CN103550911B - 一种实现多人连网竞赛的室内网络单车系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现多人连网竞赛的室内网络单车系统及控制方法，包括网络服务器、室内单车，所述室内单车上安装有发电机和传感器，所述室内单车上安装有控制装置，所述控制装置通过媒体设备与网络服务器连接，所述控制装置包括转速采样模块、整流模块、采样模块、负载调节模块以及接收上述模块和传感器信息的中央处理单元；所述媒体设备包括网络装置、执行装置、显示屏、输入设备，所述执行装置分别与网络装置、显示屏、输入设备和控制装置连接。本发明能够将当前室内单车的实时信息传送到网络服务器上，网络服务器在提供的锻炼场景中虚拟出各用户的实时运动状态，使得多个用户能够在同一个场景实现同步比赛，提高了用户的参与意识。

Description

一种实现多人连网竞赛的室内网络单车系统及控制方法

技术领域

本发明涉及运动健身领域，具体涉及一种能够连网进行多人竞技的室内单车以及实现上述目的的控制方法。

背景技术

现有用于锻炼身体的室内单车包括简单的纯运动方式和提供有虚拟场景的运动方式，这两种方式都是由一个用户独立使用，不能与其它人进行互动，使得锻炼过程比较枯燥，即使带有虚拟场景的方式，也只是提供一些无人的固定场景，长时间或是经常使用后也会失去代入感。

此外现有的室内单车缺少根据不同用户特点提供针对性锻炼的措施，只能提供固定阻力的锻炼方式。如在公开号为CN201717827专利中，公开一种带有马达阻力控制系统的室内单车，其将马达、负载模块和多段式开关连接在一起，通过多段式开关来控制与马达连接的负载模块的数量，达到调节驱动马达所需阻力大小的效果。此方案虽然能够调整驱动马达的阻力大小，但其仅是通过马达连接的负载数量进行相应阻力的调整，而未考虑用户驱动马达的驱动力大小，既不能根据用户的身体情况调整负载，也不能对负载进行精细调整，用户只能被动接受，这种调节方式常常会出现超过或达不到用户的承受能力，最终降低锻炼时间和锻炼效果。

发明内容

本发明首先解决现有技术中健身用室内单车在锻炼过程中不能与外界实现多人互动的问题，其次解决如何根据用户的不同表现自动调整发电机的阻力大小的问题，再次解决如何让用户根据自己的情况进行主动调节锻炼方式的问题，针对上述问题，本发明提供一种实现多人连网竞赛的室内网络单车系统及控制方法，具体方案如下：一种实现多人连网竞赛的室内网络单车系统，包括提供竞赛平台的网络服务器，由用户控制的室内单车，所述室内单车上安装有发电机和收集室内单车各种动作信息的传感器，其特征在于，所述室内单车上安装有根据用户驱动力大小改变发电机阻力的控制装置，所述控制装置通过媒体设备与网络服务器连接，所述控制装置包括采集发电机转速的转速采样模块，对发电机输出进行整流的整流模块，分析整流模块输出的采样模块，调节发电机阻力大小的负载调节模块，以及接收上述模块和传感器信息的中央处理单元；所述媒体设备包括与互联网连接的网络装置，运行竞赛客户端软件的执行装置，显示竞赛画面的显示屏，输入信息的输入设备，所述执行装置分别与网络设备、显示屏、输入设备和控制装置连接。

为提高用户对室内单车的体验效果：所述室内单车包括固定底座、车架、车把、传动装置和踏板，所述车把、传动装置和踏板安装在车架上，所述车架安装在固定底座上，所述发电机安装在车架的车轮位置并通过传动装置与踏板连接，所述传动装置包括安装在踏板轴上的传动轮和分别与传动轮、发电机连接的传动带，所述传动轮与踏板轴之间安装有防止传动轮逆转的止回轮，所述输入设备安装在车把上，所述显示屏固定在车架上并位于车把的前方。

为方便了解室内单车的运动状态：所述传感器包括安装在车把刹车处的制动传感器，安装在车把与车架连接处的转向传感器，安装在踏板处测量用户驱动力大小的重力传感器，安装在车把处接收各操作键工作状态的按键传感器，所述车把的把手内安装有震动装置，所述震动装置包括作为震动源的饲服电机和传递震动的震动块，所述把手为空心管结构，所述饲服电机安装在空心管内，所述把手与饲服电机对应的位置处为镂空结构，所述震动块卡在镂空的位置上并与饲服电机通过弹簧连接。

为分析发电机的状态：所述整流模块为三相整流模块，由六个二极管和一个电容C1构成，其中六个二极管每两个一组串联后再同时与电容C1并联，发电机的三根引线分别连接在相互串联的两个二极管之间；

所述采样模块包括电流采样模块和电压采样模块，所述电流采样模块包括串联在电容C1负极端的采样电阻R2，以及正极和负极分别连接在采样电阻R2两端的信号放大器，信号放大器的输出端与中央处理单元连接，所述电压采样模块包括串联后并联在电容C1两端的调节电阻R7和R8，调节电阻R7的两端并联电容C2和齐纳二极管D7后与中央处理单元连接；

所述负载调节模块包括光电耦合器IC1和N-MOS开关Q1，其中光电耦合器IC1的输入端正极与中央处理单元连接，负极与电容C1的负极端连接，光电耦合器IC1的输出端正极通过串联的调节电阻R11、负载与N-MOS开关Q1的漏极连接，输出端负极通过调节电阻R10与N-MOS开关Q1的源极连接，同时直接与N-MOS开关Q1的栅极连接；

所述转速采样模块包括串联的高速采样开关K1和限流保护电阻R1，其中高速采样开关K1与发电机连接，电阻R1与中央处理单元连接。

为充分利用发电机：所述负载为调节电阻、电能消耗器件或／和电能输出接口，所述中央处理单元采用型号为PIC24FJ的MCU芯片，包括对采样信号进行模数转换的ADC数模转换模块、调整输出电流的PWM脉宽调制模块、分析并计算各采样信息和传感器信息而且带有存储器和比较器的计算模块，接收及输出信息的控制接口。

为提高控制装置的安全性：所述信号放大器的输出端与负极之间并联有调节电阻R5，与中央处理单元之间连接有限流保护电阻R6；所述调节电阻R7的两端并联有滤波稳压电容C2和稳压二极管D7；中央处理单元与电压采样电路和负载调节模块连接的线路上分别串联有限流保护电阻R9、R13。

所述室内网络单车系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、参加竞赛的室内单车通过媒体设备与网络服务器连接，同时室内单车的网络信息传送到网络服务器的竞赛软件中，竞赛软件针对每个连接建立相应的网络虚拟形象；

步骤2、室内单车在运行过程中，控制装置收集发电机的转速、电压、电流和阻力信息，以及各传感器获取的室内单车的运行状态信息，通过媒体设备实时传送到网络服务器；

步骤3、竞赛软件根据上述信息建立各室内单车在竞赛场景中的实时动作模拟图像，同时将模拟图像信息发送给各媒体设备，各媒体设备通过各自的显示屏输出当前在线室内单车的实时图像；

步骤4、重复步骤2、3，竞赛软件根据信息逐步建立整个竞赛过程的实时图像，并同时回传实时图像给各室内单车，最终根据竞赛过程中各室内单车的表现生成相应的比赛结果传送给各在线室内单车。

为提高用户体验效果：所述竞赛软件设置有多种竞赛场景，且各竞赛场景中针对不同的地形设置了相应的参数要求，其中对室内单车通过不同地形时的状态表现计算方法如下：

以不同地形的坡度、长度、摩擦系数三者乘积作为不同地形的动力要求；

以各室内单车发电机转速和驱动力相乘再除以发电机的阻力得到的值，作为各室内单车在通过相应地形时的动力表现。

为方便用户调整锻炼强度：所述竞赛软件包括用户自动控制方式，实现方法如下：

步骤1、中央处理单元根据转速采样模块获取发电机当前转速信息，根据电压采样电路、电流采样电路获取发电机在当前转速下的电流信息和电压信息，利用各传感器获取用户操作运动装置时的各种信息，然后通过媒体设备传送给网络服务器上的竞赛软件；

步骤2、竞赛软件根据上述信息首先建立任意时刻或任意时间段内发电机转速与电流和电压之间的对应信息表，再将传感器测量的状态信息加入到信息表对应位置；

步骤3、通过媒体设备的显示屏输出当前室内单车的各种状态参数，同时接收输入设备输入的调整上述状态参数的数值；

步骤4、竞赛软件接收相应参数后，通过中央处理单元控制负载调节模块中N-MOS开关Q1的开关状态来调节相应的负载输出，实现提高、降低或维持当前驱动发电机所需阻力大小的目的。

为减少用户的操作：所述竞赛软件包括根据用户驱动力大小自动调整发电机阻力大小的智能锻炼选择，具体方法如下：首先通过控制装置获取当前室内单车运行一段时间内的转速Rd、电压U和电流I数值，当上述数值发生如下变化时，向其中央控制单元发送控制负载调整模块的相应调整命令；

当转速Rd和电压U两者数值在此段时间内呈均匀状态时，发送增大发电机阻力的命令；

当转速Rd数值呈起伏状态，而电压U和电流I数值为正比起伏时，发送减少发电机阻力的命令；

当电压U乘电流I得到的功率P值逐渐增大，而转速Rd的变化幅度小于电流I增大的幅度，发送增大发电机阻力的命令；

当电压U乘电流I得到的功率P值逐渐减小，而转速Rd的变化幅度大于电流I增大的幅度，发送减小发电机阻力的命令；

当功率P、转速Rd、电压U和电流I各值都逐渐减少时，发送减少发电机阻力的命令。

本发明的室内单车能够连接或安装媒体设备并通过媒体设备将当前室内单车的实时信息传送到网络服务器上，网络服务器利用竞赛软件根据各室内单车的信息，在提供的锻炼场景中虚拟出各用户的实时运动状态，使得多个用户能够在同一个场景实现同步比赛，提高了用户的锻炼热情，也提高了参与意识，使枯燥的锻炼充满乐趣。本发明通过分析当前用户控制下的室内锻炼单车当前状态，实现虚拟图像的实时模拟，完全再现用户锻炼过程，方便用户针对不足进行相应的调整。同时本发明能够提供任意需要的发电机阻力大小，做到发电机阻力大小与当前驱动力大小之间的精细调整，避免出现两者之间不匹配而导致的效率低下现象。本发明利用转速采样模块及电流和电压采样模块来获取当前时间段内的发电机实时信息，并根据上述信息与驱动力大小之间的对应关系来调整负载调节模块的阻力大小，使每次调整都能根据驱动力的状态做出最合适的改变。利用各种传感器能够获取用户控制室内单车时的具体状态信息，再由显示屏输出相应影像，使用户能够掌控自己的锻炼状态。本发明能够利用不同的负载来作为改变发电机阻力大小的部件，在实现不同利用目的情况下同样达到改变发电机阻力大小的作用。通过带有镂空结构的把手能够完整的传递室内锻炼单车在不同环境下的震动感，提高用户的体验效果。

本发明的方法能够在了解当前在线室内单车的各项具体参数情况下，实现多人在同一个场景中的比赛，根据不同的地形设置不同的动力需要，通过分析各室内单车的动力输出来确认各用户在比赛中的表现，从而确定各用户的比赛成绩。本发明通过驱动力、电机阻力和电机转速之间的关系来确定室内单车在竞赛中的运动表现，使用户可以清楚的了解到自己在不同地形时的表现，也使比赛的过程显得更加真实。

本方法还可根据驱动力需要达到的标准提供相应的运行环境设置，以测试驱动力适应情况或测试驱动力能够达到的上限等目的。利用自动调节方法可根据当前用户驱动力的特点进行适应性的调整，以使用户在控制室内单车期间驱动力和发电机阻力能够保持平稳，最大限度的提高锻炼效果。本方案利用转速Rd、电流I、电压U之间的对应关系，可确认当前驱动力在频率、持续时间及输出大小之间的变化，并针对性的对相应不足做出自动调整，达到控制驱动力保持平衡、恒定输出的目的。

附图说明

图1本发明的功能结构示意图；

图2本发明的室内单车爆炸图；

图3本发明的室内单车立体图；

图4本发明的控制装置电路示意图；

图5本发明中震动装置的结构示意图；

图6图3的剖面示意图；

图7本发明的控制方法流程图；

图8本发明的自动调整阻力的判断流程图；

附图中标号说明：1-中央处理单元、2-发电机、3-整流模块、4-电流采样模块、5-电压采样模块、6-转速采样模块、7-负载调节模块、8-控制接口、9-输入设备、10-蓄电池、11-电量传感器、12-负载、13-控制装置、14-把手、15-震动块、16-饲服电机、17-镂空支杆、18-弹簧、19-传感器、20-网络服务器、21-网络装置、22-执行装置、23-显示屏、24-车架、25-车把、26-传动装置、27-键盘、28-踏板、29-制动传感器、30-转向传感器、31-媒体设备。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明的实现多人连网竞赛的室内网络单车系统，包括提供竞赛平台的网络服务器20，由用户控制的室内单车，所述室内单车上安装有发电机2和收集室内单车各种动作信息的传感器19，所述室内单车上安装有根据用户驱动力大小改变发电机阻力的控制装置13，所述控制装置13通过媒体设备31与网络服务器20连接，所述控制装置13包括采集发电机转速的转速采样模块6，对发电机2输出电流进行整流的整流模块3，分析整流模块输出电流的采样模块，调节发电机阻力大小的负载调节模块7，以及接收上述模块和传感器信息的中央处理单元1；所述媒体设备31包括与互联网连接的网络装置21，运行竞赛客户端软件的执行装置22，显示竞赛画面的显示屏23，输入信息的输入设备9，所述执行装置22分别与网络装置21、显示屏23、输入设备9和控制装置13连接。本发明的室内单车能够通过网络装置21联入互联网，并在网络服务器20上通过竞赛软件实现多人联网竞技和比赛，每个用户的室内单车通过控制装置13分析实际运行状态信息再上传到网络服务器20，能够真实反映用户的运动信息，即用户输出多大的驱动力，则竞赛软件就会对其室内单车作出相应调整，真实、具体的反应出各用户之间的差别，保证比赛或锻炼的代入感。

本发明在使用时，用户控制的室内单车其转速、驱动力以及室内单车的运动状态等信息，都会通过控制装置13的中央处理单元1收集处理后发送到媒体设备31，再由媒体设备31通过网络上传到网络服务器20上，网络服务器20上的竞赛软件对所有信息进行分析，并根据信息内容虚拟出当前室内单车的运动状态、速度等实时影像，再通过网络回传给媒体设备31，媒体设备31通过显示屏23直接输出相应的虚拟图像，使用户能够实时了解自己和同时在线的其它参与用户的信息，直观的了解自己和其它用户的当前信息，并通过控制自己的室内单车实现竞赛中的状态调整，从而达到实现多人互动的竞技或锻炼目的。

具体的执行装置22可以采用计算机、游戏机或具有独立执行能力的图像板卡、游戏板卡，上述设备只要带有能够联网的网络模块且具有相应的执行和存储功能即可，如单片机、台式机、笔记本，PS3、XBOX360、固化有竞赛软件的游戏板卡、定做的图像板卡、游戏板卡，或是手机、平板电脑等都可以实现本发明的目的。而网络装置21可以是无线、有线、蓝牙等信号传送装置，执行装置22与室内单车的控制装置13连接，两者之间可以通过串口、并口或USB接口进行连接，本发明采用USB接口的方式连接，采用USB接口可以在实现数据传送的同时，为双方或单方供电。

如图2、3所示，本发明的室内单车包括固定底座、车架24、车把25、传动装置26和踏板28，所述车把25、传动装置和踏板安装在车架上，所述车架24安装在固定底座上，所述发电机2安装在车架24的车轮位置并通过传动装置26与踏板28连接，所述传动装置26包括安装在踏板轴上的传动轮和分别与传动轮、发电机2连接的传动带，所述传动轮与踏板轴之间安装有防止传动轮逆转的止回轮，所述输入设备9安装在车把上，所述显示屏23固定在车架24上并位于车把25的前方。室内单车的大致形状与现有的单车相同，由于室内单车是不移动的，因此增加有固定底座，同时为充分利用并控制室内单车的运动过程，将常规的车轮利用发电机代替，使用户驱动踏板时直接带动发电机旋转，通过对发电机转速以及阻力大小的调整，就可以为用户提供不同的运动体验。采用止回轮能够防止发电机的惯性带动踏板旋转，而撞伤用户的腿部。传动装置可以是皮带传动、链条传动或传动杆传动，本发明采用皮带传动，皮带的一端套在踏板的传动轮上，另一端套在发电机上，采用皮带传动造成的噪音小，不会对周边造成影响。具体的输入设备可以是键盘27、触摸屏或语音控制装置，本发明采用键盘方式，安装在车把上易于用户操作，同时也不会影响室内单车的正常运转。显示屏可以是计算机用的液晶显示屏或电视机或直接带有媒体设备的显示屏(如平板电脑)，显示屏位于车把的前方易于观看，同时安装在车架上不会影响车把的转动，同时也更稳定。本发明在显示屏的底部固定一根插杆，通过插杆插入车架上的大梁架内而固定，方便拆卸且不需要增加额外的固定装置。

如图2所示，为获取室内单车在用户控制下的运动状态，本发明的传感器19包括安装在车把25刹车处的制动传感器29，安装在车把25与车架24连接处的转向传感器30，安装在踏板28处测量用户驱动力大小的重力传感器，安装在车把25处接收各操作键工作状态的按键传感器。制动传感器29能够获取用户的刹车状态，包括刹车力的大小，以便更精确的模拟当前室内单车的运行状态，此外刹车方式可以是手刹或脚刹，也可以两种方式同时采用。转向传感器30获取当前室内单车车把的转向角度信息，最终用于模拟室内单车的拐弯角度以及车体平衡等信息。重力传感器感应用户驱动力的大小，使竞赛软件能够了解用户的身体情况，方便修改发电机阻力以及模拟室内单车在竞赛时的速度等状态，同时还可以定位当前车轮的位置信息。按键传感器主要是检测用户当前对室内单车所具有的功能键的操作状态，如鸣喇叭、转向灯、档位调整等。此外还可以安装测量平衡的传感器、测量用户体重的传感器、用于测量用户心跳的测量设备等，测量心跳可以通过手握在把手上后，由位于指法处的压阻传感器测量指尖处脉搏波，再传送到竞赛软件进行分析，从而得到用户的心跳次数。

如图5、6所示，为使用户体验到不同比赛场地的效果，本发明所述车把25的把手14内安装有震动装置，所述震动装置包括作为震动源的饲服电机16和传递震动的震动块15，所述把手为空心管结构，所述饲服电机16安装在空心管内，所述把手14与饲服电机16对应的位置处为镂空结构，所述震动块15卡在镂空的位置上并与饲服电机通过弹簧18连接。采用震动装置能够使用户体验到室内锻炼单车13在发生碰撞或颠簸状态时的模拟震动感，当室内单车在不同场景中碰到设定的障碍时，竞赛软件会根据室内单车当时的速度、地形参数、驱动力的大小等信息通过中央控制单元1向饲服电机16发送一个相应的震动信号，饲服电机16根据震动信号的大小产生相应的震动，饲服电机16的震动通过弹簧18传递到震动块15上，由于用户是通过手掌与把手14接触，因此震动会由震动块15传递到用户的手上，使用户在室内单车发生颠簸、碰撞时体验到震动的感觉。由于采用镂空的结构，用户手部施加到把手14上的力，完全由把手14承担，而震动块15在弹簧18作用下能够与手表面保持紧密接触，完整的传递震动力，采用本方案后，相对现有技术中将震动源安装在把手内的方式，能够更清晰、完整的传递震动力，使用户的体验更加真实。震动块15还可以采用环状且表面带有凸凹块的结构，凹的位置与把手上的镂空支杆17对应，而凸的位置则由镂空的空隙中穿出，同时能够达到既传递了震动力，又不会承担手部重量的目的。

为方便安装各种设备以及美化外观，本发明所述车架24的外部安装有保护壳体，所述保护壳体将车架的底部和固定底座包覆在内，所述控制装置13和媒体设备31安装在保护壳体内，具体的保护壳体采用一个由左右壳体构成的卡合式箱体形结构，安装在车架的下部，车把25、车座以及踏板28等运动部件都露在外面，而发电机2、传动装置26以及媒体设备31、控制装置13等都可位置保护壳体内。

如图4所示，为随时了解发电机的状态，本发明的所述整流模块3为三相整流模块，由六个二极管D1-D6和一个电容C1构成，其中六个二极管D1-D6每两个一组串联后再同时与电容C1并联，具体连接方式是：二极管D1、D2、D3的P极分别和二极管D4、D5、D6的N极连接，而二极管D1、D2、D3的N极与电容C1的正极连接，二极管D4、D5、D6的P极与电容C1的负极连接，电容C1的负极同时接地，发电机2的三根引线分别连接在相互串联的两个二极管之间；

所述采样模块包括电流采样模块4和电压采样模块5，所述电流采样模块4包括串联在电容C1负极端的采样电阻R2，以及正极和负极分别连接在采样电阻R2两端的信号放大器AD，信号放大器AD用于采集采样电阻R2两端的电压差，在信号放大器AD的负极连线上串联有作为放大倍率作用的调节电阻R3，正极连线上串联有保护电阻R4，信号放大器的输出端与中央处理单元1连接，在信号放大器AD的输出端与负极之间并联有反馈电阻R5，输出端与中央处理单元1之间连接有限流保护电阻R6，通过调整调节电阻R3和反馈电阻R5能够控制信号放大器AD的输出信号在中央处理单元1的采样范围内；

所述电压采样模块5包括串联后并联在电容C1两端的调节电阻R7和R8，调节电阻R7的两端并联电容C2和齐纳二极管D7后与中央处理单元1连接，通过调节调节电阻R7和R8能够控制调节电阻R7对地的分压在中央处理单元的采样范围内，在中央处理单元1和电压采样电路5的连线上串联有保护电阻R9，以作为中央处理单元1的限流保护电阻，电容C2的负极朝向保护电阻R9以作为滤波稳压电容，齐纳二极管D7的负极同样朝向保护电阻R9，并作为中央处理单元1的限压保护二极管。

所述负载调节模块7包括光电耦合器IC1和N-MOS开关Q1，其中光电耦合器IC1的输入端正极与中央处理单元1连接，负极与电容C1的负极端连接，光电耦合器IC1的输出端正极通过串联的调节电阻R11、负载12与N-MOS开关Q1的漏极连接，输出端负极通过调节电阻R10与N-MOS开关Q1的源极连接，同时直接与N-MOS开关Q1的栅极连接。其中调节电阻R11作为N-MOS开关Q1的上拉电阻，而调节电阻R10作为N-MOS开关Q1的下拉电阻，中央处理单元1的调制信号经过光电耦合器IC1的隔离后由调节电阻R11和R10放大后驱动N-MOS开关Q1。其中所述负载12为调节电阻、电能消耗器件或／和电能输出接口。当负载12为电阻时，采用调节电阻，通过开关Q1来调节调节电阻的输出阻值，从而达到增加或减少发电机阻力大小的目的；采用电能消耗器件同样可以利用吸取发电机2输出电力的大小来达到调节发电机阻力大小的目的，这里的电能消耗器件可以是任意一个需要电力工作的设备；而电能输出接口可以为上述结构提供更多的选择，任何需要电力驱动的外部设备都可以连接在电能输出接口上，如日光灯、电暖气等。此外负载12还可以是蓄电池10，用于收集发电机2的电量，蓄电池10为标称12V并能够为外界输出12V电压，蓄电池10既可以全部接收发电机2的电量，也可以用于接收整个电路中多余的电量，因此上述调节电阻、电能消耗器件、外部设备以及蓄电池可以同时设置，以根据不同需要进行调整，也可单独设置。为方便中央处理单元1随时了解蓄电池10的电量，因此蓄电池10通过电量传感器11与中央处理单元1连接。上述负载12需要达到能够无级变化输出电阻的要求，这样才能不给用户环境突然发生跳变的感觉。

所述转速采样模块6包括串联的高速采样开关K1和限流保护电阻R1，其中高速采样开关K1与发电机2连接，电阻R1与中央处理单元1连接。中央处理单元1与负载调节模块7连接的线路上串联有限流保护电阻R13。具体的调整采样开关K1可以是现有技术中任意一款能够实现发电机转速采样的电路结构。

上述电路在工作时，K1采集发电机2的转速信息为Rd，电流采样模块4采集的是电流I，电压采样模块5采样的是电压U，中央处理单元1对负载调节模块7输出的控制信号是M，本方案中的中央处理单元1采用型号为PIC24FJ系列的MCU芯片，如PIC24FJ64A004、PIC24FJ32GA004等，MCU芯片内部包括用于将各种采样信息进行模数转换的ADC数模转换模块、控制输出电力变化的PWM脉宽调制模块、对采样信息进行计算的带存储器和比较器的计算模块，接收及输出控制外部设备信号的控制接口8，以及控制上述模块的CPU，其中MCU的工作过程如下，通过ADC数模转换模块接收外部转速Rd、电流I、电压U等相关信息，进行相应的模数转换后再传送到媒体设备31上，同时接收媒体设备31发送的竞赛软的相应修改参数，再后输出控制信号M去控制N-MOS开关Q1的开关状态，使负载12输出的阻力值与当前要求的标准一致，从而实现控制发电机阻力大小的目的。此外，MCU还能够通过控制接口8控制外部连接设备，这里的外部连接设备包括蓄电池10、输入输出设备9或网络设备等。MCU的供电既可以采用市电调压后供电，也可以直接利用外部设备的供电，MCU对外输出3.3V和5V的电压，用于驱动转速采样模块6、负载调节模块7等。

如图7所示，本发明的室内网络单车系统的控制方法，包括如下步骤：

101、参加竞赛的室内单车通过媒体设备与网络服务器连接，同时室内单车的网络信息传送到网络服务器的竞赛软件中，竞赛软件针对每个连接建立相应的网络虚拟形象；此步骤与常规上网的方式相同，需要登陆指定的网站，并要求用户提供相应的用户帐号及密码，用户登陆后可以选择相应的比赛房间或发出比赛邀请，与在线的其它用户进行同场竞技。每个室内单车的形象由其上传的信息确定。

102、室内单车在运行过程中，控制装置收集发电机的转速、电压、电流和阻力信息，以及各传感器获取的室内单车的运行状态信息，通过媒体设备实时传送到网络服务器；在用户登陆网络的期间，室内单车上的控制装置一直将室内单车的实际运行状态信息，通过媒体设备上传到网络服务器上，竞赛软件根据各用户的信息不断更新用户当前的比赛数据。

103、竞赛软件根据上述信息建立各室内单车在竞赛场景中的实时动作模拟图像，同时将模拟图像信息发送给各媒体设备，各媒体设备通过各自的显示屏输出当前在线室内单车的实时图像；媒体设备在更新的数据的同时将各室内单车的实时比赛图像回传给媒体设备的显示屏进行输出，使每个用户都能够实时了解到比赛的过程。

104、重复步骤102、103，竞赛软件根据信息逐步建立整个竞赛过程的实时图像，并同时回传实时图像给各室内单车，最终根据竞赛过程中各室内单车的表现生成相应的比赛结果传送给各在线室内单车。在整个比赛过程中，竞赛软件需要一直收集各用户的信息，以反映其在比赛进行中的表现，最终根据各用户的输出信息确认比赛成绩，并将相应的结果发送给各用户。通过上述方式，网络服务器能够为所有用户提供一个公平、真实的比赛环境，使用户在锻炼的过程中，能够知道自己的差距或不足之处，同时一个互动的环境也会提高用户的参与意识，并为用户提供更多的交友机会。

为了使用户体验不同的路况，本发明的所述竞赛软件设置有多种竞赛场景，且各竞赛场景中针对不同的地形设置了相应的参数要求，其中对室内单车通过不同地形时的状态表现计算方法如下：以不同地形的坡度、长度、摩擦系数三者乘积作为不同地形的动力要求；以各室内单车发电机转速和驱动力相乘再除以发电机的阻力得到的值，作为各室内单车在通过相应地形时的动力表现。通过为不同地形设置不同的通过动力要求，能够在虚拟场景中真实反应实际场景。通过对用户控制下的室内单车驱动力、电机阻力及电机转速的分析，可以得出该用户在通过此地形时输出动力值是否满足该地形的需要，并根据室内单车输出动力值与该地形所需动力值的比值，确认通过的时间及速度，如室内单车的动力值大于该地形需求的动力值，则室内单车会前进，如两者相等或小于则会停下。

为使用户能够根据自己的能力调整运动参数，本发明的所述竞赛软件提供用户自动控制方式，实现方法如下：

201、中央处理单元根据转速采样模块获取发电机当前转速信息，根据电压采样电路、电流采样电路获取发电机在当前转速下的电流信息和电压信息，利用各传感器获取用户操作运动装置时的各种信息，然后通过媒体设备传送给网络服务器上的竞赛软件；对于不同的用户来说其身体的素质并不一样，因此在锻炼时其在驱动力上的表现就不一样，因此不能采用固定数值的锻炼模式，需要根据室内单车的具体表现来给出分析结果，并提供给用户修改现有参数的选择，本方法分析当前用户在控制室内锻炼单车后一段时间内的控制表现，通过分析能够了解当前用户的控制水平及驱动力大小。

202、竞赛软件根据上述信息首先建立任意时刻或任意时间段内发电机转速与电流和电压之间的对应信息表，再将传感器测量的状态信息加入到信息表对应位置；

即驱动力在驱动发电机旋转的任意一个时间时，发电机当前的转速为Rd，相应的输出电压为U，电流为I，而下一时刻发电机当前的转速为Rd1，相应的输出电压为U1，电流为11，直到满足设定的时间段到达为止，最后的发电机转速为Rdn，相应的输出电压为Un，电流为In。状态信息包括统计时段内室内锻炼单车在用户控制下的驱动力信息、转向信息、按键信息和制动信息；针对每一时刻的电机状态，都将传感器获取的室内锻炼单车的当前状态信息与其一一联系对应，以确认在当前电机参数情况下室内锻炼单车是处于拐弯、上坡、下坡或直行等运行状态，通过这种方式能够了解室内锻炼单车在不同状态下所需要的驱动力大小，并为用户在不同状态下调整发电机阻力提供理论支持。

203、通过媒体设备的显示屏输出当前室内单车的各种状态参数，同时接收输入设备输入的调整上述状态参数的数值；

利用上述方式可使用户了解当前驱动力情况下发电机的工作状态以及室内单车的运动表现，并能够从工作状态信息中获取当前驱动力存在那些不足和过度的情况，在了解上述情况后，用户可以根据自己需要通过输入设备输入相应的调整参数，降低或提高发电机阻力，以使驱动力的输出能够克服不足或降低过度状态。

204、竞赛软件接收相应参数后，通过中央处理单元控制负载调节模块中N-MOS开关Q1的开关状态来调节相应的负载输出，实现提高、降低或维持当前驱动发电机所需阻力大小的目的。

本方法调整的发电机阻力大小针对的是驱动力不足或过度，并针对相应不足进行针对性的锻炼，因此竞赛接收相应的调整参数后，会控制中央控制单元会根据用户输入数据调整发电机的阻力大小，如想不改变驱动力大小而提高锻炼效果，则可输入增大发电机阻力的参数；感觉较吃力时，可以输入减小发电机阻力的参数；当需要给蓄电池充电时，可以选择降低发电机阻力，使同样的驱动力能够提供稳定持续的输出；想测试或挑战自己的极限时，可以输入较高的发电机阻力值。通过上述可控选择锻炼程度的设置，能够使不同的用户或同一用户体验不同的锻炼效果或控制过程，有针对性的提高锻炼效果。

如图8所示，为实现智能化的锻炼方式，本发明的所述竞赛软件包括根据用户驱动力大小自动调整发电机阻力大小的智能锻炼选择，具体方法如下：首先通过控制装置获取当前室内单车运行一段时间内的转速Rd、电压U和电流I数值，当上述数值发生如下变化时，向其中央控制单元发送控制负载调整模块的相应调整命令；

当转速Rd和电压U两者数值在此段时间内呈均匀状态时，发送增大发电机阻力的命令；

当转速Rd数值呈起伏状态，而电压U和电流I数值为正比起伏时，发送减少发电机阻力的命令；

当电压U乘电流I得到的功率P值逐渐增大，而转速Rd的变化幅度小于电流I增大的幅度，发送增大发电机阻力的命令；

当电压U乘电流I得到的功率P值逐渐减小，而转速Rd的变化幅度大于电流I增大的幅度，发送减小发电机阻力的命令；

当功率P、转速Rd、电压U和电流I各值都逐渐减少时，发送减少发电机阻力的命令。

具体的判断过程是控制装置根据用户在控制室内单车时的表现进行的针对性调整，调整的目的减少用户的操作，主动调整驱动力和发电机阻力之间的平衡，以提供轻松的锻炼环境。具体的调整思路是：当驱动力过大时，体现在发电机上就表现为转速过快、电流及电压都较高，此时调整负载使输出阻力增大，在同样驱动力的情况下，再想发电机达到以前的转速、电流和电压状态，就需要提供更大的驱动力；而在驱动力不足时，根据转速、电流、电压的变化来调整负载输出使阻力减小，即还是同样驱动力的情况下，能够轻松控制室内单车。当转速、电流或电压三者某一个方面失衡时，表明驱动力的输出起伏较大，此时可以采用持续降低或增大负载输出阻力大小的方式，来适应驱动力的变化。通过上述针对性的调节，便发电机在不同转速下，都能够获得相应的阻力调整，使同样的驱动力在同样时间内的输出达到最佳配合状态，既避免了无谓的输出也防止了效率不足的驱动，大大减轻了用户的锻炼负担。

在上述调整过程中，为避免用户不适应调整后的发电机阻力变化，竞赛软件在发电机阻力调整后，室内单车的各值在相应时间内变化幅度超过原值的50％时，则相应增大或减少调节阻力的幅度。这种状态表明用户不能承受改变后的发电机阻力变化，因此需要重新进行适应性调整，避免用户疲劳过度。此步骤是通过判断发电机各参数之间的变化关系是否平稳，来判断当前驱动力的变化是否平稳，上述参数的变化能够精确反应当前驱动力的变化状态，据此做出的相应调整更加符合当前驱动力的实际需要，而且本方法可根据上述参数的细微变化而调整阻力值大小，不会使用户有当前环境突然变化的感觉。

在使用时，竞赛软件根据用户室内单车的信息，判断当前驱动力是否存在不足或过度，然后输出调整发电机阻力相应变化的命令，使当前发电机的状态能够与驱动力保持一致，从而达到降低用户锻炼负担的目的。同时本方法通过对当前驱动力变化剧烈的情况也能够及时作出调整，避免出现电路或设备损坏的现象。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种实现多人连网竞赛的室内网络单车系统，包括提供竞赛平台的网络服务器(20)，由用户控制的室内单车，所述室内单车上安装有发电机(2)和收集室内单车各种动作信息的传感器(19)，其特征在于，所述室内单车上安装有根据用户驱动力大小改变发电机阻力的控制装置(13)，所述控制装置(13)通过媒体设备(31)与网络服务器(20)连接，所述控制装置(13)包括采集发电机转速的转速采样模块(6)，对发电机输出进行整流的整流模块(3)，分析整流模块输出的采样模块，调节发电机阻力大小的负载调节模块(7)，以及接收上述模块和传感器信息的中央处理单元(1)；所述媒体设备(31)包括与互联网连接的网络装置(21)，运行竞赛客户端软件的执行装置(22)，显示竞赛画面的显示屏(23)，输入信息的输入设备(9)，所述执行装置(22)分别与网络装置(21)、显示屏(23)、输入设备(9)和控制装置(13)连接。

2.如权利要求1所述的室内网络单车系统，其特征在于，所述室内单车包括固定底座、车架(24)、车把(25)、传动装置(26)和踏板(28)，所述车把(25)、传动装置(26)和踏板(28)安装在车架(24)上，所述车架(24)安装在固定底座上，所述发电机(2)安装在车架(24)的车轮位置并通过传动装置(26)与踏板(28)连接，所述传动装置(26)包括安装在踏板轴上的传动轮和分别与传动轮、发电机连接的传动带，所述传动轮与踏板轴之间安装有防止传动轮逆转的止回轮，所述输入设备(9)安装在车把(25)上，所述显示屏(23)固定在车架(24)上并位于车把(25)的前方。

3.如权利要求2所述的室内网络单车系统，其特征在于，所述传感器(19)包括安装在车把(25)刹车处的制动传感器(29)，安装在车把(25)与车架(24)连接处的转向传感器(30)，安装在踏板(28)处测量用户驱动力大小的重力传感器，安装在车把(25)处接收各操作键工作状态的按键传感器，所述车把(25)的把手(14)内安装有震动装置，所述震动装置包括作为震动源的伺服电机(16)和传递震动的震动块(15)，所述把手(14)为空心管结构，所述伺服电机(16)安装在空心管内，所述把手(14)与伺服电机(16)对应的位置处为镂空结构，所述震动块(15)卡在镂空的位置上并与伺服电机(16)通过弹簧(18)连接。

4.如权利要求1所述的室内网络单车系统，其特征在于，所述整流模块(3)为三相整流模块，由六个二极管和一个电容C1构成，其中六个二极管每两个一组串联后再同时与电容C1并联，发电机的三根引线分别连接在相互串联的两个二极管之间；

所述采样模块包括电流采样模块(4)和电压采样模块(5)，所述电流采样模块(4)包括串联在电容C1负极端的采样电阻R2，以及正极和负极分别连接在采样电阻R2两端的信号放大器，信号放大器的输出端与中央处理单元连接，所述电压采样模块(5)包括串联后并联在电容C1两端的调节电阻R7和R8，调节电阻R7的两端并联电容C2和齐纳二极管D7后与中央处理单元连接；

所述负载调节模块(7)包括光电耦合器IC1和N-MOS开关Q1，其中光电耦合器IC1的输入端正极与中央处理单元(1)连接，负极与电容C1的负极端连接，光电耦合器IC1的输出端正极通过串联的调节电阻R11、负载(12)与N-MOS开关Q1的漏极连接，输出端负极通过调节电阻R10与N-MOS开关Q1的源极连接，同时直接与N-MOS开关Q1的栅极连接；

所述转速采样模块(6)包括串联的高速采样开关K1和限流保护电阻R1，其中高速采样开关K1与发电机(2)连接，电阻R1与中央处理单元(1)连接。

5.如权利要求4所述的室内网络单车系统，其特征在于，所述负载(12)为调节电阻、电能消耗器件或/和电能输出接口，所述中央处理单元(1)采用型号为PIC24FJ的MCU芯片，包括对采样信号进行模数转换的ADC数模转换模块、调整输出电流的PWM脉宽调制模块、分析并计算各采样信息和传感器信息而且带有存储器和比较器的计算模块，接收及输出信息的控制接口(8)。

6.如权利要求5所述的室内网络单车系统，其特征在于，所述信号放大器的输出端与负极之间并联有调节电阻R5，与中央处理单元(1)之间连接有限流保护电阻R6；所述调节电阻R7的两端并联有滤波稳压电容C2和齐纳二极管D7；中央处理单元(1)与电压采样模块(5)和负载调节模块(7)连接的线路上分别串联有限流保护电阻R9、R13。

7.如权利要求1所述室内网络单车系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、参加竞赛的室内单车通过媒体设备与网络服务器连接，同时室内单车的网络信息传送到网络服务器的竞赛软件中，竞赛软件针对每个连接建立相应的网络虚拟形象；

步骤2、室内单车在运行过程中，控制装置收集发电机的转速、电压、电流和阻力信息，以及各传感器获取的室内单车的运行状态信息，通过媒体设备实时传送到网络服务器；

步骤3、竞赛软件根据上述信息建立各室内单车在竞赛场景中的实时动作模拟图像，同时将模拟图像信息发送给各媒体设备，各媒体设备通过各自的显示屏输出当前在线室内单车的实时图像；

步骤4、重复步骤2、3，竞赛软件根据信息逐步建立整个竞赛过程的实时图像，并同时回传实时图像给各室内单车，最终根据竞赛过程中各室内单车的表现生成相应的比赛结果传送给各在线室内单车。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述竞赛软件设置有多种竞赛场景，且各竞赛场景中针对不同的地形设置了相应的参数要求，其中对室内单车通过不同地形时的状态表现计算方法如下：

以不同地形的坡度、长度、摩擦系数三者乘积作为不同地形的动力要求；

以各室内单车发电机转速和驱动力相乘再除以发电机的阻力得到的值，作为各室内单车在通过相应地形时的动力表现。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述竞赛软件包括用户自动控制方式，实现方法如下：

步骤1、中央处理单元根据转速采样模块获取发电机当前转速信息，根据电压采样电路、电流采样电路获取发电机在当前转速下的电流信息和电压信息，利用各传感器获取用户操作运动装置时的各种信息，然后通过媒体设备传送给网络服务器上的竞赛软件；

步骤2、竞赛软件根据上述信息首先建立任意时刻或任意时间段内发电机转速与电流和电压之间的对应信息表，再将传感器测量的状态信息加入到信息表对应位置；

步骤3、通过媒体设备的显示屏输出当前室内单车的各种状态参数，同时接收输入设备输入的调整上述状态参数的数值；

步骤4、竞赛软件接收相应参数后，通过中央处理单元控制负载调节模块中N-MOS开关Q1的开关状态来调节相应的负载输出，实现提高、降低或维持当前驱动发电机所需阻力大小的目的。

10.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述竞赛软件包括根据用户驱动力大小自动调整发电机阻力大小的智能锻炼选择，具体方法如下：首先通过控制装置获取当前室内单车运行一段时间内的转速Rd、电压U和电流I数值，当上述数值发生如下变化时，向其中央控制单元发送控制负载调节模块的相应调整命令；

当转速Rd和电压U两者数值在此段时间内呈均匀状态时，发送增大发电机阻力的命令；

当转速Rd数值呈起伏状态，而电压U和电流I数值为正比起伏时，发送减少发电机阻力的命令；

当电压U乘电流I得到的功率P值逐渐增大，而转速Rd的变化幅度小于电流I增大的幅度，发送增大发电机阻力的命令；

当电压U乘电流I得到的功率P值逐渐减小，而转速Rd的变化幅度大于电流I增大的幅度，发送减小发电机阻力的命令；

当功率P、转速Rd、电压U和电流I各值都逐渐减少时，发送减少发电机阻力的命令。