感知网联单车分布式虚拟环境设计与实现

茌众博

摘要：意在设计感知网联单车分布式虚拟环境系统，让用户在虚拟环境中进行骑行健身，解决当下室内健身单车枯燥无聊的问题。

关键词：分布式虚拟环境;物联网;健身单车

中图分类号：TP3 文献标识码：A  文章编号：1003-9082（2020）07-000-01

一、系统整体设计

1. 项目整体技术架构

下位机是由健身单车主体、两块Arduino开发板及多种传感器构成，下位机系统控制部分由两块Arduino开发板构成，一块用于将传感器所获取的数据通过串口通信传输至上位机，处理速度信息、角度信息等这些由用户本身产生信息，另一块用于读取并解析上位机系统指令，虚拟环境中风速、单车上下坡所带来不同阻力感等信息会通过此单片机反馈至用户。下位机系统还包含了大量传感器与控制模块，传感器采集用户骑行数据，例如骑行速度、车把方向、刹车信号等，控制模块用于将虚拟环境中环境信息，例如风速、阻力、振动等作用于骑行用户。

上位机部分，利用Unity3D引擎搭建虚拟环境，虚拟环境中建立基本人物模型与环境交互内容，与单片机通过串口通信传递用户骑行信息、人机交互信息等，保证系统信息实时传递。为实现分布式虚拟环境，又架设了服务器及数据库，设计了一套基于服务器—客户端框架的网络传输模式，并存储用户骑行信息，实现局域网下两辆单车可以在同一虚拟环境下进行交互。

2. 单车部分设计方案

单车结构主要考虑传感器、执行器安装以及用户骑车体验。在车把前部加装铁板平面，用来安装风扇和用户打卡系统，且方便放置VR头盔，风扇模拟风力，用户打卡系统实现用户刷卡上机操作。在车把下方安装角度传感器，在车把上配备电子刹把。在左侧车把处增加摇杆，用户可通过左手拇指对虚拟环境中界面进行操作。在右侧车把处选用自复位按键，分别在虚拟环境中起到复位、加速和鸣笛效果，用户右手拇指即可轻松操作。在车把内部加入振动马达模拟颠簸与碰撞，车把套中嵌入心率传感器以获取用户心率。单车的下方用角铁固定电动推杆，通过铁丝牵引健身单车飞輪刹车片，采用磁控力，通过控制磁铁与飞轮之间距离产生不同阻尼力，实现不同阻力效果。在单车飞轮上固定一磁铁片，于单车的飞轮中心处安装霍尔传感器读取骑行速度。

3. 虚拟环境部分设计方案

在赛道中增加上下坡、指示标、加速减时道具、传送门、检查点、蹦床、行人等内容。当用户触碰减速道具时，虚拟环境中的计时器会对时间进行缩减;触碰加速道具时，用户通过点击加速按键可加速;传送门可以使赛道多样化，通过在传送门之间穿梭寻找捷径;检查点的设置让用户获知自己行进路程;设置蹦床为增加用户多样性体验;设置行人目的是为了增加赛道难度，撞到行人会增加比赛时间。

此外增加用户交互界面，提升用户体验。并且设计了一套基于服务器—客户端框架网络传输模式，使两辆单车在局域网环境下实现分布式虚拟环境。

二、系统整体实现

1.软硬件交互部分

通过C# 中SerialPort 类实现与Arduino的数据交流，建立子线程执行数据接收与处理。两个子线程一个接收来自硬件的数据，一个向硬件发送数据。Arduino采集信息数据以字符串（x，y）形式传入串口缓冲区，使用正则表达式读取线程，匹配过滤非法数据。数据有不同标志位标记数据类型，例如方向、转速等，其中x坐标代表具体数值，y坐标代表数据含义。

2. 硬件部分

包括速度信号、角度信号、刹车信号、按键信号、摇杆信号、打卡信号和心率信号等。

3.软件部分

（1）虚拟环境内容

运用Unity3D引擎，从硬件采集数据，设计单车模拟行驶系统，建立单车的运动状态及空间坐标逻辑关系，构建虚拟环境中的单车模型。单车模拟行驶系统计算单车在加速、拐弯、刹车等不同情况下的行驶情况，单车轮子与车体物理运算分开，轮子和车体都为单车物体的子物体。车体部分搭载了自动调整重心算法以保持平衡。轮子部分运用减震器的物理算法，能够在车轮进行滚动的同时模拟轮子垂直抖动。轮子与地面的摩擦力是单车的动力来源。单车进行拐弯动作时，算法会回馈给单车车体一个角动量，减少车身抖动，平衡车体以及减少用户VR眩晕感。将VR相机与单车车体绑定，实现用户第一人称视角体验。同时运用复位点插件，用户在虚拟环境中撞墙的话便可以使得用户回到赛道中正确位置，配合实体单车的复位按键实现复位功能。

利用Unity3D引擎内置的UGUI系统，可以“可视化地”开发交互界面。建立一个通用界面管理器，通过它来控制界面显示和关闭。在界面管理器中，定义显示界面与关闭界面两个基本方法，同时界面管理器中还包含着一个列表，索引所有已经打开的界面，从而避免界面重复打开。还编写了一个界面基类，每一个界面都是继承自面板基类。在基类中包含了初始化、开启、关闭这三个固定方法，面板基类的初始化方法中，程序会根据所给路径动态加载界面资源并控制面板的上下层关系。

（2）网络传输部分

当客户端发起连接时，基于套接字数据包将会通过指定端口，被发给搭建好的多线程异步服务器，部署于服务端的数据库记录了用户登录信息，可用于用户信息比对及更新。客户端与服务器之间通过附带时间戳的心跳协议，确保之间的相互连接。每隔一定时间，客户端向服务器发送心跳协议以测试连通性，服务器收到后恢复心跳，并通过时间戳更新上次响应时间，长时间未响应的用户会被断开连接。

用户骑行信息会被实时传输给服务器，并由服务器分发给所有用户。服务器通过六轴坐标及速率、角动量双重传输及预测位置更新算法，可以在网络不佳情况下减少可能出现的位置同步错误，并显著降低延迟，同时对传输来信息进行防作弊检测，增加竞技公平性。在多人健身竞技中，计算每位玩家所用时间、所获积分，并将其传输给服务器，从而实现排行榜功能，在每次骑行结束后展示给用户。服务端数据库可保存用户每次骑行数据，以便于用户之间相互挑战及检验用户健身效果。

客户端与服务器传输核心方法是将各类信息对象通过JSON序列化编码传输，服务器会通过其协议名称及所包含的参数自动进行下一步处理。服务端数据存储使用MySQL数据库，并将SQL语句定义并封装在服务端C#程序单独的类中。

参考文献

[1]潘志庚，cad.zju.edu.cn，姜晓红等.分布式虚拟环境综述[J].软件学报，2000

（04）：461-467.