CN111714865B - 一种虚拟骑行模拟环境同步方法及平台、虚拟骑行同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种虚拟骑行模拟环境同步方法及平台、虚拟骑行同步系统，属于虚拟骑行领域软硬件技术，以提高用户在骑行过程中的骑行真实感。所述虚拟骑行模拟环境同步方法包括：接收自行车仿真模拟设备发送的骑行监信息；根据骑行监测信息与虚拟骑行三维环境更新虚拟骑行模拟平台的骑行模拟参数；根据虚拟骑行模拟平台的骑行模拟参数控制自行车仿真模拟设备对后车轮姿态、前车轮姿态和车座姿态进行同步。所述虚拟骑行模拟环境同步平台用于执行虚拟骑行模拟环境同步方法。本发明提供的虚拟骑行模拟环境同步方法应用在虚拟骑行系统中。

Description

一种虚拟骑行模拟环境同步方法及平台、虚拟骑行同步系统

技术领域

本发明涉及虚拟骑行领域，具体涉及一种虚拟骑行模拟环境同步方法及平台、虚拟骑行同步系统。

背景技术

虚拟骑行设备是一种为用户提供虚拟骑行的室内骑行体验设备。它建立在真实BIM模型的基础上，可以为骑行者提供身临其境的感受，从而在提升骑行真实感的同时，使得用户能够欣赏到骑行线路周边的景观。

现有虚拟骑行设备感知维度具有局限性，导致虚拟骑行过程中真实感不强，错误的感知体验甚至会造成骑行跌落的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚拟骑行模拟环境同步方法及平台、虚拟骑行同步系统，以提高用户在骑行过程中的骑行真实感。

为了实现上述目的，本发明提供一种虚拟骑行模拟环境同步方法，应用于自行车，所述自行车包括车身以及设在所述车身上的车座、前车轮和后车轮，所述道路虚拟环境同步方法包括：

接收自行车仿真模拟设备发送的骑行监测信息；

根据所述骑行监测信息更新虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数；

根据所述虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数控制自行车仿真模拟设备对后车轮姿态、前车轮姿态和车座姿态进行同步。

与现有技术相比，本发明提供的虚拟骑行模拟环境同步方法中，通过接收自行车仿真模拟设备发送的自行车的骑行监测信息，并通过骑行监测信息更新虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数，并根据虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数对后车轮姿态、前车轮姿态和车座姿态进行同步。由此可见，前车轮姿态、后车轮姿态以及车座姿态的同步是综合考虑虚拟骑行三维环境和骑行监测信息，使得用户在骑行过程中可以真实的感受到虚拟骑行三维环境中不同路况转弯时带来的不同骑行体验，避免骑行过程中车把抖动的现象，提升用户虚拟骑行真实感。另外，根据所述虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数可以控制自行车仿真模拟设备调节车座的偏移姿态，模拟用户在转弯骑行过程中重心的偏移，而车座的偏移姿态是综合考虑了虚拟骑行三维环境和骑行监测信息，避免自行车在转弯时的发生侧翻，可有效地减轻用户在高速骑行过程中转弯的恐惧感，增强骑行的真实性。

本发明还提供一种虚拟骑行模拟环境同步平台。该虚拟骑行模拟环境同步平台包括：处理器和通信接口，所述通信接口和所述处理器耦合，所述处理器用于运行计算机程序或指令，以实现上述技术方案所述虚拟骑行模拟环境同步方法。

与现有技术相比，本发明提供的虚拟骑行模拟环境同步平台的有益效果与上述虚拟骑行模拟环境同步方法的有益效果相同，在此不做赘述。

本发明还提供一种虚拟骑行同步系统。该虚拟骑行同步系统包括：

自行车；

上述技术方案所述虚拟骑行模拟环境同步平台；

以及与所述虚拟骑行模拟环境同步平台通信的自行车仿真模拟设备。

与现有技术相比，本发明提供的虚拟骑行同步系统的有益效果与上述虚拟骑行模拟环境同步方法的有益效果相同，在此不做赘述。

本发明还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质中存储有指令，当指令被运行时，执行上述技术方案所述虚拟骑行模拟环境同步方法。

与现有技术相比，本发明提供的计算机存储介质的有益效果与上述虚拟骑行模拟环境同步方法的有益效果相同，在此不做赘述。

本发明还提供一种芯片，该芯片包括处理器以及与处理器耦合的通信接口，处理器用于运行计算机程序或指令，执行上述虚拟骑行模拟环境同步方法。

与现有技术相比，本发明提供的芯片的有益效果与上述虚拟骑行模拟环境同步方法的有益效果相同，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的虚拟骑行同步系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中自行车仿真模拟设备在自行车的应用场景示意图；

图3为本发明实施例提供的虚拟骑行同步系统的信号交互图；

图4为本发明实施例提供的虚拟骑行模拟环境同步方法的基本流程图；

图5为本发明实施例提供的虚拟骑行模拟环境同步方法的原理图；

图6为本发明实施例中虚拟自行车位置的生成流程图；

图7为本发明实施例中前车轮姿态模拟组件的结构示意图；

图8为本发明实施例中车座姿态模拟组件的结构示意图；

图9为本发明实施例中后车轮姿态模拟组件的结构示意图；

图10为本发明实施例中骑行踏板频率采集组件的结构示意图；

图11为本发明实施例中虚拟视频采集装置和虚拟音频采集装置的位置和角度生成流程图；

图12为本发明实施例中播放视频信息和播放音频信息的流程图；

图13为本发明实施例提供的风场模拟设备的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的虚拟骑行模拟环境同步平台的结构示意图；

图15为本发明实施例提供的芯片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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作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。

本实施例中提到的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明，旨在以具体方式呈现相关概念，不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。

目前，虚拟骑行设备感知维度具有局限性，例如：在自行车前车轮转动阻尼模拟方面，忽视行车前车轮旋转所带来的陀螺效应，导致在高速骑行过程中车把方向性手感不真实，骑行者会出现车把快速抖动的现象。另外，在模拟骑手转弯过程中忽视了骑行者重心侧移的动作模拟，导致模拟骑行中出现转弯恐惧感，甚至在穿戴VR头盔等穿戴显示设备的时候，造成骑行者跌落骑行台的危害。

针对上述问题，本发明实施例提供一种虚拟骑行模拟环境同步方法。该虚拟骑行模拟环境同步方法可以应用于虚拟骑行同步系统。

图1示出了本发明实施例提供的一种虚拟骑行同步系统的结构示意图。图2示出本发明实施例中自行车仿真模拟设备在自行车的应用场景示意图。如图1和图2所示，该虚拟骑行同步系统包括自行车10、自行车仿真模拟设备20以及虚拟骑行模拟环境同步平台30。自行车仿真模拟设备20与虚拟骑行模拟环境同步平台30通信连接。

如图1所示，上述虚拟骑行同步系统还包括头部姿态采集设备40和穿戴显示设备50。头部姿态采集设备40和穿戴显示设备50均与虚拟骑行模拟环境同步平台30通信。

示例性的，如图1～图3所示，上述自行车10包括车身以及设在车身上的车座、前车轮和后车轮。车身可以包括架体、车把、踏板以及齿轮传动机构。车把均设在架体上。齿轮传动机构包括牙盘以及与牙盘相啮合的链条。牙盘还通过中轴与踏板动力连接。牙盘通过链条与后车轮链条连接。此时，用户踩踏踏板的过程中，踏板可以通过中轴、牙盘和链条将动力传动至后车轮，从而保证自行车正常骑行。基于此，自行车仿真模拟设备20包括均与虚拟骑行模拟环境同步平台30通信的前车轮姿态模拟组件201、车座姿态模拟组件 202、后车轮姿态模拟组件203和骑行踏板频率采集组件204。前车轮姿态模拟组件201用于采集前车轮转向角度以及在虚拟骑行模拟环境同步平台30控制下调节前车轮转动阻尼。车座姿态模拟组件202用于采集车座转动角度以及在虚拟骑行模拟环境同步平台30控制下调节车座转动阻尼。后车轮姿态模拟组件203用于采集后车轮骑行角度以及在虚拟骑行模拟环境同步平台30控制下调节后车轮转动阻尼和俯仰角。骑行踏板频率采集组件204用于采集骑行踏板转速。

在一些情况下，如图2和图3所示，上述虚拟骑行同步系统还包括与虚拟骑行模拟环境同步平台30通信的风场模拟设备60，用以向图2中示出的自行车10提供风场。

针对上述问题，本发明实施例提供一种虚拟骑行模拟环境同步方法，应用于图2所示自行车10。自行车10包括车身以及设在车身上的车座、前车轮和后车轮。

为了清楚的描述本发明实施例提供的虚拟骑行模拟环境同步方法，下述实施例虚拟骑行模拟环境同步平台作为执行主体为例进行描述。其中，该虚拟骑行模拟环境同步方法由虚拟骑行模拟环境同步平台执行的步骤，也可以由应用于虚拟骑行模拟环境同步平台的芯片执行。图4示出本发明实施例提供的虚拟骑行模拟环境同步方法的基本流程图。如图4所示，本发明实施例提供的虚拟骑行模拟环境同步方法包括：

步骤101：虚拟骑行模拟环境同步平台接收自行车仿真模拟设备发送的骑行监测信息。

步骤102a：虚拟骑行模拟环境同步平台根据骑行监测信息更新虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数。

步骤103a：虚拟骑行模拟环境同步平台根据虚拟骑行模拟平台的骑行模拟参数控制自行车仿真模拟设备对后车轮姿态、前车轮姿态和车座姿态进行同步。

基于上述虚拟骑行模拟环境同步方法可知，本发明实施例提供的虚拟骑行模拟环境同步方法中，通过接收自行车仿真模拟设备发送的自行车的骑行监测信息，并通过骑行监测信息更新虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数，并根据虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数对后车轮姿态、前车轮姿态和车座姿态进行同步。由此可见，前车轮姿态、后车轮姿态以及车座姿态的同步是综合考虑虚拟骑行三维环境和骑行监测信息，使得用户在骑行过程中可以真实的感受到虚拟骑行三维环境中不同路况转弯时带来的不同骑行体验，避免骑行过程中车把抖动的现象，提升用户虚拟骑行真实感。另外，根据虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数可以控制自行车仿真模拟设备调节车座的偏移姿态，模拟用户在转弯骑行过程中重心的偏移，而车座的偏移姿态是综合考虑了虚拟骑行三维环境和骑行监测信息，避免自行车在转弯时的发生侧翻，可有效地减轻用户在高速骑行过程中转弯的恐惧感，增强骑行的真实性。

作为一种可能的实现方式，如图5所示，虚拟骑行三维环境由建筑信息模型(Building Information Modeling，缩写为BIM)模型构建。BIM模型至少包括：环境空间三维模型、空间模型纹理信息、道路参数信息和环境关联信息。道路参数信息包括但不限于道路平面和高程信息、道路铺设材料信息。环境关联信息包括但不限于交通信息和气候信息。其中交通信息可以为通过建筑模型中的具体道路的交通通行情况，例如：车流量和人流量；气候信息包括但不限于风场调节信息，例如：某时间段内，某道路上的风为三级西北风。

当上述BIM模型为现实世界中真是存在的线路模型时，上述虚拟骑行三维环境实质是根据现实世界中真实存在的线路构建虚拟骑行三维环境，例如：根据具有旅游价值的带状公路廊道进行构建虚拟骑行三维环境。当上述BIM 模型为现实世界不存在的线路模式时，上述虚拟骑行三维环境实质根据虚构情景构建虚拟骑行三维环境。

在一种可选方式中，如图2和图5所示，上述前车轮姿态模拟组件201 可以采集自行车的前车轮转向角度，后车轮姿态模拟组件203可以采集自行车的后车轮骑行速度，车座姿态模拟组件202可以采集自行车的车座转动角度。基于此，自行车的骑行监测信息可以包括前车轮转向角度、后车轮骑行速度和车座转动角度。骑行模拟平台的骑行模拟参数包括：虚拟自行车垂直移动速度和虚拟自行车水平移动速度和虚拟自行车角度变化。应理解，后车轮骑行速度可以为后车轮的转动角速度，也可以是后车轮的线速度，具体根据实际情况设定。车座转动角度实质是车座的倾斜角度或者说偏移角度。

具体来说，如图5和图6所示，虚拟骑行模拟环境同步平台根据骑行监测信息更新虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数包括：

步骤102a1：虚拟骑行模拟环境同步平台根据前车轮转向角度和车座转动角度更新虚拟骑行三维环境的虚拟自行车水平移动速度和虚拟自行车角度变化。

在实际应用中，自行车的前车轮可以转向，并且自行车在骑行过程中，其速度受到道路参数信息的影响。基于此，可以以自行车的前车轮转向和车座转动角度为依据，结合道路参数信息，确定虚拟自行车水平移动速度和虚拟自行车角度变化。

步骤102a2：虚拟骑行模拟环境同步平台根据后车轮骑行速度更新虚拟骑行三维环境的虚拟自行车垂直移动速度。

在实际应用中，自行车的后车轮无法转向，自行车的前车轮可以转向。并且自行车在骑行过程中，其速度受到道路参数信息的影响。基于此，可以以自行车的后车轮骑行速度为依据，结合道路参数信息，确定自行车垂直移动速度。

上述垂直方向是指虚拟自行车在没有拐弯的情况下的行进方向，上述水平方向与垂直方向夹角为90°，上述虚拟自行车角度变化用以表征虚拟自行车的拐弯速度和拐弯程度。

步骤103a3：根据BIM模型、虚拟自行车垂直移动速度以及所述虚拟自行车水平移动速度，确定虚拟骑行三维环境中虚拟自行车位置。

如图3和图5所示，虚拟骑行模拟环境同步平台根据虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数控制自行车的后车轮姿态、前车轮姿态和车座姿态进行同步包括：

虚拟骑行模拟环境同步平台根据道路参数信息、虚拟自行车垂直移动速度、虚拟自行车水平移动速度、虚拟自行车角度变化以及第一物理引擎控制自行车仿真模拟设备对前车轮转向阻尼、后车轮转动阻尼和车座转动阻尼进行同步。

虚拟骑行模拟环境同步平台根据道路参数信息和第二物理引擎控制所述自行车仿真模拟设备对后车轮俯仰角进行同步。

对于前车轮姿态模拟组件来说，如图7所示，上述前车轮姿态模拟组件 201包括直线滑轨2011、缓冲板2012、转动机构2013和前车轮旋转阻尼器(图中未示出)。前车轮旋转阻尼器固定在直线滑轨2011上，缓冲板2012活动的套设在前车轮旋转阻尼器上。支撑机构2013设在前车轮旋转阻尼器的顶部，且支撑机构2013可以相对于缓冲板2012相对转动。前车轮旋转阻尼器用于获取自行车前车轮转向角度，并调节自行车的前车轮转动阻尼，从而使得现实中的自行车的前车轮姿态与虚拟自行车的前车轮姿态同步。该前车轮旋转阻尼器可以为磁滞阻尼器等电控阻尼器。当然，前车轮旋转阻尼器也可以为其他类型的阻尼器。

如图7所示，上述前车轮姿态模拟组件201还开设有容纳空间2014，用于容纳自行车的前车轮。当自行车转向的过程中，支撑机构2013可以相对缓冲板201 2 相对转动，以消除在转向时前车轮的陀螺效应，并避免转向时前车轮与地面之间的相对位移，车把不会发生抖动，增强虚拟骑行的真实感。

示例性的，当本实施例中的前车轮旋转阻尼器为电控阻尼器，电控阻尼器获取自行车的前车轮转向角度，并以数字信号的形式发送至虚拟骑行模拟环境同步平台。虚拟骑行模拟环境同步平台可以向电控阻尼器发送控制现实世界的自行车阻尼的前车轮阻尼控制信号，使得现实世界的自行车前车轮阻尼与虚拟自行车前车轮阻尼匹配。例如：该前车轮阻尼控制信号可以为满足虚拟自行车的前车轮阻尼匹配的电控阻尼器的输入电流，使得电控阻尼器根据输入电流的大小实现对前车轮阻尼的调节。该电控阻尼器的输入电流满足第一物理引擎。该第一物理引擎为：

其中，I_max为预设的最大工作电流；I为电控阻尼器的输入电流；α为电控阻尼器参数，电控阻尼器参数可以由阻尼器的类型决定；β为虚拟骑行三维环境中虚拟骑行道路的路面摩擦系数；m为虚拟自行车的前车轮质量，单位千克；r为虚拟自行车的前车轮半径，单位毫米；v为虚拟自行车骑行速度，单位千米/小时。

由上述第一物理引擎可以看出：虚拟骑行模拟环境同步平台根据虚拟自行车垂直移动速度、虚拟自行车水平移动速度以及虚拟自行车角度变化获得虚拟自行车骑行速度。在此基础上，以道路参数信息和虚拟自行车骑行速度为第一物理引擎的输入信息，计算出作为前车轮阻尼控制信号的电控阻尼器的输入电流。

应理解，上述第一物理引擎中虚拟骑行三维环境中虚拟骑行道路的路面摩擦系数，发送至电控阻尼器，电控阻尼器根据输入电流的大小实现对前车轮阻尼的调节擦系数可以由道路铺设材料信息确定。

对于车座姿态模拟组件来说，上述车座姿态模拟组件可以与自行车的车座合二为一，使得车座姿态模拟组件还可以作为自行车的车座使用。基于此，如图8所示，上述车座姿态模拟组件202包括：车座2021、车座偏转机构2022、车座支撑机构2023以及车座旋转阻尼器2024，车座2021可拆卸的安装在车座偏转机构2022上，车座偏转机构2022通过车座支撑机构2023与自行车的架体固定连接，车座旋转阻尼器2024固定在车座偏转机构2022上。例如：车座旋转阻尼器2024可通过法兰与车座偏转机构2022固定连接。车座旋转阻尼器2024用于测量车座转动角度，并可以调节车座的转动阻尼，以调节车座偏转机构2022的阻力，进而达到调节车座偏移姿态的目的，使得车座的重心侧移的姿态与虚拟自行车的车座姿态同步。应理解，车座旋转阻尼器可以为电控阻尼器。当然，车座旋转阻尼器2024也可以为其他类型的阻尼器。

由于车座转动姿态调整的过程中，车座会出现中心偏移的动作，使得虚拟骑行三维环境中虚拟自行车转弯时用户可以感知车座重心侧移动作，减轻模拟骑行过程中骑行者的恐惧感，降低了骑行者跌落的风险。

示例性的，当车座旋转阻尼器可以为电控阻尼器，电控阻尼器获取自行车的车座转动角度，并以数字信号的形式发送至虚拟骑行模拟环境同步平台。虚拟骑行模拟环境同步平台可以向电控阻尼器发送车座阻尼控制信号，使得现实世界的自行车车座阻尼与虚拟自行车车座阻尼匹配。例如：该车座阻尼控制信号可以为满足虚拟自行车的车座阻尼的电控阻尼器的输入电流，使得电控阻尼器根据输入电流的大小实现对前车轮阻尼的调节。该电控阻尼器的输入电流同样满足前文中第一物理引擎。应当理解，此时的第一物理引擎中各个参数表示：I_max为预设的最大工作电流；I为电控阻尼器的输入电流；α为电控阻尼器参数；β为虚拟骑行三维环境中虚拟骑行道路的路面摩擦系数；m 为虚拟自行车的车座质量，单位千克；r为虚拟自行车的车座半径，单位毫米； v为虚拟自行车骑行速度，单位千米/小时。

为了保证电控阻尼器的输入电流与虚拟自行车的车座阻尼匹配，虚拟骑行模拟环境同步平台可以根据道路参数信息、虚拟自行车垂直移动速度、虚拟自行车水平移动速度、虚拟自行车角度变化以及第一物理引擎，获得车座转动阻尼控制信号，并发送至车座姿态模拟组件。车座姿态模拟组件根据车座转动阻尼控制信号调节车座转动阻尼，以控制车座转动姿态，使得车座姿态与虚拟自行车的车座姿态同步。

对于后车轮姿态模拟组件来说，如图9所示，后车轮姿态模拟组件203 包括后车轮滑轨2031、连杆组件2032、两个摩擦轮2033、两个后车轮旋转阻尼器2034以及驱动电机(图中未示出)。两个摩擦轮2033位于后车轮滑轨 2031；后车轮和两个摩擦轮2033通过连杆组件2032铰接。两个后车轮旋转阻尼器2034一一对应设置在两个摩擦轮2033上。驱动电机用于可以驱动两个摩擦轮2033在后车轮滑轨2031上滑动，使得两个摩擦轮2033通过连杆组件2032调节后车轮俯仰角。

在实际应用中，虚拟骑行模拟环境同步平台可以根据虚拟骑行三维环境的道路高程等信息确定自行车的俯仰角。自行车的俯仰角为虚拟自行车的轴向与水平夹角形成的夹角。虚拟自行车的轴向是指虚拟自行车的前车轮和后车轮的中心连线。

为了保证驱动电机可以控制自行车的俯仰角，可以基于上述后车轮姿态模拟组件进行建模，确定自行车的俯仰角满足如下第二物理引擎：

其中，θ为虚拟自行车的俯仰角；x为两个摩擦轮圆心距；R为虚拟自行车的后车轮半径；D为虚拟自行车的前车轮与后车轮的中心距离；l为摩擦轮半径。

当虚拟骑行模拟环境同步平台在确定虚拟自行车的俯仰角，可以利用上述第二物理引擎确定后车轮姿态模拟组件所包括的两个摩擦轮圆心距x。而由于驱动电机用于可以驱动两个摩擦轮在后车轮滑轨上滑动，因此，当两个摩擦轮圆心距x确定的情况下，虚拟骑行模拟环境同步平台可以将两个摩擦轮圆心距x转化为驱动电机的驱动信号(如驱动电流)，并发送给驱动电机，以使得驱动电机根据驱动电机的驱动电流驱动两个摩擦轮在后车轮滑轨的滑动方向、滑动距离，以保证两个摩擦轮在后车轮滑轨的相对位置经过驱动电机调整后，可以控制自行车的俯仰角，使得自行车的俯仰角可以实时匹配虚拟骑行三维环境的路面高程，并与虚拟自行车的俯仰角同步。

当虚拟自行车在虚拟环境三维环境处在上坡场景，如图9所示，驱动电机驱动两个摩擦轮2033做相向运动时，两个摩擦轮2033可以通过连杆组件 2032将后车轮抬起，使得后车轮的中心高于前车轮的中心。此时自行车的轴向与水平面之间的角度为仰角，可以控制现实中的自行车模拟自行车下坡场景。应理解，自行车的轴向是指自行车的前车轮与后车轮的中心连线。

当虚拟自行车在虚拟环境三维环境处在下坡情景，如图9所示，驱动电机驱动两个摩擦轮2033做反向运动时，两个摩擦轮2033可以通过连杆组件下拉后车轮，使得后车轮的中心低于前车轮的中心。此时自行车的轴向与水平面之间的角度为俯角，可以控制现实中的自行车模拟自行车上坡场景。

由上可见，虚拟骑行模拟环境同步平台可以根据虚拟自行车在虚拟环境三维环境的高程(或者道路坡度)调节现实世界的自行车后车轮俯仰角，使得现实世界的自行车可以实时追踪虚拟自行车在虚拟环境三维环境所处的路面坡度变化，从而保证现实世界的自行车与虚拟世界的自行车的俯仰角匹配，增加用户的真实感体验。

为了获知后车轮的骑行速度，上述后车轮旋转阻尼器获取相应摩擦轮的实时摩擦轮角速度。虚拟骑行模拟环境同步平台可以根据摩擦轮旋转角速度确定后车轮骑行速度。例如：当摩擦轮旋转角速度为ω(单位：rad/s)，摩擦轮半径为r(单位：米)，v为后车轮骑行速度(单位：米/秒)。此时，ω、 v和r满足v＝ωr。

上述后车轮旋转阻尼器可以为电控阻尼器。当然，后车轮旋转阻尼器也可以为其他类型的阻尼器。由于后车轮旋转阻尼器与前车轮旋转阻尼器同属于相同类型的阻尼器，虚拟骑行模拟环境同步平台调节后车轮的阻尼的方式可以参考前文调节前车轮阻尼的过程。但区别在于，电控阻尼器通过两个摩擦轮获取自行车的后车轮骑行速度(例如：后车轮转动角度)，并以数字信号的形式发送至虚拟骑行模拟环境同步平台。虚拟骑行模拟环境同步平台向电控阻尼器发送与虚拟自行车的后车轮阻尼匹配的后车轮阻尼控制信号，使得现实世界的自行车后车轮阻尼与虚拟自行车后车轮阻尼匹配。电控阻尼器在后车轮阻尼控制信号的控制下向两个摩擦轮提供阻尼，以间接的控制现实世界中自行车的后车轮阻尼，使得电控阻尼器的输入电流与虚拟自行车的后车轮阻尼匹配。应理解，当虚拟骑行模拟环境同步平台调节后车轮的阻尼时，后车轮阻尼控制信号可以为电控阻尼器的输入电流，所参考的第一物理引擎中的各个参数的定义应当适应性调整。

具体来说，表示：I_max为预设的最大工作电流；I为电控阻尼器的输入电流；α为电控阻尼器参数；β为虚拟骑行三维环境中虚拟骑行道路的路面摩擦系数；m为虚拟自行车的后车轮质量，单位千克；r为虚拟自行车的后车轮半径，单位毫米；v为虚拟自行车骑行速度，单位千米/小时。

在一种可选方式中，如图3和图5所示，上述骑行监测信息还包括：自行车的踏板转速。此时，虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数还包括虚拟自行车在虚拟骑行三维环境的踏板转速。例如：骑行监测信息包括自行车的踏板转速，上述根据所述骑行监测信息更新虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数还包括：虚拟骑行模拟环境同步平台可以根据自行车的踏板转速更新虚拟自行车在虚拟骑行三维环境的踏板转速。

在实际应用中，如图2和图10所示，骑行踏板频率采集组件204包括遮光盘2041和激光频率扫描设备(图10中未示出)。遮光盘2041固定安装在设有牙盘上。遮光盘2041可以采用3D打印工艺制作。3D打印构建可以根据自行车的牙盘中轴尺寸和牙盘直径进行调整，可以进行调整的内容包括内圈直径d1，及外圈直径d2。d1为牙盘中轴直径，d2尺寸略大于自行车牙盘直径。建议3D打印参数为：填充大于10％，牙盘盘体厚度3mm。

示例性的，如图10所示，上述遮光盘2041为环形，其外径尺寸大于牙盘直径尺寸，并具有与内环相贯通的缺口20410(如C型)。遮光盘2041可以通过该缺口20410与牙盘固定连接，在遮光盘2041的周向均匀分布有若干伸出部20411，每一个伸出部20411的圆心角相同。例如：当伸出部20411为 6个，每个伸出部20411的圆心角为30度，两个伸出部20411之间的圆心角度为30度。

如图10所示，上述激光频率扫描设备可以包括激光对射装置，用以采用激光对射方式采集遮光盘2041遮挡激光的频率，并作为自行车的踏板转速上传至虚拟骑行模拟环境同步平台。虚拟骑行模拟环境同步平台可以利用牙盘的转动角速度计算公式将遮光盘2041遮挡激光的频率转换为牙盘的转动速度。而牙盘的转动角速度实质为自行车的踏板转速。此时，可以根据自行车的踏板转速更新虚拟自行车在虚拟骑行三维环境的踏板转速。牙盘的转动角速度：

其中v为牙盘转动角速度，单位弧度/秒；h为遮光盘遮挡激光的频率。

在一种可选方式中，如图3和图5所示，当骑行检测信息包括前车轮转向角度、后车轮骑行速度和车座转动角度时，上述虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数还可以包括：虚拟图像采集设备位置和角度以及虚拟音频采集设备位置和角度。

换句话说，当骑行检测信息包括前车轮转向角度、后车轮骑行速度和车座转动角度时，上述根据骑行监测信息更新虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数，还包括：

虚拟骑行模拟环境同步平台根据前车轮转向角度、后车轮骑行速度和车座转动角度时更新虚拟骑行三维环境的虚拟图像采集设备位置和角度以及虚拟音频采集设备位置和角度。

示例性的，如图11所示，当上述根据骑行监测信息更新虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数，还包括：

步骤102a4：虚拟骑行模拟环境同步平台根据前车轮转向数据和车座转动角度更新虚拟骑行三维环境的虚拟图像采集设备在水平方向的位置和角度，以及虚拟音频采集设备在水平方向的位置和角度。

以自行车为例，自行车的前车轮可以转向，并且自行车在骑行过程中，其速度受到道路参数信息的影响。基于此，可以以自行车的前车轮转向角度和车座转动角度为依据，结合道路参数信息等道路参数信息，确定自行车水平移动速度。也就是说，根据前车轮转向数据和车座转动角度更新虚拟骑行三维环境的虚拟图像采集设备在水平方向的位置和虚拟音频采集设备在水平方向的位置。

步骤102a5：虚拟骑行模拟环境同步平台根据后车轮骑行速度更新虚拟骑行三维环境的虚拟图像采集设备在垂直方向的位置和角度，以及虚拟音频采集设备在垂直方向的位置和角度。

例如：当虚拟自行车处于下坡状态时，由于虚拟自行车的加速度增大，虚拟自行车的后车轮速度会增大；当虚拟自行车处于不同的铺设路面时，路面的摩擦系数越大，会阻碍虚拟自行车的后车轮的骑行速度。

步骤102a6：虚拟骑行模拟环境同步平台根据虚拟图像采集设备在水平方向的位置和角度和虚拟图像采集设备在垂直方向的位置和角度，确定虚拟图像采集设备的位置和角度。

步骤102a7：虚拟骑行模拟环境同步平台根据虚拟音频采集设备在水平方向的位置和角度和虚拟音频采集设备在垂直方向的位置和角度，确定虚拟音频采集设备的位置和角度。

在一些情况下，如图3、图5和图12所示，本发明的具体实施例中虚拟骑行模拟环境同步方法还包括：

步骤101b：虚拟骑行模拟环境同步平台接收头部姿态采集设备发送头部姿态和位置信息。

步骤103b：虚拟骑行模拟环境同步平台根据头部姿态(即头部转向)和位置信息以及虚拟图像采集设备位置从虚拟骑行三维环境调取视频播放信息，控制穿戴显示设备播放视频播放信息。

步骤103c：虚拟骑行模拟环境同步平台根据头部姿态和位置信息以及虚拟音频采集设备位置从虚拟骑行三维环境调取音频播放信息，控制穿戴显示设备播放音频播放信息。

在实际应用中，如图3所示，头部姿态采集设备40可以包括红外位置识别基站和空间位置感应器。配合采用VR头盔内的红外发射器采集头部转向信息，并利用红外位置识别基站接收该头部转向信息，与空间位置感应器接收的头部位置信息一起(头部转向和位置信息)发送至虚拟骑行模拟环境同步平台。

虚拟骑行模拟环境同步平台根据头部转向和位置信息以及虚拟图像采集设备从虚拟骑行环境信息，调取与虚拟骑行环境信息具有映射关系的图像进行左右眼图像渲染，然后发送给VR头盔，利用VR头盔的左右显示屏进行显示。

虚拟骑行模拟环境同步平台根据头部转向和位置信息以及虚拟音频采集设备从虚拟骑行环境信息，调取与虚拟音频采集设备具有映射关系的音频播放信息发送至VR头盔进行播放。例如：VR头盔内置有麦克风，可以利用麦克风播放音频播放信息。这些音频播放信息可以为虚拟骑行三维环境中的风声、车流、人流所产生的声音。

由上可见，利用VR头盔可以使得用户的双眼获取带有差异的图像，并在脑海中成像，形成真实感比较强烈的立体图像。同时，通过麦克风中的声音获得虚拟环境中的声音，获得身临其境的感受。

作为一种可能的实现方式，如图3和图5所示，上述环境关联信息包括：交通流量信息和气候信息。上述虚拟骑行模拟环境同步方法还包括：

虚拟骑行模拟环境同步平台根据环境关联信息控制风场模拟设备向自行车提供风场。

在实际应用中，如图13所示，风场模拟设备50包括至少一个风场滑轨 502和至少一个风扇501。至少一个风扇501一一对应的设置在至少一个风场滑轨502上。

虚拟骑行模拟环境同步平台可以根据环境关联信息确定风场调节信息，并发送至风场模拟设备。风场模拟设备可以根据风场调节信息驱动至少一个风扇向自行车提供风场。风场调节信息可以包括风向调节参数和风量调节参数。

如图13所示，每个风扇501用于根据风量调节参数调节风量。上述风量调节参数可以为风扇驱动电机的驱动信号。该风扇驱动电机的驱动信号的驱动信号强弱可以表示风扇的功率。

如图13所示，每个风场滑轨502用于根据风向调节参数调节风扇501在风场滑轨502上的滑动位置，从而使得用户可以感受到风向的变化。风向调节参数可以为风场滑轨驱动电机的驱动信号，利用风场滑轨驱动电机的驱动信号可以调节风扇501在风场滑轨502的位置，继而达到调节风场风向的目的。

举例说明，如图13所示，当风场模拟设备50包括3个风扇501，3个风扇501分布在自行车的前方、左侧以及右侧。虚拟骑行模拟环境同步平台根据虚拟自行车在不同骑行速度或不同道路高程下，生成风场调节信息，并向风场模拟设备发送风场调节信息。当自行车下坡骑行时，可以利用风场调节信息调整位于自行车骑行方向上的风扇(即位于自行车前方的风扇)的风量减小。当自行车上坡骑行时，可以利用风场调节信息调整位于自行车骑行方向(即位于自行车前方的风扇)上的风扇的风量增大。当自行车转向骑行时，可以利用风场调节信息调整位于自行车左侧和右侧的两个风扇在风场滑轨上的位置，从而改变风向。

上述主要是从虚拟骑行模拟环境同步平台的角度对本申请实施例提供的方案进行了介绍。可以理解的是，虚拟骑行模拟环境同步平台为了实现上述功能，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，本申请实施例能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域专业技术人员可以对每个特定的应用使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请实施例的范围。

在采用集成模块的情况下，本发明的实施例还提供一种虚拟骑行模拟环境同步平台。如图14所示，该虚拟骑行模拟环境同步平台30包括处理器301 以及与处理器301耦合的通信接口302，处理器301用于运行计算机程序或指令，执行上述虚拟骑行模拟环境同步方法。

如图15所示，本发明实施例提供一种芯片，该芯片包括处理器701以及与处理器701耦合的通信接口702，处理器701用于运行计算机程序或指令，执行上述虚拟骑行模拟环境同步方法。

可选的，如图15所示，该芯片70还包括存储器703，存储器703可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器701提供操作指令和数据。存储器703的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器(non-volatile random access memory，NVRAM)。

在一些实施方式中，如图15所示，存储器703存储了如下的元素，执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集。

在本发明实施例中，如图15所示，通过调用存储器703存储的操作指令 (该操作指令可存储在操作系统中)，执行相应的操作。

如图15所示，处理器701控制终端设备中任一个的处理操作，处理器701 还可以称为中央处理单元(central processing unit，CPU)。

如图15所示，存储器703可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器701提供指令和数据。存储器703的一部分还可以包括NVRAM。例如应用中存储器703、通信接口702以及存储器703通过总线系统704耦合在一起，其中总线系统704除包括数据总线之外，还可以包括电源总线、控制总线和状态信号总线等。但是为了清楚说明起见，在图15中将各种总线都标为总线系统70。

处理器可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，通用处理器，数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，专用集成电路 (Application-SpecificIntegrated Circuit，ASIC)，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。所述处理单元也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等等。

本发明实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质中存储有指令，当指令被运行时，执行上述虚拟骑行模拟环境同步方法。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请实施例的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请实施例各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种虚拟骑行模拟环境同步方法，其特征在于，应用于自行车，所述自行车包括车身以及设在所述车身上的车座、前车轮和后车轮，所述虚拟骑行模拟环境同步方法包括：

接收自行车仿真模拟设备发送的骑行监测信息，所述骑行监测信息包括前车轮转向角度、后车轮骑行速度和车座转动角度；

根据所述前车轮转向角度和所述车座转动角度更新虚拟骑行三维环境的虚拟自行车水平移动速度和虚拟自行车角度变化；

根据所述后车轮骑行速度更新虚拟骑行三维环境的虚拟自行车垂直移动速度；

根据BIM模型、所述虚拟自行车垂直移动速度以及所述虚拟自行车水平移动速度，确定所述虚拟骑行三维环境中虚拟自行车位置；

根据所述虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数控制自行车仿真模拟设备对后车轮姿态、前车轮姿态和车座姿态进行同步。

2.根据权利要求1所述的虚拟骑行模拟环境同步方法，其特征在于，所述虚拟骑行三维环境由BIM模型构建，所述BIM模型至少包括：环境空间三维模型、空间模型纹理信息、道路参数信息和环境关联信息；

所述虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数包括：虚拟自行车垂直移动速度、虚拟自行车水平移动速度和虚拟自行车角度变化。

3.根据权利要求2所述的虚拟骑行模拟环境同步方法，其特征在于，所述根据所述虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数控制所述自行车仿真模拟设备对后车轮姿态、前车轮姿态和车座姿态进行同步包括：

根据所述道路参数信息、所述虚拟自行车垂直移动速度、所述虚拟自行车水平移动速度、虚拟自行车角度变化和第一物理引擎控制所述自行车仿真模拟设备对所述前车轮转向阻尼、后车轮转动阻尼和车座转动阻尼进行同步；

根据所述道路参数信息和第二物理引擎控制所述自行车仿真模拟设备对后车轮俯仰角进行同步。

4.根据权利要求2所述的虚拟骑行模拟环境同步方法，其特征在于，所述虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数还包括：虚拟图像采集设备位置和角度，以及虚拟音频采集设备位置和角度；

接收头部姿态和位置信息；

根据所述头部姿态和位置信息以及所述虚拟图像采集设备位置和角度从虚拟骑行三维环境调取视频播放信息，控制穿戴显示设备播放所述视频播放信息；

根据所述头部姿态和位置信息以及所述虚拟音频采集设备位置和角度从虚拟骑行三维环境调取音频播放信息，控制穿戴显示设备播放所述音频播放信息。

5.根据权利要求2所述的虚拟骑行模拟环境同步方法，其特征在于，所述骑行监测信息还包括：自行车的踏板转速；所述虚拟骑行三维环境的骑行模拟参数还包括虚拟自行车在所述虚拟骑行三维环境的踏板转速。

6.根据权利要求2～5任一项所述的虚拟骑行模拟环境同步方法，其特征在于，

所述环境关联信息包括：交通流量信息和气候信息；所述虚拟骑行模拟环境同步方法还包括：根据所述环境关联信息控制风场模拟设备向自行车提供风场。

7.一种虚拟骑行模拟环境同步平台，其特征在于，包括：处理器和通信接口，所述通信接口和所述处理器耦合，所述处理器用于运行计算机程序或指令，以实现如权利要求1-6任一项所述虚拟骑行模拟环境同步方法。

8.一种虚拟骑行同步系统，其特征在于，包括：

自行车；

权利要求7所述虚拟骑行模拟环境同步平台；

以及与所述虚拟骑行模拟环境同步平台通信的自行车仿真模拟设备。

9.根据权利要求8所述的虚拟骑行同步系统，其特征在于，所述自行车仿真模拟设备包括：分别与所述虚拟骑行模拟环境同步平台通信的前车轮姿态模拟组件、后车轮姿态模拟组件、车座姿态模拟组件和骑行踏板频率采集组件；所述虚拟骑行同步系统还包括：

与所述虚拟骑行模拟环境同步平台通信的穿戴显示设备；

以及与所述虚拟骑行模拟环境同步平台通信的头部姿态采集设备；

当环境关联信息包括：交通流量信息和气候信息，所述虚拟骑行同步系统还包括与所述虚拟骑行模拟环境同步平台通信的风场模拟设备。

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