CN110075514A - 一种游戏单车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种游戏单车，该游戏单车包括：一第一磁性传感器，用于产生与车把转动方向相关联的一第一角度输出，且该第一角度输出是与车把转动轴固定的一第一磁铁相关联；一第二磁性传感器，用于产生与车轮转动速度相关联的一第二角度输出，且该第二角度输出是与车轮中轴连接的一第二磁铁相关联；提供了一种基于磁性传感器和磁铁相对运动实现车把/车轮转向、转速以及转动位置精确检测的游戏单车。

Description

一种游戏单车

技术领域

本发明涉及一种游戏单车，尤其涉及一种利用磁性传感器实现转向及脚踏转速及距离检测的游戏单车。

背景技术

在生活水平逐步发展之下，健身成为大多数人的选择，除了去健身房之外，在家健身也是选择之一。搭载屏幕也成为健身车升级的潮流之一，从屏幕的用途出发，一部分是私教课程的分享，另一部分是骑行游戏。但现状是大多数的游戏单车趣味性都较低，没有办法更好的激发出用户的热情，使其投入到游戏中，进而促使用户积极健身。

市场上随着VR游戏的兴起，载具类的体感游戏也越来越多，单车或者摩托形式的游戏设备逐渐出现，转向及速度检测使得游戏能够与玩家的动作间建立更多的互动。现有技术中在具体检测技术上，大多都还在利用传统的编码器或者惯性传感器进行检测。

专利CN201710151056.0公开了一种VR动感单车及其交互方法，包括方向模拟单元、速度模拟单元、阻力模拟单元、刹车模拟单元和动作模拟单元。方向模拟单元包括角度传感器，使用导电塑料角位移传感器；速度模拟单元包括速度传感器，使用编码器；阻力模拟单元包括磁粉制动器，与车轮结合实现阻力调节；刹车模拟单元包括拉力传感器，安装在车把上，受力时产生弹性变形，产生与拉力对应的电压值。动作模拟单元包括第一电动缸和第一伺服驱动器，可根据游戏情景中的路面情况，发送颠簸信号，驱动电缸运作。

专利CN201710197927.2公开了一种体感智能游戏健身车，车把上具有用来采集车把的转向信号的电位器，车把上还具有测量人体心率的心率传感器，脚踏处设置有用来检测脚踏的转速和正反转状态的编码器。

专利CN201810180697.3公开了一种动感单车踏频检测训练系统，有两部分的传感器，曲柄转速测量传感器加装在所述动感单车的脚踏板、曲柄或者骑行运动员腿脚上，还有轮速测量传感器，建立所述轮转角速度和曲柄转动角速度的映射关系。

现有技术中转速传感器为接触式传感器，需要将传感器转轴与车把转轴固定连接，实现车把转动时带动转向传感器的转轴一起运动，进而检测出转动角度变化；现有技术中转速传感器通常由两种实施实现，第一，转速传感器若使用编码器的技术，利用码盘上面的栅栏进行位置移动的检测，通过统计经过栅栏的个数来确定当前变动的角度，传感器的精度受限于码盘的精度，如果码盘有360个栅栏，等于在一圈中能分辨出来的精度只有1度；第二，若转速传感器使用惯性传感器，则是利用加速度的变化来识别踩踏过程中的运动动作变化，这种情况下，需要确定一个临界位置的动作来识别作为判断是否完成一圈踩踏，虽然该传感技术成熟，但等于将角度问题变成到三轴的加速度问题，在软件识别上会增加复杂度，而且仅能通过加速度检测整圈的运动，并不能检测出在一圈运动内的具体角度位置。

鉴于现有技术中转速传感器的安装方式为接触式，需要安装在车把转轴上，在使用过程中会造成机械疲劳以及磨损，减小转速传感器的寿命；上述转速传感器的实现方式存在传感器检测精度低以及处理过程复杂无法获得具体角度位置的技术问题。

1、转向传感器安装复杂，且寿命受限的问题。将接触式传感器改为非接触式传感器。

2、转速传感器无法识别具体的角度位置。

转速传感器精度受限的问题。

有鉴于此，如何设计一种使用寿命长以及检测精度准确。数据处理简单的游戏单车，以消除现有技术中的上述缺陷和不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。

发明内容

为了克服现有技术中游戏单车的检测转向和角度的传感器使用寿命短以及检测精度低、无法检测在一圈运动内的具体角度位置的技术问题，本发明提供了一种基于磁性传感器和磁铁相对运动实现转向和转速精确检测的游戏单车。

为了实现上述发明目的，本发明公开了一种游戏单车，该游戏单车包括：一第一磁性传感器，用于产生与车把转动方向相关联的一第一角度输出，且该第一角度输出是与车把转动轴固定的一第一磁铁相关联；

一第二磁性传感器，用于产生与车轮转动速度相关联的一第二角度输出，且该第二角度输出是与车轮中轴连接的一第二磁铁相关联，所述第一磁性传感器和所述第二传感器分别设置有传感器坐标系统，其中，优选的传感器坐标系统定义方式为：平行于磁性传感器平面的两个轴分别为x轴和y轴，垂直于磁性传感器平面的一个轴定义为z轴。

进一步地，所述第一角度输出包括相对于车把转动轴顺时针转动的一角度或逆时针转动的一角度。

更进一步地，所述第二磁性传感器基于所述第二角度输出计算车轮的转动速度及转动距离。

更进一步地，所述第一磁性传感器平面平行于所述第一磁铁平面，所述第一磁性传感器用于检测一磁感应强度Bx、By,所述第一角度输出基于所述磁感应强度Bx、By而产生。

更进一步地，所述第二磁性传感器平面垂直于所述第二磁铁平面，所述第二磁性传感器用于检测一磁感应强度Bx、Bz,所述第二角度输出基于所述磁感应强度Bx、Bz而产生。

更进一步地，所述第二磁铁环形固定在车轮中轴外侧。

更进一步地，所述第一磁铁固定在所述车把转动轴的末端。

更进一步地，所述第一磁铁和所述第一磁性传感器之间相对运动，所述第一磁铁运动或所述第一磁性传感器移动。

更进一步地，所述第二磁铁和所述第二磁性传感器之间相对运动，所述第二磁铁运动或所述第二磁性传感器移动。

与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：第一、本申请采用非接触式的磁性传感器与转动轴无固定连接，增加转速传感器的使用寿命；第二、磁性传感器利用磁铁的极性特点，在磁性传感器和磁铁发生相对移动时，车把的转向和车轮转速上都可以识别出正向和反向运动；第三、利用磁性传感器可以检测出车轮具体的转动角度，从而准确识别出脚踏位置。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图得到进一步的了解。

图1是本发明所提供的车把磁铁和磁性传感器一实施例的结构示意图；

图2是本发明所提供的磁性传感器坐标轴的结构示意图；

图3是图2中磁感强度和车把转动角度的曲线图；

图4是本发明提供的车轮磁铁和磁性传感器一实施例的结构示意图；

图5是本发明提供的车轮磁铁和磁性传感器另一实施例的结构示意图；

图6是本发明提供的图4和图5实施例中磁感强度和车轮转动角度的曲线图。

图中：111-第一磁铁；112-第一磁性传感器；113-车把转动轴；411—第二磁铁；412-第二传感器；413-车轮中轴

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

在以下具体实施例的说明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的目的在于提供一种游戏单车，实现基于磁性传感器实现游戏单车车把转向和车轮转速以及车轮具体转动位置的精确检测。

下面结合附图1-6详细说明本发明的具体实施例。

图1-3是本发明所提供的车把磁铁和磁性传感器一实施例结构示意图。如图1所示，本发明提供的游戏单车车把部分包括第一磁性传感器112、车把转动轴113、磁铁111、车架连接部(图中未显示)。其中磁铁111固定在车把转动轴113的末端，磁性传感器112与车架连接部固定，磁性传感器112的中心正对磁铁111的中心，但两者不产生接触。当车把连着车把转动轴113发生转向时，固定在车把转动轴113末端的磁铁111同时发生转动，因此磁铁111作用在磁性传感器112上的磁场发生变化，磁性传感器112根据磁场变化的大小得到Bx和By方向磁感应强度的大小，进而计算出车把转向的角度。其中，定义基于磁性传感器112的坐标系统时，是以磁性传感器112的平面作为坐标系统x-y平面，垂直于磁性传感器112的方向定义为坐标系z轴。

磁铁111天然具有极性，因此磁铁111正向转动的磁场与反向转动的磁场变化不同，故第一磁性传感器112可识别出车把转动轴113也即车把的转向方向以及转向角度的大小，得到转向角度后，将该角度与发生角度变化对应的时间进行积分，就可以得到转向速度变化。

优选的实施例：第一磁性传感器112的平面与第一磁铁111的平面相互平行，第一磁铁111转动，第一磁性传感器112静止不动，可以通过第一磁性传感器112检测磁性传感器112三轴坐标系x-y平面中x轴和y轴方向上磁感应强度的变化，进而计算出车把的转动方向以及转动的角度。

当然，本领域技术人员也可根据实际的应用场景，选择其他的安装形式，实现第一磁铁111和第一磁性传感器112实现相对运动，例如但不限于下述方式，在车把转向过程中，磁性传感器运动，和磁性传感器配合使用的磁铁静止不动。

图3中显示了磁感强度和车把转动角度的曲线图，其中清晰的显示了磁性传感器112检测到的坐标轴Bx和By方向上磁感应强度的大小及变化对应的单车车把转向以及转动角度的大小。

其中，为了更清楚的表达磁感应强度和角度之间的关系，可以采用关系式的形式表示转动的角度是通过磁感应强度得到：

α＝∠(Bx，By)；

其中，α代表的是转动的角度，Bx和By代表了磁感应传感器检测到的x轴和y轴方向磁感应强度。

由于磁性传感器112位于磁铁111在平面x-y的中心，因此应有x轴、y轴方向的磁感应强度变化的幅度是一致的，此种结构可以简化运算过程，减小运算处理器的复杂度。

图4-图6介绍了车轮磁铁和磁性传感器实施例的结构示意图以及磁感应强度和车轮转动角度的曲线图。

图4提供的车轮磁铁和磁性传感器一实施例的结构示意图；车轮部分包括中轴413、曲柄、脚踏、环状磁铁411、磁性传感器412。其中环状磁铁411套在中轴413上，磁性传感器412固定在中轴413的前方。

实施例一

磁性传感器412平面垂直于环状磁铁411的平面，中轴413与脚踏通过曲柄连接(图中未显示)，当用户踩踏脚踏时，中轴413转动，带动环状磁铁411转动，此时磁性传感器412坐标系中x轴与z轴方向上的磁场发生变化，磁性传感器412测得x轴和z轴方向的磁感应强度Bx和Bz，根据测量的磁感应强度大小Bx和Bz的大小可以得出车轮的转动角度。

采用表达式的形式表示转动的角度和磁感应强度之间关系：

α＝∠(k’*Bx，Bz)

其中，磁性传感器112的坐标系与第一实施例相同，磁性传感器112平面是x-y平面，垂直磁性传感器112平面是z轴。α是环状磁铁旋转角度或者传感器绕中心的旋转角度。B是磁感应强度，k’代表系数，Bx和Bz代表了磁性传感器检测到的x轴和z轴方向磁感应强度。本实施例中，由于磁性传感器112并非位于磁铁相对于磁性传感器112坐标系在某一投影的中心，因此，磁性传感器112检测到两个方向的磁感应强度变化的幅度是不一致的。

实施例二

磁性传感器412平面平行于于环状磁铁411的平面，中轴413与脚踏通过曲柄连接(图中未显示)，当用户踩踏脚踏时，中轴413转动，带动环状磁铁411转动，此时磁性传感器412坐标系中x轴与z轴方向上的磁场发生变化，磁性传感器412测得x轴和y轴方向的磁感应强度Bx和By，根据测量的磁感应强度Bx和By的大小以及变化可以得出车轮的转动角度以及转动的方向。

采用表达式的形式表示转动的角度和磁感应强度之间关系：

α＝∠(k’*Bx，By)；

其中，α代表的是环状磁铁旋转角度或者传感器绕中心的旋转角度，k’代表系数，Bx和By代表了磁感应传感器检测到的x轴和y轴方向磁感应强度。

在磁铁和磁性传感器发生相对移动时，磁性传感器平行于磁铁平面的两个轴向的磁感应强度发生改变，当磁性传感器位于磁铁平面投影的中心位置时，平行于磁铁平面的磁性传感器相互垂直的两个轴的磁感应强度变化一致；当磁性传感器不位于磁铁平面投影的中心位置时，平行于磁铁平面的磁性传感器两个相互垂直的轴线的磁感应强度存在强度不等的情况。

同理利用磁铁411的极性的特性，车轮正转和反转得到的磁场变化也是不同的，进而根据磁场的变化，进而识别出转向方向，磁性传感器412分别测量出磁铁411平面二维的磁感应强度大小，利用测得的磁感应强度的大小得到车轮的转向角度，将该角度与发生角度变化对应的时间进行积分，就可以得到车轮转速。根据磁场传感器的安装位置，可将初始状态的脚踏位置对应角度定义为0度，这样根据当前的角度值的变化，来得到脚踏当前位置，也即实现了车轮转动具体位置的测量，提高了转速以及车轮移动位置的精确测量。

更进一步地，当车轮部件使用牙盘时，可以根据牙盘半径和车轮齿轮的半径来进行换算。将中轴牙盘运转的圈数换成实际车轮前进的圈数，根据车轮半径就可以计算单车前进的距离。

上述的实施例中均是介绍磁性传感器平面和磁铁平面平行的实施方式，此种实施方式下，磁性传感器仅仅需要检测平行于磁铁平面二维的磁感应强度即可实现车把和车轮的转向以及转动角度的大小，简化了运算过程。

另一实施例：

针对车把部分与车轮部分，磁性传感器平面和磁铁平面也可不平行或者垂直设置，也即这两个平面倾斜设置，此种情况下，磁性传感器需要检测以磁性传感器三轴方向上的磁感应强度，进而实现对车把转向或者车轮转速的计算，该实施例相较于上述的实施例而言，根据磁感应强度计算车把的转向好以及车轮的转速时需要更大的计算量。

与现有技术相比较，本发明所提供的游戏单车具有以下优点：第一、本申请采用非接触式的磁性传感器与转动轴无固定连接，增加转速传感器的使用寿命；第二、磁性传感器利用磁铁的极性特点，在磁性传感器和磁铁发生相对移动时，车把的转向和车轮转速上都可以识别出正向和反向运动；第三、利用磁性传感器可以检测出车轮具体的转动角度，从而准确识别出脚踏位置。

如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种游戏单车，其特征在于，该游戏单车包括：一第一磁性传感器，用于产生与车把转动方向相关联的一第一角度输出，且该第一角度输出是与车把转动轴固定的一第一磁铁相关联；

一第二磁性传感器，用于产生与车轮转动速度相关联的一第二角度输出，且该第二角度输出是与车轮中轴连接的一第二磁铁相关联；

基于所述第一磁性传感器和所述第二磁性传感器分别设置有传感器坐标系统。

2.如权利要求1所述的一种游戏单车，其特征在于，所述第一角度输出包括相对于车把转动轴顺时针转动的一角度或逆时针转动的一角度。

3.如权利要求1所述的一种游戏单车，其特征在于，所述第二磁性传感器基于所述第二角度输出计算车轮的转动速度及转动距离。

4.如权利要求1所述的一种游戏单车，其特征在于，所述第一磁性传感器平面平行于所述第一磁铁平面，所述第一磁性传感器用于检测一磁感应强度Bx、By,所述第一角度输出基于所述磁感应强度Bx、By而产生。

5.如权利要求1所述的一种游戏单车，其特征在于，所述第二磁性传感器平面平行于所述第二磁铁平面，所述第二磁性传感器用于检测一磁感应强度Bx、By,所述第二角度输出基于所述磁感应强度Bx、By而产生。

6.如权利要求1所述的一种游戏单车，其特征在于，所述第二磁性传感器平面垂直于所述第二磁铁平面，所述第二磁性传感器用于检测一磁感应强度Bx、Bz,所述第二角度输出基于所述磁感应强度Bx、Bz而产生。

7.如权利要求1所述的一种游戏单车，其特征在于，所述第二磁铁环形固定在车轮中轴外侧。

8.如权利要求1所述的一种游戏单车，其特征在于，所述第一磁铁固定在所述车把转动轴的末端。

9.如权利要求1所述的一种游戏单车，其特征在于，所述第一磁铁和所述第一磁性传感器之间相对运动，所述第一磁铁运动或所述第一磁性传感器移动。

10.如权利要求1所述的一种游戏单车，其特征在于，所述第二磁铁和所述第二磁性传感器之间相对运动，所述第二磁铁运动或所述第二磁性传感器移动。