曾光 黃玉萍 丁宇凌

摘 ?要：在國(guó)家大力倡導(dǎo)低碳環(huán)保出行的背景下，越來(lái)越多的自行車(chē)行駛在馬路上，文章對(duì)自行車(chē)行駛過(guò)程中的安全問(wèn)題進(jìn)行了研究，報(bào)告了現(xiàn)有自行車(chē)一般都沒(méi)有尾燈等警示裝置（或尾燈設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單）。為此對(duì)可提高自行車(chē)行駛安全性的安全設(shè)施進(jìn)行了調(diào)查，設(shè)計(jì)出一款基于機(jī)械感知和語(yǔ)音控制技術(shù)的自行車(chē)智慧車(chē)燈系統(tǒng)。通過(guò)3D炫屏的方式顯示剎車(chē)及轉(zhuǎn)向等信號(hào)，有效解決了上述問(wèn)題，以此減少交通事故率，讓綠色出行更安全、更可靠。

關(guān)鍵詞：自行車(chē);智慧車(chē)燈;語(yǔ)音控制;3D炫屏;機(jī)械感知

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311;U484 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）12-0059-05

Abstract： Under the background that the state strongly advocates low-carbon and environment-friendly travel， more and more bicycles are driving on the road. This paper studies the safety problems in the process of bicycle driving， and reports that the existing bicycles generally do not have tail lights and other warning devices （or the tail lights are simple in design）. Therefore， the safety facilities that can improve the safety of bicycle driving are investigated， a bicycle intelligent lamp system based on mechanical perception and voice control technology is designed. The above problems are effectively solved by displaying braking， steering and other signals in the way of 3D dazzling screen， so as to reduce the traffic accident rate and make green travel mare safer， more reliable.

Keywords： bicycle; intelligent lamp; voice control; 3D dazzling screen; mechanical perception

0 ?引 ?言

自行車(chē)騎行是一項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)，在日常生活中人們可以把騎自行車(chē)當(dāng)作一種有效的鍛煉身體的方式，騎自行車(chē)不但可以減肥，還可使身材勻稱(chēng)，并且不受時(shí)間和速度約束。騎自行車(chē)屬有氧運(yùn)動(dòng)，不但可以強(qiáng)化心臟功能，還能防止高血壓的發(fā)生，有時(shí)其作用甚至比藥物更明顯。踩踏自行車(chē)會(huì)壓縮血管，使得騎行者的血液循環(huán)加速，其大腦中將攝入更多的氧氣，覺(jué)得頭腦更清明。騎在自行車(chē)上，你會(huì)感到十分自由且暢快無(wú)比。自行車(chē)不再只是一種代步工具，更是可愉悅騎行者心靈的一種方式。

運(yùn)動(dòng)專(zhuān)家指出，由于自行車(chē)運(yùn)動(dòng)的特殊要求，手臂和軀干多為靜力性的工作，兩腿多為動(dòng)力性的工作，在血液重新分配時(shí)，下肢的血液供給量較多，心率的變化也依據(jù)踏蹬動(dòng)作的速度和地勢(shì)的起伏而不同。身體內(nèi)部急需補(bǔ)充養(yǎng)料和排出廢料，所以心跳速度往往比平時(shí)增加2～3倍。如此反復(fù)練習(xí)，就能使心肌發(fā)達(dá)，心臟變大，心肌收縮有力，血管壁的彈性增強(qiáng)。從而使肺部通氣量增大，肺活量增加，肺的呼吸功能提高。

隨著低碳和環(huán)保主義的興起，人們?cè)谟l(fā)注重綠色出行的同時(shí)，騎行的安全問(wèn)題也日益凸顯?，F(xiàn)今的自行車(chē)一般都沒(méi)有自行車(chē)尾燈等警示裝置，車(chē)道中的行人或車(chē)輛很難判斷出行駛中自行車(chē)的剎車(chē)或轉(zhuǎn)向行為，存在較大的安全隱患，亟需設(shè)計(jì)一款功能齊全、安全可靠的自行車(chē)車(chē)燈系統(tǒng)，以提高騎行的安全系數(shù)。

1 ?設(shè)計(jì)背景與必要性

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)綠色出行的意識(shí)不斷加強(qiáng)，而自行車(chē)或共享單車(chē)就是人們強(qiáng)身健體或出行“最后一公里”的絕佳選擇。近幾年，隨著共享單車(chē)的普及，越來(lái)越多的市民選擇騎自行車(chē)出行，但在晚上騎自行車(chē)常常由于光線不佳而給騎行者帶來(lái)諸多不便，騎行安全不能得到保障。由于非機(jī)動(dòng)車(chē)道本身存在人員和交通工具的復(fù)雜性，道路的空間及質(zhì)量都是考驗(yàn)騎行的重要因數(shù)，因此導(dǎo)致自行車(chē)事故頻發(fā)。除了道路本身的固有因數(shù)外，還要?dú)w結(jié)于自行車(chē)的設(shè)計(jì)，即自行車(chē)的保護(hù)裝置不完善，安全性能較低。

為了提高自行車(chē)的安全性，部分自行車(chē)愛(ài)好者會(huì)在自行車(chē)尾部安裝簡(jiǎn)易的尾燈，尾燈通過(guò)導(dǎo)線與按鍵開(kāi)關(guān)連接，按鍵開(kāi)關(guān)被安裝在車(chē)前部。這種尾燈一般需要駕駛者手動(dòng)控制，在剎車(chē)時(shí)，駕駛者通過(guò)操作按鍵開(kāi)關(guān)打開(kāi)尾燈來(lái)示意剎車(chē)，以提醒周邊行人或車(chē)輛;與此同時(shí)，這種簡(jiǎn)易的尾燈沒(méi)有轉(zhuǎn)向提示，其功能單一，操作不方便。文獻(xiàn)[1]提出的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)夜間照明和轉(zhuǎn)向提示，使其他車(chē)輛可以判斷出其行駛方向，但存在操作的復(fù)雜性;文獻(xiàn)[2]主要是利用三維掃描儀對(duì)車(chē)燈進(jìn)行掃描以獲取數(shù)據(jù)，利用數(shù)控加工或3D掃描技術(shù)完成夾持部分的加工;文獻(xiàn)[3]主要是強(qiáng)調(diào)無(wú)源智能的自行車(chē)車(chē)燈，其功能上的設(shè)計(jì)不足。綜上各種研究所述，為了保障騎行的安全性、便捷性、時(shí)尚性，設(shè)計(jì)出一款功能齊全、使用方便、外觀完美的自行車(chē)車(chē)燈系統(tǒng)顯得尤為重要。本文研究的是一種自行車(chē)智慧車(chē)燈系統(tǒng)，是基于機(jī)械感知和語(yǔ)音控制技術(shù)，通過(guò)3D炫屏的方式顯示剎車(chē)及轉(zhuǎn)向等信號(hào)，有效解決當(dāng)前自行車(chē)無(wú)尾燈指示信號(hào)及尾燈設(shè)計(jì)單調(diào)的問(wèn)題，以減少事故率，提升年輕用戶(hù)黏性，讓綠色出行更流行。

2 ?設(shè)計(jì)思路與解決方案

共享自行車(chē)經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，已培養(yǎng)了眾數(shù)年輕用戶(hù)低碳出行的習(xí)慣，并且在經(jīng)過(guò)爆炸式的增長(zhǎng)后，市場(chǎng)趨于穩(wěn)定，保持較大的規(guī)模。普通自行車(chē)或共享自行車(chē)存在一個(gè)共同的問(wèn)題，就是無(wú)法通過(guò)自行車(chē)尾燈告知后方車(chē)輛其接下來(lái)的行徑，導(dǎo)致后方車(chē)輛無(wú)法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)判，從而不能很好地做出減速或預(yù)剎車(chē)操作，增加交通事故發(fā)生的概率。此外，針對(duì)當(dāng)前年輕用戶(hù)對(duì)共享自行車(chē)的審美疲勞與使用率下降等問(wèn)題，共享自行車(chē)需要增強(qiáng)科技感與時(shí)尚感，以進(jìn)一步鞏固年輕用戶(hù)的黏性。整體的設(shè)計(jì)方案主要圍繞以下幾個(gè)方面展開(kāi)：

（1）轉(zhuǎn)向信號(hào)：語(yǔ)音控制或機(jī)械控制。

（2）信號(hào)傳輸：藍(lán)牙傳輸或有線傳輸。

（3）系統(tǒng)更新：藍(lán)牙或NFC，USB或下載器。

（4）炫屏顯示：?jiǎn)稳~風(fēng)扇可收縮式炫屏顯示方向信號(hào)，解決原始車(chē)燈顯示字體小的問(wèn)題。

2.1 ?整體功能技術(shù)

整體的設(shè)計(jì)思路及功能如圖1所示。

設(shè)計(jì)目標(biāo)可通過(guò)以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)：

（1）發(fā)電模塊：根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過(guò)踩腳踏板機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，給電源部分供電;選用正科電機(jī)ZGB37RG148，配上穩(wěn)壓管LM7805。

（2）電源模塊：選用可拆卸的移動(dòng)電源，通過(guò)（1）充電，并留有Micro直充接口與USB接口（用于手機(jī)充電），給整個(gè)系統(tǒng)供電。

（3）語(yǔ)音模塊：識(shí)別“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“剎車(chē)”“謝謝”等普通話語(yǔ)音，觸發(fā)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送給中控部分;（左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)的狀態(tài)是需要提前告知、之后操作的，語(yǔ)言模塊主要用來(lái)解決此提前告知的問(wèn)題）;語(yǔ)音芯片型號(hào)為WTK6900C-48L。

（4）觸控模塊：左右手剎的機(jī)械觸點(diǎn)，左右手柄部分的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)按鍵，前中豎軸部分的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)觸點(diǎn)。

（5）中控模塊：用帶USB的MCU作為主控芯片，接收來(lái)自語(yǔ)音模塊、觸控模塊的觸發(fā)信號(hào)，據(jù)此控制顯示模塊的內(nèi)容顯示;MCU芯片型號(hào)為CH552T。

（6）顯示模塊：通過(guò)3D智慧炫屏顯示“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“剎車(chē)”“謝謝”等標(biāo)識(shí)或文字，其中3D智慧炫屏指的是利用人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將單排的LED燈進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，以顯示對(duì)應(yīng)字符或文字。

（7）照明模塊：前置LED燈/投影燈、后置LED燈/投影燈。

2.2 ?自行車(chē)模型圖

圖2為自行車(chē)整體模型，圖中詳細(xì)標(biāo)注了各個(gè)設(shè)計(jì)模塊的位置和樣式，主要系統(tǒng)功能設(shè)置在6個(gè)位置（標(biāo)號(hào)1至標(biāo)號(hào)6），分別為發(fā)電模塊位置、顯示模塊位置、主控模塊位置、轉(zhuǎn)向信號(hào)機(jī)械觸點(diǎn)與按鍵裝置位置、語(yǔ)音模塊位置、機(jī)械檢測(cè)左右轉(zhuǎn)向信號(hào)裝置位置，其中標(biāo)號(hào)6分為3個(gè)小設(shè)計(jì)功能的位置。

標(biāo)號(hào)1：發(fā)電模塊位置，自行車(chē)轉(zhuǎn)軸與馬達(dá)聯(lián)動(dòng)，機(jī)械發(fā)電。

標(biāo)號(hào)2：顯示模塊位置，電機(jī)帶動(dòng)單片扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，扇葉內(nèi)嵌LED燈，旋轉(zhuǎn)形成炫屏，顯示轉(zhuǎn)向信號(hào)，解決原始車(chē)燈小，采用LED燈板又不夠靈活且造價(jià)貴等問(wèn)題。

標(biāo)號(hào)3：主控模塊位置，一個(gè)小盒子，用來(lái)放置移動(dòng)電源和主控板及相關(guān)接口。

標(biāo)號(hào)4：轉(zhuǎn)向信號(hào)機(jī)械觸點(diǎn)與按鍵裝置，左右手把對(duì)稱(chēng)設(shè)置，以左側(cè)手把為例，標(biāo)號(hào)4-1和4-2是一對(duì)觸點(diǎn)，斷開(kāi)表示剎車(chē)狀態(tài)，接觸表示非剎車(chē)狀態(tài);標(biāo)號(hào)4-3是左轉(zhuǎn)按鍵，按下則表示左轉(zhuǎn)信號(hào);右側(cè)手把同理。

標(biāo)號(hào)5：語(yǔ)音模塊位置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制轉(zhuǎn)向信號(hào)。

標(biāo)號(hào)6：機(jī)械檢測(cè)左右轉(zhuǎn)向信號(hào)裝置位置，其中標(biāo)號(hào)6-1為前叉豎軸中的一個(gè)豎向接觸帶;標(biāo)號(hào)6-2、6-3為前叉豎軸對(duì)應(yīng)的套筒內(nèi)側(cè)左右兩邊的橫向接觸帶。右轉(zhuǎn)時(shí)，前叉向右轉(zhuǎn)動(dòng)，使得標(biāo)號(hào)6-1和6-2相互接觸，以發(fā)出右轉(zhuǎn)信號(hào);左轉(zhuǎn)時(shí)，前叉向右轉(zhuǎn)動(dòng)，使得標(biāo)號(hào)6-1和6-3相互接觸，以發(fā)出左轉(zhuǎn)信號(hào);當(dāng)標(biāo)號(hào)6-1與6-2/6-3均無(wú)接觸，則表示自行車(chē)回正，自行車(chē)處于直行狀態(tài)。

2.3 ?程序設(shè)計(jì)與電路原理

根據(jù)以上的功能模塊以及自行車(chē)本身的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，得到以下簡(jiǎn)單系統(tǒng)算法流程圖。如圖3所示，確認(rèn)車(chē)鎖打開(kāi)之后，便可以觸發(fā)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，發(fā)電模塊就可以給電源供電，主控芯片MCU此時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，自行車(chē)的后輪轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，觸發(fā)充電信號(hào)，這說(shuō)明自行車(chē)處于正常自行行駛狀態(tài);一旦出現(xiàn)剎車(chē)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等狀態(tài)時(shí)，炫屏就是顯示不同的狀態(tài)，直到釋放剎車(chē)或者回正。這種功能的實(shí)現(xiàn)不需要外帶電源，而是直接通過(guò)自行車(chē)的正常轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行發(fā)電和充電的，有效解決了電源不足的問(wèn)題，通過(guò)炫屏的狀態(tài)完美地顯示了當(dāng)前自行車(chē)所處的不安全或不正常狀態(tài)，操作便利，不用人為判斷和開(kāi)關(guān)操作，綠色有效酷炫。

根據(jù)以上流程繪制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖，兩個(gè)電路原理圖分別如圖4、圖5所示。各個(gè)模塊所使用的芯片型號(hào)在上文整體設(shè)計(jì)部分已做介紹。圖4和圖5分別是語(yǔ)言識(shí)別與信號(hào)處理模塊、顯示控制模塊。語(yǔ)言識(shí)別與信號(hào)處理模塊主要包括穩(wěn)壓電路、錄音電路、語(yǔ)音識(shí)別、信號(hào)處理、信號(hào)端子接口等幾個(gè)部分;控制顯示模塊主要包括穩(wěn)壓電路、主控芯片、程序更新下載、無(wú)線藍(lán)牙收發(fā)信號(hào)、炫屏LED車(chē)燈、系統(tǒng)復(fù)位電路和風(fēng)扇電機(jī)開(kāi)關(guān)控制電路等，其中程序更新和收發(fā)信號(hào)都具備備選模式。

圖6為電路原理圖的解析框圖，分別對(duì)兩塊電路板進(jìn)行了電路的解析。包括對(duì)圖4中的穩(wěn)壓電壓、語(yǔ)音識(shí)別電路、信號(hào)處理電路以及圖5中顯示控制模塊的電路進(jìn)行了解析。兩塊電路板的供電模塊大體是一樣的，都可以為系統(tǒng)提供3.3 V、5 V的電源。圖4的轉(zhuǎn)向信號(hào)是通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別進(jìn)行傳輸?shù)?，信?hào)處理模塊接收轉(zhuǎn)向的語(yǔ)音輸入信號(hào)或機(jī)械按鍵傳輸?shù)男盘?hào)，進(jìn)行方向判斷，將結(jié)果輸出到藍(lán)牙模塊，結(jié)果再通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)綀D5的顯示控制模塊（也可以選擇采用有線傳輸?shù)姆绞剑?。圖5顯示控制模塊接收來(lái)自圖4的語(yǔ)音識(shí)別和信號(hào)處理模塊傳輸?shù)乃{(lán)牙或有線信號(hào)，判斷轉(zhuǎn)向內(nèi)容之后，選擇對(duì)應(yīng)的炫屏字幕顯示內(nèi)容。如此，整個(gè)硬件電路的工作過(guò)程結(jié)束。

3 ?結(jié) ?論

隨著現(xiàn)代生活方式的轉(zhuǎn)變，人們的出行方式越來(lái)越注重低碳環(huán)保，自行車(chē)或共享單車(chē)的市場(chǎng)越來(lái)越大。而人們綠色出行的安全（特別是夜間出行的安全）也越來(lái)越引起社會(huì)的關(guān)注，如何保證人們出行安全，降低出行的風(fēng)險(xiǎn)成為業(yè)內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的一種基于安全導(dǎo)行的自行車(chē)智慧車(chē)燈為自行車(chē)的安全出行提供了有效保障，這款車(chē)燈系統(tǒng)既能有效提高自行車(chē)出行的安全性，其酷炫流行的車(chē)燈款式又能激發(fā)人們對(duì)自行車(chē)騎行的熱情，為倡導(dǎo)綠色出行提供了有力保障。

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作者簡(jiǎn)介：曾光（1990—），男，漢族，廣東河源人，講師，碩士研究生，研究方向：通信系統(tǒng);黃玉萍（1989—），女，漢族，江西贛州人，講師，碩士研究生，研究方向：軌道交通控制、弓網(wǎng)建模;丁宇凌（2001—），女，漢族，廣東潮州人，研究方向：城市軌道交通通信信號(hào)。