基于離線(xiàn)地圖的智能導航頭盔設計*

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

近年來(lái)，隨著(zhù)信息業(yè)發(fā)展迅速，外賣(mài)行業(yè)的崛起重塑了人們的日常生活，買(mǎi)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)濟發(fā)展，并解決了就業(yè)問(wèn)題。在外賣(mài)騎手數量持續增長(cháng)的同時(shí)，外賣(mài)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(mài)兄弟不遵守交通規則而喪失性命。

外賣(mài)兄弟每天在路上騎電動(dòng)車(chē)，配送外賣(mài)。路面車(chē)流復雜，尤其在十字路口以及幽僻小路這種復雜或缺乏標識的路口，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，未按照交通規則行駛；另一方面可能是路口復雜，需要手機進(jìn)行導航，而長(cháng)時(shí)間關(guān)注于手機地圖不注意路況，就會(huì )導致安全事故的發(fā)生。而發(fā)生事故不及時(shí)救援很容易出現生命危險。

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

1 系統總體方案設計

本設計是由ESP32 單片機系統、溫度傳感器、心率測量模塊、離線(xiàn)語(yǔ)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航頭盔。使騎行者在騎行過(guò)程中獲得實(shí)時(shí)地圖支持、危險報警與內部保暖功能。其總體設計圖如圖1 所示。

圖1 總體設計圖

2 硬件電路設計

2.1 主控與電源設計

本設計使用樂(lè )鑫科技開(kāi)發(fā)的ESP32 單片機作為主控，其工作頻率高達240 MHz，可編程GPIO 豐富、配備4 個(gè)SPI、2 個(gè)IIC 接口，以及其他的通信協(xié)議。性能穩定，可在-40~125 ℃ 工作，并且專(zhuān)為移動(dòng)設備開(kāi)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(kāi)關(guān)電壓調節器，將電池的12 V分別轉為5 V，而后使用AMS1117 芯片使5 V 轉化為3.3 V，從而獲得12 V 轉5 V、3.3 V 兩路輸出的電源，并為單片機和傳感器進(jìn)行供電。

電源模塊的設計，通過(guò)查閱MP2315 芯片數據手冊得到相關(guān)使用說(shuō)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(guò)大；輸出電容越大波紋越小，但過(guò)大會(huì )導致過(guò)流保護。其中Fsw 開(kāi)關(guān)頻率在計算過(guò)程中占主要參數，頻率越高其輸出紋波越小，但是過(guò)高會(huì )導致開(kāi)關(guān)損耗增加，可以選擇在（500~1 500）K。

本設計選用4.7 μH 電感、輸入輸出電容都選用22 μF 以實(shí)現輸入電壓從12 V 轉為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 傳感器數據采集設計

數據采集模塊均采用IIC 通信模式，利用兩根雙向通信線(xiàn)，數據線(xiàn)SDA，時(shí)鐘線(xiàn)IIC。使用ESP32 作為主機，連接多個(gè)外圍設備為從機。通過(guò)不同從機分配的地址不同，進(jìn)而獲得各個(gè)傳感器的正確數據，從而實(shí)現一對IIC 接口連接多個(gè)傳感器設備。減少了IO 口的占用，使運行效率更高。

使用的傳感器有MLX90614 無(wú)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 和強大的數字信號處理芯片，能夠準確地獲取出環(huán)境溫度和物體溫度。MPU6050 六軸加速度傳感器，實(shí)時(shí)獲取加速度，并加以傳輸；MAX30102 心率測量模塊采集用戶(hù)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 彩色顯示屏構成。

北斗+GPS 模塊采用ATGM336H 芯片，其協(xié)議是NMEA-0183。有著(zhù)定位性能高、集成度高、功耗低的特點(diǎn)。ESP32 單片機通過(guò)串口獲取信息的方式接收北斗模塊串口發(fā)送的數據，并通過(guò)&GNRMC 語(yǔ)句進(jìn)行格式判定，獲取到經(jīng)緯度信息。通過(guò)獲取到的經(jīng)緯度信息選擇SD 卡存儲的地圖，最后通過(guò)ST7789 彩色顯示屏在頭盔內部顯示出來(lái)，以便在騎行時(shí)，了解騎行路線(xiàn)以及實(shí)時(shí)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(xiàn)語(yǔ)音模塊

離線(xiàn)語(yǔ)音模塊是以SU-03T 芯片為基礎的聲控模塊，是成本較低、功耗低的離線(xiàn)語(yǔ)音識別模組，兼備多種功能：UART、GPIO、ADC、PWM、I2C 等功能。其最強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(yǔ)音設置，可以通過(guò)連接咪頭來(lái)收取聲音信息并且可以連接喇叭進(jìn)行播報。其平臺設置如圖5所示。

在智能頭盔中，其作用不可忽視，通過(guò)語(yǔ)音交互使整個(gè)設備成為一體，通過(guò)語(yǔ)音模塊自定義詞條的功能，記錄使用過(guò)程中可發(fā)生的一切情況的語(yǔ)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(guò)程中，使注意力專(zhuān)注于騎行，避免了使用者過(guò)多手的動(dòng)作，使騎手的雙手負擔得到減輕。

圖5 智能公元離線(xiàn)語(yǔ)音模塊設計圖

3 系統程序設計

系統程序設計保證功能的實(shí)現，打開(kāi)設備后系統開(kāi)始進(jìn)行初始化，初始化結束后啟用多線(xiàn)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(shí)，為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)地圖顯示服務(wù)、溫度調控服務(wù)、語(yǔ)音交互服務(wù)。在報警功能中，實(shí)時(shí)對傳感器的各種狀態(tài)進(jìn)行監測，對脈搏傳感器數據、加速度數據進(jìn)行判斷，若在發(fā)生有脈搏且加速度超過(guò)閾值時(shí)，而后并未人為取消，將會(huì )發(fā)出語(yǔ)音報警，向路人尋求救援。程序設計流程圖如圖6 所示。

圖6 程序設計流程

3.1 地圖獲取程序設計

首先利用網(wǎng)絡(luò )開(kāi)源項目地圖下載器對地圖瓦片下載，再根據自己的喜好下載地圖等級，等級越高地圖越詳細。下載完成后使用TilesConverter ForLVGL.exe進(jìn)行地圖格式轉換，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，再將下載并轉換完的MAP文件放入SD卡的根目錄。

在單片機的程序中，獲取GPS 位置坐標，轉化成地圖坐標，并根據用戶(hù)選擇的縮放比例獲取需要的瓦片圖片的個(gè)數和圖片在SD卡上的路徑地址，通過(guò)LVGL庫采用外部?jì)Υ婺Ｊ礁聢D片，實(shí)現對地圖的實(shí)時(shí)更新。地圖獲取流程圖如圖7所示，GUI 圖像設計如圖8。

圖7 地圖獲取流程

圖8 GUI圖像設計

3.2 溫控PID算法程序設計

目前的自動(dòng)控制技術(shù)基本上是對于反饋的體現。反饋理論的3 個(gè)組成部分：測量、比較、執行。對溫度進(jìn)行測量，同時(shí)與設定的期望值進(jìn)行對比，并用誤差修正的方法調節控制系統的輸出。

通過(guò)MLX90614 溫度傳感器模塊發(fā)送的數據進(jìn)行格式化解析，從而得出頭盔內部的溫度，并在手機端輸入自己需要的溫度，而后與加熱片組統一合作，將比例、積分與微分的函數關(guān)系運算出的結果輸出以控制溫度。PID溫控流程如圖9。

對于PID 的調節，PID 3個(gè)參數對于系統的影響是相互耦合的，沒(méi)有哪個(gè)性能只受1個(gè)參數的影響。并且PID的3個(gè)參數的影響各有側重點(diǎn)，其中K_p 用于縮短系統上升時(shí)間；K_i用于消除穩態(tài)誤差；K_d用于降低過(guò)沖和動(dòng)態(tài)偏差。對于這個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統來(lái)說(shuō)，只需要對比例項P、積分項I 的調節即可，故微分項D 取0。在調整過(guò)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。當曲線(xiàn)波動(dòng)頻繁時(shí)，增加比例系數；曲線(xiàn)圍繞一個(gè)大彎浮動(dòng)，降低比例系數，將K_p取到合適的值后，進(jìn)行對K_i的調節，來(lái)減小靜差，當收斂速度過(guò)慢，需要增大K_i值；當收斂速度過(guò)快，將產(chǎn)生超調，這時(shí)需要降低K_i值，使系統穩定。

圖9 PID溫控流程

4 結束語(yǔ)

當今時(shí)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(mài)也成為尋常百姓生活中不可分割的一部分，智能導航頭盔正可以應用在外賣(mài)小哥的身上，智能頭盔以多線(xiàn)程的設計，不僅可以為騎手的騎行體驗進(jìn)行改善，保證騎手不受?chē)篮挠绊?，而且可以根據事故發(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(shí)不能及時(shí)處理的風(fēng)險。本文設計的智能導航頭盔也為交通安全貢獻一份力量，為人們出行更加安全做出一份保障。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）