智能体感虚拟现实交互运动系统

刘肖佑　田立国　张驰宇　马悦　林子皓

摘 要：针对室外骑行运动安全性不高，且容易受天气路况的影响，同时传统室内骑行台体验单一，长时健身会感到枯燥乏味。文章提出了一种基于体感交互与虚拟现实技术相结合的智能交互式运动系统，通过ARM主控系统采集霍尔转速传感器、六轴陀螺仪等传感器上的骑行数据，并将数据发送给上位机系统，实现与Unity3D搭建的虚拟场景进行虚拟交互，从而体验不同场景的虚拟化骑行运动。在此基础之上，系统还加入体征信息采集装置，用于采集骑行者的心率、脉搏及体温等生理参数，更好的指导骑行。

关键词：虚拟现实；体感交互；Unity3D

中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：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

近年來骑行运动在我国发展迅速，不同年龄段都拥有大批骑行爱好者，与此同时电子竞技也占据着主流娱乐消费市场。本文便将“运动+娱乐”的理念合二为一，在避免了传统骑行运动饱受自然因素和路面干扰的同时也给电竞玩家带来了适当的运动体验。

本系统在一台普通单车的基础上，设计并安装了骑行时的速度采集装置和体感交互设备，把信号传输给控制芯片进行运算处理并通过无线传输传递给电脑端进行实行采集。同时，为运动者配置人体运动体征监测系统，在实现单车运动的同时获取自身的心率、脉搏、体温等参数在屏幕端显示，以使运动者能够实时了解自身的运动状态，自我调节运动的强度，解决了锻炼者在健身过程中枯燥乏味的问题，增加了动感单车运动的娱乐性。

2 系统总体设计

该智能体感虚拟现实交互运动系统主要由体感交互运动系统、体征采集系统和上位机虚拟场景构成，其系统总体设计如图1所示。

2.1 体感交互运动系统的设计

体感交互运动系统主要采集用户的骑行踏频与方向等数据，采用ARM处理器作为终端控制器，配置霍尔速度传感器H42B6以及六轴方向传感器3144测量用户骑行方向，通过ZigBee无线通信模块将采集到的数据传输给主控终端进行数据的汇总处理。

2.2 体征采集系统的设计

体征采集系统主要用于将采集到的用户健康参数进行汇总处理，然后通过移动网、WiFi等通信方式将数据上传给电脑端进行数据的分析处理。

3 系统硬件设计

3.1 控制模块

体感交互运动系统的控制器模块选择嵌入式ST公司的32位ARM处理器STM32F103ZET6，该微处理器具有较高的工作频率，丰富的I/O外设接口，支持多种通信接口，自带AD转换功能，满足了本系统的性能需求。

3.2 霍尔速度传感器

系统中的速度采集选用霍尔速度传感器中的槽型光电传感器H42B6，用于采集骑行车的车速。

3.3 体征检测采集系统

体征检测采集系统用于采集骑行者在运动过程中的心率、脉搏、体温等参数，系统采集完参数后通过无线通信模块将数据传输给电脑端进行实时显示，原理框图如图2所示。

4 系统软件设计

智能体感虚拟显示交互运动系统的软件设计包括下位机控制程序和上位机应用程序两大部分：

下位机控制程序主要实现骑行台的速度、转向等数据，以及骑行者的体质参数采集。

上位机应用程序主要实现骑行运动的虚拟现实场景设计，采用Unity3D设计，骑行界面主要由骑行场景，骑行者，速度盘三部分组成。

骑行场景采用两种场景，体验者可以通过自己的喜好自由切换：城市场景和雪地赛道场景。

拟场景中的游戏者和现实生活中的体验者连为一体，当体验者转动自行车车把时游戏者会随之转动身体从而带动场景中方向的转动。游戏者有前进，后退，左转，右转，刹车等功能。当游戏者受到撞击摔倒时，游戏会做重置设置，在原地重新开始运行。自行车刹车时，后面会有红色警示灯亮起。

5 结束语

本文提出一种智能体感交互式运动，综合运用虚拟现实、物联网、嵌入式、传感器等技术，给用户提供一种“运动+娱乐”的全新健身模式。通过骑行台上的传感器检测运动数据，在虚拟终端内展示实时运动状态。同时通过健康数据采集终端实时采集人员在运动过程中的心率、体温、脉搏等生命体征参数信息，采用物联网通信网络技术将数据传输到监控终端平台，经过对数据的处理、分析，实时得到骑行者在运动过程的体征参数。

参考文献：

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