CN105667647A - 一种运动状态指示装置及其实现方法 - Google Patents

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邹卫军
冯斌
翟宏绅
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Nanjing University of Science and Technology
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62J—CYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J6/00—Arrangement of optical signalling or lighting devices on cycles; Mounting or supporting thereof; Circuits therefor
    • B62J6/05—Direction indicators

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种运动状态指示装置和方法。运动状态指示装置由电源模块、陀螺仪模块、运动指示灯阵模块及控制器模块组成。运动指示灯阵模块包括左转指示灯阵、右转指示灯阵、前进指示灯阵和停止或减速指示灯阵。当装置处于运动状态时，陀螺仪模块实时采集三轴加速度、三轴陀螺仪数据，并将运动姿态数据上传至控制器模块，由控制器模块利用卡尔曼滤波算法进行姿态数据的数据估计和融合，通过对数据融合、估计的结果进行关于运动方向和运动状态的解算，实现对于运动方向和运动状态的判断并输出指示。本发明能够实现自动对运动状态的智能指示，而且具有较高的稳定性和可靠度，能有效提升单车在复杂路况上的行驶安全，具有较强的实用价值。

Description

一种运动状态指示装置及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种指示运动姿态的装置和方法，特别是一种可实时指示运动状态的装置和方法。
背景技术
目前，随着人们生活水平的提高和低碳生活的深入人心，越来越多的人选择单车作为出行方式和健身工具。然而，由于单车在行驶过程中，无法对后面行人和车辆就其运动状态和趋势进行指示和提醒，导致单车手的安全存在很大隐患。目前已存在的解决方法是：
（1）用手臂作为转向的指示信号，以此提醒转向；
（2）利用手持遥控器控制背包上的指示灯实现运动状态的指示。
然而，无论是手臂指示还是遥控指示，都不可避免的需要进行单手操控车辆，并且一定程度上分散了车手的注意力，导致大多车手在行驶过程中不会选择这两种方案，由此带来的影响是单车在行驶过程中尤其在转向和刹车过程中发生事故的几率大大提高。
因此，如何安全有效的提升单车手的行车安全是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够安全、有效和智能的指示运动状态的装置和方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：运动状态指示装置由电源模块、陀螺仪模块、运动指示灯阵模块以及控制器模块组成。其中运动指示灯阵模块包括左转指示灯阵、右转指示灯阵、前进指示灯阵和停止或减速指示灯阵。具体的连接方式为：陀螺仪模块通过通信总线实现与控制器模块的数据传送；电源模块用来为装置供电并由控制器模块的电源管理功能判断是否进入休眠状态；运动指示灯阵模块连接至控制器模块的IO端口，实现运动状态和运动方向的指示。本装置可安装在单车尾部，以获得最佳的指示效果。
当装置处于运动状态时，陀螺仪模块对于包含三轴加速度（即X、Y、Z空间坐标系）、三轴陀螺仪数据（即偏航角、俯仰角、翻滚角）等数据进行实时采集，并将运动姿态数据上传至控制器模块，由控制器模块利用卡尔曼滤波算法进行姿态数据的数据估计和融合，通过对数据融合、估计的结果进行关于运动方向和运动状态的解算，实现对于运动方向和运动状态的判断并输出指示。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1．自动指示。由于指示意识淡薄、个人骑车喜好和忘记做指示等因素，导致单车行驶过程中不作指示的现象普遍存在，而本发明通过对运动信号的采集处理后自动进行指示可消除这方面的安全隐患。
2．系统指示稳定度好。本发明设计的运动状态指示装置和方法，经过多种实际运动轨迹的测试和实验，已使指示的稳定性和可靠度大大提高，基本实现零误判、零乱闪。
3．成本低，性价比高。本装置通过将陀螺仪模块输出信号，并通过由控制器模块利用经典可靠的卡尔曼算法进行滤波解算的方式使得低成本的陀螺仪的性能发挥到最优，从而进一步降低了装置成本，更适合进行产品化生产。
附图说明
图1是本发明的硬件结构示意图。
图2是本发明的左转指示灯阵示意图。
图3是本发明的右转指示灯阵示意图。
图4是本发明的直行指示灯阵示意图。
图5是本发明的刹车或停止指示灯阵示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本装置的硬件结构图，图2为左转指示灯阵，图3为右转指示灯阵，图4为直行指示灯阵，图5为刹车或停止指示灯阵。各指示灯阵中，刹车或停止指示灯阵为醒目的红色，其余三个状态为绿色。
当装置处于运动状态时，陀螺仪模块对于包含三轴加速度、三轴姿态角（即偏航角、俯仰角、翻滚角）等数据进行实时采集，并将运动姿态数据上传至控制器模块，由控制器模块利用卡尔曼滤波算法进行姿态数据的数据估计和融合，依据数据融合、估计的结果进行关于运动方向和运动状态的判断并输出指示。
当处于停止状态时，控制器模块会调用自身的定时器进行连续处于停止状态时间的计算，当连续停止时间累计超过设定的N秒时，进入休眠状态，以提高系统的续航能力。
更进一步的说，本发明运动状态指示装置的实现方法采用经典的卡尔曼滤波算法和对于姿态解算判断实现。通过卡尔曼滤波算法对于姿态数据进行滤波后，有效的去除了数据噪声，再通过将输出的姿态数据与设定阈值相比较的方式获得具体的运动方向和运动状态。具体实现方法是：
1、左转：当装置在左转过程中，偏航角的姿态输出应为正，并保持大于一定的数值（通过多次实验获得的阈值为0.27），这样就判断出左转向的运动姿态。
2、右转：当装置在右转过程中，偏航角的姿态输出应为负，并保持小于一定的数值（通过多次实验获得的阈值为-0.28），这样就判断出右转向的运动姿态。
3、停止或刹车：当装置在刹车过程中，加速度的输出应为负；在停止状态时，装置的姿态角数据稳定在零点附近小区间内（实验获得的对应区间为[-0.28,0.27]）波动。通过这样的方式就可获得装置的停止或刹车状态。
4、直行：如果装置不处于上述三个状态，则判断当前处于直行状态。
然而，由于这样直接的姿态判断输出的波动较大，考虑到系统稳定性和可靠性，本发明又采用了连续姿态累加判断后输出的方式，即只有连续N次（实验获得的最佳连续次数为6次）系统判断一个运动姿态时才对运动姿态进行输出。实践证明，这样的处理方法使得判断的稳定性和可靠性进一步加强。
同时，当处于停止状态时，控制器模块会调用自身的定时器进行连续处于停止状态时间的计算，当连续停止时间累计超过设定时间N秒时，进入休眠状态，以提高系统的续航能力。

Claims (8)

1.一种运动状态指示装置，其特征在于：包括运动状态指示灯阵模块、陀螺仪模块、电源模块和控制器模块；
运动状态指示灯阵模块连接至控制器模块的IO端口，包括左转显示灯阵、右转显示灯阵、前进指示灯阵和刹车或停止指示灯阵，用于显示当前运动状态；
陀螺仪模块通过通信总线与控制器模块相连，将当前运动状态转化为可进行处理的信号；
控制器模块对陀螺仪模块采集到的信号进行处理、判断和输出显示；
电源模块用于为装置供电。
2.根据权利要求1所述的运动状态指示装置，其特征在于：所述运动状态指示灯模块采用高亮的LED灯阵，停止状态指示灯为红色，左转、右转和直行状态的指示灯采用绿色。
3.根据权利要求1所述的运动状态指示装置，其特征在于：所述电源模块配置可自由充电的微型锂电池，通过控制器模块进行控制，具备自动休眠功能。
4.根据权利要求1所述的运动状态指示装置，其特征在于：所述装置可安装在单车尾部。
5.一种权利要求1所述的运动状态指示装置的实现方法，其特征在于：当装置处于运动状态时，陀螺仪模块实时采集运动姿态数据，并将数据上传至控制器模块，控制器模块利用卡尔曼滤波算法进行运动姿态数据的数据估计和融合，通过对数据融合、估计的结果进行关于运动方向和运动状态的解算，实现对于运动方向和运动状态的判断和输出指示。
6.根据权利要求5所述的运动状态指示装置的实现方法，其特征在于：所述陀螺仪模块实时采集的运动姿态数据包含三轴加速度和三轴姿态角，三轴姿态角即偏航角、俯仰角和翻滚角。
7.根据权利要求5所述的运动状态指示装置的实现方法，其特征在于：所述
控制器模块通过对数据融合、估计的结果进行关于运动方向和运动状态的解算，实现对于运动方向和运动状态的判断的具体实现方法为：
左转：当装置在左转过程中，偏航角的姿态输出应为正，并保持大于一定的数值，此时判断出左转向的运动姿态；
右转：当装置在右转过程中，偏航角的姿态输出应为负，并保持小于一定的数值，此时判断出右转向的运动姿态；
停止或刹车：当装置在刹车过程中，加速度的输出应为负；在停止状态时，装置的姿态角数据稳定在零点附近小区间内波动，此时判断出停止或刹车状态；
直行：如果装置不处于上述三个状态，则判断当前处于直行状态。
8.根据权利要求5所述的运动状态指示装置的实现方法，其特征在于：所述
实现对于运动方向和运动状态的判断后，只有连续N次系统判断一个运动姿态时才对运动姿态进行输出；同时，当处于停止状态时，控制器模块调用内部的定时器计算装置连续处于停止状态的时间，当连续停止时间超过设定时间N秒时，进入休眠状态。
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