專利名稱：模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及虛擬技術(shù)，尤其設(shè)計(jì)一種模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
自行車運(yùn)動(dòng)，尤其是越野自行車運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)很有吸引力的運(yùn)動(dòng)，但是由于條件所限，很多人無(wú)法親身體驗(yàn)這種運(yùn)動(dòng)。虛擬技術(shù)的出現(xiàn)解決了這個(gè)問(wèn)題，虛擬技術(shù)可以模擬各種場(chǎng)景，從而滿足人們的愿望。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，能使參與者在騎行時(shí)能感覺(jué)到顛簸，上下坡，阻力和風(fēng)力的變化，并能看到變化的圖像。
本發(fā)明的另一目的是提供一種模擬自行車運(yùn)動(dòng)的方法，用于上述設(shè)備，使參與者能感覺(jué)到上述各種感覺(jué)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，包括具有自行車外形的機(jī)械裝置、放置機(jī)械裝置的底盤(pán)、控制裝置和顯示裝置，其特征在于，還包括風(fēng)速發(fā)生器，與所述控制裝置相連；所述具有自行車外形的機(jī)械裝置，除基本自行車部件車架、車把、座椅和踏腳外，還包括數(shù)據(jù)采集裝置，連接到所述基本自行車部件的車把、踏腳和座椅上，還與所述控制裝置相連；加載裝置，連接到所述基本自行車部件的踏腳上，還與所述控制裝置相連；震動(dòng)裝置，連接到所述基本自行車部件的車架和座椅上，還與所述控制裝置相連；俯仰裝置，連接到所述基本自行車部件的車架和座椅上，還與所述控制裝置相連；傾斜裝置，連接到所述基本自行車部件的車架和座椅上，還與所述控制裝置相連；慣性裝置，連接到所述基本自行車部件的踏腳上，還與所述控制裝置相連。
一種使用權(quán)利要求1所述的設(shè)備的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的方法，包括以下步驟所述控制裝置接收開(kāi)始信號(hào)，初始化所述控制裝置、所述顯示裝置和所述機(jī)械裝置；所述數(shù)據(jù)采集裝置采集當(dāng)前自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，并發(fā)送到所述控制裝置；所述控制裝置建立自行車運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，將接收到的所述當(dāng)前自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)輸入到所述自行車運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行計(jì)算；所述控制裝置將所述計(jì)算結(jié)果輸出到所述機(jī)械裝置、所述顯示裝置和所述風(fēng)速發(fā)生器；所述機(jī)械裝置、所述顯示裝置和所述風(fēng)速發(fā)生器按照接收到的結(jié)果進(jìn)行操作；如果所述控制裝置接收到結(jié)束信號(hào)，就停止，否則回到所述采集步驟。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備和方法可以模擬剎車時(shí)的前沖、上下破時(shí)的俯仰、轉(zhuǎn)彎時(shí)的左右傾斜、路面不平時(shí)的顛簸及快速時(shí)的飛越等多種狀態(tài)，并通過(guò)加裝各類傳感器、力的發(fā)生和反饋系統(tǒng)、為騎車人在虛擬的路面上模擬各種姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息，從而達(dá)到身臨其境的感覺(jué)。


圖1是本發(fā)明的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的具有自行車外形的機(jī)械裝置的示意圖；圖3是本發(fā)明的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的方法的流程圖；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
圖1是本發(fā)明的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該設(shè)備包括具有自行車外形的機(jī)械裝置1，放置機(jī)械裝置的底盤(pán)2，控制裝置(圖1中未畫(huà)出)、顯示裝置3和風(fēng)速發(fā)生器(圖1中位畫(huà)出)。在一個(gè)實(shí)施例中，控制裝置為計(jì)算機(jī)、顯示裝置為屏幕而風(fēng)速發(fā)生器為風(fēng)扇。圖2是該具有自行車外形的機(jī)械裝置的外觀示意圖。
本發(fā)明的特點(diǎn)是在上述機(jī)械裝置1中，除基本自行車部件車架、車把、座椅和踏腳外，還包括數(shù)據(jù)采集裝置，連接到基本自行車部件的車把、踏腳和座椅上，還與控制裝置相連。其中連接到車把上的是角位移傳感器，連接到踏腳上的是測(cè)速器。
加載裝置，連接到基本自行車部件的踏腳上，還與控制裝置相連。加載裝置包括加載伺服電機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、力矩傳感器、增速機(jī)構(gòu)和棘輪機(jī)構(gòu)，用來(lái)提供給自行車在各種情況下騎車時(shí)力的感覺(jué)。
震動(dòng)裝置，連接到基本自行車部件的車架和座椅上，還與控制裝置相連。震動(dòng)裝置包括兩個(gè)氣缸，用來(lái)模擬車速較高時(shí)自行車的飛躍及顛簸。
俯仰裝置，連接到基本自行車部件的車架和座椅上，還與控制裝置相連。俯仰裝置包括俯仰伺服電機(jī)、渦輪減速器、曲柄機(jī)構(gòu)和角位移傳感器，用于模擬自行車上下坡時(shí)的前傾后仰，其中角位移傳感器用于控制俯仰角度。
傾斜裝置，連接到基本自行車部件的車架和座椅上，還與控制裝置相連。傾斜裝置包括傾斜伺服電機(jī)、高速比減速器、傘齒輪、渦輪、渦桿和角位移傳感器，用于模擬轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心加速度與騎車人重力的平衡角度，其中角位移傳感器用于控制俯仰角度。
慣性裝置，連接到基本自行車部件的踏腳上，還與控制裝置相連。慣性裝置包括氣缸、剎車力控制機(jī)構(gòu)、慢速恢復(fù)閥、小車和電磁閥，用于模擬自行車剎車時(shí)騎車人的前沖。
本發(fā)明還提供了一種使用上述設(shè)備的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的方法，包括以下步驟，如圖3所示步驟S31，控制裝置接收開(kāi)始信號(hào)，初始化控制裝置、顯示裝置和機(jī)械裝置。初始化時(shí)，控制裝置會(huì)為自行車選擇一條虛擬的預(yù)定路線，并設(shè)置自行車的起始位置和起始速度以及起始方向，顯示裝置顯示初始的圖像。
步驟S32，數(shù)據(jù)采集裝置采集當(dāng)前自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，并發(fā)送到控制裝置。數(shù)據(jù)采集裝置采集的當(dāng)前自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)包括采集自踏腳的當(dāng)前速度信號(hào)，采集自車把的當(dāng)前方向信號(hào)(由車把上的角位移傳感器提供車把的角度)和當(dāng)前剎車力信號(hào)(由車把上的力感應(yīng)器提供)、采集自車架的當(dāng)前傾斜度信號(hào)。
步驟S33控制裝置建立自行車運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，將接收到的當(dāng)前自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)輸入到自行車運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行計(jì)算。數(shù)學(xué)模型通過(guò)以下公式建立，首先說(shuō)明一下公式中使用的符號(hào)的意義L自行車的車長(zhǎng)；l座椅到車尾的距離；s在給定時(shí)間Δt內(nèi)自行車的行程為；K自行車的轉(zhuǎn)動(dòng)比；d路面“溝”間距；h0自行車的前一地點(diǎn)的高度；h1此時(shí)的高度為；h2下個(gè)地點(diǎn)的高度；(x0，y0)自行車前一地點(diǎn)的坐標(biāo)；(x1，y1)此時(shí)的地點(diǎn)坐標(biāo)；(x2，y2)下個(gè)地點(diǎn)的坐標(biāo)；v0自行車此時(shí)的速度V1下個(gè)地點(diǎn)的速度；θ0自行車行駛的方向和正東方的夾角；θ1下一個(gè)地點(diǎn)自行車行駛的方向和正東方的夾角；φ前輪和運(yùn)動(dòng)方向的偏角；f1和f2前后輪的剎車力分別；ks鋼圈和剎車皮之間的磨擦系數(shù)。
建立數(shù)學(xué)模型的公式如下對(duì)于由坡度的底面，坡度角計(jì)算公式α=tg-1(h1-h0(x0-x1)2+(y0-y1)2);]]>速度計(jì)算公式當(dāng)sΔt≥v0]]>時(shí)腳蹬的速度大于自行車的速度所以，腳蹬的力加到自行車上了，此時(shí)v1=sΔt.]]>
當(dāng)sΔt<v0]]>時(shí)，腳蹬的速度小于自行車的速度所以，腳蹬的力未加到自行車上，解下列微分方程組 所以此時(shí)的自行車真正的行程是微分方程的解s1，記s＝s1，則v1=sΔt;]]>計(jì)算下次地點(diǎn)的位置坐標(biāo) 計(jì)算下次地點(diǎn)的行車方向θ1=θ0+2×tg-1(tg(φ)×lL)]]>腳蹬反饋力的計(jì)算在sΔt≥v0]]>時(shí)為 在sΔt<v0]]>時(shí)為0；車身傾角的計(jì)算tg-1(2×sin(tg-1(tg(φ)×lL))×s(Δt)2×g×1+tg2φ×l2L2)]]>鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量的計(jì)算可以根據(jù)v1-vz×sin(+θ1-θ0)和vz×cos(+θ1-θ0)的值來(lái)確定順車子的方向和垂直車子方向的風(fēng)量；具體數(shù)值可以查表。
剎車沖擊開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟根據(jù)是否有剎車力存在及系統(tǒng)加速度 的大小來(lái)決定；看這個(gè)量是否小于某個(gè)指定的負(fù)常數(shù)來(lái)決定是否打開(kāi)沖擊開(kāi)關(guān)。
對(duì)于有些不平整的，地面上“溝”存在，此處假設(shè)“溝”是等間距的，且其深度能夠放下一個(gè)車輪，車在有“溝”的路面上彈跳頻率為v1/d；在有“溝”的路面上向上撞擊的力的計(jì)算m×d×v1×ρ12×R×t]]>的大小查表決定其階段值，其中t是撞擊力作用的時(shí)間(如播放一幀畫(huà)面所需的時(shí)間)，具體數(shù)值要在實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)比較而取得(估計(jì)是0.01秒的數(shù)量級(jí)的范圍)，ρ1為橡膠輪胎的緩沖系數(shù)，具體數(shù)值也是要在實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)比較而取得(估計(jì)是在0.1的數(shù)量級(jí)范圍)。
步驟S34，控制裝置將通過(guò)上述計(jì)算模型計(jì)算的結(jié)果輸出到機(jī)械裝置、顯示裝置和風(fēng)速發(fā)生器。由于假設(shè)自行車運(yùn)動(dòng)在一預(yù)定的路線上，該路線上每一處的阻力狀況、風(fēng)速、路面傾斜度和路面狀況都是預(yù)先設(shè)定的。所以根據(jù)當(dāng)前速度信號(hào)和當(dāng)前方向信號(hào)可計(jì)算出自行車在預(yù)定路線上的當(dāng)前位置。然后比較自行車當(dāng)前的各項(xiàng)參數(shù)(包括阻力、剎車力、風(fēng)速等)和預(yù)定路線上該位置的預(yù)定參數(shù)值，計(jì)算它們之間的差值。再將差值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輸出信號(hào)。輸出到機(jī)械裝置、顯示裝置和風(fēng)速發(fā)生器。
步驟S35，機(jī)械裝置、顯示裝置和風(fēng)速發(fā)生器按照接收到的結(jié)果進(jìn)行操作。下面詳細(xì)說(shuō)明一下機(jī)械裝置中的各部件的操作方式加載裝置的操作方式當(dāng)騎車人騎車時(shí)，增速機(jī)構(gòu)將腳踏速度提高十幾倍，提高了的轉(zhuǎn)速同時(shí)帶動(dòng)力矩傳感器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、加載伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。測(cè)速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生速度信號(hào)，速度信號(hào)輸入控制裝置里求一價(jià)變?yōu)榧铀俣刃盘?hào)。
將預(yù)定路線中當(dāng)前自行車所處位置的路面狀態(tài)信號(hào)及速度，加速度三個(gè)信號(hào)作為邊界條件送入控制裝置中的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)的計(jì)算，所得到的輸出力信號(hào)作為系統(tǒng)的指令信號(hào)，輸入到加載裝置中，加載裝置輸出電流信號(hào)控制伺服電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，加載伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)生成力矩，通過(guò)力矩傳感器施加到騎車人的踏腳上，力矩傳感器輸出的力矩信號(hào)同時(shí)送入加載裝置與上述力信號(hào)相比較，得出的結(jié)論控制加載伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)方向，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)力的閉環(huán)自動(dòng)控制過(guò)程。于是，騎車人時(shí)，就有了腳踏力的感覺(jué)。此加載方法采用加速度信號(hào)超前速度信號(hào)90度的原理，力在前，速度在后，而使騎車人感覺(jué)不到前后的加載方法，因?yàn)榧虞d伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與騎車方向相反，所以采用這種辦法需要較大功率的加載伺服電機(jī)，并且加載伺服電機(jī)長(zhǎng)期在堵轉(zhuǎn)的情況下工作，容易燒毀伺服電動(dòng)機(jī)。并且大功率的伺服電動(dòng)機(jī)一但失控對(duì)騎車人會(huì)造成傷害。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，采用減載的方法。在系統(tǒng)中預(yù)加一固定載荷，用加載伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同而去部分預(yù)加載荷，剩余的載荷為騎車人騎車的腳踏力。
因?yàn)椴捎檬畮妆对鏊贆C(jī)構(gòu)，是靜止?fàn)顟B(tài)下腳踏速度使加載伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速提高了十幾倍，也就是說(shuō)將伺服電動(dòng)機(jī)的摩擦力提高了十幾倍。所以將這個(gè)力作為預(yù)加一固定載荷。
當(dāng)車在平路時(shí)腳踏力＝預(yù)加力-加載力當(dāng)車在上坡時(shí)腳踏力＝預(yù)加力+加載力(坡度增大時(shí)，加載力增大)當(dāng)車在下坡時(shí)腳踏力＝預(yù)加力-加載力(坡度增大時(shí)，加載力增大)這種加載方法可以使加載執(zhí)行機(jī)構(gòu)制造的比較小，用的加載伺服電機(jī)輸出的力矩也比較小，力矩傳感器選用的量程范圍比較小，以次提高了精度及響應(yīng)速度，加載機(jī)構(gòu)本身的慣性、間隙和摩擦力都小了而腳踏反饋的力范圍比較大。并且在失控狀態(tài)下對(duì)騎車人不會(huì)造成危害。
傾斜裝置的操作方式在相同的車把角度，以不同的車速轉(zhuǎn)彎時(shí)，自行車的轉(zhuǎn)彎傾斜度是不一樣的。當(dāng)騎車人騎車轉(zhuǎn)彎時(shí)，數(shù)據(jù)采集裝置把當(dāng)前傾斜信號(hào)與當(dāng)前速度信號(hào)輸入控制裝置，計(jì)算機(jī)計(jì)算后輸出傾斜信號(hào)給傾斜裝置的控制電路，控制電路控制傾斜伺服電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)使“自行車”傾斜。同時(shí)，角位移傳感器輸出信號(hào)給傾斜裝置的控制電路，兩個(gè)信號(hào)平衡后“自行車”停止傾斜，已達(dá)到所需的角度。
俯仰裝置的操作方法俯仰機(jī)構(gòu)完全由控制裝置控制。當(dāng)騎車人騎車時(shí)，預(yù)定路線中出現(xiàn)坡度，預(yù)定的上下坡信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算機(jī)解算后輸出到俯仰裝置的控制電路，控制電路俯仰伺服電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)使“自行車”俯仰。同時(shí)，角位移傳感器輸出信號(hào)給控制電路，兩個(gè)信號(hào)平衡后“自行車”停止俯仰，以達(dá)到所需的角度。
振動(dòng)裝置的操作原理振動(dòng)裝置完全由控制裝置控制。當(dāng)騎車人騎車時(shí)，預(yù)定路線中出現(xiàn)不平的路面，既是有“溝”的路面，路面不平信號(hào)(就是“溝”的間距)輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型中，計(jì)算機(jī)計(jì)算后輸出信號(hào)給振動(dòng)裝置的控制閥，控制閥控制前后氣缸動(dòng)作，“自行車”開(kāi)始顛簸振動(dòng)。當(dāng)車速較高時(shí)，前后汽缸同時(shí)動(dòng)作使“自行車”飛躍。當(dāng)車速較低時(shí)，前后汽缸先后動(dòng)作使“自行車”顛簸。
顯示裝置則根據(jù)控制裝置計(jì)算出的自行車的當(dāng)前位置，顯示預(yù)定的路線上對(duì)應(yīng)于該位置的圖像，包括路面狀況，背景圖像和天氣情況等。這些圖像都是預(yù)先與預(yù)定路線上的每個(gè)位置一一對(duì)應(yīng)的。
風(fēng)速發(fā)生器根據(jù)控制裝置計(jì)算出的自行車當(dāng)前位置，先得到預(yù)定路線上此處的風(fēng)速和風(fēng)向，然后再結(jié)合當(dāng)前車速，方向，使用前面所述的公式計(jì)算，得到當(dāng)前的風(fēng)速和風(fēng)向，并驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇吹風(fēng)。
步驟S35，如果控制裝置接收到結(jié)束信號(hào)，就停止，否則回到步驟S32。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備和方法可以模擬剎車時(shí)的前沖、上下破時(shí)的俯仰、轉(zhuǎn)彎時(shí)的左右傾斜、路面不平時(shí)的顛簸及快速時(shí)的飛越等多種狀態(tài)，并通過(guò)加裝各類傳感器、力的發(fā)生和反饋系統(tǒng)、為騎車人在虛擬的路面上模擬各種姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息，從而達(dá)到身臨其境的感覺(jué)。
上述詳細(xì)說(shuō)明的實(shí)施例是提供給熟悉本領(lǐng)域內(nèi)的人員來(lái)實(shí)現(xiàn)或使用本發(fā)明的，熟悉本領(lǐng)域的人員可在不脫離本發(fā)明的發(fā)明思想的情況下，對(duì)上述實(shí)施例做出種種修改或變化，因而本發(fā)明的保護(hù)范圍并不被上述實(shí)施例所限，而應(yīng)該是符合權(quán)利要求書(shū)提到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。
權(quán)利要求
1.一種模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，包括具有自行車外形的機(jī)械裝置、放置機(jī)械裝置的底盤(pán)、控制裝置和顯示裝置，其特征在于，還包括風(fēng)速發(fā)生器，與所述控制裝置相連；所述具有自行車外形的機(jī)械裝置，除基本自行車部件車架、車把、座椅和踏腳外，還包括數(shù)據(jù)采集裝置，連接到所述基本自行車部件的車把、踏腳和座椅上，還與所述控制裝置相連；加載裝置，連接到所述基本自行車部件的踏腳上，還與所述控制裝置相連；震動(dòng)裝置，連接到所述基本自行車部件的車架和座椅上，還與所述控制裝置相連；俯仰裝置，連接到所述基本自行車部件的車架和座椅上，還與所述控制裝置相連；傾斜裝置，連接到所述基本自行車部件的車架和座椅上，還與所述控制裝置相連；慣性裝置，連接到所述基本自行車部件的踏腳上，還與所述控制裝置相連。
2.如權(quán)利要求1所述的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，其特征在于，所述加載裝置包括加載伺服電機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、力矩傳感器、增速機(jī)構(gòu)和棘輪機(jī)構(gòu)；所述震動(dòng)裝置包括兩個(gè)氣缸；所述俯仰裝置包括俯仰伺服電機(jī)、渦輪減速器、曲柄機(jī)構(gòu)和角位移傳感器；所述傾斜裝置包括傾斜伺服電機(jī)、高速比減速器、傘齒輪、渦輪、渦桿和角位移傳感器；所述慣性裝置包括氣缸、剎車力控制機(jī)構(gòu)、慢速恢復(fù)閥、小車和電磁閥。
3.如權(quán)利要求1所述的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，其特征在于，所述控制裝置為計(jì)算機(jī)，所述顯示裝置為屏幕。
4.如權(quán)利要求1所述的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，其特征在于，所述風(fēng)速發(fā)生器為風(fēng)扇。
5.一種使用權(quán)利要求1所述的設(shè)備的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的方法，包括以下步驟所述控制裝置接收開(kāi)始信號(hào)，初始化所述控制裝置、所述顯示裝置和所述機(jī)械裝置；所述數(shù)據(jù)采集裝置采集當(dāng)前自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，并發(fā)送到所述控制裝置；所述控制裝置建立自行車運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，將接收到的所述當(dāng)前自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)輸入到所述自行車運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行計(jì)算；所述控制裝置將所述計(jì)算結(jié)果輸出到所述機(jī)械裝置、所述顯示裝置和所述風(fēng)速發(fā)生器；所述機(jī)械裝置、所述顯示裝置和所述風(fēng)速發(fā)生器按照接收到的結(jié)果進(jìn)行操作；如果所述控制裝置接收到結(jié)束信號(hào)，就停止，否則回到所述采集步驟。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集裝置采集的當(dāng)前自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)包括采集自所述踏腳的當(dāng)前速度信號(hào)、采集自所述車把的當(dāng)前方向信號(hào)和當(dāng)前剎車力信號(hào)、采集自所述車架的當(dāng)前傾斜度信號(hào)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述自行車運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，假設(shè)自行車運(yùn)動(dòng)在一預(yù)定的路線上，該路線上每一處的阻力狀況、風(fēng)速、路面傾斜度和路面狀況都是預(yù)先設(shè)定的；根據(jù)所述當(dāng)前速度信號(hào)和當(dāng)前方向信號(hào)計(jì)算出所述自行車在所述預(yù)定路線上的當(dāng)前位置；比較所述自行車當(dāng)前的參數(shù)和所述預(yù)定路線上該位置的預(yù)定參數(shù)值，計(jì)算它們之間的差值；將差值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輸出信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述參數(shù)通過(guò)以下公式計(jì)算，公式中字母定義如下L自行車的車長(zhǎng)；l座椅到車尾的距離；s在給定時(shí)間Δt內(nèi)自行車的行程為；K自行車的轉(zhuǎn)動(dòng)比；d路面“溝”間距；h0自行車的前一地點(diǎn)的高度；h1此時(shí)的高度為；h2下個(gè)地點(diǎn)的高度；(x0，y0)自行車前一地點(diǎn)的坐標(biāo)；(x1，y1)此時(shí)的地點(diǎn)坐標(biāo)；(x2，y2)下個(gè)地點(diǎn)的坐標(biāo)；v0自行車此時(shí)的速度；v1下個(gè)地點(diǎn)的速度；θ0自行車行駛的方向和正東方的夾角；θ1下一個(gè)地點(diǎn)自行車行駛的方向和正東方的夾角；φ前輪和運(yùn)動(dòng)方向的偏角；f1和f2前后輪的剎車力分別；ks鋼圈和剎車皮之間的磨擦系數(shù)；坡度角計(jì)算公式α=tg-1(h1-h0(x0-x1)2+(y0-y1)2);]]>速度計(jì)算公式當(dāng)sΔt≥v0]]>時(shí)腳蹬的速度大于自行車的速度所以，腳蹬的力加到自行車上了，此時(shí)v1=sΔt.]]>當(dāng)sΔt<v0]]>時(shí)，腳蹬的速度小于自行車的速度所以，腳蹬的力未加到自行車上，解下列微分方程組 所以此時(shí)的自行車真正的行程是微分方程的解s1，記s＝s1，則v1=sΔt;]]>計(jì)算下次地點(diǎn)的位置坐標(biāo) 計(jì)算下次地點(diǎn)的行車方向θ1=θ0+2×tg-1(tg(φ)×lL)]]>腳蹬反饋力的計(jì)算在sΔt≥v0]]>時(shí)為 在sΔt<v0]]>時(shí)為0；車身傾角的計(jì)算tg-1(2×sin(tg-1(tg(φ)×lL))×s(Δt)2×g×1+tg2φ×l2L2)]]>鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量的計(jì)算可以根據(jù)v1-vz×sin(+θ1-θ0)和vz×cos(+θ1-θ0)的值來(lái)確定順車子的方向和垂直車子方向的風(fēng)量；剎車沖擊開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟根據(jù)是否有剎車力存在及系統(tǒng)加速度 的大小來(lái)決定；在有“溝”的路面上彈跳頻率為v1/d；在有“溝”的路面上向上撞擊的力的計(jì)算m×d×v1×ρ12×R×t,]]>其中t是撞擊力作用的時(shí)間，ρ1，為橡膠輪胎的緩沖系數(shù)；此撞擊將使整個(gè)系統(tǒng)喪失一定的速度，故在撞擊后，系統(tǒng)保留的速度為v1×(1-d24×R2).]]>
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述圖像顯示裝置顯示一預(yù)定路線上的相應(yīng)圖像。
全文摘要
一種模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，包括機(jī)械裝置、底盤(pán)、控制裝置和顯示裝置，還包括風(fēng)速發(fā)生器；機(jī)械裝置除基本自行車部件車架、車把、座椅和踏腳外，還包括數(shù)據(jù)采集裝置、加載裝置、震動(dòng)裝置、俯仰裝置、傾斜裝置、慣性裝置。一種使用上述設(shè)備的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的方法，包括以下步驟控制裝置接收開(kāi)始信號(hào)，進(jìn)行初始化；數(shù)據(jù)采集裝置采集當(dāng)前自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，并發(fā)送到控制裝置；控制裝置建立自行車運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算；控制裝置將計(jì)算結(jié)果輸出；機(jī)械裝置、顯示裝置和風(fēng)速發(fā)生器按照接收到的結(jié)果進(jìn)行操作；收到結(jié)束信號(hào)，就停止，否則重復(fù)上述步驟。本發(fā)明的模擬自行車運(yùn)動(dòng)的設(shè)備和方法能在虛擬的路面上模擬各種姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息，從而達(dá)到身臨其境的感覺(jué)。
文檔編號(hào)A63B24/00GK1611279SQ20031010829
公開(kāi)日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2003年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者胡學(xué)增, 梁兆正, 許永順, 吳為昊, 聶承國(guó), 肖建敏 申請(qǐng)人:上?？萍拣^