基于離線地圖的智能導(dǎo)航頭盔設(shè)計*

*基金項目：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新項目，項目編號：X202210143017

近年來，隨著信息業(yè)發(fā)展迅速，外賣行業(yè)的崛起重塑了人們的日常生活，買快餐也成了不愿做飯的年輕人與公司職員的最佳選擇，這也促進(jìn)了各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展，并解決了就業(yè)問題。在外賣騎手?jǐn)?shù)量持續(xù)增長的同時，外賣兄弟已成為交通事故發(fā)生率較高的群體。在近幾年，中國一些地方發(fā)生了重大交通事故，其中一些是因外賣兄弟不遵守交通規(guī)則而喪失性命。

外賣兄弟每天在路上騎電動車，配送外賣。路面車流復(fù)雜，尤其在十字路口以及幽僻小路這種復(fù)雜或缺乏標(biāo)識的路口，極易發(fā)生交通事故。這些事故的發(fā)生可能是因為駕駛員安全意識薄弱，未按照交通規(guī)則行駛；另一方面可能是路口復(fù)雜，需要手機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航，而長時間關(guān)注于手機(jī)地圖不注意路況，就會導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。而發(fā)生事故不及時救援很容易出現(xiàn)生命危險。

由此可見，一個可以進(jìn)行地圖顯示的頭盔格外重要，尤其是在外賣行業(yè)騎手快速增長、路面車輛愈加復(fù)雜的大背景下。這不僅有利于保護(hù)人們的生命安全，而且可改善騎手的駕駛舒適感，從而使得外賣行業(yè)能夠持續(xù)健康地發(fā)展，使得先進(jìn)的科技成果更好地融入人們生活中。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本設(shè)計是由ESP32 單片機(jī)系統(tǒng)、溫度傳感器、心率測量模塊、離線語音識別、SD 卡讀取、北斗定位模塊以及彩色液晶屏顯示模塊集于一體的智能導(dǎo)航頭盔。使騎行者在騎行過程中獲得實時地圖支持、危險報警與內(nèi)部保暖功能。其總體設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控與電源設(shè)計

本設(shè)計使用樂鑫科技開發(fā)的ESP32 單片機(jī)作為主控，其工作頻率高達(dá)240 MHz，可編程GPIO 豐富、配備4 個SPI、2 個IIC 接口，以及其他的通信協(xié)議。性能穩(wěn)定，可在-40~125 ℃ 工作，并且專為移動設(shè)備開發(fā)了低功耗性能。

電源采用Li-Po 3s 電池進(jìn)行12 V 的電壓輸入，采用MP2315 芯片作為開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，將電池的12 V分別轉(zhuǎn)為5 V，而后使用AMS1117 芯片使5 V 轉(zhuǎn)化為3.3 V，從而獲得12 V 轉(zhuǎn)5 V、3.3 V 兩路輸出的電源，并為單片機(jī)和傳感器進(jìn)行供電。

電源模塊的設(shè)計，通過查閱MP2315 芯片數(shù)據(jù)手冊得到相關(guān)使用說明，使用式（1）電感計算公式、式（2）輸入電容計算公式、式（3）輸出電容計算公式，分析出電感應(yīng)在3.24 μH 到6.48 μH，飽和電流大于4.5 A，輸入電容越大越好，但不必過大；輸出電容越大波紋越小，但過大會導(dǎo)致過流保護(hù)。其中Fsw 開關(guān)頻率在計算過程中占主要參數(shù)，頻率越高其輸出紋波越小，但是過高會導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，可以選擇在（500~1 500）K。

本設(shè)計選用4.7 μH 電感、輸入輸出電容都選用22 μF 以實現(xiàn)輸入電壓從12 V 轉(zhuǎn)為5 V。電源模塊原理圖如圖2 所示。

圖2 電源模塊原理圖

2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊均采用IIC 通信模式，利用兩根雙向通信線，數(shù)據(jù)線SDA，時鐘線IIC。使用ESP32 作為主機(jī)，連接多個外圍設(shè)備為從機(jī)。通過不同從機(jī)分配的地址不同，進(jìn)而獲得各個傳感器的正確數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)一對IIC 接口連接多個傳感器設(shè)備。減少了IO 口的占用，使運行效率更高。

使用的傳感器有MLX90614 無接觸式溫度傳感器，集成了紅外熱電堆檢測器、信號處理芯片MLX90302 和強(qiáng)大的數(shù)字信號處理芯片，能夠準(zhǔn)確地獲取出環(huán)境溫度和物體溫度。MPU6050 六軸加速度傳感器，實時獲取加速度，并加以傳輸；MAX30102 心率測量模塊采集用戶的心率以及血氧。其連接方式如圖3所示。

圖3 傳感器采集模塊原理圖

2.3 地圖顯示模塊

地圖顯示模塊由北斗+GPS 雙模模塊、SD 卡讀取模塊以及ST7789 彩色顯示屏構(gòu)成。

北斗+GPS 模塊采用ATGM336H 芯片，其協(xié)議是NMEA-0183。有著定位性能高、集成度高、功耗低的特點。ESP32 單片機(jī)通過串口獲取信息的方式接收北斗模塊串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過&GNRMC 語句進(jìn)行格式判定，獲取到經(jīng)緯度信息。通過獲取到的經(jīng)緯度信息選擇SD 卡存儲的地圖，最后通過ST7789 彩色顯示屏在頭盔內(nèi)部顯示出來，以便在騎行時，了解騎行路線以及實時路況。地圖顯示模塊原理如圖4 所示。

圖4 地圖顯示模塊原理

2.4 離線語音模塊

離線語音模塊是以SU-03T 芯片為基礎(chǔ)的聲控模塊，是成本較低、功耗低的離線語音識別模組，兼?zhèn)涠喾N功能：UART、GPIO、ADC、PWM、I2C 等功能。其最強(qiáng)大的地方在于可以在其平臺上自定義詞條，進(jìn)行自定義語音設(shè)置，可以通過連接咪頭來收取聲音信息并且可以連接喇叭進(jìn)行播報。其平臺設(shè)置如圖5所示。

在智能頭盔中，其作用不可忽視，通過語音交互使整個設(shè)備成為一體，通過語音模塊自定義詞條的功能，記錄使用過程中可發(fā)生的一切情況的語音，包括提高地圖等級、降低地圖等級、增大溫度、減小溫度。在騎行過程中，使注意力專注于騎行，避免了使用者過多手的動作，使騎手的雙手負(fù)擔(dān)得到減輕。

圖5 智能公元離線語音模塊設(shè)計圖

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計保證功能的實現(xiàn)，打開設(shè)備后系統(tǒng)開始進(jìn)行初始化，初始化結(jié)束后啟用多線程模式，對服務(wù)功能與報警功能進(jìn)行隔離，使識別更加迅速。在進(jìn)行服務(wù)功能時，為用戶提供實時地圖顯示服務(wù)、溫度調(diào)控服務(wù)、語音交互服務(wù)。在報警功能中，實時對傳感器的各種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對脈搏傳感器數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若在發(fā)生有脈搏且加速度超過閾值時，而后并未人為取消，將會發(fā)出語音報警，向路人尋求救援。程序設(shè)計流程圖如圖6 所示。

圖6 程序設(shè)計流程

3.1 地圖獲取程序設(shè)計

首先利用網(wǎng)絡(luò)開源項目地圖下載器對地圖瓦片下載，再根據(jù)自己的喜好下載地圖等級，等級越高地圖越詳細(xì)。下載完成后使用TilesConverter ForLVGL.exe進(jìn)行地圖格式轉(zhuǎn)換，變?yōu)镽GB二進(jìn)制文件。將SD 卡的文件格式進(jìn)行修改變?yōu)镕AT32 格式，再將下載并轉(zhuǎn)換完的MAP文件放入SD卡的根目錄。

在單片機(jī)的程序中，獲取GPS 位置坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化成地圖坐標(biāo)，并根據(jù)用戶選擇的縮放比例獲取需要的瓦片圖片的個數(shù)和圖片在SD卡上的路徑地址，通過LVGL庫采用外部儲存模式更新圖片，實現(xiàn)對地圖的實時更新。地圖獲取流程圖如圖7所示，GUI 圖像設(shè)計如圖8。

圖7 地圖獲取流程

圖8 GUI圖像設(shè)計

3.2 溫控PID算法程序設(shè)計

目前的自動控制技術(shù)基本上是對于反饋的體現(xiàn)。反饋理論的3 個組成部分：測量、比較、執(zhí)行。對溫度進(jìn)行測量，同時與設(shè)定的期望值進(jìn)行對比，并用誤差修正的方法調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的輸出。

通過MLX90614 溫度傳感器模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化解析，從而得出頭盔內(nèi)部的溫度，并在手機(jī)端輸入自己需要的溫度，而后與加熱片組統(tǒng)一合作，將比例、積分與微分的函數(shù)關(guān)系運算出的結(jié)果輸出以控制溫度。PID溫控流程如圖9。

對于PID 的調(diào)節(jié)，PID 3個參數(shù)對于系統(tǒng)的影響是相互耦合的，沒有哪個性能只受1個參數(shù)的影響。并且PID的3個參數(shù)的影響各有側(cè)重點，其中K_p 用于縮短系統(tǒng)上升時間；K_i用于消除穩(wěn)態(tài)誤差；K_d用于降低過沖和動態(tài)偏差。對于這個簡單的控制系統(tǒng)來說，只需要對比例項P、積分項I 的調(diào)節(jié)即可，故微分項D 取0。在調(diào)整過程中，先進(jìn)行比例項相對合適的值，再去尋找積分，最后是微分。當(dāng)曲線波動頻繁時，增加比例系數(shù)；曲線圍繞一個大彎浮動，降低比例系數(shù)，將K_p取到合適的值后，進(jìn)行對K_i的調(diào)節(jié)，來減小靜差，當(dāng)收斂速度過慢，需要增大K_i值；當(dāng)收斂速度過快，將產(chǎn)生超調(diào)，這時需要降低K_i值，使系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖9 PID溫控流程

4 結(jié)束語

當(dāng)今時代科技迅速發(fā)展，科技終將服務(wù)百姓，提高百姓生活的舒適度以及日常生活的安全。為日常出行提供便利。外賣也成為尋常百姓生活中不可分割的一部分，智能導(dǎo)航頭盔正可以應(yīng)用在外賣小哥的身上，智能頭盔以多線程的設(shè)計，不僅可以為騎手的騎行體驗進(jìn)行改善，保證騎手不受嚴(yán)寒的影響，而且可以根據(jù)事故發(fā)生采取舉措，盡可能減小人受到的傷害以及在遭受生命危險時不能及時處理的風(fēng)險。本文設(shè)計的智能導(dǎo)航頭盔也為交通安全貢獻(xiàn)一份力量，為人們出行更加安全做出一份保障。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）