騎行拐彎預警智能休閑騎行服設計研究

柳玉營,王朝暉,劉歡歡

(1.東華大學 服裝藝術與設計學院,上海 200051; 2.東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室,上海 200051;3.上海市紡織智能制造與工程一帶一路國際聯合實驗室,上海 200051)

近年來,以休閑、娛樂、通勤為目的而進行騎行運動的騎行愛好者數量呈爆發式增長,但是消費者日益增長的騎行需求和自行車騎行拐彎安全性差之間的矛盾尚未得到解決。

自行車缺乏轉彎信號系統,因此交通法規規定[1]自行車在轉向時需要用手來指示轉彎方向。但是許多人并不了解或不使用手勢預警,且在非機動車道,自行車與電動車共同行駛,車況復雜,突然伸手指示,存在被高速車輛撞到的風險[2],而且單手扶車把手會降低騎行者對突發情況的應急處理能力。此外由于惡劣天氣或者光照條件,駕駛員手勢預警效果會降低,因此設計一套易于識別理解的安全的自行車拐彎預警系統很有必要。

目前各國學者都在積極研發關于騎行警示功能的智能可穿戴產品。根據警示原理主要分為以開關控制警示和以運動傳感器感應控制警示2種警示方式。開關控制是指通過遙控器開關來操縱自行車上或者是可穿戴設備上增添的發光二極管(LED)指示燈來指示拐彎方向,如直接安裝的自行車車燈[3]、附加在可穿戴設備上的Zackees騎行發光手套[4]、轉向燈背心[5]、Lumos智能騎行頭盔[6]等。開關手動控制進行拐彎預警比較準確,但是比較麻煩,這種方式極依賴于個體交通安全意識,許多人并未養成打轉向燈的習慣。目前的研究方向多以運動傳感器智能感應控制為主,運動傳感器感應控制是指通過運動傳感器來感應拐彎時的騎行姿勢傾斜變化[7-8]或者手臂伸出示意拐彎時的動作變化來控制自行車或者可穿戴設備上附加的LED轉向指示燈開關。運動傳感器主要包括傾斜傳感器[9]、加速度傳感器[10-11]等。通過運動傳感器自動識別拐彎姿勢變化并進行預警比較方便智能,但騎行姿勢變化后才開始警示,此時已經開始拐彎,達不到預警的效果,且手臂伸出示意很危險。此外運動傳感器感應準確度受騎行姿勢個體差異度以及環境因素影響。騎行拐彎預警智能可穿戴的及時性和安全準確性問題亟需得到解決。

本文在前人的基礎上,針對騎行拐彎智能可穿戴的警示不及時性,利用高德地圖應用程序自帶的騎行拐彎前預警提示信息來控制防水LED燈條發光,設計能及時準確進行拐彎預警的智能騎行服。騎行服具備拐彎前自動提前預警的功能可以更好地保障騎行者的安全,提高自行車拐彎以及夜間騎行的安全性。

1 拐彎預警功能騎行服技術設計

1.1 總體結構設計

在拐彎預警騎行服發光系統的搭建中,為了實現智能發光系統的動態發光效果,可控發光系統的搭建包含硬件部分的設計和軟件程序的搭建以及發光服裝的制作,總體框架如圖1所示。

軟件模塊以用戶手機為載體,Android APP開發為平臺,通過引入免費的高德應用程序接口(Application Programming Interface, API),開發具有騎行導航功能及拐彎預警功能APP。硬件模塊包括藍牙、單片機主板、小燈。Arduino單片機通過藍牙接收手機APP的拐彎信號,單片機在經過開發編程后,可以利用開發板上的微控制器向小燈發送控制命令實現發光。供電模塊為整個發光系統提供電源。

1.2 軟件設計

手機已成為人們的生活必備品,騎行者在出行時經常會使用地圖APP或者騎行類APP進行導航。目前智能手機操縱系統競爭激烈,Android系統以其獨特的開放性、舒適的開發環境以及低成本等眾多優點占據了廣闊的市場[12],因此本文以Android系統進行騎行APP的開發。高德地圖是國內使用率較高的免費地圖導航軟件,高德地圖的API端口是一組基于云的地圖服務接口,向開發者提供了Android平臺地圖開發的技術支持,Android應用程序可通過調用高德地圖API接口的方法實現地圖相關功能[13]。本文調用面向個人開發者開放的免費高德API接口,主要使用高德地圖向Android平臺提供的Android地圖SDK、Android定位SDK和Android導航SDK 3項開發支持,在Android開發平臺上開發具有用戶定位、路線規劃和騎行導航功能的手機APP。

進行Android開發首先需要搭建Android開發環境,開發環境搭建完成后需要從高德開放平臺打包下載所需要的Android SDK,作為個人開發者可以在高德地圖開發平臺免費獲取密鑰來使用高德地圖SDK接口并實現其功能。在Android Studio工程的AndroidMainfest.xml獲得使用許可后便可進行APP開發[14]。手機APP設計界面如圖2所示,共有5個模塊:藍牙搜索、測試前進、測試左轉、測試右轉、進入導航。藍牙搜索需打開手機藍牙,與硬件藍牙連接成功后可進行信號傳輸;測試前進、測試左轉、測試右轉可在使用前測試藍牙是否連接成功;進入導航接入高德API接口,選擇目的地后便可進行騎行導航。

為了達到騎行拐彎預警發光的目的,Android端手機APP需通過拐彎預警信息的識別及分類算法來對導航預警提示信息進行識別分類。首先使用回調函數獲取導航語音播報信息文字,即:public void on Get Navigation Text(String text),然后對信息文字進行關鍵字識別和分類,將不同分類結果通過手機藍牙以數字0～4形式輸出。語音提示信息關鍵詞分類及其對應的藍牙輸出信息如表1所示。

表1 語音提示信息關鍵詞分類及其輸出結果信息對應表Tab.1 Keyword classification of voice prompt information and its output result information correspondence table

1.3 硬件設計

為了降低智能可穿戴設備對服裝舒適度的影響,硬件優先考慮尺寸小、易于操作、使用方便的電子元器件。

本文設計中單片機選擇Arduino Nano控制板作為數據處理模塊。Arduino Nano體積較小,是Arduino USB接口系列單片機的微型版本,其處理器核心是ATmega328P。Arduino板上的微控制器利用Arduino編程語言和Arduino開發環境編寫程序,編譯成二進制文件,燒錄進微控制器。微控制器發送控制命令來實現系統功能[15]。

藍牙通信技術是一種短距離無線通信技術,藍牙體積小、質量輕、功耗低、響應快,已廣泛應用于智能可穿戴領域。藍牙選用低功耗、低成本的HC-06模塊,HC-06模塊是一款高性能從機藍牙2.0串口模塊,是基于 Bluetooth Specification V 2.0 帶 EDR 藍牙協議的數傳模塊,模塊大小為27 mm×13 mm×2 mm,自帶LED狀態指示燈,可直觀觀察藍牙連接狀態。HC-06可與手機藍牙進行連接,實現硬件與手機的聯通。

LED燈是一種冷光源,對人體幾乎無危害,具有環保、體積小、質量輕、能耗低、亮度可控和光線擴散范圍大等特點,本文系統選用3個電壓為5 V、 寬度為5 mm的防水LED軟燈條,工作電壓4.0～6.0 V,工作電流為20 mA。LED軟燈條每個燈珠均獨立可任意裁剪,使用2P(具有2個連接端口)LED燈條免焊接頭L型卡扣將2段燈條連接,設計成圖案簡明的箭頭指示圖案。燈條電線與對應的XH-2P端子線焊接,焊接后可在硬件開發板預留的接口端自由拔插,可拆卸端口設計保障了智能服裝的可拆卸性。LED燈條自帶背膠,通過強力背膠魔術貼固定在戶外騎行服上,方便拆卸,穿戴后穿著者在較遠處也可被周邊的人發現,起到拐彎預警作用。LED燈條設計如圖3所示。

圖3 LED燈條設計Fig.3 LED light bar design

系統電源選擇充電鋰電池(藍途電子科技有限公司),該鋰電池長97 mm、寬60 mm、電壓5 V、容量為5 000 mA·h,具備質量輕、體積小、功耗低、容量大的特點,可滿足智能服裝輕便化以及全天候穿著使用的需求。

硬件設備電路原理圖如圖4所示。LED燈條1、2、3分別代表左轉信號燈、直行信號燈、右轉信號燈,通過單片機編程控制LED燈條發光。

圖4 電路原理圖Fig.4 Circuit Schematic

當整套智能設備接入電源后,系統開始工作并且確認藍牙設備是否連接正確。確保藍牙連接成功后,Android端手機APP通過藍牙將結果信息傳輸至單片機端,Arduino 控制板根據不同結果信息控制 LED燈條發光。騎行拐彎預警發光控制邏輯圖如圖5所示。

圖5 單片機控制發光邏輯圖Fig.5 Microcontroller control light-emitting logic diagram

藍牙HC-06接收到手機輸出的結果信息,結果信息為“0”時,騎行導航剛開始,LED燈1、2、3全亮;當結果信息為“1”時,即將要左轉或者向左掉頭,此時只有LED燈1亮起;當結果信息為“2”時,正在直行或者剛拐完彎準備直行時,此時只有LED燈2亮起;當結果信息為“3”時,即將右轉,此時只有LED燈3亮起;當結果信息為“4”時,騎行導航即將結束,3個LED燈全滅。

2 拐彎預警功能騎行服設計方案

2.1 設計原理

騎行服的設計是為了使騎行過程更舒適,為騎行者提供安全保護。專業騎行服可以讓騎行運動員在比賽中有更好的發揮,但是專業騎行服并不能很好地滿足業余騎行愛好者全天候多場合的穿著需求。以休閑、娛樂、通勤為目的的業余騎行愛好者更注重騎行服的外觀時尚度。騎行愛好者的運動強度、時長以及裝備的安全系數與專業騎行運動員有很大差異,業余騎行愛好者特殊的身體、心理以及運動需求促使了城市休閑騎行服的誕生。城市休閑騎行服外觀接近常規休閑服裝,騎行者下車后可以隨時融入周圍環境。功能上結合騎行需求,兼具安全防護、防風、防水等多種功能[16]。本文圍繞 “以人為本”的設計理念,綜合考慮服裝的設計造型、款式構成、時尚美感、服裝結構、服裝工藝、服用材料、人體工效等方面,設計更符合業余騎行愛好者騎行需求和心理需求的智能化騎行服。

2.2 結構造型設計

造型是服裝設計中的重要元素,影響著服裝的外觀形態效果,依照從整體到細節、從外部到內部的設計規律,造型因素可劃分為整體廓形造型與細節結構造型[17]。

在休閑騎行服的設計過程中,從人體工學出發,結合目標群體的特殊心理需求進行造型設計。騎行服款式見圖6,業余騎行愛好者對于騎行服全天候穿著的需求意味著休閑騎行服不需要像競技騎行服一樣緊身,H型廓形外輪廓呈矩形,寬松的廓形穿著更舒適休閑,簡潔的廓形設計更易與其他產品搭配。運動者在騎行過程中,上半身保持前傾狀態,后片留出適量松量,下擺前短后長設計可以更好地保護腰部[18]。下擺和袖口可調節尺寸的拉繩和調節扣設計可以在早晚驟冷時更好地防風保溫。可拆卸袖子設計滿足騎行者在不同季節的穿著需求,穿脫、攜帶方便,增添了造型多樣性,適應全天候的需求。外套領口處的立領設計可以通過紐扣調節與頸部的貼合度,達到防風效果。手臂彎處設計的通風進風口、前胸口袋通風口和后背設計出風多功能口袋組成了服裝的通風系統,拉鏈內部襯有透氣網眼面料,打開拉鏈即可透氣排汗。拉鏈均采用反光拉鏈,戶外騎行時在燈光的照射下可以起到安全警示作用,提高騎行者夜間騎行安全性。

圖6 騎行服款式圖Fig.6 Cycling clothing style chart.(a) Front;(b) Back

騎行過程中背部幾乎不受騎行動作的影響,將硬件部分裝在后背通風口袋里既可以不受運動影響,而且隱蔽性強,保持了服裝美觀性[19]。LED燈條用強力背膠魔術貼貼在服裝后背部,背部口袋遮擋布上端預留魔術貼隱藏通道,口袋內有3個氣眼孔,端子線可以通過魔術貼隱藏通道進入服裝外層和內層面料之間,再穿過氣眼孔進入口袋內,與口袋內放置的硬件模塊通過接口端進行耦合。警示圖案選擇簡潔易懂的箭頭表示,更易被后方車輛理解,從而提高警示效果。打開預警系統后后方車輛可以清楚地看到拐彎預警顯示圖案。

2.3 色彩設計

業余騎行運動不受場地和時間的限制,而鮮亮的色彩滿足不了場合的不同變換,因此城市休閑騎行服的整體色調以相對中性的色調為主。米白色與其他款式、色彩的服裝的可穿搭性強,在多種場合的變換下可以自如穿著,因此本文選擇相對中性的米白色作為服裝整體色調。城市休閑騎行服集時尚性、實穿性、功能性于一體,在保證整體色調易融于大環境的同時,還要滿足服裝可視性的功能要求[17]。城市休閑騎行服的細部色彩設計要以整體結構為基礎,與服裝功能性相呼應,因此服裝背部LED燈條的色彩設計為亮眼的熒光色。正常人眼對電磁波長為555 nm的綠色區域最為敏感,為了使發光警示服裝發出的光線更容易被接受,駕駛員能夠及時地采取措施以應對突如其來的交通變故,因此LED燈條選擇為熒光綠色。領子內里選擇同樣的綠色與發光警示圖案相呼應,白綠拼色為整體服裝增加設計時尚感。

2.4 面料設計

城市休閑騎行服可適應多場景變換的特點決定其面料需要兼具時尚美觀性與運動功能性。在滿足美學效果的前提下,還應具有防風、防水、排汗透濕等基本功能。本文設計騎行服外層采用滌綸,面料透氣率低,具有優異防風性;按照GB/T 4744—2013《紡織品 防水性能的檢測和評價 靜水壓法》測試面料靜水壓指標大于35 kPa,具有優異的防水性能;按照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性能試驗方法 第2部分:蒸發法》測試面料透濕性為3 491.36 g/(m2·24 h),透濕性滿足基本運動要求,持久防水,運動產生的水汽可以從內部排出。內襯采用透氣大網眼面料,超大透氣孔能夠迅速散熱,透氣導濕性能好,提高騎行者騎行過程的舒適性,2款面料如圖7所示。

圖7 騎行服面料Fig.7 Cycling clothing fabrics.(a) Polyester ;(b) Breathable mesh fabric

2.5 成衣展示

城市休閑智能騎行服成衣效果展示如圖8所示。

圖8 智能休閑騎行服成衣Fig.8 Smart leisure cycling clothing ready-to-wear.(a)Front;(b)Back;(c)Side

通風系統部位包括側臂、胸前以及后背,打開拉鏈,內層為透氣網眼面料。服裝細節如圖9所示,其中胸前及后背的通風結構除了通風透氣外,還可以儲物。

圖9 騎行服通風系統Fig.9 Cycling clothing ventilation system.(a)Side arm;(b)Chest;(c)Back

袖子通過拉鏈可進行拆卸,拆卸后成衣成為馬甲,更易穿脫和搭配,具有四季可穿性,袖子拆卸細節及拆卸后馬甲效果如圖10所示。

圖10 可拆卸袖子效果圖Fig.10 Removable sleeve effect.(a)Disassembly in progress;(b)After disassembly

LED軟燈條通過強力背膠魔術貼粘在騎行服后背發光區域內,端子線通過預留的魔術貼及氣眼隱藏通道進入背部口袋內與硬件開發板上的對應的XH-2P接插件連接,電路連接實物如圖11所示。

圖11 LED燈條電路連接實物圖Fig.11 LED light bar circuit connection physical diagram.(a)Velcro hidden channel;(b)Air-eye hidden channel

將拐彎預警系統硬軟件和城市休閑騎行服結合,得到具備拐彎預警功能的智能休閑騎行服。當左轉預警時,LED燈條發光效果如圖12所示。

圖12 左轉預警發光效果圖Fig.12 Left turn warning luminous effect.(a)Detail picture;(b)Riding effect

3 拐彎預警功能騎行服效果測試

3.1 系統功能測試

系統功能測試包括測試軟件系統功能以及軟硬件部分的聯通是否達到預期目標。使用手機安裝騎行導航APP,手動進行各功能的測試,觀察實際結果是否符合預期。測試結果見表2,測試結果均與預期一致,拐彎預警系統功能正常。

表2 拐彎預警系統功能測試表Tab.2 Cornering warning system function test table

3.2 及時性測試

拐彎預警系統在保證準確性的前提下,預警及時性也至關重要。在騎行導航過程中,當拐彎預警提示信息出現時,騎行者到路口的距離為預警距離。拐彎預警提示信息出現的時間和LED燈發光的時間差值為預警延遲時間,預警延遲時間越小,系統及時性能越好。預警距離是拐彎預警是否能夠及時有效對后方司機進行示警的重要因素,預警距離是根據GPS定位預算騎行者到路口的距離,網絡正常的情況下,高德導航GPS定位室外誤差在10 m以內,誤差較小。

實驗對象選擇一名騎行愛好者,身穿拐彎預警功能智能騎行服在上海市郊外車流較少的公路進行騎行導航拐彎測試,在自行車上固定一個手機支架,測試過程全程開啟屏幕錄制。將手機固定在自行車手機支架上防止誤觸。實驗設計者騎車跟在實驗對象后方,在實驗對象開啟屏幕錄制的同時打開手機秒表,通過多次點擊計時按鈕,可以記錄多個時刻。實驗設計者時刻觀察智能騎行服在實驗對象騎行過程中的發光圖案顯示,在發光圖案出現的一瞬間按下計時按鈕記錄下數據。屏幕錄制視頻的時間和計時時間同步。實驗結束后觀察屏幕錄制視頻中預警距離和預警時間,對比預警時間和計時時間可以直觀分析出騎行拐彎預警系統在實際騎行導航過程是否有延遲性。

對比可得,預警時間和發光時間相差在0～1 s內,考慮到人眼看到發光顯示所需反應時間和計時動作所需時間,該時間差可以忽略不計,即拐彎預警系統的預警延遲時間幾乎為0 s,說明系統反應迅速,在預警信息出現的同時可控制發光警示圖案發光。不同拐彎類型的預警距離如圖13所示。

圖13 不同拐彎類型下的預警距離Fig.13 Warning distance under different cornering types

當騎行左轉時,預警距離平均數為51.1 m;當騎行右轉時,預警距離平均數為50.1 m。騎行拐彎左轉警示燈的警示對象一般為機動車司機和非機動車道上車速較快的電動車,右轉警示燈的警示對象一般為非機動車道上車速較快的電動車。汽車和電動車在城市公路上的行駛平均速度分別為80和30 km/h,汽車司機和電動車司機看到自行車騎行者的拐彎預警后進行剎車的剎車距離分別為53.7和12.7 m[20-21],駕駛者在路口通常會減速慢行,實際的剎車距離會更小。因此本文系統的預警距離可以很好地保障騎行拐彎預警的有效性和騎行者的騎行安全。

4 結束語

基于自行車騎行拐彎安全性較差現狀和拐彎預警智能可穿戴不夠及時準確和安全智能的問題,對可應用于騎行拐彎預警的智能休閑騎行服進行了設計研究,探索了導航信息可視化在服裝中的表達。以高集成性和易用性的Android端手機為開發平臺,引入高德地圖應用程序提供的免費Android地圖SDK、定位SDK和導航SDK 3項開發接口,設計了具有騎行導航、用戶定位、路線規劃功能的手機APP。通過拐彎預警信息的識別及分類算法對導航預警提示信息進行識別和分類。將不同類別導航預警提示信息通過藍牙傳輸到硬件藍牙上,單片機根據收到的信息控制不同LED燈條發光。通過實驗對拐彎預警系統的及時準確性進行了驗證,發現預警時間和發光時間的差值幾乎為0 s,驗證了拐彎預警系統反應迅速。左轉預警距離和右轉預警距離分別為51.1和50.1 m,即騎行者距離拐彎處50 m左右時,智能休閑騎行服便可自動發出拐彎預警信號,改善了常規產品拐彎警示未發生在拐彎前的警示滯后性。基于以上設計與實驗過程,豐富了同類智能可穿戴的設計研究思路,為人機交互技術、導航信息可視化的發展提供了理論基礎。