智能體感虛擬現實交互運動系統

劉肖佑　田立國　張馳宇　馬悅　林子皓

摘 要：針對室外騎行運動安全性不高，且容易受天氣路況的影響，同時傳統室內騎行臺體驗單一，長時健身會感到枯燥乏味。文章提出了一種基于體感交互與虛擬現實技術相結合的智能交互式運動系統，通過ARM主控系統采集霍爾轉速傳感器、六軸陀螺儀等傳感器上的騎行數據，并將數據發送給上位機系統，實現與Unity3D搭建的虛擬場景進行虛擬交互，從而體驗不同場景的虛擬化騎行運動。在此基礎之上，系統還加入體征信息采集裝置，用于采集騎行者的心率、脈搏及體溫等生理參數，更好的指導騎行。

關鍵詞：虛擬現實；體感交互；Unity3D

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0037-02

Abstract： In view of low safety in outdoor cycling， vulnerability to the impact of weather conditions， single experience in the traditional indoor cycling platform， long-term fitness leading to boredom， this paper presents an intelligent interactive motion system based on the combination of somatosensory interaction and virtual reality technology. It collects the riding data of Hall rotational speed sensor， six-axis gyroscope and other sensors through the ARM main control system， and sends the data to the host computer system to achieve virtual interaction with the virtual scene built by Unity3D， so as to experience the virtual riding movement of different scenes. On this basis， the system also adds a physical sign information acquisition device， used to collect the heart rate， pulse and body temperature and other physiological parameters of cyclists to better guide the ride.

Keywords： virtual reality； somatosensory interaction； Unity3D

1 概述

近年來騎行運動在我國發展迅速，不同年齡段都擁有大批騎行愛好者，與此同時電子競技也占據著主流娛樂消費市場。本文便將“運動+娛樂”的理念合二為一，在避免了傳統騎行運動飽受自然因素和路面干擾的同時也給電競玩家帶來了適當的運動體驗。

本系統在一臺普通單車的基礎上，設計并安裝了騎行時的速度采集裝置和體感交互設備，把信號傳輸給控制芯片進行運算處理并通過無線傳輸傳遞給電腦端進行實行采集。同時，為運動者配置人體運動體征監測系統，在實現單車運動的同時獲取自身的心率、脈搏、體溫等參數在屏幕端顯示，以使運動者能夠實時了解自身的運動狀態，自我調節運動的強度，解決了鍛煉者在健身過程中枯燥乏味的問題，增加了動感單車運動的娛樂性。

2 系統總體設計

該智能體感虛擬現實交互運動系統主要由體感交互運動系統、體征采集系統和上位機虛擬場景構成，其系統總體設計如圖1所示。

2.1 體感交互運動系統的設計

體感交互運動系統主要采集用戶的騎行踏頻與方向等數據，采用ARM處理器作為終端控制器，配置霍爾速度傳感器H42B6以及六軸方向傳感器3144測量用戶騎行方向，通過ZigBee無線通信模塊將采集到的數據傳輸給主控終端進行數據的匯總處理。

2.2 體征采集系統的設計

體征采集系統主要用于將采集到的用戶健康參數進行匯總處理，然后通過移動網、WiFi等通信方式將數據上傳給電腦端進行數據的分析處理。

3 系統硬件設計

3.1 控制模塊

體感交互運動系統的控制器模塊選擇嵌入式ST公司的32位ARM處理器STM32F103ZET6，該微處理器具有較高的工作頻率，豐富的I/O外設接口，支持多種通信接口，自帶AD轉換功能，滿足了本系統的性能需求。

3.2 霍爾速度傳感器

系統中的速度采集選用霍爾速度傳感器中的槽型光電傳感器H42B6，用于采集騎行車的車速。

3.3 體征檢測采集系統

體征檢測采集系統用于采集騎行者在運動過程中的心率、脈搏、體溫等參數，系統采集完參數后通過無線通信模塊將數據傳輸給電腦端進行實時顯示，原理框圖如圖2所示。

4 系統軟件設計

智能體感虛擬顯示交互運動系統的軟件設計包括下位機控制程序和上位機應用程序兩大部分：

下位機控制程序主要實現騎行臺的速度、轉向等數據，以及騎行者的體質參數采集。

上位機應用程序主要實現騎行運動的虛擬現實場景設計，采用Unity3D設計，騎行界面主要由騎行場景，騎行者，速度盤三部分組成。

騎行場景采用兩種場景，體驗者可以通過自己的喜好自由切換：城市場景和雪地賽道場景。

擬場景中的游戲者和現實生活中的體驗者連為一體，當體驗者轉動自行車車把時游戲者會隨之轉動身體從而帶動場景中方向的轉動。游戲者有前進，后退，左轉，右轉，剎車等功能。當游戲者受到撞擊摔倒時，游戲會做重置設置，在原地重新開始運行。自行車剎車時，后面會有紅色警示燈亮起。

5 結束語

本文提出一種智能體感交互式運動，綜合運用虛擬現實、物聯網、嵌入式、傳感器等技術，給用戶提供一種“運動+娛樂”的全新健身模式。通過騎行臺上的傳感器檢測運動數據，在虛擬終端內展示實時運動狀態。同時通過健康數據采集終端實時采集人員在運動過程中的心率、體溫、脈搏等生命體征參數信息，采用物聯網通信網絡技術將數據傳輸到監控終端平臺，經過對數據的處理、分析，實時得到騎行者在運動過程的體征參數。

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