基于虚拟现实眼镜的室内骑行健身系统的制作方法

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实眼镜的室内骑行健身系统。

背景技术：

随着生活节奏的逐渐加快，人们的在业余生活方面也有了更多的需求。同时，随着相关技术的提高和软硬件设备成本的降低，各式各样的娱乐设备越来越多地进入人们的视野。体感游戏作为一种新颖的娱乐方式，越来越多的被各个年龄段的人所接纳。

虚拟现实技术(Virtual Reality)作为近年来出现的高新技术之一，该技术主要通过电脑模拟技术，产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，带给使用者身临其境的体验。

体感游戏作为是电子游戏的类型之一，与传统的电子游戏有较大区别。体感游戏一般并不使用鼠标，键盘等传统的输入外设，取代的是利用功能繁多的输入设备来捕获用户的肢体动作。通过将用户的肢体动作作为游戏的输入信号，从而来达到利用肢体控制游戏的目的。相对普通游戏而言，体感游戏能带给用户更好的代入感。此外，输入方式的改变也使得游戏本身更增添了独特的乐趣。

相比普通的电子游戏而言，体感游戏在一般要求使用者使用全身或身体的一部分来操纵游戏，这一特点使得体感游戏与个人健身塑形有密不可分的联系。作为一个辅助用户运动，促进用户锻炼的新型方式，体感游戏将运动健身融合在有趣的游戏内容中。在帮助用户健身的同时，也有助于用户缓解心里压力。因此设计一种娱乐与健身紧密联系的健身系统，对于绿色生活，健康生活，促进锻炼，减压方面具有重大意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于虚拟现实眼镜的室内骑行健身系统，促进用户锻炼的新型方式，将运动健身融合在有趣的游戏内容中。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于虚拟现实眼镜的室内骑行健身系统，包括运动数据采集单元、软件处理单元、无线传输单元和立体显示单元，其中

所述运动数据采集单元包括霍尔传感器、Arduino控制器和无线发送模块，所述霍尔传感器用于采集人体运动数据，所述Arduino控制器不断从霍尔传感器的输出端获取人体运动数据，所述无线发送模块用于将数据发送给无线传输单元；

所述无线传输单元用于将接收到的数据传输给软件处理单元；

所述软件处理单元包括Unity模块，该模块用于虚拟现实场景的搭建，同时根据采集单元的数据进行虚拟场景的逻辑设计；

所述立体显示单元包括虚拟现实眼镜，用于立体显示同步的虚拟场景，且通过自带的陀螺仪检测用户头部的转动。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)本发明的室内骑行健身系统，通过Arduino控制器与霍尔传感结合采集有关运动的数据，Unity软件平台搭建虚拟三维场景，再结合采集的运动数据，控制虚拟现实场景的变化，最终通过虚拟现实眼镜Oculus Rift来同步显示；(2)本发明提出了一种辅助用户运动，促进用户锻炼的新型方式，将运动健身融合在有趣的游戏内容中，改变了传统的室内健身感受，对于促进锻炼、绿色生活以及减压方面具有重要意义；(3)本发明可打包集成于室内骑行健身器材上，具有很高的经济效益前景。

附图说明

图1为本发明基于虚拟现实眼镜的室内骑行健身系统的原理框图。

图2为运动数据采集单元的结构示意图。

图3为Unity虚拟场景的逻辑架构设计原理框图。

具体实施方式

结合图1，一种基于虚拟现实眼镜的室内骑行健身系统，包括运动数据采集单元、软件处理单元、无线传输单元和立体显示单元，其中

所述运动数据采集单元包括霍尔传感器、Arduino控制器和无线发送模块，所述霍尔传感器用于采集人体运动数据，所述Arduino控制器不断从霍尔传感器的输出端获取人体运动数据，所述无线发送模块用于将数据发送给无线传输单元；

所述无线传输单元用于将接收到的数据传输给软件处理单元；

所述软件处理单元包括Unity模块，该模块用于虚拟现实场景的搭建，同时根据采集单元的数据进行虚拟场景的逻辑设计；

所述立体显示单元包括虚拟现实眼镜，用于立体显示同步的虚拟场景，且通过自带的陀螺仪检测用户头部的转动。

进一步的，所述霍尔传感器与磁钢配套使用，用于检测用户运动速度；霍尔传感器安装在用户鞋子的后跟处，磁钢放置在霍尔传感器的正下方所在的有效检测位置；

当霍尔传感器与磁钢相对时，产生脉冲输出给Arduino控制器，通过脉冲数测出用户的运动速度。

进一步的，所述人体运动数据是指用户的运动速度，自行车转速根据脉冲计数进行测量，霍尔传感器输出的脉冲信号频率与自行车转速成正比，脉冲信号与自行车转速有以下关系：

式中，n为自行车转速，P为自行车车轮转动一圈的脉冲数，T为输出方波信号的周期；

根据式(1)计算出自行车的车速，测取左右脚运动的速度，然后取平均值，再把此数据通过无线模块传送给软件处理单元。

进一步的，所述软件处理单元利用Unity的三维引擎和物理引擎进行道路的碰撞检测，与用户的输入共同控制游戏角色运用，且用第一人称人物进行控制。

进一步的，所述虚拟现实场景的搭建过程具体为：拟定三维场景的大概草图，包括整体环境、天气和视野；利用插件TerrainComposer创建地形，并完善场景；将文件拖入Unity3d对应项目的子目录中，完成模型的导入。

进一步的，所述Unity虚拟场景的逻辑架构设计过程为：

用户需要先选择一个终点，终点代表目标位置；

用户从特定的目标起点出发，在到达目标位置之前，平台持续检测用户的动作，如果检测到用户的移动，那么在虚拟场景中，游戏角色也会按照用户的移动方向移动，否则，游戏角色保持不动；

当场景中游戏角色到达终点时，游戏结束，并给出运动时间和用户运动速度的统计量。

进一步的，所述立体显示单元使用视频线复制显示电脑的输出，且能够左右眼分屏查看。

进一步的，所述虚拟现实眼镜采用Oculus Rift。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例

如图1所示，本发明涉及的一种基于虚拟现实眼镜的室内骑行健身系统，包括运动数据采集单元、无线传输单元、软件处理单元和立体显示单元，其中

所述运动数据采集单元包括霍尔传感器、Arduino控制器以及无线模块，所述Arduino控制器不断从霍尔传感器的输出端获取人体运动数据，然后再将数据经过处理后通过无线发送模块发送给无线传输单元；

所述无线传输单元用于将接收到的数据传输给软件处理单元；

所述软件处理单元包括Unity模块，该软件平台用于虚拟现实场景的搭建，同时根据采集单元的数据实现游戏逻辑场景的设计；

所述立体显示单元包括虚拟现实眼镜Oculus Rift，用于立体显示同步的虚拟场景，且通过Oculus Rift自带的陀螺仪可以检测用户头部的转动。

运动数据采集单元如图2所示，所述霍尔传感器需要与磁钢配套使用，用于检测用户运动速度，霍尔传感器安装在用户鞋子的后跟处，磁钢放置在霍尔传感器的正下方所在的有效检测位置，且当霍尔传感器与磁钢相对时，会有脉冲输出给Arduino控制器，因此通过脉冲数可以测出用户的运动速度，通过数据可以判断用户是否开始运动以及可以计算运动速度。例如在利用Arduino实现的运动检测设备里，1和0被用来传递当前用户的双脚的踏步信息，1表示脚在骑行踏板的最低点，0表示脚踏板离开最低点。1和0交替的出现代表用户的跑步动作，而持续的1表示用户的静止。

自行车转速主要根据脉冲计数来进行测量，霍尔元件输出的脉冲信号频率与转速成正比，脉冲信号与转速有以下关系：

式中：n为自行车转速，P为自行车车轮转动一圈的脉冲数，T为输出方波信号的周期，根据式(1)即可计算出自行车的车速，本发明测取左右脚运动的速度，然后取平均值，再把此数据通过发送给软件处理单元。

所述软件处理单元利用Unity的三维引擎和物理引擎实现道路的碰撞检测包括上坡和下坡，在其限制下与用户的输入一起共同控制游戏角色运用，且用第一人称人物实现控制。第一人称人物控制即游戏展示的视角正是在模拟用户真实双眼看到的视角，和第三人称不同，第一人称下用户不可能看到自己控制的角色的后背，因为场景中相机的位置始终绑定在游戏角色眼镜的位置。

所述三维场景的搭建步骤为：

首先，在制作三维场景之前，先拟定三维场景的大概草图，包括整体环境，天气，视野，本平台采取天气晴朗视野相对辽阔的户外绿色山坡作为场景；

然后是创建地形。在Unity提供的Asset Store中购买并下载地形生成插件TerrainComposer，利用该插件用于创建地形。在有了地形之后，进一步加入一些模型完善整个场景，例如可以在场景中路边加入民房，或着加入路人；模型通过使用三维建模软件生成。

最后，在生成了模型文件之后，将文件拖入Unity3d对应项目的子目录中即可完成模型的导入。

所述Unity虚拟场景的逻辑架构设计如图3所述：首先，用户需要先选择一个终点，终点代表目标位置；然后，用户从特定的目标起点出发，在到达目标位置之前，平台持续检测用户的动作，如果检测到用户的移动，那么在虚拟场景中，游戏角色也会按照用户的移动方向移动，否则，游戏角色保持不动；当场景中游戏角色到达终点时，游戏结束，并给出运动时间和用户运动速度统计量。

所述立体显示单元使用HDMI线等视频线来直接复制显示电脑的输出，且能够左右眼分屏查看。

本实施例的室内骑行健身系统的具体实施方式为：运动数据采集单元把采集的用户运动信息通过无线传输单元发送给软件处理单元，利用Unity模块根据运动信息控制三维虚实场景的变化，再通过Oculus Rift立体显示眼镜进行同步显示。