CN1611279A - 模拟自行车运动的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟自行车运动的设备，包括机械装置、底盘、控制装置和显示装置，还包括风速发生器；机械装置除基本自行车部件车架、车把、座椅和踏脚外，还包括数据采集装置、加载装置、震动装置、俯仰装置、倾斜装置、惯性装置。一种使用上述设备的模拟自行车运动的方法，包括以下步骤：控制装置接收开始信号，进行初始化；数据采集装置采集当前自行车运动状态信号，并发送到控制装置；控制装置建立自行车运动数学模型并进行计算；控制装置将计算结果输出；机械装置、显示装置和风速发生器按照接收到的结果进行操作；收到结束信号，就停止，否则重复上述步骤。本发明的模拟自行车运动的设备和方法能在虚拟的路面上模拟各种姿态和运动信息，从而达到身临其境的感觉。

Description

模拟自行车运动的设备和方法

技术领域

本发明涉及虚拟技术，尤其设计一种模拟自行车运动的设备和方法。

背景技术

自行车运动，尤其是越野自行车运动是一项很有吸引力的运动，但是由于条件所限，很多人无法亲身体验这种运动。虚拟技术的出现解决了这个问题，虚拟技术可以模拟各种场景，从而满足人们的愿望。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟自行车运动的设备，能使参与者在骑行时能感觉到颠簸，上下坡，阻力和风力的变化，并能看到变化的图像。

本发明的另一目的是提供一种模拟自行车运动的方法，用于上述设备，使参与者能感觉到上述各种感觉。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟自行车运动的设备，包括具有自行车外形的机械装置、放置机械装置的底盘、控制装置和显示装置，其特征在于，

还包括风速发生器，与所述控制装置相连；

所述具有自行车外形的机械装置，除基本自行车部件车架、车把、座椅和踏脚外，还包括

数据采集装置，连接到所述基本自行车部件的车把、踏脚和座椅上，还与所述控制装置相连；

加载装置，连接到所述基本自行车部件的踏脚上，还与所述控制装置相连；

震动装置，连接到所述基本自行车部件的车架和座椅上，还与所述控制装置相连；

俯仰装置，连接到所述基本自行车部件的车架和座椅上，还与所述控制装置相连；

倾斜装置，连接到所述基本自行车部件的车架和座椅上，还与所述控制装置相连；

惯性装置，连接到所述基本自行车部件的踏脚上，还与所述控制装置相连。

一种使用权利要求1所述的设备的模拟自行车运动的方法，包括以下步骤：

所述控制装置接收开始信号，初始化所述控制装置、所述显示装置和所述机械装置；

所述数据采集装置采集当前自行车运动状态信号，并发送到所述控制装置；

所述控制装置建立自行车运动数学模型，将接收到的所述当前自行车运动状态信号输入到所述自行车运动数学模型中进行计算；

所述控制装置将所述计算结果输出到所述机械装置、所述显示装置和所述风速发生器；

所述机械装置、所述显示装置和所述风速发生器按照接收到的结果进行操作；

如果所述控制装置接收到结束信号，就停止，否则回到所述采集步骤。

由于采用了上述技术方案，本发明的模拟自行车运动的设备和方法可以模拟刹车时的前冲、上下破时的俯仰、转弯时的左右倾斜、路面不平时的颠簸及快速时的飞越等多种状态，并通过加装各类传感器、力的发生和反馈系统、为骑车人在虚拟的路面上模拟各种姿态和运动信息，从而达到身临其境的感觉。

附图说明

图1是本发明的模拟自行车运动的设备的结构示意图；

图2是本发明的具有自行车外形的机械装置的示意图；

图3是本发明的模拟自行车运动的方法的流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。

图1是本发明的模拟自行车运动的设备的结构示意图，如图1所示，该设备包括具有自行车外形的机械装置1，放置机械装置的底盘2，控制装置(图1中未画出)、显示装置3和风速发生器(图1中位画出)。在一个实施例中，控制装置为计算机、显示装置为屏幕而风速发生器为风扇。图2是该具有自行车外形的机械装置的外观示意图。

本发明的特点是在上述机械装置1中，除基本自行车部件车架、车把、座椅和踏脚外，还包括

数据采集装置，连接到基本自行车部件的车把、踏脚和座椅上，还与控制装置相连。其中连接到车把上的是角位移传感器，连接到踏脚上的是测速器。

加载装置，连接到基本自行车部件的踏脚上，还与控制装置相连。加载装置包括加载伺服电机、测速发电机、力矩传感器、增速机构和棘轮机构，用来提供给自行车在各种情况下骑车时力的感觉。

震动装置，连接到基本自行车部件的车架和座椅上，还与控制装置相连。震动装置包括两个气缸，用来模拟车速较高时自行车的飞跃及颠簸。

俯仰装置，连接到基本自行车部件的车架和座椅上，还与控制装置相连。俯仰装置包括俯仰伺服电机、涡轮减速器、曲柄机构和角位移传感器，用于模拟自行车上下坡时的前倾后仰，其中角位移传感器用于控制俯仰角度。

倾斜装置，连接到基本自行车部件的车架和座椅上，还与控制装置相连。倾斜装置包括倾斜伺服电机、高速比减速器、伞齿轮、涡轮、涡杆和角位移传感器，用于模拟转弯时的向心加速度与骑车人重力的平衡角度，其中角位移传感器用于控制俯仰角度。

惯性装置，连接到基本自行车部件的踏脚上，还与控制装置相连。惯性装置包括气缸、刹车力控制机构、慢速恢复阀、小车和电磁阀，用于模拟自行车刹车时骑车人的前冲。

本发明还提供了一种使用上述设备的模拟自行车运动的方法，包括以下步骤，如图3所示：

步骤S31，控制装置接收开始信号，初始化控制装置、显示装置和机械装置。初始化时，控制装置会为自行车选择一条虚拟的预定路线，并设置自行车的起始位置和起始速度以及起始方向，显示装置显示初始的图像。

步骤S32，数据采集装置采集当前自行车运动状态信号，并发送到控制装置。数据采集装置采集的当前自行车运动状态信号包括：采集自踏脚的当前速度信号，采集自车把的当前方向信号(由车把上的角位移传感器提供车把的角度)和当前刹车力信号(由车把上的力感应器提供)、采集自车架的当前倾斜度信号。

步骤S33控制装置建立自行车运动数学模型，将接收到的当前自行车运动状态信号输入到自行车运动数学模型中进行计算。数学模型通过以下公式建立，首先说明一下公式中使用的符号的意义：

L：自行车的车长；

l：座椅到车尾的距离；

s：在给定时间Δt内自行车的行程为；

K：自行车的转动比；

d：路面“沟”间距；

h₀：自行车的前一地点的高度；h₁：此时的高度为；h₂：下个地点的高度；

(x₀，y₀)：自行车前一地点的坐标；(x₁，y₁)：此时的地点坐标；(x₂，y₂)：下个地点的坐标；

v₀：自行车此时的速度V₁：下个地点的速度；

θ₀：自行车行驶的方向和正东方的夹角；θ₁：下一个地点自行车行驶的方向和正东方的夹角；

φ：前轮和运动方向的偏角；

f₁和f₂：前后轮的刹车力分别；k_s：钢圈和刹车皮之间的磨擦系数。

建立数学模型的公式如下：

对于由坡度的底面，坡度角计算公式： $\mathrm{\α}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{h_1-h_0}{\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2}}\right);$

速度计算公式：

当 $\frac{s}{\mathrm{\Δt}}{\≥v}_0$ 时：脚蹬的速度大于自行车的速度所以，脚蹬的力加到自行车上了，此时 $v_1=\frac{s}{\mathrm{\Δt}}.$

当 $\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}}<v_0$ 时，脚蹬的速度小于自行车的速度所以，脚蹬的力未加到自行车上，解下列微分方程组：

所以此时的自行车真正的行程是微分方程的解s₁，记s＝s₁，则 $v_1=\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}};$

计算下次地点的位置坐标：

计算下次地点的行车方向： ${\mathrm{\&theta;}}_1={\mathrm{\&theta;}}_0+2\&times;{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{tg}\left(\mathrm{\&phi;}\right)\&times;l}{L}\right)$

脚蹬反馈力的计算：

在 $\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}}\&GreaterEqual;v_0$ 时为：

在 $\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}}<v_0$ 时为：0；

车身倾角的计算： ${\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{2\&times;\sin \left({\mathrm{tg}}^{-1}(\mathrm{tg}\left(\mathrm{\&phi;}\right)\&times;\frac{l}{L})\right)\&times;s}{{\left(\mathrm{\&Delta;t}\right)}^2\&times;g\&times;\sqrt{1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\&phi;}\&times;\frac{l^2}{L^2}}}\right)$

鼓风机的风量的计算：可以根据v₁-v_z×sin(+θ₁-θ₀)和v_z×cos(+θ₁-θ₀)的值来确定顺车子的方向和垂直车子方向的风量；具体数值可以查表。

刹车冲击开关的开启根据是否有刹车力存在及系统加速度

的大小来决定；看这个量是否小于某个指定的负常数来决定是否打开冲击开关。

对于有些不平整的，地面上“沟”存在，此处假设“沟”是等间距的，且其深度能够放下一个车轮，车在有“沟”的路面上弹跳频率为v₁/d；

在有“沟”的路面上向上撞击的力的计算： $\frac{m\&times;d\&times;v_1\&times;{\mathrm{\&rho;}}_1}{2\&times;R\&times;t}$ 的大小查表决定其阶段值，其中t是撞击力作用的时间(如播放一帧画面所需的时间)，具体数值要在实验中试验比较而取得(估计是0.01秒的数量级的范围)，ρ₁为橡胶轮胎的缓冲系数，具体数值也是要在实验中试验比较而取得(估计是在0.1的数量级范围)。

步骤S34，控制装置将通过上述计算模型计算的结果输出到机械装置、显示装置和风速发生器。由于假设自行车运动在一预定的路线上，该路线上每一处的阻力状况、风速、路面倾斜度和路面状况都是预先设定的。所以根据当前速度信号和当前方向信号可计算出自行车在预定路线上的当前位置。然后比较自行车当前的各项参数(包括阻力、刹车力、风速等)和预定路线上该位置的预定参数值，计算它们之间的差值。再将差值转化为相应的输出信号。输出到机械装置、显示装置和风速发生器。

步骤S35，机械装置、显示装置和风速发生器按照接收到的结果进行操作。下面详细说明一下机械装置中的各部件的操作方式：

加载装置的操作方式：当骑车人骑车时，增速机构将脚踏速度提高十几倍，提高了的转速同时带动力矩传感器、测速发电机、加载伺服电机旋转。测速发电机产生速度信号，速度信号输入控制装置里求一价变为加速度信号。

将预定路线中当前自行车所处位置的路面状态信号及速度，加速度三个信号作为边界条件送入控制装置中的数学模型，通过计算机的计算，所得到的输出力信号作为系统的指令信号，输入到加载装置中，加载装置输出电流信号控制伺服电动机的正反转速及转矩，加载伺服电机的转动生成力矩，通过力矩传感器施加到骑车人的踏脚上，力矩传感器输出的力矩信号同时送入加载装置与上述力信号相比较，得出的结论控制加载伺服电机转矩，转速，旋转方向，从而实现了一个力的闭环自动控制过程。于是，骑车人时，就有了脚踏力的感觉。此加载方法采用加速度信号超前速度信号90度的原理，力在前，速度在后，而使骑车人感觉不到前后的加载方法，因为加载伺服电机转动方向与骑车方向相反，所以采用这种办法需要较大功率的加载伺服电机，并且加载伺服电机长期在堵转的情况下工作，容易烧毁伺服电动机。并且大功率的伺服电动机一但失控对骑车人会造成伤害。因此，在一个实施例中，采用减载的方法。在系统中预加一固定载荷，用加载伺服电机转动方向相同而去部分预加载荷，剩余的载荷为骑车人骑车的脚踏力。

因为采用十几倍增速机构，是静止状态下脚踏速度使加载伺服电机转速提高了十几倍，也就是说将伺服电动机的摩擦力提高了十几倍。所以将这个力作为预加一固定载荷。

当车在平路时：

脚踏力＝预加力-加载力

当车在上坡时：

脚踏力＝预加力+加载力    (坡度增大时，加载力增大)

当车在下坡时：

脚踏力＝预加力-加载力    (坡度增大时，加载力增大)

这种加载方法可以使加载执行机构制造的比较小，用的加载伺服电机输出的力矩也比较小，力矩传感器选用的量程范围比较小，以次提高了精度及响应速度，加载机构本身的惯性、间隙和摩擦力都小了而脚踏反馈的力范围比较大。并且在失控状态下对骑车人不会造成危害。

倾斜装置的操作方式：在相同的车把角度，以不同的车速转弯时，自行车的转弯倾斜度是不一样的。当骑车人骑车转弯时，数据采集装置把当前倾斜信号与当前速度信号输入控制装置，计算机计算后输出倾斜信号给倾斜装置的控制电路，控制电路控制倾斜伺服电机开始旋转使“自行车”倾斜。同时，角位移传感器输出信号给倾斜装置的控制电路，两个信号平衡后“自行车”停止倾斜，已达到所需的角度。

俯仰装置的操作方法：俯仰机构完全由控制装置控制。当骑车人骑车时，预定路线中出现坡度，预定的上下坡信号输入计算机的数学模型，计算机解算后输出到俯仰装置的控制电路，控制电路俯仰伺服电机开始旋转使“自行车”俯仰。同时，角位移传感器输出信号给控制电路，两个信号平衡后“自行车”停止俯仰，以达到所需的角度。

振动装置的操作原理：振动装置完全由控制装置控制。当骑车人骑车时，预定路线中出现不平的路面，既是有“沟”的路面，路面不平信号(就是“沟”的间距)输入计算机的数学模型中，计算机计算后输出信号给振动装置的控制阀，控制阀控制前后气缸动作，“自行车”开始颠簸振动。当车速较高时，前后汽缸同时动作使“自行车”飞跃。当车速较低时，前后汽缸先后动作使“自行车”颠簸。

显示装置则根据控制装置计算出的自行车的当前位置，显示预定的路线上对应于该位置的图像，包括路面状况，背景图像和天气情况等。这些图像都是预先与预定路线上的每个位置一一对应的。

风速发生器根据控制装置计算出的自行车当前位置，先得到预定路线上此处的风速和风向，然后再结合当前车速，方向，使用前面所述的公式计算，得到当前的风速和风向，并驱动风扇吹风。

步骤S35，如果控制装置接收到结束信号，就停止，否则回到步骤S32。

由于采用了上述技术方案，本发明的模拟自行车运动的设备和方法可以模拟刹车时的前冲、上下破时的俯仰、转弯时的左右倾斜、路面不平时的颠簸及快速时的飞越等多种状态，并通过加装各类传感器、力的发生和反馈系统、为骑车人在虚拟的路面上模拟各种姿态和运动信息，从而达到身临其境的感觉。

上述详细说明的实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (9)

1.一种模拟自行车运动的设备，包括具有自行车外形的机械装置、放置机械装置的底盘、控制装置和显示装置，其特征在于，

还包括风速发生器，与所述控制装置相连；

所述具有自行车外形的机械装置，除基本自行车部件车架、车把、座椅和踏脚外，还包括

数据采集装置，连接到所述基本自行车部件的车把、踏脚和座椅上，还与所述控制装置相连；

加载装置，连接到所述基本自行车部件的踏脚上，还与所述控制装置相连；

震动装置，连接到所述基本自行车部件的车架和座椅上，还与所述控制装置相连；

俯仰装置，连接到所述基本自行车部件的车架和座椅上，还与所述控制装置相连；

倾斜装置，连接到所述基本自行车部件的车架和座椅上，还与所述控制装置相连；

惯性装置，连接到所述基本自行车部件的踏脚上，还与所述控制装置相连。

2.如权利要求1所述的模拟自行车运动的设备，其特征在于，

所述加载装置包括加载伺服电机、测速发电机、力矩传感器、增速机构和棘轮机构；

所述震动装置包括两个气缸；

所述俯仰装置包括俯仰伺服电机、涡轮减速器、曲柄机构和角位移传感器；

所述倾斜装置包括倾斜伺服电机、高速比减速器、伞齿轮、涡轮、涡杆和角位移传感器；

所述惯性装置包括气缸、刹车力控制机构、慢速恢复阀、小车和电磁阀。

3.如权利要求1所述的模拟自行车运动的设备，其特征在于，所述控制装置为计算机，所述显示装置为屏幕。

4.如权利要求1所述的模拟自行车运动的设备，其特征在于，所述风速发生器为风扇。

5.一种使用权利要求1所述的设备的模拟自行车运动的方法，包括以下步骤：

所述控制装置接收开始信号，初始化所述控制装置、所述显示装置和所述机械装置；

所述数据采集装置采集当前自行车运动状态信号，并发送到所述控制装置；

所述控制装置建立自行车运动数学模型，将接收到的所述当前自行车运动状态信号输入到所述自行车运动数学模型中进行计算；

所述控制装置将所述计算结果输出到所述机械装置、所述显示装置和所述风速发生器；

所述机械装置、所述显示装置和所述风速发生器按照接收到的结果进行操作；

如果所述控制装置接收到结束信号，就停止，否则回到所述采集步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数据采集装置采集的当前自行车运动状态信号包括：采集自所述踏脚的当前速度信号、采集自所述车把的当前方向信号和当前刹车力信号、采集自所述车架的当前倾斜度信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述自行车运动数学模型，假设自行车运动在一预定的路线上，该路线上每一处的阻力状况、风速、路面倾斜度和路面状况都是预先设定的；

根据所述当前速度信号和当前方向信号计算出所述自行车在所述预定路线上的当前位置；

比较所述自行车当前的参数和所述预定路线上该位置的预定参数值，计算它们之间的差值；

将差值转化为相应的输出信号。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述参数通过以下公式计算，公式中字母定义如下：

L：自行车的车长；

l：座椅到车尾的距离；

s：在给定时间Δt内自行车的行程为；

K：自行车的转动比；

d：路面“沟”间距；

h₀：自行车的前一地点的高度；h₁：此时的高度为；h₂：下个地点的高度；

(x₀，y₀)：自行车前一地点的坐标；(x₁，y₁)：此时的地点坐标；(x₂，y₂)：下个地点的坐标；

v₀：自行车此时的速度；v₁：下个地点的速度；

θ₀：自行车行驶的方向和正东方的夹角；θ₁：下一个地点自行车行驶的方向和正东方的夹角；

φ：前轮和运动方向的偏角；

f₁和f₂：前后轮的刹车力分别；k_s：钢圈和刹车皮之间的磨擦系数；

坡度角计算公式： $\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{h_1-h_0}{\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2}}\right);$

速度计算公式：

当 $\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}}\&GreaterEqual;v_0$ 时：脚蹬的速度大于自行车的速度所以，脚蹬的力加到自行车上了，此时 $v_1=\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}}.$

当 $\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}}<v_0$ 时，脚蹬的速度小于自行车的速度所以，脚蹬的力未加到自行车上，解下列微分方程组：

所以此时的自行车真正的行程是微分方程的解s₁，记s＝s₁，则 $v_1=\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}};$

计算下次地点的位置坐标：

计算下次地点的行车方向： ${\mathrm{\&theta;}}_1={\mathrm{\&theta;}}_0+2\&times;{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{tg}\left(\mathrm{\&phi;}\right)\&times;l}{L}\right)$

脚蹬反馈力的计算：

在 $\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}}\&GreaterEqual;v_0$ 时为：

在 $\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}}<v_0$ 时为：0；

车身倾角的计算： ${\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{2\&times;\sin \left({\mathrm{tg}}^{-1}(\mathrm{tg}\left(\mathrm{\&phi;}\right)\&times;\frac{l}{L})\right)\&times;s}{{\left(\mathrm{\&Delta;t}\right)}^2\&times;g\&times;\sqrt{1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\&phi;}\&times;\frac{l^2}{L^2}}}\right)$

鼓风机的风量的计算：可以根据v₁-v_z×sin(+θ₁-θ₀)和v_z×cos(+θ₁-θ₀)的值来确定顺车子的方向和垂直车子方向的风量；

刹车冲击开关的开启根据是否有刹车力存在及系统加速度

的大小来决定；

在有“沟”的路面上弹跳频率为v₁/d；

在有“沟”的路面上向上撞击的力的计算： $\frac{m\&times;d\&times;v_1\&times;{\mathrm{\&rho;}}_1}{2\&times;R\&times;t},$ 其中t是撞击力作用的时间，ρ₁，为橡胶轮胎的缓冲系数；此撞击将使整个系统丧失一定的速度，故在撞击后，系统保留的速度为： $v_1\&times;(1-\frac{d^2}{4\&times;R^2}).$

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述图像显示装置显示一预定路线上的相应图像。

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