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一、作品简介 1.1作品效果图 作品实物效果图
图1、驾驶中使用
图2、实物微距 手机上位机界面
图3、手机界面图 1.2 设计背景 随着社会经济的发展，汽车已经成为生活必不可少的一部分。但随之而来的驾车安全以及舒适度受到了更多人的关注。特别是最近新起的网约车服务，驾驶者的驾驶水平难以获取，乘客想享受舒适的驾驶只能拼运气，同时日常生活中行车的不文明驾驶问题也需要我们提高警惕。 本作品正是应对这样的问题而诞生的，它能够实时的检测驾驶过程中的加速度速数据和陀螺仪数据，以及在驾驶过程中不文明的操作，例如：猛踩油门，急刹车、急打方向盘等问题。并把收集到的数据上传到手机上位机中，通过手机APP端的汽车姿态解算算法和运动识别算法分析，将司机的驾驶水平分析出，为客户约车时提供有效的参照，来选择自己满意的司机。也能为家庭日常驾驶时提供一个良好的驾驶提醒。此外，通过这个驾驶技术的评测，还能够推动司机来规范自己的驾驶习惯。如需详细代码资料等学习下载请到原贴查阅：http://club./article/details_7156_1.html 1.3 设计目的 本作品面向于家庭日常驾驶，出租车公司，代驾公司的实际使用，以此规范车主的驾驶习惯，为驾驶公司检测驾驶者的驾驶水平, 保障行车安全为目标，主要有以下几个设计目的： 1.规范驾驶习惯； 2.检测驾驶者驾驶水平； 3.提高驾驶水平； 4.家庭安全保障； 5.提高乘车舒适性； 6.节省燃油消耗。 1.4 系统简介 首先作品是由32bit低功耗CortexM4F MCU、3D加速度计和3D陀螺仪、高精度电子罗盘、 3D磁力计、MEMS气压传感器、蓝牙低功耗网络处理器和手机APP端等几部分组成,其主要场景有两种，一种可以绑在司机的手上，也能绑在司机的方向盘上，本系统有以下五层技术架构组成： 感知层：LSM6DSM – iNEMO惯性模组——由3D加速度计和3D陀螺仪组成,用于获取驾驶中的姿态信息，并进行姿态解析；LSM303AGR——由高精度电子罗盘，超低功耗3D加速度计和3D磁力计组成，用于获取汽车驾驶的加速度信息，便于判断驾驶行为的猛烈程度；LPS22HB——MEMS由气压传感器组成，用于获取车厢内的温度和湿度及气压数据。 传输层：BlueNRG-MS – 蓝牙低功耗网络处理器，用于硬件端与手机APP进行数据传输。 控制层：STM32L476 – 32bit低功耗CortexM4F MCU，对于系统的传感器数据进行获取、处理和传输。 软件及开发环境: 本系统由keil5.0进行硬件端开发，用android stdio进行手机上位机端开发。 云应用：本 App 能够将驾驶员的行为数据通过蓝牙传到手机APP中，经手机APP的算法处理得出驾驶员的驾驶状态数据，并进行驾驶水平测试。 1.5 系统功能 不文明驾驶检测 MCU主控接收加速度计和陀螺仪的数据经过滤波处理分析后，将驾驶员的急转弯、急刹车、急踩油门的不文明驾驶习惯进行测评打分，并进行语音播报。车厢温湿度气压监测 MCU主控接收到气压传感器传回来的温度、气压、湿度数据后，通过蓝牙通讯传回手机APP，手机APP显示，并语音提醒司机合理控制车内的温湿度，提高驾驶舒适度，减少驾驶的燃油消耗。 汽车运动状态监测 MCU主控接收加速度计和陀螺仪的数据经过滤波处理分析后，将结果通过蓝牙传回手机APP，APP通过实时姿态解算算法得到汽车的运动状态，当汽车开动时，进入驾驶监控模式，当汽车停止时，进入安全防盗模式。 低电量充电提醒 MCU主控通过AD实时检测电压数据，并将传回到手机APP中，当电量低于10%，APP提醒用户充电。 智能语音提示 APP使用了科大讯飞的语音合成系统，将驾驶过程中的不文明行为和车厢内的温室度进行语音提示。 汽车安全防盗功能 当不开车时，汽车进入防盗模式，如果车辆出现持续晃动则有可能车辆被盗，发送报警信息给用户。 1.6 作品优势 1.安全性 通过规范驾驶员的驾驶习惯保障乘客的安全，帮助司机纠正不文明驾驶陋习，保障乘客的驾驶安全，汽车防盗，保障驾驶者汽车财产安全。 2.便携性 作品总体就只有80克，重量十分轻便，大小合适，装在方向盘上，或者佩戴在手腕上，节省驾驶空间。 3.舒适性 通过规范驾驶过程中的陋习，司机减少驾驶过程不必要的急打方向和紧急刹车等不良驾驶习惯，改善乘客的驾驶体验，提高驾驶过程中的舒适性。 4.人性化 对驾驶过程中的驾驶不文明行为进行语音提醒，减少分散驾驶注意力，提高驾驶的安全。 5.超低功耗 本作品对实际使用过程中，功耗极低，极大保障汽车财产安全和驾驶安全。 1.7 作品创新点 1.测试司机驾驶习惯，为出租车公司挑选优秀驾驶员 系统分析驾驶员的驾驶行为，当驾驶员驾驶时发生驾驶的不良习惯如急刹车、猛踩油门等行为，系统自动识别驾驶行为, 内置的计数器自动减分， 并将驾驶情况发送到移动端设备，并进行语音提醒司机，经驾驶测试后， 将司机的驾驶水平分成几个等级，并以此为依据，方便出租车公司得到优秀驾驶人才。 2.提高司机驾驶水平，做中国好司机 通过3D加速计检测司机的驾驶行为，对驾驶的测评结果给出驾驶建议，帮助驾驶员提高驾驶水平，以此达到规范驾驶行为的目的。 3.规范平时驾驶习惯，增加乘车舒适度 帮助司机减少驾驶过程不必要的急打方向和紧急刹车，提高驾驶时的稳定性，改善乘客的驾驶体验。 4.多平台的结合 驾驶助手是有自主知识产权保护的软硬件结合的智能驾驶测评系统，采用集成的Sensortile开发，结合手机移动端安卓开发，3D加速度计模块和主控芯片滤波，精准度极高，加上硬件端的姿势解析算法和运动识别算法，和手机端的安卓开发，方便使用者的驾驶时使用。 二、系统构架图 硬件框架图
三、硬件部分的描述 3.1系统原理图
3.2系统总体实现原理 本作品是由32bit低功耗CortexM4F MCU、3D加速度计和3D陀螺仪、高精度电子罗盘、 3D磁力计、MEMS气压传感器、蓝牙低功耗、网络处理器、手机APP端等几部分组成。 当驾驶员打开设备，手机APP连接硬件端后，主控芯片通过spi接口读出陀螺仪的数据，经过主控芯片的处理，将得到的数据发送到蓝牙中，经蓝牙透传数据后，APP接收到穿戴端的传感器数据，手机端APP通过运动识别算法分析，得到驾驶者状态，当汽车发动时，手机APP监控驾驶行为,当发生不文明驾驶时，APP进行根据规则扣分，当驾驶员停止时，手机APP运动识别后计分自动停止。 司机经过多次驾驶数据分析后，得到驾驶水平数据，而且使用次数越多准确度越高，APP对驾驶的不文明陋习提出合理的改进建议，帮助驾驶者提高水平。 用户的手机蓝牙连接设备后，主控芯片将气压计内的温、湿度数据通过I2C读取，并将数剧通过蓝牙传输到手机上位机，APP根据最佳温、湿度语音提醒司机合理打开。 当汽车停止时，进入防盗模式，当传感器检测到汽车发生持续的抖动时汽车可能被盗，手机发送报警短信给车主。 3.3软件实现流程 3.3.1 软件核心算法 作品的核心算法运用有限状态机设计模式。 首先可以将作品的运行过程划分为六个状态分别为： S0:检测汽车的运动状态 S1:等待汽车的启动 S2:检测司机的驾驶行为 S3:执行相应的操作(进行扣分、提醒操作) S4:等待汽车制动 S5:执行设备待机 根据跳转条件的输入，在不同的状态下会执行不同的操作。 3.3.2 功能性算法实现流程 运动姿态识别算法 姿态解算核心在于旋转，旋转有4种表示方式：矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示，但是姿态解算需要频繁的组合旋转和用旋转变换向量，所以采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案： 硬件端得出xyz的陀螺仪数据 将xyz数据转化为单位四元数 单位化的四元数可以转化为一个旋转 两个四元数相乘表示旋转的组合 将四元数组合转化为矩阵表示，再将四元数表示转化为欧拉角表示，进行显示 三维空间中的欧拉角旋转要转三次：
上面得到了一个表示旋转的方向余弦矩阵。 想用欧拉角解算姿态，其实我们套用欧拉角微分方程就行了：
姿态解算框架 1、用一个计时器定时触发测量； 2、所有测量过程都靠中断推进； 3、在main函数里不断检查测量是否完成，完成就进行解算。 测量过程比较耗时间，而这样设计，测量和解算可以同时进行，不会浪费CPU时间在（等待）测量上。而通过计时器触发测量，最大限度保证积分间隔的准确。
近似数据匹配 将真实的驾驶急打方向盘、猛踩油门、急踩刹车等测量数据与当日常使用时的传感器测量的数据进行近似匹配时，当数据近似在一定范围时，认定发生对应的行为，且越靠近对应行为数据中的最大值时，越剧烈，app将进行多次扣分。 蓝牙数据通信实现原理 本作品采用蓝牙数据为传输媒介，当手机移动端发送一个请求给硬件端时，数据通过蓝牙HCL协议传输。数据请求的格式为：统一资源标识符（URL）+ MIME信息（包括请求修饰符）+ 加密文本信息，当硬件端接到请求后，给予相应的响应信息。其响应信息格式为：状态行 + 状态代码 + MIME信息（包括服务器信息） + 实体信息。 陀螺仪尖峰数据处理
四、材料清单（BOM列表） 本作品主要使用sensortile完成，主要部件为： STM32F103RG芯片 1个； LSM6DSM芯片 1个； LSM303D芯片 1个； BlueNRG-MS蓝牙网络处理器 1个 3.7V锂电池 1个； 五、软件部分的描述 5.1 安卓上位机流程图
本作品运用了讯飞的语音接口能够实现对驾驶的不文明行为进行语音提示。开发集成阶段的服务量为500次/日，如要解除这个限制，需要提交应用上线审核，审核通过后将不再有次数的限制。 六、总结 从大一开始学习51单片机到现在的STM32学习，我了解单片机的一系列操作后渐渐了解物联网开发，积累了初步的开发经验，当我大二开始实际进行物联网开发时，发现物联网实际的软件也要结合移动设备，所以买了一本郭霖大神的《我的第一行-Android》进行研究，慢慢也可以看懂一些安卓的语法了，最后根据官方APP为模板加上自己改进设计这款APP出来。 我们团队做出了第一版设备，从参加了2017年全国大学生物联网设计竞赛后，我们团队完善了增加使用数据波峰处理的方法，提高了不文明驾驶判断的准确度，并且改进了APP的一些功能，增加了语音合成、驾驶建议等功能，也基本达到了设计初期的目的。 刚开始开发设备时碰到了很多难题，后面看了网上很多大神写的sensorTIle的帖子，加上一些官方历程的代码，最后基本完成作品，最初也碰到了不准确的问题，后面加入了判断不文明驾驶的特征检测方法，实际驾驶中成功率能够达到70-80%，整体提高了准确度。 后期可以与汽车厂家合作直接嵌入到汽车方向盘，对驾校的汽车的进行专门定制，使学员能够自主进行驾驶学习，节省教练的指导时间。 |
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