自行车仿真器的设计与实现

自行车仿真器的设计与实现DesignandImplementationofBicycleSimulator吴甄吴家麒余慎思袁政鹏陈金波(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072摘要:基于虚拟现实技术的交互式自行车运动仿真系统,是集机械、计算机与单片机等技术为一体,提供了一种新型的交互式健身娱乐工具。从该系统的总体结构人手,详细地介绍了各个组成部分的内容、功能及相关关键技术,并最终实现了参与者在由计算机构造的三维虚拟场景中获得如同在真实环境中骑车的体验。关键词:虚拟现实交互式仿真系统Abstract:Avirtualreality(VR-basedinteractivemotionsimulationsystem,isanewtypeinteractiveexercise-entertainmenttoolwhichisconstructedthroughmechanics,computerandmicrochiptechnologiesetc.ThispaperproposesthecoHectivestructureofthesystem,andintroducesindetailthecontentandthefunctionofeachpart,alsotherelativekeytechnologies.Travelingina3Dvirtualenvironment,theparticipatorcanexperiencethefeelingoftidingonbicycleinarealworld.Keywords.'virtualrealityinteractivesimulatorsystemO引育目前国内外已经开发出汽车、飞机、船舶、坦克等多种运动模拟器.这些模拟器被广泛应用于产品设计中的测试、驾驶培训以及娱乐等领域。与用实物进行真实实验相比,采用基于虚拟现实技术的运动模拟器具有经济、安全、不受地理和气侯条件的限制以及重复性好等优点【l】。近年来.国外很多大学已经开始着力于自行车模拟器的研究,希望将其广泛应用于娱乐、健身、运动员训练等领域回。新加坡南洋理理工大学开发的自行车模拟器采用六自由度的Stewart平台作为运动执行机构.对自行车的结构进行了改变。并引入了力反馈系统埘。韩国科学技术院(KAIST的自行车模拟器实现了多自由度的反馈平台.采用了六自由度Stewart平台把体感反馈给操作者。实现沉浸感。国外模拟器的共同特点就是造价昂贵。控制系统复杂。适用范围窄等缺点。针对这些不足以及人们日益增长的健身娱乐需求和市场的空白。我们开发了一套交互式自行车仿真系统。主要面向普通家庭,以及健身休闲中心、主题公园等,使骑车者作者简介:吴甄硕士研究生。研究方向为机电工程。昊家麒教授。研究方向为计算机图形学。能体会到自行车在不同场所中的各种不同的新奇感觉.以满足普通大众的健身娱乐需求。本文主要是从系统的组成人手,概括性地介绍交互式自行车仿真系统的设计与实现。此系统可用于健身器材、游戏娱乐和主题公园等.具有很大的自主知识产权的产业前景。1系统组成系统总体功能是对骑车的实际感觉进行模拟.让参与者得到真实体验。为了使参与者得到真实的视觉体验和足够的沉浸感.视觉场景必须对参与者的各种控制动作有实时的响应,包括速度上的变化、方向上的变化和上下坡的视点变化等。而环境将通过车或其他装置给参与者一种真实感觉。如视觉效果、上下坡、冲撞、颠簸、惯性、风阻等。为了达到上述的主要效果以及开发此系统的根本目的。我们对系统进行了简化。使其能在保留主要感觉的同时也能达到普及推广的可能。系统的组成框图见图1。当参与者骑在自行车上运动时.自行车的速度、转向、倾斜等数据通过传感器实时采集.然后经由单片机控制电路传送到2008.09i机电一体化63万方数据ljijijI|::ljIl脚lAcademic・Papersiiiliili-iiiI一…~——~——~——一……一……—・…一…一……………’+IiIiiiiiiiiiiiiiiiiiIiiiiii・i-iiiii图1系统总框图上位机中.经过分析处理,使其在屏幕的虚拟场景得到仿真和展示:同时。当屏幕中的场景变化(如位移的改变、路况的变化等时,可以通过软件反馈到自行车的控制部分,产生阻尼,驱动力.使参与者有上述场景改变的感觉。从而获得良好的沉浸感。整个虚拟现实系统分为机械部分、控制部分和视景部分。2机械结构的分析与实现有别于现在的自行车模拟器.此系统装置以前后轮分体支撑结构取代流行的六自由度Stewart机构和整体式运动装置.达到了简化机构、缩小体积、降低成本目标。同样也能实现自行车运动中主要的感官体验.使骑车者同样能够在室内感受到在野外运动的乐趣。因此,确定选择系统机械结构方案的原则是:・能够传递自行车运动的主要运动参数:・能够实现自行车运动中的主要感官体验:・结构简单,装拆容易.便于维修;・价格低廉.便于推广。就机械部分来说.将机械部分分为前轮支撑与后轮支撑两个部分,分别安装固定在支架上。各自起着不同作用。共同将骑车过程中的各种运动信息变量传递给控制部分。64机电一体化I2008.092.1前轮部分在运动仿真过程中。自行车前轮是不转动的,因此只需实现两个作用:一是支撑前轮。二是传递方向信息。前轮部分最为重要的部件为前轮底盘,它主要由转盘1、可调节脚坐2、万向球3和电位器4等零部件组成,其中最为关键的电位器4的安装(见图2中的A。运动转角由前轮测量.前轮轮胎通过车轮嵌槽6将之定位。套抵巍1一转盘;扣底盘;3一万向球;4-角度传感嚣;5-可调节支承底座:6-车轮嵌槽豳2前轮视圈3.2后轮部分在运动仿真过程中。后轮的转动、倾斜将由骑车者来控制。后轮部分应解决的问题一是支撑后轮的重力,二是提供侧向防倾覆力。兰是传递后轮的转速,四是根据道路情况施加阻力(见图31l念11一可调支撑座;12一纵向杆;13一安蓑板;14一链轮l;15一链轮2o16一横向杆;17一转轴I;18一下饺链支架;19—警抽2;20一轴承座o2l一上铰链支架;22一弹性支撑;23一链条;24_麓粉阻尼暑圈3后轮视图支架选择的是不锈钢方管为支架材质,纵向、横向通过螺栓连接固定成矩形。其上安装各部件,利用可调节脚坐使自行车保持水平。后轮左右各有一个弹簧支撑.主要是让骑车者自主实现倾万方数据--i-iiiiiiiii-iii-iiiiiiiiiiiiiii-・-_iiii・-iiiiiiAcademic・Papersl叠叠匕圈_圆斜的功能:其次设定了允许的最大倾斜度,旨在防止骑车者在运动中左右偏摆过大而使整个机械部份倾覆。速度的测量采用霍尔元件传感器.将若干磁钢均匀安装在后轮的轮毂上。把传感器安装在靠近后轮的支架上.在转动中能相切割的伺时并保持一定的间距以防相碰。当车轮转动时霍尔元件就可以采集到车轮的转速。后轮的定位是通过两根轴来实现的.轴上有轴肩限制后轮轮胎的位置。通过轴承座固定在不锈钢方管支架上。骑车者脚踩踏板使车轮转动。后轮又带动后轮的后轴转动。通过链传动。与磁粉离合器相连接。其中,磁粉离合器通过安装板固定在支架上。产生被动力矩,安装板同时又能起到防止支架变形。3控制部分硬件开发平台我们采用了单片机控制系统.该控制系统不仅负责各种传感器数据的采集与传输.同时还负责与上位机的通信。将上位机传输过来的虚拟场景中的复杂地形数据转化为控制信号来控制磁粉离合器,从而模拟自行车上、下坡时的阻力和动力。考虑到系统的实时性要求较高.本文中的控制器的核心芯片采用SiliconLaboratories公司出品的完全集成的混合信号系统级芯片(SOCC8051F330D单片机。此芯片具有模/数转换器、数,模转换器、比较器以及较多的I/O口。为以后的进一步开发扩展提供了广阔的空间。3.1传感器数据的实时采集此系统中使用到的传感器有霍尔元件、电位器。我们用霍尔元件测速。用电位器测量车轮的转角。这两个传感器获得的数据主要体现在虚拟场景中自行车的实时位置.即速度数据体现自行车相对于某一参考点的瞬时位置.而角度数据用来控制场景中的视线方向,标定自行车前轮的原始位置;因此,这两组数据是不可或缺的。用橡皮管替代联轴器连接龙头的转轴和电位器的轴.因此其龙头方向的改变就会改变电位器的阻值.通过单片机的ADC0转换器来采集其角度的变化值。其电路原理图见图5。3.2阻尼控制系统圈4霍尔元件接口电路图5电位器接口电路此系统主要是模拟真实的脚踏阻力.是基于参与者骑车过程中的加速、减速、刹车、上下坡情况的变化而实时改变脚踏板的阻尼力.从而达到模拟现实场景效果。在自行车的后轮接触的滚轴上通过链传动安装一个磁粉离合器。此磁粉离合器自带有一个程控器。根据虚拟场景中不同的地形.通过串121通信将地形数据从上位机传输给磁粉离合器的控制器.从而模拟真实路况。体验真实的感觉。一般PC机上只配有1个串口.所以需要配置2个串口的机子.或者通过USB转串口技术来实现。另外一种方法就是将上位机的数据通过控制电路的串121来实现.因此数据要双向传输.需将其串口设置为一个全双工的方式。3.3串口通信的硬件电路单片机串口输入输出电平为1’IL电平.而计算机串121符合RS232C串行总线标准.采用的是负逻辑。逻辑“1”为一5一一15V。逻辑“O”为+5.+15V。这两种电平是不一样的,因此不能直接连在一起。在本设计中,通过电平转换芯片MAX232来转换这两种电平四。电路原理图见图6。4视频播放部分设计软件设计对该虚拟现实仿真系统的开发至关重要嘲。软件设计过程中.不但要实现系统的基本功能,还要综合考虑系统运行的稳定性、可靠性、高效性和实时性。在软件设计过程中,拟采用面向对象模块化的设计原则.以VisualC++作为开发环境控制函数。不同类型的对象模拟和数据接IZl分别由不同的模块封装.这使得该系统具有很强的开放性和重用性,更便于今后进行功能扩展和系统维护。考虑到系统中图像的生成同时还要进行实时的数字信号输入输出等工作.为保证系统可靠稳200809l机电一体化65万方数据暖蕾圜■匿翻lAcademic・Papers—Jl106坐ClO10u.F106:C15joM.Fvcc凹GND悭TlUTll4RIlN也R10UTTlIN106C2T21N0TXDoutR20UT巨旦盟坚MAX232c咒圈6审行通信电路定,采用多线程的程序设计方法。对运动和控制的计算、控制数据接收传输、三维动画的播放等分别用独立的线程来管理:这不但可以保证系统运行的速度及可靠性.还提高了计算机资源的利用率。其视频播放部分的软件框图见图7.具体的软件部分可细分为以下几个模块:・场景参数获取模块:获取实时场景信息:・传感器信号采集模块:获取传感器获得的信号:・自行车数学模型计算模块:计算全部输入、输出以及中间变量之间的关系:・场景播放软件控制模块:控制屏幕的显示:・控制信号发送模块:向执行机构发送控制信号。5三维场景的构建与实现虚拟环境中运动模型的实时仿真是虚拟环境的重要研究内容之一,其仿真可信度直接影响虚拟环境的沉浸感、交互性和想象力。虚拟环境中的运动模型建模既要满足一定的仿真可信度,能真实模拟其物理运动特征。满足用户沉浸感的需要.又A一前轮部分;B一后轮部分;C一白行车;D—立卅嚣;E-主机;Fl一洲速蓑1;F2一电位嚣蓑王;G-阻尼器;H一显示嚣:I-音响圈8系统效果圈66机电一体化l200809圈7视频播放软件框图不能过于复杂,要满足实时的交互性。视景的建模采用国际上流行的3DSMAX软件作为开发工具。整个虚拟场景包括道路、山坡、树木、石块、小桥流水和房屋凉亭等乡村自然景色的建模.崎岖的路径和多样化的路况景观可以让用户在漫游过程中充分体验到运动的刺激性和健身的娱乐性。为了加强逼真度和增强逼真感.其场景根据实际的航拍数据得到.经过模型简化后加入场景中。为了增加其娱乐性,同时也可以在场景中加入一定的交互对象.这样可以动静相结合,给用户身临其境的感受。在用户参与的过程中.屏幕上所显示的图像是视景模型根据自行车所在具体位置和具体姿势实时生成的.这一过程通过三维图形漫游软件Eon[娜来实现。控制系统把用户所在位置的坐标及视点信息通过接口传人该软件.它就会自动生成并渲染当前的画面;同时,漫游软件把场景的信息传给控制系统,这样控制系统可以计算出动作仿真系统需要做出的动作。图8是自行车运动仿真模拟器的效果图.图9是运行中的三维场景播放画面。圈9三雏场曩播放画面++一+一一0肌=妻叭m阱珏协~咖易霖叶|旦万方数据_II—Academic-Papersl誓盈跬l圆6结束语运用虚拟现实技术.单片机技术和机电一体化技术相结合.我们设计并实现了基于微机平台的自行车运动仿真健身模拟器,以自行车为交互对象.实现了运行轨迹的计算和运动实时仿真相一致。此系统最大的特点就是结构简单,价格低廉,开发周期短。适用于普通家庭便于普及推广.且具有较大的想象空间,可以扩展一些其他功能,例如与运动相关的健康指数软件相结合.从而达到更好的锻炼效果。参考文献[1]于洪瑞.液压6-DOF并联机器人操作手运动和力控制的研究[M].(上接第配页r/min的稳定工况傲了计算。见图9和图10。结果表明。整流器和铁芯的最高温度约为160-1800C,且实际值高于计算值。一般来说.整流器工作温度不能长时间高于175℃翻.因此若发动机舱内布置不合理。发电机周围的空气温度高于80℃.此发电机有可能被烧毁。Time(I圈92000r/nllin时发电机部件温度田Time.(8圈106000r细lin时发电机部件沮度图4结束语本文对汽车上常用的爪形磁极发电机进行了传热分析研究,并提出了用于计算发电机各部件温度的数学模型。该模型简单有效。其计算结果能够满足工程实际要求。保定:河北大学出版社.2001.[2]陈聪,范秀敏,马登哲.基于虚拟现实的交互式自行车模拟器研究[J].机械,2004。31(5:l_4.[4]姜新迎,冯有前.智能速度里程表设计[J].国外电子元器件,2004(9:7-10.[5]黄镇建.单片机与微机的串行通信[J].韩山师范学院学报,2004(9:53-57.[6]余慎思.基于虚拟现实的机电互动自行车系统设计[D].上海:上海大学.2006.利用该模型对一款常见的发电机进行了计算。分析表明,发电机上各部件的温度随发电机转速的变化趋势各不相同.决定温度变化情况的最主要两个因素是各部件的发热量和部件与周围空气的换热系数。计算结果表明.在车辆开发阶段,对发电机的选择和布置非常重要.否则车辆在运行中会因发电机烧毁而发生故障。参考文献[1]CEUCA