一种实现虚拟骑车的方法及设备 【技术领域】
本发明涉及包括计算机和传感器的虚拟现实技术，更具体地说，涉及一种实现虚拟骑车的方法及设备。
背景技术
虚拟现实技术。它是由计算机硬件、软件以及各种传感器所构成的人工环境，即虚拟环境，是可实现的和不可实现的物理上的、功能上的事物和环境，用户投入这种环境中，就可与之交互作用。这种虚拟现实世界是由计算机及相关设备构造出来的，主要硬件有：计算机，显示设备和模拟现实的交互设备。计算机有数据库，存有被模拟环境的图像声音等信息并接收交互设备产生地控制信号。虚拟现实技术出现于20世纪80年代末，已在娱乐、医疗、工程和建筑、教育和培训、军事模拟、科学和金融可视化等方面获得了应用。目前，在一些大型娱乐场所已经有虚拟摩托车、虚拟赛车设备；但市场上已有的虚拟赛车都不是人力驱动的，只是一种娱乐的游戏机，没有健身的效果。在健身会所中的健身自行车属于人力驱动的健身器材，但只是出于单纯健身的目的，较为枯燥，没有交互特性，体会不到健身休闲的乐趣。在市场上还没有骑车阻力随场景不断变化的既健身又娱乐的虚拟自行车设备。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是，如何使用计算机、自行车模型、传感器和一定的机械结构构造一种使使用人在受限场地虚拟骑行自行车时遇到阻力随场景不断变化的虚拟自行车设备及其虚拟骑车方法。
本发明上述技术问题这样解决，构造一种实现虚拟骑车的方法，其特征在于，使用自行车模型及其龙头上传感器和其脚踏带动的内部磁场可调的发电机以及与所述传感器和发电机连接的内置虚拟场景数据库的计算机系统，包括利用所述自行车模型模拟自行车运动的动作模拟方法以及用于模拟自行车运动时场景变化的利用所述方向传感器的转动检测方法，利用速度传感器的速度检测方法、和利用所述计算机系统及其显示系统的根据所述转动检测方法和速度检测方法的数据结果以及所述场景数据库的场景动态显示方法；所述动作模拟方法包括利用所述计算机系统根据所述场景变化自动调整所述发电机内部磁场从而改变由此而产生的骑车阻力的阻尼力自动调整方法。这些方法具体是：
(a)使用传感器检测自行车速度和方向；
(b)由自行车脚踏带动内部磁场可调的发电机转动发电；
(c)由内置虚拟场景数据库的计算机系统根据当前位置显示场景；
(d)根据设置以及检测到的速度和方向来改变当前位置及相应场景；
(e)还根据所述场景变化自动调整所述发电机内部磁场从而改变由此而产生的骑行阻力。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述场景数据库包括与多个不同骑车节目对应的场景数据；所述场景数据库还包括与所述场景对应的阻力参数，所述阻力参数可以包括当前场景中自行车道的坡度值。每个节目的场景不同。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述阻尼力自动调整方法包括：
1)根据所述速度检测方法测算所述模拟自行车的当前速度
2)从所述场景数据库获取所述阻力参数，根据所述速度和阻力参数计算所述模拟自行车的当前阻力；
3)根据当前阻力和所述当前速度调整所述发电机的内部磁场和该发电机负荷的负载大小。阻力矩与电阻成反比，并随发电机的内部磁场增大而增加，其计算公式为T＝kω/R，其中T为阻力矩，k为系数，k＝(αφ)2/η，其中φ为磁通，α为系数，η为效率系数，ω为脚踏角速度，R为负载电阻。
本技术措施用于模拟骑车受到的阻力。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述动作模拟方法利用链轮和皮带轮装置以多级方式将所述模拟自行车的脚踏速度以一定的放大倍数放大为发电机额定输出时的对转速的要求，所述发电机能够正常接收。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述放大倍数为39倍，所述多级为三级。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述转动检测方法包括利用齿轮装置的放大方法，所述龙头转动角度设置为±25度，所述放大方法的放大倍数为6倍。利用本措施提高检测精度。
按照本发明提供的方法，其特征在于，所述虚拟场景是由计算机软件制作的有景深的三维场景，所述场景动态显示方法利用背投或其他显示器以及投影装置。
按照本发明提供的方法，其特征在于，还包括用于模拟不断变化的场景背景声音的声音输出方法；所述传感器可以包括检测自行车龙头转向的方向传感器和检测自行车车轮转速的速度传感器，还可以使用其他方法检测自行车速度和方向。
本发明另一个技术问题这样解决，构造一种实现虚拟骑车的设备，包括用于模仿的自行车模型、与自行车模型龙头方向装置连接的方向检测装置、与自行车模型脚踏装置连接的速度检测装置和阻尼力装置以及与所述方向检测装置、速度检测装置和阻尼力装置电连接的用于处理所述方向检测装置和速度检测装置的检测数据、输出不断变化的虚拟场景以及与其对应的阻力调整信号的计算机系统及其显示系统，所述阻尼力装置根据所述阻力调整信号产生阻力；所述方向检测装置和速度检测装置包括各自的传感器，所述阻尼力装置包括一个内部磁场可变的发电机。
按照本发明提供的设备，其特征在于，所述方向检测装置包括大小双齿轮装置和连在小齿轮上的传感器，所述齿轮装置中的大齿轮连接所述龙头方向装置中的龙头支架上，位于所述支架底部。所述方向检测装置也可以采用多级齿轮放大。
按照本发明提供的设备，其特征在于，所述脚踏装置包括脚踏及其轴上的主动轮、共转动轴的从动轮和次级主动轮、共转动轴的次级从动轮和三级主动轮、三级从动轮以及各级主从轮之间的链条或皮带；其中，一级主从轮可以链轮，次级和三级可以是皮带轮。所述速度检测装置的传感器可以设置在所述各级主从轮中的任一轮上。
按照本发明提供的设备，其特征在于，所述阻尼力装置包括连接计算机系统的控制器及其输出端上的励磁电压调节器、与该调节器输出端连接的发电机及其回路和输入端与所述控制器连接的、输出端与所述可变负载连接的负载调节器；所述回路包括与所述发电机形成电回路的负载和与所述计算机系统连接的发电机输出电压检测电路；所述发电机转子位于所述三级从动轮即三级从动皮带轮的轴上，所述负载是可变负载。
按照本发明提供的设备，其特征在于，所述计算机系统包括位于所述设备上的用于启动设备和选择节目的输入装置。
按照本发明提供的设备，其特征在于，所述输入装置包括用于启动设备的智能卡读卡装置和用于选择节目的多功能按键。所述多功能按键可以选择不同节目，每个节目有不同场景。
按照本发明提供的设备，其特征在于，所述显示系统可以是所述自行车模型龙头正前方的与所述计算机系统连接的背投、其他显示器或投影设备。
按照本发明提供的设备，其特征在于，所述设备为一整体，包括一个外壳。
实施本发明提供的实现虚拟骑车的方法及设备，能够提供各种虚拟场景模拟、以及骑车阻力真实模拟，使用者可以自由选择，能够让使用者体会不同的骑车感觉，同时又能起到一定锻炼效果。
【附图说明】
图1是本发明提供的设备的外部结构示意图。
图2是图1所示设备的机械结构示意图。
图3是图1所示设备侧向结构示意图。
图4是图1所示设备硬件结构框图。
图5是图1所示设备逻辑结构分解图。
图6是图5中阻力调整控制电路的原理框图。
图7是图5中龙头方向装置和方向检测装置的结构示意图。
图8是实施本发明方法和设备的软件的部分流程示意图。
【具体实施方式】
首先，说明作为本发明方法和设备的基础：
1、速度检测：速度检测是检测皮带轮的转速，乘以虚拟场景中自行车的速度参数就是自行车在场景中的移动速度。V＝π×D×rps＝π×D×n，其中D为虚拟自行车车轮直径，n为参数脉冲值
2、阻力计算：通过读取与画面对应的阻力参数值，和虚拟自行车参数值计算应产生的阻力大小。阻力矩T＝kω/R，其中k为系数，k＝(αφ)2/η，其中φ为磁通，α为系数，η为效率系数，ω为脚踏角速度，R为负载电阻。即脚踏板阻力矩与负载电阻成反比，与转速成正比。又由于T＝CφIa，其中C为系数，φ为磁通，Ia为励磁电流，即阻力矩随励磁电流增大而增大。
3、阻力自动产生：通过脚踏板带动发电机发电，使用者克服发电机磁场力做功，改变发电机励磁电流大小以及改变发电机驱动的负载的电阻值可以产生大小不同的阻力。
4、方向检测：通过龙头和齿轮以一定的传感比例带动传感器进行检测；传感器使用塑料电位器。
5、场景模拟，包括模拟显示、声音以及每个瞬间场景对应的阻力参数数据：显示可以使用背投或其他显示器以及投影装置。
下面，结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。
本发明设备可以安装在健身馆或游乐场所中，会员或游客可以用健身智能卡或娱乐智能卡使用该设备，其外部结构如图所示，包括自行车模型、外壳和显示屏，自行车模型包括龙头及其上的多功能按键、车身及其上的智能卡读卡设备以及脚踏和车座。
本发明使用的设备外壳内的内部结构自行车模型及其上装置的机械结构，如图1-图3所示，包括龙头方向装置、脚踏传动装置和发电机以及支撑装置和方向检测装置四个部分。所述龙头方向装置和方向检测装置，其结构如图2、3和7所示，包括龙头、龙头支架、大齿轮、小齿轮和传感器。所述脚踏传动装置，其结构如图2、3和7所示，包括脚踏、一级主动链轮、一级从动链轮、二级主动皮袋轮、二级从动皮袋轮、三级主动皮带轮和三级从动皮带轮，所述级间从动轮和主动轮共转动轴，主动链轮和从动链轮通过链条带动连接，主动皮带轮和从动皮带轮通过皮带带动连接。发电机的转子位于三级从动皮带轮轴上。
本发明设备的内部控制结构，如图4所示，包括一个支撑结构和外观造型，其他装置位于其上，其中显示器和脚踏机构中的脚踏露在外壳外，其外被包起来；本设备的所述位于自行车模型上的电子装置的检测数据获取及其本身工作的控制都由控制器完成，该控制器通过串口与计算机通讯，由计算机进行数据处理并控制控制器的工作。
本发明设备采用虚拟现实技术，由多个设备组成，其分层结构如图5所示，分为计算机、自行车、检测和阻尼力装置(或检测和阻尼力设备)以及软件和节目一共四大块，每大块又分为不同小块。其中D3D程序用于模拟三维显示。
下面进一步说明其中的关键构件：脚踏装置(或脚踏力传递机构)、龙头方向检测装置和阻力调整控制电路以及计算机系统。
1、脚踏装置，如图2所示，使用三级放大的链轮和皮带轮，使人脚踏速度通过多倍放大后达到发电机额定输出时对转速的要求
2、龙头方向检测装置与龙头方向装置连接，其结构如图7所示，包括通过轮齿连接的大小齿轮和小齿轮上的传感器：
传感器使用塑料电位器，其转动角度一般接近一圈，实际自行车改变方向是有限的，比如不可能一下转90℃或180℃，本发明设备模拟真实的一般情况，转动角度不高于25℃，利用大小齿轮的放大作用和采用的电位器的量程，增加了方向检测的精度。
3、阻力调整控制电路，其结构如图6所示，包括计算机、控制器、用于调节发电机内部磁场的励磁电压调节器以及用于调整负载大小的负载调节器增加发电机励磁电流或发电机输出电流即减小负载阻值大小都能加大线圈所受阻力，人通过脚踏装置传递脚踏力克服所述阻力做功。
4、计算机系统：
①数据结构和场景数据库结构：
包括节目单，每个节目单对应不同静态的场景数据，每个静态场景数据对应显示数据和处理数据，该处理数据对应场景如路面、坡度值。
场景数据中的显示数据是静态的一般场景显示数据，
②智能卡读卡和节目选择人机界面
使用现有装置和多功能键盘，内置软件读取所述动态场景数据。
图8示出了实施本发明方法和设备软件的部分流程图，包括片头显示、初始化、刷卡、游戏设置、过场动画、装入游戏、启动游戏、倒计时、游戏结束、显示成绩。