能投影的智能自行車尾燈

北京市海淀區(qū)上地實(shí)驗(yàn)小學(xué) 王奕潼

發(fā)明背景：

我很喜歡騎自行車，借助自行車可以方便、快捷地抵達(dá)目的地。偶爾與同學(xué)進(jìn)行的自行車比賽，也給我?guī)砹嗽S多樂趣。

有一天，爸爸給我買了一個(gè)自行車尾燈，上面有按鈕和LED 箭頭標(biāo)志。按下按鈕后箭頭標(biāo)志中的LED 燈不斷閃爍，可在夜間引起周邊人員和車輛的注意。于是，我把這個(gè)自行車尾燈安裝在自行車后座的支架上，保障夜間騎行安全。

一天晚上，我停好自行車，走了十來米后才察覺忘記關(guān)自行車尾燈了。在返回的路上，我發(fā)現(xiàn)這種自行車尾燈尺寸較小，距離稍遠(yuǎn)時(shí)只能看到一個(gè)模糊的光團(tuán)，箭頭標(biāo)志更是看不清，而且LED 燈閃爍形式較單一，不會因騎行狀態(tài)變化而變化。

因此，我決定設(shè)計(jì)智能自行車尾燈，它的智能化程度高，提醒效果好，能根據(jù)自行車剎車、轉(zhuǎn)向等騎行狀態(tài)自動(dòng)發(fā)出準(zhǔn)確而清晰的警示信號。

圖1 近距離與遠(yuǎn)距離觀察自行車尾燈的效果

設(shè)計(jì)思路：

我從家用轎車車門的迎賓燈激光投影受到啟發(fā)，想到可以將自行車尾燈警示標(biāo)志或預(yù)設(shè)圖案投影在自行車后方地面上，并增大投影尺寸，使尾燈警示信息更加醒目，有效提醒后方車輛注意。

為了測試投影的效果，我購買了2 支激光筆，將其固定在自行車后座的支架上，并分別設(shè)置2 支筆的投射方向，使其剛好相反，之后觀察地面投影的變化。我發(fā)現(xiàn)隨著自行車傾斜角度的變化，地面投影與自行車的距離會不斷變化，地面投影尺寸和位置也會發(fā)生變化，如圖2 所示。

圖2 地面投影隨自行車車身傾斜角度變化而改變的示意圖

如何解決上述問題，同時(shí)增強(qiáng)自行車尾燈對剎車、轉(zhuǎn)向等騎行狀態(tài)的智能提醒效果呢？我決定利用主控板、加速度傳感器等部件制作自行車智能投影尾燈，這種尾燈能夠根據(jù)車身傾斜程度自動(dòng)調(diào)整投影角度，保證投影圖案的相對穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向自動(dòng)檢測、剎車自動(dòng)檢測等功能，并改變投影燈的顏色。

作品結(jié)構(gòu)：

自行車智能投影尾燈采用三棱柱結(jié)構(gòu)，由自穩(wěn)結(jié)構(gòu)（外殼、轉(zhuǎn)軸）、控制系統(tǒng)（水銀開關(guān)、加速度傳感器、主控板）、投影燈組（投影燈、透鏡）、電源系統(tǒng)（電池、充電系統(tǒng)）構(gòu)成。

圖3 自行車智能投影尾燈結(jié)構(gòu)圖

自穩(wěn)結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)軸固定在自行車后座的支架上，尾燈重心在自穩(wěn)結(jié)構(gòu)的對稱軸上，可保證自行車車身傾斜時(shí)尾燈投影方向不變。

兩個(gè)水銀開關(guān)分別裝在尾燈內(nèi)部兩側(cè)。調(diào)整水銀開關(guān)的放置角度，通過檢測水銀開關(guān)的接通與斷開狀態(tài)，可間接知曉自行車的轉(zhuǎn)向。當(dāng)自行車正常行駛時(shí)，水銀開關(guān)為斷開狀態(tài)，而當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，一側(cè)的水銀開關(guān)為接通狀態(tài)。

加速度傳感器可測量自行車行駛時(shí)的加速度，若加速度大于設(shè)定閾值，可以判斷自行車存在剎車行為。

投影燈為3 個(gè)高亮度的全彩LED燈，能夠根據(jù)主控板的控制信號發(fā)出不同顏色的光，利用光學(xué)透鏡將光線匯聚并放大投影到地面上。

制作過程：

我在老師和家長的幫助下，用SolidWorks 軟件繪制基本的3D 模型圖，將尾燈分解為9 個(gè)結(jié)構(gòu)零部件，完成模型的初步設(shè)計(jì)。

圖4 自行車智能投影尾燈3D 模型圖

之后，將設(shè)計(jì)好的3D 模型圖發(fā)送給3D 打印廠家，由廠家進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。與廠家溝通預(yù)留各類控制板和測量模塊的位置，得到3D 打印的結(jié)構(gòu)部件，隨后進(jìn)行組裝。

我在可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸內(nèi)加入阻尼脂，將轉(zhuǎn)軸與尾燈外殼組裝在一起。再將3 個(gè)全彩LED 燈分別裝在尾燈的左側(cè)、中間、右側(cè)（可實(shí)現(xiàn)3 個(gè)方向的投影），并將它們與燈光驅(qū)動(dòng)器相連，由驅(qū)動(dòng)器供電和控制發(fā)光。

采用三燈組合的投影燈組，設(shè)計(jì)不同騎行狀態(tài)下LED 燈閃光模式及發(fā)光顏色，比如自行車即將左轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)的LED 燈發(fā)出綠光，中間的LED 燈發(fā)出紅光，左側(cè)的LED 燈發(fā)出黃光，表示右側(cè)為安全區(qū)域，允許后方車輛通過，左側(cè)為危險(xiǎn)區(qū)域。

圖5 自行車智能投影尾燈LED 燈發(fā)光顏色組合

在全彩LED 燈上安裝由5 個(gè)光學(xué)透鏡組成的光學(xué)透鏡組合。

將Arduino 開發(fā)板作為主控板，獲取加速度傳感器的測量值，通過設(shè)定程序給出投影燈組的控制信號。目前利用水銀開關(guān)可實(shí)現(xiàn)自行車車身傾斜30°至70°的自動(dòng)檢測。通過可充電電池給加速度傳感器、水銀開關(guān)、投影燈組以及主控板供電。

最后，采用C 語言對Arduino開發(fā)板進(jìn)行編程。Arduino 開發(fā)板不斷采集加速度傳感器、水銀開關(guān)的信號，實(shí)時(shí)根據(jù)設(shè)定數(shù)值進(jìn)行判斷，由此獲知自行車騎行狀態(tài)，進(jìn)而根據(jù)不同的條件控制投影燈組。

我將自行車智能投影尾燈安裝在自行車后座，再進(jìn)行測試，效果達(dá)到了預(yù)期。

圖6 作品實(shí)物圖

圖7 自行車智能投影尾燈被安裝在自行車后座的使用效果

圖8 自行車智能投影尾燈測試效果圖（分別表示自行車即將左轉(zhuǎn)、剎車、右轉(zhuǎn)）

創(chuàng)新點(diǎn)：

自行車智能投影尾燈集成了多種自動(dòng)提醒功能，如剎車自動(dòng)提醒、轉(zhuǎn)向自動(dòng)提醒等。投影燈組的閃光及顏色變換模式具有針對性，投影燈射向可自動(dòng)調(diào)整，投影警示效果較好，能有效提醒后方車輛注意。

老師推薦：

王奕潼同學(xué)善于思考、敢于嘗試，從自行車騎行安全角度出發(fā)，巧妙利用速度傳感器、重力自穩(wěn)結(jié)構(gòu)等組件發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)簡單、智能、實(shí)用的自行車尾燈。作品創(chuàng)新性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。