CN103749328A - 一种宠物健身系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宠物健身系统及其工作方法。该系统包括健身房和信号收发器，健身房内设有健身场地，健身场地内设置有健身车，健身场地的四角处设有定位基站，健身房内还设有中央控制器，健身车包括底座，底座内设有用于存储宠物食物的储食仓，底座的顶部设有储食仓的进口仓门，底座的一侧设有储食仓的出口仓门，底座底部设有驱动装置。该工作方法通过UWB模块检测健身车和宠物的位置，从而计算出健身车的运动方向，控制健身车朝着远离宠物的方向运动。本发明具有很强的趣味性，容易引起宠物的兴趣，宠物通过与健身车互动达到很好的健身效果。

Description

一种宠物健身系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及宠物健身技术领域，尤其涉及一种宠物健身系统及其工作方法。

背景技术

当前，不少宠物(狗，猫等)过于肥胖，需要一种宠物健身系统，特别是在国外，主人一般将宠物当作孩子来看待，特别重视他们的健康状况，因此，过于肥胖的宠物有减肥的需要。现有的宠物健身系统存在功能单一，互动性不强，趣味性不够等缺点。

中国专利公开号CN101796926，公开日2010年8月11日，发明的名称为多功能宠物健身辅助笼，该申请案公开了一种多功能宠物健身辅助笼，它由上框架和可以从上框架分离开的活动底座组成，两者的底部皆安装有四个万向轮，其中，活动底座上部安装有承载宠物的底网，其下部可插入存放宠物粪便的承接板，上框架的前侧开有主门，其左侧开有副门，且副门可以围绕合页向上翻转，使用时，打开副门将上框架从活动底座上推离至跑步机上即可，使用方便。其不足之处是，该宠物健身装置互动性不强，缺乏趣味性，很难引起宠物的兴趣，宠物健身的积极性不高，从而影响健身效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有宠物健身系统互动性不强，缺乏趣味性，很难引起宠物的兴趣，宠物健身的积极性不高，从而影响健身效果的技术问题，提供了一种宠物健身系统及其工作方法，其具有很强的趣味性，容易引起宠物的兴趣，宠物通过与健身车互动达到很好的健身效果。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的一种宠物健身系统，包括健身房和佩戴在宠物身上的信号收发器，所述健身房内设有呈矩形的健身场地，所述健身场地内设置有健身车，所述健身场地的四角处设有定位基站，所述健身房内还设有中央控制器，所述中央控制器包括中央处理单元、第一射频模块和触摸屏，所述定位基站包括微处理器和UWB阅读器，所述健身车包括底座，所述底座内设有用于存储宠物食物的储食仓，所述底座的顶部设有储食仓的进口仓门，所述底座的一侧设有储食仓的出口仓门，所述储食仓的底面向下倾斜至出口仓门，所述底座上设有第一控制芯片、第一按键、声音输出模块、第一UWB无线定位标签、第二射频模块以及驱动出口仓门开闭的第一驱动电机，所述底座底部的中心位置设有驱动装置，所述驱动装置包括固定脚轮、驱动固定脚轮转动的第二驱动电机以及带动固定脚轮水平旋转的转向模块，所述转向模块上设有角度传感器，所述底座底部还设有若干个活动脚轮，所述信号收发器包括第二控制芯片、第二按键、第二UWB无线定位标签和第三射频模块，所述中央处理单元分别与第一射频模块和触摸屏电连接，所述微处理器分别与UWB阅读器和中央处理单元电连接，所述第一控制芯片分别与第一按键、声音输出模块、第一UWB无线定位标签、第二射频模块、第一驱动电机、第二驱动电机、转向模块和角度传感器电连接，所述第二控制芯片分别与第二按键、第二UWB无线定位标签和第三射频模块电连接。

在本技术方案中，健身场地的四周边缘设有围栏。信号收发器佩戴在需要健身的宠物身上，用户手动将宠物食物放入健身车的储食仓内，进口仓门上设有若干个通孔，使食物的气味挥发出来，吸引宠物注意。启动中央控制器、健身车和宠物身上的信号收发器工作，健身车通过第二射频模块向中央控制器发送请求信号，健身车的声音输出模块发出预先设定的特殊声音(如零食塑料包装袋发出的“簌、簌”声)，吸引宠物注意，信号收发器上的第三射频模块向中央控制器发送请求信号。

中央控制器通过第一射频模块接收到健身车的请求信号和信号收发器的请求信号后，中央控制器发送计时命令给四个定位基站，同时中央控制器通过第一射频模块发送定位命令给健身车和信号收发器。四个定位基站接收到计时命令后，四个定位基站的微处理器将内部计时器清零且同时开始计时，当健身车接收到定位命令时，健身车通过第一UWB无线定位标签发送带有自身特定编码的UWB信号给四个定位基站，当信号收发器接收到定位命令时，定位基站通过第二UWB无线定位标签发送带有自身特定编码的UWB信号给四个定位基站，定位基站通过UWB阅读器接收到健身车发送的UWB信号时，定位基站将计时得到的时间值发送给中央控制器，当定位基站通过UWB阅读器接收到信号收发器发送的UWB信号时，定位基站将计时得到的时间值发送给中央控制器，中央控制器对接收到的与健身车对应的四个时间值进行处理，通过TDOA到达时间差法计算出健身车的位置，同理计算出信号收发器的位置，即宠物的位置。初始时，健身车按照当前运动方向运动一定距离，中央控制器根据计算出的健身车运动轨迹确定健身车的运动方向。

中央控制器根据健身车的位置和宠物的位置计算出健身车与宠物之间的距离，当该距离值大于设定的启动距离D1时，中央控制器发送控制命令给健身车，健身车的第一控制芯片控制第二驱动电机停止工作，健身车不运动，同时中央控制器重新发送计时命令给四个定位基站，重新发送定位命令给健身车和信号收发器，健身系统重新检测健身车和宠物的位置；当该距离值大于取食距离D2小于等于启动距离D1时，中央控制器根据健身车的位置、宠物的位置和健身场地边线位置计算出健身车的目标运动方向，结合健身车当前的运动方向计算出健身车的转向模块应该转动的角度，中央控制器将该角度值数据发送给健身车，同时中央控制器发送计时命令给四个定位基站，发送定位命令给健身车和信号收发器，健身系统重新检测健身车和宠物的位置，健身车接收到角度值数据后，控制转向模块转动，将固定脚轮转动对应角度，使健身车在固定脚轮转动时向着远离宠物的方向运动，控制第二驱动电机工作，第二驱动电机驱动固定脚轮转动，健身车运动，远离宠物；当该距离值小于等于取食距离D2时，中央控制器发送控制命令给健身车，健身车的第一控制芯片控制第二驱动电机停止工作，通过第一驱动电机驱动出口仓门打开一定时间，储食仓内的宠物食物从出口仓门落下，宠物获得食物，声音输出模块停止发出声音，健身系统停止工作。

作为优选，所述底座上还设有显示屏，所述显示屏与第一控制芯片电连接。显示屏可显示健身车的工作状态、持续工作时间、剩余电量等参数。

作为优选，所述底座的侧壁上设有若干个LED灯，所述LED灯与第一控制芯片电连接。LED灯闪烁发出各种不同颜色的光，以吸引宠物的注意。

作为优选，所述第二驱动电机的转轴上设有转速传感器，所述转速传感器与第一控制芯片电连接。转速传感器检测固定脚轮的转速，并将其发送到第一控制芯片，第一控制芯片根据固定脚轮的转速、固定脚轮的尺寸及固定脚轮的转动时间计算出健身车的行程，如果行程超过预先设定的行程上限N，则第一控制芯片控制第二驱动电机停止工作，健身车不运动，出口仓门自动打开一定时间，储食仓内的宠物食物从出口仓门落下，宠物获得食物，声音输出模块停止发出声音，同时健身车发送停止信号给中央控制器，中央控制器接收到停止信号后控制系统停止工作。防止宠物过量运动且没有进食，保证了宠物的健康。

作为优选，所述底座上还设有PWM模块，所述第一控制芯片通过PWM模块与第二驱动电机电连接。第一控制芯片通过PWM模块控制第二驱动电机的功率，从而控制固定脚轮的转速，当宠物与健身车距离较近时提高固定脚轮的转速，当宠物与健身车距离较远时降低固定脚轮的转速，即保证了宠物不容易抓到健身车，也防止健身车离宠物较远使宠物失去兴趣。

作为优选，所述健身场地内设有带箭头的基准线，所述基准线垂直于健身场地的左边线，且基准线的箭头方向指向健身场地的左侧，所述底座上设有带箭头的定位线。健身系统启动前，将健身车设置在健身场地内的基准线上方，底座上的定位线位于基准线的正上方且与基准线平行，定位线的箭头方向与基准线的箭头方向相同，转向模块的转轴位于0度位置，此时健身车的运动方向为定位线的箭头所指方向，使中央控制器能够预先确定健身车在初始状态时的运动方向及转向模块转轴的角度，便于中央控制器后续计算健身车的目标运动方向。

本发明的一种宠物健身系统的工作方法，适用于上述的一种宠物健身系统，所述健身车设置在健身场地内的基准线上方，所述底座上的定位线位于基准线的正上方且与基准线平行，定位线的箭头方向与基准线的箭头方向相同，转向模块的转轴转动到0度位置使健身车的运动方向为定位线的箭头所指方向，其特征在于，包括以下步骤：

S1：启动中央控制器、健身车和宠物身上的信号收发器工作，健身车通过第二射频模块向中央控制器发送请求信号，健身车上的声音输出模块发出预先设定的特殊声音吸引宠物注意，信号收发器上的第三射频模块向中央控制器发送请求信号；

S2：当中央控制器通过第一射频模块接收到健身车的请求信号和信号收发器的请求信号时，中央控制器发送计时命令给四个定位基站，同时中央控制器通过第一射频模块发送定位命令给健身车和信号收发器；

S3：当四个定位基站接收到计时命令时，四个定位基站的微处理器将内部计时器清零且同时开始计时，当健身车接收到定位命令时，健身车通过第一UWB无线定位标签发送带有自身特定编码的UWB信号给四个定位基站，当信号收发器接收到定位命令时，信号收发器通过第二UWB无线定位标签发送带有自身特定编码的UWB信号给四个定位基站；

S4：当定位基站通过UWB阅读器接收到健身车发送的UWB信号时，定位基站将计时得到的时间值发送给中央控制器，当定位基站通过UWB阅读器接收到信号收发器发送的UWB信号时，定位基站将计时得到的时间值发送给中央控制器；

S5：中央控制器对接收到的与健身车对应的四个时间值进行处理，通过TDOA到达时间差法计算出健身车的位置，同理计算出信号收发器的位置，即宠物的位置；

S6：中央控制器根据健身车的位置和宠物的位置计算出健身车与宠物之间的距离，当该距离值大于设定的启动距离D1时，中央控制器发送控制命令给健身车，健身车的第一控制芯片控制第二驱动电机停止工作，健身车不运动，同时中央控制器重新发送计时命令给四个定位基站，重新发送定位命令给健身车和信号收发器，重新检测健身车和宠物的位置，当该距离值大于取食距离D2小于等于启动距离D1时，中央控制器根据健身车的位置、宠物的位置和健身场地边线位置计算出健身车的转向模块转轴应该转动达到的目标角度，即确定健身车的目标运动方向，中央控制器将该目标角度值数据发送给健身车，同时中央控制器发送计时命令给四个定位基站，发送定位命令给健身车和信号收发器，健身系统重新检测健身车和宠物的位置，健身车接收到目标角度值数据后，控制转向模块转动，将固定脚轮转动到目标角度，控制第二驱动电机工作，第二驱动电机驱动固定脚轮转动，健身车运动，远离宠物，当该距离值小于等于取食距离D2时，中央控制器发送控制命令给健身车，健身车的第一控制芯片控制第二驱动电机停止工作，通过第一驱动电机驱动出口仓门打开一定时间，储食仓内的宠物食物从出口仓门落下，宠物获得食物，声音输出模块停止发出声音，健身系统停止工作。

作为优选，所述步骤S5中计算健身车位置的方法包括以下步骤：将四个定位基站按逆时针方向依次编号为A基站、B基站、C基站和D基站，A基站位于健身场地的左下角，以A基站为原点，A基站与B基站的连线为X轴，A基站与D基站的连续为Y轴，建立直角坐标系，A基站的坐标为(0，0)，B基站的坐标为(b，0)，C基站的坐标为(b，c)，D基站的坐标为(0，c)，健身车的坐标为(x，y)，A基站从开始计时到接收到健身车发送的UWB信号的时间为TA，B基站计时得到的时间值为TB，C基站计时得到的时间值为TC，D基站计时得到的时间值为TD，因为UWB信号在空气中的传播速度为光速V，因此可以计算出健身车到达A基站、B基站的距离差为 $V*(\mathrm{TB}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-0)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2},$ 健身车到达A基站、C基站的距离差为 $V*(\mathrm{TC}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2},$ 健身车到达A基站、D基站的距离差为 $V*(\mathrm{TD}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2},$ 求解上述三个方程即可得到唯一的x，y解，从而得到健身车的坐标(x1，y1)。

作为优选，所述计算健身车位置的方法还包括以下步骤：围绕A基站进行计算，得到三个方程式：

$V*(\mathrm{TB}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-0)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2}$

$V*(\mathrm{TC}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2}$

$V*(\mathrm{TD}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2}$

计算出的健身车坐标为(x1，v1)，同理，围绕B基站、C基站、D基站，也可分别计算出对应的健身车坐标(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)，将这四个坐标值取平均值得到的坐标(xd，yd)作为健身车的当前坐标。

作为优选，步骤S6中中央控制器计算健身车的转向模块转轴应该转动达到的目标角度包括以下步骤：

N1：预先设定转向模块的转轴初始角度为0度，健身车初始运动方向为基准线的箭头所指方向，以0度位置为基准点，转向模块的转轴顺时针转动时角度传感器测得的角度值变大，角度值为正，转向模块的转轴逆时针转动时角度传感器测得的角度值变小，角度值为负，健身车与健身场地的边线之间的距离应大于设定值m；

N2：计算目标角度时，先获取健身车的坐标(xi，vi)和宠物的坐标为(xp，yp)；

N3：判断vi是否大于等于m，如果是则执行步骤N4，否则比较Xp与xi的大小，如果xp>xi，则目标角度0=45°，如果xp≤xi，目标角度θ=135°；

N4：判断xi是否大于等于m，如果是则执行步骤N5，否则比较yp与yi的大小，如果yp>yi，则目标角度θ=-135°，如果yp≤yi，目标角度θ=135°；

N5：判断yi是否小于等于c-m，如果是则执行步骤N6，否则比较xp与xi的大小，如果xp>xi，则目标角度θ=-45°，如果xp≤xi，目标角度θ=-135°；

N6：判断xi是否小于等于b-m，如果是则执行步骤N7，否则比较yp与yi的大小，如果yp>yi，则目标角度θ=-45°，如果yp≤yi，目标角度θ=45°；

N7：计算出健身车与宠物的连线与X轴的夹角为

比较xp与xi的大小以及yp与yi的大小，如果xp>xi且yp<yi，目标角度θ=β，如果xp>xi且yp≥yi，目标角度θ=-β，如果xp≤xi且yp≥yi，目标角度θ=β-180°，如果xp≤xi且yp<yi，目标角度θ=180°-β。

本发明的实质性效果是：(1)具有很强的趣味性，容易引起宠物的兴趣，宠物通过与健身车互动达到很好的健身效果。(2)当健身车的行程达到一定值时，健身车停止运动，出口仓门自动打开一定时间，储食仓内的宠物食物从出口仓门落下，宠物获得食物，合理的控制宠物的运动量，防止宠物因过量运动且没有及时进食而危害健康。(3)合理控制健身车的运动速度和运动方向，即保证了宠物不容易抓到健身车，也防止健身车离宠物较远使宠物失去兴趣。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是健身车进口仓门打开时的结构示意图；

图3是健身车出口仓门打开时的结构示意图；

图4是健身车底部的结构示意图；

图5是中央控制器和定位基站的电路原理连接框图；

图6是健身车的电路原理连接框图；

图7是信号收发器的电路原理连接框图；

图8是健身车的运动方向示意图。

图中：1、健身场地，2、健身车、3、信号收发器，4、定位基站，5、中央控制器，6、中央处理单元，7、第一射频模块，8、触摸屏，9、微处理器，10、UWB阅读器，11、底座，12、储食仓，13、进口仓门，14、出口仓门，15、第一控制芯片，16、第一按键，17、声音输出模块，18、第一UWB无线定位标签，19、第二射频模块，20、第一驱动电机，21、固定脚轮，22、第二驱动电机，23、转向模块，24、角度传感器，25、活动脚轮，26、第二控制芯片，27、第二按键，28、第二UWB无线定位标签，29、第三射频模块，30、显示屏，31、LED灯，32、转速传感器，33、PWM模块，34、基准线，35、定位线。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本发明的一种宠物健身系统，如图1所示，包括健身房和佩戴在宠物身上的信号收发器3，健身房内设有呈矩形的健身场地1，健身场地1内设置有健身车2，健身场地1的中心位置设有带箭头的基准线34，基准线34垂直于健身场地1的左边线，且箭头方向指向健身场地1的左侧，健身场地1的四角处设有定位基站4，如图5所示，健身房内还设有中央控制器5，中央控制器5包括中央处理单元6、第一射频模块7和触摸屏8，定位基站4包括微处理器9和UWB阅读器10。

如图2、图3、图4所示，健身车2包括底座11，底座11内设有用于存储宠物食物的储食仓12，底座11的顶部设有储食仓12的进口仓门13，底座11的一侧设有储食仓12的出口仓门14，储食仓12的底面向下倾斜至出口仓门14，底座11上除了出口仓门14所在一侧的其他3个侧壁上都设有3个LED灯31，底座11上设有带箭头的定位线35，如图6所示，底座11上还设有第一控制芯片15、第一按键16、声音输出模块17、第一UWB无线定位标签18、第二射频模块19、显示屏30、PWM模块33以及驱动出口仓门14开闭的第一驱动电机20，底座11底部的中心位置设有驱动装置，驱动装置包括固定脚轮21、驱动固定脚轮21转动的第二驱动电机22以及带动固定脚轮21水平旋转的转向模块23，转向模块23为高速数字舵机，第二驱动电机22的转轴上设有转速传感器32，转向模块23的转轴上设有角度传感器24，底座11下表面的四角处都活动脚轮25，如图7所示，信号收发器3包括第二控制芯片26、第二按键27、第二UWB无线定位标签28和第三射频模块29。

中央处理单元6分别与第一射频模块7和触摸屏8电连接，微处理器9分别与UWB阅读器10和中央处理单元6电连接，第一控制芯片15分别与第一按键16、声音输出模块17、第一UWB无线定位标签18、第二射频模块19、第一驱动电机20、第二驱动电机22、转向模块23、角度传感器24、显示屏30、LED灯31、转速传感器32和PWM模块33电连接，第二控制芯片26分别与第二按键27、第二UWB无线定位标签28和第三射频模块29电连接。

健身场地1的四周边缘设有围栏。信号收发器3佩戴在需要健身的宠物身上，用户手动将宠物食物放入健身车2的储食仓12内，进口仓门13上设有通孔，使食物的气味挥发出来，吸引宠物注意。将健身车2设置在健身场地1内的基准线34上方，底座11上的定位线35位于基准线34的正上方且与基准线34平行，定位线35的箭头方向与基准线34的箭头方向相同，接着按下第一按键16启动健身车2，健身车2初始化，转向模块23的转轴转动到0度位置，此时健身车2的运动方向为定位线35的箭头所指方向，使中央控制器5能够预先确定健身车2在初始状态时的运动方向及转向模块23转轴的角度，便于中央控制器5后续计算健身车2的目标运动方向。接着，健身车2的第二射频模块19向中央控制器5发送请求信号，声音输出模块17发出预先设定的特殊声音(零食塑料包装袋发出的“簌、簌”声)，LED灯31闪烁发出各种不同颜色的光，吸引宠物注意。

按下第二按键27启动宠物身上的信号收发器3工作，信号收发器3上的第三射频模块29向中央控制器5发送请求信号。中央控制器5通过第一射频模块7接收到健身车2的请求信号和信号收发器3的请求信号后，中央控制器5发送计时命令给四个定位基站4，同时中央控制器5通过第一射频模块7发送定位命令给健身车2和信号收发器3。四个定位基站4接收到计时命令后，四个定位基站4的微处理器9将内部计时器清零且同时开始计时，当健身车2接收到定位命令时，健身车2通过第一UWB无线定位标签18发送带有自身特定编码的UWB信号给四个定位基站4，当信号收发器3接收到定位命令时，定位基站4通过第二UWB无线定位标签28发送带有自身特定编码的UWB信号给四个定位基站4，定位基站4通过UWB阅读器10接收到健身车2发送的UWB信号时，定位基站4将计时得到的时间值发送给中央控制器5，当定位基站4通过UWB阅读器10接收到信号收发器3发送的UWB信号时，定位基站4将计时得到的时间值发送给中央控制器5，中央控制器5对接收到的与健身车2对应的四个时间值进行处理，通过TDOA到达时间差法计算出健身车2的位置，同理计算出信号收发器3的位置，即宠物的位置。

中央控制器5根据健身车2的位置和宠物的位置计算出健身车2与宠物之间的距离，当该距离值大于设定的启动距离D1时，中央控制器5发送控制命令给健身车2，健身车2的第一控制芯片15控制第二驱动电机22停止工作，健身车2不运动，同时中央控制器5重新发送计时命令给四个定位基站4，重新发送定位命令给健身车2和信号收发器3，健身系统重新检测健身车2和宠物的位置；当该距离值大于取食距离D2小于等于启动距离D1时，中央控制器5根据健身车2的位置、宠物的位置和健身场地1边线位置计算出健身车2的转向模块23转轴应该转动达到的目标角度，即确定健身车2的目标运动方向，中央控制器5将该目标角度值数据发送给健身车2，同时中央控制器5发送计时命令给四个定位基站4，发送定位命令给健身车2和信号收发器3，健身系统重新检测健身车2和宠物的位置，健身车2接收到角度值数据后，控制转向模块23转动，将固定脚轮21转动到目标角度，控制第二驱动电机22工作，第二驱动电机22驱动固定脚轮21转动，健身车2运动，远离宠物，在整个运行过程中，健身车2要通过角度传感器24不断地保存、记录和刷新当前的角度值；当该距离值小于等于取食距离D2时，中央控制器5发送控制命令给健身车2，健身车2的第一控制芯片15控制第二驱动电机22停止工作，通过第一驱动电机20驱动出口仓门14打开一定时间，储食仓12内的宠物食物从出口仓门14落下，宠物获得食物，声音输出模块17停止发出声音，LED灯31停止发光，健身系统停止工作。

显示屏30可显示健身车2的工作状态、持续工作时间、剩余电量等参数。触摸屏8便于用户查看系统运行情况，设定系统参数。

转速传感器32检测固定脚轮21的转速，并将其发送到第一控制芯片15，第一控制芯片15根据固定脚轮21的转速、固定脚轮21的尺寸及固定脚轮21的转动时间计算出健身车2的行程，如果行程超过预先设定的行程上限N，则第一控制芯片15控制第二驱动电机22停止工作，健身车2不运动，出口仓门14自动打开一定时间，储食仓12内的宠物食物从出口仓门14落下，宠物获得食物，声音输出模块17停止发出声音，LED灯31不发出光，同时健身车2发送停止信号给中央控制器5，中央控制器5接收到停止信号后控制系统停止工作，防止宠物过量运动且没有进食，保证了宠物的健康。

健身车2通过PWM模块33控制第二驱动电机22的功率，从而控制固定脚轮21的转速，当宠物与健身车2距离较近时，中央控制器5发送加速指令给健身车2，健身车2提高固定脚轮21的转速，当宠物与健身车2距离较远时，中央控制器5发送减速指令给健身车2，健身车2降低固定脚轮21的转速，即保证了宠物不容易抓到健身车2，也防止健身车2离宠物较远使宠物失去兴趣。

本发明的一种宠物健身系统的工作方法，适用于上述的一种宠物健身系统，健身车2设置在健身场1地内的基准线34上方，底座11上的定位线35位于基准线34的正上方且与基准线34平行，定位线35的箭头方向与基准线34的箭头方向相同，转向模块23的转轴转动到0度位置使健身车2的运动方向为定位线35的箭头所指方向，包括以下步骤：

S1：启动中央控制器5、健身车2和宠物身上的信号收发器3工作，健身车2通过第二射频模块19向中央控制器5发送请求信号，健身车2上的声音输出模块17发出预先设定的特殊声音，LED灯31闪烁发出各种不同颜色的光，吸引宠物注意，信号收发器3上的第三射频模块29向中央控制器5发送请求信号；

S2：当中央控制器5通过第一射频模块7接收到健身车2的请求信号和信号收发器3的请求信号时，中央控制器5发送计时命令给四个定位基站4，同时中央控制器5通过第一射频模块7发送定位命令给健身车2和信号收发器3；

S3：当四个定位基站4接收到计时命令时，四个定位基站4的微处理器9将内部计时器清零且同时开始计时，当健身车2接收到定位命令时，健身车2通过第一UWB无线定位标签18发送带有自身特定编码的UWB信号给四个定位基站4，当信号收发器3接收到定位命令时，信号收发器3通过第二UWB无线定位标签28发送带有自身特定编码的UWB信号给四个定位基站4；

S4：当定位基站4通过UWB阅读器10接收到健身车2发送的UWB信号时，定位基站4将计时得到的时间值发送给中央控制器5，当定位基站4通过UWB阅读器10接收到信号收发器3发送的UWB信号时，定位基站4将计时得到的时间值发送给中央控制器5；

S5：中央控制器5对接收到的与健身车2对应的四个时间值进行处理，通过TDOA到达时间差法计算出健身车2的位置，同理计算出信号收发器3的位置，即宠物的位置；

S6：中央控制器5根据健身车2的位置和宠物的位置计算出健身车2与宠物之间的距离，当该距离值大于设定的启动距离D1时，中央控制器5发送控制命令给健身车2，健身车2的第一控制芯片15控制第二驱动电机22停止工作，健身车2不运动，同时中央控制器5重新发送计时命令给四个定位基站4，重新发送定位命令给健身车2和信号收发器3，重新检测健身车2和宠物的位置，当该距离值大于取食距离D2小于等于启动距离D1时，中央控制器5根据健身车2的位置、宠物的位置和健身场地1边线位置计算出健身车2的转向模块23转轴应该转动达到的目标角度，即确定健身车2的目标运动方向，中央控制器5将该目标角度值数据发送给健身车2，同时中央控制器5发送计时命令给四个定位基站4，发送定位命令给健身车2和信号收发器3，健身系统重新检测健身车2和宠物的位置，健身车2接收到目标角度值数据后，控制转向模块23转动，将固定脚轮21转动到目标角度，控制第二驱动电机22工作，第二驱动电机22驱动固定脚轮21转动，健身车2运动，远离宠物，当该距离值小于等于取食距离D2时，中央控制器5发送控制命令给健身车2，健身车2的第一控制芯片15控制第二驱动电机22停止工作，通过第一驱动电机20驱动出口仓门14打开一定时间，储食仓12内的宠物食物从出口仓门14落下，宠物获得食物，声音输出模块17停止发出声音，LED灯31停止发光，健身系统停止工作。

步骤S5中计算健身车位置的方法包括以下步骤：如图8所示，将四个定位基站4按逆时针方向依次编号为A基站、B基站、C基站和D基站，A基站位于健身场地1的左下角，以A基站为原点，A基站与B基站的连线为X轴，A基站与D基站的连续为Y轴，建立直角坐标系，基准线34与X轴平行，基准线34的箭头指向Y轴，A基站的坐标为(0，0)，B基站的坐标为(b，0)，C基站的坐标为(b，c)，D基站的坐标为(0，c)，健身车的坐标为(x，y)，A基站从开始计时到接收到健身车2发送的UWB信号的时间为TA，B基站计时得到的时间值为TB，C基站计时得到的时间值为TC，D基站计时得到的时间值为TD，因为UWB信号在空气中的传播速度为光速V，因此可以计算出健身车2到达A基站、B基站的距离差为 $V*(\mathrm{TB}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-0)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2},$ 健身车2到达A基站、C基站的距离差为 $V*(\mathrm{TC}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2},$ 健身车2到达A基站、D基站的距离差为 $V*(\mathrm{TD}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2},$

围绕A基站进行计算，得到的三个方程式为：

$V*(\mathrm{TB}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-0)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2}$

$V*(\mathrm{TC}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2}$

$V*(\mathrm{TD}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2}$

求解上述三个方程得到健身车2的坐标(x1，y1)。

同理，围绕B基站、C基站、D基站，也可分别计算出对应的健身车2坐标(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)，将这四个坐标值取平均值得到的坐标(xd，yd)作为健身车2的当前坐标。

步骤S6中中央控制器5计算健身车2的转向模块23转轴应该转动达到的目标角度包括以下步骤：

N1：预先设定转向模块23的转轴初始角度为0度，健身车2初始运动方向为基准线34的箭头所指方向，以0度位置为基准点，转向模块23的转轴顺时针转动时角度传感器24测得的角度值变大，角度值为正，转向模块23的转轴逆时针转动时角度传感器24测得的角度值变小，角度值为负，健身车2与健身场地1的边线之间的距离应大于设定值m；

N2：计算目标角度时，先获取健身车2的坐标(xi，yi)和宠物的坐标为(xp，yp)；

N3：判断yi是否大于等于m，如果是则执行步骤N4，否则比较xp与xi的大小，如果xp>xi，则目标角度θ=45°，如果xp≤xi，目标角度θ=135°；

N4：判断xi是否大于等于m，如果是则执行步骤N5，否则比较yp与yi的大小，如果yp>yi，则目标角度θ=-135°，如果yp≤yi，目标角度θ=135°；

N5：判断yi是否小于等于c-m，如果是则执行步骤N6，否则比较xp与xi的大小，如果xp>xi，则目标角度θ=-45°，如果xp≤xi，目标角度θ=-135°；

N6：判断xi是否小于等于b-m，如果是则执行步骤N7，否则比较yp与yi的大小，如果yp>yi，则目标角度θ=-45°，如果yp≤yi，目标角度θ=45°；

N7：计算出健身车与宠物的连线与X轴的夹角为

比较xp与xi的大小以及yp与yi的大小，如果xp>xi且yp<yi，目标角度θ=β，如果xp>xi且yp≥yi，目标角度θ=-β，如果xp≤xi且yp≥yi，目标角度θ=β-180°，如果xp≤xi且yp<yi，目标角度θ=180°-β。

健身车2在工作过程中通过转速传感器32检测固定脚轮21的转速，并将其发送到第一控制芯片15，第一控制芯片15根据固定脚轮21的转速、固定脚轮21的尺寸及固定脚轮21的转动时间计算出健身车2的行程，如果行程超过预先设定的行程上限N，则第一控制芯片15控制第二驱动电机22停止工作，健身车2不运动，出口仓门14自动打开一定时间，储食仓12内的宠物食物从出口仓门14落下，宠物获得食物，声音输出模块17停止发出声音，LED灯31不发出光，同时健身车2发送停止信号给中央控制器5，中央控制器5接收到停止信号后控制整个系统停止工作，防止宠物过量运动且没有进食，保证了宠物的健康。

健身车2开始工作时，PWM模块33输出波形占空比为50％，中央控制器5每隔预设时间T2将这段时间内计算得到的健身车2与宠物距离值取平均值，获得宠物与健身车2之间的平均距离D3，中央控制器5将平均距离D3与启动距离D1比较。如果平均距离D3大于启动距离D1，中央控制器5发送减速指令给健身车2，健身车2的PWM模块33输出波形的占空比减小10％，健身车2的运动速度下降；如果平均距离D3等于启动距离D1，中央控制器5不发出指令，健身车2的PWM模块33输出波形的占空比不变，健身车2的运动速度不变；如果平均距离D3小于启动距离D1，中央控制器5发送加速指令给健身车2，健身车2的PWM模块33输出波形的占空比增大10％，健身车2的运动速度上升。即保证了宠物不容易抓到健身车2，也防止健身车2离宠物较远使宠物失去兴趣。

Claims (10)

1.一种宠物健身系统，其特征在于：包括健身房和佩戴在宠物身上的信号收发器(3)，所述健身房内设有呈矩形的健身场地(1)，所述健身场地(1)内设置有健身车(2)，所述健身场地(1)的四角处设有定位基站(4)，所述健身房内还设有中央控制器(5)，所述中央控制器(5)包括中央处理单元(6)、第一射频模块(7)和触摸屏(8)，所述定位基站(4)包括微处理器(9)和UWB阅读器(10)，所述健身车(2)包括底座(11)，所述底座(11)内设有用于存储宠物食物的储食仓(12)，所述底座(11)的顶部设有储食仓(12)的进口仓门(13)，所述底座(11)的一侧设有储食仓(12)的出口仓门(14)，所述储食仓(12)的底面向下倾斜至出口仓门(14)，所述底座(11)上设有第一控制芯片(15)、第一按键(16)、声音输出模块(17)、第一UWB无线定位标签(18)、第二射频模块(19)以及驱动出口仓门(14)开闭的第一驱动电机(20)，所述底座(11)底部的中心位置设有驱动装置，所述驱动装置包括固定脚轮(21)、驱动固定脚轮(21)转动的第二驱动电机(22)以及带动固定脚轮(21)水平旋转的转向模块(23)，所述转向模块(23)上设有角度传感器(24)，所述底座(11)底部还设有若干个活动脚轮(25)，所述信号收发器(3)包括第二控制芯片(26)、第二按键(27)、第一UWB无线定位标签(28)和第三射频模块(29)，所述中央处理单元(6)分别与第一射频模块(7)和触摸屏(8)电连接，所述微处理器(9)分别与UWB阅读器(10)和中央处理单元(6)电连接，所述第一控制芯片(15)分别与第一按键(16)、声音输出模块(17)、第一UWB无线定位标签(18)、第二射频模块(19)、第一驱动电机(20)、第二驱动电机(22)、转向模块(23)和角度传感器(24)电连接，所述第二控制芯片(26)分别与第二按键(27)、第一UWB无线定位标签(28)和第三射频模块(29)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种宠物健身系统，其特征在于：所述底座(11)上还设有显示屏(30)，所述显示屏(30)与第一控制芯片(15)电连接。

3.根据权利要求1所述的一种宠物健身系统，其特征在于：所述底座(11)的侧壁上设有若干个LED灯(31)，所述LED灯(31)与第一控制芯片(15)电连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种宠物健身系统，其特征在于：所述第二驱动电机(22)的转轴上设有转速传感器(32)，所述转速传感器(32)与第一控制芯片(15)电连接。

5.根据权利要求4所述的一种宠物健身系统，其特征在于：所述底座(11)上还设有PWM模块(33)，所述第一控制芯片(15)通过PWM模块(33)与第二驱动电机(22)电连接。

6.根据权利要求5所述的一种宠物健身系统，其特征在于：所述健身场地(2)内设有带箭头的基准线(34)，所述基准线(34)垂直于健身场地(2)的左边线，且基准线(34)的箭头方向指向健身场地(2)的左侧，所述底座(11)上设有带箭头的定位线(35)。

7.一种宠物健身系统的工作方法，适用于如权利要求6所述的一种宠物健身系统，所述健身车设置在健身场地内的基准线上方，所述底座上的定位线位于基准线的正上方且与基准线平行，定位线的箭头方向与基准线的箭头方向相同，转向模块的转轴转动到0度位置使健身车的运动方向为定位线的箭头所指方向，其特征在于，包括以下步骤：

S1：启动中央控制器、健身车和宠物身上的信号收发器工作，健身车通过第二射频模块向中央控制器发送请求信号，健身车上的声音输出模块发出预先设定的特殊声音吸引宠物注意，信号收发器上的第三射频模块向中央控制器发送请求信号；

S2：当中央控制器通过第一射频模块接收到健身车的请求信号和信号收发器的请求信号时，中央控制器发送计时命令给四个定位基站，同时中央控制器通过第一射频模块发送定位命令给健身车和信号收发器；

S3：当四个定位基站接收到计时命令时，四个定位基站的微处理器将内部计时器清零且同时开始计时，当健身车接收到定位命令时，健身车通过第一UWB无线定位标签发送带有自身特定编码的UWB信号给四个定位基站，当信号收发器接收到定位命令时，信号收发器通过第二UWB无线定位标签发送带有自身特定编码的UWB信号给四个定位基站；

S4：当定位基站通过UWB阅读器接收到健身车发送的UWB信号时，定位基站将计时得到的时间值发送给中央控制器，当定位基站通过UWB阅读器接收到信号收发器发送的UWB信号时，定位基站将计时得到的时间值发送给中央控制器；

S5：中央控制器对接收到的与健身车对应的四个时间值进行处理，通过TDOA到达时间差法计算出健身车的位置，同理计算出信号收发器的位置，即宠物的位置；

S6：中央控制器根据健身车的位置和宠物的位置计算出健身车与宠物之间的距离，当该距离值大于设定的启动距离D1时，中央控制器发送控制命令给健身车，健身车的第一控制芯片控制第二驱动电机停止工作，健身车不运动，同时中央控制器重新发送计时命令给四个定位基站，重新发送定位命令给健身车和信号收发器，重新检测健身车和宠物的位置，当该距离值大于取食距离D2小于等于启动距离D1时，中央控制器根据健身车的位置、宠物的位置和健身场地边线位置计算出健身车的转向模块转轴应该转动达到的目标角度，即确定健身车的目标运动方向，中央控制器将该目标角度值数据发送给健身车，同时中央控制器发送计时命令给四个定位基站，发送定位命令给健身车和信号收发器，健身系统重新检测健身车和宠物的位置，健身车接收到目标角度值数据后，控制转向模块转动，将固定脚轮转动到目标角度，控制第二驱动电机工作，第二驱动电机驱动固定脚轮转动，健身车运动，远离宠物，当该距离值小于等于取食距离D2时，中央控制器发送控制命令给健身车，健身车的第一控制芯片控制第二驱动电机停止工作，通过第一驱动电机驱动出口仓门打开一定时间，储食仓内的宠物食物从出口仓门落下，宠物获得食物，声音输出模块停止发出声音，健身系统停止工作。

8.根据权利要求7所述的一种宠物健身系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S5中计算健身车位置的方法包括以下步骤：将四个定位基站按逆时针方向依次编号为A基站、B基站、C基站和D基站，A基站位于健身场地的左下角，以A基站为原点，A基站与B基站的连线为X轴，A基站与D基站的连续为Y轴，建立直角坐标系，A基站的坐标为(0，0)，B基站的坐标为(b，0)，C基站的坐标为(b，c)，D基站的坐标为(0，c)，健身车的坐标为(x，y)，A基站从开始计时到接收到健身车发送的UWB信号的时间为TA，B基站计时得到的时间值为TB，C基站计时得到的时间值为TC，D基站计时得到的时间值为TD，因为UWB信号在空气中的传播速度为光速V，因此可以计算出健身车到达A基站、B基站的距离差为 $V*(\mathrm{TB}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-0)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2},$ 健身车到达A基站、C基站的距离差为 $V*(\mathrm{TC}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2},$ 健身车到达A基站、D基站的距离差为 $V*(\mathrm{TD}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2},$ 求解上述三个方程即可得到唯一的x，y解，从而得到健身车的坐标(x1，y1)。

9.根据权利要求8所述的一种宠物健身系统的工作方法，其特征在于，所述计算健身车位置的方法还包括以下步骤：围绕A基站进行计算，得到三个方程式：

$V*(\mathrm{TB}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-0)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2}$

$V*(\mathrm{TC}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2}$

$V*(\mathrm{TD}-\mathrm{TA})=\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-c)}^2}-\sqrt{{(x-0)}^2+{(y-0)}^2}$

计算出的健身车坐标为(x1，y1)，同理，围绕B基站、C基站、D基站，也可分别计算出对应的健身车坐标(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)，将这四个坐标值取平均值得到的坐标(xd，yd)作为健身车的当前坐标。

10.根据权利要求8或9所述的一种宠物健身系统的工作方法，其特征在于，步骤S6中中央控制器计算健身车的转向模块转轴应该转动达到的目标角度包括以下步骤：

N1：预先设定转向模块的转轴初始角度为0度，健身车初始运动方向为基准线的箭头所指方向，以0度位置为基准点，转向模块的转轴顺时针转动时角度传感器测得的角度值变大，角度值为正，转向模块的转轴逆时针转动时角度传感器测得的角度值变小，角度值为负，健身车与健身场地的边线之间的距离应大于设定值m；N2：计算目标角度时，先获取健身车的坐标(xi，yi)和宠物的坐标为(xp，yp)；

N3：判断yi是否大于等于m，如果是则执行步骤N4，否则比较xp与xi的大小，如果xp>xi，则目标角度θ=45°，如果xp≤xi，目标角度θ=135°；

N4：判断xi是否大于等于m，如果是则执行步骤N5，否则比较yp与yi的大小，如果yp>yi，则目标角度θ=-135°，如果yp≤yi，目标角度θ=135°；

N5：判断yi是否小于等于c-m，如果是则执行步骤N6，否则比较xp与xi的大小，如果xp>xi，则目标角度θ=-45°，如果xp≤xi，目标角度θ=-135°；

N6：判断xi是否小于等于b-m，如果是则执行步骤N7，否则比较yp与yi的大小，如果yp>yi，则目标角度θ=-45°，如果yp≤yi，目标角度θ=45°；

N7：计算出健身车与宠物的连线与X轴的夹角为

比较xp与xi的大小以及yp与yi的大小，如果xp>xi且yp<yi，目标角度θ=β，如果xp>xi且yp≥yi，目标角度θ=-β，如果xp≤xi且yp≥yi，目标角度θ=β-180°，如果xp≤xi且yp<yi，目标角度θ=180°-β。

Images