談騎行者行為模式的安全警報系統設計范文

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摘要：本文運用壓力傳感器與單片機連接，實現提醒功能、監管功能以及相關行駛輔助功能，并對系統進行了運行測試，對誤差進行了分析；我們對單手騎行、站立騎行是否安全僅僅是憑借騎行常識，未有理論支撐；為更具體更直觀的反映出錯誤騎行的危險性，本文運用ANSYS軟件對騎行時手臂與主要軀干部分所受應力進行了有限元分析，并實際測量錯誤騎行的制動距離與騎行者的生理參數，進行數據對比與分析使錯誤騎行是危險的這一觀點更具有說服力。

關鍵詞：自行車；壓力傳感器；交通安全；有限元分析

0引言

非機動車一直是我國居民較為常用的一種交通方式，并自2013年共享單車的引入與發展，騎自行車出行成為越來越多人首選的出行方式；然而，在共享單車給城市交通帶來的發展的同時，也帶來更多的交通事故，就死傷人員而言，自行車事故受傷人數占全國道路交通事故受傷人員總數的35%左右，死亡人數占全國道路交通事故死亡人數的25%左右；在我國城市交通事故統計中，與自行車有關的交通事故占60%左右，其中死亡事故與自行車有關者占30%[1]。不正確的行為決策與行為模式是造成交通事故的主要原因，而現階段錯誤的騎行方式，如單手騎行、身體離開座位等現象比比皆是，但共享單車對于此卻沒有明確引導、提醒與限制；因此，為了解決這種現象，基于騎行者的行為模式，判斷出不安全騎行行為與時長，并對騎行者進行提醒與警示，對于減少共享單車發生交通事故有一定預防的意義。

1系統的硬件與軟件設計

系統設計框圖如圖1所示，電池電壓經穩壓芯片1117穩壓后供給系統中各個元件。其中用于測壓力的傳感器，將壓力變化傳輸給單片機并記錄在單片機內，并通過藍牙傳輸協議向用戶手機發送情況報告，以便后期觀察；當壓力與設定值不符時，通過單片機使燈光閃爍，若仍未改變騎行狀態蜂鳴器開啟警報；轉向開關設置在把手處，通過轉向開關進行通斷控制，將通斷信號傳輸到單片機內，通過單片機控制轉向燈的開啟與關閉。主要實現轉向時提醒其他交通參與者、錯誤騎行時的提醒與記錄的功能。

1.1系統的硬件設計

系統設計可以分成四個模塊：壓力傳感器測試模塊、單片機系統、轉向指示燈模塊、安全警報模塊。轉向指示燈和壓力傳感器都是接3.3V電源和地，然后數據腳接一個上拉電阻，接到單片機；12V電源經3.3V的穩壓芯片得到3.3V的電源。系統硬件原理圖如圖2所示。

1.2系統的軟件設計

軟件部分是主控程序模塊、藍牙傳輸模塊、傳感器數據記錄模塊組成。當單片機接收到傳感器傳輸的信號，由語句判別變化范圍是否超過設定值；若超過，通過傳輸協議向手機APP發送消息，并同時作用于警告燈，若騎行者仍未改變騎行狀態，會作用于蜂鳴器開始發出警告。

1.3系統的檢測與分析

在設備完成代碼寫入和線路焊接后進行檢測和靈敏度分析：

（1）系統實際操作檢測：當打開開關后，設備藍牙模塊發出紅色閃光。通過藍牙模塊可以實現騎行設備和手機端APP的連接和數據交流。當人雙手正確握在車把上并正確落座后，設備發出“滴”的長鳴，同時紅燈常亮1秒，進入正常工作狀態。當騎行者左手或者右手脫離車把后，系統會檢測到騎行者的危險騎行，位于車把左右的顯示燈閃爍進行提示；當繼續單手騎行時，燈光繼續閃爍的同時，蜂鳴器可以按照預先設計發聲報警，通過聲信號和電信號提示騎行者注意安全；在檢測到騎行者雙手離開車把并離開車座結束騎行后，系統可正常通過藍牙模塊向手機端APP發送一條簡單的信息匯總和提醒，內容正確包含：騎行總時間、單手騎行次數、離座騎行時間、離座騎行次數。

（2）數據分析：對軟件所報告的騎行時間進行誤差分析，經過實際測量，相對誤差為0.46%，證明該系統反應靈敏，符合普通民用設備的精度需求。

2結果與討論

生物力學研究指出，人體骨骼在承受彎曲應力及拉壓應力時的特性表現同普通剛性材料類似，則可將大小腿及腳骨頭等效視為剛性桿件[2]，在人體神經系統的控制下，橫紋肌收縮而產生的拉力帶動下肢骨骼，實現關節轉動功能，故可視其為動力源[3]，借助SOLIDWORKS建模，利用ANSYSR19.2軟件對不同騎行情況行駛中受力情況進行模態分析，并實際測量人體在不同行駛情況下的生理參數與制動距離等數據。為了在不影響仿真模擬結果的前提下，使研究的問題簡單化直觀化，作出以下假設：（1）在運動過程中，車和騎行者為一個系統，且可以在受力條件下發生應變；（2）系統作直線運動，且忽略系統重心高度變化。（3）施加在人體手部有限元模型上的力為定值，且總大小為4KN。

2.1單手騎行與正確騎行的力學分析

針對單雙手騎行時手臂與主要軀干用ANSYSR19.2軟件進行應力有限元分析，結果如圖3所示。通過顏色云圖可以明顯發現，單手騎行時手臂與主要上肢軀干部分受到的應力遠遠大于雙手騎行時所受應力，且前臂靠關節部分與肩部受力較大，為主要控制自行車行駛狀態的部位；單手騎行時最大有限元應力為1.428*10-6MPa，最小有限元應力為4.976*10-7MPa；雙手騎行時最大有限元應力為6.634*10-7MPa，最小有限元應力為1.687*10-7MPa，且受力基本呈現中心對稱的情況。單手騎行時所受應力較大，對方向的控制較為困難，與雙手騎行整體上的應力呈現出數量級的差異；且單手騎行時人體重心與自行車行駛重心存在偏差，存在一定的整體性傾斜，騎行時需克服傾斜帶來的力；單手控制時，遇緊急情況是僅能控制單個車輪的制動容易產生前翻或者制動距離較長的情況，對行駛安全與事故規避不利。

2.2站立騎行與正確騎行的力學分析

針對站立騎行時手臂與主要軀干用ANSYSR19.2軟件進行應力有限元分析，結果如圖4所示。通過顏色云圖可以明顯發現，站立騎行時手臂與主要上肢軀干部分受到的應力遠遠大于正常騎行時所受應力，且前臂靠關節部分與腿部受力較大，為主要控制自行車行駛狀態的部位；站立騎行時最大有限元應力為1.4263*10-6MPa，最小有限元應力為6.339*10-7MPa，受力基本呈現中心對稱的情況。站立騎行時所受應力較大，難以對騎行狀態與方向有較好的把控，與正常騎行整體上的應力呈現出數量級的差異；且站立騎行時人體重心較高，人與自行車這個整體重心也較高，更容易出現傾斜，騎行時需額外增加克服傾斜帶來的力給騎行帶來不便；站立騎行時，遇緊急情況時制動容易因為騎行者重心過高而出現人體受慣性影響仍保持前行狀態出現危險情況。

2.3危險騎行方式與正確騎行的對比

設定測試速度為20.5±0.4Km/h，對同一自行車進行多次制動距離測量取平均值，結果如表1所示。由表中數據可知：單手騎行時制動距離是正常騎行的約3.3倍，而站立騎行是正常騎行的1.64倍。設定速度為20.5±0.4Km/h時，記錄從發出指令騎行者到雙手制動至自行車完全停止的時間多次測量取平均值，結果如表2所示。由表中數據可知：單手騎行時反應時間約為1.825s，比雙手騎行時反應時間約多出1s左右。

3結論與展望

（1）系統在正常環境中可以正常運行，危險騎行次數記錄準確，危險騎行時間記錄誤差為0.46%對系統使用無實際影響；（2）單手騎行時手臂與主要上肢軀干部分受到的應力遠遠大于雙手騎行時所受應力，且前臂靠關節部分與肩部受力較大，并呈現數量級的差異；（3）站立騎行時手臂與主要上肢軀干部分受到的應力遠遠大于正常騎行時所受應力，且前臂靠關節部分與腿部受力較大，并呈現數量級的差異；（4）實際測量時，危險騎行的制動距離比正確騎行方式下平均多出6.01m，占正常騎行時制動距離的175.82%；危險騎行的反應時間比正確騎行方式下平均多出0.945s，占正常騎行時反應時間的107.38%，約增加5.61m制動距離；（5）根據已測出與有限元模擬的數據，可證明單手騎行與站立騎行是危險騎行的說法是可靠的；（6）由于人體工學不能簡單的看成機械構件，在利用ANSYS軟件模擬時，雖增加了一些修正但人體的受力方式、力的傳導方式等方面比較特殊，在日后的研究中基于人體特點進行更精細化考慮，并加以修正。

作者：高君璽 陶瑞兆 呂煥奔 黃天宇 單位：鄭州大學土木工程學院