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带触摸屏的自行车训练装置的真实仿真

Ter-Feng Wu，1*Pu-Sheng Tsai，2Nien-Tsu Hu，3Jen-Yang Chen，4和Yi-Shun Huang2

1国立宜兰大学电气工程系，台湾宜兰26047，中华民国

2中国科技大学电子工程系，台湾台北11581，中华民国

3国立中山科学技术研究院化学系研究室，台湾桃园32599

4明川大学电子工程系，台湾桃园33348

（2017年10月26日收到; 2017年12月5日接受）

关键词：自行车真人模拟，实时时钟，RFID，触摸屏

在这项工作中，我们开发了一种固定自行车真人模拟训练装置。该系统的核心是由Atmel生产的ATMega 162微控制器，它与实时时钟（DS1287），16times;4背光液晶显示器（LCD）模块，ICL232电平转换器芯片和无线电相结合。频率识别设备（RFID）卡及其阅读器。该系统与Weintek触摸屏上设计的中文图形控制界面配合使用，创建了一个操作模拟环境。用户可以使用人机界面选择循环路径。本文提出的固定式自行车辅助训练装置可帮助骑手在沿着真实的自行车道骑行之前进行基于模拟的训练。在满足某些标准并通过测试后，它们可以沿着真实路径循环。当自行车的车轮旋转时，霍尔传感器和我们的磁铁产生脉冲信号。存储器控制单元（MCU）用于读取脉冲信号，计算骑行速度，并累积行驶里程和时间。每个骑行记录，包括里程，持续时间，平均速度和所选路径，将记录在RFID卡中。当骑行数据库打开时，RFID卡的存储器中的数据被自动读取;最后八个训练记录显示在触摸面板上。

1.介绍

近年来，城市人口已经达到饱和状态，导致公共交通系统过载。随着全球变暖加速，环境问题变得更加普及，能源价格不断攀升至新高，大量人口正从农村迁移到世界各地的城市。人们要求休闲旅行的替代交通工具，如野餐和短途旅行。同时，环保和节能日益迫切。自行车是一种无污染的交通工具，自然而然地引起了人们的注意。人口和社会趋势正在促进自行车市场的快速发展。由于生育率下降和医疗和医疗保健的改善，人口正在老龄化。自行车，方便又适合健身，最近变得非常受欢迎，因为他们节省汽油，无排放，不产生噪音，不消耗电力。

这项工作中的固定式自行车仿真训练装置(1–4)让人们把想象成现实。当自行车的车轮旋转时，霍尔传感器和我们的磁铁产生脉冲信号。内存控制单元（MCU）用于读取脉冲信号，计算骑行速度，累积里程和时间;这些是自行车里程表的基础。此外，现场景观和运动状态反映在动画中。该系统为居住在高纬度或大城市地区的人们提供娱乐活动，并且由于天气恶劣，例如冬天下雪，拥挤的生活环境以及道路交通安全问题，往往不能享受户外骑行。目前，大多数用于自行车的虚拟现实(5–11)训练平台由欧洲和美国生产制造，例如Kinetic，Elite和Tacx，因为它们主要提供给每天训练比赛的自行车骑手，因此，虚拟现实技术及其相关产品非常昂贵。如果可以降低整套训练装置的成本并同时增加台湾的本地元素，则认为将提高自行车虚拟现实训练装置的可见性和可接受性。通过这样做，我们期望提高台湾自行车产业的附加值，促进相关产业的发展，深化自行车产业为绿色城市带来的节能减碳效果。

开发虚拟现实培训平台的制造商包括来自荷兰的Tacx，该公司提供Tacx虚拟现实培训站。该产品最吸引人的特点是它反映了骑行体验中的各种环境条件.例如，系统中微控制器的飞轮驱动器在攀爬时在低速时产生巨大的阻力，提供爬山或山的感觉。在下坡时，训练站的微控制器主动驱动自行车的后轮，使骑行非常快。

2.固定式自行车训练装置的系统结构

在这项工作中，“固定式自行车真人模拟训练装置”旨在使骑手在室内享受训练。设计的训练平台不仅模拟户外骑行，更重要的是，基于模拟的训练师为骑手提供了有竞争力的骑手可以参考的体能训练指数。可以模拟诸如日月潭铁人三项等竞赛以及诸如华通省9号公路等各种具有挑战性的自行车道。图1示出了系统架构，其可以分为三个子系统，即（1）里程表，（2）射频识别设备（RFID）读卡器，以及（3）触摸板的真实模拟设计。

这项工作的目标包括以下内容：（1）设计带有霍尔传感器电路和四个磁铁的车轮转速测量系统，并将其安装在固定自行车的前旋转轴上;由于霍尔电路的特性，车轮每转产生四个脉冲。（2）使用Atmel生产的ATMega 162微控制器作为核心芯片;将它与RTC DS1287芯片和ICL232电平转换器芯片结合起来进行开发。

图 1（颜色）系统框图

一辆自行车里程表。在训练期间可以显示骑乘信息;显示当前时间，运动持续时间，累计里程和平均骑行速度。（3）设计类似于健身中心会员卡的东西，每个会话都有RFID和记录骑行信息，包括公里骑行，运动时间，平均速度和循环路径;所有这些信息都可以记录在RFID卡中。使用Weintek触摸屏上设计的图形控制界面，为工作平台建立“RFID车手培训数据库”;RFID存储卡上的信息可以自动读取，最后八个训练记录将显示在触摸屏上。RFID卡还可以保存个人健身信息，以便评估培训效果。（4）在Weintek触摸屏的图形控制界面中设计“真人模拟”的窗口环境;骑手可以选择台湾的八条经典自行车道。为了模拟现实，屏幕显示沿选定路径的当地风景和景观。沿着路径行进的场景和物体的速度随着自行车的速度而变化，在无聊的训练过程中为骑车者提供一些视觉享受。该软件还提供沿着每条路径行进的总公里数，剩余时间和平均速度作为参考指标，使用真实路径上的乘客可以判断其成功。

2.1里程表设计

图2显示了在这项工作中设计的里程表的硬件电路。整体架构采用ATMega 162微控制器作为核心，与用于时钟显示的DS1287实时时钟速率芯片，ICL232电平转换器芯片相结合，将UART信号转换为RS232信号（电平：检查），以及16times;4背光液晶显示（LCD）模块显示里程表信息。如图3所示，可以根据骑车者的重量估计消耗的卡路里和身体健康的信息，并且所有这些信息可以通过蓝牙传输以在智能手机上显示，如图4所示

图2 上下层的组合 图3 里程表上显示的信息

图4 智能手机上显示的里程

2.2 频率识别

该系统的灵魂是RFID。它包含一个阅读器和RFID标签，其操作原理是使用传感器传输无线电波，然后在传感范围内触发RFID标签。通过电磁感应产生电流以在RFID标签上提供芯片并响应于传感器传输电波。最常见的标签是Easy Card。由Parallax公司生产的可读和可重写RFID模块用于本文的系统中。图5显示了该模块;左边是RFID传感器，中间是RFID引脚线，右边是RFID标签。

RFID的主要目的是在训练后保存各种运动参数，作为评估身体健康的基础。Weintek的触摸屏MT6071iE用于在人机界面工作平台的RFID卡上创建“固定式旋转自行车真实模拟训练数据库”，该平台为已完成培训的车手存储运动参数。这些参数包括总里程，训练持续时间，平均速度和循环路径。图6显示了RFID骑手训练数据库。将他或她的个人卡放在RFID读卡器上的用户可以读取卡的存储器中的信息。RS232串行通信用于将此信息传输到触摸面板。在数据传输过程中，屏幕右下角会出现一个闪烁的图标;个人照片，个人数据和骑马记录都可以传输。我们希望该系统可与教育部目前推广的健身护照相结合。身体健康可以被视为身体对动态环境的适应性，这可能涉及气候变化，病毒感染，体力劳动或运动，并且像支持它的常规运动一样非常重要。

图5 由Parallax生产的RFID 图6 RFID骑手训练的图像数据

2.3固定式自行车真人模拟

在这项工作中，我们开发了一个基于窗口的显示器和一个控制现实模拟的程序。Weintek的图形工具箱中的串行通信组件MSComm和控制元件Timer用于根据MSComm从车轮转速测量系统接收的脉冲数计算骑车者的平均速度，累积里程和运动持续时间。每个采样周期。屏幕显示此信息。为了增加本地化元素，我们提供了台湾的八条经典自行车道。它们是（1）日月潭自行车道，（2）新竹南寮渔港自行车道，（3）Liyutien自行车道，（4）台东池上县公路197号，（5）Tienyashen自行车道，（6）巴厘岛左岸自行车道，（7）新店河自行车道，（8）梅花湖环湖自行车道。

骑手可以选择上述任何一种路径，模拟屏幕将简要介绍它。如果用户选择（4）台东市池上县公路197号，则屏幕上将显示图7。消息列的右侧表示路径的总长度为60 km;平均速度为15公里/小时，总骑行时间为4小时。当骑手准备训练时，他或她按下“开始”并且窗口屏幕提供197号县公路的图像。在该项目中，控制屏幕是从第一人称视角;因此，骑车者看到沿着道路的所有风景开始缓慢向后移动，并且该向后运动的速度与骑行速度成正比。骑手可以一边欣赏美丽的景色一边训练。

基于窗口的真实模拟软件沿着八个循环路径中的每一个提供100个风景图像。程序根据骑行速度改变照片之间切换的速度，以模拟连续运动。

图7 选择台东池上县公路197号作为自行车道

3 触摸屏上的图形界面

该系统使用由Weintek开发的MT6071iE触摸面板，为固定式旋转自行车训练设备提供人机界面，支持方便操作。图8显示了触摸屏的照片，其主要规格如下：（1）7“背光LCD面板，（2）800times;480分辨率，（3）五线电阻，（4）项目文件使用下载USB客户端，（5）配备COM1（支持RS232），COM2和COM3（支持RS485）串行通信，（6）带有NEMA4 / IP65保护标记和内置电源隔离，（7）32位RISC Cortex A8微处理器，脉冲频率为600 MHz，（8）128 MB闪存（闪存）和128 MB动态存储器（RAM），（9）内置万年历，（10）24 Vdc时电流消耗350 MA。

触摸屏上人机界面的功能包括选择固定式自行车的操作模式，选择循环路径，设置训练时间，显示模拟场景，从RFID会员卡中读取客户信息（包括照片和基本数据），以及阅读RFID会员卡的培训信息（共8条记录）。Wintek触摸面板提供的EasyBuilder Pro软件包含一个内置的图形控制工具箱，它为用户提供了自己编写C-like宏指令的功能。它是一个功能强大的程序开发平台。图9显示了其窗口屏幕。

4.建立实验平台

为了验证固定式自行车训练装置的可行性，我们在实验室建立了一个固定式自行车仿真平台。平台的外部尺寸为101厘米长，110厘米高，53厘米宽。固定自行车的前轮为16times;1.75英寸，表示轮辋直径为16英寸，轮辋宽度为1.75英寸。前轮连接到制动钳和霍尔传感器，霍尔传感器安装用于检测车轮速度并将此信息提供给里程表显示器。

图8 MT6071iE触摸屏的照片

图9系统包括训练模式和RFID模式

虚拟现实训练设备是由San Sport的18公斤固定式自行车改装而成。

1）安装四个磁铁和霍尔传感器

电子转速计由霍尔传感器和铁氧体环组成，使用串联方法磁化。由此产生45个N极和45个S极。表面磁力为350高斯，每转产生45个信号，如图2和3所示。每当前轮旋转时，霍尔传感器向里程表发出四个脉冲，完成实验装置的建立。

图10 霍尔传感器安装 图11 霍尔传感器和四个磁铁

2）用于里程表的软件和硬件的开发及其功能的测试

在里程表的硬件电路上执行焊接和调试工作，并在上下组合中布置LCD模块和里程表硬件电路，如图2所示。

3）Wintek触摸屏仿真程序开发和测试

在这项工作中，我们使用Wintek触摸屏上的图形控制界面设计了真实模拟的窗口屏幕和控制程序。EasyBuilder Pro软件中的内置图形控制工具箱中的串行通信组件和宏指令中的循环执行元件用于支持定时器的功能。骑车者的平均速度，累计里程和骑行持续时间将根据每个采样时间由里程表中的ATMega162发送到自由协议的脉冲数来计算。设置时间是2秒。所有信息都将显示在窗口屏幕上。骑手的速度用于确定照片切换的速度;更高的骑行速度与高的照片切换速度相关联。因此，骑手可以在风景中体验他们的运动。图12显示了实验平台的建立。

5 实验结果和功能测试

这项工作最重要的部分是模拟。骑行速度影响程序中的光切换速度，以模拟风景的连续向后移动。图13显示了日月潭自行车道的实际景观。图14显示了新竹南寮渔港自行车道的情况。图15显示了Liyutien Cycle Path的路径。图16显示了台东市池上县高速公路197号的图。图17显示了天涯山自行车道的图。图18显示了巴厘岛左岸自行车道的情况。图19显示了新店河自行车道的情况。图20显示了梅花湖环湖自行车道的情况。

图12 建立固定式自行车实验平台

图13 日月潭自行车道的实际景观

图14新竹南寮渔港自行车道的实际景观

图15 Liyutien Cycle Path的实际景观

图16 台东池上县公路197

图17 Tienyashen Cycle Path的操作步骤

图18 巴厘岛左岸自行车道的实际景观

图19 新店河自行车道的实际景观

图20 梅花湖环湖自行车道的实际景观

一旦骑手完成培训，他必须将他的个人培训卡（RFID会员卡）放在RFID阅读器上并按“结束”。触摸面板向里程表和内部微控制器发送信号，以保存RFID卡上的日期，路径选

资料编号：[3643]