面向虚拟骑行健身的动感单车数据采集系统

李 昕，杨文珍，周 强，卢水晶，卢 毅，宋赛赛

(1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018；2.杭州水晶运动机械股份有限公司，浙江 杭州311502；3.浙江方圆检测集团，浙江 杭州 310013)

0 前 言

动感单车健身不受天气、时间、地点和空气污染等运动条件限制，凭借其安全方便的锻炼方式，已经成为大众喜欢的运动健身工具之一。随着科学健身的理念日渐深入人心，人们更加注重骑车的健身质量和效果，希望在轻松愉快的环境中骑车锻炼身体，实时了解自己的运动状况，适时调整运动强度，得到最佳的运动效果。

然而，人们在骑着普通动感单车锻炼身体时，总觉得枯燥乏味、兴趣全无，实在是弃之可惜，食之无味。杨勇涛等学者研究表明虚拟锻炼环境对心境有更好的调节效果，显著改善锻炼者的情绪水平，更有利于锻炼者的身心健康[1]。运用虚拟现实技术，学者们开展了动感单车虚拟骑行研究。潘志庚等学者开发了自行车虚拟综合训练仿真器[2]，该仿真器可以模拟真实场地信息，可以反馈给当前骑行者自己的运动情况。陈和恩等学者提出了一种具有健身与娱乐功能的健身车系统[3]，此系统在保证原有机械式健身车功能设计的前提下，增加虚拟现实技术、传感器技术和数字信号处理器控制技术，实现在虚拟游戏环境中的人机交互。赵汉理等学者实现了一套采用健身自行车、Kinect 体感摄像头、心率传感器等设备的健身系统[4]，改善个人健身的娱乐性和有效性。Mokka S等学者开发了一套由自行车、计算机和投影仪组成的虚拟健身系统[5]，当锻炼者在骑行时，可在大屏幕中的虚拟环境中漫游。

然而，目前虚拟骑行系统普遍存在着沉浸感弱、场景的运动和身体的运动感知不匹配、场景运动延时等问题，主要原因在于未能准确且实时地获取锻炼者的运动数据，实现与虚拟场景的实时互动[6]。因此，本文着重研发动感单车的数据采集系统，以期能够精确且实时地获取用户的骑行速度数据和心率数据，并结合Unit3D构建的虚拟场景，用于虚拟骑行健身、提升虚拟骑行的沉浸感和运动锻炼效果。

1 动感单车运动数据采集装置

动感单车的运动数据主要包括骑行速度数据和心率数据，本文开展光电编码测速方法和霍尔测速方法的对比实验，手握心率检测仪与心率手环的对比实验，分别选出实时性好且准确性高的运动数据采集器。

1.1骑行速度数据采集

经调查显示，目前大多数动感单车所采用的速度测量方法有两种：一是光电测速方法；二是霍尔测速方法。

1.1.1 光电测速装置。光电测速传感器具有精度准确、响应时间短、不直接接触被测物体等优点，结构简单，外观简洁易操作且体积小便于安装[7]。本文选用槽型光电传感器(型号为H42B6)，采集用户的骑行速度数据。槽的两侧分别装有一个光发射器和一个接收器。光发射器发出红外光，在光发射器和接收器之间没有遮挡的情况下，接收器能接收到光，当光发射器和接收器之间有遮挡的情况下，接收器不能接收到光，光电测速传感器就输出一个脉冲信号，完成一次计数响应。光电测速方法需要光电传感器与光栅盘的配合才能采集到动感单车的车速。光栅盘安装于动感单车驱动轮轮毂中心处，如图1所示，其直径为64mm，光栅格数为50格。

图1 光栅盘与 图2 光栅盘与光电测速传感器 光电测速传感器

本文采用增量计数的方式对动感单车的车轮转速进行采集。当车轮转动时，光栅盘的光栅交替遮挡槽型光电传感器光发射器端所发出的红外光，光电传感器依次输出脉冲信号，则动感单车的车轮转速Vr计算公式为：

(1)

式中n为光栅盘的光栅格数，单位为个，m为时间内的脉冲个数，单位为个，T为采样时间，单位为毫秒。

根据动感单车的车轮转速Vr，在已知车轮的直径D的前提下，可以得到动感单车的骑行速度Vg公式计算为:

(2)

1.1.2 霍尔测速装置。霍尔传感器利用霍尔效应的原理，霍尔元件在磁场中运动产生霍尔电热，把位移信号转换成电信号。根据霍尔效应，霍尔元件由半导体材料制作而成，具有对磁场敏感、结构简单、体积小、响应时间短、输出信号稳定和使用寿命长等优点[8]。由于霍尔元件在磁场中运动产生的电势差很小，所以一般将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路和稳压电源等集成在一个芯片上，构成霍尔传感器。

本文选用的3144型霍尔传感器具有电源指示灯和信号输出指示灯，单路信号输出，灵敏度可调，电路板输出开关量，可直接联单片机，有磁场切割就有信号输出等特点。该霍尔传感器无触发时，输出低电平，有触发时，输出高电平。为了能产生磁场，本文选用了34枚磁钢均匀布置在动感单车驱动轮轮毂处，如2图所示。当动感单车驱动轮转动时，每当磁钢靠近霍尔传感器时会引发霍尔元件产生由高到低电平的跳变，当磁钢远离霍尔元件时，霍尔元件产生磁场由低电平恢复到高电平。单片机对霍尔元件所产生的测量信号进行下降沿捕获，得到脉冲信号，进而可算出车轮的转速。假设霍尔传感器在一定时间T1内输出的脉冲信号个数为W，即感应到W个磁钢数，动感单车的车轮直径为D，可以得到动感单车的骑行速度公式为

(3)

1.1.3 光电测速和霍尔测速的对比分析。针对以上两种测量方法，我们选取了多个对象进行骑行数据采集实验，要求同一对象在不同的测速方法下运动状态尽量保持一致，本文采用光栅格数为50的光栅盘，采样时间T设定为50ms，骑行时间为3min，将得到的数据进行筛选得到以下数据。

同理，可以得到对象B在光电传感器下的最高速度为44.3km/h，平均速度为13.7km/h；对象B在霍尔传感器下的最高速度为48.92km/h，平均速度为24.37km/h。

与自行车码表速度相对比，光电传感器测量得到骑行速度数据更加精确而且实时性更好。因为光电传感器的光栅格数多并且分布紧密，动感单车车轮只要转过一个微小的角度就能产生脉冲信号，就可测得到车速数据，实时性得到了保证。因此，光电传感器更能准确地反馈出当前用户的运动状态，更适合于动感动车的骑行速度数据采集。

2.2骑行心率采集装置

2.2.1 手握心率检测仪。本文选用了型号为SH601的手握心率检测仪，该手握心率通直流2.4V～5.5V电压，具有良好的抗干扰能力，信号输出稳定。它可以通过手柄上的金属电极获取人体手掌上的心电信号，再经过放大滤波等信号调理后，使心率信号转化为单片机可以直接测量的方波信号，如图3所示。当人体心脏跳动一下，便产生一定宽度的高电平，最终获得了当前锻炼者的骑行心率[9]。

图3 手握心率检测仪及其方波信号

假设测得两次相邻方波的时间间隔(即两次心跳的时间间隔)为T毫秒，P为瞬时心率值，单位为次/min，则可以得到骑行者当前的瞬时心率计算公式为

(4)

2.2.2 心率手环。脉搏是指随着心脏节律性地收缩和舒张，动脉管壁相应地出现扩张和回缩，在表浅动脉上可触到搏动，形成脉搏波。脉搏波可以反映人体的血氧饱和度、脉率和心率等信息[10]。目前测脉搏波的手环有很多种，其测量原理也不尽相同。本文选用一种光电容积脉搏波方法的心率手环，其工作原理是基于动脉血液对光吸收量不同，从而获取脉搏波周期信息。此手环由两个 LED灯和一个光电传感器组成，LED灯光通过皮肤和血管后，一部分光被血液中的氧合血红蛋白吸收和散射，另一部分光会被光电传感器接收，从而获取脉搏波的信号[11]。该方法计算比较复杂，利用傅里叶变换得到傅里叶谱，对傅里叶谱进行平滑处理，得到曲线中峰值点作为心率值。

2.2.3 手握心率检测仪和心率手环的对比评价。针对手握心率检测仪和心率手环的两种心率测量方法，本文以医用心率血压检测仪为标准，选取多个对象进行心率数据采集和对比实验，测试时间为1min，得到如图4-9所示的数据。

图4 对象A在手握心率检测仪的心率

图7 对象B在心率手环的心率

图8 对象A在医用心率血压检测仪的心率

图9 对象B在医用心率血压检测仪的心率

与医用心率血压检测仪的心率相对比，手握心率检测仪测量得到的心率数据更加精确，并且可以准确地反馈出当前用户的锻炼状态，从而更适合于动感动车的心率数据采集。所以，本文选用手握心率检测仪进行心率数据采集。

2 动感单车的虚拟骑行实验

为了验证此运动数据采集系统能够准确地获取用户的骑行速度和心率数据，实时驱动虚拟场景运动，增强虚拟骑行的沉浸感和科学性，本文构建了动感单车虚拟骑行的实验环境，并开展了用户的测试和评价。

2.1实验环境的构建

动感单车虚拟骑行的实验环境主要包括动感单车模块、蓝牙通讯模块和虚拟骑行场景模块，如图10所示。动感单车模块通过光电测速传感器和手握心率检测仪采集用户的骑行速度和心率数据，传输给数据采集控制器。虚拟骑行场景模块可以通过PC机、平板PAD、虚拟现实头盔或手机等设备获得用户的运动数据，并显示和驱动虚拟骑行场景。蓝牙通讯模块实现动感单车和虚拟骑行场景之间的数据传递。

图10 动感单车虚拟骑行的数据流程

2.2实验测试和评价

本文的虚拟骑行场景由Unit3D建模，如图7所示，运行在Boxx(3DBOXX 8500)工作站，通过巴可Galaxy NW-12投影机，呈现在2.7m*9m的环形屏幕中[12]。动感单车为杭州水晶运动机械有限公司的超静音家用室内动感单车。

我们选择了50个对象进行虚拟骑行体验，并在结束时对他们在骑行过程中的沉浸感与实时性进行调查，调查结果如表1所示。

表1 实验评价

图11 动感单车虚拟骑行实验

由上述实验结果可以得出，用户对虚拟骑行的持久吸引力、娱乐性、沉浸感和画面连续性比较满意，表明本文研发的动感单车数据采集系统能够提供可靠的运动数据，增强了动感单车虚拟健身的沉浸感和娱乐性。

3 总 结

经过实验数据的对比评价，光电测速方法能够更精确和实时地采集到骑行速度数据，手握心率检测仪可以采集到更精确的心率数据，更适用于动感单车健身。因此，本文采用光电测速传感器和手握心率检测仪作为数据采集装置，设计出基于虚拟骑行健身的动感单车数据采集系统。此系统与Unit3D建立的虚拟场景相结合，将骑行速度和心率在虚拟场景中呈现出来，让用户可以实时了解自身的锻炼数据，从而做出适时的运动强度调整，以达到更好的健身效果，增强了动感单车健身的趣味性和科学性。

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