CN101874921A - 电动跑步机的自动调速方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动跑步机的自动调速方法及装置，包括如下步骤，电子控制单元(3)控制所述任一测距传感器(1)向电动跑步机上的跑步者(2)发射信号，并记录下测距传感器(1)发射信号的时间；所述测距传感器(1)接收从跑步者(2)反射回来的反射信号并实时传送给所述电子控制单元(3)；所述电子控制单元(3)记录各测距传感器(1)收到反射信号的时间，结合测距传感器(1)发射信号的时间和各测距传感器(1)间的距离信息来计算出跑步者(2)的位置信息；所述电子控制单元(3)根据跑步者(2)的位置信息判断跑步机的电动机(4)加速、减速或停机。本发明能够根据跑步者的位置自动调节电动机速度，具有简单实用、定位准确的特点。

Description

电动跑步机的自动调速方法及装置

技术领域  本发明涉及带有可动环带的专门适用于调节心血管系统和训练运动的敏捷性或协调性的训练器械，特别是涉及一种电动跑步机自动调速方法及装置。

背景技术  现有技术电动跑步机的速度控制，往往是事先设定好速度，然后使用者根据电动跑步机的速度进行跑动，这种被动运动方式要求锻炼者跟着电动跑步机的速度自身调节跑步速度，这给锻炼者跑动时带来不便，也很难达到理想的锻炼效果，另外，这种传统的跑步机速度控制方法还可能因为使用者与跑步带的转速不同致使用者不慎跌倒的情形发生。

中国专利CN101385894A公开了一种带有自动控制装置的跑步机，根据带在手腕上的加速度传感器的输出来计算跑步者的运动趋势，这种根据加速度传感器的输出推算跑步者状态的方法过于复杂，成本较高，而且由于人在跑步时手的运动状态并非一成不变，如擦汗、赶蚊子、打手势、扶把手等，都可能导致预测结果混乱，另外，带在手腕上的装置需要安装电池，且该装置耗电较大，需要频繁地更换电池或充电，给使用者带来不便。

中国专利CN2522110Y的专利公开了一种具双向式超声波检测装置的电动跑步机，提到了靠超声波来测量距离会有很大的误差，为了准确测定距离，该专利公开了在人体上安装主动发射超声波的装置，同时增加红外接收装置进行同步的技术方案，其位置测量的准确性优于公开号为CN101385894A专利的技术方案，但依然存在不足之处：系统复杂，如需要在人体上佩戴带电池的红外线接收器及超声波发射器等设备；成本高、耗电量大，佩戴在人体上的红外线接收器及超声波发射器都需要用电池，提高了系统的使用成本，且设备发射超声波，耗电量较大；不方便，跑步者需要佩戴带电池的设备显得笨重，对其使用造成了不便；另外还可能因为身体的转动导致超声波发射方向的变化，使得超声波接收装置收不到信号。

发明内容  本发明旨在避免上述现有技术的不足之处，对现有技术进行进一步的改进，提出一种简单实用、成本低廉、定位准确的电动跑步机自动调速方法及装置。

本发明电动跑步机的自动调速方法包括如下步骤：

a.电子控制单元控制所述任一测距传感器向电动跑步机上的跑步者发射信号，并记录下测距传感器发射信号的时间；

b.所述测距传感器接收从跑步者反射回来的反射信号并实时传送给所述电子控制单元；

c.所述电子控制单元记录各测距传感器收到反射信号的时间，结合测距传感器发射信号的时间各测距传感器间的距离信息来计算出跑步者的位置信息；

d.所述电子控制单元根据跑步者的位置信息判断跑步机的电动机是否需要加速、减速或停机。

步骤a所述的测距传感器发射的信号是超声波信号。

步骤a所述的向跑步者发射信号主要是向跑步者腿部或脚步位置发射信号。

所述电动跑步机的自动调速方法还包括如下步骤：根据电子控制单元采集到的测距传感器发射信号和接收信号的时间结合已知距离信息，计算出跑步者的步频、步长、速度、加速度和/或横向位置信息并输出。

同时，设计一种具有自动调速控制装置的电动跑步机，包括机架、跑步带、电子控制单元和电动机；所述电子控制单元包括中央处理器和电动机控制电路，尤其是，所述跑步带前方机架上安装有至少两个测距传感器；所述电子控制单元还包括所述测距传感器驱动电路；所述测距传感器和测距传感器驱动电路电连接。

所述测距传感器发射的信号为超声波信号。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

1、系统简单、实用；由于不需要佩戴红外线接收器及超声波发射器等设备，也就不需要使用电池，而只要在电动跑步机机架上安装超声波测距传感器即可根据该测距传感器测量跑步者在跑步机上的位置，系统实现更为简单、实用；

2、定位准确；现有技术跑步者因为跑步者运动时身体的转动会导致超声波发射方向的变化，使得电动跑步机上的超声波接收装置收不到信号，定位不准确；本发明测距传感器固定在跑步机机架上，且至少安装两个以上，加上合理算法，还可定位出跑步者在跑步带上的左右位置信息，因此，能够保证对跑步者在电动跑步机上的位置进行准确定位。

3、成本低；由于本发明不需在人体上佩戴附加装置，仅在跑步机上安装具有收发一体的超声波测距传感器，可使成本进一步降低；

4、使用方便；由于跑步者在电动跑步机上运动时没有携带任何设备，活动起来更加方便；

附图说明

图1是本发明具有自动调速控制装置电动跑步机原理示意图；

图2是本发明实施例电子控制单元控制电动跑步机的原理示意图；

图3是本发明电动跑步机自动调速方法计算跑步者位置的原理示意图；

图4是本发明电动跑步机自动调速方法的流程示意图。

具体实施方式  以下结合附图所示之优选实施例作进一步详述。

本实施例具有自动调速控制装置的电动跑步机如图1所示，电子控制单元3置于电动跑步机机身内部，跑步机前方机架上水平安装有三个测距传感器1，三个测距传感器分别是第一测距传感器11、第二测距传感器12和第三测距传感器13，第二传感器12到第一传感器11和第三传感器13之间的距离等距；三个测距传感器为收发一体的超声波测距传感器，该三个测距传感器可以在发射超声波之后进行超声波的接收。

如图2所示，电子控制单元3包括中央处理器31、电动机驱动电路32和测距传感器驱动电路33，测距传感器驱动电路33设置三个测距传感器驱动电路来分别驱动三个测距传感器11、12、13，该三个测距传感器分别与各自的驱动电路电连接，三个测距传感器驱动电路分别与中央处理器31电连接传输数据信号；电子控制单元3的中央处理器31通过通信接口和电动跑步机控制面板电连接输出数据，还通过电动机控制电路32驱动电动机4动作，测速传感器5反馈电动机4的转速给中央处理器31，中央处理器31通过电动机驱动电路32控制调节电动机4的转速。

本实施例电动跑步机的自动调速方法在上述具有自动调速控制装置的电动跑步机基础上采用了三个收发一体的超声波传感器进行联合测量跑步者位置信息，对于测量的过程根据相应的算法，可以比较准确地测量出跑步者的运动状态，并预测出跑步者的运动趋势，自动调节电动机4的转速，还可以计算出跑步者的步频、步幅、加速度和/或落脚点的左右位置运动状态信息并输出到控制面板，从而实现更充分的互动游戏功能，图4所示是本实施例电动跑步机自动调速方法的控制过程示意，下面结合图4来说明自动调速方法的控制过程：

a.电子控制单元3控制第二测距传感器12定时向跑步者2的腿部或脚部发射超声波信号，同时记录下发射时间，然后三个测距传感器11、12、13同时接收从人体反射回来的超声波，并转换成电信号实时传送给电子控制单元3，电子控制单元3记录下各测距传感器收到反射信号的时间，

b.电子控制单元3中的中央处理器31根据测距传感器发射超声波信号的时间和反馈超声波信号时间并结合第一传感器11和第三传感器13之间的固定距离参数来计算跑步者2在跑步带上的位置信息；具体计算过程如下：

如图3所示，将跑步者所处的位置(即脚部和腿部位置)视为一个点，设跑步者与测距传感器11、12、13的距离分别为a、b、c，第一测距传感器11和第三传感器13之间的距离为已知数L，设跑步者所处的点到三个测距传感器水平直线垂直距离为y，其垂直交点与第二传感器12的距离为x；由于跑步者在运动过程中对超声波的反射并非完全可靠，下面根据测距传感器收到跑步者反射超声波信号的情况结合几何原理对可能出现的几种情况分别介绍：

①如果三个测距传感器11、12、13都收到了返回信号，可以先选择第一传感器11、第二传感器13和跑步者所处的点组成的三角形来计算y；由于第一传感器11、第三传感器13收到的信号数值分别反应了a+b和b+c的值，设M＝a+b，N＝b+c，那么根据勾股定理可以得出第一方程组，其中a、b、c、x、y为未知数：

a+b＝M

b+c＝N

(L/2+x)²+y²＝c²

(L/2-x)²+y²＝a²

x²+y²＝b²

解以上方程组可以得出：

b＝(M²+N²-L²/2)/(2M+2N)

x＝(4MN²-4M²N+L²N-L²M)/(4LM+4LN)

把上面b、x的结果代入，即可求出y；

再次选择传感器11、传感器12的返回值a+b、b+b，设M＝a+b，N＝b+b，则可得到第二方程组：

a+b＝M

b+b＝N

(L/2-x)²+y²＝a²

x²+y²＝b²

解以上方程组可以得出：

x＝L/4-M²/L+MN/L

把b＝N/2及x的结果代入，即可求出y。

根据上面两个方程组分别解出了两组x、y，可以取它们的平均值作为最终结果，也可以只保留较为合理的一组，而丢弃另一组。

②如果只有两个测距传感器接收到返回值，当第二测距传感器12无返回值时选择上面第一方程组进行求解；当第二测距传感器12有返回值，而其它两个测距传感器中的某一个无返回值时，则选择上面第二方程组进行求解。

③如果只有一个传感器有返回值，此种情况出现的概率很小，可以忽略。也可以根据大多数情况下，跑步者都位于跑步机中间的实际情况，暂时假设x＝0，并且当第二测距传感器12有返回值时，代入以上第二个方程组，求出y；当传感器12无返回值而其它两个传感器中的某一个有返回值时，代入以上第一个方程组，求出y。

通过以上的计算方法即可计算出跑步者与测距传感器水平直线的垂直距离y和跑步者相对于第二传感器12的水平偏移距离x，也就确定了跑步者当前在电动跑步机跑步带上的位置。

c.将跑步者的位置信息存入中央处理器3的存储器；

d.将以上时间、距离信息存储为历史记录，计算跑步者运动的速度和加速度；

e.电动机测速传感器5测定当前电动机4的速度；

f.根据跑步者位置信息判断电动机4加速、减速或者停机；

g.电子控制单元3给定目标速度并调整电动机4的控制电压控制电动机4的速度；

电子控制单元3控制电动机转速的依据之一是：在任一时间点，判断跑步者2腿部或脚部的位置信息处于跑步带有效空间内的具体位置，若迈步时落点在预定范围的前方，则控制电动机4加速；若落点在预定范围的后方则控制电动机4减速，若落点远离预定范围或跑步者目标消失时，则控制电动机4停机。

电子控制单元3控制电动机转速的依据之二是：在任一时间段内，根据前后多次获得的跑步者2腿部或脚部的位置信息和时间计算出跑步者2的速度和加速度，从而判断跑步者2的运动趋势，然后控制电动机4加速或减速。此依据可以单独使用，也可以结合依据一中提到的方法共同做出判断。

h.将当前速度、跑步者位置等数据由中央处理器3通过通信接口发送出去。

实际使用中，基于以上时间、跑步者位置信息，电子控制单元3还可以根据跑步者2腿部位置的前后摆动频率计算出步频、步长、速度、加速度和/或横向位置信息一起通过通信接口发送给其它模块，作显示或统计之用，也可以作为带有互动游戏功能跑步机的控制输入，使得互动游戏真正得以完善。

作为一种功能的扩展，电子控制单元3还可以与其它功能的电子控制部分合并成一体，包括电动机控制、键盘、游戏、多媒体播放等，以使设备更简单并节约成本。

由于电子控制单元3通过电动机测速传感器5控制电动机4的方法属于现有技术，在此不再赘述。

以上是本发明最优实施例，如果实施方案仅使用两个收发一体的测距传感器，那么，计算跑步者位置信息只需要应用前述第一方程组求解即可。

Claims (8)

1.一种电动跑步机的自动调速方法，其特征在于，基于在跑步机的跑步带前方机架上安装有至少两个测距传感器(1)，包括如下步骤：

a.电子控制单元(3)控制所述任一测距传感器(1)向电动跑步机上的跑步者(2)发射信号，并记录下所述测距传感器(1)发射信号的时间；

b.所述测距传感器(1)接收从跑步者(2)反射回来的反射信号并实时传送给所述电子控制单元(3)；

c.所述电子控制单元(3)记录各测距传感器(1)收到反射信号的时间，结合测距传感器(1)发射信号的时间和各测距传感器(1)间的距离信息来计算出跑步者(2)的位置信息；

d.所述电子控制单元(3)根据跑步者(2)的位置信息判断跑步机的电动机(4)是否需要加速、减速或停机。

2.根据权利要求1所述的电动跑步机的自动调速方法，其特征在于：步骤a所述的测距传感器(1)发射的信号是超声波信号。

3.根据权利要求1所述的电动跑步机的自动调速方法，其特征在于：步骤a所述的向跑步者(2)发射信号是向跑步者(2)腿部或脚步位置发射信号。

4.根据权利要求1所述的电动跑步机的自动调速方法，其特征在于，还包括如下步骤：根据电子控制单元(3)采集到的测距传感器(1)发射信号和接收信号的时间结合已知距离信息，计算出跑步者的步频、步长、速度、加速度和/或横向位置信息并输出。

5.根据权利要求1所述的电动跑步机的自动调速方法，其特征在于：步骤d所述的判断跑步机的电动机(4)是否需要加速、减速或停机的依据为：在任一时间点，确认跑步者(2)腿部或脚部的位置信息处于跑步带有效空间内的具体位置，若迈步时落点在预定范围的前方，则控制电动机(4)加速；若落点在预定范围的后方则控制电动机(4)减速，若落点远离预定范围或跑步者目标消失时，则控制电动机(4)停机。

6.根据权利要求1所述的电动跑步机的自动调速方法，其特征在于：步骤d所述的判断跑步机的电动机(4)是否需要加速、减速的依据为：在任一时间段，根据前后多次获得的跑步者(2)腿部或脚部的位置信息和时间计算出跑步者的速度和加速度，从而判断跑步者(2)的运动趋势，然后控制电动机(4)加速或减速。

7.一种具有自动调速控制装置的电动跑步机，包括机架、跑步带、电子控制单元(3)和电动机(4)；所述电子控制单元(3)包括中央处理器(31)和电动机控制电路(32)，其特征在于：所述跑步带前方机架上安装有至少两个测距传感器(1)；所述电子控制单元(3)还包括所述测距传感器驱动电路(33)；所述测距传感器(1)和测距传感器驱动电路(33)电连接。

8.根据权利要求7所述的具有自动调速控制装置的电动跑步机，其特征在于：所述测距传感器(1)发射的信号为超声波信号。

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