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基于步法的跑步机速度跟踪控制方法研究王宇 基于步法的跑步机速度跟踪控制方法研究 王 宇 陕西交通职业技术学院陕西西安 7 1 0 0 1 8 摘要 通过在传统跑步机的跑带下加装两块测力平台 设计了一种基于步法的跑步机速度跟踪控制方法 根据脚底与跑 步机之间的作用力 分析运动者的步态特征 判别其运动趋势 并据此控制电机速度变化 实验表明 该方法可实现速度跟踪目 的 可为电动跑步机技术优化提供参数依据 关键词 跑步机 速度跟踪 步法 控制方法 中图分类号 T P l3文献标识码 AD O I 编码 1 0 1 4 0 1 6 j cn k i 1 0 0 1 9 2 2 7 2 0 1 6 1 1 0 2 4 A b s t r a ct int h isp 印e r t h I D u g hint r a d it io n a lt r e a d m illm n n in gb e lt6 t t e dw it ht w of b I em e a s u r in gp la t f o n d e s ig nat r e a d m ills p e e d t r a ck in gco n t r o lb a s e do nh u m a np a ce a cco r d in gt ot h em o t io na n a ly s iso ft h ef o r ceb e t w e e nt h es 0 1 ea n dt h et I a d m iI lg a itf e a t u r e d is cd m in a n tt h em o v e m e n tt r e n d a n da cco r d in gt ot h eco n t r o lo fm o t o rs p e e dch a n g e T h ee x p e r im e n t a lr e s u lt ss h o wt h a tt h em e t h o dca n r e a liz et h es p e e dt r a ck in g w h ichca np r o v id et h eb a s isf b rt h eo p t im iz a t io no ft h ee le ct r ict r e a d I n ill K e yw o r d s t r e a d m i s p e e dt r a ck in g g a il co n t r o l m e t I lo d 0引言 跑步机包括机械式和电动式两种 前者主要依靠人力驱 动跑步机运转 后者则是以马达为动力迫使人体被动跟随运 动 这样难免会限制运动者的运动自由 因此 本文试图通过 对跑步机上人体运动和速度变化规律的分析 达到根据运动 者需求自动调节马达速度的目的 并据此提出了一种基于步 法的跑步机速度跟踪控制方法 以为运动者提供更舒适的运 动体验 文章结合了跑步机及压力传感器优势 在传统跑步 机的跑带下加装了两块测力平台来获取运动者的实时步态信 息 判别运动者的加 减速趋势 最终实现跑步机速度跟踪 控制 1 系统总体结构及工作原理 系统总体结构包括主电机驱动模块 升降模块 数据采集 模块和上位机等部分 如图1 所示 圈1 系统总体结构 上位机即为平板电脑 它借助于人机交互界面控制运动 者的跑步过程 并实现对数据的存储 分析与显示 主电机驱 动与升降模块接受上位机命令后 分别执行电机转动与跑步 机坡度控制任务 数据采集模块包括数据采集电路与压力传 感器 数据采集电路将测力平台传感器感应的信号进行滤波 放大 A D 转换及数字滤波 经由u S B 接口传输至上位机 通 收稿日期 2 0 1 6 一0 7 0 4 作者简介 王宇 1 9 8 2 一 男 陕西西安人 讲师 主要研究方向为体育 教育 2 4 过上位机软件分析计算压力中心c0 P 和实时速度等步态参 数 判别加 减速趋势 2 跑步机速度跟踪控制方法 2 1 速度跟踪控制基本原理 在跑步机跑带下方安装两块测力平台 取两块测力平台 的中心为坐标原点 定义Y 为走 跑的正前方向 x 为右手 方向 z 为脚底正压力方向 为分析方便 本文将每个走 跑周 期过程等效为匀 变 速过程 速度跟踪控制原理如图2 所示 r Y v h x Z m Pp S H 图2 透度跟踪控制原理图 如图2 所示 在不考虑左右脚差异的基础上 设每个走 跑周期为t t 范围内开始与结束时脚底压力中心C O P 位置为 P 与P 等效加速度为a P 与P 之间的相对距离为 s 跑步 带速度为V 当a 0 即运动者在单个周期内匀速运动时 V 即为运 动者的速度 运动者的质心m 在Y 方向上的投影相对地面未 发生变化 其脚着地时产生的cO P 落在H 范围内 此时H 值 较小 s 接近于0 当a 0 即运动者在单个周期内加速运 动时 设运动者相对于跑步带 跑步带相对于地面以及运动者 相对于地面移动的距离分别为s s 与 s 由s v t 0 5 a t 2 S V t 可得到 s S 一s 0 5 a t 2 则运动者在t 时间 范围内的速度变化 V a t 2 s t 据此得到跑步机速度跟 随控制公式为 V VP K 2 s t K 为修正系数 且0 K 1 0 2 2 数据采集与分析 本文在跑步机上安装的压力传感器选择的是上下两层结 构 上下层表面之间会形成一个接触电阻 其值随接触面积及 接触压力的增加表现为准线性减小趋势 在检测电路的基础 自动化与仪器仪表 2 叭6 年第1 1 期 总第2 0 5 期 上便可得到接触电阻的变化情况 再经标定矩阵解算便可得 到相应敏感元或区域的压力值 测量面积为1 2 0cm 4 0cm 采样频率F s 为1 0 0H z 基于传感器的数据采集模块最初采用的是C A N 通信方 式 但在采样频率及数据量不断变大的情况下 这种通信方式 会表现出明显的数据受限 带宽不足等现象 因此 本文选择 了E t h e m e t 通信方式 通过T cP I P 协议客户端和服务器模 式 实现实时数据传输 在程序应用中采用流式套接字 以保 证接收到的数据的准确性 实际应用中 上位机作为服务器 以s T M 3 2 F 单片机为控制核心的传感器的数据采集电路作为 客户端 数据采集电路选择二次测量法对传感器进行扫描 采 集当前时间戳下对应的每一个压力点的压力值 然后按照如 下数据格式 对压力数据进行组包并通过网口进行发送 t y p e d e fs t m ct D W O R DT im e W O R DN o d e B Y T EbS t a B Y T EC o l B Y T ER o w E L E M E N T S I z E m R 0 w 8p R 0 w 其中 T im e b s t a N o d e R o w C o l E L E M E N T s I z E 一一分 别表示采集时刻的时间戳 备用信息 压力垫编号 行号数据 列号及行单元数 此外 考虑到运动者在跑步机上运动过程中 由于震动和 电磁干扰等原因可能会出现杂点数据 而传感器回弹速度较 慢的情况下也可能出现干扰信号 所以 在提取运动者步态特 征之前还应对原始数据进行去噪处理 对此 本文借鉴了视 频和图像数据处理中的去噪算法 设目标图像与结构元素分 别为x 和B 那么 B 对x 的开运算数学表达式为 X B X 日 日 结合开运算思想 在实际去燥过程中 本文选择了一种简 单的基于窗口内有效值个数的去燥算法 其原理是通过对某 一时间戳下的全部数据点进行依次扫描 若围绕某一数据点 的数据窗口中有效数据点 指压力值 0 的个数少于某一个 值 则认为该数据点是杂点 应进行剔除 2 3 变速特征提取 设F i t 表示传感器i在t 时刻采集到的压力值 且i 1 8 则测力平台在t 时刻检测到的运动者运动产生的z 向垂 直力为 8 F F i t 石1 结合力矩平衡方程可得到t 时刻c0 P x t Y t 即 X 形 F i f 一 F m n 2 3 6 7m j 4 5 8 F i n 一 m L v 一 F n t 一 F m v y f 坚竖 上旦生 T 兰生 竖卫 一 附 由以上公式可得到运动者在跑步机上走 跑过程中 F t x I Y t 的实时曲线 经分析后得到不同步态周期的 各个阶段 3 实验与结果分析 为进一步验证本文所提出的跑步机速度跟踪控制方法获 取信息的准确性 本文搭建了实验验证平台 选择一名年龄为 2 5 周岁 身高1 7 3 cm 体重6 5 蚝的男性测试者为实验对象 通 过对该测试者进行约2 0 m in 的训练 让该测试者熟练在跑步 机上完成自主速度跟随运动 实验过程中 取修正系数K p 为0 5 5 得到速度匹配过程中的误差曲线 如图3 所示 I I llI llI I lll I f f 图3 误差曲线图 由图3 可知 实验误差基本控制在一0 2 0 4 之间 达到 了较为明显的速度跟随效果 说明本文提出的这种基于步法 的跑步机速度跟踪控制方法具有较高准确性与可行性 可应 用于对传统跑步机速度跟踪控制的优化 4 结论 本文主要研究了基于步法的跑步机速度跟踪控制方法 对跑步机系统总体结构及其速度跟踪控制原理 数据采集与 分析的实现 变速特征提取等进行了重点分析 并通过实验验 证了该速度跟踪控制方法的准确性 该方法的优势就在于改 变了传统速度跟踪方案中在运动者脚部安装传感设备获取其 步态特征的方式 而是直接将压力传感器安装在跑步机的跑 步带下 既方便了运动者的步态信息获取 又提高了速度跟踪 的准确性 但是 本研究还存在一些局限 如忽略了左右脚步 态差异 异常步态等情况 在接下来的研究中应从这两方面进 一步优化 参考文献 1 K lu it e n b e 唱B B r e d e w e gsw z 巧ls t r as e ta 1 co m p a r is o n V e r t ica l G m u n dR e a ct io nF o r ce sD u T in g0 v e r g r o u n da n dT r e a d m iu R u n n in gA V a lid a t io nS t u d y J R e s e a r chQ u a n e d yf o rE x e r cis e a n dS p o n 2 0 1 3 8 4 2 2 1 3 2 2 2 2 程龙乐 基于视频图像处理的跑步机速度自适应控制技术的研究 D 安徽大学 2 叭5 3 王勇亮 卢颖 孙方义 电动式人感仿真系统原理样机设计与实现 J 电子设计工程 2 0 1 6 0 4 2 2 2 5 4 曹新星 朱世强 崔壮平 基于传感应用的智能跑步机控制系统 J 传感器与微系统 2 0 ll 0 2 9 7 1 0 0 5 李鑫 基于传感技术的智能跑步机控制系