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        基于陀螺儀的智能騎行掛飾

        2019-09-10 22:55:49劉世棟孫越葛楊郭嘉儀
        關(guān)鍵詞:歐拉角交通事故無線

        劉世棟 孫越 葛楊 郭嘉儀

        摘 要:在共享時代,單車出行成為主流。隨之而來,非機(jī)動車安全問題也在不斷增多。特別是在照明弱、霧霾天氣等能見度低的條件下,單車事故更加頻發(fā)。在這種背景下這款基于zigbee無線傳輸技術(shù)的智能騎行配件應(yīng)運(yùn)而生。它通過mpu6050做傳感器來感知騎行轉(zhuǎn)向,通過zigbee無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳給控制器做處理,點(diǎn)亮led燈提醒后方車輛。具有結(jié)構(gòu)簡單,易于生產(chǎn),價格便宜等特點(diǎn)。有指明單車轉(zhuǎn)向,車距提醒,事故報警等功能。

        一、背景

        無論是在"國際范兒"和北上廣或西方國家的道路,有在現(xiàn)場的非機(jī)動車道。然而,自行車和電動自行車的迅速發(fā)展一直伴隨著難于管理,事故頻發(fā)等問題。因此,非機(jī)動車的安全問題成為用戶的關(guān)注越來越多關(guān)注的焦點(diǎn)。天津交管部門數(shù)據(jù)公布顯示:在全市交通事故死亡人數(shù),行人和非機(jī)動車使用更多的人員,占死亡,負(fù)責(zé)在事故總數(shù)的48.4%,占5.6%。另外一個易發(fā)生事故的重要原因是道路照明較差,燈光昏暗,缺乏車身反光設(shè)備。當(dāng)視力不良條件下的非機(jī)動車出行的原因,很容易側(cè)擊車輛和非機(jī)動車發(fā)生事故的背后。此外,霧霾可能會讓可見度降低,對道路上的行人、機(jī)動車輛和非機(jī)動車輛都有很大的安全隱患,十分危險。在夜間或嚴(yán)重霧霾天氣昏暗,如果因?yàn)楸苷舷钠哲嚢褟澢那败嚕囀呛茈y理解汽車前進(jìn)隊(duì)伍的前面,最有可能是由于時間沖突與車輛在沒有制動前面,造成交通事故。并且,除了以上路況不明的情況,日常騎行過程中也經(jīng)常會出現(xiàn)非機(jī)動車輛由于某種原因突然轉(zhuǎn)向而引發(fā)的交通事故,由此可見非機(jī)動車輛使用轉(zhuǎn)向提示以及其他智能安全設(shè)備功能的重要性。

        目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)的相關(guān)智能騎行配件,比如Varia智能騎行車燈,騎車人背背佳掛件智能遙控方向安全指示燈等產(chǎn)品,往往存在過于強(qiáng)調(diào)科技元素的使用,"形式重于實(shí)質(zhì)",定價過高或者功能過于片面,技術(shù)含量不夠的問題,缺乏實(shí)用性,無法普及開來,使群眾受益。本著安全智能的理念,為了解決非機(jī)動車輛出行轉(zhuǎn)向無法明示易導(dǎo)致交通事故等安全方面的問題,本產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。

        二、主要功能

        本產(chǎn)品采用ZigBee無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)無線通信,在平常可以當(dāng)做一個美觀的背包掛飾。本產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上可以分成兩部分:識別模塊和控制模塊。識別模塊由龍頭方盒、MPU6050六軸傳感器、ZigBee模塊、前照探測燈四部分組成。用戶可輕擊從車把安裝和拆卸的非機(jī)動立方體,處理操作是非常容易的,通過六軸傳感器模塊的ZigBee角信息提供給控制模塊。ZigBee模塊的控制模塊,LED屏幕,蜂鳴器,最小系統(tǒng)板,GPS模塊,GSM模塊一體化,OV7670相機(jī)模塊。ZigBee模塊是一款非常成熟的近距離數(shù)據(jù)傳輸傳感器,它將收集到的數(shù)據(jù)傳給最小系統(tǒng)板,由系統(tǒng)板進(jìn)行姿態(tài)解算,并控制LED顯示燈以及語音播報模塊進(jìn)行相關(guān)的提示。

        三、主要技術(shù)

        ZigBee無線傳輸模塊ZigBee是一種無線連接,具有低功耗、成本低、時延短等特點(diǎn)。

        mpu6050感測方向MPU-6000(6050)是一個集成的6軸運(yùn)動處理部件,相對于多組分實(shí)施例中,不使用陀螺儀和加速度計(jì)軸線的組合差的問題,降低了包裝空間。數(shù)字矩陣輸出軸旋轉(zhuǎn)軸線或 四元數(shù)(四元),歐拉角格式(EulerAngleforma)的數(shù)據(jù)融合算法。產(chǎn)品通過求解在6050,滾動角和俯仰角獲得的算法計(jì)算偏航角來解決。

        我們知道,歐拉角表達(dá)被旋轉(zhuǎn)的最簡單的方法,形成一個三維向量,表示所述對象物的旋轉(zhuǎn)角度大約三個坐標(biāo)軸(X,Y,歐拉角表達(dá)被旋轉(zhuǎn)的最簡單的方法,形成一個三維向量,表示所述對象物的旋轉(zhuǎn)角度大約三個坐標(biāo)軸(X,Y,Z軸)的值。以x,y,z軸表示偏航、橫滾和俯仰非常簡單。因此我們需要編程將6050得到的四元數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化成歐拉角矩陣??梢灾腹潭ǖ娜S世界坐標(biāo)系軸,旋轉(zhuǎn)軸也可以指物體坐標(biāo)系。旋轉(zhuǎn)的三個軸的順序不同,會導(dǎo)致不同的結(jié)果。

        四元數(shù)旋轉(zhuǎn)歐拉角如下:

        為了驗(yàn)證該算法,使用六個度通過在MATLAB仿真模型提供的一個封裝好的模擬器,可以給定的扭矩和力輸出的三個歐洲拉三軸角度和角加速度,這樣可以非常好的模擬傳感器的狀態(tài)。為使達(dá)到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果,該模型通過調(diào)整初始輸入條件設(shè)定為固定步模式中,0.0S,即,50赫茲的模擬取樣頻率,的步驟中,歐拉角的變化可以在整個可實(shí)現(xiàn)角度范圍,不會出現(xiàn)非常短的時間,并且根據(jù)一個大的跳躍。比較的實(shí)際情況和便利性,輸出調(diào)整六個自由度模型的一個標(biāo)準(zhǔn)的域的歐拉角制成。

        因?yàn)樾拚硕x域,某些點(diǎn)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的變化(這些點(diǎn)實(shí)際上是連續(xù)的,比如說航向角低于零的點(diǎn)使用定義域修正后變?yōu)榇笥?60的值,而大于360的值變成接近零的值即可),這樣就可以模擬大機(jī)動飛行條件下的飛行姿態(tài)。通過四元數(shù)微分方程更新求解過程,采用三階泰勒展開法這樣精確度較高,得到三軸歐拉角的誤差曲線如圖。三軸歐拉角的誤差在仿真過程中的最大偏差值為:[0.1422,0.6948,0.7037].為了進(jìn)一步驗(yàn)證算法對于計(jì)算的穩(wěn)定性以及俯仰角變化的跟蹤敏感性,設(shè)計(jì)了滾轉(zhuǎn)角和偏航角均為0度,只在俯仰角大范圍連續(xù)變化下的算法仿真,下圖為400秒(20000次)下計(jì)算值與理論值之間的誤差曲線以及俯仰角值的變化曲線??梢钥闯觯恍┻B續(xù)的急劇變化時,誤差值始終是一個很小的范圍內(nèi),有良好的跟蹤性能之內(nèi)。

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