李 昕，楊文珍，周 強(qiáng)，盧水晶，盧 毅，宋賽賽

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州水晶運(yùn)動(dòng)機(jī)械股份有限公司，浙江 杭州311502；3.浙江方圓檢測集團(tuán)，浙江 杭州 310013)

0 前 言

動(dòng)感單車健身不受天氣、時(shí)間、地點(diǎn)和空氣污染等運(yùn)動(dòng)條件限制，憑借其安全方便的鍛煉方式，已經(jīng)成為大眾喜歡的運(yùn)動(dòng)健身工具之一。隨著科學(xué)健身的理念日漸深入人心，人們更加注重騎車的健身質(zhì)量和效果，希望在輕松愉快的環(huán)境中騎車鍛煉身體，實(shí)時(shí)了解自己的運(yùn)動(dòng)狀況，適時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，得到最佳的運(yùn)動(dòng)效果。

然而，人們在騎著普通動(dòng)感單車鍛煉身體時(shí)，總覺得枯燥乏味、興趣全無，實(shí)在是棄之可惜，食之無味。楊勇濤等學(xué)者研究表明虛擬鍛煉環(huán)境對心境有更好的調(diào)節(jié)效果，顯著改善鍛煉者的情緒水平，更有利于鍛煉者的身心健康[1]。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)者們開展了動(dòng)感單車虛擬騎行研究。潘志庚等學(xué)者開發(fā)了自行車虛擬綜合訓(xùn)練仿真器[2]，該仿真器可以模擬真實(shí)場地信息，可以反饋給當(dāng)前騎行者自己的運(yùn)動(dòng)情況。陳和恩等學(xué)者提出了一種具有健身與娛樂功能的健身車系統(tǒng)[3]，此系統(tǒng)在保證原有機(jī)械式健身車功能設(shè)計(jì)的前提下，增加虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳感器技術(shù)和數(shù)字信號處理器控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在虛擬游戲環(huán)境中的人機(jī)交互。趙漢理等學(xué)者實(shí)現(xiàn)了一套采用健身自行車、Kinect 體感攝像頭、心率傳感器等設(shè)備的健身系統(tǒng)[4]，改善個(gè)人健身的娛樂性和有效性。Mokka S等學(xué)者開發(fā)了一套由自行車、計(jì)算機(jī)和投影儀組成的虛擬健身系統(tǒng)[5]，當(dāng)鍛煉者在騎行時(shí)，可在大屏幕中的虛擬環(huán)境中漫游。

然而，目前虛擬騎行系統(tǒng)普遍存在著沉浸感弱、場景的運(yùn)動(dòng)和身體的運(yùn)動(dòng)感知不匹配、場景運(yùn)動(dòng)延時(shí)等問題，主要原因在于未能準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)地獲取鍛煉者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與虛擬場景的實(shí)時(shí)互動(dòng)[6]。因此，本文著重研發(fā)動(dòng)感單車的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以期能夠精確且實(shí)時(shí)地獲取用戶的騎行速度數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)，并結(jié)合Unit3D構(gòu)建的虛擬場景，用于虛擬騎行健身、提升虛擬騎行的沉浸感和運(yùn)動(dòng)鍛煉效果。

1 動(dòng)感單車運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置

動(dòng)感單車的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)主要包括騎行速度數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)，本文開展光電編碼測速方法和霍爾測速方法的對比實(shí)驗(yàn)，手握心率檢測儀與心率手環(huán)的對比實(shí)驗(yàn)，分別選出實(shí)時(shí)性好且準(zhǔn)確性高的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集器。

1.1騎行速度數(shù)據(jù)采集

經(jīng)調(diào)查顯示，目前大多數(shù)動(dòng)感單車所采用的速度測量方法有兩種：一是光電測速方法；二是霍爾測速方法。

1.1.1 光電測速裝置。光電測速傳感器具有精度準(zhǔn)確、響應(yīng)時(shí)間短、不直接接觸被測物體等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，外觀簡潔易操作且體積小便于安裝[7]。本文選用槽型光電傳感器(型號為H42B6)，采集用戶的騎行速度數(shù)據(jù)。槽的兩側(cè)分別裝有一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器。光發(fā)射器發(fā)出紅外光，在光發(fā)射器和接收器之間沒有遮擋的情況下，接收器能接收到光，當(dāng)光發(fā)射器和接收器之間有遮擋的情況下，接收器不能接收到光，光電測速傳感器就輸出一個(gè)脈沖信號，完成一次計(jì)數(shù)響應(yīng)。光電測速方法需要光電傳感器與光柵盤的配合才能采集到動(dòng)感單車的車速。光柵盤安裝于動(dòng)感單車驅(qū)動(dòng)輪輪轂中心處，如圖1所示，其直徑為64mm，光柵格數(shù)為50格。

圖1 光柵盤與 圖2 光柵盤與光電測速傳感器 光電測速傳感器

本文采用增量計(jì)數(shù)的方式對動(dòng)感單車的車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光柵盤的光柵交替遮擋槽型光電傳感器光發(fā)射器端所發(fā)出的紅外光，光電傳感器依次輸出脈沖信號，則動(dòng)感單車的車輪轉(zhuǎn)速Vr計(jì)算公式為：

(1)

式中n為光柵盤的光柵格數(shù)，單位為個(gè)，m為時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，單位為個(gè)，T為采樣時(shí)間，單位為毫秒。

根據(jù)動(dòng)感單車的車輪轉(zhuǎn)速Vr，在已知車輪的直徑D的前提下，可以得到動(dòng)感單車的騎行速度Vg公式計(jì)算為:

(2)

1.1.2 霍爾測速裝置?；魻杺鞲衅骼没魻栃?yīng)的原理，霍爾元件在磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生霍爾電熱，把位移信號轉(zhuǎn)換成電信號。根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾元件由半導(dǎo)體材料制作而成，具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)時(shí)間短、輸出信號穩(wěn)定和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[8]。由于霍爾元件在磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電勢差很小，所以一般將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路和穩(wěn)壓電源等集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成霍爾傳感器。

本文選用的3144型霍爾傳感器具有電源指示燈和信號輸出指示燈，單路信號輸出，靈敏度可調(diào)，電路板輸出開關(guān)量，可直接聯(lián)單片機(jī)，有磁場切割就有信號輸出等特點(diǎn)。該霍爾傳感器無觸發(fā)時(shí)，輸出低電平，有觸發(fā)時(shí)，輸出高電平。為了能產(chǎn)生磁場，本文選用了34枚磁鋼均勻布置在動(dòng)感單車驅(qū)動(dòng)輪輪轂處，如2圖所示。當(dāng)動(dòng)感單車驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每當(dāng)磁鋼靠近霍爾傳感器時(shí)會(huì)引發(fā)霍爾元件產(chǎn)生由高到低電平的跳變，當(dāng)磁鋼遠(yuǎn)離霍爾元件時(shí)，霍爾元件產(chǎn)生磁場由低電平恢復(fù)到高電平。單片機(jī)對霍爾元件所產(chǎn)生的測量信號進(jìn)行下降沿捕獲，得到脈沖信號，進(jìn)而可算出車輪的轉(zhuǎn)速。假設(shè)霍爾傳感器在一定時(shí)間T1內(nèi)輸出的脈沖信號個(gè)數(shù)為W，即感應(yīng)到W個(gè)磁鋼數(shù)，動(dòng)感單車的車輪直徑為D，可以得到動(dòng)感單車的騎行速度公式為

(3)

1.1.3 光電測速和霍爾測速的對比分析。針對以上兩種測量方法，我們選取了多個(gè)對象進(jìn)行騎行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，要求同一對象在不同的測速方法下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)盡量保持一致，本文采用光柵格數(shù)為50的光柵盤，采樣時(shí)間T設(shè)定為50ms，騎行時(shí)間為3min，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選得到以下數(shù)據(jù)。

同理，可以得到對象B在光電傳感器下的最高速度為44.3km/h，平均速度為13.7km/h；對象B在霍爾傳感器下的最高速度為48.92km/h，平均速度為24.37km/h。

與自行車碼表速度相對比，光電傳感器測量得到騎行速度數(shù)據(jù)更加精確而且實(shí)時(shí)性更好。因?yàn)楣怆妭鞲衅鞯墓鈻鸥駭?shù)多并且分布緊密，動(dòng)感單車車輪只要轉(zhuǎn)過一個(gè)微小的角度就能產(chǎn)生脈沖信號，就可測得到車速數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性得到了保證。因此，光電傳感器更能準(zhǔn)確地反饋出當(dāng)前用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，更適合于動(dòng)感動(dòng)車的騎行速度數(shù)據(jù)采集。

2.2騎行心率采集裝置

2.2.1 手握心率檢測儀。本文選用了型號為SH601的手握心率檢測儀，該手握心率通直流2.4V～5.5V電壓，具有良好的抗干擾能力，信號輸出穩(wěn)定。它可以通過手柄上的金屬電極獲取人體手掌上的心電信號，再經(jīng)過放大濾波等信號調(diào)理后，使心率信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以直接測量的方波信號，如圖3所示。當(dāng)人體心臟跳動(dòng)一下，便產(chǎn)生一定寬度的高電平，最終獲得了當(dāng)前鍛煉者的騎行心率[9]。

圖3 手握心率檢測儀及其方波信號

假設(shè)測得兩次相鄰方波的時(shí)間間隔(即兩次心跳的時(shí)間間隔)為T毫秒，P為瞬時(shí)心率值，單位為次/min，則可以得到騎行者當(dāng)前的瞬時(shí)心率計(jì)算公式為

(4)

2.2.2 心率手環(huán)。脈搏是指隨著心臟節(jié)律性地收縮和舒張，動(dòng)脈管壁相應(yīng)地出現(xiàn)擴(kuò)張和回縮，在表淺動(dòng)脈上可觸到搏動(dòng)，形成脈搏波。脈搏波可以反映人體的血氧飽和度、脈率和心率等信息[10]。目前測脈搏波的手環(huán)有很多種，其測量原理也不盡相同。本文選用一種光電容積脈搏波方法的心率手環(huán)，其工作原理是基于動(dòng)脈血液對光吸收量不同，從而獲取脈搏波周期信息。此手環(huán)由兩個(gè) LED燈和一個(gè)光電傳感器組成，LED燈光通過皮膚和血管后，一部分光被血液中的氧合血紅蛋白吸收和散射，另一部分光會(huì)被光電傳感器接收，從而獲取脈搏波的信號[11]。該方法計(jì)算比較復(fù)雜，利用傅里葉變換得到傅里葉譜，對傅里葉譜進(jìn)行平滑處理，得到曲線中峰值點(diǎn)作為心率值。

2.2.3 手握心率檢測儀和心率手環(huán)的對比評價(jià)。針對手握心率檢測儀和心率手環(huán)的兩種心率測量方法，本文以醫(yī)用心率血壓檢測儀為標(biāo)準(zhǔn)，選取多個(gè)對象進(jìn)行心率數(shù)據(jù)采集和對比實(shí)驗(yàn)，測試時(shí)間為1min，得到如圖4-9所示的數(shù)據(jù)。

圖4 對象A在手握心率檢測儀的心率

圖7 對象B在心率手環(huán)的心率

圖8 對象A在醫(yī)用心率血壓檢測儀的心率

圖9 對象B在醫(yī)用心率血壓檢測儀的心率

與醫(yī)用心率血壓檢測儀的心率相對比，手握心率檢測儀測量得到的心率數(shù)據(jù)更加精確，并且可以準(zhǔn)確地反饋出當(dāng)前用戶的鍛煉狀態(tài)，從而更適合于動(dòng)感動(dòng)車的心率數(shù)據(jù)采集。所以，本文選用手握心率檢測儀進(jìn)行心率數(shù)據(jù)采集。

2 動(dòng)感單車的虛擬騎行實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證此運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地獲取用戶的騎行速度和心率數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬場景運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)虛擬騎行的沉浸感和科學(xué)性，本文構(gòu)建了動(dòng)感單車虛擬騎行的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并開展了用戶的測試和評價(jià)。

2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建

動(dòng)感單車虛擬騎行的實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要包括動(dòng)感單車模塊、藍(lán)牙通訊模塊和虛擬騎行場景模塊，如圖10所示。動(dòng)感單車模塊通過光電測速傳感器和手握心率檢測儀采集用戶的騎行速度和心率數(shù)據(jù)，傳輸給數(shù)據(jù)采集控制器。虛擬騎行場景模塊可以通過PC機(jī)、平板PAD、虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔或手機(jī)等設(shè)備獲得用戶的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并顯示和驅(qū)動(dòng)虛擬騎行場景。藍(lán)牙通訊模塊實(shí)現(xiàn)動(dòng)感單車和虛擬騎行場景之間的數(shù)據(jù)傳遞。

圖10 動(dòng)感單車虛擬騎行的數(shù)據(jù)流程

2.2實(shí)驗(yàn)測試和評價(jià)

本文的虛擬騎行場景由Unit3D建模，如圖7所示，運(yùn)行在Boxx(3DBOXX 8500)工作站，通過巴可Galaxy NW-12投影機(jī)，呈現(xiàn)在2.7m*9m的環(huán)形屏幕中[12]。動(dòng)感單車為杭州水晶運(yùn)動(dòng)機(jī)械有限公司的超靜音家用室內(nèi)動(dòng)感單車。

我們選擇了50個(gè)對象進(jìn)行虛擬騎行體驗(yàn)，并在結(jié)束時(shí)對他們在騎行過程中的沉浸感與實(shí)時(shí)性進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)評價(jià)

圖11 動(dòng)感單車虛擬騎行實(shí)驗(yàn)

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，用戶對虛擬騎行的持久吸引力、娛樂性、沉浸感和畫面連續(xù)性比較滿意，表明本文研發(fā)的動(dòng)感單車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠提供可靠的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了動(dòng)感單車虛擬健身的沉浸感和娛樂性。

3 總 結(jié)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比評價(jià)，光電測速方法能夠更精確和實(shí)時(shí)地采集到騎行速度數(shù)據(jù)，手握心率檢測儀可以采集到更精確的心率數(shù)據(jù)，更適用于動(dòng)感單車健身。因此，本文采用光電測速傳感器和手握心率檢測儀作為數(shù)據(jù)采集裝置，設(shè)計(jì)出基于虛擬騎行健身的動(dòng)感單車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此系統(tǒng)與Unit3D建立的虛擬場景相結(jié)合，將騎行速度和心率在虛擬場景中呈現(xiàn)出來，讓用戶可以實(shí)時(shí)了解自身的鍛煉數(shù)據(jù)，從而做出適時(shí)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整，以達(dá)到更好的健身效果，增強(qiáng)了動(dòng)感單車健身的趣味性和科學(xué)性。

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