自行車運(yùn)動員智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

□ 楊解放（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 商丘 476000）

引言

從世界范圍內(nèi)來，自行車運(yùn)動特別受歡迎，從某種程度上來說已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)十分受歡迎的體育項(xiàng)目，有越來越多的騎行愛好者越來越接受和認(rèn)可這項(xiàng)運(yùn)動，并且在世界范圍內(nèi)，每年都舉辦多種多樣的專業(yè)自行車比賽，這樣能夠?yàn)檫\(yùn)動員充分展現(xiàn)自身的技能和水平提供重要的平臺。這樣的情況對于專業(yè)運(yùn)動員而言，能夠在更大程度上有效提升他們的專業(yè)水準(zhǔn)和競技能力，在這個過程中，不僅要配備專業(yè)的教練，對其進(jìn)行有針對性的指導(dǎo)，與此同時，更要結(jié)合自身的實(shí)際情況選取更切實(shí)有效的訓(xùn)練場地，并確保與時俱進(jìn)，充分利用多種多樣的科學(xué)技術(shù)，使其運(yùn)動效果得到更有效的提升。從實(shí)踐來看，對運(yùn)動員的體能和訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理的分析，以分析的結(jié)果為基準(zhǔn)，確保設(shè)計方案得到及時有效的規(guī)劃和制定，使其科學(xué)性，精準(zhǔn)性得到更大程度的提升，以此更有效的提高運(yùn)動員的體能和競技技能。在具體的自行車運(yùn)動實(shí)踐過程中，進(jìn)一步融合先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)和應(yīng)用一套和運(yùn)動員相匹配的輔助性高效訓(xùn)練系統(tǒng)，通過這套硬件和軟件互相融合的系統(tǒng)，確保該套智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)更科學(xué)合理，并呈現(xiàn)出更顯著的應(yīng)用效果，可以使專業(yè)教練和訓(xùn)練場地的制約因素得到有效突破，在更大程度上在短時間內(nèi)使運(yùn)動員的競技水平得到顯著提升，有著十分顯著的應(yīng)用價值。據(jù)此，下文重點(diǎn)分析自行車運(yùn)動員智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)等相關(guān)方面的內(nèi)容。

1、自行車運(yùn)動員智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)主要內(nèi)容

從根本上來講，該系統(tǒng)的根本宗旨是為了在最大程度上有效輔助運(yùn)動員進(jìn)行科學(xué)合理的訓(xùn)練，可呈現(xiàn)出更為理想的訓(xùn)練效果。就其核心功能來看，它主要涉及三個部分的內(nèi)容，具體而言主要包括：日常訓(xùn)練模塊，公路賽模擬訓(xùn)練模塊，歷史記錄模塊。運(yùn)動員在訓(xùn)練以前，要對其進(jìn)行有針對性的體能測試，在這樣的情況下系統(tǒng)就可以充分結(jié)合相應(yīng)的測試結(jié)果，針對相關(guān)運(yùn)動員體能分成不同的類別，與此同時充分利用相應(yīng)的分類情況，結(jié)合運(yùn)動員的具體情況，安排相關(guān)聯(lián)的訓(xùn)練方案和訓(xùn)練計劃，通過這種方法能夠進(jìn)一步提升訓(xùn)練效果。針對公路賽模擬訓(xùn)練模塊來說，可以更有效的模擬和還原切實(shí)切地的比賽環(huán)境和相關(guān)的地形情況，確保其精準(zhǔn)性和逼真性，通過這樣的方法，能夠?yàn)檫\(yùn)動員提供更為顯著的視覺和感官體驗(yàn)，使其身臨其境，有更切實(shí)的現(xiàn)場感。在運(yùn)動員使用該系統(tǒng)的過程中，能夠產(chǎn)生相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且自動化、智能化的在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行有效儲存，以此為前提，該系統(tǒng)更有效的處理和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，然后，生動形象而全面深入的呈現(xiàn)在歷史記錄和相關(guān)模塊中，通過這樣的方法能夠確保運(yùn)動員針對自身的真實(shí)訓(xùn)練情況進(jìn)行有針對性的查看和分析，對自身的具體發(fā)展情況有充分的了解和把握。與此同時，在有針對性的分析和處理相關(guān)數(shù)據(jù)之后，可以更全面系統(tǒng)的呈現(xiàn)出自行車運(yùn)動員的整體訓(xùn)練水準(zhǔn)以及體能的動態(tài)變化情況。它是整體訓(xùn)練的基本依據(jù)和參考系數(shù)，據(jù)此要制定出更科學(xué)合理的訓(xùn)練計劃，使相關(guān)訓(xùn)練內(nèi)容更有針對性和高效性，以此進(jìn)一步提升運(yùn)動員的競技水平和比賽成績。

2、自行車運(yùn)動員智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的主要架構(gòu)

2.1、硬件層

從整體來看，在整個自行車運(yùn)動員智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的架構(gòu)中，硬件層是基礎(chǔ)所在，它主要包括自行車的騎行臺，嵌入式開發(fā)平臺以及相應(yīng)的傳感器。結(jié)合實(shí)際情況和具體應(yīng)用要求，在警車上配備地磁偏角加速度計，光電碼盤等具備更高性能的傳感器，這樣能夠針對運(yùn)動員的騎行速度，車把偏向以及心率等一系列相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理的檢測，進(jìn)行實(shí)時動態(tài)的更新。為了在最大程度上確保運(yùn)動員在自行車上和系統(tǒng)及時有效的進(jìn)行交互互動實(shí)現(xiàn)連接，還結(jié)合實(shí)際情況有效安裝體感控制器，這種控制器可以針對運(yùn)動員的雙手位置、速度、旋轉(zhuǎn)角度和移動方向等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行有針對性的采集，以此更科學(xué)合理的控制好具體情況。除此之外，在系統(tǒng)底部的發(fā)電機(jī)，要進(jìn)一步有效收集騎行過程中所呈現(xiàn)出的能量，然后通過逆變等相關(guān)方面的電力電子模塊，與大容量的聚合物鋰離子電池進(jìn)行有效配合，這樣能夠使能量進(jìn)行充分的轉(zhuǎn)化，并有效儲存和利用，為整體系統(tǒng)充分實(shí)現(xiàn)自動供電和其他電器進(jìn)行供電，呈現(xiàn)節(jié)能環(huán)保效果。

2.2、中間層

這個層面是對于硬件層和應(yīng)用層進(jìn)行連接的橋梁，起著過渡作用，它能實(shí)現(xiàn)三個方面的功能，分別是：融合與分析，人機(jī)交互和控制指令傳遞等。傳感器采集而來的數(shù)據(jù)統(tǒng)計到單片機(jī)中，必須進(jìn)行有針對性的處理和融合，這樣能夠確保速度、車把偏向、心率等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行更準(zhǔn)確的收集，然后再利用嵌入式的開發(fā)平臺，實(shí)施二次處理，這樣能夠進(jìn)一步獲取騎行者的血脂功率，平均心率等相關(guān)方面的數(shù)據(jù)，然后供給上層有效應(yīng)用。

2.3、應(yīng)用層

這個層面是以中間層為基礎(chǔ)，充分利用處理之后的騎行數(shù)據(jù)，通過這樣的方式為運(yùn)動員提供更及時有效的訓(xùn)練指導(dǎo)，并進(jìn)一步針對賽道的騎行環(huán)境進(jìn)行有效模擬。在這個過程中，運(yùn)動員可以利用不同手勢有效實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)之間的交互過程，操作起來更為方便。

3、自行車運(yùn)動員智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

3.1、能源管理系統(tǒng)

在騎行的過程中，運(yùn)動員本身會消耗很多的能量，在這種情況下就需要自身的發(fā)電裝置來有效供應(yīng)系統(tǒng)的用電需求，通常情況下，所有選取的系統(tǒng)電源是直流發(fā)電機(jī)，通過電力電子裝置，針對電能進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換，可以產(chǎn)生12V直流電和220V交流電，這樣可以充分滿足系統(tǒng)的內(nèi)在要求。除此之外，在弱電部分所需要的5V和3.3V電源，Galileo開發(fā)板可以為其有效提供。

3.2、阻尼控制

在騎行的具體運(yùn)動過程中，其阻力主要包括自行車機(jī)械結(jié)構(gòu)的摩擦，車輪和地面的滾動摩擦，以及下坡時的重力分量和空氣阻力等相關(guān)因素，所以在具體的系統(tǒng)設(shè)計過程中，要有針對性的借助電機(jī)所產(chǎn)生的空氣阻力和重力分量帶來的阻力，這樣能夠讓運(yùn)動員有比較真實(shí)客觀的騎行體驗(yàn)，這種控制也叫做阻尼控制。

3.3、電能變換

從根本上來講，直流發(fā)電機(jī)所輸出的電壓和轉(zhuǎn)速是呈現(xiàn)正比例的關(guān)系，輸出效率隨著時間的變化而相應(yīng)的變化，因此要大量電能轉(zhuǎn)換和存儲裝置，才能確保整體系統(tǒng)安全平穩(wěn)的運(yùn)行。其電能變換過程中所涉及的裝置主要包括DC-DC變換裝置、直流儲能環(huán)節(jié)以及DC-AC逆變器等。為了在最大程度上確保系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，可以把電池作為最有效的儲能設(shè)備，真正意義上為電池進(jìn)行充電，這樣能夠使電池的電量與相應(yīng)的用電要求高度吻合。

3.4、傳感與測量系統(tǒng)

為了有效確保相關(guān)系統(tǒng)呈現(xiàn)出最大化的應(yīng)用功能，要結(jié)合具體情況配備相對應(yīng)的傳感器，使其更豐富，更優(yōu)化，針對人體姿勢，車把轉(zhuǎn)向運(yùn)動員的身體狀況等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行有效識別，所以在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，傳感和測量系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。

3.5、轉(zhuǎn)向測量

在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中可以應(yīng)用HMC5883芯片當(dāng)作方向傳感器。因?yàn)樽孕熊嚢训膶?shí)際轉(zhuǎn)向，不單是水平方向的旋轉(zhuǎn)，還有垂直方向的翻滾旋轉(zhuǎn)等，所以單純的的磁場分量檢測不能全面深入的體現(xiàn)出車把的旋轉(zhuǎn)，針對這樣的情況就需要通過傳感器信號進(jìn)行有針對性的處理。

3.6、車速及踏頻測量

以傳統(tǒng)的裝置為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行切實(shí)有效的改造，把測速裝置安裝在電機(jī)主軸上，因?yàn)轱w輪滾筒可以更有效地模擬出大地和車的相對運(yùn)動速度，所以電機(jī)和飛輪轉(zhuǎn)動比恒定，在這樣的情況下，電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速就可以更有效的體現(xiàn)出自行車的實(shí)際車速，在電機(jī)上安裝相對應(yīng)的光電對管和充電碼盤，在碼盤轉(zhuǎn)動的過程中，光譜可以間歇式的對于光電對管進(jìn)行道通或者關(guān)斷，在這樣的情況下就可以測量光電對管的輸出頻率，能夠得出相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

3.7、心率測量

針對運(yùn)動員的心率進(jìn)行治療，要有效通過光學(xué)心率傳感器，把運(yùn)動員身體的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)傳輸?shù)絺鞲衅魃希种篙p輕壓住，就可以把人體的心跳信號轉(zhuǎn)化成為電信號，利用Galileo模擬信號接口，就可以針對電壓進(jìn)行有針對性的測量，由此測得心率情況。

3.8、功率測量

運(yùn)動員在騎行的過程中所產(chǎn)生的功率通過兩方面進(jìn)行消耗，一方面是機(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的機(jī)械損耗，另一方面是利用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，為系統(tǒng)進(jìn)行供給使用。針對機(jī)械損耗而言，因?yàn)槠浔戎乇容^小，摩擦力保持恒定，所以沒有更高的要求。針對電功率而言，要進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測，觀察電機(jī)的輸出電壓和輸出電流，這樣就可以使功率的測量更加精準(zhǔn)有效。

4、數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，系統(tǒng)主要設(shè)計三項(xiàng)技術(shù)，分別是:node.js，接口通信和Websocket通信。利用node.js的serialport模塊可以切實(shí)有效的把Galileo開發(fā)板到Bay Trail嵌入式平臺波特率為9600的全雙工通信。利用node.js的socket.io模塊可以把Galileo開發(fā)板發(fā)送過來的騎行數(shù)據(jù)推送到前端網(wǎng)頁應(yīng)用上。

5、交互

Leap Motion具備明顯的優(yōu)勢，在手勢交互應(yīng)用過程中，有著高效應(yīng)用，結(jié)合系統(tǒng)的操作需求，可以有效進(jìn)行上下左右滑動，連續(xù)抓握兩次，雙手放大或縮小以及抓握移動和單手轉(zhuǎn)動，有針對性的利用以上幾種手勢就可以更方便快捷的進(jìn)行相關(guān)方面的控制，呈現(xiàn)出十分顯著的應(yīng)用效果。

結(jié)束語：通過上文針對自行車運(yùn)動員智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)等相關(guān)內(nèi)容的分析和探討，我們能夠充分看出，在自行車運(yùn)動員的訓(xùn)練過程中，要進(jìn)一步與時俱進(jìn)，充分利用相關(guān)方面的技術(shù)和科學(xué)手段，使智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)更加科學(xué)合理，更有針對性，體現(xiàn)出人性化的特色，以自行車運(yùn)動員的實(shí)際情況為基礎(chǔ)，著重把握其相關(guān)特征和具體的競技技能實(shí)際情況，使系統(tǒng)得到更有效的優(yōu)化，并呈現(xiàn)出更大化的效能，為自行車運(yùn)動員的競技水平的提升，做出最大的貢獻(xiàn)，由此推進(jìn)我國自行車運(yùn)動事業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。