CN110523047A - 一种基于压力传感器的跑步机控速方法及装置 - Google Patents

一种基于压力传感器的跑步机控速方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于压力传感器的跑步机控速方法及装置，通过采集跑步机压力传感器的数据，对此进行计算处理，分析根据使用者使用时向前和向后的运动趋势，控制电机速度的加减；根据使用时左右运动倾向性给予安全区间提示或者停止。本发明利用可靠的自适应跑步机控速方法得到跑步机上运动者的运动状态变化及运动倾向，能有效的控制并调节跑步机的速度，并对使用者给予提醒和建议。

Description

一种基于压力传感器的跑步机控速方法及装置
技术领域
本发明涉及跑步机领域，尤其涉一种基于压力传感器的跑步机控速方法及装置。
背景技术
跑步机目前越来越受大众欢迎和喜爱，因为不受时间和地点的制约，只要在家里安置一台跑步机，想什么时候跑步就什么时候跑步。大多数跑步机属于半自动控制方式，利用表头按键等控制速度和坡度等，或者利用APP通信的方式去给予跑步机以不同的速度和坡度。随着运动者越来越高的体验要求，市场上需要一种可以自动调速的跑步机，能够根据运动者的跑步倾向和跑步处于的位置自动识别、控制跑步机速度和坡度等，可以满足运动者越来越高的跑步体验标准，让运动者跑步过程变得更舒服更方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于压力传感器的跑步机跑智能控速方法及装置，该装置通过记录和分析使用者在跑步机上前后传感器的差值与跑板总体负载的比值及左右传感器的差值与跑板总体负载的比值，计算两个比值的变化情况，判断运动者的运动状态及趋势，从而给予跑步机不同的速度控制和予必要的提醒和应急，以求达到更好的跑步体验。为此，本发明采用以下技术方案：
一种基于压力传感器的跑步机控速方法，包含如下几个步骤：
a)使用时，跑步机的传感器数据采集模块采集跑板下方各个压力传感器的数据，所述压力传感器设于跑步机的左前方、右前方、左后方、右后方；
b)使用限幅递推平均滤波法对步骤(a)中得到的数据进行滤波、去噪、校零，得到处理后的压力数据，将左前方处理后的压力数据、右前方处理后的压力数据、左后方处理后的压力数据、右后方的处理后的压力数据设分别为F1、F2、F3、F4；
c)计算前方处理后的压力数据和后方处理后的压力数据的差值与跑板总体负载的比值，得到负载在跑板上的前后变化R1，
R1＝(F1+F2)-(F3+F4)*P1/(F1+F2+F3+F4)；
计算左方处理后的压力数据和右方处理后的压力数据的的差值与跑板总体负载的比值，得到负载在跑板上的左右变化R2，
R2＝(F1+F3)-(F2+F4)*P2/(F1+F2+F3+F4)；
其中，P1为跑板前后受力分析适配系数，P2为跑板左右受力分析适配系数；
d)利用微分计算的方式处理计算R1和R2的变化率，根据该比值的变化率得到运动者前后左右的运动状态及趋势；
e)根据使用时向前和向后的运动趋势，控制电机速度的加减；
f)根据使用时左右运动倾向性给予安全区间提示或者停止；
g)跑步机循环实时监测压力传感器的数据，重复上述a)--d)所有步骤。
进一步的，实时分析R1和R2的数值变化，通过微分计算的方式计算出R1和R2的变化率dr1和dr2。
进一步的，计算R1和R2的变化率的微分计算方式，即计算短时间内R1和R2的差值变化，具体公式如下
dr1＝lim(t->0)△R1/△t，
dr2＝lim(t->0)△R2/△t。
进一步的，上述跑步机控速方法中所述的跑板前后受力分析适配系数P1和P2，该值为计算R1和R2时使用到的受力分析适配系数，该值为常数，需要根据跑步机铁架和压力传感器结构类型进行调节。根据跑步机四个压力传感器离跑板中心的位置和压力传感器受力变形初始位置有关，具体的公式如下所示：
P1＝Lcfr*Idp；
P2＝Lclr*Idp；
其中，Lcfr是前后压力传感器离跑板中心的距离，Lclr是左右压力传感器离跑板中心的距离，Idp基于压力传感器结构设计完成后，压力传感器受力变形初始位置。
进一步的，通过dr1和dr2可以得到运动者的跑步状态及趋势，从而进行相应的控速及提示灯操作，具体的实现方式如下：
进一步的，当dr2持续几次大于0时，表明使用者倾向正在靠右偏移，此时提醒运动者步状态正在向右偏移。此时需要通过表头面板或者APP方式提醒运动者，其跑步状态正在向右偏移，提醒他应该注意避免安全隐患。当dr2持续几次小于0时，表明使用者倾向正在靠左偏移，此时提醒运动者跑步状态正在向左偏移。此时需要通过表头面板或者APP方式提醒运动者，其跑步状态正在向左偏移，提醒他应该注意避免安全隐患。当dr2一直在0或者0左右附近徘徊时，表明运动者跑步居中，不予提醒。
进一步的，当dr1持续几次大于0时，表明使用者倾向正在向前偏移，表明使用者正在提高步幅或者步频，此时表头控制器模块识别到运动者的运动状态并控制电机控制器模块执行加速命令；当dr1持续几次小于0时，表明使用者倾向正在向后偏移，表明使用者正在减小步幅或者步频，此时表头控制器模块识别到运动者的运动状态并控制电机控制器模块执行减速命令；当一直是0或者在0左右时，表明使用者步频和步幅没有过多的变化，趋于稳定，使用者没有改变速度的倾向，此时表头控制器模块识别到使用者的运动状态并执行匀速命令。
进一步的，当监测压力传感器的数据为0或者在0附近摆动时，跑步机停止。即表明没有跑步者在跑台上进行跑步，此时需要使跑步机停止，无需用户自己操作即可完成，实现智能化便捷控制。
进一步的，跑步机表头控制器包括蓝牙或ANT+或wifi模块。
本发明还包括以下技术方案，一种基于压力传感器的跑步机控速装置，包括跑步机铁架，跑板，跑带，电机，压力传感器，传感器数据采集模块，电机控制器模块，表头控制器，传感器数据采集模块通过AD方式采集各位置压力传感器的压力模拟数据，表头控制器模块通过串口或SPI的方式读取传感器数据采集模块内经过放大和AD转换的的压力数字信号，表头控制器模块根据上述的一种基于压力传感器的跑步机控速方法得出的速度控制预设值，通过串口通信的方式将该速度控制值发送给电机控制器模块，该电机控制器模块将PWM波形式对电机进行调速，用于控制跑步机滚轴以带动跑带进行运动。
进一步的，压力传感器位置位于跑板的四角处。
进一步的，传感器数据采集模块置于跑步机表头处。
进一步的，传感器数据采集模块与跑步机表头控制器模块通过串口或SPI通信方式连接，跑步机表头控制器模块通过串口通信方式与电机控制器模块进行通信。本发明包括以下技术方案，该技术方案装置用于实现上述方法：
通过上述技术方案及装置，本发明利用可靠的自适应跑步机控速方法得到跑步机上运动者的运动状态变化及运动倾向，能有效的控制并调节跑步机的速度，并对使用者给予提醒和建议。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于压力传感器的跑步机控速装置结构示意图。
其中，压力传感器1，跑板2，跑带3，跑步机铁架4，传感器数据采集模块5，表头控制器模块6，电机控制器模块7，电机8，跑步机滚轴9。
具体实施方式
参照附图1，一种基于压力传感器的跑步机控速方法的检测装置。跑板2前后由跑带3围绕，跑板2下方为跑步机铁架4，跑步机铁架4与跑板2通过多个连接件连接，跑步机铁架4及跑板2之间除了部分连接件外，还装备有四个压力传感器1。压力传感器1对跑板2不做支撑作用使用，但通过螺丝及缓冲垫连接，确保能够直接接触跑板2和跑步机铁架4，在不影响传感器寿命的情况下能够准确感应到跑板2上的负载压力的变化。
传感器数据采集模块5通过AD方式采集压力各位置压力传感器1的压力模拟数据，跑步机的表头控制器模块6通过串口或SPI的方式读取传感器数据采集模块5内经过放大和AD转换的的压力数字信号，以便表头控制器模块6进行算法识别。表头控制器中的中心处理器包含软件处理算法，进而将跑步压力数据进行处理和分析，得到更多的有效控制数据。
表头控制器模块6根据自适应识别和控速算法得出的速度控制结果，通过串口通信的方式将该速度控制值发送给跑步机的电机控制器模块7，该电机控制器模块7将PWM波形式对电机8进行调速，从而控制跑步机滚轴9以带动跑带33以预定的速度进行运动。图中滚轴示意图为前端滚轴，其中还有后端滚轴在跑板2后端，以配合前端滚轴一起带动跑带3，这属于正常跑步机的结构部件，未多做示意。
压力传感器1属于高精度(C1等级)全桥应变式压力传感器，使用该传感器采集跑步机跑板2上四个角的位置承载的压力数据。
压力传感器1位置位于跑板2的四角处，由此形成一个二维的坐标系，通过算法识别便于准确识别出运动者处于跑板2的具体位置。
通过以上跑步机结构，一种基于压力传感器1的跑步机控速方法，包含如下几个步骤：
a)使用时，跑步机的传感器数据采集模块5采集跑板2下方各个压力传感器11的数据，所述压力传感器11设于跑步机的左前方、右前方、左后方、右后方；
b)使用限幅递推平均滤波法对步骤(a)中得到的数据进行滤波、去噪、校零，得到处理后的压力数据，将左前方处理后的压力数据、右前方处理后的压力数据、左后方处理后的压力数据、右后方的处理后的压力数据设分别为F1、F2、F3、F4；
c)计算前方处理后的压力数据和后方处理后的压力数据的差值与跑板22总体负载的比值，得到负载在跑板22上的前后变化R1，
R1＝(F1+F2)-(F3+F4)*P1/(F1+F2+F3+F4)；
计算左方处理后的压力数据和右方处理后的压力数据的的差值与跑板22总体负载的比值，得到负载在跑板22上的左右变化R2，
R2＝(F1+F3)-(F2+F4)*P2/(F1+F2+F3+F4)；
其中，P1为跑板22前后受力分析适配系数，P2为跑板22左右受力分析适配系数。
上述跑步机控速方法中所述的跑板22前后受力分析适配系数P1和P2，该值为计算R1和R2时使用到的受力分析适配系数，该值为常数，但实际值需要根据跑步机铁架4和压力传感器结构类型进行实际调节。主要根据跑步机四个压力传感器离跑板22中心的位置和压力传感器受力变形初始位置有关，具体的公式如下所示：
P1＝Lcfr*Idp；
P2＝Lclr*Idp。
其中，Lcfr是前后压力传感器离跑板22中心的距离，Lclr是左右压力传感器离跑板22中心的距离，Idp基于压力传感器结构设计完成后，压力传感器受力变形初始位置。
d)利用微分计算的方式处理计算R1和R2的变化率，根据该比值的变化率得到运动者前后左右的运动状态及趋势；
e)根据使用时向前和向后的运动趋势，控制电机8速度的加减；
f)根据使用时左右运动倾向性给予安全区间提示或者停止；
g)跑步机循环实时监测压力传感器1的数据，重复上述a)--d)所有步骤。
实时分析R1和R2的数值变化，通过微分计算的方式计算出R1和R2的变化率dr1和dr2。
其中，计算R1和R2的变化率的微分计算方式，即计算短时间内R1和R2的差值变化，具体公式如下
dr1＝lim(t->0)△R1/△t，
dr2＝lim(t->0)△R2/△t。
通过dr1和dr2可以得到运动者的跑步状态及趋势，从而进行相应的控速及提示灯操作，具体的实现方式如下：
当dr2持续几次大于0时，表明使用者倾向正在靠右偏移，此时提醒运动者步状态正在向右偏移。此时需要通过表头面板或者APP方式提醒运动者，其跑步状态正在向右偏移，提醒他应该注意避免安全隐患。当dr2持续几次小于0时，表明使用者倾向正在靠左偏移，此时提醒运动者跑步状态正在向左偏移。此时需要通过表头面板或者APP方式提醒运动者，其跑步状态正在向左偏移，提醒他应该注意避免安全隐患。当dr2一直在0或者0左右附近徘徊时，表明运动者跑步居中，不予提醒。
当dr1持续几次大于0时，表明使用者倾向正在向前偏移，表明使用者正在提高步幅或者步频，此时表头控制器模6块识别到运动者的运动状态并控制电机控制器模块7执行加速命令；当dr1持续几次小于0时，表明使用者倾向正在向后偏移，表明使用者正在减小步幅或者步频，此时表头控制器模6块识别到运动者的运动状态并控制电机控制器模块7执行减速命令；当一直是0或者在0左右时，表明使用者步频和步幅没有过多的变化，趋于稳定，使用者没有改变速度的倾向，此时表头控制器模6块识别到使用者的运动状态并执行匀速命令。
当监测压力传感器1的数据为0或者在0附近摆动时，跑步机停止。即表明没有跑步者在跑台上进行跑步，此时需要使跑步机停止，无需用户自己操作即可完成，实现智能化便捷控制。
上述，变化率dr1和变化率dr2的阈值需要经过长时间的算法测试进行标定，每一个不同的跑步机铁架4和压力传感器1位置设置方式，该阈值标定的系数是不一定的，与计算前后左右的受力分析适配系数P一样，需要实际调节和验证。
跑步机表头控制器包括蓝牙或ANT+或wifi模块。本发明能通过无线方式(包含蓝牙、ANT+或wifi模块等)将软件算法计算后得到运动者的压力数据、控速、跑姿等信息反馈给APP、PC端、云端服务器、WEB等，由此给予使用者优质的建议和指导，提供更多的服务。
所述跑步机智能控速方法在实现过程中，当使用者在跑步过程中出现跌倒和脱离安全空间时，各个压力传感器1能够及时监测到压力的不正常变化，并能够及时将跑步机停止，与安全锁功能相似。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理前提下，可以对本发明进行多种改型或改进，这些均被视为本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于压力传感器的跑步机控速方法，其特征在于，包含如下几个步骤：
a)使用时，跑步机的传感器数据采集模块采集跑板下方各个压力传感器的数据，所述压力传感器设于跑步机的左前方、右前方、左后方、右后方；
b)使用限幅递推平均滤波法对步骤a)中得到的数据进行滤波、去噪、校零，得到处理后的压力数据，将左前方处理后的压力数据、右前方处理后的压力数据、左后方处理后的压力数据、右后方的处理后的压力数据设分别为F1、F2、F3、F4；
c)计算前方处理后的压力数据和后方处理后的压力数据的差值与跑板总体负载的比值，得到负载在跑板上的前后变化R1，
R1＝(F1+F2)-(F3+F4)*P1/(F1+F2+F3+F4)；
计算左方处理后的压力数据和右方处理后的压力数据的的差值与跑板总体负载的比值，得到负载在跑板上的左右变化R2，
R2＝((F1+F3)-(F2+F4))*P2/(F1+F2+F3+F4)；
其中，P1为跑板前后受力分析适配系数，P2为跑板左右受力分析适配系数；
d)利用微分计算的方式处理计算R1和R2的变化率，根据该比值的变化率得到运动者前后左右的运动状态及趋势；
e)根据使用时向前和向后的运动趋势，控制电机速度的加减；
f)根据使用时左右运动倾向性给予安全区间提示或者停止；
g)跑步机循环实时监测压力传感器的数据，重复上述a)--d)所有步骤。
2.根据权利要求1所述的一种基于压力传感器的跑步机控速方法，其特征在于，实时分析R1和R2的数值变化，通过微分计算的方式计算出R1和R2的变化率dr1和dr2。
3.根据权利要求2所述的一种基于压力传感器的跑步机控速方法，其特征在于，计算R1和R2的变化率的微分计算方式，计算短时间内R1和R2的差值变化，具体公式如下：
dr1＝lim(t->0)△R1/△t，
dr2＝lim(t->0)△R2/△t。
4.根据权利要求1所述的一种基于压力传感器的跑步机控速方法，其特征在于，跑板前后受力分析适配系数P1和P2，该值为计算R1和R2时使用到的受力分析适配系数，该值为常数，需要根据跑步机铁架和压力传感器结构类型进行调节，根据跑步机四个压力传感器离跑板中心的位置和压力传感器受力变形初始位置有关，具体的公式如下所示：
P1＝Lcfr*Idp；
P2＝Lclr*Idp；
其中，Lcfr是前后压力传感器离跑板中心的距离，Lclr是左右压力传感器离跑板中心的距离，Idp基于压力传感器结构设计完成后，传压力感器受力变形初始位置。
5.根据权利要求2所述的一种基于压力传感器的跑步机控速方法，其特征在于，通过dr1和dr2可以得到运动者的跑步状态及趋势，从而进行相应的控速及提示灯操作，具体的实现方式如下：
当dr2持续几次大于0时，表明使用者倾向正在靠右偏移，此时提醒运动者步状态正在向右偏移；当dr2持续几次小于0时，表明使用者倾向正在靠左偏移，此时提醒运动者跑步状态正在向左偏移；当dr2一直在0或者0左右附近徘徊时，表明运动者跑步居中，不予提醒；
当dr1持续几次大于0时，表明使用者倾向正在向前偏移，表明使用者正在提高步幅或者步频，此时表头控制器模块识别到运动者的运动状态并控制电机控制器模块执行加速命令；当dr1持续几次小于0时，表明使用者倾向正在向后偏移，表明使用者正在减小步幅或者步频，此时表头控制器模块识别到运动者的运动状态并控制电机控制器模块执行减速命令；当一直是0或者在0左右时，表明使用者步频和步幅没有过多的变化，趋于稳定，使用者没有改变速度的倾向，此时表头控制器模块识别到使用者的运动状态并执行匀速命令。
6.根据权利要求1所述的一种基于压力传感器的跑步机控速方法，其特征在于，当监测压力传感器的数据为0或者在0附近摆动时，跑步机停止。
7.根据权利要求1所述的一种基于压力传感器的跑步机控速方法，其特征在于，跑步机表头控制器包括蓝牙或ANT+或wifi模块。
8.一种基于压力传感器的跑步机控速装置，其特征在于，包括跑步机铁架，跑板，跑带，电机，压力传感器，传感器数据采集模块，电机控制器模块，表头控制器，传感器数据采集模块通过AD方式采集各位置压力传感器的压力模拟数据，表头控制器模块通过串口或SPI的方式读取传感器数据采集模块内经过放大和AD转换的的压力数字信号，表头控制器模块控制预设值，通过串口通信的方式将该速度控制值发送给电机控制器模块，该电机控制器模块将PWM波形式对电机进行调速，用于控制跑步机滚轴以带动跑带进行运动。
9.根据权利要求6所述的一种基于压力传感器的跑步机控速装置，其特征在于，压力传感器位置位于跑板的四角处，传感器数据采集模块置于跑步机表头处。
10.根据权利要求6所述的一种基于压力传感器的跑步机控速装置，其特征在于，传感器数据采集模块与跑步机表头控制器模块通过串口或SPI通信方式连接，跑步机各模块通过串口通信方式与电机控制器模块进行通信。
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