[發(fā)明專利]一種實(shí)時控制的人機(jī)環(huán)境共融的騎行艙系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110028598.5
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112882410A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張金柱;黃陽陽;熊曉燕;王濤;武兵;張東光;王蕊
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042;G05B19/05;G01D21/02;G05B13/04;G05B13/02;A61B5/02;A61B5/021;A61B5/024;A61B5/00
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;楊文艷

1.一種實(shí)時控制的人機(jī)環(huán)境共融的騎行艙系統(tǒng)，其特征在于，包括騎行艙（1），所述騎行艙（1）內(nèi)設(shè)置有顯示屏（2）、騎行臺（3）和MCU微控制單元（4），所述騎行臺（3）設(shè)置有前飛輪和后飛輪，所述騎行臺（3）連接有自行車（5），所述騎行臺（2）的后飛輪上設(shè)置有反光帶（6），自行車（5）與騎行臺（2）共同連接有步進(jìn)電機(jī)（7），所述自行車（5）后輪軸、步進(jìn)電機(jī)（7）軸與騎行臺（3）前飛輪軸同軸安裝；正對反光帶（6）的騎行臺（2）上還設(shè)置有光電傳感器（8），所述自行車（5）車把中心處設(shè)置有角度傳感器（9）；所述騎行臺（2）的右下方固接有磁阻模塊和溫度傳感器；所述騎行艙系統(tǒng)還包括RBF網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集模塊、騎行運(yùn)動軟件、脈搏傳感器，脈搏傳感器佩戴于騎行者手腕處，各模塊通過MCU微控制單元控制；

MCU微控制單元（4）實(shí)現(xiàn)各模塊通信及控制；光電傳感器（8）通過脈沖信號輸出測量轉(zhuǎn)速；磁阻模塊通過PWM即脈沖寬度調(diào)制進(jìn)行控制，在電壓一定的前提下，通過調(diào)整其占空比，即實(shí)現(xiàn)類似模擬量的控制；角度傳感器（9）進(jìn)行騎行狀態(tài)參數(shù)測量，通過MODBUS-RTU協(xié)議與MCU微控制單元通信，將騎行狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給MCU微控制單元；采用脈搏傳感器模塊實(shí)時監(jiān)測騎行者身體狀態(tài)參數(shù)；將步進(jìn)電機(jī)（7）通過驅(qū)動器與MCU微控制單元（4）高速脈沖輸出模塊連接，通過PWM方式實(shí)現(xiàn)加減速控制對步進(jìn)電機(jī)（7）控制實(shí)現(xiàn)下坡加速及無極變速模擬；采用RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性函數(shù)擬合，對路譜路況進(jìn)行建模分析，為后續(xù)實(shí)時過程控制提供模型；騎行運(yùn)動軟件屬于仿實(shí)景軟件，是交互式騎行的重要組成部分，具備不同的路況信息，依據(jù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的模型進(jìn)行閉環(huán)控制，從而達(dá)到人機(jī)交互仿實(shí)景騎行。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時控制的人機(jī)環(huán)境共融的騎行艙系統(tǒng)，其特征在于，所述角度傳感器（9）內(nèi)置陀螺儀、加速度計(jì)，進(jìn)行X、Y、Z軸的角度、角速度、角加速度的測量；通過角度傳感器進(jìn)行騎行狀態(tài)參數(shù)測量，具體包括：坡度變化、轉(zhuǎn)彎及傾斜等通過通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸給MCU微控制單元。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時控制的人機(jī)環(huán)境共融的騎行艙系統(tǒng)，其特征在于，磁阻模塊實(shí)現(xiàn)模擬量的控制具體包括：MCU微控制單元通過高速脈沖端口發(fā)出控制信號，經(jīng)功率放大模塊后驅(qū)動負(fù)載磁阻線圈，負(fù)載線圈磁力變化后對飛輪吸力產(chǎn)生變化，從而實(shí)現(xiàn)阻力控制；同時溫度傳感器通過MCU微控制單元模擬量輸入模塊進(jìn)行標(biāo)定后可測得線圈溫度，防止線圈溫度過高出現(xiàn)安全隱患。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時控制的人機(jī)環(huán)境共融的騎行艙系統(tǒng)，其特征在于，脈搏傳感器芯片采用光電式容積脈搏波描記PPG的方式感應(yīng)人體的脈搏信息并加以提取，通過模擬端芯片 HR607+HR6816 和算法芯片 SFB9712 輸出血壓、心率等串口信號心率血壓監(jiān)測模塊，采用心率監(jiān)測模塊實(shí)時監(jiān)測騎行者身體狀態(tài)參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲，以便于進(jìn)行健康分析及針對性訓(xùn)練。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時控制的人機(jī)環(huán)境共融的騎行艙系統(tǒng)，其特征在于，采用RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性函數(shù)擬合，對路譜路況進(jìn)行建模分析具體包括：

為了獲得訓(xùn)練數(shù)據(jù)，首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體包括：通過Labview采集板卡及DAQ數(shù)據(jù)采集模塊，將采集到的路譜、路況數(shù)據(jù)存入Access數(shù)據(jù)庫，供后續(xù)訓(xùn)練使用；

搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，采用Python語言在keras平臺搭建RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練并預(yù)測。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時控制的人機(jī)環(huán)境共融的騎行艙系統(tǒng)，其特征在于，所述騎行運(yùn)動軟件有山丘、公路、都市路況信息，騎行可根據(jù)需要選擇不同模式，具體包括如下步驟：

騎行運(yùn)動軟件同微型控制單元建立通信連接，采用opc方式進(jìn)行通信；

根據(jù)騎行軟件不同路況信息與下位機(jī)實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時依據(jù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的模型進(jìn)行閉環(huán)控制，從而達(dá)到人機(jī)交互仿實(shí)景騎行。