專利名稱：自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)，屬于機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡稱VR)，是最近二十幾年才發(fā)展起來的前沿技術(shù)。 虛擬現(xiàn)實(shí)也稱為虛擬環(huán)境，是由計(jì)算機(jī)生成的、模擬人類感覺的世界的實(shí)時(shí)表示。通常， 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有多種輸出形式，可以處理多種輸入設(shè)備的能力，并且能夠進(jìn)行碰撞檢 測、實(shí)時(shí)交互、視點(diǎn)控制和復(fù)雜行為的建模等。它以模擬方式為使用者創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反 映實(shí)體對象變化與相互作用的三維圖像世界，在視、聽、觸、嗅等感知行為的逼真體驗(yàn) 中，參與者可以直接參與和探索虛擬對象在所處環(huán)境中的作用和變化，仿佛置身于一個(gè) 虛擬的世界中，產(chǎn)生沉浸感。隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的日益提高，以及人們健身休閑娛樂意識 的不斷加強(qiáng)，健身車已逐歩成為大眾的健身器材。但如今市場現(xiàn)有的健身器材只是滿足 健身，伴隨著人們喜歡追求新型健身娛樂方式，單調(diào)的健身模式必將使一大部分人感到 厭倦，需要在鍛煉的同時(shí)達(dá)到休閑娛樂的功效。而具有運(yùn)動平臺的交互式自行車模擬器 正可以滿足這種需求。目前國內(nèi)外已開發(fā)了各種各樣的動感模擬器，如汽車、飛機(jī)、坦克和船舶模擬器， 這些模擬器被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的測試、環(huán)境影響評價(jià)，駕駛培訓(xùn)等。交互式動感模擬器集聲、光、電、機(jī)械、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體，不僅能模擬各種運(yùn)動，還能根據(jù)場景 的要求，在運(yùn)動過程中改變操作者的視覺、聽覺及體態(tài)，充分體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性， 沉浸感以及多感知性的特點(diǎn)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種高性能的模擬器不斷 出現(xiàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大了模擬器的應(yīng)用范圍。近年來，國外很多大學(xué)已經(jīng)開始著力于自行車模擬器的研究，希望將其廣泛應(yīng)用于 娛樂、健身、運(yùn)動員訓(xùn)練等領(lǐng)域。德國圖賓根大學(xué)在1997年研制的自行車模擬器，由 大型圓錐形投影屏幕以及簡單的固定運(yùn)動產(chǎn)生系統(tǒng)組成，能提供很好的沉浸感，但體感 效果較差，其主要用途是研究虛擬環(huán)境中的人體意識。美國卡內(nèi)基一梅隆大學(xué)開發(fā)了采 用頭盔顯示器(HMD)的自行車模擬器，僅僅提供簡單的踏板力反饋系統(tǒng)。美國喬治亞 理工大學(xué)研制的自行車模擬器，其平臺能模擬前后俯仰，但不能實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動。 韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的自行車模擬器實(shí)現(xiàn)了多自由度反饋平臺的設(shè)計(jì)成果。但這 些裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、安裝困難、造價(jià)昂貴，難以推廣。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于針對己有技術(shù)存在的缺陷，提供一種自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)，讓虛擬 現(xiàn)實(shí)自行車模擬器普及化，走出專業(yè)的科技場館，向?qū)W校、家庭、倶樂部等推廣。因此 在模擬騎車時(shí)的多感官體驗(yàn)，使人們能夠在一般家庭中實(shí)現(xiàn)在戶外-一邊騎自行車健身，一邊欣賞野外美好風(fēng)景的體驗(yàn)的同時(shí)，要考慮到機(jī)構(gòu)的簡化，體積的減小，安裝的方便、 成本的降低等等各個(gè)方面的因素。本發(fā)明旨在讓騎車者通過這款模擬系統(tǒng)在虛擬環(huán)境中獲得真實(shí)騎車過程中的全身 心感受，包括身體的搖動感、加速度感、手和腳的力觸覺感受、視覺以及聽覺感受，通 過交互式自行車模擬器騎車者能充分體驗(yàn)在不同路況下騎車的娛樂性、刺激性(路況虛 擬環(huán)境包括地形、路面狀況、沿途風(fēng)景等)。該系統(tǒng)是把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到一般的健 身產(chǎn)品領(lǐng)域，使得傳統(tǒng)的健身器材增加了更多的趣味性和娛樂性，是一款利用計(jì)算機(jī)實(shí) 時(shí)模擬三維騎車場景的交互式系統(tǒng)，讓健身者在鍛煉的同時(shí)達(dá)到娛樂的功效，讓娛樂者 在休閑的同時(shí)達(dá)到鍛煉的功效。此系統(tǒng)可用于健身器材、游戲娛樂、和主題公園等，具 有很好的產(chǎn)業(yè)前景。為了達(dá)到上述發(fā)明的目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)，包括一輛自行車、 一個(gè)支撐自行車前輪的前輪支架和一 個(gè)支撐自行車后輪的后輪支架，其特征在于所述的前輪支架為一個(gè)轉(zhuǎn)盤式支架，其轉(zhuǎn) 盤的轉(zhuǎn)軸連接一個(gè)角度傳感器；所述的后輪支架為一個(gè)滾動式支架，其滾動軸通過傳動 機(jī)構(gòu)連接一個(gè)阻尼器；所述的自行車上安裝一個(gè)測量自行車后輪轉(zhuǎn)速的速度傳感器；所 述的角度傳感器和速度傳感器的速度和角度往一個(gè)控制單元連接到上位機(jī)，上位機(jī)連接 一個(gè)顯示器和一個(gè)音響器而三維顯示出測試結(jié)果；同時(shí)上位機(jī)輸出地形、路面、沿途風(fēng) 景參數(shù)往一個(gè)程控器去控制調(diào)節(jié)阻尼器。上述的自行車，可以是市場上的任意普通自行車或山地車，只要其輪轂的尺寸符合 嵌槽的大小還有在其支架支撐的高度范圍之內(nèi)就可以。上述的前輪支架分為上下兩部分，中間通過一根短軸與端面軸承座配合來連接上下 兩部分，端面軸承座安裝在下底板，下底板上的6個(gè)萬向球與上面的轉(zhuǎn)盤相接觸。下底 板通過4個(gè)可調(diào)支座支撐，前輪鑲嵌于上轉(zhuǎn)盤的嵌槽內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)動。上述的后輪支架主要目的是架空自行車后輪，實(shí)現(xiàn)傾斜功能并將輪的轉(zhuǎn)動特性傳遞 出去或進(jìn)來。后輪支架主要由2根縱梁與2根橫梁，l個(gè)安裝板，4個(gè)調(diào)節(jié)支座，2根軸 和2個(gè)避震器組成。左右的傾斜功能通過在左右各安裝一個(gè)避震器來實(shí)現(xiàn)。在安裝板上安裝一個(gè)磁粉離合器，并通過鏈傳動來連接其中一根軸。上述的所說的傳感器主要是速度傳感器和角度傳感器。我們采用霍爾元件來測速， 用電位器來測量車輪的轉(zhuǎn)角。電位器用一個(gè)小支架安裝在前輪支架下底板的下面，通過 聯(lián)軸器或者橡膠圈與短軸相連接，這樣上轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動就可帶動電位器的軸旋轉(zhuǎn)?；魻栐?敏感于磁場，在后輪的車輪上安裝若干磁鋼，而霍爾元件固定在自行車后輪支架上的某 一位置上(能與磁鋼相切割處)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體上的磁鋼靠近霍爾元件的瞬間，霍爾元件便 會在輸出端給出 一個(gè)脈沖信號。上述的控制單元采用單片機(jī)控制，主要負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳輸，同時(shí)還負(fù)責(zé) 與上位機(jī)的通訊，將上位機(jī)傳輸過來的虛擬場景中的復(fù)雜地形參數(shù)轉(zhuǎn)化為控制信號，來 控制磁粉離合器，從而模擬自行車的上、下坡。選用的單片機(jī)包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，比較器和較多的i/o口，為以后的進(jìn)一歩開發(fā)擴(kuò)展提供了廣闊的空間。上述的PC部分采用面向?qū)ο蟮腣isual 0++作為開發(fā)環(huán)境，控制函數(shù)，不同類型的 對象模擬和數(shù)據(jù)接口分別由不同的模塊封裝。這使得該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的開放性和重用 性，更便于今后進(jìn)行功能擴(kuò)展和系統(tǒng)維護(hù)?？紤]到系統(tǒng)中圖像的生成同時(shí)還要進(jìn)行實(shí)時(shí) 的數(shù)字信號輸入輸出等工作，為保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，采用多線程的程序設(shè)計(jì)方法，對運(yùn) 動和控制的計(jì)算、控制數(shù)據(jù)接收傳輸、三維動畫的播放等分別用獨(dú)立的線程來管理，這 不但可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的速度及可靠性，還提高了計(jì)算機(jī)資源的利用率。本發(fā)明與現(xiàn)有的自行車模擬器相比較，有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu) 點(diǎn)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，裝拆容易，成本低廉，便于維修和推廣普及，且開發(fā)周期和所需 資金明顯小于現(xiàn)有的自行車模擬器。


圖l是本發(fā)明的系統(tǒng)總框圖。圖2是本發(fā)明機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖1中前輪支架的示意圖，圖中的圖(a)為主視圖，圖(b)為俯視圖，圖(c) 為左視圖。圖4是圖3中M處的局部剖視圖。圖5是圖1中后輪支架的示意圖，圖中的(a)為主視圖，圖(b)為俯視圖，圖(c)為圖 (a)中A向視圖。圖6是視景仿真結(jié)構(gòu)框圖。圖7是控制單元的電路原理圖。6圖8是本發(fā)明的總體三維示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下參見圖1和圖8，本自行車模擬系統(tǒng)包括一輛自行車9、 一個(gè)支撐自行車前輪的前 輪支架11和一個(gè)支撐自行車后輪的后輪支架10，所述的前輪支架11為一個(gè)轉(zhuǎn)盤式支架， 其轉(zhuǎn)盤12的轉(zhuǎn)軸17連接一個(gè)角度傳感器3;所述的后輪支架10為一個(gè)滾動式支架，其 滾動軸28通過傳動機(jī)構(gòu)連接一個(gè)阻尼器1;所述的自行車9上安裝一個(gè)測量自行車后輪 轉(zhuǎn)速的速度傳感器2;所述的角度傳感器3和速度傳感器2的速度和角度往一個(gè)控制單 元4連接到上位機(jī)5，上位機(jī)5連接一個(gè)顯示器6和一個(gè)音響器7而三維顯示出測試結(jié) 果；同時(shí)上位機(jī)5輸出地形、路面、沿途風(fēng)景參數(shù)往一個(gè)程控器8去控制調(diào)節(jié)阻尼器1。 三維效果總圖可參見圖8。機(jī)械部分的二維視圖可參見圖2;控制單元是采用Silicon Laboratories公司出品的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(S0C) C8051F330D單片機(jī)來控 制的，其電路原理圖參見圖7; PC部分是以一臺PC機(jī)為硬件開發(fā)平臺的上位機(jī)并配備 顯示器和音響(可用投影儀代替一般的顯示器)，以Visual 0++作為開發(fā)環(huán)境，控制函數(shù)， 不同類型的對象模擬和數(shù)據(jù)接口分別由不同的模塊封裝，如圖6所示。程控器是與磁粉 離合器配套的一個(gè)裝置，采用的型號是航天機(jī)電制造有限公司生產(chǎn)的WLKC-3B，可參見 圖8的8。該系統(tǒng)通過傳感器采集速度和角度的變化值，在控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，然后通 過串口從單片機(jī)傳到上位機(jī)，上位機(jī)將所要執(zhí)行的數(shù)據(jù)參數(shù)傳給程控器來控制磁粉離合 器的運(yùn)行。參見圖2和圖8，本自行車模擬系統(tǒng)的機(jī)械部分包含4大塊， 一個(gè)前輪支架ll， 一 個(gè)后輪支架10、 一輛自行車9和速度傳感器2，自行車9的前后輪分別由前輪支架11 和后輪支架10支撐與限位。速度傳感器2安裝在自行車9后輪上。參見圖3，圖4和圖2,本自行車模擬系統(tǒng)的前輪支架11分為以轉(zhuǎn)盤12為主體的 上部分和以下底板13為主體的下部分組成，中間的連接部分M可參見圖4。在轉(zhuǎn)盤12 上有2個(gè)具有嵌槽的車輪支承塊(16)，用于自行車9前車輪的卡位。下底板2通過4個(gè) 可調(diào)支座15支撐和調(diào)節(jié)高度，下底板13上安裝6個(gè)萬向球14來支撐上面的轉(zhuǎn)盤12。參見圖5和圖2，上述的后輪支架10的基本框架是由2根橫梁29與2根縱梁33 相連接，2根縱梁33的兩側(cè)由4個(gè)可調(diào)節(jié)腳坐34來支撐和調(diào)節(jié)高度，在2根橫梁29 尾部固定一個(gè)安裝板32，在其上安裝一個(gè)阻尼器l，在橫梁29上方有2根軸(前軸26 和后軸28 )，通過4個(gè)軸承座25將其安裝在橫梁29上，在2根橫梁29中間靠前處各安裝一個(gè)鉸鏈支架27。自行車9的后輪鑲嵌于前軸26和后軸28的支承塊24的凹面內(nèi)， 其左右傾斜角度的限定依靠避震器22，避震器22—端用鉸鏈支架27相連接，另一端用 一個(gè)可調(diào)鉸鏈支架21相連接，其可調(diào)鉸鏈支架固定于自行車9的后輪中心軸上。所述 的后軸28上有一個(gè)鏈輪30，通過鏈條23與阻尼器1上的鏈輪31相連接，來傳遞阻尼。 參見圖4，圖3和圖8，上述的角度傳感器3為電位器，其安裝方式軸17與固定 在下底板13上的端面軸承座18相配合，且與上轉(zhuǎn)盤12上的孔過渡配合并與萬向球14 相接觸，來連接上下，傳遞轉(zhuǎn)動信息。電位器3通過一個(gè)固定支架19固定于下底板的 下方，并用橡皮管20代替聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)軸17相連接。這樣上轉(zhuǎn)盤12的轉(zhuǎn)動就可通過電 位器3來測得方向參數(shù)。參見圖8，上述的速度傳感器2的安裝自行車9后車輪的鋼圈上安上若干個(gè)磁鋼， 再在自行車9后車輪的自身支架上安上一個(gè)速度傳感器2即霍爾元件，于磁鋼的可切割 處。這樣在自行車C的后車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)其上的磁鋼靠近霍爾元件的瞬間，霍爾元件便 會在輸出端給出一個(gè)脈沖信號。參見圖6，圖7和圖1，本基于自行車模擬系統(tǒng)的控制單元4的結(jié)構(gòu)是分別將2個(gè)傳 感器2、 3通過外圍電路接入主控芯片的I/O 口，經(jīng)單片機(jī)的采集和處理，通過串口電 路將其采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)5。在參與者參與的過程中，屏幕上的圖像是視景模 型根據(jù)車輛所在位置和姿勢實(shí)時(shí)生成的，這一過程通過三維圖形漫游軟件來實(shí)現(xiàn)。控制 單元4把參與者所在位置的坐標(biāo)及視點(diǎn)信息通過接口傳入該軟件，它就會自動渲染當(dāng)前 的畫面。同時(shí)，經(jīng)上位機(jī)5對場景信息(數(shù)字道路的坡度、平整度和遇到障礙時(shí)的撞擊 信號)的分析處理，計(jì)算出動作仿真系統(tǒng)需要做出的動作參數(shù)傳給程控器8，從而來控 制阻尼器l。
權(quán)利要求
1.一種自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)，包括一輛自行車(9)、一個(gè)支撐自行車前輪的前輪支架(11)和一個(gè)支撐自行車后輪的后輪支架(10)，其特征在于a.所述的前輪支架(11)為一個(gè)轉(zhuǎn)盤式支架，其轉(zhuǎn)盤(12)的轉(zhuǎn)軸(17)連接一個(gè)角度傳感器(3)；b.所述的后輪支架(10)為一個(gè)滾動式支架，其滾動軸(28)通過傳動機(jī)構(gòu)連接一個(gè)阻尼器(1)；c.所述的自行車(9)上安裝一個(gè)測量自行車后輪轉(zhuǎn)速的速度傳感器(2)；d.所述的角度傳感器(3)和速度傳感器(2)的速度和角度往一個(gè)控制單元(4)連接到上位機(jī)(5)，上位機(jī)(5)連接一個(gè)顯示器(6)和一個(gè)音響器(7)而三維顯示出測試結(jié)果；同時(shí)上位機(jī)(5)輸出地形、路面、沿途風(fēng)景參數(shù)往一個(gè)程控器(8)去控制調(diào)節(jié)阻尼器(1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的前輪支架(ll)分 為以轉(zhuǎn)盤(12)為主體的上部分和以下底板(13)為主體的下部分，還有中間的連接 部分組成；下底板(13)上安裝6個(gè)萬向球(14)來支撐上面的轉(zhuǎn)盤(12)，通過4個(gè) 可調(diào)支座(15)支撐和調(diào)節(jié)高度。在轉(zhuǎn)盤(12)上有2個(gè)對稱的具有嵌槽的車輪支承 塊(16)，用于自行車前輪的卡位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的前輪支架(ll)的 中間連接部分的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)軸(17)與固定在下底板(13)上的端面軸承座(18)相配 合，且與轉(zhuǎn)盤(12)上的孔過渡配合并與萬向球(14)相接觸，來連接上下，傳遞轉(zhuǎn) 動信息；角度傳感器(3)通過一個(gè)固定支架(20)固定于下底板(13)的下方，并用橡 皮管(19)作為聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)軸(17)相連接，這樣轉(zhuǎn)盤(12)的轉(zhuǎn)動就可通過角度傳感 器(3)來測得方向參數(shù)；所述的角度傳感器(3)為電位器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的后輪支架(10)的 基本框架2根橫梁(29)與2根縱梁(33)相連接，2根縱梁(33)的兩側(cè)由4個(gè)可調(diào) 節(jié)腳坐(34)來支撐和調(diào)節(jié)高度，在2根橫梁(29)尾部固定一個(gè)安裝板(32)，在其 上安裝所述的阻尼器(l)，在橫梁(29)上方有1根前滾動軸(26)和1根后滾動軸 (28)，通過4個(gè)軸承座(25)將其安裝在橫梁(29)上，在前滾動軸(26)與后滾動軸 (28)中間，左右各安裝一個(gè)鉸鏈支架(27)。自行車(9)的后輪鑲嵌于前滾動軸(26) 和后滾動軸(28)的支承塊(24)凹面內(nèi)，其左右傾斜角度的限定依靠避震器(22)， 避震器(22) —端與鉸鏈支架(27)相連接，另一端與一個(gè)可調(diào)鉸鏈支架(21)相連接，其可調(diào)鉸鏈支架(21)固定于自行車(9)的后輪中心軸上。所述的后滾動軸(28)上有 一個(gè)鏈輪(30)，通過鏈條(23)與阻尼器(1)上的鏈輪(31)相連接，來傳遞阻尼，所 述的阻尼器(l)是磁粉制動器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的速度傳感器(2)的 安裝結(jié)構(gòu)是在所述的自行車(9)后車輪的鋼圈上安上若干個(gè)磁鋼，再在自行車(9) 后車輪的自身支架的相應(yīng)位置上安上一個(gè)速度傳感器(2)于磁鋼的可切割處，由磁 力線的切割測得車輪的轉(zhuǎn)速,所述的速度傳感器(2)為霍爾元件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的控制單元(4)采用 Silicon Laboratories公司出品的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片 (SOC)C8051F330D單片機(jī)來控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的程控器(8)是與阻 尼器(l)配套的一個(gè)裝置，采用航天機(jī)電制造有限公司生產(chǎn)的WLKC-3B程控器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自行車運(yùn)動模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括前輪支架、后輪支架、自行車、阻尼器、角度傳感器和速度傳感器。阻尼器安裝在后輪支架上，角度傳感器和速度傳感器的速度和角度輸出往一個(gè)控制單元連接到上位機(jī)，上位機(jī)連接一個(gè)顯示器和一個(gè)音響器而顯示出測試結(jié)果并配以音響，同時(shí)上位機(jī)輸出地形、路面、沿途風(fēng)景參數(shù)往一個(gè)程控器去控制調(diào)節(jié)阻尼器。最終通過顯示器或者投影屏幕顯示出三維漫游場景，并配上一定的聲音效果。此模擬系統(tǒng)適用于體育愛好者，健身愛好者和休閑娛樂者。
文檔編號A63B69/16GK101259322SQ200810034118
公開日2008年9月10日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者佘慎思, 甄 吳, 吳家麒, 袁政鵬, 陳建輝, 陳金波 申請人:上海大學(xué)