自行车运动员智能辅助训练系统的设计与开发

□ 杨解放（商丘职业技术学院 河南 商丘 476000）

引言

从世界范围内来，自行车运动特别受欢迎，从某种程度上来说已经成为世界范围内十分受欢迎的体育项目，有越来越多的骑行爱好者越来越接受和认可这项运动，并且在世界范围内，每年都举办多种多样的专业自行车比赛，这样能够为运动员充分展现自身的技能和水平提供重要的平台。这样的情况对于专业运动员而言，能够在更大程度上有效提升他们的专业水准和竞技能力，在这个过程中，不仅要配备专业的教练，对其进行有针对性的指导，与此同时，更要结合自身的实际情况选取更切实有效的训练场地，并确保与时俱进，充分利用多种多样的科学技术，使其运动效果得到更有效的提升。从实践来看，对运动员的体能和训练数据进行科学合理的分析，以分析的结果为基准，确保设计方案得到及时有效的规划和制定，使其科学性，精准性得到更大程度的提升，以此更有效的提高运动员的体能和竞技技能。在具体的自行车运动实践过程中，进一步融合先进技术，研发和应用一套和运动员相匹配的辅助性高效训练系统，通过这套硬件和软件互相融合的系统，确保该套智能辅助训练系统的设计和开发更科学合理，并呈现出更显著的应用效果，可以使专业教练和训练场地的制约因素得到有效突破，在更大程度上在短时间内使运动员的竞技水平得到显著提升，有着十分显著的应用价值。据此，下文重点分析自行车运动员智能辅助训练系统的设计和开发等相关方面的内容。

1、自行车运动员智能辅助训练系统主要内容

从根本上来讲，该系统的根本宗旨是为了在最大程度上有效辅助运动员进行科学合理的训练，可呈现出更为理想的训练效果。就其核心功能来看，它主要涉及三个部分的内容，具体而言主要包括：日常训练模块，公路赛模拟训练模块，历史记录模块。运动员在训练以前，要对其进行有针对性的体能测试，在这样的情况下系统就可以充分结合相应的测试结果，针对相关运动员体能分成不同的类别，与此同时充分利用相应的分类情况，结合运动员的具体情况，安排相关联的训练方案和训练计划，通过这种方法能够进一步提升训练效果。针对公路赛模拟训练模块来说，可以更有效的模拟和还原切实切地的比赛环境和相关的地形情况，确保其精准性和逼真性，通过这样的方法，能够为运动员提供更为显著的视觉和感官体验，使其身临其境，有更切实的现场感。在运动员使用该系统的过程中，能够产生相对应的数据，并且自动化、智能化的在系统的数据库中进行有效储存，以此为前提，该系统更有效的处理和分析相关数据，然后，生动形象而全面深入的呈现在历史记录和相关模块中，通过这样的方法能够确保运动员针对自身的真实训练情况进行有针对性的查看和分析，对自身的具体发展情况有充分的了解和把握。与此同时，在有针对性的分析和处理相关数据之后，可以更全面系统的呈现出自行车运动员的整体训练水准以及体能的动态变化情况。它是整体训练的基本依据和参考系数，据此要制定出更科学合理的训练计划，使相关训练内容更有针对性和高效性，以此进一步提升运动员的竞技水平和比赛成绩。

2、自行车运动员智能辅助训练系统的主要架构

2.1、硬件层

从整体来看，在整个自行车运动员智能辅助训练系统的架构中，硬件层是基础所在，它主要包括自行车的骑行台，嵌入式开发平台以及相应的传感器。结合实际情况和具体应用要求，在警车上配备地磁偏角加速度计，光电码盘等具备更高性能的传感器，这样能够针对运动员的骑行速度，车把偏向以及心率等一系列相关数据进行科学合理的检测，进行实时动态的更新。为了在最大程度上确保运动员在自行车上和系统及时有效的进行交互互动实现连接，还结合实际情况有效安装体感控制器，这种控制器可以针对运动员的双手位置、速度、旋转角度和移动方向等相关内容进行有针对性的采集，以此更科学合理的控制好具体情况。除此之外，在系统底部的发电机，要进一步有效收集骑行过程中所呈现出的能量，然后通过逆变等相关方面的电力电子模块，与大容量的聚合物锂离子电池进行有效配合，这样能够使能量进行充分的转化，并有效储存和利用，为整体系统充分实现自动供电和其他电器进行供电，呈现节能环保效果。

2.2、中间层

这个层面是对于硬件层和应用层进行连接的桥梁，起着过渡作用，它能实现三个方面的功能，分别是：融合与分析，人机交互和控制指令传递等。传感器采集而来的数据统计到单片机中，必须进行有针对性的处理和融合，这样能够确保速度、车把偏向、心率等相关数据进行更准确的收集，然后再利用嵌入式的开发平台，实施二次处理，这样能够进一步获取骑行者的血脂功率，平均心率等相关方面的数据，然后供给上层有效应用。

2.3、应用层

这个层面是以中间层为基础，充分利用处理之后的骑行数据，通过这样的方式为运动员提供更及时有效的训练指导，并进一步针对赛道的骑行环境进行有效模拟。在这个过程中，运动员可以利用不同手势有效实现和系统之间的交互过程，操作起来更为方便。

3、自行车运动员智能辅助训练系统的设计与开发

3.1、能源管理系统

在骑行的过程中，运动员本身会消耗很多的能量，在这种情况下就需要自身的发电装置来有效供应系统的用电需求，通常情况下，所有选取的系统电源是直流发电机，通过电力电子装置，针对电能进行有效的转换，可以产生12V直流电和220V交流电，这样可以充分满足系统的内在要求。除此之外，在弱电部分所需要的5V和3.3V电源，Galileo开发板可以为其有效提供。

3.2、阻尼控制

在骑行的具体运动过程中，其阻力主要包括自行车机械结构的摩擦，车轮和地面的滚动摩擦，以及下坡时的重力分量和空气阻力等相关因素，所以在具体的系统设计过程中，要有针对性的借助电机所产生的空气阻力和重力分量带来的阻力，这样能够让运动员有比较真实客观的骑行体验，这种控制也叫做阻尼控制。

3.3、电能变换

从根本上来讲，直流发电机所输出的电压和转速是呈现正比例的关系，输出效率随着时间的变化而相应的变化，因此要大量电能转换和存储装置，才能确保整体系统安全平稳的运行。其电能变换过程中所涉及的装置主要包括DC-DC变换装置、直流储能环节以及DC-AC逆变器等。为了在最大程度上确保系统能够安全稳定的运行，可以把电池作为最有效的储能设备，真正意义上为电池进行充电，这样能够使电池的电量与相应的用电要求高度吻合。

3.4、传感与测量系统

为了有效确保相关系统呈现出最大化的应用功能，要结合具体情况配备相对应的传感器，使其更丰富，更优化，针对人体姿势，车把转向运动员的身体状况等相关内容进行有效识别，所以在系统的运行过程中，传感和测量系统有着至关重要的作用。

3.5、转向测量

在系统的运行过程中可以应用HMC5883芯片当作方向传感器。因为自行车把的实际转向，不单是水平方向的旋转，还有垂直方向的翻滚旋转等，所以单纯的的磁场分量检测不能全面深入的体现出车把的旋转，针对这样的情况就需要通过传感器信号进行有针对性的处理。

3.6、车速及踏频测量

以传统的装置为基础，对其进行切实有效的改造，把测速装置安装在电机主轴上，因为飞轮滚筒可以更有效地模拟出大地和车的相对运动速度，所以电机和飞轮转动比恒定，在这样的情况下，电机主轴转速就可以更有效的体现出自行车的实际车速，在电机上安装相对应的光电对管和充电码盘，在码盘转动的过程中，光谱可以间歇式的对于光电对管进行道通或者关断，在这样的情况下就可以测量光电对管的输出频率，能够得出相对应的转速。

3.7、心率测量

针对运动员的心率进行治疗，要有效通过光学心率传感器，把运动员身体的各项数据指标传输到传感器上，手指轻轻压住，就可以把人体的心跳信号转化成为电信号，利用Galileo模拟信号接口，就可以针对电压进行有针对性的测量，由此测得心率情况。

3.8、功率测量

运动员在骑行的过程中所产生的功率通过两方面进行消耗，一方面是机械结构所产生的机械损耗，另一方面是利用发电机产生电能，为系统进行供给使用。针对机械损耗而言，因为其比重比较小，摩擦力保持恒定，所以没有更高的要求。针对电功率而言，要进行实时的监测，观察电机的输出电压和输出电流，这样就可以使功率的测量更加精准有效。

4、数据传输

在数据传输的过程中，系统主要设计三项技术，分别是:node.js，接口通信和Websocket通信。利用node.js的serialport模块可以切实有效的把Galileo开发板到Bay Trail嵌入式平台波特率为9600的全双工通信。利用node.js的socket.io模块可以把Galileo开发板发送过来的骑行数据推送到前端网页应用上。

5、交互

Leap Motion具备明显的优势，在手势交互应用过程中，有着高效应用，结合系统的操作需求，可以有效进行上下左右滑动，连续抓握两次，双手放大或缩小以及抓握移动和单手转动，有针对性的利用以上几种手势就可以更方便快捷的进行相关方面的控制，呈现出十分显著的应用效果。

结束语：通过上文针对自行车运动员智能辅助训练系统的设计与开发等相关内容的分析和探讨，我们能够充分看出，在自行车运动员的训练过程中，要进一步与时俱进，充分利用相关方面的技术和科学手段，使智能辅助训练系统的设计和开发更加科学合理，更有针对性，体现出人性化的特色，以自行车运动员的实际情况为基础，着重把握其相关特征和具体的竞技技能实际情况，使系统得到更有效的优化，并呈现出更大化的效能，为自行车运动员的竞技水平的提升，做出最大的贡献，由此推进我国自行车运动事业实现更好的发展。