CN109696866B - 游戏体感跑步机电控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种游戏体感跑步机电控系统，包括姿态采集板、主控制板和电机驱动板，姿态采集板和主控制板通过蓝牙进行无线数据交换，主控制板和电机驱动板通过有线进行数据交换；姿态采集板采集人体的姿态信息，通过蓝牙发送到主控制板，主控制板对数据进行解析处理后，一方面对电机驱动板进行控制，另一方面通过USB接口，向连接的电脑主机传送运动信息，电机驱动板根据主控制板对跑步机的直流电机进行控制。本发明能将市面上所有的跑步机都能改装成这种游戏体感交互式的跑步机，本电控系统能颠覆性升级目前跑步机的现有功能，让其具有体感，交互，风感等等一系列功能，极大的升级目前传统跑步机的使用价值。

Description

游戏体感跑步机电控系统

技术领域

本发明涉及VR游戏技术领域，具体涉及游戏体感跑步机电控系统，应用于跑步机及游戏辅助等。

背景技术

随着当代游戏以及VR游戏的不断普及，消费者对于游戏的体验已经不单单局限于对着电脑屏幕进行娱乐，而是想获得更高更深层次的体验，比如身临其境的参与感，以及获得游戏中交互体感的感觉，获得真正虚拟现实般的感觉。

目前市面上传统跑步机，仅仅只是一件健身娱乐产品，一大特点就是用户使用枯燥，功能单一，只是跑步，或者只是基于跑步机本身功能基础上进行外观跟大小的改进，而游戏以及VR游戏缺点都是只是在电脑，或者游戏手柄用户坐着进行娱乐，长时间不运动对用户的身体产生损害。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种游戏体感跑步机电控系统，不仅让传统跑步机与游戏交互相结合，而且还预留了风感、音响、体感背心等电控模块，可以为用户带来不仅仅是运动游戏交互的操控，而且还能为用户带来一整套现实般感觉的风、自然环境、触摸、震动等一系列游戏场景中交互的感觉。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种游戏体感跑步机电控系统，包括姿态采集板、主控制板和电机驱动板，姿态采集板和主控制板通过蓝牙进行无线数据交换，主控制板和电机驱动板通过有线进行数据交换；

姿态采集板采集人体的姿态信息，通过蓝牙发送到主控制板，主控制板对数据进行解析处理后，一方面对电机驱动板进行控制，另一方面通过USB接口，向连接的电脑主机传送运动信息，电机驱动板根据主控制板对跑步机的直流电机进行控制。

进一步地，所述姿态采集板包括六轴传感器、第一MCU和第一BLE模组；

第一MCU从六轴传感器获取3轴加速度数据和3轴角速度数据，计算出传感器在空间中所处的姿态，然后通过第一BLE模组将计算出的角度数据发送给主控制板。

进一步地，所述主控制板包括USB接口、第二MCU、数码管、第二BLE模组、红外接收口、输入按键和第一UART接口；

第二MCU从第二BLE模组获取姿态采集板发过来的角度数据，然后对接收的角度数据进行处理，处理后会得到一个速度数据，并通过USB接口发送到电脑主机，通过第一UART接口发送电机驱动板，输入按键和红外接收口用来接受人员的输入信息，完成对系统部分参数的配置和调整，数码管用于显示系统的关键运行参数。

进一步地，所述电机驱动板包括第二UART接口、第三MCU、高压软启动电路、H桥驱动电路、电流检测电路、为过压检测电路；

第三MCU从第二UART接口获取主控制板的控制数据，通过高压软启动电路控制高压部分的断上电，发送给H桥驱动电路的PWM信号，H桥驱动电路根据PWM信号驱动跑步机的直流电机，如果当前电机处于运行状态，第三MCU会通过过流检测电路和过压检测电路，获取电机运行时的电流和电压数据，如果电流或者电压数据异常，第三MCU会关闭PWM信号和高压软启动电路，完成对电机的保护。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明能将市面上所有的跑步机都能改装成这种游戏体感交互式的跑步机，本电控系统能颠覆性升级目前跑步机的现有功能，让其具有体感，交互，风感等等一系列功能，极大的升级目前传统跑步机的使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明游戏体感跑步机电控系统的结构示意图；

图2为本发明姿态采集板的结构示意图；

图3为本发明姿态采集板供电接口的电路原理图；

图4为本发明姿态采集板3 5V转3.3V电路的电路原理图；

图5为本发明姿态采集板第一BLE模组的电路原理图；

图6为本发明姿态采集板第一MCU及其时钟、复位、下载电路的电路原理图；

图7为本发明姿态采集板六轴传感器的电路原理图；

图8为本发明姿态采集板红绿LED指示灯的电路原理图；

图9为本发明姿态采集板振动电机驱动电路的电路原理图；

图10为本发明主控制板的结构示意图；

图11为本发明主控制板第二MCU的电路原理图；

图12为本发明主控制板12V转5V电路的电路原理图；

图13为本发明主控制板5V转3.3V电路的电路原理图；

图14为本发明主控制板USB接口的电路原理图；

图15为本发明主控制板USB转UART电路的电路原理图；

图16为本发明主控制板电机驱动接口的电路原理图；

图17为本发明主控制板数码管显示电路的电路原理图；

图18为本发明主控制板USB A型母座接口的电路原理图；

图19为本发明主控制板红外接收电路的电路原理图；

图20为本发明主控制板按键和LED指示灯电路的电路原理图；

图21为本发明主控制板第二BLE模组的电路原理图；

图22为本发明电机驱动板的结构示意图；

图23为本发明电机驱动板ACDC电路的电路原理图；

图24为本发明电机驱动板高压软启动电路的电路原理图；

图25为本发明电机驱动板H桥驱动电路的电路原理图；

图26为本发明电机驱动板12V转5V电路的电路原理图；

图27为本发明电机驱动板MCU的电路原理图；

图28为本发明电机驱动板使用光耦隔离的UART接口的电路原理图；

图29为本发明电机驱动板蜂鸣器驱动电路的电路原理图；

图30为本发明电机驱动板LED指示灯驱动电路的电路原理图；

图31为本发明电机驱动板过流保护电路的电路原理图；

图32为本发明电机驱动板过压保护电路的电路原理图；

图33为本发明电机驱动板电机转速反馈电路的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明中的术语解释：

MCU：Microcontroller Unit(微控制单元)

BLE：Bluetooth Low Energy(低功耗蓝牙)

UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter(通用异步收发传输器)

ISP：In-System Programmability(在系统可编程)

USB：Universal Serial Bus(通用串行总线)

PWM：Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)

本发明的游戏体感跑步机电控系统主要由3块电路板组成：姿态采集板、主控制板、电机驱动板。姿态采集板和主控制板通过蓝牙进行无线数据交换，主控制板和电机驱动板通过有线进行数据交换。整个电控系统结构如图1所示：图中，1为姿态采集板，2为姿态采集板和主控制板之间的蓝牙连接，3为主控制板，4为连接到电脑的USB接口，5为主控制板和电机驱动板之间的有线连接，6为电机驱动板，7为电机接口。该系统的主要工作流程为：姿态采集板采集人体的姿态信息，通过蓝牙发送到主控制板，主控制板对数据进行解析处理后，一方面对电机驱动板进行控制，另一方面通过USB接口，向连接的电脑主机传送运动信息。

姿态采集板的组成如图2所示：

图中，10为六轴传感器，20为第一MCU，30为第一BLE模组。姿态采集板的工作流程为：第一MCU从六轴传感器获取3轴加速度数据和3轴角速度数据，计算出传感器在空间中所处的姿态，然后通过第一BLE模组将计算出的角度数据发送给主控制板。由于姿态采集板是通过物理连接和人员绑定在一起的，所以传感器的姿态数据反映了被测人员的姿态。

姿态采集板的原理图部分，图3为供电接口，由外部提供5V电源，图4为5V转3.3V电路，选用RT9193的3.3V版本，整个电路主要以3.3V作为电源。图5为CC2541BLE模组，BLE与MCU之间的通讯主要通过UART接口进行。图6为MCU部分，MCU选用ATMEGA328，使用外部16M晶振，预留UART接口和ISP程序下载接口。图7为六轴传感器，选用的IC为MPU6050，通过IIC接口与MCU进行通讯。图8为红绿指示灯，用于指示系统的状态，图9为振动电机驱动电路。

主控制板的组成如图10所示：

图10中，100为USB接口，200为第二MCU，300为数码管，400为第二BLE模组，500表示连接到的电脑主机，6表示电机驱动板，700为红外接收口，800为输入按键，900为第一UART接口。主控制板的工作流程为：主控制板从第二BLE模组获取姿态采集板发过来的角度数据，然后对接收的角度数据进行处理，处理后会得到一个速度数据，并通过USB接口发送到电脑主机，通过第一UART接口发送电机驱动板。输入按键和红外接收口用来接受人员的输入信息，完成对系统部分参数的配置和调整。数码管用于显示系统的关键运行参数。

主控制板的原理图部分，图11为MCU部分，包括电源、时钟、复位和调试接口电路，MCU型号选用STM32F407VET6。图12为12V转5V电路，12V由外部供电得到，5V一方面给内部的电路提供供电，另一方面通过接口引出，给外部设备供电。图13为5V转3.3V电路，3.3V用于给MCU和BLE模组供电。图14为USB typeB接口，用于连接到电脑主机。图15为USB转UART电路，供调试时使用。图16为电机驱动接口，用于连接电机驱动板。由于主控制板和电机驱动板的通信之间使用了光耦进行隔离，所以UART信号的电平需要经过此电路的适配，才能连接到驱动板上。图17为数码管显示电路，数码管使用3位共阴极红色数码管，带小数点显示。可显示数字0到9和字母a到f的组合。图18为USB A型母座，用于给外部设备供电，主控制板上有3个USB A型母座，每个最大提供500mA电流。图19为红外接收电路，使用VS1838B一体化红外接收头，用于接收38KHz调制的红外信号。图20为按键和LED电路，主控板上放置了4个输入按键，5个LED状态指示灯。图21为CC2541BLE蓝牙模组，用于和姿态采集板通讯。

电机驱动板的组成如图22所示：

图22中，3表示主控制板，2000为第二UART接口，3000为第三MCU，4000为高压软启动电路，5000为H桥驱动电路，6000为跑步机的直流电机，7000为电流检测电路，8000为过压检测电路。电机驱动板的工作流程为：第三MCU从第二UART接口获取主控制板的控制数据，然后控制高压部分的断上电，以及发送给H桥电路的PWM信号，如果当前电机处于运行状态，MCU会通过过流检测电路和过压检测电路，获取电机运行时的电流和电压数据，如果电流或者电压数据异常，MCU会关闭PWM信号和高压电路，完成对电机的保护。

电机驱动板的原理图部分，如下所示，图23为ACDC电路，该电路为典型的反激电源电路，以220V市电作为输入，输出与市电隔离的15V和12V电压，15V用于电机驱动板后续控制电路的供电，12V用于给相连的主控制板供电，15V和12V直接也相互隔离。图24为高压软启动电路。市电经过10A保险丝后，先通过电阻R41限流，再整流滤波，得到高压直流，避免上电瞬间，电容充电时产生大电流冲击。而电机正式运行时，继电器会将R41短路，以获得足够的运行电流。图25为H桥驱动电路，H桥由2个半桥组成，每个半桥由一个半桥驱动器和2个IGBT组成。半桥驱动器选用IR2104S，IGBT选用G40N60UFD该IGBT耐压为600V，最大持续电流40A，内部带续流二极管，非常适合电机控制场合。图26为15V转5V电路。MCU及部分电路需要在5V电源下工作。图27为MCU，MCU选用STM8S003F3P6。图28为UART接口，用于连接主控制板，UART信号在连接到主控制板前，使用光耦做了隔离处理。图29为蜂鸣器驱动电路，蜂鸣器选用有源蜂鸣器，在系统异常时，蜂鸣器产生报警音。图30为LED指示灯，用于指示电机驱动板的工作状态，通过短闪烁(亮0.1秒，灭0.9秒)、均匀闪烁(亮0.5秒，灭0.5秒)、长闪烁(亮0.9秒，灭0.1秒)来分别指示电机驱动板处于停止、正常运行、错误保护状态。图31为过流保护电路，电流采样信号经过21倍的同向放大，然后进行RC滤波，得到平滑的直流信号，再经过5.1V稳压二极管的钳位保护，送到MCU进行处理。图32为过压保护电路，电机上的电压信号经过1/103分压，再经过滤波、钳位保护，送到MCU进行处理。图33为电机速度反馈接口，转速脉冲反馈信号也用了光耦隔离。该接口用于电机的闭环控制。

本发明能将市面上所有的跑步机都能改装成这种游戏体感交互式的跑步机，本电控系统能颠覆性升级目前跑步机的现有功能，让其具有体感，交互，风感等等一系列功能，极大的升级目前传统跑步机的使用价值。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种游戏体感跑步机电控系统，其特征在于，包括姿态采集板、主控制板和电机驱动板，姿态采集板和主控制板通过蓝牙进行无线数据交换，主控制板和电机驱动板通过有线进行数据交换；

姿态采集板采集人体的姿态信息，通过蓝牙发送到主控制板，主控制板对数据进行解析处理后，一方面对电机驱动板进行控制，另一方面通过USB接口，向连接的电脑主机传送运动信息，电机驱动板根据主控制板对跑步机的直流电机进行控制；

所述电机驱动板包括第二UART接口、第三MCU、高压软启动电路、H桥驱动电路、电流检测电路、为过压检测电路；

第三MCU从第二UART接口获取主控制板的控制数据，通过高压软启动电路控制高压部分的断/上电，发送给H桥驱动电路的PWM信号，H桥驱动电路根据PWM信号驱动跑步机的直流电机，如果当前电机处于运行状态，第三MCU会通过过流检测电路和过压检测电路，获取电机运行时的电流和电压数据，如果电流或者电压数据异常，第三MCU会关闭PWM信号和高压软启动电路，完成对电机的保护；

所述H桥驱动电路，包括芯片U12、电阻R44、电阻R49、电容C34、电容C35、电容C38和二极管D10；芯片U12的型号为IR2014；

芯片U12的脚1分别连接电源15V、电容C34的一端、二极管D10的正极，电容C34的另一端接地，二极管D10的负极分别连接电容C35的一端、芯片U12的脚8，电容C35的另一端连接芯片U12的脚6，芯片U12的脚2连接电阻R44的一端，电阻R44的另一端接地，芯片U12的脚3分别连接电阻R49的一端、电容C38的一端，电阻R49的另一端连接电源15V，电容C38的另一端接地，芯片U12的脚4接地；

还包括带阻尼二极管NPN三极管Q3、带阻尼二极管NPN三极管Q4、稳压二极管ZD3、稳压二极管ZD4、电阻R42、电阻R43、电阻R40、电阻R45、电阻R46、电阻R48、电容C36、电容C37和接头J6；

带阻尼二极管NPN三极管Q3的基极分别连接电阻R43的一端、稳压二极管ZD3的负极、电阻R42的一端，电阻R42的另一端连接芯片U12的脚7，芯片U12的脚6分别连接稳压二极管ZD3的正极、电阻R43的另一端、带阻尼二极管NPN三极管Q3的发射极、带阻尼二极管NPN三极管Q4的集电极、电容C36的一端、电阻R45的一端、接头J6，电容C36的另一端连接电阻R40的一端，电阻R40的另一端分别连接电源320V、带阻尼二极管NPN三极管Q3的集电极，带阻尼二极管NPN三极管Q4的基极分别连接电阻R48的一端、稳压二极管ZD4的负极、电阻R46的一端，电阻R46的另一端连接芯片U12的脚5，稳压二极管ZD4的正极分别连接电阻R48的另一端、带阻尼二极管NPN三极管Q4的发射极、电容C37的一端，电容C37的另一端连接电阻R45的另一端；

还包括带阻尼二极管NPN三极管Q6、带阻尼二极管NPN三极管Q7、稳压二极管ZD5、稳压二极管ZD6、电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电阻R56、电阻R57、电阻R58、电容C41、电容C42和接头J7；

带阻尼二极管NPN三极管Q6的基极分别连接电阻R54的一端、稳压二极管ZD5的负极、电阻R52的一端，稳压二极管ZD5的正极分别连接电阻R54的另一端、带阻尼二极管NPN三极管Q6的发射极、带阻尼二极管NPN三极管Q7的集电极、电容C41的一端、电阻R56的一端、接头J7，电容C41的另一端连接电阻R51的一端，电阻R51的另一端分别连接电源320V、带阻尼二极管NPN三极管Q6的集电极，带阻尼二极管NPN三极管Q7的基极分别连接电阻R58的一端、稳压二极管ZD6的负极、电阻R57的一端，稳压二极管ZD6的正极分别连接电阻R58的另一端、带阻尼二极管NPN三极管Q7的发射极、电容C42的一端、电阻R53的一端、稳压二极管ZD4的正极，电阻R53的另一端接地，电容C42的另一端连接电阻R56的另一端；

还包括芯片U13、电阻R55、电容C39、电容C40和二极管D12；芯片U13的型号为IR2014；

芯片U13的脚1分别连接电源15V、电容C39的一端、二极管D12的正极，电容C39的另一端接地，二极管D12的负极分别连接电容C40的一端、芯片U13的脚8，电容C40的另一端分别连接芯片U13的脚6、稳压二极管ZD5的正极，芯片U13的脚7连接电阻R52的另一端，芯片U13的脚5连接电阻R57的另一端，芯片U13的脚2连接电阻R55的一端，电阻R55的另一端接地，芯片U13的脚3连接电阻R49的一端，芯片U13的脚4接地。

2.根据权利要求1所述的游戏体感跑步机电控系统，其特征在于，所述姿态采集板包括六轴传感器、第一MCU和第一BLE模组；

第一MCU从六轴传感器获取3轴加速度数据和3轴角速度数据，计算出传感器在空间中所处的姿态，然后通过第一BLE模组将计算出的角度数据发送给主控制板。

3.根据权利要求1所述的游戏体感跑步机电控系统，其特征在于，所述主控制板包括USB接口、第二MCU、数码管、第二BLE模组、红外接收口、输入按键和第一UART接口；

第二MCU从第二BLE模组获取姿态采集板发过来的角度数据，然后对接收的角度数据进行处理，处理后会得到一个速度数据，并通过USB接口发送到电脑主机，通过第一UART接口发送电机驱动板，输入按键和红外接收口用来接受人员的输入信息，完成对系统部分参数的配置和调整，数码管用于显示系统的关键运行参数。

Images