TW202118538A - 自行車模擬實境訓練平台 - Google Patents
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Abstract
一種自行車模擬實境訓練平台，能架設一自行車，並包含一前輪升降裝置、一輪速感測裝置、一後輪阻力控制裝置，及一虛擬實境視覺介面。該前輪升降裝置是供該自行車之前叉可拆式地定位，並可帶動該前叉升降，並偵測該前叉之轉向。該輪速感測裝置是供該自行車之後輪可拆式定位，並偵測該後輪的轉速。該後輪阻力控制裝置能用以對該後輪提供不同阻力。該虛擬實境視覺介面是與該前輪升降裝置、該後輪阻力控制裝置，及該輪速感測裝置電連接，並可依據該虛擬實境視覺介面中的路況資料使前述各裝置的狀態與該路況資料相對應。
Description
本發明是關於一種訓練設備，特別是指一種自行車模擬實境訓練平台。
目前在市上發售的自行車訓練台或是飛輪車，大多都是以直線前進訓練踩踏肌耐力為主。將一般的自行車放置於上面進行練習，或是直接鎖固於訓練台之上作為固定練習的平台(飛輪車)，都是目前自行車愛好者在室內控制訓練環境與時間、提昇訓練效率、健身、事前模擬騎行路況的最佳選擇，也因此在市場上擁有逐年成長的銷售。
自行車訓練台型態大多為一體式，操控方式也僅能調整阻力，在騎乘上較無真實感。如果要模擬爬坡及衝刺動作的話，還要以自身的姿勢去做改變，在固定的基座上無法如同真實騎乘時車體的自然律動，使用上既不真實也不好操控。
因此，本發明之目的，即在提供一種模擬戶外道路騎乘狀態的自行車模擬實境訓練平台。
本發明自行車模擬實境訓練平台，能架設一自行車，該自行車包含一車體、一設置於該車體前方之轉向把手、一由該轉向把手連動的前叉，及一樞設於該車體後方的後輪，該自行車模擬實境訓練平台包含一前輪升降裝置、一輪速感測裝置、一後輪阻力控制裝置，及一虛擬實境視覺介面。該前輪升降裝置是供該自行車之前叉可拆式地定位，並可帶動該前叉升降，並偵測該前叉之轉向。該輪速感測裝置是供該自行車之後輪可拆式定位，並偵測該後輪的轉速。該後輪阻力控制裝置能用以對該後輪提供不同阻力。該虛擬實境視覺介面是與該前輪升降裝置、該後輪阻力控制裝置，及該輪速感測裝置電連接，並可依據該虛擬實境視覺介面中的路況資料使前述各裝置的狀態與該路況資料相對應。
本發明的另一技術手段，是在於該前輪升降裝置包括一微控制器、一電連接該微控制器的驅動機構、一由該驅動機構帶動的升降機構，及一設置於該升降機構上方且電連接於該微控制器的旋轉角度偵測機構，該旋轉角度偵測機構用以偵測該前叉左右轉動的角度。
本發明的另一技術手段，是在於該前輪升降裝置還包括一電連接該驅動機構且用以防止該升降機構過度升降的限位機構。
本發明的另一技術手段，是在於該前輪升降裝置還包括一電連接該微控制器的PID控制器，及一電連接該微控制器的超音波感測器。
本發明的另一技術手段，是在於該輪速感測裝置包括一由該後輪帶動的且具有黑白線交錯排列的慣性輪，及一用以偵測該慣性輪上之黑白線移動速率的紅外線循跡感測器。
本發明的另一技術手段，是在於該輪速感測裝置還包括一用以定位該後輪的支撐架，該後輪是可拆式地安裝於該支撐架上並能帶動該慣性輪。
本發明的另一技術手段，是在於該後輪阻力控制裝置包括一伺服馬達，及一由該伺服馬達控制的磁阻機構。
本發明的另一技術手段，是在於該超音波感測器是採用中位值濾波方式進行訊號分析。
本發明的另一技術手段，是在於該虛擬實境視覺介面是透過RS232/Modbus通訊協定與該前輸升降裝置、該後輪阻力控制裝置，及該輪速感測裝置進行溝通。
本發明的另一技術手段，是在於該虛擬實境視覺介面至少包括Unity 3D介面，及Google街景介面，並儲存有對應各介面的道路坡度參數。
本發明之功效在於，透過前述架構，結合虛擬實境軟體及動態體感裝置，可模擬道路升降坡時車體仰角與踩踏阻力變化，還戶外道路騎乘狀態。
有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在進行詳細說明前應注意的是，類似的元件是以相同的編號來作表示。
參閱圖1及圖2，為本發明自行車模擬實境訓練平台的較佳實施例，包含一前輪升降裝置2、一輪速感測裝置3、一後輪阻力控制裝置4，及一虛擬實境視覺介面5。如圖2所示，該較佳實施例能架設一自行車，該自行車包含一車體11、一設置於該車體11前方之轉向把手12、一由該轉向把手12連動的前叉13、一樞設於該車體11後方的後輪14，及一帶動該後輪14的踩踏機構15。
參閱圖1及圖3，該前輪升降裝置2包括一微控制器21、一電連接該微控制器21的驅動機構22、一由該驅動機構22帶動的升降機構23、一設置於該升降機構23上方且電連接於該微控制器21的旋轉角度偵測機構24、一電連接該驅動機構22且用以防止該升降機構23過度升降的限位機構25、一電連接該微控制器21的PID控制器26，及一電連接該微控制器21的超音波感測器27。如圖4所示，該自行車之前叉13是可拆式地定位於該前輪升降裝置2上，該升降機構23並可帶動該前叉13如圖中箭頭A的方向升降，該旋轉角度偵測機構24用以偵測該前叉13依圖中箭頭B的方向左右轉動的角度。
再參閱圖1及圖3，該輪速感測裝置3包括一用以定位該後輪14的支撐架31、一由該後輪帶動的且具有黑白線交錯排列的慣性輪32，及一用以偵測該慣性輪32上之黑白線移動速率的紅外線循跡感測器33。該後輪14是可拆式地安裝於該支撐架31上並能帶動該慣性輪32。
該後輪阻力控制裝置4包括一伺服馬達41，及一由該伺服馬達41控制的磁阻機構42。該虛擬實境視覺介面5至少包括Unity 3D介面51，及Google街景介面52，並儲存有對應各介面的道路坡度參數，且是透過RS232/Modbus通訊協定與該前輸升降裝置、該後輪阻力控制裝置4，及該輪速感測裝置3進行溝通。
以下內容說明本較佳實施例的使用方式。首先，使用者將該自行車安裝於本發明之自行車模擬實境訓練平台，也就是將該自行車的前叉13安裝於該前輪升降裝置2，以及將該後輪14安裝於該支撐架31上，並使該後輪14與該慣性輪32的輪軸接觸。
使用者先經由該虛擬實境視覺介面5中點選要使用的實境圖形介面，於本較佳實施例中，可以是由Unity 3D介面51或Google街景介面52中擇一。選定實境圖形介面後，使用者開始進行踩踏動作。此時，該虛擬實境視覺介面5的道路模擬介面視角會隨使用者的踩踏動作開始前進，且該前輪升降裝置2與該後輪阻力控制裝置4會讀取到道路坡度參數，該後輪阻力控制裝置4的伺服馬達41就會依據該道路坡度參數拉動該磁阻機構42，使該磁阻機構42對該該輪速感測裝置3的該慣性輪32產生相對應的阻力，以改變該後輪14帶動該慣性輪32轉動所需要施加的力量。於本實施例中，該磁阻機構42是利用固定磁鐵的馬達架設於慣性輪32的輪軸磁體側緣，再經由控制其旋轉角度使磁鐵由內而外移動來改變該磁阻機構42與該慣性輪32之間的磁吸程度，而產生阻力的大小變化。
當該虛擬實境視覺介面5進入上坡路段時，畫面中的坡度資料會傳送至該微控制器21，控制該驅動機構22帶動該升降機構23進行相對應的升降動作，進而帶動該前叉13及該轉向把手12升降，讓使用者能因應畫面中的坡度而產生相對應的體感。於本實施例中，該驅動機構22為馬達，該升降機構23為千斤頂，但不以此為限。要特別說明的是，該前輪升降裝置2特別設置有該超音波感測器27，用以感測該升降機構23與地面距離之數值，並且採用中位值濾波方式進行訊號分析，並將車體11晃動所導致的突波訊號等雜訊去除後，經由該PID控制器26調整P、I、D的參數，輸出PWM訊號使該驅動機構22能夠精準地驅動該升降機構23到達預定升降位置。
其中，本實施例使用HC-SR04超音波測距模組，並且採用I/O觸發測距，並將訊號演算成公分距離，但因感測器感測敏感，易因車身晃動造成訊號距離不穩。為了分離晃動訊號來加以判斷，採用中值濾波的方式將超音波感測訊號分析，首先將超音波量測到的參數儲存於陣列中，再以泡沫排序法(Bubblesort)由小至大重新排列儲存為
~
再將排列後超音波的數值儲存於陣列當中。這些數值所儲存的筆數，會影響中值濾波後的變化量及特性曲線。在本說明文件內以七筆的陣列資料加以說明，將訊號計算後值數值代入以下的公式定義內運算。中值表式為
，其中算式定義為：
。均值表示為
，其中算式定義為：
。
另外，該PID控制器26（比例-積分-微分控制器），由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。可以透過調整這三個單元的增益Kp，Ki和Kd來調整其特性。PID控制器26主要適用於基本上線性，且動態特性不隨時間變化的系統。因此本實施例會依照視覺化界面上的坡度高度，動態調整該前叉13的高度位置，在硬體部分使用Arduino IDE C/C++語言撰寫，開發出該PID控制器26，並接收坡度的訊號，以及超音波距離訊號，當該微控制器21收到訊號經PID演算後會輸出適當PWM訊號，以使該驅動機構22可以精準又快速的控制該升降機到到預定的高度。
同時，於本實施例中，該限位機構25是於該升降機構23上下位置分別設置有限位開關，當該升降機構23在上升或下降的過程中觸碰到所述限位開關時，該驅動機構22會立即停止轉動以防止過轉的情形發生。
當使用者在踩踏的過程中轉動該轉向把手12而帶動該前叉13一起轉動時，該旋轉角度偵測機構24用以偵測該前叉13左右轉動的角度，使該虛擬實境視覺介面5的畫面視角跟著轉動。於本實施例中，該旋轉角度偵測機構24是使用電位計來偵測該前叉13的轉動方向，將電位計轉動電阻旋轉時所變更的電壓值帶入程式計算並回饋給該虛擬實境視覺介面5，使其因應電壓大小而改變視角方向。
另外，當該後輪14轉動並帶動該輪速感測裝置3的慣性輪32轉動時，由於該慣性輪32上具有黑白線交錯排列，該紅外線循跡感測器33會利用對光線的反射率來偵測該慣性輪32上的黑白線移動速率，再推算為前進速率，並輸出至該虛擬實境視覺介面5，以模擬實際騎乘時速。
本實施例之Unity 3D介面51是透過Unity3D的地形編輯器繪製出高低起伏的草地及山坡，並經由EasyRoad3D插件更改道路物件參數以調整出各式的彎道及斜度，繪製出適合模擬騎乘的道路，再利用牆形物件附上材質並設定Rigidbody以防止騎出圖外。最後再將第一人稱編輯器置入預設相機中，藉以控制畫面行進及讓角色獲得重力及摩擦力來模擬自行車實際騎乘。使用Unity C# Script程式撰寫，並與Unity Scripting API結合，透過串列通訊RS232的方式，以USB連接到前述各裝置，並接收外部硬體的訊號演算後，結合Unity提供的API控制構建好的Unity場景，且以自行車為主軸，並規劃其專用訓練賽道。
另外，本實施例為了與世界各地的地圖連線，結合雲端型的Google Map JavaScript API街景服務，使用C#程式語言撰寫，並與.NET Framework API結合，透過串列通訊RS232的方式，以USB連接到微控制器21，並接收外部硬體的訊號演算後，傳送至Google Apps Script的Google Maps JavaScript API，透過Geocoding API以及Maps Elevation API解析地址，將地址轉換成對應的座標以及坡度後，再回傳對應的場景、經緯度、海拔高度等等資料，達到模擬實際戶外路面情況。
綜上所述，本發明自行車模擬實境訓練平台，只需將前輪拆卸並將前叉13固定於該升降機構23上，再將後輪14置於該支撐架31上且能連通該慣性輪32即可使用。再搭配該虛擬實境視覺介面5能選用Unity3D地圖或Google Map依路段坡度起伏做升降變化，騎乘感受也更貼近於現實。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
11:車體
12:轉向把手
13:前叉
14:後輪
15:踩踏機構
2:前輪升降裝置
21:微控制器
22:驅動機構
23:升降機構
24:旋轉角度偵測機構
25:限位機構
26:PID控制器
27:超音波感測器
3:輪速感測裝置
31:支撐架
32:慣性輪
33:紅外線循跡感測器
4:後輪阻力控制裝置
41:伺服馬達
42:磁阻機構
5:虛擬實境視覺介面
51:Unity 3D介面
52:Google街景介面
A、B:箭頭
圖1是一系統架構圖，為本發明自行車模擬實境訓練平台之較佳實施例；
圖2是一側視示意圖，說明該較佳實施例架設一自行車的態樣；
圖3是一立體圖，說明該較佳實施例中，一前輪升降裝置、一輪速感測裝置，及一後輪阻力控制裝置的結構，為了便於說明，圖中省略部分電子元件未繪出；
圖4是一前視圖，說明該較佳實施例中，該前輪升降裝置與該自行車的前叉結合的方式；及
圖5是一俯視圖，說明該較佳實施例中，該輪速感測裝置與該後輪阻力控制裝置與該自行車的後輪結合的方式。
11:車體
12:轉向把手
13:前叉
14:後輪
15:踩踏機構
2:前輪升降裝置
3:輪速感測裝置
4:後輪阻力控制裝置
5:虛擬實境視覺介面
Claims (10)
- 一種自行車模擬實境訓練平台，能架設一自行車，該自行車包含一車體、一設置於該車體前方之轉向把手、一由該轉向把手連動的前叉、一樞設於該車體後方的後輪，及一帶動該後輪的踩踏機構，該自行車模擬實境訓練平台包含： 一前輪升降裝置，供該自行車之前叉可拆式地定位，並可帶動該前叉升降，並偵測該前叉之轉向； 一輪速感測裝置，供該自行車之後輪可拆式定位，並偵測該後輪的轉速； 一後輪阻力控制裝置，對該後輪提供不同阻力；及 一虛擬實境視覺介面，與該前輪升降裝置、該後輪阻力控制裝置，及該輪速感測裝置電連接，並可依據該虛擬實境視覺介面中的路況資料使前述各裝置的狀態與該路況資料相對應。
- 依據申請專利範圍第1項所述之自行車模擬實境訓練平台，其中，該前輪升降裝置包括一微控制器、一電連接該微控制器的驅動機構、一由該驅動機構帶動的升降機構，及一設置於該升降機構上方且電連接於該微控制器的旋轉角度偵測機構，該旋轉角度偵測機構用以偵測該前叉左右轉動的角度，並使該虛擬實境視覺介面的畫面視角跟著轉動。
- 依據申請專利範圍第2項所述之自行車模擬實境訓練平台，其中，該前輪升降裝置還包括一電連接該驅動機構且用以防止該升降機構過度升降的限位機構。
- 依據申請專利範圍第3項所述之自行車模擬實境訓練平台，其中，該前輪升降裝置還包括一電連接該微控制器的PID控制器，及一電連接該微控制器的超音波感測器。
- 依據申請專利範圍第4項所述之自行車模擬實境訓練平台，其中，該輪速感測裝置包括一由該後輪帶動的且具有黑白線交錯排列的慣性輪，及一用以偵測該慣性輪上之黑白線移動速率的紅外線循跡感測器。
- 依據申請專利範圍第5項所述之自行車模擬實境訓練平台，其中，該輪速感測裝置還包括一用以定位該後輪的支撐架，該後輪是可拆式地安裝於該支撐架上並能帶動該慣性輪。
- 依據申請專利範圍第6項所述之自行車模擬實境訓練平台，其中， 該後輪阻力控制裝置包括一伺服馬達，及一由該伺服馬達控制的磁阻機構。
- 依據申請專利範圍第4項所述之自行車模擬實境訓練平台，其中， 該超音波感測器是採用中位值濾波方式進行訊號分析。
- 依據申請專利範圍第1項所述之自行車模擬實境訓練平台，其中，該虛擬實境視覺介面是透過RS232/Modbus通訊協定與該前輸升降裝置、該後輪阻力控制裝置，及該輪速感測裝置進行溝通。
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