谈骑行者行为模式的安全警报系统设计范文

摘要：本文运用压力传感器与单片机连接，实现提醒功能、监管功能以及相关行驶辅助功能，并对系统进行了运行测试，对误差进行了分析；我们对单手骑行、站立骑行是否安全仅仅是凭借骑行常识，未有理论支撑；为更具体更直观的反映出错误骑行的危险性，本文运用ANSYS软件对骑行时手臂与主要躯干部分所受应力进行了有限元分析，并实际测量错误骑行的制动距离与骑行者的生理参数，进行数据对比与分析使错误骑行是危险的这一观点更具有说服力。

关键词：自行车；压力传感器；交通安全；有限元分析

0引言

非机动车一直是我国居民较为常用的一种交通方式，并自2013年共享单车的引入与发展，骑自行车出行成为越来越多人首选的出行方式；然而，在共享单车给城市交通带来的发展的同时，也带来更多的交通事故，就死伤人员而言，自行车事故受伤人数占全国道路交通事故受伤人员总数的35%左右，死亡人数占全国道路交通事故死亡人数的25%左右；在我国城市交通事故统计中，与自行车有关的交通事故占60%左右，其中死亡事故与自行车有关者占30%[1]。不正确的行为决策与行为模式是造成交通事故的主要原因，而现阶段错误的骑行方式，如单手骑行、身体离开座位等现象比比皆是，但共享单车对于此却没有明确引导、提醒与限制；因此，为了解决这种现象，基于骑行者的行为模式，判断出不安全骑行行为与时长，并对骑行者进行提醒与警示，对于减少共享单车发生交通事故有一定预防的意义。

1系统的硬件与软件设计

系统设计框图如图1所示，电池电压经稳压芯片1117稳压后供给系统中各个元件。其中用于测压力的传感器，将压力变化传输给单片机并记录在单片机内，并通过蓝牙传输协议向用户手机发送情况报告，以便后期观察；当压力与设定值不符时，通过单片机使灯光闪烁，若仍未改变骑行状态蜂鸣器开启警报；转向开关设置在把手处，通过转向开关进行通断控制，将通断信号传输到单片机内，通过单片机控制转向灯的开启与关闭。主要实现转向时提醒其他交通参与者、错误骑行时的提醒与记录的功能。

1.1系统的硬件设计

系统设计可以分成四个模块：压力传感器测试模块、单片机系统、转向指示灯模块、安全警报模块。转向指示灯和压力传感器都是接3.3V电源和地，然后数据脚接一个上拉电阻，接到单片机；12V电源经3.3V的稳压芯片得到3.3V的电源。系统硬件原理图如图2所示。

1.2系统的软件设计

软件部分是主控程序模块、蓝牙传输模块、传感器数据记录模块组成。当单片机接收到传感器传输的信号，由语句判别变化范围是否超过设定值；若超过，通过传输协议向手机APP发送消息，并同时作用于警告灯，若骑行者仍未改变骑行状态，会作用于蜂鸣器开始发出警告。

1.3系统的检测与分析

在设备完成代码写入和线路焊接后进行检测和灵敏度分析：

（1）系统实际操作检测：当打开开关后，设备蓝牙模块发出红色闪光。通过蓝牙模块可以实现骑行设备和手机端APP的连接和数据交流。当人双手正确握在车把上并正确落座后，设备发出“滴”的长鸣，同时红灯常亮1秒，进入正常工作状态。当骑行者左手或者右手脱离车把后，系统会检测到骑行者的危险骑行，位于车把左右的显示灯闪烁进行提示；当继续单手骑行时，灯光继续闪烁的同时，蜂鸣器可以按照预先设计发声报警，通过声信号和电信号提示骑行者注意安全；在检测到骑行者双手离开车把并离开车座结束骑行后，系统可正常通过蓝牙模块向手机端APP发送一条简单的信息汇总和提醒，内容正确包含：骑行总时间、单手骑行次数、离座骑行时间、离座骑行次数。

（2）数据分析：对软件所报告的骑行时间进行误差分析，经过实际测量，相对误差为0.46%，证明该系统反应灵敏，符合普通民用设备的精度需求。

2结果与讨论

生物力学研究指出，人体骨骼在承受弯曲应力及拉压应力时的特性表现同普通刚性材料类似，则可将大小腿及脚骨头等效视为刚性杆件[2]，在人体神经系统的控制下，横纹肌收缩而产生的拉力带动下肢骨骼，实现关节转动功能，故可视其为动力源[3]，借助SOLIDWORKS建模，利用ANSYSR19.2软件对不同骑行情况行驶中受力情况进行模态分析，并实际测量人体在不同行驶情况下的生理参数与制动距离等数据。为了在不影响仿真模拟结果的前提下，使研究的问题简单化直观化，作出以下假设：（1）在运动过程中，车和骑行者为一个系统，且可以在受力条件下发生应变；（2）系统作直线运动，且忽略系统重心高度变化。（3）施加在人体手部有限元模型上的力为定值，且总大小为4KN。

2.1单手骑行与正确骑行的力学分析

针对单双手骑行时手臂与主要躯干用ANSYSR19.2软件进行应力有限元分析，结果如图3所示。通过颜色云图可以明显发现，单手骑行时手臂与主要上肢躯干部分受到的应力远远大于双手骑行时所受应力，且前臂靠关节部分与肩部受力较大，为主要控制自行车行驶状态的部位；单手骑行时最大有限元应力为1.428*10-6MPa，最小有限元应力为4.976*10-7MPa；双手骑行时最大有限元应力为6.634*10-7MPa，最小有限元应力为1.687*10-7MPa，且受力基本呈现中心对称的情况。单手骑行时所受应力较大，对方向的控制较为困难，与双手骑行整体上的应力呈现出数量级的差异；且单手骑行时人体重心与自行车行驶重心存在偏差，存在一定的整体性倾斜，骑行时需克服倾斜带来的力；单手控制时，遇紧急情况是仅能控制单个车轮的制动容易产生前翻或者制动距离较长的情况，对行驶安全与事故规避不利。

2.2站立骑行与正确骑行的力学分析

针对站立骑行时手臂与主要躯干用ANSYSR19.2软件进行应力有限元分析，结果如图4所示。通过颜色云图可以明显发现，站立骑行时手臂与主要上肢躯干部分受到的应力远远大于正常骑行时所受应力，且前臂靠关节部分与腿部受力较大，为主要控制自行车行驶状态的部位；站立骑行时最大有限元应力为1.4263*10-6MPa，最小有限元应力为6.339*10-7MPa，受力基本呈现中心对称的情况。站立骑行时所受应力较大，难以对骑行状态与方向有较好的把控，与正常骑行整体上的应力呈现出数量级的差异；且站立骑行时人体重心较高，人与自行车这个整体重心也较高，更容易出现倾斜，骑行时需额外增加克服倾斜带来的力给骑行带来不便；站立骑行时，遇紧急情况时制动容易因为骑行者重心过高而出现人体受惯性影响仍保持前行状态出现危险情况。

2.3危险骑行方式与正确骑行的对比

设定测试速度为20.5±0.4Km/h，对同一自行车进行多次制动距离测量取平均值，结果如表1所示。由表中数据可知：单手骑行时制动距离是正常骑行的约3.3倍，而站立骑行是正常骑行的1.64倍。设定速度为20.5±0.4Km/h时，记录从发出指令骑行者到双手制动至自行车完全停止的时间多次测量取平均值，结果如表2所示。由表中数据可知：单手骑行时反应时间约为1.825s，比双手骑行时反应时间约多出1s左右。

3结论与展望

（1）系统在正常环境中可以正常运行，危险骑行次数记录准确，危险骑行时间记录误差为0.46%对系统使用无实际影响；（2）单手骑行时手臂与主要上肢躯干部分受到的应力远远大于双手骑行时所受应力，且前臂靠关节部分与肩部受力较大，并呈现数量级的差异；（3）站立骑行时手臂与主要上肢躯干部分受到的应力远远大于正常骑行时所受应力，且前臂靠关节部分与腿部受力较大，并呈现数量级的差异；（4）实际测量时，危险骑行的制动距离比正确骑行方式下平均多出6.01m，占正常骑行时制动距离的175.82%；危险骑行的反应时间比正确骑行方式下平均多出0.945s，占正常骑行时反应时间的107.38%，约增加5.61m制动距离；（5）根据已测出与有限元模拟的数据，可证明单手骑行与站立骑行是危险骑行的说法是可靠的；（6）由于人体工学不能简单的看成机械构件，在利用ANSYS软件模拟时，虽增加了一些修正但人体的受力方式、力的传导方式等方面比较特殊，在日后的研究中基于人体特点进行更精细化考虑，并加以修正。

作者：高君玺 陶瑞兆 吕焕奔 黄天宇 单位：郑州大学土木工程学院