CN104801020A - 用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置。包括安装在单车本体上的速度检测模块、控制模块、电磁铁、转向检测模块以及用于供电的电源模块，控制模块分别于速度检测模块、电磁铁控制模块、转向检测模块连接，电源模块连接速度检测模块、控制模块、电磁铁控制模块、转向检测模块进行供电，电磁铁控制模块与电磁铁连接进行控制，电磁铁安装在单车本体配重轮的周面，电磁铁与配重轮形成电磁感应进行力反馈的阻力控制。本发明可用于虚拟场景体验的力反馈单车，力反馈单车将骑行场景中的坡度带来的骑行感受实时反映给健身者，解决了现有力反馈单车锻炼形式单一枯燥的问题，帮助健身者轻松达到健身塑形的效果。

Description

用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置

技术领域

本发明涉及一种单车控制电路，尤其涉及一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置。

背景技术

科学证明，骑车是一种非常好的有氧代谢运动，不仅能提高心肺功能，预防大脑老化，改善体质还可以瘦身减肥，塑造身形，另外经常运动还可以减轻心理压力。但是现有大型健身房或者私人家庭中的骑行健身装置多为力反馈单车，这种锻炼方式单一枯燥，大量的重复运动很容易让人产生厌倦情绪，健身者往往很难完成健身计划，使塑形效果大打折扣。

当今虚拟现实(Virtual Reality：VR)作为一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的新技术。它通过给用户同时提供视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互体验，让使用者如同身临其境一般，可以实时、主动、不受限制地观察三维空间内的事物。

现有的力反馈单车控制装置中并没有放入阻力控制模块，当健身者想要调节阻力时，必须停下来，然后手动对单车的阻力进行调整，不时地中断给健身者带来的体验感就会较差，现缺少一种能结合阻力的力反馈单车控制模块优化健身者的体验。

发明内容

针对现有力反馈单车的局限性，解决手动调节阻力的问题,本发明的目的在于提供了一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置，包括新的阻力控制模块，用于虚拟场景体验的力反馈单车，可用于虚拟现实技术的骑行场景，可配合3D虚拟现实头盔让健身者在欣赏风景的同时达到塑造身形的效果。

本发明为实现上述功能，采用的技术方案是：

本发明包括安装在单车本体上的速度检测模块、控制模块、多个电磁铁、转向检测模块以及用于供电的电源模块；控制模块分别与速度检测模块、电磁铁控制模块、转向检测模块连接，电源模块连接速度检测模块、控制模块、电磁铁控制模块、转向检测模块进行供电，电磁铁控制模块与电磁铁连接进行控制，多个电磁铁安装在单车本体配重轮的周面，电磁铁与配重轮形成电磁感应进行力反馈的阻力控制。

所述的控制模块包括控制芯片U1和USB数据通信电路，控制芯片U1连接有晶振复位电路；USB数据通信电路：MicroUSB接口的5、0脚接地，MicroUSB接口的4脚悬空，MicroUSB接口的2脚和3脚分别经电阻R5、电阻R4后连接控制芯片U1的PA12脚和PA11引脚，1脚接5V电源，2脚经电阻R3连接到三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接3.3V电源，三极管Q1的基极经电阻R1与控制芯片U1的PC13引脚相连。

所述的速度检测模块：包括霍尔传感器，霍尔传感器经中断测速电路连接控制模块，霍尔传感器安装在与单车本体脚踏相连的主动轮盘上，速度检测模块通过霍尔传感器检测与单车脚踏相连的轮盘转速。

所述的中断测速电路：霍尔传感器接口P1的2脚经电阻R16接三极管Q2的发射极，霍尔传感器接口P1的2脚经电阻R17接三极管Q2的基极，霍尔传感器接口P1的2脚经电容C10接地，三极管Q2的基极经电阻R18接地，三极管Q2的发射极与3.3V电源连接，三极管Q2的集电极经电阻R15与控制模块中控制芯片U1的PB0引脚连接。

所述的电磁铁由线圈、铁芯和供电电路组成，铁芯与配重轮接触间隙为1mm，在间隙内生成磁感应强度为1T的磁场。

所述的电磁铁控制模块包括译码器U7和多个电路结构相同的线圈连接电路，多个电磁铁经各自的线圈连接电路连接到译码器U7；译码器U7的20至23引脚分别连接控制模块中控制芯片U1的17～14脚，译码器U7的18、19、12脚接地，译码器U7的24脚接3.3V电源，译码器U7的1至16引脚作为控制信号输出端接各自的线圈连接电路。

所述的线圈连接电路包括：译码器U7的控制信号输出端经电阻R19接三极管Q3的发射极，经电阻R22接三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极连接光耦元件U6的1脚，光耦元件U6的2脚和3脚分别经电阻R26、电阻R27后接地，光耦元件U6的3脚与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q4的源极接地，场效应管Q4的漏极经二极管D4接24V电源，光耦元件U6的4脚经电阻R21接24V电源，场效应管Q4的漏极接电磁铁。

所述的转向检测模块采用角度传感器，角度传感器安装在单车本体的车把上。

所述的电源电路包括24V转5V电源电路和5V转3.3V电源电路；24V转5V源电路：包括电源管理芯片U2，电源管理芯片U2的1脚与保险丝电路的24V电源引脚相连，1脚经电解电容C5接地，3脚和5脚直接接地，2脚依次经电感L1、电感L2后与电解电容C6的一端连接输出5V电源；5V转3.3V电源电路：包括电源芯片U5，电源芯片U5的3脚与5V电源，3脚经电解电容C15接地，1脚直接接地，2脚和4脚连接后在分别经电容C17、电容C18、电容C19接地，2脚和4脚连接后输出3.3V电压。

本发明的有益效果是：

本发明将阻力控制模块植入电路中，不再是之前手动改变阻力，方便健身者使用，更增强带来真实感。

本发明力反馈单车控制装置将骑行场景中的坡度带来的骑行感受实时反映给健身者，解决了现有力反馈单车锻炼形式单一枯燥的问题，帮助健身者轻松达到健身塑形的效果。

本发明改进了传统力反馈单车锻炼形式单一枯燥的问题，提供健身者前所未有的骑行体验，让健身者轻松完成健身塑形计划。

附图说明

图1是本发明的各个模块连接结构框图。

图2是本发明单片机控制模块的电路图。

图3是本发明USB通信电路的电路图。

图4是电磁铁控制模块中的译码器电路图。

图5是电磁铁控制模块中线圈连接电路的电路图。

图6是本发明的24V转5V电源电路的电路图。

图7是本发明的5V转3.3V电源电路的电路图。

图8是本发明的中断测速电路图。

图9是单车中电磁铁安装位置示意图。

图10是单车中角度传感器和霍尔传感器安装位置示意图。

图中：1、电磁铁，2、霍尔传感器，3、角度传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括安装在单车本体上的速度检测模块、控制模块、多个电磁铁、转向检测模块以及用于供电的电源模块；控制模块分别与速度检测模块、电磁铁控制模块、转向检测模块连接，电源模块连接速度检测模块、控制模块、电磁铁控制模块、转向检测模块进行供电，电磁铁控制模块与电磁铁1连接进行控制，多个电磁铁1安装在单车本体配重轮的周面，如图10所示，电磁铁与配重轮形成电磁感应进行力反馈的阻力控制。

速度检测模块通过霍尔传感2器检测与单车脚踏相连的轮盘转速。阻力反馈模块包括皮带传动、配重轮和电磁铁1。控制模块通过带单片机的集成电路处理骑行速度信息和阻力信息，通过相应变换后分别传递给虚拟骑行场景和阻力反馈模块，保证力反馈单车和虚拟骑行场景的同步。

如图2所示，上述控制模块包括控制芯片U1和USB数据通信电路，控制芯片U1连接有晶振复位电路；如图3所示，USB数据通信电路：MicroUSB接口的5、0脚接地，MicroUSB接口的4脚悬空，MicroUSB接口的2脚和3脚分别经电阻R5、电阻R4后连接控制芯片U1的PA12脚和PA11引脚，1脚接5V电源，2脚经电阻R3连接到三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接3.3V电源，三极管Q1的基极经电阻R1与控制芯片U1的PC13引脚相连。

上述速度检测模块：包括霍尔传感器2，霍尔传感器经中断测速电路连接控制模块，霍尔传感器2安装在与单车本体脚踏相连的主动轮盘上，如图10所示，速度检测模块通过霍尔传感器2检测与单车脚踏相连的轮盘转速，通过控制模块进行基于用户设置的单车齿比变换后，将健身者的实际骑行速度输出到虚拟骑行场景中驱动虚拟单车运动。

如图8所示，上述中断测速电路：霍尔传感器接口P1的2脚经电阻R16接三极管Q2的发射极，霍尔传感器接口P1的2脚经电阻R17接三极管Q2的基极，霍尔传感器接口P1的2脚经电容C10接地，三极管Q2的基极经电阻R18接地，三极管Q2的发射极与3.3V电源连接，三极管Q2的集电极经电阻R15与控制模块中控制芯片U1的PB0引脚连接。

上述电磁铁1由线圈、铁芯和供电电路组成，铁芯与配重轮接触间隙为1mm，在间隙内生成磁感应强度为1T的磁场。

如图4和图5所示，上述电磁铁控制模块包括译码器U7和多个结构相同的线圈连接电路，多个电磁铁经各自的线圈连接电路连接到译码器U7；译码器U7的20至23引脚分别连接控制模块中控制芯片U1的17～14脚，译码器U7的18、19、12脚接地，译码器U7的24脚接3.3V电源，译码器U7的1至16引脚作为控制信号输出端接各自的线圈连接电路。

上述线圈连接电路包括：译码器U7的控制信号输出端经电阻R19接三极管Q3的发射极，经电阻R22接三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极连接光耦元件U6的1脚，光耦元件U6的2脚和3脚分别经电阻R26、电阻R27后接地，光耦元件U6的3脚与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q4的源极接地，场效应管Q4的漏极经二极管D4接24V电源，光耦元件U6的4脚经电阻R21接24V电源，场效应管Q4的漏极接电磁铁。

上述转向检测模块采用角度传感器3，角度传感器3安装在单车本体的车把上，如图9所示。角度传感器连接控制模块中控制芯片U1的PA11～PA13中的任一引脚。

上述电源电路包括24V转5V电源电路和5V转3.3V电源电路；

如图6所示，24V转5V电源电路：包括电源管理芯片U2，电源管理芯片U2的1脚与保险丝电路的24V电源引脚相连，1脚经电解电容C5接地，3脚和5脚直接接地，2脚依次经电感L1、电感L2后与电解电容C6的一端连接输出5V电源；

如图7所示，5V转3.3V电源电路：包括电源芯片U5，电源芯片U5的3脚与5V电源，3脚经电解电容C15接地，1脚直接接地，2脚和4脚连接后在分别经电容C17、电容C18、电容C19接地，2脚和4脚连接后输出3.3V电压。

在使用单车骑行健身中，骑行速度控制通过本发明速度检测模块检测力反馈单车上的踩踏频率，并映射反映在虚拟单车的骑行速度上，骑行方向控制通过转向检测模块采集来的实时方向控制信息更新虚拟单车车头与当前行驶方向的夹角，骑行阻力控制通过电磁铁控制模块实时传输给力反馈单车。

本发明的具体实施工作过程如下：

本发明通过控制模块进行速度处理、阻力处理和电磁铁电流控制。

速度处理：单车一级传动轮上装有一个霍尔传感器，单片机检测霍尔传感器反馈信号，来求得传动轮转动一周所需的时间，根据V＝2πr/T2-T1，单片机通过USB将数据传给场景，进而实现与场景的互通；阻力处理:因为现实生活中骑车会有上坡和下坡，为了增加体验者的真实感和沉浸感。场景里也会有上坡和下坡的场景，当单车上坡和下坡时，场景里会根据坡度反馈给单片机(即控制芯片U1)一个数据，单片机根据反馈的数据控制线包的电流来调节磁阻尼，继而来调节单车的阻力，来增加沉浸感；电磁铁电流控制：当单片机接收到场景里反馈来的数据后，根据数据来控制电磁铁的通断来实现单车阻力可调。

如图2所示，控制芯片U1通过串口接收和发送数据，或是通过USB进行通信，力反馈单车向PC端传输力反馈单车速度，PC端根据场景中的不同，向力反馈单车发送车子的阻力，控制芯片U1根据反馈的数据来调整控制电磁铁模块的电压，改变线圈的磁通量，力反馈单车的配重轮转动切割磁感线产生与配重轮相反方向的力，进而把场景中的阻力在现实中模拟出来，进而增加用户的体验。

控制芯片U1根据单车一级传动轮上霍尔传感器传回来的数据进行处理，控制芯片U1会根据前后两次的时间差计算出力反馈单车的速度，通过USB数据接口发送给计算机，使虚拟骑行场景中力反馈单车的速度跟人现实中踩得速度一样，从而增强消费者的体验感、沉浸感。

控制模块通过带单片机的集成电路处理骑行速度信息和阻力信息，通过相应变换后分别传递给虚拟骑行场景和阻力反馈模块，保证力反馈单车和虚拟骑行场景的同步。

控制芯片U1根据虚拟骑行场景中路面的坡度发送给控制芯片U1个数据，控制芯片U1根据收到的数据控制电磁铁模块的电压，来调节单车的阻力。

控制芯片U1根据力反馈单车的转向检测模块角度传感器反馈的数据来检测力反馈单车的转向，然后通过USB数据接口发送给虚拟骑行场景，进而是力反馈单车跟虚拟骑行场景中的力反馈单车同步。

由此，本发明植入阻力控制，不再是之前手动改变阻力，方便健身者使用，解决了现有力反馈单车锻炼形式单一枯燥的问题，帮助健身者轻松达到健身塑形的显著效果，更增强带来真实感。

Claims (9)

1.一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置，其特征在于：包括安装在单车本体上的速度检测模块、控制模块、多个电磁铁、转向检测模块以及用于供电的电源模块；控制模块分别与速度检测模块、电磁铁控制模块、转向检测模块连接，电源模块连接速度检测模块、控制模块、电磁铁控制模块、转向检测模块进行供电，电磁铁控制模块与电磁铁连接进行控制，多个电磁铁安装在单车本体配重轮的周面，电磁铁与配重轮形成电磁感应进行力反馈的阻力控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置，其特征在于：所述的控制模块包括控制芯片U1和USB数据通信电路，控制芯片U1连接有晶振复位电路；USB数据通信电路：MicroUSB接口的5、0脚接地，MicroUSB接口的4脚悬空，MicroUSB接口的2脚和3脚分别经电阻R5、电阻R4后连接控制芯片U1的PA12脚和PA11引脚，1脚接5V电源，2脚经电阻R3连接到三极管Q1的集电极，三极管Q1的发射极接3.3V电源，三极管Q1的基极经电阻R1与控制芯片U1的PC13引脚相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置，其特征在于：所述的速度检测模块：包括霍尔传感器，霍尔传感器经中断测速电路连接控制模块，霍尔传感器安装在与单车本体脚踏相连的主动轮盘上，速度检测模块通过霍尔传感器检测与单车脚踏相连的轮盘转速。

4.根据权利要求3所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置，其特征在于：所述的中断测速电路：霍尔传感器接口P1的2脚经电阻R16接三极管Q2的发射极，霍尔传感器接口P1的2脚经电阻R17接三极管Q2的基极，霍尔传感器接口P1的2脚经电容C10接地，三极管Q2的基极经电阻R18接地，三极管Q2的发射极与3.3V电源连接，三极管Q2的集电极经电阻R15与控制模块中控制芯片U1的PB0引脚连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置，其特征在于：所述的电磁铁由线圈、铁芯和供电电路组成，铁芯与配重轮接触间隙为1mm，在间隙内生成磁感应强度为1T的磁场。

6.根据权利要求1所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置，其特征在于：所述的电磁铁控制模块包括译码器U7和多个电路结构相同的线圈连接电路，多个电磁铁经各自的线圈连接电路连接到译码器U7；译码器U7的20至23引脚分别连接控制模块中控制芯片U1的17～14脚，译码器U7的18、19、12脚接地，译码器U7的24脚接3.3V电源，译码器U7的1至16引脚作为控制信号输出端接各自的线圈连接电路。

7.根据权利要求6所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置，其特征在于：所述的线圈连接电路包括：译码器U7的控制信号输出端经电阻R19接三极管Q3的发射极，经电阻R22接三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极连接光耦元件U6的1脚，光耦元件U6的2脚和3脚分别经电阻R26、电阻R27后接地，光耦元件U6的3脚与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q4的源极接地，场效应管Q4的漏极经二极管D4接24V电源，光耦元件U6的4脚经电阻R21接24V电源，场效应管Q4的漏极接电磁铁。

8.根据权利要求1所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置，其特征在于：所述的转向检测模块采用角度传感器，角度传感器安装在单车本体的车把上。

9.根据权利要求1所述的一种用于虚拟场景中骑行健身的力反馈单车控制装置，其特征在于：所述的电源电路包括24V转5V电源电路和5V转3.3V电源电路；

24V转5V电源电路：包括电源管理芯片U2，电源管理芯片U2的1脚与保险丝电路的24V电源引脚相连，1脚经电解电容C5接地，3脚和5脚直接接地，2脚依次经电感L1、电感L2后与电解电容C6的一端连接输出5V电源；

5V转3.3V电源电路：包括电源芯片U5，电源芯片U5的3脚与5V电源，3脚经电解电容C15接地，1脚直接接地，2脚和4脚连接后在分别经电容C17、电容C18、电容C19接地，2脚和4脚连接后输出3.3V电压。