CN103550914B - 一种运动设备的实时分析模拟装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种运动设备的实时分析模拟装置及控制方法，包括由用户控制的运动装置以及由运动装置驱动的发电机，所述运动装置上安装有收集动作信息的传感器，还包括根据运动装置的状态改变发电机阻力的控制装置，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并进行分析调整的中央处理单元。本发明通过分析当前用户控制下的运动装置当前状态，来调整发电机的阻力大小，使用户的驱动力始终能够保持最高效率，进而使用户得到充分但不过度的锻炼。

Description

一种运动设备的实时分析模拟装置及控制方法

技术领域

本发明涉及运动健身领域，具体涉及一种分析用户通过运动装置驱动发电机工作的驱动力大小的实时分析装置，同时通过实时分析装置对运动装置的运行环境进行调整及模拟，并公开上述分析、调整和模拟的控制方法。

背景技术

运动健身一般包括室外健身和室内健身，而室内健身多是利用一些不易移动的器械，也有一些仿制室外移动设备的锻炼器械，如摩托车、自行车、帆船、汽车等运动装置，室内运动装置的特点是不能移动，但可以模拟或实现与室外运动装置一样的动作和功能。

在公开号为CN201717827专利中，公开一种马达阻力控制系统，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，实现调节驱动马达所需阻力大小，进而达到提高或降低锻炼效果的目的。此方案虽然能够调整驱动马达的阻力大小，但在功能上，其仅是通过马达连接的负载数量来实现目的，其未了解马达在当前情况下的输出状态，不能根据马达所反应的驱动力状态来调整负载，也不能对负载进行自动和精细调整，只能被动接受按等级划分的负载带来的阻力变化，这种仅被动调整发电机阻力而不考虑用户承受力的方式，常常超过用户的承受能力，最终降低或缩短了锻炼时间，也降低了锻炼效果。

此外，现有技术中的室内运动装置目的都是锻炼操作性和持久性，很少有能够根据不同用户特点或锻炼过程进行针对性调整的设置，也缺少根据运动装置的特性提供不同特定运行环境的选择，使得运动装置只能运行在常规环境下。

发明内容

本发明首先解决现有技术中室内健身用运动装置不能根据不同用户的特点进行针对性调整的问题，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清楚当前所控制运动装置的实时状态的问题。针对上述问题，本发明提供一种根据用户驱动力大小来调整发电机阻力大小的控制装置，同时提供智能化的自动调整方法及根据传感器信息输出当前运动装置的实时图像的方法，具体方案如下：一种运动设备的实时分析模拟装置，包括由用户控制的运动装置以及由运动装置驱动的发电机，所述运动装置上安装有收集动作信息的传感器，其特征在于，还包括根据运动装置的状态改变发电机阻力的控制装置，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并进行分析调整的中央处理单元。

为实现发电机的输出状态分析：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。

为了解运动装置的运行状态：所述传感器包括检测运动装置制动状态的制动传感器，检测运动装置方向的转向传感器器，测量用户施加到运动装置上驱动力大小的重力传感器，反应当前运动装置水平状态的平衡传感器，接收运动装置上各操作键工作状态的按键传感器，所述外部设备包括输入输出设备和储存发电机电力的蓄电池，所述输入输出设备包括用于显示运动装置动作状态的显示屏和用于输入各种数据的输入设备，所述蓄电池为标称12V并为外界输出12V电压的蓄电池，所述蓄电池通过电量传感器与中央处理单元连接，所述负载为调节电阻、电能消耗器件或/和电能输出接口。

为提高用户的体验效果：所述运动装置上设置有供用户手握的把手，所述把手上安装有与中央控制单元连接的震动装置，所述震动装置包括作为震动源的伺服电机和传递震动的震动块，所述把手为空心管结构，所述伺服电机安装在空心管内，所述把手与伺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伺服电机通过弹簧连接。

为提高电路的安全性：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模块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。

如权利要求1所述实时分析模块装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

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，根据电压采样模块、电流采样模块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；

步骤2、中央处理单元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，再将运动装置在相应时间时的状态信息加入到信息表对应位置；

步骤3、中央处理单元根据信息表通过显示屏输出当前运动装置的各种状态参数，同时提供调整上述状态参数的输入接口；

步骤4、中央处理单元接收相应参数后，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。

为实现精确调整的目的：所述步骤2中的状态信息包括统计时段内运动装置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。

为方便用户了解运动状态：所述步骤3中显示屏输出包括中央处理单元根据传感器信息模拟的运动装置动态图像和各种预设选择，所述预设选择是中央控制单元利用负载调节模块输出不同阻力而表现出的不种现场。

为减少用户的操作过程：所述步骤3中，所述中央处理单元包括主动调节驱动发电机所需阻力大小的步骤，具体方法如下：首先获取同一时间内转速采样模块的转速Rd、电压采样模块的电压U、电流采样模块的电流I，并根据相应参数状态做如下调节：

当转速Rd和电压U两者数值在此段时间内呈均匀状态时，控制负载调节模块增大驱动发电机旋转所需阻力；

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，控制负载调节模块减少驱动发电机旋转的阻力；

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，控制负载调节模块增大驱动发电机旋转的阻力；

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，控制负载调节模块减小驱动发电机旋转的阻力；

当功率P、转速Rd、电压U和电流I各值都逐渐减少时，控制负载调节模块减少驱动发电机旋转所需阻力。

为避免调整过程出现失误：在调整过程中，当中央处理单元调整阻力变化后各值在一定时间内变化幅度超过原值的50％，则相应增大或减少调节阻力的幅度。

本发明通过分析当前用户控制下的运动装置当前状态，来调整发电机的阻力大小，使用户的驱动力始终能够保持最高效率，进而使用户得到充分但不过度的锻炼。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运动装置时的运动装置具体状态信息，再由显示屏输出相应影像，使用户能够了解自己实时状态，将传感器信息和发电机信息结合后，还可以得到运动装置在任一状态时发电机的工作情况，从而更容易控制运动装置或了解自己的缺点。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。

通过本发明的方法能够在了解当前驱动力具体情况下，作出针对性的阻力调整，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，以使用户在控制运动装置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，提高用户的方便性。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。通过带有镂空结构的把手能够完整的传递运动装置在不同环境下的震动感，提高用户的体验效果。

附图说明

图1本发明的功能结构示意图；

图2本发明的控制装置电路示意图；

图3本发明中震动装置的结构示意图；

图4图3的剖面示意图；

图5本发明的控制方法流程图；

图6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-输入输出设备、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-伺服电机、17-镂空支杆、18-弹簧、19-传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明运动设备的实时分析模拟装置，包括由用户控制的运动装置13以及由运动装置13驱动的发电机2，这里的运动装置13可以是室内自行车、摩托车、汽车等一类运动型的锻炼设备，一般是由用户施加一定的驱动力后进行驱动，用户锻炼的效果要通过发电机2的阻力大小来体现，因此需要随时了解驱动力和发电机阻力的信息，同时还需要考虑不同运动装置的特点，了解各运动装置在不同状态、不同环境下的表现，综合上述信息后，才能为用户提供一个合理的训练或锻炼方式。所述运动装置13上安装有收集动作信息的传感器19，还包括根据运动装置13的状态改变发电机阻力的控制装置，所述控制装置包括采集发电机转速的转速采样模块6，对发电机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并进行分析调整的中央处理单元1。

本方案中，发电机2与运动装置13连接，用户在控制运动装置时会驱动发电机2工作，用户的控制过程并不是一成不变的，而是随着控制的过程和运动装置的动作变化而发生改变，为达到锻炼效果，这种驱动力的变化幅度需要控制在一定范围内，由于驱动力的直接变化会体现在发电机的工作状态上，即由转速采样模块6采集的转速Rd和采样模块采集的电压U、电流I的数值变化上，通过上述数值的变化可以随时了解用户的控制状态，一旦相关数值的变化超过或达不到锻炼的标准，可以通过控制发电机2的阻力大小减轻或加强驱动力的负担，即在驱动力表现的较吃力时减少发电机的阻力，以使驱动发电机更省力，当驱动力表现的较轻松时则增大发电机的阻力，使同样的动作需要更大的驱动力，通过上述调整使用户的锻炼达到最佳效果。具体的分析过程是由中央处理单元1进行相关数据收集并分析，然后再根据结果去调整负载调节模块7输出阻力的大小，最终实现根据发电机2的输出表现来控制发电机2的阻力大小，使不同的用户在施加不同的驱动力时都能够得到相应的锻炼。本发明未采用现有技术中利用发电机的转速来控制负载的方式，而是通过调整负载的阻值来调整驱动发电机所需动力的大小，使每个用户都能够根据自己的能力大小找到合适的锻炼环境，最大限度的保证单位时间内的锻炼效果。通过各传感器反馈的运动装置的信息，中央控制单元1能够了解运动装置在任意时刻的状态，将传感器19的信息与控制装置13的信息结合后，中央处理单元1可以得到运动装置13在任意状态时的发电机信息，从而能够根据需要调整发电机的阻力，以使用户体验到不同场景或动作时所需要的驱动力大小。

如图2所示，为根据发电机2的输出状态而进行阻力调整，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和电压采样模块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，利用计数模块对相关信息按设定公式进行计算并保存结果数据，CPU将数据与事先设定的参数标准进行对比，然后输出控制信号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数据及参数要求的标准一致，从而实现控制发电机阻力大小的目的。此外，MCU还能根据需要将上述数据及阻力值通过输入输出设备呈现给用户，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。

本发明中控制装置的电路工作过程如下：

用户通过运动装置驱动三相发电机工作，K1持续采集发电机的转速Rd信息，并传送到中央处理单元MCU，其中电阻R1防止线路中电流过大损坏MCU。发电机的三根交流电力输出线分别通过D1、D4，D2、D5，D3、D6构成的线路进行整流后变为直流，再由滤波电容C1输出，其中C1的负极接地，C1输出的大功率电流流经负载调整模块和电流采样模块。大功率电流经过电流采样模块中的采样电阻R2，在R2两端形成压差，放大器AD将R2两端电压信号放大，并将信号传送给MCU，放大器AD可采用LM386N放大IC，反馈电阻R5和调节电阻R3根据电路应用中可能出现的电流范围来调整合适的放大倍率，R3和R4同时保护放大器AD不被大功率电流损坏。R6防止放大器故障时电流过大损坏MCU。MCU根据采集到的压差和采样电阻R2阻值来计算出大功率电流值I信息。电压采集模块中，电阻R8和R7连接在电容C1两端组成串联分压电路。R7作为对地分压采样电阻，将分压信号传送给MCU。C2作为信号滤波电容，过滤负载调整模块开关调整时的不稳定波形，齐纳二极管D7防止大功率电路电压超压损坏MCU。R9防止电压采集模块故障时电流过大损坏MCU。MCU根据采样的分压值和R7、R8串联分压电路的分压比来计算出大功率电流的电压值U信息。MCU根据电流I信息和电压U信息计算出电功率P信息。MCU输出信号PWM经过光电耦合器P1隔离放大控制Q1开关。其中电阻R13限制电流，防止电流损坏P1。R11和R10组成串联分压电阻，P1输出端串联在分压电阻之间，R10对地分压驱动N-MOSFET场效应管Q1的开关。负载12可直接使用电阻，也可以使用蓄电池或者其他直流电能耗器件。C1输出的大功率电流受Q1开关控制通过负载，避免MCU受到影响。

为方便用户随时了解当前锻炼状态，本发明中所述中央处理单元1连接有输入输出设备9，所述输入输出设备9包括用于显示各种信息的显示屏和用于输入各种数据的输入设备。本发明通过显示屏为用户提供各种信息，包括在当前驱动力下发电机2的各种情况，如转速、电压、电流、阻力等信息。同时中央处理单元1能够根据发电机2的上述信息给出相应的修改各参数值大小的建议，以提供符合当前驱动力状态的现场环境。同时输入设备为用户提供了自行设定当前发电机2各种状态的输入接口，具体的输入设备可以是键盘、触摸屏、语音设备等，而具体输入的数值最后主要反应在调整驱动发电机2的阻力大小上面，如输入增大转速的参数，则中央处理单元1会调整负载调节模块7输出较小阻力，这样在同样驱动力大小的情况下，其阻力减少，则相对发电机的转速就会提高。

如图3、4所示，为提高用户的体验效果，本发明在所述运动装置13上设置有供用户手握的把手14，所述把手14上安装有与中央控制单元1连接的震动装置，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。采用震动装置能够使用户体验到运动装置13在发生碰撞或颠簸状态时的震动感，当运动装置13在不同场景中碰到设定的障碍时，中央控制单元1会根据运动装置13当时的速度、驱动力的大小等情况向伺服电机16发送一个相应的震动信号，伺服电机16根据震动信号的大小产生相应的震动，伺服电机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，使用户体验到颠簸、碰撞的感觉。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。

为方便了解运动装置的不同状态，并分析和调整不同状态下的发电机阻力大小，本发明的所述传感器19包括检测运动装置制动状态的制动传感器，检测运动装置方向的转向传感器，测量用户施加到运动装置上驱动力大小的重力传感器，反应当前运动装置水平状态的平衡传感器，接收运动装置上各操作键工作状态的按键传感器。其中制动传感器能够检测到运动装置是否采取了刹车等停止类行为，转向传感器能够根据一个基准值来判定当前运动装置是否进行了转向以及转向的角度大小，重力传感器能够获取用户施加到运动装置上的驱动力大小以及用户自身重量等信息，平衡传感器能够获取当前运动装置是否处于倾斜以及倾斜的角度等信息，按键传感器能够获取用户操作运动装置上的挡位、喇叭、转向灯一类按键动作，上述传感器将收集的信息传送到中央控制单元1，中央控制单元1将上述信息与发电机2在相应时间时的相关参数进行统合，从而能够得出运动装置13在任意状态下发电机的相关状态，根据上述信息能够控制和调整发电机在运动装置不同状态下的阻力大小，从而实现运动装置在拐弯、上坡、下坡或是不同天气下的阻力状态模拟，为用户在不同状态下的锻炼提供了支持。此外根据传感器19及控制装置的信息，中央控制单元1在通过显示屏输出运动装置的运动参数时，还能够输出运动装置的实时动态图像，如运动装置的倾斜、拐弯、上坡、下坡、停止等动作的直观图像，上述图像能够与用户当前的实际操作相吻合，使用户的运动体验更具有代入感，提高用户的参与意识。

如图5所示，本发明在实时分析模拟装置的基础上，提供一种根据发电机各项运行参数来调整负载调节模块从而控制发电机输入扭矩阻力变化的控制方法，能够实现发电机输入扭矩由0％空载扭矩至最大输出功率时100％扭矩的变化调整，具体包括如下步骤：

101、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；根据电压采样模块、电流采样模块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；每一个用户的特点是不同的，因此不能采用固定的模式，本方法分析当前用户在控制运动装置后一段时间内的控制表现，并建立各信息之间的对应关系来作为用户后续锻炼的调整基础，通过分析能够了解当前用户的控制水平及驱动力大小。

102、中央处理单元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，再将运动装置在相应时间时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运动装置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，都将传感器获取的运动装置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运动装置是处于拐弯、上坡、下坡或直行等运行状态，通过这种方式能够了解运动装置在不同状态下所需要的驱动力大小，并为在不同状态下调整发电机阻力提供理论支持。

103、中央处理单元根据信息表通过显示屏输出当前运动装置的各种状态参数，同时提供调整上述状态参数的输入接口；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，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接口输入相应的目的参数，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。此外还可以通过输入接口选择程序设定的相应运行环境的选项，以检测或锻炼用户的驾驶能力或承受能力等。在统计出用户的各种信息后，中央控制单元能够根据内部或外部图像处理模块通过显示屏输出用户控制的运动装置动态模拟图像。此类模拟图像可以是2D或3D的图像，只要能够具体反应出控制装置的当前状态即可，通过这种具体或简化的图像，用户能够清楚自己当前所处的外部环境、运动装置的姿势以及当前状态下输出的各项参数。此外，中央控制单元根据室外实际场地的具体数据，模拟出不同环境下的场景，具体的实现是中央控制单元利用负载调节模块输出不同阻力再加上相应场景中的路况实现的，如对于山路，则根据山坡的坡度增加或减少发电机的阻力；通过显示屏输出各种预设场景的选择项，用户根据自己的需要选择具体想训练的场景。

104、中央处理单元接收相应参数后，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。

本方法调整的阻力最终变化是针对驱动力的不足或过度，用户根据显示屏输出的自己当前控制表现，能够了解自己的不足或强项，并针对相应不足进行针对性的锻炼，此时输入改变相关参数的数据后，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，如想在不改变驱动力大小的情况下，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6所示，为实现智能化的控制，本发明的方法还包括主动调节驱动发电机所需阻力大小的步骤，具体方法如下：首先获取同一时间内转速采样模块的转速Rd、电压采样模块的电压U、电流采样模块的电流I，并根据相应参数状态做如下调节：

当转速Rd和电压U两者数值在此段时间内呈均匀状态时，控制负载调节模块增大驱动发电机旋转所需阻力；这种状态表明用户的驱动力与发电机阻力之间不平衡，降低了驱动力的工作效率，因此需要增大发电机的阻力，以和驱动力的大小相适应。

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，控制负载调节模块减少驱动发电机旋转的阻力；这种状态表明驱动力的输出已经不能维持稳定，处于疲劳状态，因此需要降低发电机的阻力以减轻用户的负担。

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，控制负载调节模块增大驱动发电机旋转的阻力；这种状态表明驱动力的输出能够保持长时间稳定，发电机的阻力配合不上驱动力的输出，因此需要增大发电机的阻力。

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，控制负载调节模块减小驱动发电机旋转的阻力；这种状态表明驱动力的输出已经处于不平稳状态，当前发电机阻力已经影响驱动力的正常输出，因此需要降低发电机的阻力以减轻驱动力的负担。

当功率P、转速Rd、电压U和电流I各值都逐渐减少时，控制负载调节模块减少驱动发电机旋转所需阻力；这种状态表明驱动力已经无法正常输出或正处于退出状态，因此需要降低发电机的阻力。

具体的判断过程是控制装置根据用户的选择主动根据用户在控制运动装置时的表现进行的适应性调整，最终目的是在用户不需要进行任何调整的情况下，实现驱动力大小和发电机阻力大小之间的平衡，以提供较好的锻炼效果。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，中央处理单元根据转速、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，能够驱动发电机达到更高的转速和电流和电压输出。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，大大简化了用户的控制过程。

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，中央处理单元在上述阻力变化后各值在相应时间内变化幅度超过原值的50％左右时，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3002

在使用时，中央处理单元根据用户选择，主动依据上述参数变化来判断当前驱动力存在的不足或过度现象，然后调整负载的相应阻力变化，实现发电机的阻力调整，使当前驱动力的输出能够保持发电机的各项参数平稳，从而达到当前驱动力与发电机运行完善配合的目的，在这种情况下，既不浪费驱动力也不会降低驱动力的输出效率。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 (8)

1.一种运动设备的实时分析模拟装置，包括由用户控制的运动装置以及由运动装置驱动的发电机(2)，所述运动装置上安装有收集动作信息的传感器，其特征在于，还包括根据运动装置的状态改变发电机阻力的控制装置(13)，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并进行分析调整的中央处理单元(1)；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。

2.如权利要求1所述的一种运动设备的实时分析模拟装置，其特征在于，所述传感器包括检测运动装置制动状态的制动传感器，检测运动装置方向的转向传感器，测量用户施加到运动装置上驱动力大小的重力传感器，反应当前运动装置水平状态的平衡传感器，接收运动装置上各操作键工作状态的按键传感器，外部设备包括输入输出设备(9)和储存发电机电力的蓄电池(10)，所述输入输出设备(9)包括用于显示运动装置动作状态的显示屏和用于输入各种数据的输入设备，所述蓄电池(10)为标称12V并为外界输出12V电压的蓄电池(10)，所述蓄电池(10)通过电量传感器(11)与中央处理单元(1)连接，所述负载(12)为调节电阻、电能消耗器件或/和电能输出接口。

3.如权利要求1所述的一种运动设备的实时分析模拟装置，其特征在于，所述运动装置上设置有供用户手握的把手，所述把手上安装有与中央控制单元连接的震动装置，所述震动装置包括作为震动源的伺服电机和传递震动的震动块，所述把手为空心管结构，所述伺服电机安装在空心管内，所述把手与伺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伺服电机通过弹簧连接。

4.如权利要求1所述的一种运动设备的实时分析模拟装置，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和稳压二极管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。

5.如权利要求1所述实时分析模拟装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

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，根据电压采样模块、电流采样模块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；

步骤2、中央处理单元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，再将运动装置在相应时间时的状态信息加入到信息表对应位置；

步骤3、中央处理单元根据信息表通过显示屏输出当前运动装置的各种状态参数，同时提供调整上述状态参数的输入接口；

步骤4、中央处理单元接收相应参数后，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。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2中的状态信息包括统计时段内运动装置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。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3中显示屏输出包括中央处理单元根据传感器信息模拟的运动装置动态图像，和各种预设选择，所述预设选择是中央控制单元利用负载调节模块输出不同阻力而表现出的不同场景。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述中央处理单元包括主动调节驱动发电机所需阻力大小的步骤，具体方法如下：首先获取同一时间内转速采样模块的转速Rd、电压采样模块的电压U、电流采样模块的电流I，并根据相应参数状态做如下调节：

当转速Rd和电压U两者数值在此段时间内呈均匀状态时，控制负载调节模块增大驱动发电机旋转所需阻力；

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，控制负载调节模块减少驱动发电机旋转的阻力；

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，控制负载调节模块增大驱动发电机旋转的阻力；

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，控制负载调节模块减小驱动发电机旋转的阻力；

当功率P、转速Rd、电压U和电流I各值都逐渐减少时，控制负载调节模块减少驱动发电机旋转所需阻力；

当中央处理单元调整阻力变化后各值在一定时间内变化幅度超过原值的50％，则相应增大或减少调节阻力的幅度。