一种健身车模拟路线骑行的方法和健身车系统与流程

本发明属于健身器材技术领域，具体地涉及一种健身车模拟路线骑行的方法和健身车系统。

背景技术：

随着社会的发展和生活水平的提高，人们的健康意识也越来越强，越来越多的人喜欢使用健身器材进行健身。健身车属于典型的模拟户外运动的有氧健身器材，也被称为心肺训练器材，主要是通过身体较长时间，适当强度的运动来促进心血管的运动，加快新陈代谢，增强心脏和肺部功能，从而改善人体的体质。健身车在健身俱乐部、社区活动中心成为非常受欢迎的健身形式，并越来越多地进入寻常百姓家。

为了提高用户骑行效果和体验感，现在有一些健身车设有模拟路线骑行功能，可以模拟实际骑行感觉。但我们知道骑行时由于空气阻力的影响，在加速的过程，速度越来越高，阻力也越来越大，它们之间的方程t人＝func(θ，t，v(其中t人是人在脚踏上的扭力，θ是坡的角度，t是时间，v是虚拟车辆行进的速度)是一个微分方程，现有的模拟方法为了使模拟精确度高，都是进行求解微分方程来进行计算模拟，而在工程实现中求解微分方程计算量比较大，需要性能较好的处理设备，导致成本高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种健身车模拟路线骑行的方法和健身车系统用以解决上述存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种健身车模拟路线骑行的方法，包括如下步骤：

步骤s1，根据用户、虚拟车辆以及虚拟车辆当前位置所对应的骑行路线的相关信息，计算出相对应的健身车的扭力t健身车；进入步骤s2；

步骤s2，控制健身车的阻力发生装置在t0时间内输出对应于扭力t健身车的阻力，用户踩踏该健身车的脚踏骑行该健身车，进入步骤s3，其中，t0小于100ms；

步骤s3，间隔t1时间后，检测用户骑车的功率p人，根据功率p人计算t1时间内的骑行距离s骑行，根据骑行距离s骑行更新虚拟车辆在骑行路线上的当前位置，若骑行未结束，则返回步骤s1；否则结束模拟；其中，t0<t1<200ms。

进一步的，所述步骤s2中，t0小于50ms；所述步骤s3，t0<t1<100ms。

进一步的，所述健身车的阻力发生装置采用永磁同步电机和具有foc控制的电机控制板来实现。

进一步的，所述步骤s2中，健身车的扭力t健身车的计算公式如下

其中，t人为人在健身车脚踏上的扭力，c速比为健身车大盘与飞轮的速比，r为虚拟车辆的车轮半径，c齿比为虚拟车辆大盘与飞轮的齿比，η为虚拟车辆的传动效率，f阻力为骑行时受到的总阻力。

进一步的，所述步骤s3中，根据功率p人计算t1时间内的骑行距离s骑行采用如下公式进行计算

s骑行＝v骑行*t1

其中，v骑行为虚拟车辆在t1时间内的平均行进速度，η为虚拟车的传动效率，f阻力为骑行时受到的总阻力，f重力为骑行时受到的重力，f摩擦力为骑行时受到的摩擦力，f风阻为骑行时受到的风阻力。

进一步的，所述骑行路线包括实际骑行路线或虚拟骑行路线。

进一步的，所述步骤s1中，用户的相关信息包括用户的身高和体重信息，虚拟车辆的相关信息包括车辆重量、大盘与飞轮的齿比和车轮半径信息，虚拟车辆当前位置所对应的骑行路线的相关信息包括天气、地理位置和路面信息。

进一步的，所述步骤s3还包括将骑行过程中的相关信息进行显示，所述相关信息包括骑行路线、虚拟车辆在骑行路线上的当前位置、虚拟车辆的车速和骑行功率信息。

本发明还提供了一种健身车系统，采用上述的健身车模拟路线骑行的方法进行模拟路线骑行。

进一步的，所述健身车的阻力发生装置采用永磁同步电机和具有foc控制的电机控制板来实现。

本发明的有益技术效果：

本发明在模拟路线骑行过程中无需进行求解微分方程，计算简单，对处理设备的性能要求较低，成本低，且通过对时间t0和t1进行合理选择，又保留了足够的模拟精确度，满足用户的体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例的方法流程图；

图2为本发明的一种健身车系统结构示意图；

图3为本发明的另一种健身车系统结构示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，一种健身车模拟路线骑行的方法，包括如下步骤：

步骤s1，根据用户、虚拟车辆以及虚拟车辆当前位置所对应的骑行路线的相关信息，计算出相对应的健身车的扭力t健身车；进入步骤s2。

本具体实施例中，采用主机(如智能手机、计算机等)根据用户、虚拟车辆以及虚拟车辆当前位置所对应的骑行路线的相关信息，计算出相对应的健身车的扭力t健身车(也即健身车的阻力发生装置输出的阻力)。

本具体实施例中，用户的相关信息包括身高和体重信息，可以估算出骑行中的迎风面积；虚拟车辆的相关信息包括车辆重量、大盘与飞轮的齿比和车轮半径，但并不限于此，在其它实施例中，还可以根据实际需要包含其它相关信息。

用户和虚拟车辆的相关信息可以通过输入设备如触摸屏、键盘等输入给主机。

本具体实施例中，虚拟车辆当前位置所对应的骑行路线的相关信息包括天气、地理位置和路面信息。具体的，路线骑行可以是实际路线骑行或虚拟路线骑行，如果是实际路线骑行，主机可以根据路线的地理位置信息，通过网络上的天气服务网站(例如：中国天气网)接口获取当地天气信息，主要是风向、风速信息；通过网络上的地图服务网站(例如：高德地图、百度地图)获取路线上各位置点的经度、纬度、高度(海拔)信息。同时，根据地理信息，也可获取对应路面信息(如：混泥土路面、沥青路面、砂石路面、冰路面等)，从而得出滚动摩擦系数。

如果是虚拟路线骑行，则由主机根据当前的虚拟地图，取得相应的天气、地理位置和路面信息。

本具体实施例中，计算出相对应的健身车的扭力t健身车具体过程如下：

假设a、b是骑行路线上两点，其经纬度和海拔分别是：a(lat1，lon1，h1)和b(lat2，lon2，h2)，则a、b两点的水平距离l的计算公式为：

其中：r1为地球半径，可取平均值6371km。

那么，坡度角上坡时为正，下坡时为负，平路时为0。

根据天气情况，确认风向风速的影响，即与骑行方向的相对风速v，逆风时为正，顺风时为负。

骑行时，人会受到空气阻力的影响，即风阻力，其计算公式为：

其中：c为空气阻力系数；ρ为空气密度；s为用户的迎风面积；v为骑行速度。

在路面上骑行，平路时，会受到摩擦力的阻碍；上坡时，需要克服重力和摩擦力；下坡里，重力会提供前进的动力，则重力f重力和摩擦力f摩擦力的计算公式可以统一为：

f重力＝w*g*sinθ

f摩擦力＝w*g*μ*cosθ

其中：w为人+虚拟车辆的重量；g为重力加速度；μ为滚动摩擦系数。

人在骑行时，受到的总阻力f阻力为：

f阻力＝f重力+f摩擦力+f风阻

人在健身车脚踏上的扭力t人(等于人在虚拟车脚踏上的扭力)为：

其中，l曲柄为健身车曲柄的长度；r为虚拟车的车轮半径；c齿比为虚拟车大盘与飞轮的齿比；η为虚拟车的传动效率。

则健身车的扭力t健身车为：

t人＝t健身车*c速比

其中，c速比为健身车大盘与飞轮的速比。

当然，在其它实施例中，根据实际选择的参数的不同，健身车的扭力t健身车的公式表达形式也会相应有所不同。

步骤s2，控制健身车的阻力发生装置在t0时间内输出对应于扭力t健身车的阻力，用户踩踏该健身车的脚踏骑行该健身车，进入步骤s3，其中，t0小于100ms。

具体的，设定t0小于100ms，使得模拟的精确度较高，能够满足用户的体验，优选的，t0小于50ms，使得模拟的精确度更高。

本具体实施例中，所述健身车的阻力发生装置采用永磁同步电机和具有foc控制的电机控制板来实现。电机控制板根据foc控制算法的理论，在恒扭力闭环控制下，无论当前的转速如何，在pid的调节下，都可以在50ms内达到所需的扭力值，即达到实时、精确的阻力输出。但并不以此为限，在其它实施例中，也可以采用其它阻力发生装置，主要能满足t0小于100ms即可。

步骤s3，间隔t1时间后，检测用户骑车的功率p人，根据功率p人计算t1时间内的骑行距离s骑行，根据骑行距离s骑行更新虚拟车辆在骑行路线上的当前位置，若骑行未结束，则返回步骤s1；否则结束模拟；其中，t0<t1<200ms。

本具体实施例中，根据功率p人计算t1时间内的骑行距离s骑行具体方法如下：

首先根据下面的公式计算出虚拟车辆在t1时间内的平均行进速度v骑行：

然后通过公式s骑行＝v骑行*t1，即可计算出t1时间内的骑行距离s。

而根据能量守恒的定理，可以知道人骑车的功率p人，即是健身车上的永磁同步电机的功率，由此，通过检测健身车上的永磁同步电机的功率即可计算出t1时间内的骑行距离s骑行，易于实现。

本具体实施例中，健身车上的永磁同步电机的功率可以直接由电机控制板检测得出，具体可以参考现有技术，此不再细说。当然，在阻力发生装置不是采用电机的其它实施例中，也可以通过检测踏频来计算出人骑车的功率p人，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。

本具体实施例中，所述步骤s3还包括将骑行过程中的相关信息进行显示，所述相关信息包括骑行路线、虚拟车辆在骑行路线上的当前位置、虚拟车辆的车速和骑行功率信息。可以采用显示屏、触摸屏等显示设备进行显示，显示设备与主机通信连接。

本发明还提供了一种健身车系统，采用上述的健身车模拟路线骑行的方法进行模拟路线骑行。

优选的，本实施例中，健身车的阻力发生装置采用永磁同步电机和具有foc控制的电机控制板来实现，电机控制板根据foc控制算法的理论，在恒扭力闭环控制下，无论当前的转速如何，在pid的调节下，都可以在50ms内达到所需的扭力值，即达到实时、精确的阻力输出，从而使模拟精度较高，满足用户的体验。

图2和3给出了两种健身车系统的具体结构，其中图2的主机和显示器采用ipad来实现，图3的主机和显示器采用电视盒子和智能电视来实现。

本发明在模拟过程中无需进行求解微分方程，计算简单，对处理设备的性能要求较低，成本低，且通过对时间t0和t1进行合理选择，又保留了足够的模拟精确度，满足用户的体验。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。