骑行拐弯预警智能休闲骑行服设计研究

柳玉营,王朝晖,刘欢欢

(1.东华大学 服装艺术与设计学院,上海 200051; 2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室,上海 200051;3.上海市纺织智能制造与工程一带一路国际联合实验室,上海 200051)

近年来,以休闲、娱乐、通勤为目的而进行骑行运动的骑行爱好者数量呈爆发式增长,但是消费者日益增长的骑行需求和自行车骑行拐弯安全性差之间的矛盾尚未得到解决。

自行车缺乏转弯信号系统,因此交通法规规定[1]自行车在转向时需要用手来指示转弯方向。但是许多人并不了解或不使用手势预警,且在非机动车道,自行车与电动车共同行驶,车况复杂,突然伸手指示,存在被高速车辆撞到的风险[2],而且单手扶车把手会降低骑行者对突发情况的应急处理能力。此外由于恶劣天气或者光照条件,驾驶员手势预警效果会降低,因此设计一套易于识别理解的安全的自行车拐弯预警系统很有必要。

目前各国学者都在积极研发关于骑行警示功能的智能可穿戴产品。根据警示原理主要分为以开关控制警示和以运动传感器感应控制警示2种警示方式。开关控制是指通过遥控器开关来操纵自行车上或者是可穿戴设备上增添的发光二极管(LED)指示灯来指示拐弯方向,如直接安装的自行车车灯[3]、附加在可穿戴设备上的Zackees骑行发光手套[4]、转向灯背心[5]、Lumos智能骑行头盔[6]等。开关手动控制进行拐弯预警比较准确,但是比较麻烦,这种方式极依赖于个体交通安全意识,许多人并未养成打转向灯的习惯。目前的研究方向多以运动传感器智能感应控制为主,运动传感器感应控制是指通过运动传感器来感应拐弯时的骑行姿势倾斜变化[7-8]或者手臂伸出示意拐弯时的动作变化来控制自行车或者可穿戴设备上附加的LED转向指示灯开关。运动传感器主要包括倾斜传感器[9]、加速度传感器[10-11]等。通过运动传感器自动识别拐弯姿势变化并进行预警比较方便智能,但骑行姿势变化后才开始警示,此时已经开始拐弯,达不到预警的效果,且手臂伸出示意很危险。此外运动传感器感应准确度受骑行姿势个体差异度以及环境因素影响。骑行拐弯预警智能可穿戴的及时性和安全准确性问题亟需得到解决。

本文在前人的基础上,针对骑行拐弯智能可穿戴的警示不及时性,利用高德地图应用程序自带的骑行拐弯前预警提示信息来控制防水LED灯条发光,设计能及时准确进行拐弯预警的智能骑行服。骑行服具备拐弯前自动提前预警的功能可以更好地保障骑行者的安全,提高自行车拐弯以及夜间骑行的安全性。

1 拐弯预警功能骑行服技术设计

1.1 总体结构设计

在拐弯预警骑行服发光系统的搭建中,为了实现智能发光系统的动态发光效果,可控发光系统的搭建包含硬件部分的设计和软件程序的搭建以及发光服装的制作,总体框架如图1所示。

软件模块以用户手机为载体,Android APP开发为平台,通过引入免费的高德应用程序接口(Application Programming Interface, API),开发具有骑行导航功能及拐弯预警功能APP。硬件模块包括蓝牙、单片机主板、小灯。Arduino单片机通过蓝牙接收手机APP的拐弯信号,单片机在经过开发编程后,可以利用开发板上的微控制器向小灯发送控制命令实现发光。供电模块为整个发光系统提供电源。

1.2 软件设计

手机已成为人们的生活必备品,骑行者在出行时经常会使用地图APP或者骑行类APP进行导航。目前智能手机操纵系统竞争激烈,Android系统以其独特的开放性、舒适的开发环境以及低成本等众多优点占据了广阔的市场[12],因此本文以Android系统进行骑行APP的开发。高德地图是国内使用率较高的免费地图导航软件,高德地图的API端口是一组基于云的地图服务接口,向开发者提供了Android平台地图开发的技术支持,Android应用程序可通过调用高德地图API接口的方法实现地图相关功能[13]。本文调用面向个人开发者开放的免费高德API接口,主要使用高德地图向Android平台提供的Android地图SDK、Android定位SDK和Android导航SDK 3项开发支持,在Android开发平台上开发具有用户定位、路线规划和骑行导航功能的手机APP。

进行Android开发首先需要搭建Android开发环境,开发环境搭建完成后需要从高德开放平台打包下载所需要的Android SDK,作为个人开发者可以在高德地图开发平台免费获取密钥来使用高德地图SDK接口并实现其功能。在Android Studio工程的AndroidMainfest.xml获得使用许可后便可进行APP开发[14]。手机APP设计界面如图2所示,共有5个模块:蓝牙搜索、测试前进、测试左转、测试右转、进入导航。蓝牙搜索需打开手机蓝牙,与硬件蓝牙连接成功后可进行信号传输;测试前进、测试左转、测试右转可在使用前测试蓝牙是否连接成功;进入导航接入高德API接口,选择目的地后便可进行骑行导航。

为了达到骑行拐弯预警发光的目的,Android端手机APP需通过拐弯预警信息的识别及分类算法来对导航预警提示信息进行识别分类。首先使用回调函数获取导航语音播报信息文字,即:public void on Get Navigation Text(String text),然后对信息文字进行关键字识别和分类,将不同分类结果通过手机蓝牙以数字0～4形式输出。语音提示信息关键词分类及其对应的蓝牙输出信息如表1所示。

表1 语音提示信息关键词分类及其输出结果信息对应表Tab.1 Keyword classification of voice prompt information and its output result information correspondence table

1.3 硬件设计

为了降低智能可穿戴设备对服装舒适度的影响,硬件优先考虑尺寸小、易于操作、使用方便的电子元器件。

本文设计中单片机选择Arduino Nano控制板作为数据处理模块。Arduino Nano体积较小,是Arduino USB接口系列单片机的微型版本,其处理器核心是ATmega328P。Arduino板上的微控制器利用Arduino编程语言和Arduino开发环境编写程序,编译成二进制文件,烧录进微控制器。微控制器发送控制命令来实现系统功能[15]。

蓝牙通信技术是一种短距离无线通信技术,蓝牙体积小、质量轻、功耗低、响应快,已广泛应用于智能可穿戴领域。蓝牙选用低功耗、低成本的HC-06模块,HC-06模块是一款高性能从机蓝牙2.0串口模块,是基于 Bluetooth Specification V 2.0 带 EDR 蓝牙协议的数传模块,模块大小为27 mm×13 mm×2 mm,自带LED状态指示灯,可直观观察蓝牙连接状态。HC-06可与手机蓝牙进行连接,实现硬件与手机的联通。

LED灯是一种冷光源,对人体几乎无危害,具有环保、体积小、质量轻、能耗低、亮度可控和光线扩散范围大等特点,本文系统选用3个电压为5 V、 宽度为5 mm的防水LED软灯条,工作电压4.0～6.0 V,工作电流为20 mA。LED软灯条每个灯珠均独立可任意裁剪,使用2P(具有2个连接端口)LED灯条免焊接头L型卡扣将2段灯条连接,设计成图案简明的箭头指示图案。灯条电线与对应的XH-2P端子线焊接,焊接后可在硬件开发板预留的接口端自由拔插,可拆卸端口设计保障了智能服装的可拆卸性。LED灯条自带背胶,通过强力背胶魔术贴固定在户外骑行服上,方便拆卸,穿戴后穿着者在较远处也可被周边的人发现,起到拐弯预警作用。LED灯条设计如图3所示。

图3 LED灯条设计Fig.3 LED light bar design

系统电源选择充电锂电池(蓝途电子科技有限公司),该锂电池长97 mm、宽60 mm、电压5 V、容量为5 000 mA·h,具备质量轻、体积小、功耗低、容量大的特点,可满足智能服装轻便化以及全天候穿着使用的需求。

硬件设备电路原理图如图4所示。LED灯条1、2、3分别代表左转信号灯、直行信号灯、右转信号灯,通过单片机编程控制LED灯条发光。

图4 电路原理图Fig.4 Circuit Schematic

当整套智能设备接入电源后,系统开始工作并且确认蓝牙设备是否连接正确。确保蓝牙连接成功后,Android端手机APP通过蓝牙将结果信息传输至单片机端,Arduino 控制板根据不同结果信息控制 LED灯条发光。骑行拐弯预警发光控制逻辑图如图5所示。

图5 单片机控制发光逻辑图Fig.5 Microcontroller control light-emitting logic diagram

蓝牙HC-06接收到手机输出的结果信息,结果信息为“0”时,骑行导航刚开始,LED灯1、2、3全亮;当结果信息为“1”时,即将要左转或者向左掉头,此时只有LED灯1亮起;当结果信息为“2”时,正在直行或者刚拐完弯准备直行时,此时只有LED灯2亮起;当结果信息为“3”时,即将右转,此时只有LED灯3亮起;当结果信息为“4”时,骑行导航即将结束,3个LED灯全灭。

2 拐弯预警功能骑行服设计方案

2.1 设计原理

骑行服的设计是为了使骑行过程更舒适,为骑行者提供安全保护。专业骑行服可以让骑行运动员在比赛中有更好的发挥,但是专业骑行服并不能很好地满足业余骑行爱好者全天候多场合的穿着需求。以休闲、娱乐、通勤为目的的业余骑行爱好者更注重骑行服的外观时尚度。骑行爱好者的运动强度、时长以及装备的安全系数与专业骑行运动员有很大差异,业余骑行爱好者特殊的身体、心理以及运动需求促使了城市休闲骑行服的诞生。城市休闲骑行服外观接近常规休闲服装,骑行者下车后可以随时融入周围环境。功能上结合骑行需求,兼具安全防护、防风、防水等多种功能[16]。本文围绕 “以人为本”的设计理念,综合考虑服装的设计造型、款式构成、时尚美感、服装结构、服装工艺、服用材料、人体工效等方面,设计更符合业余骑行爱好者骑行需求和心理需求的智能化骑行服。

2.2 结构造型设计

造型是服装设计中的重要元素,影响着服装的外观形态效果,依照从整体到细节、从外部到内部的设计规律,造型因素可划分为整体廓形造型与细节结构造型[17]。

在休闲骑行服的设计过程中,从人体工学出发,结合目标群体的特殊心理需求进行造型设计。骑行服款式见图6,业余骑行爱好者对于骑行服全天候穿着的需求意味着休闲骑行服不需要像竞技骑行服一样紧身,H型廓形外轮廓呈矩形,宽松的廓形穿着更舒适休闲,简洁的廓形设计更易与其他产品搭配。运动者在骑行过程中,上半身保持前倾状态,后片留出适量松量,下摆前短后长设计可以更好地保护腰部[18]。下摆和袖口可调节尺寸的拉绳和调节扣设计可以在早晚骤冷时更好地防风保温。可拆卸袖子设计满足骑行者在不同季节的穿着需求,穿脱、携带方便,增添了造型多样性,适应全天候的需求。外套领口处的立领设计可以通过纽扣调节与颈部的贴合度,达到防风效果。手臂弯处设计的通风进风口、前胸口袋通风口和后背设计出风多功能口袋组成了服装的通风系统,拉链内部衬有透气网眼面料,打开拉链即可透气排汗。拉链均采用反光拉链,户外骑行时在灯光的照射下可以起到安全警示作用,提高骑行者夜间骑行安全性。

图6 骑行服款式图Fig.6 Cycling clothing style chart.(a) Front;(b) Back

骑行过程中背部几乎不受骑行动作的影响,将硬件部分装在后背通风口袋里既可以不受运动影响,而且隐蔽性强,保持了服装美观性[19]。LED灯条用强力背胶魔术贴贴在服装后背部,背部口袋遮挡布上端预留魔术贴隐藏通道,口袋内有3个气眼孔,端子线可以通过魔术贴隐藏通道进入服装外层和内层面料之间,再穿过气眼孔进入口袋内,与口袋内放置的硬件模块通过接口端进行耦合。警示图案选择简洁易懂的箭头表示,更易被后方车辆理解,从而提高警示效果。打开预警系统后后方车辆可以清楚地看到拐弯预警显示图案。

2.3 色彩设计

业余骑行运动不受场地和时间的限制,而鲜亮的色彩满足不了场合的不同变换,因此城市休闲骑行服的整体色调以相对中性的色调为主。米白色与其他款式、色彩的服装的可穿搭性强,在多种场合的变换下可以自如穿着,因此本文选择相对中性的米白色作为服装整体色调。城市休闲骑行服集时尚性、实穿性、功能性于一体,在保证整体色调易融于大环境的同时,还要满足服装可视性的功能要求[17]。城市休闲骑行服的细部色彩设计要以整体结构为基础,与服装功能性相呼应,因此服装背部LED灯条的色彩设计为亮眼的荧光色。正常人眼对电磁波长为555 nm的绿色区域最为敏感,为了使发光警示服装发出的光线更容易被接受,驾驶员能够及时地采取措施以应对突如其来的交通变故,因此LED灯条选择为荧光绿色。领子内里选择同样的绿色与发光警示图案相呼应,白绿拼色为整体服装增加设计时尚感。

2.4 面料设计

城市休闲骑行服可适应多场景变换的特点决定其面料需要兼具时尚美观性与运动功能性。在满足美学效果的前提下,还应具有防风、防水、排汗透湿等基本功能。本文设计骑行服外层采用涤纶,面料透气率低,具有优异防风性;按照GB/T 4744—2013《纺织品 防水性能的检测和评价 静水压法》测试面料静水压指标大于35 kPa,具有优异的防水性能;按照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性能试验方法 第2部分:蒸发法》测试面料透湿性为3 491.36 g/(m2·24 h),透湿性满足基本运动要求,持久防水,运动产生的水汽可以从内部排出。内衬采用透气大网眼面料,超大透气孔能够迅速散热,透气导湿性能好,提高骑行者骑行过程的舒适性,2款面料如图7所示。

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

2.5 成衣展示

城市休闲智能骑行服成衣效果展示如图8所示。

图8 智能休闲骑行服成衣Fig.8 Smart leisure cycling clothing ready-to-wear.(a)Front;(b)Back;(c)Side

通风系统部位包括侧臂、胸前以及后背,打开拉链,内层为透气网眼面料。服装细节如图9所示,其中胸前及后背的通风结构除了通风透气外,还可以储物。

图9 骑行服通风系统Fig.9 Cycling clothing ventilation system.(a)Side arm;(b)Chest;(c)Back

袖子通过拉链可进行拆卸,拆卸后成衣成为马甲,更易穿脱和搭配,具有四季可穿性,袖子拆卸细节及拆卸后马甲效果如图10所示。

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

LED软灯条通过强力背胶魔术贴粘在骑行服后背发光区域内,端子线通过预留的魔术贴及气眼隐藏通道进入背部口袋内与硬件开发板上的对应的XH-2P接插件连接,电路连接实物如图11所示。

图11 LED灯条电路连接实物图Fig.11 LED light bar circuit connection physical diagram.(a)Velcro hidden channel;(b)Air-eye hidden channel

将拐弯预警系统硬软件和城市休闲骑行服结合,得到具备拐弯预警功能的智能休闲骑行服。当左转预警时,LED灯条发光效果如图12所示。

图12 左转预警发光效果图Fig.12 Left turn warning luminous effect.(a)Detail picture;(b)Riding effect

3 拐弯预警功能骑行服效果测试

3.1 系统功能测试

系统功能测试包括测试软件系统功能以及软硬件部分的联通是否达到预期目标。使用手机安装骑行导航APP,手动进行各功能的测试,观察实际结果是否符合预期。测试结果见表2,测试结果均与预期一致,拐弯预警系统功能正常。

表2 拐弯预警系统功能测试表Tab.2 Cornering warning system function test table

3.2 及时性测试

拐弯预警系统在保证准确性的前提下,预警及时性也至关重要。在骑行导航过程中,当拐弯预警提示信息出现时,骑行者到路口的距离为预警距离。拐弯预警提示信息出现的时间和LED灯发光的时间差值为预警延迟时间,预警延迟时间越小,系统及时性能越好。预警距离是拐弯预警是否能够及时有效对后方司机进行示警的重要因素,预警距离是根据GPS定位预算骑行者到路口的距离,网络正常的情况下,高德导航GPS定位室外误差在10 m以内,误差较小。

实验对象选择一名骑行爱好者,身穿拐弯预警功能智能骑行服在上海市郊外车流较少的公路进行骑行导航拐弯测试,在自行车上固定一个手机支架,测试过程全程开启屏幕录制。将手机固定在自行车手机支架上防止误触。实验设计者骑车跟在实验对象后方,在实验对象开启屏幕录制的同时打开手机秒表,通过多次点击计时按钮,可以记录多个时刻。实验设计者时刻观察智能骑行服在实验对象骑行过程中的发光图案显示,在发光图案出现的一瞬间按下计时按钮记录下数据。屏幕录制视频的时间和计时时间同步。实验结束后观察屏幕录制视频中预警距离和预警时间,对比预警时间和计时时间可以直观分析出骑行拐弯预警系统在实际骑行导航过程是否有延迟性。

对比可得,预警时间和发光时间相差在0～1 s内,考虑到人眼看到发光显示所需反应时间和计时动作所需时间,该时间差可以忽略不计,即拐弯预警系统的预警延迟时间几乎为0 s,说明系统反应迅速,在预警信息出现的同时可控制发光警示图案发光。不同拐弯类型的预警距离如图13所示。

图13 不同拐弯类型下的预警距离Fig.13 Warning distance under different cornering types

当骑行左转时,预警距离平均数为51.1 m;当骑行右转时,预警距离平均数为50.1 m。骑行拐弯左转警示灯的警示对象一般为机动车司机和非机动车道上车速较快的电动车,右转警示灯的警示对象一般为非机动车道上车速较快的电动车。汽车和电动车在城市公路上的行驶平均速度分别为80和30 km/h,汽车司机和电动车司机看到自行车骑行者的拐弯预警后进行刹车的刹车距离分别为53.7和12.7 m[20-21],驾驶者在路口通常会减速慢行,实际的刹车距离会更小。因此本文系统的预警距离可以很好地保障骑行拐弯预警的有效性和骑行者的骑行安全。

4 结束语

基于自行车骑行拐弯安全性较差现状和拐弯预警智能可穿戴不够及时准确和安全智能的问题,对可应用于骑行拐弯预警的智能休闲骑行服进行了设计研究,探索了导航信息可视化在服装中的表达。以高集成性和易用性的Android端手机为开发平台,引入高德地图应用程序提供的免费Android地图SDK、定位SDK和导航SDK 3项开发接口,设计了具有骑行导航、用户定位、路线规划功能的手机APP。通过拐弯预警信息的识别及分类算法对导航预警提示信息进行识别和分类。将不同类别导航预警提示信息通过蓝牙传输到硬件蓝牙上,单片机根据收到的信息控制不同LED灯条发光。通过实验对拐弯预警系统的及时准确性进行了验证,发现预警时间和发光时间的差值几乎为0 s,验证了拐弯预警系统反应迅速。左转预警距离和右转预警距离分别为51.1和50.1 m,即骑行者距离拐弯处50 m左右时,智能休闲骑行服便可自动发出拐弯预警信号,改善了常规产品拐弯警示未发生在拐弯前的警示滞后性。基于以上设计与实验过程,丰富了同类智能可穿戴的设计研究思路,为人机交互技术、导航信息可视化的发展提供了理论基础。