智能體感虛擬現(xiàn)實(shí)交互運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

劉肖佑　田立國　張馳宇　馬悅　林子皓

摘 要：針對(duì)室外騎行運(yùn)動(dòng)安全性不高，且容易受天氣路況的影響，同時(shí)傳統(tǒng)室內(nèi)騎行臺(tái)體驗(yàn)單一，長時(shí)健身會(huì)感到枯燥乏味。文章提出了一種基于體感交互與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的智能交互式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，通過ARM主控系統(tǒng)采集霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、六軸陀螺儀等傳感器上的騎行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與Unity3D搭建的虛擬場景進(jìn)行虛擬交互，從而體驗(yàn)不同場景的虛擬化騎行運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)還加入體征信息采集裝置，用于采集騎行者的心率、脈搏及體溫等生理參數(shù)，更好的指導(dǎo)騎行。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；體感交互；Unity3D

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）03-0037-02

Abstract： In view of low safety in outdoor cycling， vulnerability to the impact of weather conditions， single experience in the traditional indoor cycling platform， long-term fitness leading to boredom， this paper presents an intelligent interactive motion system based on the combination of somatosensory interaction and virtual reality technology. It collects the riding data of Hall rotational speed sensor， six-axis gyroscope and other sensors through the ARM main control system， and sends the data to the host computer system to achieve virtual interaction with the virtual scene built by Unity3D， so as to experience the virtual riding movement of different scenes. On this basis， the system also adds a physical sign information acquisition device， used to collect the heart rate， pulse and body temperature and other physiological parameters of cyclists to better guide the ride.

Keywords： virtual reality； somatosensory interaction； Unity3D

1 概述

近年來騎行運(yùn)動(dòng)在我國發(fā)展迅速，不同年齡段都擁有大批騎行愛好者，與此同時(shí)電子競技也占據(jù)著主流娛樂消費(fèi)市場。本文便將“運(yùn)動(dòng)+娛樂”的理念合二為一，在避免了傳統(tǒng)騎行運(yùn)動(dòng)飽受自然因素和路面干擾的同時(shí)也給電競玩家?guī)砹诉m當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

本系統(tǒng)在一臺(tái)普通單車的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并安裝了騎行時(shí)的速度采集裝置和體感交互設(shè)備，把信號(hào)傳輸給控制芯片進(jìn)行運(yùn)算處理并通過無線傳輸傳遞給電腦端進(jìn)行實(shí)行采集。同時(shí)，為運(yùn)動(dòng)者配置人體運(yùn)動(dòng)體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)單車運(yùn)動(dòng)的同時(shí)獲取自身的心率、脈搏、體溫等參數(shù)在屏幕端顯示，以使運(yùn)動(dòng)者能夠?qū)崟r(shí)了解自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，自我調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，解決了鍛煉者在健身過程中枯燥乏味的問題，增加了動(dòng)感單車運(yùn)動(dòng)的娛樂性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該智能體感虛擬現(xiàn)實(shí)交互運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由體感交互運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、體征采集系統(tǒng)和上位機(jī)虛擬場景構(gòu)成，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 體感交互運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

體感交互運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要采集用戶的騎行踏頻與方向等數(shù)據(jù)，采用ARM處理器作為終端控制器，配置霍爾速度傳感器H42B6以及六軸方向傳感器3144測(cè)量用戶騎行方向，通過ZigBee無線通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給主控終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總處理。

2.2 體征采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

體征采集系統(tǒng)主要用于將采集到的用戶健康參數(shù)進(jìn)行匯總處理，然后通過移動(dòng)網(wǎng)、WiFi等通信方式將數(shù)據(jù)上傳給電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊

體感交互運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制器模塊選擇嵌入式ST公司的32位ARM處理器STM32F103ZET6，該微處理器具有較高的工作頻率，豐富的I/O外設(shè)接口，支持多種通信接口，自帶AD轉(zhuǎn)換功能，滿足了本系統(tǒng)的性能需求。

3.2 霍爾速度傳感器

系統(tǒng)中的速度采集選用霍爾速度傳感器中的槽型光電傳感器H42B6，用于采集騎行車的車速。

3.3 體征檢測(cè)采集系統(tǒng)

體征檢測(cè)采集系統(tǒng)用于采集騎行者在運(yùn)動(dòng)過程中的心率、脈搏、體溫等參數(shù)，系統(tǒng)采集完參數(shù)后通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸給電腦端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，原理框圖如圖2所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能體感虛擬顯示交互運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)控制程序和上位機(jī)應(yīng)用程序兩大部分：

下位機(jī)控制程序主要實(shí)現(xiàn)騎行臺(tái)的速度、轉(zhuǎn)向等數(shù)據(jù)，以及騎行者的體質(zhì)參數(shù)采集。

上位機(jī)應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)騎行運(yùn)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)計(jì)，采用Unity3D設(shè)計(jì)，騎行界面主要由騎行場景，騎行者，速度盤三部分組成。

騎行場景采用兩種場景，體驗(yàn)者可以通過自己的喜好自由切換：城市場景和雪地賽道場景。

擬場景中的游戲者和現(xiàn)實(shí)生活中的體驗(yàn)者連為一體，當(dāng)體驗(yàn)者轉(zhuǎn)動(dòng)自行車車把時(shí)游戲者會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)身體從而帶動(dòng)場景中方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。游戲者有前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，剎車等功能。當(dāng)游戲者受到撞擊摔倒時(shí)，游戲會(huì)做重置設(shè)置，在原地重新開始運(yùn)行。自行車剎車時(shí)，后面會(huì)有紅色警示燈亮起。

5 結(jié)束語

本文提出一種智能體感交互式運(yùn)動(dòng)，綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、傳感器等技術(shù)，給用戶提供一種“運(yùn)動(dòng)+娛樂”的全新健身模式。通過騎行臺(tái)上的傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，在虛擬終端內(nèi)展示實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)通過健康數(shù)據(jù)采集終端實(shí)時(shí)采集人員在運(yùn)動(dòng)過程中的心率、體溫、脈搏等生命體征參數(shù)信息，采用物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端平臺(tái)，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析，實(shí)時(shí)得到騎行者在運(yùn)動(dòng)過程的體征參數(shù)。

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