李 昕，楊文珍，周 強，盧水晶，盧 毅，宋賽賽

(1.浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州水晶運動機械股份有限公司，浙江 杭州311502；3.浙江方圓檢測集團，浙江 杭州 310013)

0 前 言

動感單車健身不受天氣、時間、地點和空氣污染等運動條件限制，憑借其安全方便的鍛煉方式，已經(jīng)成為大眾喜歡的運動健身工具之一。隨著科學(xué)健身的理念日漸深入人心，人們更加注重騎車的健身質(zhì)量和效果，希望在輕松愉快的環(huán)境中騎車鍛煉身體，實時了解自己的運動狀況，適時調(diào)整運動強度，得到最佳的運動效果。

然而，人們在騎著普通動感單車鍛煉身體時，總覺得枯燥乏味、興趣全無，實在是棄之可惜，食之無味。楊勇濤等學(xué)者研究表明虛擬鍛煉環(huán)境對心境有更好的調(diào)節(jié)效果，顯著改善鍛煉者的情緒水平，更有利于鍛煉者的身心健康[1]。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學(xué)者們開展了動感單車虛擬騎行研究。潘志庚等學(xué)者開發(fā)了自行車虛擬綜合訓(xùn)練仿真器[2]，該仿真器可以模擬真實場地信息，可以反饋給當(dāng)前騎行者自己的運動情況。陳和恩等學(xué)者提出了一種具有健身與娛樂功能的健身車系統(tǒng)[3]，此系統(tǒng)在保證原有機械式健身車功能設(shè)計的前提下，增加虛擬現(xiàn)實技術(shù)、傳感器技術(shù)和數(shù)字信號處理器控制技術(shù)，實現(xiàn)在虛擬游戲環(huán)境中的人機交互。趙漢理等學(xué)者實現(xiàn)了一套采用健身自行車、Kinect 體感攝像頭、心率傳感器等設(shè)備的健身系統(tǒng)[4]，改善個人健身的娛樂性和有效性。Mokka S等學(xué)者開發(fā)了一套由自行車、計算機和投影儀組成的虛擬健身系統(tǒng)[5]，當(dāng)鍛煉者在騎行時，可在大屏幕中的虛擬環(huán)境中漫游。

然而，目前虛擬騎行系統(tǒng)普遍存在著沉浸感弱、場景的運動和身體的運動感知不匹配、場景運動延時等問題，主要原因在于未能準確且實時地獲取鍛煉者的運動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與虛擬場景的實時互動[6]。因此，本文著重研發(fā)動感單車的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以期能夠精確且實時地獲取用戶的騎行速度數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)，并結(jié)合Unit3D構(gòu)建的虛擬場景，用于虛擬騎行健身、提升虛擬騎行的沉浸感和運動鍛煉效果。

1 動感單車運動數(shù)據(jù)采集裝置

動感單車的運動數(shù)據(jù)主要包括騎行速度數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)，本文開展光電編碼測速方法和霍爾測速方法的對比實驗，手握心率檢測儀與心率手環(huán)的對比實驗，分別選出實時性好且準確性高的運動數(shù)據(jù)采集器。

1.1騎行速度數(shù)據(jù)采集

經(jīng)調(diào)查顯示，目前大多數(shù)動感單車所采用的速度測量方法有兩種：一是光電測速方法；二是霍爾測速方法。

1.1.1 光電測速裝置。光電測速傳感器具有精度準確、響應(yīng)時間短、不直接接觸被測物體等優(yōu)點，結(jié)構(gòu)簡單，外觀簡潔易操作且體積小便于安裝[7]。本文選用槽型光電傳感器(型號為H42B6)，采集用戶的騎行速度數(shù)據(jù)。槽的兩側(cè)分別裝有一個光發(fā)射器和一個接收器。光發(fā)射器發(fā)出紅外光，在光發(fā)射器和接收器之間沒有遮擋的情況下，接收器能接收到光，當(dāng)光發(fā)射器和接收器之間有遮擋的情況下，接收器不能接收到光，光電測速傳感器就輸出一個脈沖信號，完成一次計數(shù)響應(yīng)。光電測速方法需要光電傳感器與光柵盤的配合才能采集到動感單車的車速。光柵盤安裝于動感單車驅(qū)動輪輪轂中心處，如圖1所示，其直徑為64mm，光柵格數(shù)為50格。

圖1 光柵盤與 圖2 光柵盤與光電測速傳感器 光電測速傳感器

本文采用增量計數(shù)的方式對動感單車的車輪轉(zhuǎn)速進行采集。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時，光柵盤的光柵交替遮擋槽型光電傳感器光發(fā)射器端所發(fā)出的紅外光，光電傳感器依次輸出脈沖信號，則動感單車的車輪轉(zhuǎn)速Vr計算公式為：

(1)

式中n為光柵盤的光柵格數(shù)，單位為個，m為時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，單位為個，T為采樣時間，單位為毫秒。

根據(jù)動感單車的車輪轉(zhuǎn)速Vr，在已知車輪的直徑D的前提下，可以得到動感單車的騎行速度Vg公式計算為:

(2)

1.1.2 霍爾測速裝置。霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)的原理，霍爾元件在磁場中運動產(chǎn)生霍爾電熱，把位移信號轉(zhuǎn)換成電信號。根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾元件由半導(dǎo)體材料制作而成，具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)時間短、輸出信號穩(wěn)定和使用壽命長等優(yōu)點[8]。由于霍爾元件在磁場中運動產(chǎn)生的電勢差很小，所以一般將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路和穩(wěn)壓電源等集成在一個芯片上，構(gòu)成霍爾傳感器。

本文選用的3144型霍爾傳感器具有電源指示燈和信號輸出指示燈，單路信號輸出，靈敏度可調(diào)，電路板輸出開關(guān)量，可直接聯(lián)單片機，有磁場切割就有信號輸出等特點。該霍爾傳感器無觸發(fā)時，輸出低電平，有觸發(fā)時，輸出高電平。為了能產(chǎn)生磁場，本文選用了34枚磁鋼均勻布置在動感單車驅(qū)動輪輪轂處，如2圖所示。當(dāng)動感單車驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時，每當(dāng)磁鋼靠近霍爾傳感器時會引發(fā)霍爾元件產(chǎn)生由高到低電平的跳變，當(dāng)磁鋼遠離霍爾元件時，霍爾元件產(chǎn)生磁場由低電平恢復(fù)到高電平。單片機對霍爾元件所產(chǎn)生的測量信號進行下降沿捕獲，得到脈沖信號，進而可算出車輪的轉(zhuǎn)速。假設(shè)霍爾傳感器在一定時間T1內(nèi)輸出的脈沖信號個數(shù)為W，即感應(yīng)到W個磁鋼數(shù)，動感單車的車輪直徑為D，可以得到動感單車的騎行速度公式為

(3)

1.1.3 光電測速和霍爾測速的對比分析。針對以上兩種測量方法，我們選取了多個對象進行騎行數(shù)據(jù)采集實驗，要求同一對象在不同的測速方法下運動狀態(tài)盡量保持一致，本文采用光柵格數(shù)為50的光柵盤，采樣時間T設(shè)定為50ms，騎行時間為3min，將得到的數(shù)據(jù)進行篩選得到以下數(shù)據(jù)。

同理，可以得到對象B在光電傳感器下的最高速度為44.3km/h，平均速度為13.7km/h；對象B在霍爾傳感器下的最高速度為48.92km/h，平均速度為24.37km/h。

與自行車碼表速度相對比，光電傳感器測量得到騎行速度數(shù)據(jù)更加精確而且實時性更好。因為光電傳感器的光柵格數(shù)多并且分布緊密，動感單車車輪只要轉(zhuǎn)過一個微小的角度就能產(chǎn)生脈沖信號，就可測得到車速數(shù)據(jù)，實時性得到了保證。因此，光電傳感器更能準確地反饋出當(dāng)前用戶的運動狀態(tài)，更適合于動感動車的騎行速度數(shù)據(jù)采集。

2.2騎行心率采集裝置

2.2.1 手握心率檢測儀。本文選用了型號為SH601的手握心率檢測儀，該手握心率通直流2.4V～5.5V電壓，具有良好的抗干擾能力，信號輸出穩(wěn)定。它可以通過手柄上的金屬電極獲取人體手掌上的心電信號，再經(jīng)過放大濾波等信號調(diào)理后，使心率信號轉(zhuǎn)化為單片機可以直接測量的方波信號，如圖3所示。當(dāng)人體心臟跳動一下，便產(chǎn)生一定寬度的高電平，最終獲得了當(dāng)前鍛煉者的騎行心率[9]。

圖3 手握心率檢測儀及其方波信號

假設(shè)測得兩次相鄰方波的時間間隔(即兩次心跳的時間間隔)為T毫秒，P為瞬時心率值，單位為次/min，則可以得到騎行者當(dāng)前的瞬時心率計算公式為

(4)

2.2.2 心率手環(huán)。脈搏是指隨著心臟節(jié)律性地收縮和舒張，動脈管壁相應(yīng)地出現(xiàn)擴張和回縮，在表淺動脈上可觸到搏動，形成脈搏波。脈搏波可以反映人體的血氧飽和度、脈率和心率等信息[10]。目前測脈搏波的手環(huán)有很多種，其測量原理也不盡相同。本文選用一種光電容積脈搏波方法的心率手環(huán)，其工作原理是基于動脈血液對光吸收量不同，從而獲取脈搏波周期信息。此手環(huán)由兩個 LED燈和一個光電傳感器組成，LED燈光通過皮膚和血管后，一部分光被血液中的氧合血紅蛋白吸收和散射，另一部分光會被光電傳感器接收，從而獲取脈搏波的信號[11]。該方法計算比較復(fù)雜，利用傅里葉變換得到傅里葉譜，對傅里葉譜進行平滑處理，得到曲線中峰值點作為心率值。

2.2.3 手握心率檢測儀和心率手環(huán)的對比評價。針對手握心率檢測儀和心率手環(huán)的兩種心率測量方法，本文以醫(yī)用心率血壓檢測儀為標(biāo)準，選取多個對象進行心率數(shù)據(jù)采集和對比實驗，測試時間為1min，得到如圖4-9所示的數(shù)據(jù)。

圖4 對象A在手握心率檢測儀的心率

圖7 對象B在心率手環(huán)的心率

圖8 對象A在醫(yī)用心率血壓檢測儀的心率

圖9 對象B在醫(yī)用心率血壓檢測儀的心率

與醫(yī)用心率血壓檢測儀的心率相對比，手握心率檢測儀測量得到的心率數(shù)據(jù)更加精確，并且可以準確地反饋出當(dāng)前用戶的鍛煉狀態(tài)，從而更適合于動感動車的心率數(shù)據(jù)采集。所以，本文選用手握心率檢測儀進行心率數(shù)據(jù)采集。

2 動感單車的虛擬騎行實驗

為了驗證此運動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠準確地獲取用戶的騎行速度和心率數(shù)據(jù)，實時驅(qū)動虛擬場景運動，增強虛擬騎行的沉浸感和科學(xué)性，本文構(gòu)建了動感單車虛擬騎行的實驗環(huán)境，并開展了用戶的測試和評價。

2.1實驗環(huán)境的構(gòu)建

動感單車虛擬騎行的實驗環(huán)境主要包括動感單車模塊、藍牙通訊模塊和虛擬騎行場景模塊，如圖10所示。動感單車模塊通過光電測速傳感器和手握心率檢測儀采集用戶的騎行速度和心率數(shù)據(jù)，傳輸給數(shù)據(jù)采集控制器。虛擬騎行場景模塊可以通過PC機、平板PAD、虛擬現(xiàn)實頭盔或手機等設(shè)備獲得用戶的運動數(shù)據(jù)，并顯示和驅(qū)動虛擬騎行場景。藍牙通訊模塊實現(xiàn)動感單車和虛擬騎行場景之間的數(shù)據(jù)傳遞。

圖10 動感單車虛擬騎行的數(shù)據(jù)流程

2.2實驗測試和評價

本文的虛擬騎行場景由Unit3D建模，如圖7所示，運行在Boxx(3DBOXX 8500)工作站，通過巴可Galaxy NW-12投影機，呈現(xiàn)在2.7m*9m的環(huán)形屏幕中[12]。動感單車為杭州水晶運動機械有限公司的超靜音家用室內(nèi)動感單車。

我們選擇了50個對象進行虛擬騎行體驗，并在結(jié)束時對他們在騎行過程中的沉浸感與實時性進行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 實驗評價

圖11 動感單車虛擬騎行實驗

由上述實驗結(jié)果可以得出，用戶對虛擬騎行的持久吸引力、娛樂性、沉浸感和畫面連續(xù)性比較滿意，表明本文研發(fā)的動感單車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠提供可靠的運動數(shù)據(jù)，增強了動感單車虛擬健身的沉浸感和娛樂性。

3 總 結(jié)

經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)的對比評價，光電測速方法能夠更精確和實時地采集到騎行速度數(shù)據(jù)，手握心率檢測儀可以采集到更精確的心率數(shù)據(jù)，更適用于動感單車健身。因此，本文采用光電測速傳感器和手握心率檢測儀作為數(shù)據(jù)采集裝置，設(shè)計出基于虛擬騎行健身的動感單車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此系統(tǒng)與Unit3D建立的虛擬場景相結(jié)合，將騎行速度和心率在虛擬場景中呈現(xiàn)出來，讓用戶可以實時了解自身的鍛煉數(shù)據(jù)，從而做出適時的運動強度調(diào)整，以達到更好的健身效果，增強了動感單車健身的趣味性和科學(xué)性。

[1] 楊勇濤,孫延林,吉承恕. 基于“綠色鍛煉”的身體活動的心理效益研究[J].天津體育學(xué)院學(xué)報,2015,30(3):195-199.

[2] 夏新華,李祥晨,潘志庚.自行車虛擬綜合訓(xùn)練仿真器[J].計算機仿真,2005,22(4):290-293.

[3] 陳和恩,陳揚枝.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的健身車系統(tǒng)[J].現(xiàn)代制造工程2007(9):132-133.

[4] 趙漢理,孟慶如,韓麗貞，等.個性化定制的虛擬健身系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國圖象圖形學(xué)報,2015,20(7):953-962.

[5] Mokka S. Fitness Computer Game with a Bodily User Interface[C].International Conference on Entertainment Computing,2003:1-3.

[6] Zhao J. Research and Application of Device for Simulation Sports Training based on Cycle Condition[C].MATEC Web of Conferences,2017:04013.

[7] 陳照章,朱湘臨.光電測速傳感器及其信號調(diào)理電路[J].傳感器與微系統(tǒng),2002,21(8):53-55.

[8] 張培仁.傳感器原理、檢測及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2012.

[9] 李正軍,李國強,韓修恒.健身器材手握式電子心率計的研制[J].電子測量與儀器學(xué)報,2007(增刊):649-699.

[10] 賈菲菲. 基于加速度和脈搏波的運動狀態(tài)識別和心率檢測算法研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2016:7-8.

[11] 羅志昌,張松,楊文鳴，等.脈搏波波形特征信息的研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1996,22(1):71-79.

[12] 項俊杰.動感單車虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研發(fā)[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2017.