[发明专利]Android/IOS移动端APP无级控制的自行车健身骑行台控制系统

摘要

一种Android/IOS移动端APP无级控制的自行车健身骑行台控制系统，包括显示模块、Android/IOS移动端APP主控模块、实景视频模块、信息存储模块、蓝牙模块、健身骑行台主控模块、阻力模块以及传感器模块。用户使用手机上的Android/IOS移动端APP无线控制自行车健身骑行台。健身骑行台接收来自Android/IOS移动端APP的阻力档位信息，结合PID模糊控制算法百分比控制健身骑行台的PWM输出电流控制健身骑行台的电磁铁磁场大小，与永磁铁磁场共同制动铝盘，产生用户骑行的阻力，并将骑行速度反馈给Android/IOS移动端APP。Android/IOS移动端APP可以设置和存储多个用户的身份和运动信息，可以进行训练效果对比，也可以显示用户骑行的实时数据信息，并且具有实景视频训练功能，可以满足不同用户的健身需求。

主权项

1.一种Android/IOS移动端APP无级控制的自行车健身骑行台控制系统，Android/IOS移动端APP安装在用户的安卓或苹果手机上，自行车架在健身骑行台上，健身骑行台由外接电源供电；所述的Android/IOS移动端APP无级控制的自行车健身骑行台控制系统，包括：1)显示模块，其输入为所有静态和动态数据，这些数据由Android/IOS移动端APP的主控模块统一处理后再传给显示模块，用于显示用户操作界面和各类健身信息，包括用户身份信息显示、实时训练反馈数据显示、蓝牙连接信息显示和产品相关信息，也用以对比各用户的历史训练效果；身份信息包括用户的身高、体重、性别和出生日期；实时训练反馈数据包括实时速度、功率、骑行里程、骑行时间、消耗能量、骑行档位信息；蓝牙连接信息显示包括当前配对的其它蓝牙设备列表以及Android/IOS移动端APP的蓝牙连接状态；产品相关信息包括产品的版本信息、开发团队的联系方式、官网主页连接和使用帮助；2)实景视频模块，用于在用户骑行时同步播放一段第一视角骑行实景录制视频；其输入为实时反馈速度信息，由健身骑行台通过传感器模块和蓝牙模块将实时速度信息上传给Android/IOS移动端APP的主控模块后，主控模块再将处理后的实时反馈速度信息传给实景视频模块；当实时反馈速度不为零时播放视频，实时反馈速度为零时则暂停视频；实景视频会随着用户的骑行而播放，随着用户的停止而暂停播放；3)信息存储模块，用于保存用户的身份信息、个性化设置和历史训练数据；用户设置、修改和保存身高、体重、性别和出生日期的身份信息；个性化设置设置语言和单位为公制或英制；历史训练数据用来对比各用户的历史训练数据；当用户将设置或修改的身份信息和个性化信息输入后，以及每次的训练数据上传后，Android/IOS移动端APP的主控模块会处理这些信息和数据并传给信息存储模块，信息存储模块就会将这些信息和数据保存下来；4)Android/IOS移动端APP主控模块，其输入为健身骑行台的传感器模块采集的实时速度信息和用户在Android/IOS移动端APP上设置的身份信息、个性化信息以及阻力档位信息，经过处理后再将数据输出给显示模块、实景视频模块和信息存储模块，并通过蓝牙模块将阻力档位信息发送给健身骑行台；主控模块完成速度、功率、骑行里程、骑行时间、消耗能量数据的计算和处理；也控制显示模块的屏幕显示效果；并能够通过蓝牙模块接收来自健身骑行台的速度信息，并将用户设置的阻力档位信息发送给健身骑行台；5)蓝牙模块，对于Android/IOS移动端APP，利用了手机里自带的蓝牙连接功能，用于和健身骑行台建立无线通讯，检测到附近可以连接的蓝牙设备，并将其名称排列出来供用户选择，未连接状态下蓝牙图标显示为灰色，连接状态下蓝牙图标显示为红色；对于健身骑行台，蓝牙模块主芯片采用低功耗蓝牙4.0及以后的系列，用于和Android/IOS移动端APP建立无线通讯，被动地与其它蓝牙设备建立连接；Android/IOS移动端APP的主控模块将用户设置的阻力档位信息输入给蓝牙模块，蓝牙模块再将阻力档位信息传给健身骑行台的主控模块进行处理；健身骑行台的主控模块将传感器模块采集到的实时速度信息处理后传给蓝牙模块，蓝牙模块再将实时速度信息传给Android/IOS移动端APP的主控模块进行处理；6)阻力模块，主要由电磁铁、永磁铁和铝盘组成；根据电磁感应原理，输入的PWM电流大小会改变电磁铁的磁场大小，电磁铁和永磁铁的叠加磁场作用在铝盘的表面形成涡流，铝盘转动时与原磁场之间产生相互作用力，从而产生骑行的阻力；7)传感器模块，速度采集传感器采用霍尔传感器；霍尔传感器根据磁电感应原理采集与健身骑行台轴心相连的铁盘上的小磁铁引发的电流脉冲次数，将采集的数据信息输出给健身骑行台的主控模块，以便主控模块计算出轴心的转动频率，从而得到骑行的实时速度；8)健身骑行台主控模块，主要由单片机和其它辅助电路组成；用于实现传感器采集的实时速度信息的处理，主控模块接收霍尔传感器上传的与健身骑行台轴心相连的铁板上的小磁铁引发的脉冲次数数据，再结合各脉冲之间的时间间隔换算成轴心的转动频率，最终得到骑行的实时线速度；通过蓝牙模块将运算出的实时速度信息发送给Android/IOS移动端APP；并根据从Android/IOS移动端APP接收到的阻力档位指令信息，结合PID模糊控制算法来调节健身骑行台的PWM电流百分比大小以无级控制骑行的阻力大小；并控制LED灯循环闪烁，根据计算得到的实时骑行速度的大小相应改变LED灯循环闪烁的周期，即骑行速度较快时控制LED灯快速循环闪烁，骑行速度较慢时控制LED灯缓慢循环闪烁；所述的健身骑行台主控模块从Android/IOS移动端APP接收到用户设置的阻力档位信息指令后，结合了PID模糊控制算法来百分比无级调节PWM电路输出的电流大小，所述的PID模糊控制方式如下：21)选择磁阻误差e和误差的变化量ec作为控制器输入量，选择PWM电流百分比大小作为输出控制量；22)对采集到的精确量进行模糊化，设有论域V，有n个精确磁阻数据x_i∈V(i＝1,2,…,n)，同时有m个模糊集合；A_j∈V(j＝1,2,…,m)，如果存在x_i，使得隶属度则称属于模糊集合A_j，表示为：上述公式表示为精确量x_i隶属度归属于模糊量A_j；取误差的论域为X，误差变化的论域为Y，控制量的论域为Z；用模糊集合来描述模糊量，E表示被测磁阻的实际值f对给定磁阻值f₀的偏差e＝f‑f₀的模糊集合，EC表示磁阻变化率的模糊集合，U表示控制PWM电流百分比大小的模糊集合；根据模糊划分与量化之间的关系，取E、EC、U的模糊子集个数分别为7、7、5，则模糊集合表示为：其中，“NB”、“NM”、“NS”、“ZO”、“PS”、“PM”、“PB”、“Z”这些词汇为模糊量；通过隶属函数确定精确量x所隶属模糊量A_j的隶属度；求取隶属函数，即确定隶属函数的形状；把模糊变量设为正态型模糊变量，其隶属函数为：其中，a表示为对应于模糊量A_j的精确量，δ的大小直接影响隶属函数曲线的形状；23)通过模糊推理，建立知识库，得到模糊控制规则；用“if A and B then C”(若A且B则C)语言来描述控制规则，其中A、B为输入量，C为输出量；本系统的模糊控制语言由“if E＝PB and EC＝PB then U＝PB”这样的条件语句组成，本系统形成49条控制规则；24)根据控制规则确定的规则，通过推理，反模糊化；再根据前面确定的模糊量，得到每一条规则的关系R_k，表示为：其中，i＝1,2,…,7；j＝1,2,…,7；k＝1,2,…,49，“×”表示集合的直积，E_i和EC_j分别是属于E和EC的模糊量，U_ij是在输入量为E_i和EC_j的情况下，根据模糊控制规则得到的输出模糊量；根据每一条模糊语句决定的模糊关系R_k，得描述整个系统的控制规则，因此，总的模糊关系矩阵R表示为：根据模糊推理合成规则，输出的控制量应是模糊集U：其中，为合成符号，从而，根据上式计算出对应E和EC论域中的各子集对应的输出U，因此，建立模糊关系矩阵、根据求出的模糊关系矩阵得出U值，建立模糊控制表；25)对输出量进行反模糊化，经过模糊推理，将已经模糊化的精确量利用下述加权平均法表达式进行反模糊化，得到实际的控制执行量u_o，其中，u_i为第i个模糊子集所对应的输出量，μ(u_i)为隶属函数；所述的健身骑行台主控模块从传感器模块获得实时健身骑行台轴心相连的铁盘上的小磁铁引发的脉冲次数，再结合各脉冲之间的时间间隔换算成轴心的转动频率，在消去干扰带来的跳变数据并保证数据处理的实时性的前提下，选取了霍尔传感器接收到若干次脉冲所用的时间取其平均值的方式来计算骑行的实时线速度。