[發明專利]交互式虛擬漫游健身車

有效

• 申請號: 201810901554.7
• 申請日: 2018-08-09
• 公開（公告）號: CN109011516B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 樊養余;劉洋;呂國云;郭哲;王毅;楊柳;殷麗麗;李文星
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: A63B71/06
• 分類號: A63B71/06;A63B22/08
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 金鳳

1.一種交互式虛擬漫游健身車，其特征在于：

所述的交互式虛擬漫游健身車包含前輪轉向浮動支撐平臺、后輪動阻力支撐平臺和運動控制硬件電路，其中運動控制硬件電路分為外部數據采集部分和數據處理部分，外部數據采集部分分別安裝在前輪轉向浮動支撐平臺和后輪動阻力支撐平臺的數據采集位置，自行車仿真騎行時，前輪轉向浮動支撐平臺和后輪動阻力支撐平臺分別安置在自行車的前后輪重心下的接觸點位置，前輪轉向浮動支撐平臺和后輪動阻力支撐平臺之間的間距根據自行車的大小和規格進行間隔位置的調整，滿足自行車的安置需要；

前輪轉向浮動支撐平臺包括旋轉臺、旋轉滾珠、車輪嵌槽、角度傳感器及安裝部件和轉角傳遞聯軸器，在固定平臺上安裝車輪嵌槽，其中車輪嵌槽寬度為6cm，使自行車車輪嵌入后橫向位移不超過1cm，保持自行車前輪的橫向穩定；在車輪嵌槽下的位置安裝若干個滾珠，使自行車車把在轉動時帶動車輪嵌槽繼而帶動聯軸器進行水平方向的轉動；在旋轉臺下側面安裝汽缸及升降活塞，汽缸豎直固定于地面，頂部加升降活塞，升降活塞通過焊接與旋轉臺下方的側面相連接，提供前輪的起伏變化；角度傳感器通過聯軸器安裝在旋轉臺底部的中心位置，自行車的前輪轉動時通過聯軸器將轉動信息傳遞給角度傳感器；

后輪動阻力支撐平臺包括后輪支撐平臺、左右斜撐、阻尼器/動力裝置、前轉軸、后轉軸、霍爾傳感器及其傳動裝置，在后輪支撐平臺上按自行車放置方向的前后軸向位置固定前轉軸和后轉軸，使自行車的后輪卡嵌在前轉軸和后轉軸之間，自行車的后輪圓分別與前轉軸和后轉軸的圓相切，自行車的后輪轉動時將轉動信息傳遞到前轉軸和后轉軸上；在后輪的輪軸的正中心向后輪軸向兩側在支撐平臺上左右各安裝一個互相對稱的彈性斜撐，保證自行車整體車身的左右平衡；在后轉軸的后方安裝阻尼器，阻尼器通過傳動裝置與后轉軸相連，用來施加相應的阻尼力改變騎行受力；霍爾傳感器安裝在前轉軸的軸心外側任意一邊，當后輪轉動帶動前轉軸轉動時，霍爾傳感器檢測前轉軸的轉動速度，從而得到自行車的騎行數據；

所述的自行車的運動控制硬件電路分為外部數據采集部分和數據處理部分，外部數據采集部分為傳感器和連接傳感器的外部電路，角度傳感器和霍爾傳感器分別安裝在前輪轉向浮動支撐平臺、后輪動阻力支撐平臺上相應的數據采集位置，采集自行車在騎行仿真過程中的車把轉彎角度和騎行速度相關數據，數據處理部分的電路集成在電路板上，通過外部電源供電驅動整個電路的控制運行，整個電路包括：(1)外部電路，用來連接霍爾傳感器和角度傳感器的數據采集電路；(2)控制部分為MCU及時鐘電路、復位電路；(3)A/D轉換部分，包括數模轉換模塊ADC832和濾波電路；(4)數據傳輸部分包括負責串口通信的MAX485通信模塊和RS232轉USB接口部分；

所述的運動控制硬件電路中，采集速度的傳感器為霍爾傳感器，采集角度的傳感器為WDD35D系列角度傳感器，單片機選擇STC125A60S2，霍爾傳感器的數據輸出線接一根外接保護電阻后與MCU電路連接；角度傳感器經A/D轉換后接入MCU電路，與單片機的GPIO口相連，時鐘電路和復位電路連至MCU；由集成穩壓電路將12V的電壓轉換為5V并為整個硬件電路供電，電壓輸出為5V；MCU的輸出信號由MAX485變成差分信號輸出，RS485將差分的輸入信號再由MAX485發送到MCU的RXD引腳，然后利用RS485轉RS232串口轉換器完成硬件電路到計算機的通信傳輸；運動控制硬件電路的工作流程為：外部數據采集電路完成霍爾傳感器和角度傳感器的連接，自行車騎行仿真時的運動數據由傳感器獲取，經過A/D轉換和濾波后發送至MCU，MCU利用中斷、定時器和計數功能完成對傳輸數據的接收，經過數據傳輸部分發送至計算機，完成自行車的運動控制；

在運動控制硬件電路與計算機端的信息傳輸過程中，利用串口通信技術進行系統的場景漫游處理，具體流程為：首先在程序中初始化串口控制器，串口控制器包括發送控制器和接收控制器，來實現串口的打開和初始化；將要發送的信息寫入發送緩存區，信息通過RX通信線進入接收方的接收移位器，接收移位器將二進制位數據保存入接收緩存區，進行信息的發送和接收；接收完畢后回饋給CPU一個中斷，發送方寄存器返回并等待下一個數據和發送指令，完成串口數據的發送與接收；

由于角度和速度兩個信息的采集是經過不同傳感器進行獨立檢測并處理發送的，對角度和速度信息進行獨立處理，將角度信息從十六進制轉換到十進制，得到自行車車把的轉向角度值；霍爾傳感器收到一次脈沖數值，則發送一個接收信息，根據在一定的時間周期內所接收到的脈沖的個數和傳感器檢測區域的直徑大小轉換為自行車當前運動仿真時的速度值，設自行車后輪支撐平臺的前轉軸直徑為d，在測量周期T時間內的脈沖計數為n，則自行車后輪的速度為：

漫游仿真的步驟：首先定義兩個全局變量，即在虛擬場景中的X軸和Y軸上的坐標變化參量，兩個全局變量為傳輸進來的數據進行賦值和調用；將接收到的數據賦值給全局變量，把收到的每個字符存儲到字符串中，利用字符串函數設置分隔符，將數據劃分為塊，存儲到相應數組中；在漫游過程中直接調用相應數組給所對應的變化參量，速度的數據通過計數函數，轉換為具體的速度值，賦值給控制漫游速度的參量，作為漫游控制器的速度控制參數，在場景中添加虛擬攝像機，并設置相關參數和對應腳本狀態，完成虛擬場景的漫游控制；在漫游過程中，利用Unity3D中的坐標顯示函數提取漫游控制對象的三維坐標，與場景的世界坐標系對比，對下一個運動位置和狀態進行判斷，進行自行車前后輪坐標高度差的計算，將得到的數據反饋給虛擬攝像機，即可完成交互式的漫游處理。