CN1883730B - 模拟自行车运动的设备的阻力调整装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种模拟自行车运动的设备的阻力调整技术，首先使用一测速电机检测踏脚的转速并输出速度信号；再计算当前的虚拟位置；根据当前的虚拟位置以及设定的虚拟位置的虚拟地形计算初始阻力；再根据初始阻力以及检测到的速度信号产生阻力控制信号；之后根据阻力控制信号使用一伺服电机输出力矩；再使用一转矩传感器调整伺服电机输出的力矩；最终将产生的阻力施加到踏脚上。采用了上述的技术方案后，可以使模拟自行车运动的设备根据运行的状况调整踏脚上的阻力的大小，更可以配合视频、音频、风扇等设备已达到更加逼真的模拟效果。

Description

模拟自行车运动的设备的阻力调整装置及方法

技术领域

本发明涉及由计算机控制的模拟自行车的设备，尤其涉及用于该种模拟自行车运动的设备的阻力调整装置及阻力调整方法。

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，比如在申请号为200320109395.6，题为“模拟自行车运动的设备”的中国专利申请以及申请号为200310108296.0，题为“模拟自行车运动的设备和方法”的中国专利申请中都公开了一种模拟自行车运动的设备，这两份申请的申请人就是本申请的申请人，上述两份申请的全部内容全部引用与此以供参考。在这种模拟自行车运动的设备上，骑上模拟自行车，可通过脚蹬踏板、改变龙头的方向，握刹车等操纵动作，来改变车速、行驶方向。这种设备还能够模拟出脚踏的阻力、路面的起伏等等状况。

对于真实的自行车运动来说，随着地形的变化以及路程增加骑车人的体力下降，骑车人感觉到踏脚上的阻力会变化，比如在上坡、泥泞的道路上阻力会增加，而在下坡、平坦的道路上阻力又会减小。本发明旨在提供一种用于上述的模拟自行车的设备的阻力调整装置及阻力调整方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种在模拟自行车运动的设备上调整踏脚阻力的技术。

根据本发明的一个方面，提供一种模拟自行车运动的设备的阻力调整装置，与所述模拟自行车运动的设备的踏脚相连，该装置包括：

测速电机，检测踏脚的转速并输出速度信号；

第一变速齿轮组，连接在踏脚的轴齿轮和所述测速电机之间，对踏脚的转速进行变速；

控制器，与所述测速电机相连，接收测速电机输出的速度信号并根据该速度信号产生阻力控制信号，其中，所述控制器包括，

位置计算装置，计算当前的虚拟位置；

地形计算装置，根据当前的虚拟位置以及设定的虚拟位置的虚拟地形计算初始阻力；

阻力计算装置，根据初始阻力以及接收的速度信号产生阻力控制信号；

伺服电机，与所述控制器相连，根据阻力控制信号输出力矩；

转矩传感器，与所述伺服电机相连，调整伺服电机输出的力矩；

第二变速齿轮组，连接在所述转矩传感器和所述踏脚的轴齿轮之间，在所述轴齿轮上产生阻力。

根据本发明的另一方面，提供一种模拟自行车运动的设备的阻力调整方法，包括以下步骤：

检测步骤，使用一测速电机检测踏脚的转速并输出速度信号；

位置计算步骤，计算当前的虚拟位置；

地形计算步骤，根据当前的虚拟位置以及设定的虚拟位置的虚拟地形计算初始阻力；

阻力计算步骤，根据初始阻力以及检测到的速度信号产生阻力控制信号；

阻力矩产生步骤，根据阻力控制信号使用一伺服电机输出力矩；

阻力矩调整步骤，使用一转矩传感器调整伺服电机输出的力矩；

阻力施加步骤，将产生的阻力施加到踏脚上。

采用了上述的技术方案后，可以使模拟自行车运动的设备根据运行的状况调整踏脚上的阻力的大小，更可以配合视频、音频、风扇等设备已达到更加逼真的模拟效果。

附图说明

本发明的特征和优势将在下面结合附图和实施例进一步详细说明，在附图中相同的标记表示相同的特征，其中：

图1是按照本发明的阻力调整装置的一个实施例的结构图；

图2是按照本发明的阻力调整方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

参考图1，图1示出了按照本发明的阻力调整装置的一个实施例的流程图。该阻力调整装置100，与模拟自行车运动的设备的踏脚200相连，该装置包括：

测速电机102，检测踏脚200的转速并输出速度信号。

第一变速齿轮组104，连接在踏脚200的轴齿轮202和测速电机102之间，对踏脚200的转速进行变速。在该实施例中，第一变速齿轮组104包括一增速齿轮106和一伞齿轮108，增速齿轮106与踏脚200的轴齿轮202相连，伞齿轮108与增速齿轮106相连，伞齿轮108还连接到测速电机102。通过第一变速齿轮组104的变速作用，可将踏脚200的转速调整到测速电机102可检测的速度后输出到测速电机102。测速电机102由此产生一个速度信号。

控制器110，与测速电机102相连，接收测速电机输出的速度信号并根据该速度信号产生阻力控制信号，其中，控制器110包括，

位置计算装置112，计算当前的虚拟位置。参考200320109395.6、和200310108296.0号申请可知，模拟自行车运动的设备会将使用者放置在一张虚拟的地图上移动，这张地图上预设有各种虚拟的地形，根据使用者的骑行速度以及骑行方向，可以计算出使用者在虚拟地图上的行进路线以及当前的虚拟位置。该装置112就是用来计算使用者当前在虚拟地图上的虚拟位置。

地形计算装置114，根据当前的虚拟位置以及设定的虚拟位置的虚拟地形计算初始阻力。同样参考200320109395.6和200310108296.0号申请，虚拟的地图上有虚拟的地形，比如上坡、下坡、石子路等，这些地形都对应有相应的初始阻力。地形计算装置114的作用就是根据当前位置的地形来计算初始的阻力。

阻力计算装置116，根据初始阻力以及接收的速度信号产生阻力控制信号。实际的阻力不仅和地形有关，还和使用者当前的骑行速度相关，因此，阻力计算装置116将使用地形计算装置114计算的初始阻力和由测速电机102测量的速度来计算实际的阻力。详细的计算方法步骤会在后面详细说明。

伺服电机118，与控制器110相连，根据阻力控制信号输出力矩。

转矩传感器120，与伺服电机118相连，调整伺服电机输出的力矩。

第二变速齿轮组122，连接在转矩传感器120和踏脚200的轴齿轮202之间，在轴齿轮202上产生阻力。如图2所示的，第二变速齿轮组122包括一增速齿轮124和一伞齿轮126，增速齿轮124与踏脚200的轴齿轮202相连，伞齿轮126与增速齿轮124相连，伞齿轮126还连接到转矩传感器120。

上述的阻力调整装置100按照如下的阻力调整方法工作：

S100.检测步骤，使用一测速电机检测踏脚的转速并输出速度信号。结合图1所示的装置，在检测步骤S100中，使用一通过第一变速齿轮组与踏脚的轴齿轮相连的测速电机来检测踏脚的转速并输出速度信号。在图1所示的实施例中，第一变速齿轮组包括一增速齿轮和一伞齿轮，增速齿轮与踏脚的轴齿轮相连，伞齿轮与增速齿轮相连，伞齿轮还连接到测速电机。

S102.位置计算步骤，计算当前的虚拟位置。在图1所示的实施例中，该步骤由位置计算装置112完成。

S104.地形计算步骤，根据当前的虚拟位置以及设定的虚拟位置的虚拟地形计算初始阻力。该步骤由图1所示的实施例中的地形计算装置114完成，这里不再重复说明。

S106.阻力计算步骤，根据初始阻力以及检测到的速度信号产生阻力控制信号。该步骤由图1中的阻力计算装置116完成，根据本发明，具体可采用如下的方法来计算实际的阻力：

首先定义一些变量：

活动摩擦力f_m＝mgk_m(磨擦系数k_m值为常数，自行车已经处于运动时用)、自行车的车长为L、坐凳到车尾的距离为l、在给定时间Δt内自行车的行程为s、自行车的转动比为K、“弹格”路的“沟”是等距的，距离为d，沟深足够使轮子放入、自行车的前一地点的高度是h₀，此时的高度为h₁，下个地点的高度为h₂、自行车前一地点的坐标为(x₀，y₀)，自行车此时的地点坐标为(x₁，y₁)，下个地点为(x₂，y₂)、自行车此时的速度为v₀，下个地点的速度为v₁、自行车行驶的方向和正东方的夹角为θ₀，下一个地点自行车行驶的方向和正东方的夹角为θ₁、前轮和运动方向的偏角是φ、前后轮的刹车力分别为f₁和f₂、钢圈和刹车皮之间的磨擦系数为k_s。

之后，根据预设的地形以及检测的当前设备的车速(即踏脚的转速)，采用下列公式进行计算：

坡度：近似认为坡度角为： $\mathrm{\α}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{h_1-h_0}{\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2}}\right).$

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，再解只有纯阻力的微分方程组(使用龙格-库塔方法来进行数值计算)：

所以此时的自行车真正的行程是微分方程的解s₁，记s＝s₁。

预测下次地点的位置坐标： $\left\{\begin{array}{c}{x}_2=x_1+s\&times;\sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\&times;(1-l\&times;\mathrm{tg}\left(\mathrm{\&phi;}\right)\&divide;L)\\ y_2=y_1+s\&times;\cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)(1+l\&times;\mathrm{tg}\left(\mathrm{\&phi;}\right)\&divide;L)\end{array}\right.$

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

根据坡度角为： ${\mathrm{\&alpha;}}_1={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{h_2-h_1}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}\right)$ 得到

脚蹬反馈力在 $\frac{s}{\mathrm{\&Delta;t}}\&GreaterEqual;v_0$ 时为：

；

否则，当在整个行程中反馈力为0。

特别的，如果此时在一段“弹格”路上时，则其弹跳频率为v₁/d。

“弹格”路向上撞击的力根据力

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)。

而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：

根据上述的方法，输出阻力控制信号。

再回到图2，该方法中的下一个步骤是：

S108.阻力矩产生步骤，根据阻力控制信号使用一伺服电机输出力矩；

S110.阻力矩调整步骤，使用一转矩传感器调整伺服电机输出的力矩；

S112.阻力施加步骤，将产生的阻力施加到踏脚上。结合图1所示的实施例，在阻力施加步骤S112中，转矩传感器通过第二变速齿轮组将产生的阻力施加到所述踏脚的轴齿轮上。第二变速齿轮组包括一增速齿轮和一伞齿轮，增速齿轮与踏脚的轴齿轮相连，伞齿轮与增速齿轮相连，伞齿轮还连接到转矩传感器。

上述方法中的位置计算步骤S102、地形计算步骤S104和阻力计算步骤S106是由一图1所示的实施例中的控制器完成。熟悉本领域的技术人员应该理解，上述的控制器可以使用多种熟知的现有技术来实现，例如采用硬件的形式，包括专用芯片、固件、逻辑阵列，或者也可以使用软件来实现，比如使用通用处理器结合实现上述方法的软件。

采用了上述的技术方案后，可以使模拟自行车运动的设备根据运行的状况调整踏脚上的阻力的大小，更可以配合视频、音频、风扇等设备已达到更加逼真的模拟效果。

上述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 (7)

1.一种模拟自行车运动的设备的阻力调整装置，与所述模拟自行车运动的设备的踏脚相连，其特征在于，包括：

测速电机，检测踏脚的转速并输出速度信号；

第一变速齿轮组，连接在踏脚的轴齿轮和所述测速电机之间，对踏脚的转速进行变速；

控制器，与所述测速电机相连，接收测速电机输出的速度信号并根据该速度信号产生阻力控制信号，其中，所述控制器包括，

位置计算装置，计算当前的虚拟位置；

地形计算装置，根据当前的虚拟位置以及设定的虚拟位置的虚拟地形计算初始阻力；

阻力计算装置，根据初始阻力以及接收的速度信号产生阻力控制信号；

伺服电机，与所述控制器相连，根据阻力控制信号输出力矩；

转矩传感器，与所述伺服电机相连，调整伺服电机输出的力矩；

第二变速齿轮组，连接在所述转矩传感器和所述踏脚的轴齿轮之间，在所述轴齿轮上产生阻力。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一变速齿轮组包括一增速齿轮和一伞齿轮，所述增速齿轮与踏脚的轴齿轮相连，伞齿轮与增速齿轮相连，伞齿轮还连接到测速电机。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二变速齿轮组包括一增速齿轮和一伞齿轮，所述增速齿轮与踏脚的轴齿轮相连，伞齿轮与增速齿轮相连，伞齿轮还连接到转矩传感器。

4.一种模拟自行车运动的设备的阻力调整方法，包括以下步骤：

检测步骤，使用一测速电机检测踏脚的转速并输出速度信号；

位置计算步骤，计算当前的虚拟位置；

地形计算步骤，根据当前的虚拟位置以及设定的虚拟位置的虚拟地形计算初始阻力；

阻力计算步骤，根据初始阻力以及检测到的速度信号产生阻力控制信号；

阻力矩产生步骤，根据阻力控制信号使用一伺服电机输出力矩；

阻力矩调整步骤，使用一转矩传感器调整伺服电机输出的力矩；

阻力施加步骤，将产生的阻力施加到踏脚上。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述检测步骤中，使用一通过第一变速齿轮组与踏脚的轴齿轮相连的测速电机来检测踏脚的转速并输出速度信号。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一变速齿轮组包括一增速齿轮和一伞齿轮，所述增速齿轮与踏脚的轴齿轮相连，伞齿轮与增速齿轮相连，伞齿轮还连接到测速电机。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述位置计算步骤、地形计算步骤和阻力计算步骤是由一控制器完成。

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