本發(fā)明涉及一種自行車(chē)健身騎行臺(tái)控制系統(tǒng)，尤其是一種Android/IOS移動(dòng)端APP無(wú)級(jí)控制的自行車(chē)健身騎行臺(tái)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，國(guó)人的體質(zhì)每況日下，現(xiàn)狀令人擔(dān)憂(yōu)，而在現(xiàn)代化的進(jìn)程中，越來(lái)越多的人也開(kāi)始漸漸注意到健康的重要性，逐漸開(kāi)始了健身運(yùn)動(dòng)。但是，現(xiàn)在自然環(huán)境的日益惡化，人們的生活環(huán)境情況每況愈下，比如頻繁出現(xiàn)霧霾；而且現(xiàn)在經(jīng)常發(fā)生交通的擁堵，駕駛員的文明意識(shí)也尚不夠成熟，人們?cè)趹?hù)外活動(dòng)的安全性也難以得到保證；夏天過(guò)于酷暑冬天過(guò)于嚴(yán)寒也不適宜人類(lèi)進(jìn)行日常的戶(hù)外運(yùn)動(dòng)；下雨天和臺(tái)風(fēng)天等更是直接阻礙了室外運(yùn)動(dòng)。因而室內(nèi)運(yùn)動(dòng)成了一種很好的選擇，并且削弱了天氣、時(shí)間、空間等因素的限制。

現(xiàn)有的室內(nèi)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練設(shè)備普遍價(jià)格較高，結(jié)構(gòu)實(shí)施復(fù)雜，外觀笨重，比如跑步機(jī)等其他健身器材，而自行車(chē)作為最簡(jiǎn)單的代步工具，對(duì)于作為自行車(chē)生產(chǎn)和使用大國(guó)的中國(guó)來(lái)說(shuō)，基本上是家庭必備，普適性高，成本低廉；在城市化進(jìn)程中，土地資源變得越來(lái)越寶貴，一個(gè)在室內(nèi)即健身的自行車(chē)平臺(tái)，以幾乎不受任何場(chǎng)地、天氣等影響就能完成日常的訓(xùn)練。

而傳統(tǒng)的自行車(chē)訓(xùn)練器沒(méi)有Android/IOS移動(dòng)端APP和實(shí)景視頻訓(xùn)練模式，甚至大多數(shù)都沒(méi)有用戶(hù)控制終端和顯示界面，無(wú)法反饋訓(xùn)練數(shù)據(jù)信息，不易采集運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，更不能量化各項(xiàng)訓(xùn)練指標(biāo)，調(diào)節(jié)阻力檔位不方便，改變阻力效果需要手動(dòng)機(jī)械調(diào)節(jié)，檔位增減不均勻，不能無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，因此不易讓用戶(hù)得到舒適的訓(xùn)練體驗(yàn)，不能逐漸提高健身強(qiáng)度，從而達(dá)到良好的健身效果。

目前，針對(duì)無(wú)級(jí)控制的自行車(chē)健身騎行臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要集中在自行車(chē)支架機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式等方面，針對(duì)具體的無(wú)級(jí)控制方面的處理方法研究較少。謝宇提出了一種自行車(chē)健身器系統(tǒng)(謝宇.一種自行車(chē)健身器系統(tǒng)：中國(guó)，204502268[P].2015-07-29)，給出了健身自行車(chē)的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了該種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理，但其需要人工進(jìn)行阻力調(diào)整，極不方便；朱翊、曹一聰提出的多功能體感同步自行車(chē)健身娛樂(lè)系統(tǒng)(朱翊，曹一聰.多功能體感同步自行車(chē)健身娛樂(lè)系統(tǒng):中國(guó)，204073263[P].2015-01-07),實(shí)現(xiàn)了健身與娛樂(lè)為一體，但是其僅介紹了自行車(chē)與計(jì)算機(jī)相連接實(shí)現(xiàn)娛樂(lè)效果，還是需要人工去控制計(jì)算機(jī)，極不方便；馬溢、馮在書(shū)提出了一種帶有網(wǎng)絡(luò)游戲和教練功能的健身器械(馬溢,馮在書(shū).帶有網(wǎng)絡(luò)游戲和教練功能的健身器械:中國(guó)，105536202[P].2016-05-04)，其通過(guò)在健身器械的前端安裝上網(wǎng)的微機(jī)，微機(jī)的USB的端口通過(guò)USB數(shù)據(jù)模塊與健身器械的數(shù)據(jù)接口連接，用戶(hù)可以通過(guò)微機(jī)查看自任務(wù)狀態(tài)或控制跑步機(jī)或健身自行車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，但其控制平臺(tái)僅限于微機(jī)，使用不方便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種Android/IOS移動(dòng)端APP無(wú)線(xiàn)控制的自行車(chē)健身騎行臺(tái)控制系統(tǒng)。

首先該系統(tǒng)具有人性化的操作界面，讓不同的用戶(hù)在健身時(shí)記錄自己的運(yùn)動(dòng)情況，顯示各類(lèi)健身指標(biāo)；其次該系統(tǒng)具有實(shí)景視頻模塊，能夠讓用戶(hù)在室內(nèi)騎行時(shí)也能看到風(fēng)景視頻，有如臨戶(hù)外的體驗(yàn)；再次該系統(tǒng)運(yùn)用了藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)控制；最后該系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合了PID模糊控制算法來(lái)百分比控制PWM輸出電流，實(shí)現(xiàn)了健身強(qiáng)度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種Android/IOS移動(dòng)端APP無(wú)級(jí)控制的自行車(chē)健身騎行臺(tái)控制系統(tǒng)，Android/IOS移動(dòng)端APP安裝在用戶(hù)的安卓或蘋(píng)果手機(jī)上，自行車(chē)架在健身騎行臺(tái)上，健身騎行臺(tái)由外接電源供電。所述的Android/IOS移動(dòng)端APP無(wú)線(xiàn)控制的自行車(chē)健身騎行臺(tái)控制系統(tǒng)包括：

1)顯示模塊，其輸入為所有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由Android/IOS移動(dòng)端APP的主控模塊統(tǒng)一處理后再傳給顯示模塊，用于顯示用戶(hù)操作界面和各類(lèi)健身信息，包括用戶(hù)身份信息顯示、實(shí)時(shí)訓(xùn)練反饋數(shù)據(jù)顯示、藍(lán)牙連接信息顯示和產(chǎn)品相關(guān)信息等，也用以對(duì)比各用戶(hù)的歷史訓(xùn)練效果。身份信息包括用戶(hù)的身高、體重、性別和出生日期等；實(shí)時(shí)訓(xùn)練反饋數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)速度、功率、騎行里程、騎行時(shí)間、消耗能量、騎行檔位等信息；藍(lán)牙連接信息顯示包括當(dāng)前可以配對(duì)的其它藍(lán)牙設(shè)備列表以及Android/IOS移動(dòng)端APP的藍(lán)牙連接狀態(tài)；產(chǎn)品相關(guān)信息包括產(chǎn)品的版本信息、開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的聯(lián)系方式、官網(wǎng)主頁(yè)連接和使用幫助。

2)實(shí)景視頻模塊，用于在用戶(hù)騎行時(shí)同步播放一段第一視角騎行實(shí)景錄制視頻。其輸入為實(shí)時(shí)反饋速度信息，由健身騎行臺(tái)通過(guò)傳感器模塊和藍(lán)牙模塊將實(shí)時(shí)速度信息上傳給Android/IOS移動(dòng)端APP的主控模塊后，主控模塊再將處理后的實(shí)時(shí)反饋速度信息傳給實(shí)景視頻模塊。由開(kāi)發(fā)者事先錄制好一段第一視角騎行實(shí)景視頻，當(dāng)實(shí)時(shí)反饋速度不為零時(shí)播放視頻，實(shí)時(shí)反饋速度為零時(shí)則暫停視頻。即實(shí)景視頻會(huì)隨著用戶(hù)的騎行而播放，隨著用戶(hù)的停止而暫停播放，讓用戶(hù)在騎行的同時(shí)也能通過(guò)該實(shí)景視頻看到一些路邊風(fēng)景，有一種身臨戶(hù)外騎行的感覺(jué)，增強(qiáng)了用戶(hù)的騎行體驗(yàn)。

3)信息存儲(chǔ)模塊，用于保存用戶(hù)的身份信息、個(gè)性化設(shè)置和歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)。用戶(hù)設(shè)置、修改和保存身高、體重、性別和出生日期等身份信息；個(gè)性化設(shè)置設(shè)置語(yǔ)言和單位為公制或英制；歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)用來(lái)對(duì)比各用戶(hù)的歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶(hù)將設(shè)置或修改的身份信息和個(gè)性化信息輸入后，以及每次的訓(xùn)練數(shù)據(jù)上傳后，Android/IOS移動(dòng)端APP的主控模塊會(huì)處理這些信息和數(shù)據(jù)并傳給信息存儲(chǔ)模塊，信息存儲(chǔ)模塊就會(huì)將這些信息和數(shù)據(jù)保存下來(lái)。

4)Android/IOS移動(dòng)端APP主控模塊，其輸入為健身騎行臺(tái)的傳感器模塊采集的實(shí)時(shí)速度信息和用戶(hù)在Android/IOS移動(dòng)端APP上設(shè)置的身份信息、個(gè)性化信息以及阻力檔位信息等，經(jīng)過(guò)處理后再將數(shù)據(jù)輸出給顯示模塊、實(shí)景視頻模塊和信息存儲(chǔ)模塊等，并通過(guò)藍(lán)牙模塊將阻力檔位信息發(fā)送給健身騎行臺(tái)。主控模塊主要完成速度、功率、騎行里程、騎行時(shí)間、消耗能量等數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理；也控制顯示模塊的屏幕顯示效果；并能夠通過(guò)藍(lán)牙模塊接收來(lái)自健身騎行臺(tái)的速度信息，并將用戶(hù)設(shè)置的阻力檔位信息發(fā)送給健身騎行臺(tái)。

5)藍(lán)牙模塊，對(duì)于Android/IOS移動(dòng)端APP，利用了手機(jī)里自帶的藍(lán)牙連接功能，用于和健身騎行臺(tái)建立無(wú)線(xiàn)通訊，檢測(cè)到附近連接的藍(lán)牙設(shè)備，并將其名稱(chēng)排列出來(lái)供用戶(hù)選擇，未連接狀態(tài)下藍(lán)牙圖標(biāo)顯示為灰色，連接狀態(tài)下藍(lán)牙圖標(biāo)顯示為紅色；對(duì)于健身騎行臺(tái)，藍(lán)牙模塊主芯片采用低功耗藍(lán)牙4.0及以后的系列，用于和Android/IOS移動(dòng)端APP建立無(wú)線(xiàn)通訊，被動(dòng)地與其它藍(lán)牙設(shè)備建立連接。Android/IOS移動(dòng)端APP的主控模塊將用戶(hù)設(shè)置的阻力檔位信息輸入給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再將阻力檔位信息傳給健身騎行臺(tái)的主控模塊進(jìn)行處理；健身騎行臺(tái)的主控模塊將傳感器模塊采集到的實(shí)時(shí)速度信息處理后傳給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再將實(shí)時(shí)速度信息傳給Android/IOS移動(dòng)端APP的主控模塊進(jìn)行處理。

6)阻力模塊，主要由電磁鐵、永磁鐵和鋁盤(pán)組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，輸入的PWM電流大小會(huì)改變電磁鐵的磁場(chǎng)大小，電磁鐵和永磁鐵的疊加磁場(chǎng)作用在鋁盤(pán)的表面形成渦流，鋁盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與原磁場(chǎng)之間產(chǎn)生相互作用力，從而產(chǎn)生騎行的阻力。

所述的健身騎行臺(tái)在電路上相較于其它采用繼電器的阻力控制電路方案，替換為采用電機(jī)模塊的阻力控制電路方案來(lái)控制PWM輸出電流大小以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)騎行的阻力。電機(jī)模塊體積更小，便于電路及騎行臺(tái)外觀的設(shè)計(jì)；電機(jī)模塊改變正反方向較為平穩(wěn)，消除了由繼電器突然開(kāi)關(guān)引起的電流突變對(duì)單片機(jī)造成的電流沖擊的問(wèn)題；并且電機(jī)模塊相較于繼電器只有開(kāi)啟和閉合兩種工作模式，電機(jī)模塊工作方式更多樣，使得騎行阻力的范圍變得可調(diào)。

7)傳感器模塊，速度采集傳感器采用霍爾傳感器。霍爾傳感器根據(jù)磁電感應(yīng)原理采集與健身騎行臺(tái)軸心相連的鐵盤(pán)上的小磁鐵引發(fā)的電流脈沖次數(shù)，將采集的數(shù)據(jù)信息輸出給健身騎行臺(tái)的主控模塊，以便主控模塊計(jì)算出軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，從而得到騎行的實(shí)時(shí)速度。

8)健身騎行臺(tái)主控模塊，主要由單片機(jī)和其它輔助電路組成。用于實(shí)現(xiàn)傳感器采集的實(shí)時(shí)速度信息的處理，主控模塊接收霍爾傳感器上傳的與健身騎行臺(tái)軸心相連的鐵板上的小磁鐵引發(fā)的脈沖次數(shù)數(shù)據(jù)，再結(jié)合各脈沖之間的時(shí)間間隔換算成軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，最終得到騎行的實(shí)時(shí)線(xiàn)速度；通過(guò)藍(lán)牙模塊將運(yùn)算出的實(shí)時(shí)速度信息發(fā)送給Android/IOS移動(dòng)端APP；并根據(jù)從Android/IOS移動(dòng)端APP接收到的阻力檔位指令信息，結(jié)合PID模糊控制算法來(lái)調(diào)節(jié)健身騎行臺(tái)的PWM電流百分比大小以無(wú)級(jí)控制騎行的阻力大小；并能夠控制LED燈循環(huán)閃爍，根據(jù)計(jì)算得到的實(shí)時(shí)騎行速度的大小相應(yīng)改變LED燈循環(huán)閃爍的周期，即騎行速度較快時(shí)控制LED燈快速循環(huán)閃爍，騎行速度較慢時(shí)控制LED燈緩慢循環(huán)閃爍。

所述的健身騎行臺(tái)主控模塊從傳感器模塊獲得實(shí)時(shí)健身騎行臺(tái)軸心相連的鐵盤(pán)上的小磁鐵引發(fā)的脈沖次數(shù)，再結(jié)合各脈沖之間的時(shí)間間隔換算成軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，在消去干擾帶來(lái)的跳變數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性的前提下，選取了霍爾傳感器接收到若干次脈沖所用的時(shí)間取其平均值的方式來(lái)計(jì)算騎行的實(shí)時(shí)線(xiàn)速度。若不消去干擾帶來(lái)的跳變數(shù)據(jù)，則得到的速度信息將不準(zhǔn)確；若只取一次脈沖的數(shù)據(jù)來(lái)處理，則由于單片機(jī)各模塊需要一定的工作時(shí)間，導(dǎo)致速度測(cè)量上限將受到限制；若取過(guò)多次的脈沖數(shù)據(jù)來(lái)處理，則速度較慢時(shí)，速度信息將失去實(shí)時(shí)性。所以，這種方式相比其他的騎行臺(tái)的測(cè)速方式，得到的速度信息具有更高的實(shí)時(shí)性，得到的速度數(shù)據(jù)也更加精確，并且速度測(cè)量上限范圍更高，完全滿(mǎn)足人類(lèi)極限運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)速度的測(cè)量。

所述的健身騎行臺(tái)主控模塊從Android/IOS移動(dòng)端APP接收到用戶(hù)設(shè)置的阻力檔位信息指令后，結(jié)合了PID模糊控制算法來(lái)百分比無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)PWM電路輸出的電流大小，從而無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)電磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，產(chǎn)生的電磁鐵磁場(chǎng)與永磁鐵磁場(chǎng)疊加后制動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁盤(pán)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)健身騎行臺(tái)騎行阻力的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。以往沒(méi)有使用控制算法直接改變磁阻大小的控制方式會(huì)帶來(lái)控制不精準(zhǔn)且阻力變化不平均的問(wèn)題，所以本發(fā)明運(yùn)用了PID模糊控制算法，并采用了百分比控制PWM輸出電流大小的控制方式，控制精度更高，每個(gè)檔位的阻力變化呈線(xiàn)性無(wú)級(jí)遞變。所述的PID模糊控制方式如下：

①選擇磁阻誤差e和誤差的變化量ec作為控制器輸入量，選擇PWM電流百分比大小作為輸出控制量；

②對(duì)采集到的精確量進(jìn)行模糊化，設(shè)有論域V，有n個(gè)精確磁阻數(shù)據(jù)x_i∈V(i＝1,2,…,n)，同時(shí)有m個(gè)模糊集合。A_j∈V(j＝1,2,…,m)，如果存在x_i，使得隸屬度則稱(chēng)屬于模糊集合A_j，表示為：

上述公式表示為精確量x_i隸屬度歸屬于模糊量A_j。取誤差的論域?yàn)閄，誤差變化的論域?yàn)閅，控制量的論域?yàn)閆。

用模糊集合來(lái)描述模糊量，E表示被測(cè)磁阻的實(shí)際值f對(duì)給定磁阻值f₀的偏差e＝f-f₀的模糊集合，EC表示磁阻變化率的模糊集合，U表示控制PWM電流百分比大小的模糊集合；根據(jù)模糊劃分與量化之間的關(guān)系，取E、EC、U的模糊子集個(gè)數(shù)分別為7、7、5，則模糊集合表示為：

其中，“NB”、“NM”、“NS”、“ZO”、“PS”、“PM”、“PB”、“Z”等這些詞匯為模糊量；

通過(guò)隸屬函數(shù)確定精確量x所隸屬模糊量A_j的隸屬度；求取隸屬函數(shù)，即確定隸屬函數(shù)的形狀；把模糊變量設(shè)為正態(tài)型模糊變量，其隸屬函數(shù)為：

其中，a表示為對(duì)應(yīng)于模糊量A_j的精確量，δ的大小直接影響隸屬函數(shù)曲線(xiàn)的形狀；

③通過(guò)模糊推理，建立知識(shí)庫(kù)，得到模糊控制規(guī)則；用“ifA and B then C”(若A且B則C)語(yǔ)言來(lái)描述控制規(guī)則，其中A、B為輸入量，C為輸出量；本系統(tǒng)的模糊控制語(yǔ)言由“ifE＝PB and EC＝PB then U＝PB”這樣的條件語(yǔ)句組成，本系統(tǒng)形成49條控制規(guī)則；

④根據(jù)控制規(guī)則確定的規(guī)則，通過(guò)推理，反模糊化。再根據(jù)前面確定的模糊量，得到每一條規(guī)則的關(guān)系R_k，表示為：

其中，i＝1,2,…,7；j＝1,2,…,7；k＝1,2,…,49，“×”表示集合的直積，E_i和EC_j分別是屬于E和EC的模糊量，U_ij是在輸入量為E_i和EC_j的情況下，根據(jù)模糊控制規(guī)則得到的輸出模糊量；根據(jù)每一條模糊語(yǔ)句決定的模糊關(guān)系R_k，得描述整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)則，因此，總的模糊關(guān)系矩陣R表示為：

根據(jù)模糊推理合成規(guī)則，輸出的控制量應(yīng)是模糊集U：

其中，為合成符號(hào)，從而，根據(jù)上式計(jì)算出對(duì)應(yīng)E和EC論域中的各子集對(duì)應(yīng)的輸出U，因此，建立模糊關(guān)系矩陣、根據(jù)求出的模糊關(guān)系矩陣得出U值，建立模糊控制表；

⑤對(duì)輸出量進(jìn)行反模糊化，經(jīng)過(guò)模糊推理，將已經(jīng)模糊化的精確量利用下述加權(quán)平均法表達(dá)式

進(jìn)行反模糊化，得到實(shí)際的控制執(zhí)行量其中，u_i為第i個(gè)模糊子集所對(duì)應(yīng)的輸出量，μ(u_i)為隸屬函數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

本發(fā)明采用了Android/IOS移動(dòng)端APP來(lái)控制自行車(chē)健身騎行臺(tái)，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)檔桿和其它用戶(hù)終端控制器，Android/IOS移動(dòng)端APP可安裝在用戶(hù)的手機(jī)上，節(jié)省了機(jī)械調(diào)檔桿和用戶(hù)終端控制器帶來(lái)的器械制作成本；無(wú)需擔(dān)心機(jī)械調(diào)檔桿和用戶(hù)終端控制器帶來(lái)的機(jī)械故障；也不用為用戶(hù)終端控制器花費(fèi)過(guò)多的電池開(kāi)銷(xiāo)；APP可以在線(xiàn)升級(jí)，方便開(kāi)發(fā)者對(duì)其進(jìn)行問(wèn)題修復(fù)和產(chǎn)品升級(jí)；控制器以APP的形式出現(xiàn)，也順應(yīng)了現(xiàn)今電器智能化的趨勢(shì)，更容易為用戶(hù)所接受。

本發(fā)明比較其他類(lèi)別的室內(nèi)訓(xùn)練平臺(tái)，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搭建方便，便于安置挪移，可以滿(mǎn)足各種不同類(lèi)型的用戶(hù)需求；本發(fā)明相較于傳統(tǒng)的自行車(chē)訓(xùn)練平臺(tái)通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)騎行阻力，使用Android/IOS移動(dòng)端APP并結(jié)合PID模糊控制算法調(diào)阻更加優(yōu)化，采用信息化的界面顯示，便捷化的無(wú)線(xiàn)操控，細(xì)致化的無(wú)級(jí)調(diào)阻，并引入人性化的實(shí)景視頻訓(xùn)練模式，讓用戶(hù)獲得相對(duì)數(shù)據(jù)化的健身信息、數(shù)量化的健身強(qiáng)度和舒適化的體驗(yàn)效果?，F(xiàn)代人物質(zhì)富足，但大多數(shù)缺乏運(yùn)動(dòng)，身體亞健康，一種Android/IOS移動(dòng)端APP無(wú)級(jí)控制的自行車(chē)健身騎行臺(tái)是學(xué)習(xí)、辦公、休息之余鍛煉身體的優(yōu)良選擇，大眾化、低成本、便安置、易操作、阻力大等特點(diǎn)方便了全民健身。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的平臺(tái)組成示意圖。

圖2為本發(fā)明的控制原理框圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述。

一種基于Android/IOS移動(dòng)端APP控制的自行車(chē)健身騎行臺(tái)控制系統(tǒng)，如圖1所示，平臺(tái)組成包括Android/IOS移動(dòng)端APP1和健身騎行臺(tái)4。Android/IOS移動(dòng)端APP1安裝在用戶(hù)的手機(jī)上，便于用戶(hù)設(shè)置和存儲(chǔ)身份和個(gè)性化信息，也可以顯示騎行的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息，或者使用實(shí)景視頻訓(xùn)練模式2，自行車(chē)3的后輪架于健身騎行臺(tái)4上，用戶(hù)騎行中健身騎行臺(tái)4的轉(zhuǎn)軸會(huì)給自行車(chē)3的后輪阻力，從而達(dá)到運(yùn)動(dòng)健身的效果，健身騎行臺(tái)4與Android/IOS移動(dòng)端APP1之間通過(guò)藍(lán)牙建立無(wú)線(xiàn)連接，用以傳輸阻力檔位和實(shí)時(shí)騎行速度等信息。

結(jié)合圖2，本發(fā)明專(zhuān)利的原理及使用過(guò)程如下：

Android/IOS移動(dòng)端APP安裝在用戶(hù)的手機(jī)上，健身騎行臺(tái)由外接電源供電。按照對(duì)圖1的描述搭好室內(nèi)健身騎行平臺(tái)后，用戶(hù)即可在室內(nèi)進(jìn)行自行車(chē)騎行健身運(yùn)動(dòng)。

1)首先用戶(hù)打開(kāi)Android/IOS移動(dòng)端APP的設(shè)置界面，利用觸屏操作來(lái)設(shè)置、修改及存儲(chǔ)用戶(hù)的各類(lèi)健身信息，Android/IOS移動(dòng)端APP的主控模塊接收到這些數(shù)據(jù)信息后傳給信息存儲(chǔ)模塊進(jìn)行保存，并建立藍(lán)牙連接；

2)在用戶(hù)操作界面用戶(hù)可以通過(guò)觸摸操作來(lái)調(diào)整騎行阻力檔位，Android/IOS移動(dòng)端APP主控模塊通過(guò)藍(lán)牙模塊向健身騎行臺(tái)無(wú)線(xiàn)發(fā)送阻力檔位指令；

3)健身騎行臺(tái)主控模塊將從其藍(lán)牙模塊獲得的檔位信息結(jié)合反饋回來(lái)的磁阻信息，運(yùn)用PID模糊控制算法，通過(guò)百分比調(diào)節(jié)PWM電流大小來(lái)控制阻力模塊中電磁鐵的通電電流大小，從而改變電磁鐵的磁場(chǎng)，其中PID模糊控制算法的具體控制方式如下：

①選擇實(shí)際磁阻和用戶(hù)在Android/IOS移動(dòng)端APP上設(shè)置的騎行阻力的磁阻誤差e和誤差的變化量ec作為控制器輸入量，選擇PWM電流百分比大小作為輸出控制量；

②對(duì)采集到的精確量進(jìn)行模糊化，設(shè)有論域V，有n個(gè)精確磁阻數(shù)據(jù)x_i∈V(i＝1,2,…,n)，同時(shí)有m個(gè)模糊集合。A_j∈V(j＝1,2,…,m)，如果存在x_i，使得隸屬度枚力則稱(chēng)屬于模糊集合A_j,表示為：

上述公式表示為精確量x_i隸屬度歸屬于模糊量A_j。取誤差的論域?yàn)閄，誤差變化的論域?yàn)閅，控制量的論域?yàn)閆。

用模糊集合來(lái)描述模糊量，E表示被測(cè)磁阻的實(shí)際值f對(duì)給定磁阻值f₀的偏差e＝f-f₀的模糊集合，EC表示磁阻變化率的模糊集合，U表示控制PWM電流百分比大小的模糊集合。根據(jù)模糊劃分與量化之間的關(guān)系，取E、EC、U的模糊子集個(gè)數(shù)分別為7、7、5。系統(tǒng)取磁阻誤差e、磁阻誤差變化ec、控制量u的基本論域分別為(-5N,+5N)、(-2N,+2N)、(0,1)。系統(tǒng)輸出控制量用于控制PWM電流百分比大小從而達(dá)到控制PWM輸出電流大小的目的電機(jī)模塊的最大步進(jìn)數(shù)以及最小步進(jìn)數(shù)轉(zhuǎn)化為PWM電流百分比就是0％～100％，而PWM電流最大為5mA，所以PWM電流即為0mA～5mA，分別對(duì)應(yīng)于(0,1)，即當(dāng)時(shí)u＝0時(shí)，表明電流為最小0mA，u＝1時(shí)，電流為最大1mA，以此類(lèi)推。而磁阻則是在±5N之間，即實(shí)測(cè)磁阻比設(shè)定磁阻低5N則電流最大，實(shí)測(cè)磁阻比設(shè)定磁阻高5N則電流最小。結(jié)合磁阻控制的變化情況，把e、ec和的量化級(jí)數(shù)定為11，即和的離散論域均為[-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5]。U的離散論域?yàn)閇0,1,2,3,4,5]在控制中，如果偏差大，則用大控制量，如果偏差小，則用小控制量，所以，模糊量劃分的寬度是隨模糊量與零元素的距離而非線(xiàn)性增大。用集合表示為：E＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；EC＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；U＝{ZO,PS,PM,PB,Z}。(NB表示為負(fù)大，NM為負(fù)中，NS為負(fù)小，ZO為零，PS為正小，PM為正中，PB為正大，Z表示為最大)

根據(jù)上述模糊子集，分別確定各變量確定的隸屬函數(shù)。E和EC的各隸屬函數(shù)為：

U的各模糊狀態(tài)的隸屬函數(shù)為：

③通過(guò)模糊推理，建立知識(shí)庫(kù)，得到模糊控制規(guī)則；用“ifA and B then C”(若A且B則C)語(yǔ)言來(lái)描述控制規(guī)則，其中A、B為輸入量，C為輸出量；本系統(tǒng)的模糊控制語(yǔ)言由“ifE＝PB and EC＝PB then U＝PB”這樣的條件語(yǔ)句組成，本系統(tǒng)形成49條控制規(guī)則，如表1所示。

表1控制規(guī)格表

④根據(jù)控制規(guī)則確定的規(guī)則，通過(guò)推理，反模糊化。再根據(jù)前面確定的模糊量，得到每一條規(guī)則的關(guān)系R_k，表示為：

其中，i＝1,2,…,7；j＝1,2,…,7；k＝1,2,…,49，“×”表示集合的直積，E_i和EC_j分別是屬于E和EC的模糊量，是在輸入量為E_i和EC_j的情況下，根據(jù)模糊控制規(guī)則得到的輸出模糊量。由上式可以得到如下定義：

根據(jù)每一條模糊語(yǔ)句決定的模糊關(guān)系R_k，可以得到總的模糊關(guān)系矩陣R：

根據(jù)模糊推理合成規(guī)則，輸出的控制量應(yīng)是模糊集U：

其中，為合成符號(hào)，即：

計(jì)算出對(duì)應(yīng)E和EC論域中的各子集對(duì)應(yīng)的輸出U。

求解模糊關(guān)系矩陣、根據(jù)求出的模糊關(guān)系矩陣得出U的值，建立如表2所示的模糊控制表。

表2模糊控制表

⑤對(duì)輸出U進(jìn)行反模糊化，用加權(quán)平均法判決出實(shí)際的輸出量具體表達(dá)式為：

自行車(chē)騎行后，與自行車(chē)后輪直接壓緊的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其上固定的鋁盤(pán)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁盤(pán)表面在電磁鐵和永磁鐵疊加的磁場(chǎng)中由于渦流效應(yīng)產(chǎn)生了很多小磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)與外界磁場(chǎng)作用產(chǎn)生了抑制鋁盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的效果，最終會(huì)有阻礙自行車(chē)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)的效果；

4)健身騎行臺(tái)主控模塊從傳感器模塊獲得實(shí)時(shí)健身騎行臺(tái)軸心相連的鐵盤(pán)上的小磁鐵引發(fā)的脈沖次數(shù)，再結(jié)合各脈沖之間的時(shí)間間隔換算成軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，在消去干擾帶來(lái)的跳變數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性的前提下，選取了霍爾傳感器接收到7次脈沖所用的時(shí)間取其平均值的方式來(lái)計(jì)算騎行的實(shí)時(shí)線(xiàn)速度；

5)健身騎行臺(tái)的主控模塊將計(jì)算得到的實(shí)時(shí)速度傳給LED燈控制模塊，LED燈就會(huì)根據(jù)計(jì)算得到的實(shí)時(shí)騎行速度的大小相應(yīng)改變LED燈循環(huán)閃爍的周期，即騎行速度越快時(shí)控制LED燈快速循環(huán)閃爍，騎行速度較慢時(shí)控制LED燈緩慢循環(huán)閃爍；

6)健身騎行臺(tái)的主控模塊再將處理后的實(shí)時(shí)騎行速度值通過(guò)藍(lán)牙模塊無(wú)線(xiàn)發(fā)送給Android/IOS移動(dòng)端APP；

7)Android/IOS移動(dòng)端APP的主控模塊對(duì)收到的實(shí)時(shí)速度值結(jié)合騎行阻力檔位和騎行時(shí)間進(jìn)行計(jì)算后，得到在顯示模塊用戶(hù)界面上顯示的用戶(hù)的健身時(shí)間、實(shí)時(shí)速度、騎行距離、消耗的功率和卡路里等供用戶(hù)參考；

8)Android/IOS移動(dòng)端APP的主控模塊對(duì)收到的實(shí)時(shí)速度值結(jié)合騎行阻力檔位和騎行時(shí)間進(jìn)行計(jì)算后得到的數(shù)據(jù)同樣可被用于實(shí)景視頻模塊，Android/IOS移動(dòng)端APP的主控模塊將實(shí)時(shí)騎行速度傳給實(shí)景視頻模塊，當(dāng)實(shí)時(shí)反饋速度不為零時(shí)播放視頻，實(shí)時(shí)反饋速度為零時(shí)則暫停視頻。

以上是整個(gè)系統(tǒng)的控制情況，Android/IOS移動(dòng)端APP的顯示模塊和藍(lán)牙模塊的存在，讓用戶(hù)的操作變得簡(jiǎn)單方便，實(shí)景視頻訓(xùn)練模式讓用戶(hù)健身體驗(yàn)更豐富。

要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明說(shuō)述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的類(lèi)似的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。