一种公路自行车赛竞技辅助训练系统

摘要

本发明涉及一种公路自行车赛竞技辅助训练系统，包括传感测量子系统和阻尼控制子系统，所述的传感测量子系统包括车把转向测量模块和车速测量模块，所述的阻尼控制子系统通过电机产生空气阻力和重力分量带来的阻力即可让用户有真实的骑行体验，所述的空气阻力计算与车把转向、风速和车速相关，所述的重力分量计算与路面的坡度相关，所述的车把转向和车速通过转向测量模块和车速测量模块测量，所述的风速和路面坡度根据真实的天气和路面环境通过软件模拟得到。与现有技术相比，本发明具有能够在最大程度上还原真实的比赛环境，帮助运动员进行更好地公路自行车训练。

说明书

技术领域

本发明涉及一种竞技辅助训练系统，尤其是涉及一种基于真实骑行环境的公 路自行车赛竞技辅助训练系统。

背景技术

公路自行车赛是一种在全世界范围内比较流行的自行车赛事。每到赛前，运动 员们都会到专门的赛场进行赛前训练，一方面训练骑行技术，另一方面主要为了熟 悉比赛线路，并针对路线特点制定合理的比赛策略。但是，实地训练常常会受到时 间天气等因素的限制，而且不能对于某一种地形进行针对性的训练。如果是非比赛 运动员，也无法到真实的场地进行训练。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种公路自行车 赛竞技辅助训练系统，能够在最大程度上还原真实的比赛环境，帮助运动员进行更 好地公路自行车训练。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种公路自行车赛竞技辅助训练系统，其特征在于，包括传感测量子系统和阻 尼控制子系统，所述的传感测量子系统包括车把转向测量模块和车速测量模块，所 述的阻尼控制子系统通过电机产生空气阻力和重力分量带来的阻力即可让用户有 真实的骑行体验，所述的空气阻力计算与车把转向、风速和车速相关，所述的重力 分量计算与路面的坡度相关，所述的车把转向和车速通过转向测量模块和车速测量 模块测量，所述的风速和路面坡度根据真实的天气和路面环境通过软件模拟得到。

所述的车把转向测量模块采集三个位置信息，即车把左转90°、置于中间以 及右转90°时传感器检测到的方向矢量，然后以这三个矢量为基准，对车把置于 任意位置时检测到的方向矢量进行线性规划。

所述的车速测量模块安装在电机主轴上，具体为：

在电机上安装了光电码盘和光电对管，在光电码盘转动时光栅会间歇性使光电 对管导通和关断，只需要测量光电对管的输出频率即可得到相应转速。

所述的软件模拟包括依次连接的数据格式转换模块、数据融合模块和赛道重现 模块。

所述的数据格式转换模块包括分别与数据融合模块连接的赛道数据转换模块 和天气数据转换模块。

所述的数据融合模块将道数据转换模块和天气数据转换模块提供数据进行融 合，具体为：提供一个接口，该接口的输入为时间和位置，输出为控制当前环境因 素的变量。

所述的赛道重现模块，用于提供赛道数据的可视化和体感上的体验，具体为：

赛道数据的可视化为数据的图形化表达，体感部分表现为转角和阻力上的变化。

所述的赛道数据的可视化具体为：

模拟赛道最终会呈现在一个二维平面上，由一个主体视窗和三个分视窗构成， 所述的主视窗呈现反映当前的路况和方向的视图，三个分视窗分别为整体路线鸟瞰 图、坡度变化图和风向标志图。

所述的体感部分包括转角和阻力的计算，

其中转角的计算如下：

安装在车把位置的方向传感器检测出车把的转角_α，已知自行车前后轮轴间距为l, 根据几何关系可以计算出转弯半径：

$r=\frac{l/2}{\sin (\partial /2)}$

若已知自行车前进速度为v(m/s)，方向角变化的角速度为：

$\omega =\frac{v}{r}=\frac{2\mathrm{vg}\sin (\partial /2)}{l}(\mathrm{rad}/s)$

阻力的计算如下：

空气阻力的计算如下：

空气阻力＝f(风速，风向，车速，车把方向)

重力分量产生的阻力计算如下：

重力分量产生的阻力＝f(坡度，车把方向)

最后，阻力的计算为：

实际阻力＝f(空气阻力，机械摩擦，重力分量产生的阻力)。

该系统设置了三种训练模式：全程模式、分段模式和任意模式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、真实地还原比赛场景，让运动员更加熟悉比赛地形，从而制定合理的比赛 方案；

2、克服日常训练的时间、天气、场地等因素的限制，达到高效的训练效果；

3、帮助非专业运动员熟悉比赛线路，为正式比赛做准备。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明转角示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明主要通过以下来实现：1、为了还原真实的比赛地形，需要采集各大赛 事中所使用路线的各项数据，然后为这些数据设计一种通用的数据格式，用于模拟 场景的绘制和骑行参数的设置。2、除了视觉上的场景描绘，更重要的是骑行时的 感觉上的还原。为了实现这一点，需要控制的因素是骑行时的阻力，而阻力的控制 主要是由自行车的速度、环境的风速以及路线的坡度决定的。其中控制的实现是由 系统的硬件部分完成的。

本发明创新点主要如下：

1、本系统可以灵活地导入任意比赛的数据，自动实现场景模拟

2、可视化的数据表达，将路线数据进行图形化的模拟，极大地提高了用户体 验和使用效果

3、加入真实情况的风速，实现更加真实的情景模拟。

图1是系统的结构图，主体构成为一辆自行车和一个骑行台。硬件负责的主要 功能为传感测量和阻尼控制。

1、传感测量

系统通过传感器测量的变量有车把的转向和骑行时的速度。

(1)车把转向

我们选择HMC5883芯片作为方向传感器。HMC5883模块能够采集地磁场在 三个轴向上的分量并转换成数字信号，通过IIC总线传送给Galileo开发板。由于 自行车把的实际转向方式不仅仅是水平方向的旋转，还涉及到垂直方向的旋转和翻 滚运动，因此单纯的磁场分量检测不能完全反映车把的旋转。考虑到系统对车把信 号的精度要求不高，同时考虑到系统实现的难易程度，这里对传感器信号进行简单 软件处理即可。

系统开始运行时首先需要采集三个位置信息，即车把左转90°、置于中间以 及右转90°时传感器检测到的方向矢量，然后以这三个矢量为基准，对车把置于 任意位置时检测到的方向矢量进行线性规划。

(2)车速

传统的车速测量方法是在车轮辐条上安装磁铁，通过霍尔效应检测车轮转速。 但是由于在实际骑行运动中，人体采取制动措施后，尽管车轮被抱死，由于惯性作 用自行车仍然在向前运动，因此传统的依靠检测车轮转速测量车速的方法不能准确 反映自行车的运动状态，另外由于传统测速方式只有当车轮转过一周才能得到一次 脉冲，因此低俗情况下响应较慢，而且需要根据不同自行车型号输入轮胎直径，操 作复杂。

基于以上缺点，我们将测速装置安装在电机主轴而不是车轮上，由于飞轮滚筒 能够很好地模拟大地与自行车之间的相对运动(包括滚动与滑动)，电机与飞轮传 动比恒定，因此电机主轴转速能够直接反应自行车的实际车速。我们在电机上安装 了光电码盘和光电对管，在码盘转动时光栅会间歇性使光电对管导通和关断，只需 要测量光电对管的输出频率即可得到相应转速。

由于对于转速的测量需要尽可能准确，因此我们选择MSP430G2553单片机专 门负责频率测量。该单片机定时器时钟源为该单片机定时器时钟源为32.768kHz 手表晶体，光电对管的输出频率最高为2kHz左右，为了保证频率计在高频、低频 时的响应速度和测量精度，这里采用M/T法测速。

其转速计算公式为：

$n_M=\frac{60\times M_1\times f_c}{\lambda \times P\times M_2}---\left(1\right)$

式中：M₁为预置脉冲数；M₂为高频时钟脉冲数；f_c为高频时钟频率；λ为光 电编码器倍频系数；P为光电编码器线数。

在低频时，只需测量脉冲一个周期经过的时间即可；高频时，由于单纯测量周 期时间会带来较大误差，因此我们测量多个周期，当时间大于门限值时，根据周期 数和总时间即可求得实际频率。

2、阻尼控制

在真实的比赛场景中，骑行阻力主要源自四个方面：自行车机械结构摩擦、车 轮与地面之间滚动摩擦，上、下坡时重力分量以及空气阻力。在我们的系统中，由 于使用了真实自行车，而且车轮与飞轮滚筒之间的传动可以模拟与路面之间的滚动 摩擦，因此只需要通过电机产生空气阻力和重力分量带来的阻力即可让用户有真实 的骑行体验。计算空气阻力需要的参数有车把转向、风速和车速，计算重力分量带 来的阻力需要的参数为路面的坡度。其中，车把转向和车速由上述硬件部分测量， 风速和路面坡度将根据真实的天气和路面环境进行软件上的模拟。

软件部分

软件上的主要功能是统一源数据格式以及数据的图形化表达。这里面包含了三 个主要的模块：数据格式转换模块、数据融合模块、赛道重现模块。

1、数据格式转换模块

我们需要的数据来源于两个方面，真实的赛道数据和天气数据。公路自行车赛 的形式有很多，获取赛道数据的渠道也不尽相同，所以源数据的格式存在一定的差 异，为了实现统一的数据导入形式，需要统一的源数据格式。数据格式转换模块中 包含了针对不同类型源数据的适配器，经过处理后的源数据统一输出为json格式， 用于后续的数据需求。一旦出现新的源数据形式，只需要增加相应的源数据适配器。

同样地，能够提供天气查询的API有很多种，数据格式转换模块中还有针对 天气数据的适配器，从中提取我们所需要的风速、风向等数据，并输出为统一的json 格式。

2、数据融合模块

经过格式化的源数据是相对独立的，但是实际比赛过程中呈现的是一个整体。 数据融合模块的功能就是将这些相对独立的数据，通过一定的逻辑融合在一起，从 而实现对真实情景的最佳模拟。

天气的数据是根据时间获取的，也就是所导入赛事的实际比赛时间，模拟情景 中天气的变化的依据是从比赛开始后的相对时间。那么，决定当前环境的因素就有 两个：时间和位置。时间决定了当前环境的风速和方向，位置决定了当前环境的地 势、排名等因素。

数据融合模块将这两方面的数据结合在一起之后，会提供一个接口，这个接口 的输入是时间和位置，输出是控制当前环境因素的所有变量。

3、赛况重现模块

赛况重现模块通过调用前两个模块，提供赛道数据的可视化和体感上的体验。 赛道数据的可视化主要表现为数据的图形化表达，体感部分主要表现为转角和阻力 上的变化。

(1)赛道数据可视化

模拟赛道最终会呈现在一个二维平面上，由一个主体视窗和各个小的分视窗构 成。一般来说，一个stage的长度为150km左右，会根据地势被划分成20km左右 的子段，主视窗呈现的就是这样一个子段的视图，主要用于反映当前的路况和方向。 通过调用Google Earth API在子段视图中绘制出具体的路线，并通过颜色的变化来 反映坡度的变化。

子视窗包含三个：整体路线鸟瞰图，坡度变化图和风向标志图。为了让使用者 能以全局的视角观察当前的骑行状况，提供整体路线图是很有必要的，在这个小视 窗里，将通过颜色标识出当前所在的stage。坡度变化图将以更加直观的形式描绘 海拔的变化。风向标志图会以车把的方向为标准，随着车把方向的改变而改变，从 而提供更好的感觉体验。

转角算法

安装在车把位置的方向传感器检测出车把的转角_α，已知自行车前后轮轴间距 约为1.2m左右，根据几何关系可以计算出转弯半径：

$r=\frac{l/2}{\sin (\partial /2)}---\left(2\right)$

若已知自行车前进速度为v(m/s)，方向角变化的角速度为：

$\omega =\frac{v}{r}=\frac{2\mathrm{vg}\sin (\partial /2)}{l}(\mathrm{rad}/s)---\left(3\right)$

阻力计算

在真实的骑行运动中，骑行阻力主要来源自四个方面：自行车机械结构摩擦、 车轮与地面之间的滚动摩擦、上下坡时重力分量以及空气阻力。在我们的系统中， 由于使用了真实自行车，而且车轮与飞轮滚筒之间的传动可以模拟与路面之间的滚 动摩擦，因此需要系统通过电机控制的的变量有空气阻力和重力分量带来的阻力。 空气阻力的计算如下：

空气阻力＝f(风速，风向，车速，车把方向)

重力分量产生的阻力计算如下：

重力分量产生的阻力＝f(坡度，车把方向)

最后，阻力的计算为：

实际阻力＝f(空气阻力，机械摩擦，重力分量产生的阻力)

4、模式选择

自行车公路赛的赛程较长，路段较多，路面类型也有很多种。每个运动员都会 有自己擅长或者不擅长的路面类型，有的擅长冲刺，有的擅长爬坡，所以为了更好 地准备比赛，进行针对性的训练是很有必要的。系统设置了三种训练模式：全程模 式、分段模式和任意模式。

全程模式按照实际比赛中的赛程安排，系统将记录运动员每天的比赛进程，并 在下一次进入此模式时继续完成接下来的比赛。分段模式根据比赛路线设定的 stages划分，运动员可以根据自己的需求选择其中的某一个stage进行训练。为了 适应跟广泛的需求，系统还提供了任意模式，运动员可以选择任意的起点和终点进 行相应的训练。