一種基于mems的自行車導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是設(shè)及導(dǎo)航與定位領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于MEMS的自行車導(dǎo)航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代社會(huì)提倡低碳與節(jié)能文化，自行車是一種低碳環(huán)保的交通工具，深受廣大用 戶所青睞，然而，當(dāng)使用自行車騎行進(jìn)入野外的林蔭小道、山谷W及隧道時(shí)，GI^衛(wèi)星信號(hào)受 障礙物遮蔽，無法使用傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航。另外，目前很多導(dǎo)航儀不適應(yīng)自行車導(dǎo)航，例如，現(xiàn) 在的碼表無法提供自行車行駛過程中的姿態(tài)信息。
[0003] 因此，有必要提出一種新的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于MEMS的自行車導(dǎo)航系統(tǒng)， 其可解決自行車的導(dǎo)航問題，實(shí)時(shí)顯示用戶的當(dāng)前位置、實(shí)時(shí)輸出自行車的動(dòng)態(tài)姿態(tài)信息， 還可W檢測(cè)自行車的速度和行程，提醒用戶防止自行車側(cè)翻，碰撞檢測(cè)模塊可W提供事故 鑒定和呼叫救援服務(wù)。
[0005] 為達(dá)成前述目的，本發(fā)明的基于MEMS的自行車導(dǎo)航系統(tǒng)，該自行車導(dǎo)航系統(tǒng)包 括：行程測(cè)量模塊、車速檢測(cè)模塊、碰撞檢測(cè)模塊、側(cè)翻檢測(cè)模塊、姿態(tài)檢測(cè)模塊和/或?qū)Ш?模塊。
[0006] 作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，所述行程測(cè)量模塊包括由AMR地磁傳感器和磁 鐵，點(diǎn)A(0,0)是車輪的中屯、軸，點(diǎn)B(x，y)是車輪外徑上的點(diǎn)，AB是車輪的半徑r，則車輪 的周長(zhǎng)C為：
[0007]C= 2 3Tr; 陽008] E(ei,θ2)點(diǎn)是自行車的福條上一點(diǎn)，在該E點(diǎn)上安裝磁鐵；
[0009] D(di，cQ點(diǎn)是自行車后上叉的固定點(diǎn)，在該D點(diǎn)上安裝地磁傳感器；
[0010] 在自行車運(yùn)動(dòng)過程中，通過檢測(cè)地磁傳感器感應(yīng)到的磁鐵信號(hào)變化來記錄車輪轉(zhuǎn) 動(dòng)圈數(shù)n，從而可W計(jì)算出自行車的行程S:
[0011] S=CXn= 23irXn。
[0012] 作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，所述車速檢測(cè)模塊，通過AMR地磁傳感器來測(cè) 速：
[0013] 由AMR地磁傳感器檢測(cè)兩個(gè)相同特征的磁鐵信號(hào)，并累加運(yùn)兩個(gè)磁鐵信號(hào)強(qiáng)度之 間的采樣點(diǎn)數(shù)N，采用計(jì)算得到的自行車周長(zhǎng)C，則自行車的車速計(jì)算公式如下：
[0014]
[001引式中，T為采樣周期。
[0016] 作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，所述姿態(tài)檢測(cè)模塊能提示自行車當(dāng)前的姿態(tài)， 如果初始時(shí)刻存在GI^輔助模塊，可W實(shí)時(shí)確定自行車的行駛方位：
[0017] 當(dāng)自行車處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，所述準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)包括靜止和勻速狀態(tài)，通過解算加 速度計(jì)的輸出值獲得自行車初始姿態(tài)信息，所述自行車初始姿態(tài)信息包括俯仰和橫滾信 息；
[0018] 當(dāng)自行車處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，依靠巧螺輸出值進(jìn)行自行車姿態(tài)更新，并且能使用加 速度計(jì)輔助巧螺漂移補(bǔ)償和姿態(tài)校正。
[0019] 作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，自行車動(dòng)態(tài)姿態(tài)算法流程具體為：
[0020] 在自行車運(yùn)動(dòng)前，對(duì)巧螺的漂移進(jìn)行校正，采集自行車在靜止?fàn)顟B(tài)下的巧螺輸出 值W及累加采樣點(diǎn)數(shù)，對(duì)巧螺的輸出值求平均：
[0021]
[00巧式中，ε為巧螺漂移，為巧螺輸出值，N為采樣點(diǎn)數(shù)；
[0023] 在自行車運(yùn)動(dòng)前，使用重力加速度在Ξ軸加速度計(jì)的投影分量來計(jì)算自行車的姿 態(tài)角，所述姿態(tài)角包括俯仰角和橫滾角：
[0024]
[00對(duì)式中，Θ為俯仰角，丫為橫滾角，ax，ayW及a,分別為重力加速度在立軸加速度計(jì) 中的投影分量；
[00%] 采用四元數(shù)姿態(tài)算法更新自行車的姿態(tài)信息，其中，四元數(shù)與歐拉角的轉(zhuǎn)換關(guān)系 為：
[0027]
[002引式中，Q為姿態(tài)四元數(shù)，Θ為俯仰角，丫為橫滾角；
[0029] 加速度計(jì)輔助巧螺漂移補(bǔ)償和姿態(tài)校正算法流程：
[0030] 計(jì)算每一個(gè)采樣時(shí)刻自行車的加速度矢量值a,并將其存儲(chǔ)在長(zhǎng)度為N緩沖區(qū)中：
[0031]
陽03引式中，屯，a,W及a,分別為加速度計(jì)的立軸分量；
[0033] 如果當(dāng)前時(shí)刻加速度的矢量值a滿足|a-g| <λ，則W此點(diǎn)為中心存儲(chǔ)前后N個(gè) 加速度矢量值，建立一個(gè)長(zhǎng)度為2Ν+1的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并計(jì)算數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中加速度矢量值的 標(biāo)準(zhǔn)差0(a);
[0034] 如果^") < ^，則認(rèn)為自行車處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)：
[0035]
[0036] 式中，曰1為緩沖區(qū)中的加速度矢量值；
[0037] 如果自行車處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，利用加速度計(jì)的輸出值重新計(jì)算姿態(tài)，并重置自行 車動(dòng)態(tài)姿態(tài)算法中的姿態(tài)信息。
[0038] 作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，當(dāng)自行車發(fā)生碰撞事故時(shí)，所述碰撞檢測(cè)模塊 可W保存自行車碰撞信息，所述碰撞信息包括當(dāng)前的速度和加速度，并通過手機(jī)應(yīng)用上傳 到云端服務(wù)器。
[0039] 作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，自行車碰撞檢測(cè)模塊算法流程：
[0040] 設(shè)自行車前向的加速度值為a,建立長(zhǎng)度為m的緩沖區(qū)W存儲(chǔ)采樣得到前向加速 度；
[0041] 當(dāng)緩沖區(qū)W中的數(shù)據(jù)得到更新后，逐一檢測(cè)其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是否為負(fù)數(shù)且絕對(duì)值是否 大于闊值εW及連續(xù)滿足此條件的數(shù)據(jù)數(shù)目η;
[0042] 如果η>m/2,則認(rèn)為自行車與障礙物發(fā)生了碰撞；
[0043] 計(jì)算自行車在碰撞時(shí)的動(dòng)能表述如下：
[0044]
W45] 式中，W是自行車的動(dòng)能，m是人和自行車的質(zhì)量，V是碰撞時(shí)的速度。
[0046] 作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，自行車側(cè)翻檢測(cè)模塊算法流程：
[0047] 設(shè)動(dòng)態(tài)姿態(tài)模塊輸出的橫滾角為丫，建立長(zhǎng)度為m的緩沖區(qū)W W存儲(chǔ)當(dāng)前時(shí)刻的 橫滾角；
[0048] 當(dāng)緩沖區(qū)W中的數(shù)據(jù)得到更新后，逐一檢測(cè)其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的絕對(duì)值是否大于闊值ε W及連續(xù)滿足此條件的數(shù)目η; W例如果η>m/2,則認(rèn)為自行車發(fā)生了側(cè)翻。
[0050] 作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，行程測(cè)量模塊和車速檢測(cè)模塊分別測(cè)量自行車 當(dāng)前的行程和速度信息，在用戶開始自行車騎行的瞬間，使用GI^接收端前后兩個(gè)時(shí)刻輸 出的位置差分值計(jì)算出自行車的初始方位，巧螺輸出值不斷更新自行車方位，運(yùn)用航位推 算的方法可W實(shí)時(shí)輸出自行車的當(dāng)前位置坐標(biāo)。
[0051] 作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，GI^信息確定自行車方位算法流程：
[0052] 假設(shè)自行車的初始方位是Φ。，利用巧螺的輸出值更新自行車的姿態(tài)和方位信息；
[0053] 當(dāng)自行車處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且GI^忍片接收信號(hào)無障礙物遮蔽時(shí)，利用GI^忍片輸 出的經(jīng)締度信息，測(cè)定方位Φ;
[0054]
陽化5] 利用GI^信息測(cè)量得到的方位Φ重置動(dòng)態(tài)姿態(tài)算法中的方位值，并更新姿態(tài)信 息：
[0056]
[0057] 式中，θ為俯仰角，釋為橫滾角，φ為方位角，Q為姿態(tài)四元數(shù)；
[0058] 自行車導(dǎo)航算法流程：
[0059] 將自行車位移按照當(dāng)前的方位進(jìn)行方向余弦分解，分別投影到東向和北向，可W 確定自行車的行駛位置：
[0060]
[0061] 式中，S代表自行車的周長(zhǎng)，Φ1代表自行車的方位，X。代表東向位移，y。代表北向 位移；
[0062] 將得到的自行車位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)締度信息，通過藍(lán)牙模塊導(dǎo)入手機(jī)APP地圖軟 件，可W實(shí)時(shí)顯示用戶的當(dāng)前位置。
[0063] 本發(fā)明的有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0064] (1)本發(fā)明的基于MEMS的自行車導(dǎo)航系統(tǒng)，基于MEMS慣性技術(shù)解決了在沒有GP