專利名稱：一種實現(xiàn)虛擬騎車的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括計算機(jī)和傳感器的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，更具體地說，涉及一種實現(xiàn)虛擬騎車的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實技術(shù)。它是由計算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器所構(gòu)成的人工環(huán)境，即虛擬環(huán)境，是可實現(xiàn)的和不可實現(xiàn)的物理上的、功能上的事物和環(huán)境，用戶投入這種環(huán)境中，就可與之交互作用。這種虛擬現(xiàn)實世界是由計算機(jī)及相關(guān)設(shè)備構(gòu)造出來的，主要硬件有計算機(jī)，顯示設(shè)備和模擬現(xiàn)實的交互設(shè)備。計算機(jī)有數(shù)據(jù)庫，存有被模擬環(huán)境的圖像聲音等信息并接收交互設(shè)備產(chǎn)生的控制信號。虛擬現(xiàn)實技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末，已在娛樂、醫(yī)療、工程和建筑、教育和培訓(xùn)、軍事模擬、科學(xué)和金融可視化等方面獲得了應(yīng)用。目前，在一些大型娛樂場所已經(jīng)有虛擬摩托車、虛擬賽車設(shè)備；但市場上已有的虛擬賽車都不是人力驅(qū)動的，只是一種娛樂的游戲機(jī)，沒有健身的效果。在健身會所中的健身自行車屬于人力驅(qū)動的健身器材，但只是出于單純健身的目的，較為枯燥，沒有交互特性，體會不到健身休閑的樂趣。在市場上還沒有騎車阻力隨場景不斷變化的既健身又娛樂的虛擬自行車設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，如何使用計算機(jī)、自行車模型、傳感器和一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)造一種使使用人在受限場地虛擬騎行自行車時遇到阻力隨場景不斷變化的虛擬自行車設(shè)備及其虛擬騎車方法。
本發(fā)明上述技術(shù)問題這樣解決，構(gòu)造一種實現(xiàn)虛擬騎車的方法，其特征在于，使用自行車模型及其龍頭上傳感器和其腳踏帶動的內(nèi)部磁場可調(diào)的發(fā)電機(jī)以及與所述傳感器和發(fā)電機(jī)連接的內(nèi)置虛擬場景數(shù)據(jù)庫的計算機(jī)系統(tǒng)，包括利用所述自行車模型模擬自行車運動的動作模擬方法以及用于模擬自行車運動時場景變化的利用所述方向傳感器的轉(zhuǎn)動檢測方法，利用速度傳感器的速度檢測方法、和利用所述計算機(jī)系統(tǒng)及其顯示系統(tǒng)的根據(jù)所述轉(zhuǎn)動檢測方法和速度檢測方法的數(shù)據(jù)結(jié)果以及所述場景數(shù)據(jù)庫的場景動態(tài)顯示方法；所述動作模擬方法包括利用所述計算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)所述場景變化自動調(diào)整所述發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場從而改變由此而產(chǎn)生的騎車阻力的阻尼力自動調(diào)整方法。這些方法具體是(a)使用傳感器檢測自行車速度和方向；(b)由自行車腳踏帶動內(nèi)部磁場可調(diào)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)電；(c)由內(nèi)置虛擬場景數(shù)據(jù)庫的計算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前位置顯示場景；(d)根據(jù)設(shè)置以及檢測到的速度和方向來改變當(dāng)前位置及相應(yīng)場景；(e)還根據(jù)所述場景變化自動調(diào)整所述發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場從而改變由此而產(chǎn)生的騎行阻力。
按照本發(fā)明提供的方法，其特征在于，所述場景數(shù)據(jù)庫包括與多個不同騎車節(jié)目對應(yīng)的場景數(shù)據(jù)；所述場景數(shù)據(jù)庫還包括與所述場景對應(yīng)的阻力參數(shù)，所述阻力參數(shù)可以包括當(dāng)前場景中自行車道的坡度值。每個節(jié)目的場景不同。
按照本發(fā)明提供的方法，其特征在于，所述阻尼力自動調(diào)整方法包括1)根據(jù)所述速度檢測方法測算所述模擬自行車的當(dāng)前速度2)從所述場景數(shù)據(jù)庫獲取所述阻力參數(shù)，根據(jù)所述速度和阻力參數(shù)計算所述模擬自行車的當(dāng)前阻力；3)根據(jù)當(dāng)前阻力和所述當(dāng)前速度調(diào)整所述發(fā)電機(jī)的內(nèi)部磁場和該發(fā)電機(jī)負(fù)荷的負(fù)載大小。阻力矩與電阻成反比，并隨發(fā)電機(jī)的內(nèi)部磁場增大而增加，其計算公式為T＝kω/R，其中T為阻力矩，k為系數(shù)，k＝(αφ)2/η，其中φ為磁通，α為系數(shù)，η為效率系數(shù)，ω為腳踏角速度，R為負(fù)載電阻。
本技術(shù)措施用于模擬騎車受到的阻力。
按照本發(fā)明提供的方法，其特征在于，所述動作模擬方法利用鏈輪和皮帶輪裝置以多級方式將所述模擬自行車的腳踏速度以一定的放大倍數(shù)放大為發(fā)電機(jī)額定輸出時的對轉(zhuǎn)速的要求，所述發(fā)電機(jī)能夠正常接收。
按照本發(fā)明提供的方法，其特征在于，所述放大倍數(shù)為39倍，所述多級為三級。
按照本發(fā)明提供的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動檢測方法包括利用齒輪裝置的放大方法，所述龍頭轉(zhuǎn)動角度設(shè)置為±25度，所述放大方法的放大倍數(shù)為6倍。利用本措施提高檢測精度。
按照本發(fā)明提供的方法，其特征在于，所述虛擬場景是由計算機(jī)軟件制作的有景深的三維場景，所述場景動態(tài)顯示方法利用背投或其他顯示器以及投影裝置。
按照本發(fā)明提供的方法，其特征在于，還包括用于模擬不斷變化的場景背景聲音的聲音輸出方法；所述傳感器可以包括檢測自行車龍頭轉(zhuǎn)向的方向傳感器和檢測自行車車輪轉(zhuǎn)速的速度傳感器，還可以使用其他方法檢測自行車速度和方向。
本發(fā)明另一個技術(shù)問題這樣解決，構(gòu)造一種實現(xiàn)虛擬騎車的設(shè)備，包括用于模仿的自行車模型、與自行車模型龍頭方向裝置連接的方向檢測裝置、與自行車模型腳踏裝置連接的速度檢測裝置和阻尼力裝置以及與所述方向檢測裝置、速度檢測裝置和阻尼力裝置電連接的用于處理所述方向檢測裝置和速度檢測裝置的檢測數(shù)據(jù)、輸出不斷變化的虛擬場景以及與其對應(yīng)的阻力調(diào)整信號的計算機(jī)系統(tǒng)及其顯示系統(tǒng)，所述阻尼力裝置根據(jù)所述阻力調(diào)整信號產(chǎn)生阻力；所述方向檢測裝置和速度檢測裝置包括各自的傳感器，所述阻尼力裝置包括一個內(nèi)部磁場可變的發(fā)電機(jī)。
按照本發(fā)明提供的設(shè)備，其特征在于，所述方向檢測裝置包括大小雙齒輪裝置和連在小齒輪上的傳感器，所述齒輪裝置中的大齒輪連接所述龍頭方向裝置中的龍頭支架上，位于所述支架底部。所述方向檢測裝置也可以采用多級齒輪放大。
按照本發(fā)明提供的設(shè)備，其特征在于，所述腳踏裝置包括腳踏及其軸上的主動輪、共轉(zhuǎn)動軸的從動輪和次級主動輪、共轉(zhuǎn)動軸的次級從動輪和三級主動輪、三級從動輪以及各級主從輪之間的鏈條或皮帶；其中，一級主從輪可以鏈輪，次級和三級可以是皮帶輪。所述速度檢測裝置的傳感器可以設(shè)置在所述各級主從輪中的任一輪上。
按照本發(fā)明提供的設(shè)備，其特征在于，所述阻尼力裝置包括連接計算機(jī)系統(tǒng)的控制器及其輸出端上的勵磁電壓調(diào)節(jié)器、與該調(diào)節(jié)器輸出端連接的發(fā)電機(jī)及其回路和輸入端與所述控制器連接的、輸出端與所述可變負(fù)載連接的負(fù)載調(diào)節(jié)器；所述回路包括與所述發(fā)電機(jī)形成電回路的負(fù)載和與所述計算機(jī)系統(tǒng)連接的發(fā)電機(jī)輸出電壓檢測電路；所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位于所述三級從動輪即三級從動皮帶輪的軸上，所述負(fù)載是可變負(fù)載。
按照本發(fā)明提供的設(shè)備，其特征在于，所述計算機(jī)系統(tǒng)包括位于所述設(shè)備上的用于啟動設(shè)備和選擇節(jié)目的輸入裝置。
按照本發(fā)明提供的設(shè)備，其特征在于，所述輸入裝置包括用于啟動設(shè)備的智能卡讀卡裝置和用于選擇節(jié)目的多功能按鍵。所述多功能按鍵可以選擇不同節(jié)目，每個節(jié)目有不同場景。
按照本發(fā)明提供的設(shè)備，其特征在于，所述顯示系統(tǒng)可以是所述自行車模型龍頭正前方的與所述計算機(jī)系統(tǒng)連接的背投、其他顯示器或投影設(shè)備。
按照本發(fā)明提供的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備為一整體，包括一個外殼。
實施本發(fā)明提供的實現(xiàn)虛擬騎車的方法及設(shè)備，能夠提供各種虛擬場景模擬、以及騎車阻力真實模擬，使用者可以自由選擇，能夠讓使用者體會不同的騎車感覺，同時又能起到一定鍛煉效果。


圖1是本發(fā)明提供的設(shè)備的外部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1所示設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖1所示設(shè)備側(cè)向結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖1所示設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖5是圖1所示設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu)分解圖。
圖6是圖5中阻力調(diào)整控制電路的原理框圖。
圖7是圖5中龍頭方向裝置和方向檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是實施本發(fā)明方法和設(shè)備的軟件的部分流程示意圖。
具體實施例方式
首先，說明作為本發(fā)明方法和設(shè)備的基礎(chǔ)1、速度檢測速度檢測是檢測皮帶輪的轉(zhuǎn)速，乘以虛擬場景中自行車的速度參數(shù)就是自行車在場景中的移動速度。V＝π×D×rps＝π×D×n，其中D為虛擬自行車車輪直徑，n為參數(shù)脈沖值2、阻力計算通過讀取與畫面對應(yīng)的阻力參數(shù)值，和虛擬自行車參數(shù)值計算應(yīng)產(chǎn)生的阻力大小。阻力矩T＝kω/R，其中k為系數(shù)，k＝(αφ)2/η，其中φ為磁通，α為系數(shù)，η為效率系數(shù)，ω為腳踏角速度，R為負(fù)載電阻。即腳踏板阻力矩與負(fù)載電阻成反比，與轉(zhuǎn)速成正比。又由于T＝CφIa，其中C為系數(shù)，φ為磁通，Ia為勵磁電流，即阻力矩隨勵磁電流增大而增大。
3、阻力自動產(chǎn)生通過腳踏板帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，使用者克服發(fā)電機(jī)磁場力做功，改變發(fā)電機(jī)勵磁電流大小以及改變發(fā)電機(jī)驅(qū)動的負(fù)載的電阻值可以產(chǎn)生大小不同的阻力。
4、方向檢測通過龍頭和齒輪以一定的傳感比例帶動傳感器進(jìn)行檢測；傳感器使用塑料電位器。
5、場景模擬，包括模擬顯示、聲音以及每個瞬間場景對應(yīng)的阻力參數(shù)數(shù)據(jù)顯示可以使用背投或其他顯示器以及投影裝置。
下面，結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明設(shè)備可以安裝在健身館或游樂場所中，會員或游客可以用健身智能卡或娛樂智能卡使用該設(shè)備，其外部結(jié)構(gòu)如圖所示，包括自行車模型、外殼和顯示屏，自行車模型包括龍頭及其上的多功能按鍵、車身及其上的智能卡讀卡設(shè)備以及腳踏和車座。
本發(fā)明使用的設(shè)備外殼內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)自行車模型及其上裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖1-圖3所示，包括龍頭方向裝置、腳踏傳動裝置和發(fā)電機(jī)以及支撐裝置和方向檢測裝置四個部分。所述龍頭方向裝置和方向檢測裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2、3和7所示，包括龍頭、龍頭支架、大齒輪、小齒輪和傳感器。所述腳踏傳動裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2、3和7所示，包括腳踏、一級主動鏈輪、一級從動鏈輪、二級主動皮袋輪、二級從動皮袋輪、三級主動皮帶輪和三級從動皮帶輪，所述級間從動輪和主動輪共轉(zhuǎn)動軸，主動鏈輪和從動鏈輪通過鏈條帶動連接，主動皮帶輪和從動皮帶輪通過皮帶帶動連接。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位于三級從動皮帶輪軸上。
本發(fā)明設(shè)備的內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)，如圖4所示，包括一個支撐結(jié)構(gòu)和外觀造型，其他裝置位于其上，其中顯示器和腳踏機(jī)構(gòu)中的腳踏露在外殼外，其外被包起來；本設(shè)備的所述位于自行車模型上的電子裝置的檢測數(shù)據(jù)獲取及其本身工作的控制都由控制器完成，該控制器通過串口與計算機(jī)通訊，由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并控制控制器的工作。
本發(fā)明設(shè)備采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，由多個設(shè)備組成，其分層結(jié)構(gòu)如圖5所示，分為計算機(jī)、自行車、檢測和阻尼力裝置(或檢測和阻尼力設(shè)備)以及軟件和節(jié)目一共四大塊，每大塊又分為不同小塊。其中D3D程序用于模擬三維顯示。
下面進(jìn)一步說明其中的關(guān)鍵構(gòu)件腳踏裝置(或腳踏力傳遞機(jī)構(gòu))、龍頭方向檢測裝置和阻力調(diào)整控制電路以及計算機(jī)系統(tǒng)。
1、腳踏裝置，如圖2所示，使用三級放大的鏈輪和皮帶輪，使人腳踏速度通過多倍放大后達(dá)到發(fā)電機(jī)額定輸出時對轉(zhuǎn)速的要求2、龍頭方向檢測裝置與龍頭方向裝置連接，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括通過輪齒連接的大小齒輪和小齒輪上的傳感器傳感器使用塑料電位器，其轉(zhuǎn)動角度一般接近一圈，實際自行車改變方向是有限的，比如不可能一下轉(zhuǎn)90℃或180℃，本發(fā)明設(shè)備模擬真實的一般情況，轉(zhuǎn)動角度不高于25℃，利用大小齒輪的放大作用和采用的電位器的量程，增加了方向檢測的精度。
3、阻力調(diào)整控制電路，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括計算機(jī)、控制器、用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場的勵磁電壓調(diào)節(jié)器以及用于調(diào)整負(fù)載大小的負(fù)載調(diào)節(jié)器增加發(fā)電機(jī)勵磁電流或發(fā)電機(jī)輸出電流即減小負(fù)載阻值大小都能加大線圈所受阻力，人通過腳踏裝置傳遞腳踏力克服所述阻力做功。
4、計算機(jī)系統(tǒng)①數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和場景數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)包括節(jié)目單，每個節(jié)目單對應(yīng)不同靜態(tài)的場景數(shù)據(jù)，每個靜態(tài)場景數(shù)據(jù)對應(yīng)顯示數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，該處理數(shù)據(jù)對應(yīng)場景如路面、坡度值。
場景數(shù)據(jù)中的顯示數(shù)據(jù)是靜態(tài)的一般場景顯示數(shù)據(jù)，②智能卡讀卡和節(jié)目選擇人機(jī)界面使用現(xiàn)有裝置和多功能鍵盤，內(nèi)置軟件讀取所述動態(tài)場景數(shù)據(jù)。
圖8示出了實施本發(fā)明方法和設(shè)備軟件的部分流程圖，包括片頭顯示、初始化、刷卡、游戲設(shè)置、過場動畫、裝入游戲、啟動游戲、倒計時、游戲結(jié)束、顯示成績。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)虛擬騎車的方法，其特征在于，包括以下步驟(a)用傳感器檢測自行車速度和方向；(b)由自行車腳踏帶動內(nèi)部磁場可調(diào)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)電；(c)由內(nèi)置虛擬場景數(shù)據(jù)庫的計算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前位置顯示場景；(d)根據(jù)設(shè)置以及檢測到的速度和方向來改變當(dāng)前位置及相應(yīng)場景；(e)還根據(jù)所述場景變化自動調(diào)整所述發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場從而改變由此而產(chǎn)生的騎行阻力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述場景數(shù)據(jù)庫包括與多個不同騎車節(jié)目對應(yīng)的場景數(shù)據(jù)；所述場景數(shù)據(jù)庫還包括與所述場景對應(yīng)的阻力參數(shù)，所述阻力參數(shù)可以包括當(dāng)前場景中自行車道的坡度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述方法，其特征在于，所述步驟(e)包括3.1)根據(jù)所述速度檢測方法測算所述模擬自行車的當(dāng)前速度；3.2)從所述場景數(shù)據(jù)庫獲取所述阻力參數(shù)，根據(jù)所述速度和阻力參數(shù)計算所述模擬自行車的當(dāng)前阻力；3.3)根據(jù)當(dāng)前阻力和所述當(dāng)前速度調(diào)整所述發(fā)電機(jī)的內(nèi)部磁場和該發(fā)電機(jī)負(fù)荷的負(fù)載大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，還包括以下步驟利用鏈輪和皮帶輪裝置，將所述模擬自行車的腳踏速度多倍放大為發(fā)電機(jī)額定輸出時的對轉(zhuǎn)速的要求，所述放大倍數(shù)為39倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，還包括以下步驟利用多齒輪裝置的多級放大方法，所述龍頭轉(zhuǎn)動角度設(shè)置為±25度，所述放大方法的放大倍數(shù)為6倍。
6.按照權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，還包括用于模擬不斷變化的場景背景聲音的聲音輸出方法；所述傳感器可以包括檢測自行車龍頭轉(zhuǎn)向的方向傳感器和檢測自行車車輪轉(zhuǎn)速的速度傳感器。
7.一種實現(xiàn)虛擬騎車的設(shè)備，其特征在于，包括用于模仿的自行車模型、與自行車模型龍頭方向裝置連接的方向檢測裝置、與自行車模型腳踏裝置連接的速度檢測裝置和阻尼力裝置以及與所述方向檢測裝置、速度檢測裝置和阻尼力裝置電連接的用于處理所述方向檢測裝置和速度檢測裝置的檢測數(shù)據(jù)、輸出不斷變化的虛擬場景以及與其對應(yīng)的阻力調(diào)整信號的計算機(jī)系統(tǒng)及其顯示系統(tǒng)，所述阻尼力裝置根據(jù)所述阻力調(diào)整信號產(chǎn)生阻力；所述方向檢測裝置和速度檢測裝置包括各自的傳感器，所述阻尼力裝置包括一個內(nèi)部磁場可變的發(fā)電機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述設(shè)備，其特征在于，所述方向檢測裝置包括大小雙齒輪裝置和連在小齒輪上的傳感器，所述齒輪裝置中的大齒輪連接所述龍頭方向裝置中的龍頭支架上，位于所述支架底部。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述設(shè)備，其特征在于，所述腳踏裝置包括腳踏及其軸上的主動輪、共轉(zhuǎn)動軸的從動輪和次級主動輪、共轉(zhuǎn)動軸的次級從動輪和三級主動輪、三級從動輪以及各級主從輪之間的鏈條或皮帶；所述速度檢測裝置的傳感器可以設(shè)置在所述各級主從輪中的任一輪上。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述設(shè)備，其特征在于，所述阻尼力裝置包括連接計算機(jī)系統(tǒng)的控制器及其輸出端上的勵磁電壓調(diào)節(jié)器、與該調(diào)節(jié)器輸出端連接的發(fā)電機(jī)及其回路和輸入端與所述控制器連接的、輸出端與所述可變負(fù)載連接的負(fù)載調(diào)節(jié)器；所述回路包括與所述發(fā)電機(jī)形成電回路的負(fù)載和與所述計算機(jī)系統(tǒng)連接的發(fā)電機(jī)輸出電壓檢測電路；所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位于所述三級從動輪的軸上，所述負(fù)載是可變負(fù)載。
全文摘要
一種實現(xiàn)虛擬騎車的方法及設(shè)備，包括動作模擬、轉(zhuǎn)動檢測、速度檢測和場景動態(tài)顯示等環(huán)節(jié)，動作模擬包括阻尼力自動調(diào)整，用于產(chǎn)生其大小隨所述場景變化的阻力。設(shè)備包括自行車、安裝于龍頭裝置上并傳感其龍頭轉(zhuǎn)向的方向檢測裝置、安裝其腳踏裝置上的速度檢測裝置和阻尼力裝置以及與上述三個裝置電連接的用于處理檢測數(shù)據(jù)、輸出虛擬場景和阻力調(diào)整信號的計算機(jī)系統(tǒng)及其顯示系統(tǒng)，所述阻尼力裝置根據(jù)阻力調(diào)整信號產(chǎn)生阻力，上述兩個檢測裝置包括傳感器，上述阻尼力裝置包括內(nèi)部磁場可變的發(fā)電機(jī)。利用本發(fā)明提供的實現(xiàn)虛擬騎車的方法及其虛擬自行車，能夠讓使用者充分體會到隨場景變化的騎車樂趣，同時又能起到相應(yīng)的鍛煉效果。
文檔編號A63B21/005GK1552490SQ0312672
公開日2004年12月8日 申請日期2003年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月27日
發(fā)明者李明, 戎志剛, 高敬義, 劉道強(qiáng), 明 李 申請人:李明, 戎志剛, 高敬義, 劉道強(qiáng), 明 李