曾光 黄玉萍 丁宇凌

摘  要：在国家大力倡导低碳环保出行的背景下，越来越多的自行车行驶在马路上，文章对自行车行驶过程中的安全问题进行了研究，报告了现有自行车一般都没有尾灯等警示装置（或尾灯设计简单）。为此对可提高自行车行驶安全性的安全设施进行了调查，设计出一款基于机械感知和语音控制技术的自行车智慧车灯系统。通过3D炫屏的方式显示刹车及转向等信号，有效解决了上述问题，以此减少交通事故率，让绿色出行更安全、更可靠。

关键词：自行车;智慧车灯;语音控制;3D炫屏;机械感知

中图分类号：TP311;U484   文献标识码：A 文章编号：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

自行车骑行是一项体育运动，在日常生活中人们可以把骑自行车当作一种有效的锻炼身体的方式，骑自行车不但可以减肥，还可使身材匀称，并且不受时间和速度约束。骑自行车属有氧运动，不但可以强化心脏功能，还能防止高血压的发生，有时其作用甚至比药物更明显。踩踏自行车会压缩血管，使得骑行者的血液循环加速，其大脑中将摄入更多的氧气，觉得头脑更清明。骑在自行车上，你会感到十分自由且畅快无比。自行车不再只是一种代步工具，更是可愉悦骑行者心灵的一种方式。

运动专家指出，由于自行车运动的特殊要求，手臂和躯干多为静力性的工作，两腿多为动力性的工作，在血液重新分配时，下肢的血液供给量较多，心率的变化也依据踏蹬动作的速度和地势的起伏而不同。身体内部急需补充养料和排出废料，所以心跳速度往往比平时增加2～3倍。如此反复练习，就能使心肌发达，心脏变大，心肌收缩有力，血管壁的弹性增强。从而使肺部通气量增大，肺活量增加，肺的呼吸功能提高。

随着低碳和环保主义的兴起，人们在愈发注重绿色出行的同时，骑行的安全问题也日益凸显。现今的自行车一般都没有自行车尾灯等警示装置，车道中的行人或车辆很难判断出行驶中自行车的刹车或转向行为，存在较大的安全隐患，亟需设计一款功能齐全、安全可靠的自行车车灯系统，以提高骑行的安全系数。

1  设计背景与必要性

随着我国经济的快速发展，人们对绿色出行的意识不断加强，而自行车或共享单车就是人们强身健体或出行“最后一公里”的绝佳选择。近几年，随着共享单车的普及，越来越多的市民选择骑自行车出行，但在晚上骑自行车常常由于光线不佳而给骑行者带来诸多不便，骑行安全不能得到保障。由于非机动车道本身存在人员和交通工具的复杂性，道路的空间及质量都是考验骑行的重要因数，因此导致自行车事故频发。除了道路本身的固有因数外，还要归结于自行车的设计，即自行车的保護装置不完善，安全性能较低。

为了提高自行车的安全性，部分自行车爱好者会在自行车尾部安装简易的尾灯，尾灯通过导线与按键开关连接，按键开关被安装在车前部。这种尾灯一般需要驾驶者手动控制，在刹车时，驾驶者通过操作按键开关打开尾灯来示意刹车，以提醒周边行人或车辆;与此同时，这种简易的尾灯没有转向提示，其功能单一，操作不方便。文献[1]提出的设计主要是针对夜间照明和转向提示，使其他车辆可以判断出其行驶方向，但存在操作的复杂性;文献[2]主要是利用三维扫描仪对车灯进行扫描以获取数据，利用数控加工或3D扫描技术完成夹持部分的加工;文献[3]主要是强调无源智能的自行车车灯，其功能上的设计不足。综上各种研究所述，为了保障骑行的安全性、便捷性、时尚性，设计出一款功能齐全、使用方便、外观完美的自行车车灯系统显得尤为重要。本文研究的是一种自行车智慧车灯系统，是基于机械感知和语音控制技术，通过3D炫屏的方式显示刹车及转向等信号，有效解决当前自行车无尾灯指示信号及尾灯设计单调的问题，以减少事故率，提升年轻用户黏性，让绿色出行更流行。

2  设计思路与解决方案

共享自行车经过近几年的发展，已培养了众数年轻用户低碳出行的习惯，并且在经过爆炸式的增长后，市场趋于稳定，保持较大的规模。普通自行车或共享自行车存在一个共同的问题，就是无法通过自行车尾灯告知后方车辆其接下来的行径，导致后方车辆无法对其进行准确预判，从而不能很好地做出减速或预刹车操作，增加交通事故发生的概率。此外，针对当前年轻用户对共享自行车的审美疲劳与使用率下降等问题，共享自行车需要增强科技感与时尚感，以进一步巩固年轻用户的黏性。整體的设计方案主要围绕以下几个方面展开：

（1）转向信号：语音控制或机械控制。

（2）信号传输：蓝牙传输或有线传输。

（3）系统更新：蓝牙或NFC，USB或下载器。

（4）炫屏显示：单叶风扇可收缩式炫屏显示方向信号，解决原始车灯显示字体小的问题。

2.1  整体功能技术

整体的设计思路及功能如图1所示。

设计目标可通过以下技术方案得以实现：

（1）发电模块：根据电磁感应原理，通过踩脚踏板机械转动发电，给电源部分供电;选用正科电机ZGB37RG148，配上稳压管LM7805。

（2）电源模块：选用可拆卸的移动电源，通过（1）充电，并留有Micro直充接口与USB接口（用于手机充电），给整个系统供电。

（3）语音模块：识别“左转”“右转”“刹车”“谢谢”等普通话语音，触发对应的控制信号发送给中控部分;（左转/右转的状态是需要提前告知、之后操作的，语言模块主要用来解决此提前告知的问题）;语音芯片型号为WTK6900C-48L。

（4）触控模块：左右手刹的机械触点，左右手柄部分的左转、右转按键，前中竖轴部分的左转、右转触点。

（5）中控模块：用带USB的MCU作为主控芯片，接收来自语音模块、触控模块的触发信号，据此控制显示模块的内容显示;MCU芯片型号为CH552T。

（6）显示模块：通过3D智慧炫屏显示“左转”“右转”“刹车”“谢谢”等标识或文字，其中3D智慧炫屏指的是利用人眼的视觉暂留现象，通过控制电动机的转速，将单排的LED灯进行高速旋转，以显示对应字符或文字。

（7）照明模块：前置LED灯/投影灯、后置LED灯/投影灯。

2.2  自行车模型图

图2为自行车整体模型，图中详细标注了各个设计模块的位置和样式，主要系统功能设置在6个位置（标号1至标号6），分别为发电模块位置、显示模块位置、主控模块位置、转向信号机械触点与按键装置位置、语音模块位置、机械检测左右转向信号装置位置，其中标号6分为3个小设计功能的位置。

标号1：发电模块位置，自行车转轴与马达联动，机械发电。

标号2：显示模块位置，电机带动单片扇叶转动，扇叶内嵌LED灯，旋转形成炫屏，显示转向信号，解决原始车灯小，采用LED灯板又不够灵活且造价贵等问题。

标号3：主控模块位置，一个小盒子，用来放置移动电源和主控板及相关接口。

标号4：转向信号机械触点与按键装置，左右手把对称设置，以左侧手把为例，标号4-1和4-2是一对触点，断开表示刹车状态，接触表示非刹车状态;标号4-3是左转按键，按下则表示左转信号;右侧手把同理。

标号5：语音模块位置，用来实现语音控制转向信号。

标号6：机械检测左右转向信号装置位置，其中标号6-1为前叉竖轴中的一个竖向接触带;标号6-2、6-3为前叉竖轴对应的套筒内侧左右两边的横向接触带。右转时，前叉向右转动，使得标号6-1和6-2相互接触，以发出右转信号;左转时，前叉向右转动，使得标号6-1和6-3相互接触，以发出左转信号;当标号6-1与6-2/6-3均无接触，则表示自行车回正，自行车处于直行状态。

2.3  程序设计与电路原理

根据以上的功能模块以及自行车本身的系统设计，得到以下简单系统算法流程图。如图3所示，确认车锁打开之后，便可以触发系统开关打开，发电模块就可以给电源供电，主控芯片MCU此时处于待机状态，自行车的后轮转动可以带动发电机马达转动，触发充电信号，这说明自行车处于正常自行行驶状态;一旦出现刹车、左转、右转等状态时，炫屏就是显示不同的状态，直到释放刹车或者回正。这种功能的实现不需要外带电源，而是直接通过自行车的正常转动来进行发电和充电的，有效解决了电源不足的问题，通过炫屏的状态完美地显示了当前自行车所处的不安全或不正常状态，操作便利，不用人为判断和开关操作，绿色有效酷炫。

根据以上流程绘制系统硬件设计原理图，两个电路原理图分别如图4、图5所示。各个模块所使用的芯片型号在上文整体设计部分已做介绍。图4和图5分别是语言识别与信号处理模块、显示控制模块。语言识别与信号处理模块主要包括稳压电路、录音电路、语音识别、信号处理、信号端子接口等几个部分;控制显示模块主要包括稳压电路、主控芯片、程序更新下载、无线蓝牙收发信号、炫屏LED车灯、系统复位电路和风扇电机开关控制电路等，其中程序更新和收发信号都具备备选模式。

图6为电路原理图的解析框图，分别对两块电路板进行了电路的解析。包括对图4中的稳压电压、语音识别电路、信号处理电路以及图5中显示控制模块的电路进行了解析。两块电路板的供电模块大体是一样的，都可以为系统提供3.3 V、5 V的电源。图4的转向信号是通过语音识别进行传输的，信号处理模块接收转向的语音输入信号或机械按键传输的信号，进行方向判断，将结果输出到蓝牙模块，结果再通过蓝牙传输到图5的显示控制模块（也可以选择采用有线传输的方式）。图5显示控制模块接收来自图4的语音识别和信号处理模块传输的蓝牙或有线信号，判断转向内容之后，选择对应的炫屏字幕显示内容。如此，整个硬件电路的工作过程结束。

3  结  论

随着现代生活方式的转变，人们的出行方式越来越注重低碳环保，自行车或共享单车的市场越来越大。而人们绿色出行的安全（特别是夜间出行的安全）也越来越引起社会的关注，如何保证人们出行安全，降低出行的风险成为业内的一个研究热点。本文设计的一种基于安全导行的自行车智慧车灯为自行车的安全出行提供了有效保障，这款车灯系统既能有效提高自行车出行的安全性，其酷炫流行的车灯款式又能激发人们对自行车骑行的热情，为倡导绿色出行提供了有力保障。

参考文献：

[1] 高源潔，姜霄，杨琰.基于安全出行的自行车转向灯设计 [J].设计，2020，33（3）：120-121.

[2] 杨海峰，张志朋，孙楠，等.基于逆向工程的自行车灯的逆向设计与创新 [J].哈尔滨职业技术学院学报，2020（2）：115-117.

[3] 肖文君.无源智能自行车灯的设计与实现 [J].机电信息，2018（30）：121+123.

[4] 肖文明，张剑锋，耿铭君.基于SWOT分析的自行车交通发展策略研究 [J].交通运输部管理干部学院学报，2020，30（3）：31-36.

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[6] 王凤君.绿色交通视域下的城市交通发展分析 [J].中小企业管理与科技（下旬刊），2020（11）：136-137.

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[9] 江国强.TRELOCK：精心打造高品位自行车照明灯 [J].中国自行车，2009（2）：56-57.

[10] 集成化全自动自行车前灯、尾灯 [Z].北京：北京科技大学，2002-01-01.

作者简介：曾光（1990—），男，汉族，广东河源人，讲师，硕士研究生，研究方向：通信系统;黄玉萍（1989—），女，汉族，江西赣州人，讲师，硕士研究生，研究方向：轨道交通控制、弓网建模;丁宇凌（2001—），女，汉族，广东潮州人，研究方向：城市轨道交通通信信号。