一、作品簡介

1.1作品效果圖

作品實(shí)物效果圖

圖1,、駕駛中使用

圖2,、實(shí)物微距

手機(jī)上位機(jī)界面

圖3、手機(jī)界面圖

1.2 設(shè)計(jì)背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，汽車已經(jīng)成為生活必不可少的一部分。但隨之而來的駕車安全以及舒適度受到了更多人的關(guān)注。特別是最近新起的網(wǎng)約車服務(wù),，駕駛者的駕駛水平難以獲取，乘客想享受舒適的駕駛只能拼運(yùn)氣,，同時(shí)日常生活中行車的不文明駕駛問題也需要我們提高警惕,。

本作品正是應(yīng)對這樣的問題而誕生的，它能夠?qū)崟r(shí)的檢測駕駛過程中的加速度速數(shù)據(jù)和陀螺儀數(shù)據(jù),，以及在駕駛過程中不文明的操作,，例如：猛踩油門，急剎車,、急打方向盤等問題,。并把收集到的數(shù)據(jù)上傳到手機(jī)上位機(jī)中,，通過手機(jī)APP端的汽車姿態(tài)解算算法和運(yùn)動識別算法分析，將司機(jī)的駕駛水平分析出,，為客戶約車時(shí)提供有效的參照,，來選擇自己滿意的司機(jī)。也能為家庭日常駕駛時(shí)提供一個(gè)良好的駕駛提醒,。此外,，通過這個(gè)駕駛技術(shù)的評測，還能夠推動司機(jī)來規(guī)范自己的駕駛習(xí)慣,。如需詳細(xì)代碼資料等學(xué)習(xí)下載請到原貼查閱：http://club./article/details_7156_1.html

1.3 設(shè)計(jì)目的

本作品面向于家庭日常駕駛,，出租車公司，代駕公司的實(shí)際使用,，以此規(guī)范車主的駕駛習(xí)慣,，為駕駛公司檢測駕駛者的駕駛水平, 保障行車安全為目標(biāo)，主要有以下幾個(gè)設(shè)計(jì)目的：

1.規(guī)范駕駛習(xí)慣,；

2.檢測駕駛者駕駛水平,；

3.提高駕駛水平；

4.家庭安全保障,；

5.提高乘車舒適性,；

6.節(jié)省燃油消耗。

1.4 系統(tǒng)簡介

首先作品是由32bit低功耗CortexM4F MCU,、3D加速度計(jì)和3D陀螺儀,、高精度電子羅盤、 3D磁力計(jì),、MEMS氣壓傳感器,、藍(lán)牙低功耗網(wǎng)絡(luò)處理器和手機(jī)APP端等幾部分組成,其主要場景有兩種，一種可以綁在司機(jī)的手上,，也能綁在司機(jī)的方向盤上,，本系統(tǒng)有以下五層技術(shù)架構(gòu)組成：

感知層：LSM6DSM – iNEMO慣性模組——由3D加速度計(jì)和3D陀螺儀組成,用于獲取駕駛中的姿態(tài)信息，并進(jìn)行姿態(tài)解析,；LSM303AGR——由高精度電子羅盤,，超低功耗3D加速度計(jì)和3D磁力計(jì)組成，用于獲取汽車駕駛的加速度信息,，便于判斷駕駛行為的猛烈程度,；LPS22HB——MEMS由氣壓傳感器組成，用于獲取車廂內(nèi)的溫度和濕度及氣壓數(shù)據(jù),。

傳輸層：BlueNRG-MS – 藍(lán)牙低功耗網(wǎng)絡(luò)處理器,，用于硬件端與手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

控制層：STM32L476 – 32bit低功耗CortexM4F MCU,，對于系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取,、處理和傳輸,。

軟件及開發(fā)環(huán)境: 本系統(tǒng)由keil5.0進(jìn)行硬件端開發(fā)，用android stdio進(jìn)行手機(jī)上位機(jī)端開發(fā),。

云應(yīng)用：本 App 能夠?qū)Ⅰ{駛員的行為數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳到手機(jī)APP中,，經(jīng)手機(jī)APP的算法處理得出駕駛員的駕駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行駕駛水平測試,。

1.5 系統(tǒng)功能

不文明駕駛檢測

MCU主控接收加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理分析后,，將駕駛員的急轉(zhuǎn)彎、急剎車,、急踩油門的不文明駕駛習(xí)慣進(jìn)行測評打分,，并進(jìn)行語音播報(bào)。車廂溫濕度氣壓監(jiān)測

MCU主控接收到氣壓傳感器傳回來的溫度,、氣壓,、濕度數(shù)據(jù)后，通過藍(lán)牙通訊傳回手機(jī)APP,，手機(jī)APP顯示,，并語音提醒司機(jī)合理控制車內(nèi)的溫濕度，提高駕駛舒適度,，減少駕駛的燃油消耗,。

汽車運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測

MCU主控接收加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理分析后，將結(jié)果通過藍(lán)牙傳回手機(jī)APP,，APP通過實(shí)時(shí)姿態(tài)解算算法得到汽車的運(yùn)動狀態(tài),，當(dāng)汽車開動時(shí)，進(jìn)入駕駛監(jiān)控模式,，當(dāng)汽車停止時(shí),，進(jìn)入安全防盜模式。

低電量充電提醒

MCU主控通過AD實(shí)時(shí)檢測電壓數(shù)據(jù),，并將傳回到手機(jī)APP中,，當(dāng)電量低于10%,，APP提醒用戶充電,。

智能語音提示

APP使用了科大訊飛的語音合成系統(tǒng)，將駕駛過程中的不文明行為和車廂內(nèi)的溫室度進(jìn)行語音提示,。

汽車安全防盜功能

當(dāng)不開車時(shí),，汽車進(jìn)入防盜模式，如果車輛出現(xiàn)持續(xù)晃動則有可能車輛被盜,，發(fā)送報(bào)警信息給用戶,。

1.6 作品優(yōu)勢

1.安全性

通過規(guī)范駕駛員的駕駛習(xí)慣保障乘客的安全，幫助司機(jī)糾正不文明駕駛陋習(xí),，保障乘客的駕駛安全,，汽車防盜,，保障駕駛者汽車財(cái)產(chǎn)安全。

2.便攜性

作品總體就只有80克,，重量十分輕便,，大小合適，裝在方向盤上,，或者佩戴在手腕上,，節(jié)省駕駛空間。

3.舒適性

通過規(guī)范駕駛過程中的陋習(xí),，司機(jī)減少駕駛過程不必要的急打方向和緊急剎車等不良駕駛習(xí)慣,，改善乘客的駕駛體驗(yàn)，提高駕駛過程中的舒適性,。

4.人性化

對駕駛過程中的駕駛不文明行為進(jìn)行語音提醒,，減少分散駕駛注意力，提高駕駛的安全,。

5.超低功耗

本作品對實(shí)際使用過程中,，功耗極低，極大保障汽車財(cái)產(chǎn)安全和駕駛安全,。

1.7 作品創(chuàng)新點(diǎn)

1.測試司機(jī)駕駛習(xí)慣,，為出租車公司挑選優(yōu)秀駕駛員

系統(tǒng)分析駕駛員的駕駛行為，當(dāng)駕駛員駕駛時(shí)發(fā)生駕駛的不良習(xí)慣如急剎車,、猛踩油門等行為,，系統(tǒng)自動識別駕駛行為,

內(nèi)置的計(jì)數(shù)器自動減分， 并將駕駛情況發(fā)送到移動端設(shè)備,，并進(jìn)行語音提醒司機(jī),，經(jīng)駕駛測試后， 將司機(jī)的駕駛水平分成幾個(gè)等級,，并以此為依據(jù),，方便出租車公司得到優(yōu)秀駕駛?cè)瞬拧?/span>

2.提高司機(jī)駕駛水平，做中國好司機(jī)

通過3D加速計(jì)檢測司機(jī)的駕駛行為,，對駕駛的測評結(jié)果給出駕駛建議,，幫助駕駛員提高駕駛水平，以此達(dá)到規(guī)范駕駛行為的目的,。

3.規(guī)范平時(shí)駕駛習(xí)慣,，增加乘車舒適度

幫助司機(jī)減少駕駛過程不必要的急打方向和緊急剎車，提高駕駛時(shí)的穩(wěn)定性,，改善乘客的駕駛體驗(yàn),。

4.多平臺的結(jié)合

駕駛助手是有自主知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的軟硬件結(jié)合的智能駕駛測評系統(tǒng)，采用集成的Sensortile開發(fā),，結(jié)合手機(jī)移動端安卓開發(fā),，3D加速度計(jì)模塊和主控芯片濾波,，精準(zhǔn)度極高，加上硬件端的姿勢解析算法和運(yùn)動識別算法,，和手機(jī)端的安卓開發(fā),，方便使用者的駕駛時(shí)使用。

二,、系統(tǒng)構(gòu)架圖

硬件框架圖

三,、硬件部分的描述

3.1系統(tǒng)原理圖

3.2系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)原理

本作品是由32bit低功耗CortexM4F MCU、3D加速度計(jì)和3D陀螺儀,、高精度電子羅盤,、 3D磁力計(jì)、MEMS氣壓傳感器,、藍(lán)牙低功耗,、網(wǎng)絡(luò)處理器、手機(jī)APP端等幾部分組成,。

當(dāng)駕駛員打開設(shè)備,，手機(jī)APP連接硬件端后，主控芯片通過spi接口讀出陀螺儀的數(shù)據(jù),，經(jīng)過主控芯片的處理,，將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙中，經(jīng)藍(lán)牙透傳數(shù)據(jù)后,，APP接收到穿戴端的傳感器數(shù)據(jù),，手機(jī)端APP通過運(yùn)動識別算法分析，得到駕駛者狀態(tài),，當(dāng)汽車發(fā)動時(shí),，手機(jī)APP監(jiān)控駕駛行為,當(dāng)發(fā)生不文明駕駛時(shí)，APP進(jìn)行根據(jù)規(guī)則扣分,，當(dāng)駕駛員停止時(shí),，手機(jī)APP運(yùn)動識別后計(jì)分自動停止。

司機(jī)經(jīng)過多次駕駛數(shù)據(jù)分析后,，得到駕駛水平數(shù)據(jù),，而且使用次數(shù)越多準(zhǔn)確度越高，APP對駕駛的不文明陋習(xí)提出合理的改進(jìn)建議,，幫助駕駛者提高水平,。

用戶的手機(jī)藍(lán)牙連接設(shè)備后，主控芯片將氣壓計(jì)內(nèi)的溫,、濕度數(shù)據(jù)通過I2C讀取，并將數(shù)劇通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)上位機(jī),，APP根據(jù)最佳溫,、濕度語音提醒司機(jī)合理打開,。

當(dāng)汽車停止時(shí)，進(jìn)入防盜模式,，當(dāng)傳感器檢測到汽車發(fā)生持續(xù)的抖動時(shí)汽車可能被盜,，手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信給車主。

3.3軟件實(shí)現(xiàn)流程

3.3.1 軟件核心算法

作品的核心算法運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)模式,。

首先可以將作品的運(yùn)行過程劃分為六個(gè)狀態(tài)分別為：

S0:檢測汽車的運(yùn)動狀態(tài)

S1:等待汽車的啟動

S2:檢測司機(jī)的駕駛行為

S3:執(zhí)行相應(yīng)的操作(進(jìn)行扣分,、提醒操作)

S4:等待汽車制動

S5:執(zhí)行設(shè)備待機(jī)

根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件的輸入，在不同的狀態(tài)下會執(zhí)行不同的操作,。

3.3.2 功能性算法實(shí)現(xiàn)流程

運(yùn)動姿態(tài)識別算法

姿態(tài)解算核心在于旋轉(zhuǎn),，旋轉(zhuǎn)有4種表示方式：矩陣表示、歐拉角表示,、軸角表示和四元數(shù)表示,，但是姿態(tài)解算需要頻繁的組合旋轉(zhuǎn)和用旋轉(zhuǎn)變換向量，所以采用四元數(shù)保存組合姿態(tài),、輔以矩陣來變換向量的方案：

硬件端得出xyz的陀螺儀數(shù)據(jù)

將xyz數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單位四元數(shù)

單位化的四元數(shù)可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)旋轉(zhuǎn)

兩個(gè)四元數(shù)相乘表示旋轉(zhuǎn)的組合

將四元數(shù)組合轉(zhuǎn)化為矩陣表示,，再將四元數(shù)表示轉(zhuǎn)化為歐拉角表示，進(jìn)行顯示

三維空間中的歐拉角旋轉(zhuǎn)要轉(zhuǎn)三次：

上面得到了一個(gè)表示旋轉(zhuǎn)的方向余弦矩陣,。

想用歐拉角解算姿態(tài),，其實(shí)我們套用歐拉角微分方程就行了：

姿態(tài)解算框架

1、用一個(gè)計(jì)時(shí)器定時(shí)觸發(fā)測量,；

2,、所有測量過程都靠中斷推進(jìn)；

3,、在main函數(shù)里不斷檢查測量是否完成,，完成就進(jìn)行解算。

測量過程比較耗時(shí)間,，而這樣設(shè)計(jì),，測量和解算可以同時(shí)進(jìn)行，不會浪費(fèi)CPU時(shí)間在（等待）測量上,。而通過計(jì)時(shí)器觸發(fā)測量,，最大限度保證積分間隔的準(zhǔn)確。

近似數(shù)據(jù)匹配

將真實(shí)的駕駛急打方向盤,、猛踩油門,、急踩剎車等測量數(shù)據(jù)與當(dāng)日常使用時(shí)的傳感器測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行近似匹配時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)近似在一定范圍時(shí),，認(rèn)定發(fā)生對應(yīng)的行為,，且越靠近對應(yīng)行為數(shù)據(jù)中的最大值時(shí)，越劇烈，app將進(jìn)行多次扣分,。

藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)原理

本作品采用藍(lán)牙數(shù)據(jù)為傳輸媒介,，當(dāng)手機(jī)移動端發(fā)送一個(gè)請求給硬件端時(shí)，數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙HCL協(xié)議傳輸,。數(shù)據(jù)請求的格式為：統(tǒng)一資源標(biāo)識符（URL）+ MIME信息（包括請求修飾符）+ 加密文本信息,，當(dāng)硬件端接到請求后，給予相應(yīng)的響應(yīng)信息,。其響應(yīng)信息格式為：狀態(tài)行 + 狀態(tài)代碼 + MIME信息（包括服務(wù)器信息） + 實(shí)體信息,。

陀螺儀尖峰數(shù)據(jù)處理

四、材料清單（BOM列表）

本作品主要使用sensortile完成,，主要部件為：

STM32F103RG芯片 1個(gè),；

LSM6DSM芯片 1個(gè)；

LSM303D芯片 1個(gè),；

BlueNRG-MS藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)處理器 1個(gè)

3.7V鋰電池 1個(gè),；

五、軟件部分的描述

5.1 安卓上位機(jī)流程圖

本作品運(yùn)用了訊飛的語音接口能夠?qū)崿F(xiàn)對駕駛的不文明行為進(jìn)行語音提示,。開發(fā)集成階段的服務(wù)量為500次/日,，如要解除這個(gè)限制，需要提交應(yīng)用上線審核,，審核通過后將不再有次數(shù)的限制,。

六、總結(jié)

從大一開始學(xué)習(xí)51單片機(jī)到現(xiàn)在的STM32學(xué)習(xí),，我了解單片機(jī)的一系列操作后漸漸了解物聯(lián)網(wǎng)開發(fā),，積累了初步的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)我大二開始實(shí)際進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)時(shí),，發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際的軟件也要結(jié)合移動設(shè)備,，所以買了一本郭霖大神的《我的第一行-Android》進(jìn)行研究，慢慢也可以看懂一些安卓的語法了,，最后根據(jù)官方APP為模板加上自己改進(jìn)設(shè)計(jì)這款APP出來,。

我們團(tuán)隊(duì)做出了第一版設(shè)備，從參加了2017年全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競賽后,，我們團(tuán)隊(duì)完善了增加使用數(shù)據(jù)波峰處理的方法,，提高了不文明駕駛判斷的準(zhǔn)確度，并且改進(jìn)了APP的一些功能,，增加了語音合成,、駕駛建議等功能，也基本達(dá)到了設(shè)計(jì)初期的目的,。

剛開始開發(fā)設(shè)備時(shí)碰到了很多難題,，后面看了網(wǎng)上很多大神寫的sensorTIle的帖子,，加上一些官方歷程的代碼，最后基本完成作品,，最初也碰到了不準(zhǔn)確的問題,，后面加入了判斷不文明駕駛的特征檢測方法,，實(shí)際駕駛中成功率能夠達(dá)到70-80%,，整體提高了準(zhǔn)確度。

后期可以與汽車廠家合作直接嵌入到汽車方向盤,，對駕校的汽車的進(jìn)行專門定制,，使學(xué)員能夠自主進(jìn)行駕駛學(xué)習(xí)，節(jié)省教練的指導(dǎo)時(shí)間,。