能投影的智能自行车尾灯

北京市海淀区上地实验小学 王奕潼

发明背景：

我很喜欢骑自行车，借助自行车可以方便、快捷地抵达目的地。偶尔与同学进行的自行车比赛，也给我带来了许多乐趣。

有一天，爸爸给我买了一个自行车尾灯，上面有按钮和LED 箭头标志。按下按钮后箭头标志中的LED 灯不断闪烁，可在夜间引起周边人员和车辆的注意。于是，我把这个自行车尾灯安装在自行车后座的支架上，保障夜间骑行安全。

一天晚上，我停好自行车，走了十来米后才察觉忘记关自行车尾灯了。在返回的路上，我发现这种自行车尾灯尺寸较小，距离稍远时只能看到一个模糊的光团，箭头标志更是看不清，而且LED 灯闪烁形式较单一，不会因骑行状态变化而变化。

因此，我决定设计智能自行车尾灯，它的智能化程度高，提醒效果好，能根据自行车刹车、转向等骑行状态自动发出准确而清晰的警示信号。

图1 近距离与远距离观察自行车尾灯的效果

设计思路：

我从家用轿车车门的迎宾灯激光投影受到启发，想到可以将自行车尾灯警示标志或预设图案投影在自行车后方地面上，并增大投影尺寸，使尾灯警示信息更加醒目，有效提醒后方车辆注意。

为了测试投影的效果，我购买了2 支激光笔，将其固定在自行车后座的支架上，并分别设置2 支笔的投射方向，使其刚好相反，之后观察地面投影的变化。我发现随着自行车倾斜角度的变化，地面投影与自行车的距离会不断变化，地面投影尺寸和位置也会发生变化，如图2 所示。

图2 地面投影随自行车车身倾斜角度变化而改变的示意图

如何解决上述问题，同时增强自行车尾灯对刹车、转向等骑行状态的智能提醒效果呢？我决定利用主控板、加速度传感器等部件制作自行车智能投影尾灯，这种尾灯能够根据车身倾斜程度自动调整投影角度，保证投影图案的相对稳定，可实现转向自动检测、刹车自动检测等功能，并改变投影灯的颜色。

作品结构：

自行车智能投影尾灯采用三棱柱结构，由自稳结构（外壳、转轴）、控制系统（水银开关、加速度传感器、主控板）、投影灯组（投影灯、透镜）、电源系统（电池、充电系统）构成。

图3 自行车智能投影尾灯结构图

自稳结构中的转轴固定在自行车后座的支架上，尾灯重心在自稳结构的对称轴上，可保证自行车车身倾斜时尾灯投影方向不变。

两个水银开关分别装在尾灯内部两侧。调整水银开关的放置角度，通过检测水银开关的接通与断开状态，可间接知晓自行车的转向。当自行车正常行驶时，水银开关为断开状态，而当车辆转弯时，一侧的水银开关为接通状态。

加速度传感器可测量自行车行驶时的加速度，若加速度大于设定阈值，可以判断自行车存在刹车行为。

投影灯为3 个高亮度的全彩LED灯，能够根据主控板的控制信号发出不同颜色的光，利用光学透镜将光线汇聚并放大投影到地面上。

制作过程：

我在老师和家长的帮助下，用SolidWorks 软件绘制基本的3D 模型图，将尾灯分解为9 个结构零部件，完成模型的初步设计。

图4 自行车智能投影尾灯3D 模型图

之后，将设计好的3D 模型图发送给3D 打印厂家，由厂家进行结构优化。与厂家沟通预留各类控制板和测量模块的位置，得到3D 打印的结构部件，随后进行组装。

我在可自由转动的转轴内加入阻尼脂，将转轴与尾灯外壳组装在一起。再将3 个全彩LED 灯分别装在尾灯的左侧、中间、右侧（可实现3 个方向的投影），并将它们与灯光驱动器相连，由驱动器供电和控制发光。

采用三灯组合的投影灯组，设计不同骑行状态下LED 灯闪光模式及发光颜色，比如自行车即将左转时，右侧的LED 灯发出绿光，中间的LED 灯发出红光，左侧的LED 灯发出黄光，表示右侧为安全区域，允许后方车辆通过，左侧为危险区域。

图5 自行车智能投影尾灯LED 灯发光颜色组合

在全彩LED 灯上安装由5 个光学透镜组成的光学透镜组合。

将Arduino 开发板作为主控板，获取加速度传感器的测量值，通过设定程序给出投影灯组的控制信号。目前利用水银开关可实现自行车车身倾斜30°至70°的自动检测。通过可充电电池给加速度传感器、水银开关、投影灯组以及主控板供电。

最后，采用C 语言对Arduino开发板进行编程。Arduino 开发板不断采集加速度传感器、水银开关的信号，实时根据设定数值进行判断，由此获知自行车骑行状态，进而根据不同的条件控制投影灯组。

我将自行车智能投影尾灯安装在自行车后座，再进行测试，效果达到了预期。

图6 作品实物图

图7 自行车智能投影尾灯被安装在自行车后座的使用效果

图8 自行车智能投影尾灯测试效果图（分别表示自行车即将左转、刹车、右转）

创新点：

自行车智能投影尾灯集成了多种自动提醒功能，如刹车自动提醒、转向自动提醒等。投影灯组的闪光及颜色变换模式具有针对性，投影灯射向可自动调整，投影警示效果较好，能有效提醒后方车辆注意。

老师推荐：

王奕潼同学善于思考、敢于尝试，从自行车骑行安全角度出发，巧妙利用速度传感器、重力自稳结构等组件发明了一种结构简单、智能、实用的自行车尾灯。作品创新性强，具有很好的应用前景。