一种基于自适应随动跑步机的实时交互系统及方法与流程

本发明涉及一种实时通讯交互领域，具体涉及一种基于自适应随动跑步机的实时交互系统及方法。

背景技术：

现有的跑步机系统只能提供设定速度跑步功能，提供一定的影音功能以增加跑步趣味，除了健身房跑步机因为多人同时跑步能够创造一定的气氛，而家用的跑步机因为功能单一，很多家庭购入后除非用户毅力坚定大都处于闲置状态。

此外，现有的跑步机的速度控制方式主要通过按键或按钮，预先设定好速度，然后用户根据这个速度在跑步机上进行运动，如果想要改变速度，也必须通过按键或按钮来调节。这种被动的运动方式存在使用不便，反应迟缓的问题。也有厂商研发出了通过无刷电机采用检测电机电流和测量体重的方法得到当前大致的跑步速度,但这种方法因为是间接式测量，中间干扰因素多，因而误差也比较大；而粗糙的速度控制会带来一定的安全隐患。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中跑步机系统功能单一，缺乏实时交互性，使用不便，反应迟缓，控制误差大、存在安全隐患的技术问题，提出了一种基于自适应随动跑步机的实时交互系统及方法。

本发明一方面提供了一种基于自适应随动跑步机的实时交互系统，所述系统包括实时监控装置，系统控制模块、调速装置、输入模块、显示装置及无线通讯模块；

实时监控装置测量固定在跑步者小腿上的信标的运动轨迹，并计算出跑步者在跑步机上当前的运动速度和运动趋势，并将其发送给系统控制模块；

系统控制模块基于接收到的跑步者的当前速度控制调速装置实时调整跑步机的速度与跑步者的速度同步；

显示装置与系统控制模块通讯连接，用于显示系统控制模块发送的跑步者当前跑步速度信息，并根据此速度回放预先储存的赛道风景画面；

同时系统控制模块还通过无线通讯模块连接到互联网，发送本机跑步者速度和当前位置信息并得到其他在线跑步者的速度和当前位置信息，在显示装置上显示其他在线跑步者的速度和虚拟赛道上的位置信息，实现用户间实时通讯交互。

进一步，所述实时监控装置包括设置在跑步机一侧具有一定间距的两个信号接收模块、固定在跑步者小腿上的信号发射模块、信号处理模块；信号发射模块用于发射电磁波信号，两个信号接收模块均用于对信号发射模块发射的信号进行检测，并将测量得到的信号发送给信号处理模块，所述信号处理模块计算出跑步者小腿的运动速度及运动趋势，并将跑步者当前运动信息发送给系统控制模块。

进一步，信号处理模块计算出跑步者小腿的运动速度具体包括：

两个信号接收模块将接收到的信号发送至信号处理模块，

信号处理模块对信号幅度进行采集并储存，分析信号幅度曲线的变化，计算出信号发射模块经过其中一个信号接收模块信号接收范围的第一时间；同理计算出信号发射模块经过另一个信号接收模块信号接收范围的第二时间；将两个信号接收模块之间的间距除以第一时间与第二时间的时间差，获得用户小腿的运动速度。

进一步，信号发射模块为信号发生器，信号接收单元为天线。

进一步，所述调速装置为无刷无级调速电机，所述系统控制模块采用arm7处理器，所述显示装置采用电视或显示器，所述无线通讯模块采用wifi通讯模块。

本发明另一方面还提供了一种基于自适应随动跑步机的实时交互方法，所述方法包括：

通过实时监控装置测量固定在跑步者小腿上的信标的运动轨迹，并计算出跑步者在跑步机上当前的运动速度和运动趋势，并将其发送给系统控制模块；

系统控制模块基于接收到的跑步者的当前速度控制调速装置实时调整跑步机的速度与跑步者的速度同步；

将显示装置与系统控制模块通讯连接，显示装置用于显示系统控制模块发送的跑步者当前跑步速度信息，并根据此速度回放预先储存的赛道风景画面；

系统控制模块还通过无线通讯模块连接到互联网，发送本机跑步者速度和当前位置信息并得到其他在线跑步者的速度和当前位置信息，在显示装置上显示其他在线跑步者的速度和虚拟赛道上的位置信息，实现用户间实时通讯交互。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过在线用户的多人实时互动，在线竞赛，大幅度的增加了跑步机运动的参与性，同时用户在跑步机上随意跑动时，跑步机即时响应其速度，以始终与跑步者同步的速度运转，使跑步者感觉在一条自然跑道上跑步，提高了跑步者的舒适性；且避免用户采用固定速度带来的膝盖损伤。

本发明采用交变电磁场位移幅度分析方式及相关支持硬件对跑步者腿部信标的速度和运动趋势进行计算，从而获得跑步者跑步速度和趋势的实时(ms级)数据对跑步机无刷电机进行实时速度调整，实现与跑步者完全同步的跑步速度，实现了本装置使用方便，反应速度较快，能够准确且实时调节跑步者和跑步机速度的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本系统结构框图；

图2为实时监控装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种基于自适应随动跑步机的实时交互系统，所述系统包括实时监控装置，系统控制模块、调速装置、输入模块、显示装置及无线通讯模块。

该系统通过实时监控装置捕捉跑步者步速(该技术采用一定间距的天线，测量固定在跑步者小腿上的信标的运动轨迹，从而计算出跑步者的速度和运动趋势)，通过内部系统总线将数据发送给系统控制模块，系统控制模块控制调速装置将跑步机转速调整到与跑步者同步；同时系统控制模块将速度信息通过系统总线发送给显示装置的处理器，显示装置的处理器根据此速度回放预先储存的赛道风景画面；同时系统控制模块通过无线通讯模块与网络通讯，得到参与联网的其它用户的速度和当前位置信息，同时发送本机跑步者的速度和当前位置信息(当前位置信息根据跑步者起跑设置点和跑步瞬时速度和跑步时间的积分算出跑步的距离，虚拟场景中的赛道虽然看上去是3d的有弯曲的，但跑步者在程序里只是用一个数字在直线上来定位的，这个数字就是计算得到的跑步者位置，或者说虚拟场景的切换只是根据跑步者跑的距离来切换的，没有方向等其他信息的存在)，根据其得到的得到参与联网的其它用户的速度和当前位置信息显示其它跑友的速度和虚拟赛道上的位置信息。由于跑步机不再以设定速度运行，每个参与者的体能区分度导致参与者与实际比赛几乎完全一致。

通过本申请的实时交互系统，跑步者操作输入界面，进入系统提供的某个虚拟环境程序，在虚拟环境中跑步者可以与网络上的其他跑步者进行比赛或者语音互动，显示器(也可以是vr头盔或电视)显示在选定的虚拟环境中随着跑步者速度变化的场景以及其他跑步者的动画形象，整个互动过程中跑步者可以与其他跑步者即时语音交流，且可以进行跑步竞赛或其他实时互动，该系统大大增加了跑步运动的参与性和实时交互性。

实时监控装置采用一定间距(5-50cm不等)的天线，测量固定在跑步者小腿上的(天线位于跑步机侧面的同一侧，且两个天线之间具有一定间距、距离跑步机侧面的距离相等；且根据设计，信标必须固定在小腿上，因为系统是以小腿的运动轨迹来分析跑步的步速信息的)信标的运动轨迹，然后采用交变电磁场位移幅度分析法计算出跑步者的速度和运动趋势。如图2所示，a1，a2为天线，c为单片机处理器，e为固定在跑步者小腿上的信号发生器。交变电磁场位移幅度分析法具体计算过程如下：

e发射一定强度的电磁波信号,随着跑步者小腿的运动，e以一定的速度掠过a1和a2的附近，a1和a2将接收到的电磁信号放大后发送给c，c对该信号进行采集和幅度分析，从幅度变化的趋势当中,可以计算出e掠过a1和a2正前方的时间，以一个跑步周期为例具体计算过程如下，e随小腿从后往前迈步的过程中，首先接近a1，a1接收到的信号逐渐变大，c按照每隔1ms(或更短)的时间间隔对信号幅度进行采集并储存，分析该幅度曲线的变化，当e到达a1正面垂直面时，根据场分布规律，此时a1收到最强的信号幅度，接下来e继续往前移动，a1接收到的幅度越来越小，此时c根据最大点出现的时间，标记出e经过a1的时间t1，同样道理，当e到达a2时,可以测出到达时间t2，那么小腿的运动速度v＝t1-t2/d(d为a2，a1的间隔)，此时小腿仍在往前运动，测量过程在一个跑步周期之内已经结束，为电动机提供了落地前的跑步速度信息。运动趋势是基于测量过程中的数据记录得出的跑步者的速度的变化趋势，加速度大小、方向。

从而计算出跑步者腿部的运动速度(计算过程以ms为单位,在计算时间内人体的实际位置变化在1cm以内，不影响电机的响应)，然后c将速度信息传送给系统控制器，实时调节跑步机的速度与跑步者的速度匹配，整个过程在跑步者双腿腾空过程内完成，跑步者感觉不到跑步机的速度变化。

本发明采用交变电磁场位移幅度分析方式及相关监控装置实时测量、计算得到跑步者的实时运动速度和运动趋势，并实时调节跑步机的电机速度，在跑步者双脚腾空的时间内，计算并调整跑步机的实时速度，使得跑步者产生随心所欲的跑在一个跑道上的错觉，极大的改善了跑步体验，同时也避免了跑步者强制同步跑步速度带来的膝关节伤害。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。