CN108446432A

CN108446432A - 一种基于模型的虚拟自行车骑手骑速的计算方法

Info

Publication number: CN108446432A
Application number: CN201810118266.4A
Authority: CN
Inventors: 丁维龙; 陈凯; 徐岩; 徐彬; 金梦杰; 万臧鑫; 王�华; 辛卫涛; 薛莉莉
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: CN108446432B

Abstract

一种基于模型的虚拟自行车骑手骑速的计算方法，根据牛顿第二定律，通过对骑手的受力分析，考虑影响骑手体能及骑速的因素，如环境温湿度、骑行距离、骑手排名等，提出各种不同的模型，综合以上模型，得出虚拟自行车骑手骑速的计算方法，将骑手与实际场景相结合，在计算机中完成对虚拟骑手的速度计算，可以应用于虚拟骑行系统的虚拟骑手速度计算，为虚拟骑手的骑行速度提供一定参考，使骑行更符合真实的情况。

Description

一种基于模型的虚拟自行车骑手骑速的计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于模型的自行车骑手骑速的计算方法，该方法适用于模拟自行车骑手在不同环境下的骑速计算。

技术背景

自行车运动在世界各地具有极为广泛的群众基础，参与者的年龄从青少年到老年，其活动类型包括休闲、旅行和体育比赛等。自行车运动员的比赛成绩受到主客观多种因素的影响。虚拟现实技术与人机交互技术，使得体育运动可以在计算机上开展。因此，用虚拟现实技术解决目前人们生活方式缺少运动的弊端显得很有意义。

虚拟骑行系统的设计可以使人们在室内进行自行车骑行运动，因此，室内骑行台应运而生，一款不受场地、天气条件和时间约束，同时又不缺失骑行乐趣的骑行设备逐步发展起来。目前市场上有多款不同的虚拟骑行系统，功能丰富，亦可进行多人联机骑行比赛。骑行系统也提供了单人训练的模式，为了解决单人训练时枯燥乏味的困难，各款骑行系统也会添加虚拟对手作为单人的竞争选手，可以让人在不进行多人联机比赛的情况下也能体验到骑行比赛的乐趣。因此，如何更好的设计虚拟骑手使虚拟骑手的行为更符合真实具有非常重大的意义。

发明内容

为了使虚拟骑手的骑行更符合真实的情况，本发明提出一种基于模拟的虚拟自行车骑手骑速的计算方法，为虚拟骑手的骑行提供参考，设计了一种虚拟自行车骑手模型，基于自行车运动员的虚拟模型，考虑了多种影响虚拟骑手的骑行因素，例如天气因素对体能消耗及恢复的影响，体能的剩余量以及虚拟骑手的排名、骑行距离等对骑行速度的影响，。

本发明为了解决上述技术问题提供的技术方案为：一种基于模型的虚拟自行车骑手骑速的计算方法，利用虚拟骑手模型，对虚拟骑手进行受力分析，并分析影响骑手骑行动力的各个因素，结合牛顿第二定律计算加速度，计算虚拟骑手的骑行速度，其中，所述的受力分析包括以下步骤：

(1.1)风阻的计算公式为：

其中，C代表空气阻力系数，ρ为空气密度，S为物体迎风面积，V为物体与空气的相对速度；(1.2)根据骑行的赛道，滚动摩擦力的计算公式为：

F_g＝μ(m+M)g

其中，μ代表滚动摩擦系数，m和M分别为运动员和车的质量，g为重力加速度；

(1.3)爬坡阻力的公式为：

F_d＝(m+M)gsinθ

其中，θ为坡面角度；

(1.4)计算虚拟骑手骑行时受到的总阻力之和：

F_S＝F_W+F_g+F_d

所述影响骑手骑行动力的各个因素包括以下步骤：

(2.1)给定一个比例函数来根据骑行距离的不同而调整骑手的骑行作用力：

其中，x为骑行距离，l为赛道总长度，α为一个常数，用来调节作用力的影响大小；

(2.2)选排名的影响函数：

其中，n为骑手当前排名，N为骑行总人数，β为一个常数，用来调节作用力的影响大小；

(2.3)体能对作用力的影响函数：

骑手的加速度表示成如下形式：

该公式表示骑手的动力受到体能剩余量以及排名和骑行距离的影响，骑手骑行时的动力会有一定的波动，因此，加入了随机力η(t)。

根据速度的计算公式求出骑手的速度：

进一步，所述步骤(2.3)中的体能对作用力的影响函数将通过体能值的剩余量来表现，体能模型的表达包括如下步骤：

(2.3.1)根据热指数计算方法，计算热指数Idx，将热指数用一个[0,1]之间的系数I表示：

(2.3.2)体能参数为T_N，该参数值为0到1，当T_N为0,时，说明此时骑手体力消耗殆尽；当T_N为1时，说明此时骑手体力充沛；

由此提出一种基础体能恢复模型：

T_N←min{T_N+U_T·Δt,1}

其中U_T决定了体能恢复速度的快慢；

基础体能恢复模型的公式修改为如下形式：

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I),1}，T_N∈[0.8,1]

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I),0.8}，T_N∈[0,0.8]

I为环境变化影响参数，I的值升高说明环境变恶劣，此时体能恢复偏慢；

(2.3.3)体能的消耗速度受骑行速度和环境温湿度的影响，且与骑行速度成正比，体能T_N的计算公式为：

其中，k为一个常数用来调节功率所消耗体能的转化率，环境越差，参数I的值越大，体能消耗加剧，W_S代表运动员所拥有的总能量，T_U即体能恢复函数。

所述步骤(2.3.2)中，当骑手喝下运动饮料后，在之后的一段时间t内，调用如下体能恢复函数：

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I)·(1+α),1}，T_N∈[0.8,1]

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I)·(1+α),0.8}，T_N∈[0,0.8]

α为一个(0,1)之间的值，取值运动饮料的类型而定，其值越大说明体能恢复速度越快。

所述步骤(2.3.1)中，计算热指数：

Idx＝f(T,RH,V)＝45.6026-2.3107T-0.3683RH+9.7092V+0.05492T²+0.00121RH²+0.66329V²+0.0128968TRH-0.300928TV-0.05952RHV公式中T代表环境温度，RH代表环境湿度，V代表风速；

当Idx≤24时，说明当前环境最佳；

当24＜Idx≤27时，说明当前环境适宜；

当27＜Idx≤30时，说明当前环境略不适；

当Idx≥30时，说明当前环境极其不佳；

将热指数用一个[0,1]之间的系数I表示：

本发明的有益效果表现在：

1)本发明利用虚拟骑手模型，分析影响骑手骑行速度的各个因素，将骑手与实际场景相结合，在计算机中完成对虚拟骑手的速度计算；

2)利用虚拟骑手的速度计算模型，可以应用于虚拟骑行系统的虚拟骑手的速度计算，为虚拟骑手的骑行速度提供一定参考，使骑行更符合真实的情况。

附图说明

图1是本发明的虚拟骑手受力分析示意图。

图2是本发明的各个参数之间的相互影响关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1和图2，一种基于模型的自行车骑手骑速的计算方法，通过对骑手的受力分析，考虑影响骑手体能及骑速的因素，得出虚拟自行车骑手骑速的计算方法，其中，所述的受力分析包括以下步骤：

(1.1)首先对骑手进行受力分析，根据空气动力学，空气阻力是指物体在同种气体中作相对运动时所受到的阻碍力，又称风阻。风阻的计算公式为：

其中，C代表空气阻力系数，ρ为空气密度，S为物体迎风面积，V为物体与空气的相对速度；

(1.2)骑自行车时，自行车与地面之间会产生滚动摩擦力。根据骑行的赛道的不同，滚动摩擦力也不同，滚动摩擦力的计算公式为：

F_g＝μ(m+M)g

(1.3)爬坡阻力与速度无关，只与坡面角度θ有关。影响自行车速度的力是重力坡面分量。上坡时重力起减速作用，θ下坡时为负重力对车辆加速。公式为：

F_d＝(m+M)gsinθ

(1.4)计算虚拟骑手骑行时受到的总阻力之和：

F_S＝F_W+F_g+F_d

所述的影响骑手骑行因素分析及骑手速度计算包括以下步骤：

(2.1)在自行车长距离比赛中，骑手会采取先慢后快再冲刺的策略，因此骑手的骑行速度与骑行的距离有一定关系，而骑行距离的长短最终影响的是对骑手骑行的力。本发明给定一个比例函数来根据骑行距离的不同而调整骑手的骑行作用力，根据骑行距离的不同对骑手骑速影响的关系如下：

(2.2)选手排名的不同，对每个骑手的影响也不同。例如当骑手前面有人时，骑手会想超越他，因此无意中骑手会进行加速，而加速的程度依据当前排名而定，提出一个排名的影响函数，根据骑手排名的不同对骑手骑速影响的关系如下：

(2.3)体能的降低会影响骑手骑行速度，主要体现在骑手踩踏板的动力减少，体能对作用力的影响函数如下：

根据牛顿第二定律，物体质量、加速度和受力的关系如下：

综合以上几项对骑手速度的影响因素，骑手的加速度可以表示成如下形式：

根据速度的计算公式可求出骑手的速度：

由此提出一种基础体能恢复模型：

T_N←min{T_N+U_T·Δt,1}

其中U_T决定了体能恢复速度的快慢，例如当U_T＝1/3h时，说明此时运动员的体能需要3小时可以完全恢复。

人的体力会随着时间而慢慢恢复，但是当人进行剧烈运动后体能急剧下降，此时体能依然在恢复中却不会恢复到最佳状态。由于体能的恢复受到环境影响，基础体能恢复模型的公式修改为如下形式：

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I),1}，T_N∈[0.8,1]

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I),0.8}，T_N∈[0,0.8]

所述步骤(2.3.2)中，考虑到骑手在骑车时会喝运动饮料来恢复体能，在本模型中喝运动饮料体现为使体能的恢复速度在一定时间内加快。例如，当骑手喝下运动饮料后，在之后的一段时间t内，调用如下体能恢复函数：

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I)·(1+α),1}，T_N∈[0.8,1]

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I)·(1+α),0.8}，T_N∈[0,0.8]

所述步骤(2.3.1)中，计算热指数：

当Idx≤24时，说明当前环境最佳；

当24＜Idx≤27时，说明当前环境适宜；

当27＜Idx≤30时，说明当前环境略不适；

当Idx≥30时，说明当前环境极其不佳；

将热指数用一个[0,1]之间的系数I表示：

外界及骑手本身的各个影响因素时刻改变着速度，速度的变化影响到功率的变化，功率的改变会影响体能消耗的快慢，体能的改变又会影响骑手的骑行速度。由此可见骑手的体能和速度之间是相互影响的。

Claims

1.一种基于模型的虚拟自行车骑手骑速的计算方法，其特征在于：利用虚拟骑手模型，对虚拟骑手进行受力分析，并分析影响骑手骑行动力的各个因素，结合牛顿第二定律计算加速度，计算虚拟骑手的骑行速度，其中，所述的受力分析包括以下步骤：

(1.1)风阻的计算公式为：

(1.2)根据骑行的赛道，滚动摩擦力的计算公式为：

F_g＝μ(m+M)g

(1.3)爬坡阻力的公式为：

F_d＝(m+M)gsinθ

其中，θ为坡面角度；

(1.4)计算虚拟骑手骑行时受到的总阻力之和：

F_S＝F_W+F_g+F_d

所述影响骑手骑行动力的各个因素包括以下步骤：

(2.2)排名的影响函数：

(2.3)体能对作用力的影响函数：

骑手的加速度表示成如下形式：

该公式表示骑手的动力受到体能剩余量以及排名和骑行距离的影响，骑手骑行时的动力会有一定波动，因此，加入了随机力η(t)；

根据速度的计算公式求出骑手的速度：

2.如权利要求1中所述的一种基于模型的虚拟自行车骑手骑速的计算方法，其特征在于：所述步骤(2.3)中的体能对作用力的影响函数将通过体能值的剩余量来表现，体能模型的表达包括如下步骤：

由此提出一种基础体能恢复模型：

T_N←min{T_N+U_T·Δt,1}

其中U_T决定了体能恢复速度的快慢；

基础体能恢复模型的公式修改为如下形式：

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I),1}，T_N∈[0.8,1]

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I),0.8}，T_N∈[0,0.8]

3.如权利要求2所述的一种基于模型的虚拟自行车骑手骑速的计算方法，其特征在于：所述步骤(2.3.2)中，当骑手喝下运动饮料后，在之后的一段时间t内，调用如下体能恢复函数：

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I)·(1+α),1}，T_N∈[0.8,1]

T_N←min{T_N+U_T·Δt·(1-I)·(1+α),0.8}，T_N∈[0,0.8]

4.如权利要求2所述的一种基于模型的虚拟自行车骑手骑速的计算方法，其特征在于：所述步骤(2.3.1)中，计算热指数：

Idx＝f(T,RH,V)＝45.6026-2.3107T-0.3683RH+9.7092V+

0.05492T²+0.00121RH²+0.66329V²+

0.0128968TRH-0.300928TV-0.05952RHV

公式中T代表环境温度，RH代表环境湿度，V代表风速；

当Idx≤24时，说明当前环境最佳；

当24＜Idx≤27时，说明当前环境适宜；

当27＜Idx≤30时，说明当前环境略不适；

当Idx≥30时，说明当前环境极其不佳；

将热指数用一个[0,1]之间的系数I表示：