面向虛擬騎行健身的動感單車數據采集系統

李 昕，楊文珍，周 強，盧水晶，盧 毅，宋賽賽

(1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018；2.杭州水晶運動機械股份有限公司，浙江 杭州311502；3.浙江方圓檢測集團，浙江 杭州 310013)

0 前 言

動感單車健身不受天氣、時間、地點和空氣污染等運動條件限制，憑借其安全方便的鍛煉方式，已經成為大眾喜歡的運動健身工具之一。隨著科學健身的理念日漸深入人心，人們更加注重騎車的健身質量和效果，希望在輕松愉快的環境中騎車鍛煉身體，實時了解自己的運動狀況，適時調整運動強度，得到最佳的運動效果。

然而，人們在騎著普通動感單車鍛煉身體時，總覺得枯燥乏味、興趣全無，實在是棄之可惜，食之無味。楊勇濤等學者研究表明虛擬鍛煉環境對心境有更好的調節效果，顯著改善鍛煉者的情緒水平，更有利于鍛煉者的身心健康[1]。運用虛擬現實技術，學者們開展了動感單車虛擬騎行研究。潘志庚等學者開發了自行車虛擬綜合訓練仿真器[2]，該仿真器可以模擬真實場地信息，可以反饋給當前騎行者自己的運動情況。陳和恩等學者提出了一種具有健身與娛樂功能的健身車系統[3]，此系統在保證原有機械式健身車功能設計的前提下，增加虛擬現實技術、傳感器技術和數字信號處理器控制技術，實現在虛擬游戲環境中的人機交互。趙漢理等學者實現了一套采用健身自行車、Kinect 體感攝像頭、心率傳感器等設備的健身系統[4]，改善個人健身的娛樂性和有效性。Mokka S等學者開發了一套由自行車、計算機和投影儀組成的虛擬健身系統[5]，當鍛煉者在騎行時，可在大屏幕中的虛擬環境中漫游。

然而，目前虛擬騎行系統普遍存在著沉浸感弱、場景的運動和身體的運動感知不匹配、場景運動延時等問題，主要原因在于未能準確且實時地獲取鍛煉者的運動數據，實現與虛擬場景的實時互動[6]。因此，本文著重研發動感單車的數據采集系統，以期能夠精確且實時地獲取用戶的騎行速度數據和心率數據，并結合Unit3D構建的虛擬場景，用于虛擬騎行健身、提升虛擬騎行的沉浸感和運動鍛煉效果。

1 動感單車運動數據采集裝置

動感單車的運動數據主要包括騎行速度數據和心率數據，本文開展光電編碼測速方法和霍爾測速方法的對比實驗，手握心率檢測儀與心率手環的對比實驗，分別選出實時性好且準確性高的運動數據采集器。

1.1騎行速度數據采集

經調查顯示，目前大多數動感單車所采用的速度測量方法有兩種：一是光電測速方法；二是霍爾測速方法。

1.1.1 光電測速裝置。光電測速傳感器具有精度準確、響應時間短、不直接接觸被測物體等優點，結構簡單，外觀簡潔易操作且體積小便于安裝[7]。本文選用槽型光電傳感器(型號為H42B6)，采集用戶的騎行速度數據。槽的兩側分別裝有一個光發射器和一個接收器。光發射器發出紅外光，在光發射器和接收器之間沒有遮擋的情況下，接收器能接收到光，當光發射器和接收器之間有遮擋的情況下，接收器不能接收到光，光電測速傳感器就輸出一個脈沖信號，完成一次計數響應。光電測速方法需要光電傳感器與光柵盤的配合才能采集到動感單車的車速。光柵盤安裝于動感單車驅動輪輪轂中心處，如圖1所示，其直徑為64mm，光柵格數為50格。

圖1 光柵盤與 圖2 光柵盤與光電測速傳感器 光電測速傳感器

本文采用增量計數的方式對動感單車的車輪轉速進行采集。當車輪轉動時，光柵盤的光柵交替遮擋槽型光電傳感器光發射器端所發出的紅外光，光電傳感器依次輸出脈沖信號，則動感單車的車輪轉速Vr計算公式為：

(1)

式中n為光柵盤的光柵格數，單位為個，m為時間內的脈沖個數，單位為個，T為采樣時間，單位為毫秒。

根據動感單車的車輪轉速Vr，在已知車輪的直徑D的前提下，可以得到動感單車的騎行速度Vg公式計算為:

(2)

1.1.2 霍爾測速裝置。霍爾傳感器利用霍爾效應的原理，霍爾元件在磁場中運動產生霍爾電熱，把位移信號轉換成電信號。根據霍爾效應，霍爾元件由半導體材料制作而成，具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、響應時間短、輸出信號穩定和使用壽命長等優點[8]。由于霍爾元件在磁場中運動產生的電勢差很小，所以一般將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路和穩壓電源等集成在一個芯片上，構成霍爾傳感器。

本文選用的3144型霍爾傳感器具有電源指示燈和信號輸出指示燈，單路信號輸出，靈敏度可調，電路板輸出開關量，可直接聯單片機，有磁場切割就有信號輸出等特點。該霍爾傳感器無觸發時，輸出低電平，有觸發時，輸出高電平。為了能產生磁場，本文選用了34枚磁鋼均勻布置在動感單車驅動輪輪轂處，如2圖所示。當動感單車驅動輪轉動時，每當磁鋼靠近霍爾傳感器時會引發霍爾元件產生由高到低電平的跳變，當磁鋼遠離霍爾元件時，霍爾元件產生磁場由低電平恢復到高電平。單片機對霍爾元件所產生的測量信號進行下降沿捕獲，得到脈沖信號，進而可算出車輪的轉速。假設霍爾傳感器在一定時間T1內輸出的脈沖信號個數為W，即感應到W個磁鋼數，動感單車的車輪直徑為D，可以得到動感單車的騎行速度公式為

(3)

1.1.3 光電測速和霍爾測速的對比分析。針對以上兩種測量方法，我們選取了多個對象進行騎行數據采集實驗，要求同一對象在不同的測速方法下運動狀態盡量保持一致，本文采用光柵格數為50的光柵盤，采樣時間T設定為50ms，騎行時間為3min，將得到的數據進行篩選得到以下數據。

同理，可以得到對象B在光電傳感器下的最高速度為44.3km/h，平均速度為13.7km/h；對象B在霍爾傳感器下的最高速度為48.92km/h，平均速度為24.37km/h。

與自行車碼表速度相對比，光電傳感器測量得到騎行速度數據更加精確而且實時性更好。因為光電傳感器的光柵格數多并且分布緊密，動感單車車輪只要轉過一個微小的角度就能產生脈沖信號，就可測得到車速數據，實時性得到了保證。因此，光電傳感器更能準確地反饋出當前用戶的運動狀態，更適合于動感動車的騎行速度數據采集。

2.2騎行心率采集裝置

2.2.1 手握心率檢測儀。本文選用了型號為SH601的手握心率檢測儀，該手握心率通直流2.4V～5.5V電壓，具有良好的抗干擾能力，信號輸出穩定。它可以通過手柄上的金屬電極獲取人體手掌上的心電信號，再經過放大濾波等信號調理后，使心率信號轉化為單片機可以直接測量的方波信號，如圖3所示。當人體心臟跳動一下，便產生一定寬度的高電平，最終獲得了當前鍛煉者的騎行心率[9]。

圖3 手握心率檢測儀及其方波信號

假設測得兩次相鄰方波的時間間隔(即兩次心跳的時間間隔)為T毫秒，P為瞬時心率值，單位為次/min，則可以得到騎行者當前的瞬時心率計算公式為

(4)

2.2.2 心率手環。脈搏是指隨著心臟節律性地收縮和舒張，動脈管壁相應地出現擴張和回縮，在表淺動脈上可觸到搏動，形成脈搏波。脈搏波可以反映人體的血氧飽和度、脈率和心率等信息[10]。目前測脈搏波的手環有很多種，其測量原理也不盡相同。本文選用一種光電容積脈搏波方法的心率手環，其工作原理是基于動脈血液對光吸收量不同，從而獲取脈搏波周期信息。此手環由兩個 LED燈和一個光電傳感器組成，LED燈光通過皮膚和血管后，一部分光被血液中的氧合血紅蛋白吸收和散射，另一部分光會被光電傳感器接收，從而獲取脈搏波的信號[11]。該方法計算比較復雜，利用傅里葉變換得到傅里葉譜，對傅里葉譜進行平滑處理，得到曲線中峰值點作為心率值。

2.2.3 手握心率檢測儀和心率手環的對比評價。針對手握心率檢測儀和心率手環的兩種心率測量方法，本文以醫用心率血壓檢測儀為標準，選取多個對象進行心率數據采集和對比實驗，測試時間為1min，得到如圖4-9所示的數據。

圖4 對象A在手握心率檢測儀的心率

圖7 對象B在心率手環的心率

圖8 對象A在醫用心率血壓檢測儀的心率

圖9 對象B在醫用心率血壓檢測儀的心率

與醫用心率血壓檢測儀的心率相對比，手握心率檢測儀測量得到的心率數據更加精確，并且可以準確地反饋出當前用戶的鍛煉狀態，從而更適合于動感動車的心率數據采集。所以，本文選用手握心率檢測儀進行心率數據采集。

2 動感單車的虛擬騎行實驗

為了驗證此運動數據采集系統能夠準確地獲取用戶的騎行速度和心率數據，實時驅動虛擬場景運動，增強虛擬騎行的沉浸感和科學性，本文構建了動感單車虛擬騎行的實驗環境，并開展了用戶的測試和評價。

2.1實驗環境的構建

動感單車虛擬騎行的實驗環境主要包括動感單車模塊、藍牙通訊模塊和虛擬騎行場景模塊，如圖10所示。動感單車模塊通過光電測速傳感器和手握心率檢測儀采集用戶的騎行速度和心率數據，傳輸給數據采集控制器。虛擬騎行場景模塊可以通過PC機、平板PAD、虛擬現實頭盔或手機等設備獲得用戶的運動數據，并顯示和驅動虛擬騎行場景。藍牙通訊模塊實現動感單車和虛擬騎行場景之間的數據傳遞。

圖10 動感單車虛擬騎行的數據流程

2.2實驗測試和評價

本文的虛擬騎行場景由Unit3D建模，如圖7所示，運行在Boxx(3DBOXX 8500)工作站，通過巴可Galaxy NW-12投影機，呈現在2.7m*9m的環形屏幕中[12]。動感單車為杭州水晶運動機械有限公司的超靜音家用室內動感單車。

我們選擇了50個對象進行虛擬騎行體驗，并在結束時對他們在騎行過程中的沉浸感與實時性進行調查，調查結果如表1所示。

表1 實驗評價

圖11 動感單車虛擬騎行實驗

由上述實驗結果可以得出，用戶對虛擬騎行的持久吸引力、娛樂性、沉浸感和畫面連續性比較滿意，表明本文研發的動感單車數據采集系統能夠提供可靠的運動數據，增強了動感單車虛擬健身的沉浸感和娛樂性。

3 總 結

經過實驗數據的對比評價，光電測速方法能夠更精確和實時地采集到騎行速度數據，手握心率檢測儀可以采集到更精確的心率數據，更適用于動感單車健身。因此，本文采用光電測速傳感器和手握心率檢測儀作為數據采集裝置，設計出基于虛擬騎行健身的動感單車數據采集系統。此系統與Unit3D建立的虛擬場景相結合，將騎行速度和心率在虛擬場景中呈現出來，讓用戶可以實時了解自身的鍛煉數據，從而做出適時的運動強度調整，以達到更好的健身效果，增強了動感單車健身的趣味性和科學性。

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