(fā)送關(guān)閉設(shè)備控制信息。

表1 設(shè)備控制指令及應(yīng)答詞

科普指令

科普指令以語音響應(yīng)的方式輸出，可在科普知識的同時提升騎行體驗?？破罩R被燒錄在芯片中，與環(huán)保、綠色出行等有關(guān)，共有15條，在用戶提問時語音輸出。

五、系統(tǒng)測試

整機(jī)集成后，我在室內(nèi)、室外進(jìn)行整機(jī)試用，整體性能滿足設(shè)計要求，主要指標(biāo)如下：

1.超聲波傳感器測量范圍為3～450 cm；

2.雙超聲波傳感器人車識別率為96%；

3.薄膜壓力傳感器測量范圍為0～490 N；

4.電動助力器工作狀態(tài)：在中等油門狀態(tài)下，無坡道路行駛距離為15.2 km；

5.語音識別成功率：室內(nèi)安靜環(huán)境下成功率大于93%，室外騎行狀態(tài)下成功率大于85%。

圖10 我在室內(nèi)、室外進(jìn)行整機(jī)測試

六、創(chuàng)新點

基于Arduino的智慧自行車測控系統(tǒng)可以主動觀察分析自行車周圍的情況，有危險時提醒騎行者注意，并警示后方車輛保持安全距離；會主動監(jiān)測騎行者蹬力、蹬踏頻率和道路坡度，在需要時電動助力；可通過語音指令控制設(shè)備，并答復(fù)執(zhí)行情況；以語音對講方式輸出綠色出行、自行車等相關(guān)的科普知識。

七、完善設(shè)想

由于采用Arduino平臺開發(fā)，電路之間的連接大多采用杜邦線插接，導(dǎo)致連接不牢固，有時候會脫落。計劃之后用鎖扣型擴(kuò)展板替換排針型擴(kuò)展板，并對線路進(jìn)行相應(yīng)的改動，以提高作品的可靠性。增加GPS定位和GPRS移動通信功能，讓家人隨時知道騎行者所在的位置。

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專家點評

王子暢同學(xué)的基于Arduino的智慧自行車測控系統(tǒng)，是一件頗具技術(shù)應(yīng)用性的創(chuàng)客作品。

自行車的發(fā)明源于“U形發(fā)明法”，也就是人們常說的“生氣發(fā)明法”。那是1790年的一天，法國人西弗拉克行走在巴黎的街道上。剛下過雨，路上有很多積水，突然一輛四輪馬車從身后滾滾而來，他被濺了一身的泥水。遇到這種倒霉事情，別人見了都替他難過，但特別愛動腦筋的西弗拉克卻反過來想：路這么窄，行人又那么多，為什么不可以把馬車的構(gòu)造改一改呢？……對，應(yīng)當(dāng)把馬車順著切掉一半，四個輪子變成前后兩個輪子！他回家立馬動手設(shè)計。經(jīng)過反復(fù)試驗，1791年，第一架代步的“木馬輪”小車造出來了。后來經(jīng)過人們不斷改進(jìn)，形成了現(xiàn)代自行車的樣式。

然而，自行車的功能還可以拓展么？王子暢同學(xué)依據(jù)自身需求所產(chǎn)生的創(chuàng)意，設(shè)計并物化，完成了這件作品。通過這一實踐過程，他的工程思維、創(chuàng)新能力等無疑都得到了實質(zhì)性提高。