自行車運(yùn)動(dòng)員智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

張 菡 ，韓 旭 ，孫 路

自行車越來(lái)越成為一種風(fēng)靡全球的運(yùn)動(dòng)，不僅有大量的業(yè)余騎行愛(ài)好者，活躍在世界各地的騎行路線，每年，更是有各種各樣的世界級(jí)專業(yè)自行車賽事，讓世界各地的自行車運(yùn)動(dòng)員們一展拳腳。對(duì)于專業(yè)運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，為了提高自身的競(jìng)技水平，不僅需要專業(yè)的教練進(jìn)行指導(dǎo)，合適的訓(xùn)練場(chǎng)地也是必不可少的。而且各種各樣的科學(xué)技術(shù)逐漸地融入到體育行業(yè)，大量的比賽事實(shí)證明，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的體能和訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理和分析，從而制定的訓(xùn)練方案能夠更加高效地提高運(yùn)動(dòng)員的體能和競(jìng)技水平。本文根據(jù)自行車賽事的特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)員的體能水平和長(zhǎng)久以來(lái)的自行車訓(xùn)練的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了一套能夠輔助自行車運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行更加科學(xué)高效訓(xùn)練的系統(tǒng)。結(jié)合硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有方便快捷、交互友好、科學(xué)高效、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，可以克服專業(yè)教練和訓(xùn)練場(chǎng)地的制約，幫助運(yùn)動(dòng)員在更短的時(shí)間內(nèi)更快地提高競(jìng)技水平，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

自行車運(yùn)動(dòng)員為了在各大賽事中獲取更好的成績(jī)，日常的訓(xùn)練尤為重要。日常訓(xùn)練大致上可以分為兩種：基本技能訓(xùn)練和賽道模擬訓(xùn)練?；炯寄苡?xùn)練主要鍛煉運(yùn)動(dòng)員的體能和騎行技巧，賽道模擬訓(xùn)練可以幫助運(yùn)動(dòng)員更加熟悉道路情況，從而制定相應(yīng)的競(jìng)技策略。

1 系統(tǒng)概況

系統(tǒng)的主要目的是輔助運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行更好地訓(xùn)練，其功能分為3個(gè)部分：日常訓(xùn)練模塊，公路賽模擬訓(xùn)練模塊，歷史記錄模塊。在進(jìn)行日常訓(xùn)練之前，運(yùn)動(dòng)員需要進(jìn)行一次體能測(cè)試，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試結(jié)果將運(yùn)動(dòng)員的體能劃分成不同的等級(jí)，并根據(jù)不同的等級(jí)為運(yùn)動(dòng)員提供不同程度的訓(xùn)練計(jì)劃，以達(dá)到高效訓(xùn)練的效果。公路賽模擬訓(xùn)練模塊一方面還原了真實(shí)的比賽地形和環(huán)境，另一方面還能提供視覺(jué)和感官上的體驗(yàn)。運(yùn)動(dòng)員在使用系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都會(huì)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的處理后，一方面會(huì)在歷史記錄模塊進(jìn)行分類展示，讓運(yùn)動(dòng)員能夠隨時(shí)查看自己的訓(xùn)練情況，另一方面，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的分析，還可以反饋出運(yùn)動(dòng)員在一段時(shí)間內(nèi)的訓(xùn)練水平和體能變化，并以此作為訓(xùn)練的依據(jù)，從而制定出更加科學(xué)合理的日常訓(xùn)練計(jì)劃。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 硬件層

硬件層是包括自行車騎行臺(tái)、嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及各種傳感器在內(nèi)的所有硬件設(shè)備，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。自行車上安裝了地磁偏角、加速度計(jì)、光電碼盤等十余個(gè)高性能傳感器，用以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員的騎行速度、車把偏角、踏頻、心率等數(shù)據(jù)。為了運(yùn)動(dòng)員能在自行車上與系統(tǒng)自然方便地交互，系統(tǒng)還安裝了Leap Motion體感控制器。Leap Motion可以采集運(yùn)動(dòng)員雙手的位置、速度、旋轉(zhuǎn)角度和移動(dòng)方向等信息，以實(shí)現(xiàn)高精度的手勢(shì)控制。另外，在系統(tǒng)底部的發(fā)電機(jī)同時(shí)可以收集騎行時(shí)產(chǎn)生的能量，經(jīng)過(guò)斬波和逆變等一系列電力電子模塊，再配合大容量聚合物鋰離子電池，實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和利用。不但實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)本身的自供電，還可以為其他小型電器供電，起到了節(jié)能環(huán)保的效果。

2.2 中間層

中間層是連接硬件層和應(yīng)用層的橋梁，主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合與分析、人機(jī)交互和控制指令傳遞等3個(gè)功能。傳感器采集到的數(shù)據(jù)匯總到單片機(jī)中進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理和融合，得到準(zhǔn)確的速度、車把偏角、心率等數(shù)據(jù)，再由嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行二次處理，得到騎行功能閾值功率、平均心率等專業(yè)騎行訓(xùn)練數(shù)據(jù)，提供給上層應(yīng)用使用。

除了上述硬件上的數(shù)據(jù)接口，中間層還提供了一個(gè)軟件數(shù)據(jù)接口，支持不同格式的賽道數(shù)據(jù)導(dǎo)入，經(jīng)過(guò)統(tǒng)一的格式化處理之后，再與其他環(huán)境變量進(jìn)行融合，形成最終的模擬環(huán)境數(shù)據(jù)集，同樣提供給上層應(yīng)用使用。

相反的，在應(yīng)用中對(duì)于騎行阻力控制，需要由嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)把控制指令傳遞給單片機(jī)，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，改變騎行阻力。同時(shí)，中間層還負(fù)責(zé)處理Leap Motion體感控制器傳遞的手勢(shì)數(shù)據(jù)，并加以處理，實(shí)現(xiàn)多種不同手勢(shì)的識(shí)別，以方便運(yùn)動(dòng)員與應(yīng)用的交互。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是在中間層的基礎(chǔ)上，利用識(shí)別到的手勢(shì)和處理后的騎行數(shù)據(jù)，為運(yùn)動(dòng)員提供實(shí)時(shí)的訓(xùn)練指導(dǎo)以及模擬的賽道騎行環(huán)境。運(yùn)動(dòng)員采用不同的手勢(shì)，就可以完成與系統(tǒng)的交互，操作十分便捷。賽道騎行環(huán)境實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)和感官上的模擬，一方面可以圖像化的顯示預(yù)先導(dǎo)入的賽道數(shù)據(jù)，給運(yùn)動(dòng)員一種直觀的體驗(yàn)，另一方面還會(huì)根據(jù)當(dāng)時(shí)的天氣狀況計(jì)算出空氣阻力，從而對(duì)騎行阻力進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓模擬的騎行訓(xùn)練更加接近真實(shí)賽道的訓(xùn)練效果。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)采用的嵌入式開(kāi)發(fā)板和單片機(jī)分別為Intel公司的Galileo和Bay Trail開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Intel Galileo開(kāi)發(fā)板與Bay Trail開(kāi)發(fā)平臺(tái)通過(guò)串行接口連接，實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)交換。硬件安裝位置如圖1，對(duì)于HMC5883電子羅盤模塊，Galileo通過(guò)IIC總線實(shí)現(xiàn)方向矢量的讀??；對(duì)于握把、坐姿等人體姿態(tài)傳感器以及心率、電流等傳感器，通過(guò)I/O接口連接即可實(shí)現(xiàn)Galileo對(duì)模擬量和數(shù)字量的讀??；對(duì)于車速以及踏頻的測(cè)量，MSP430通過(guò)串行接口與Galileo相連，不過(guò)由于MSP430為3.3V單片機(jī)，因此串行總線需要進(jìn)行簡(jiǎn)單電平轉(zhuǎn)換。

圖1 硬件位置圖Figure 1 Hardware Location

3.1.1 能源管理系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)員在騎行時(shí)會(huì)消耗自身能量，那么就可以靠自身發(fā)電裝置來(lái)滿足系統(tǒng)的用電需求。我們選用直流發(fā)電機(jī)作為系統(tǒng)電源，通過(guò)電力電子裝置進(jìn)行電能變換，產(chǎn)生12 V直流電和220 V交流電滿足系統(tǒng)要求，另外弱電部分所需的5 V和3.3 V電源可由Galileo開(kāi)發(fā)板提供。

3.1.1.1 阻尼控制

在真實(shí)的騎行運(yùn)動(dòng)中，騎行阻力主要源自4個(gè)方面：自行車機(jī)械結(jié)構(gòu)摩擦，車輪與地面之間滾動(dòng)摩擦，上、下坡時(shí)重力分量以及空氣阻力。在我們的系統(tǒng)中，由于使用了真實(shí)自行車，而且車輪與飛輪滾筒之間的傳動(dòng)可以模擬與路面之間的滾動(dòng)摩擦，因此只需要通過(guò)電機(jī)產(chǎn)生空氣阻力和重力分量帶來(lái)的阻力即可讓運(yùn)動(dòng)員有真實(shí)的騎行體驗(yàn)。

根據(jù)直流電機(jī)特性方程：

式中，CT、Ce為常值。

我們可以近似認(rèn)為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流成正比，輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，因此需要對(duì)電流進(jìn)行跟蹤控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣阻力的模擬。圖2為阻控制原理圖。

圖2 阻力控制原理圖Figure 2 Principles of Resistance Control

3.1.1 .2電能變換

直流發(fā)電機(jī)輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，輸出功率也隨時(shí)間不停變化，因此需要大量電能轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)裝置才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。我們的電能變換裝置主要分為以下幾個(gè)部分：DC-DC變換裝置、直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)以及DC-AC逆變器。

DC-DC變換部分由兩套降壓斬波電路組成，降壓斬波電路通過(guò)控制電路中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間和占空比對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行控制，簡(jiǎn)單高效。其一選用12 V30 A降壓變換器，只有當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓超過(guò)12 V時(shí)該變換器才開(kāi)始工作，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的12 V直流電源，滿足系統(tǒng)的用電需求；另外為了保持系統(tǒng)功率平衡，我們選用6～90 V寬電壓輸入，最大15 A電流輸出的可調(diào)降壓電路和功率電阻構(gòu)成可調(diào)負(fù)載。在負(fù)載電阻一定的情況下，只需要控制變換器的輸出電壓即可控制負(fù)載消耗的功率，即控制流過(guò)可調(diào)負(fù)載的電流。

在實(shí)際測(cè)試中，電機(jī)輸出電壓小于6 V時(shí)，自行車處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，此時(shí)空氣阻力理論值遠(yuǎn)小于機(jī)械摩擦，因此可以忽略此處帶來(lái)的誤差。

系統(tǒng)內(nèi)部的電源全部源自DC-DC變換器的12 V電壓輸出，因此當(dāng)電機(jī)電壓小于12V時(shí)變換器無(wú)電壓輸出，系統(tǒng)電源將會(huì)中斷，因此為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，我們選用電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，其參數(shù)如表1。

表1 電池參數(shù)表Table Ⅰ Battery Parameters

這樣即使人體輸出功率較低的情況下，仍可以維持系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間，而當(dāng)人體輸出功率達(dá)到系統(tǒng)啟動(dòng)門限，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電機(jī)供電，同時(shí)為電池充電，保證電池的電量達(dá)到要求。

3.1.2 傳感與測(cè)量系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要大量的傳感器來(lái)識(shí)別人體姿勢(shì)、車把轉(zhuǎn)向、車輪轉(zhuǎn)速、踏頻、心率、輸出功率等信號(hào)，因此傳感與測(cè)量在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中起著重要的作用。

3.1.2.1 轉(zhuǎn)向測(cè)量

我們選擇HMC5883芯片作為方向傳感器。HMC5883模塊能夠采集地磁場(chǎng)在3個(gè)軸向上的分量并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)IIC總線傳送給Galileo開(kāi)發(fā)板。由于自行車把的實(shí)際轉(zhuǎn)向方式不僅僅是水平方向的旋轉(zhuǎn)，還涉及到垂直方向的旋轉(zhuǎn)和翻滾運(yùn)動(dòng)，因此單純的磁場(chǎng)分量檢測(cè)不能完全反映車把的旋轉(zhuǎn)?？紤]到系統(tǒng)對(duì)車把信號(hào)的精度要求不高，同時(shí)考慮到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難易程度，這里對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單軟件處理即可。

3.1.2.2 車速及踏頻測(cè)量

傳統(tǒng)的車速測(cè)量方法是在車輪輻條上安裝磁鐵，通過(guò)霍爾效應(yīng)檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的踏頻測(cè)試方法也是如此，只不過(guò)磁鐵安裝在曲柄上。但是由于在實(shí)際騎行運(yùn)動(dòng)中，人體采取制動(dòng)措施后盡管車輪被抱死，由于慣性作用自行車仍然在向前運(yùn)動(dòng)，因此傳統(tǒng)的依靠檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速測(cè)量車速的方法不能準(zhǔn)確反映自行車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，另外由于傳統(tǒng)測(cè)速方式只有當(dāng)車輪轉(zhuǎn)過(guò)一周才能得到一次脈沖，因此低速情況下響應(yīng)較慢，而且需要根據(jù)不同自行車型號(hào)輸入輪胎直徑，操作復(fù)雜。

基于以上缺點(diǎn)，我們對(duì)測(cè)速裝置進(jìn)行了改進(jìn)，將測(cè)速裝置安裝在電機(jī)主軸上而不是車輪上，由于飛輪滾筒能夠很好地模擬大地與自行車之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（包括滾動(dòng)與滑動(dòng)），電機(jī)與飛輪傳動(dòng)比恒定，因此電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速能夠直接反應(yīng)自行車的實(shí)際車速。在電機(jī)上安裝了光電碼盤和光電對(duì)管，在碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光柵會(huì)間歇性地使光電對(duì)管導(dǎo)通和關(guān)斷，只需要測(cè)量光電對(duì)管的輸出頻率即可得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速。對(duì)于踏頻測(cè)試，由于系統(tǒng)對(duì)踏頻的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試不做過(guò)多要求，只考慮穩(wěn)態(tài)情況即可，因此這里選用霍爾元件測(cè)量，簡(jiǎn)單易行。

3.1.2.3 心率測(cè)量

采用光學(xué)心率傳感器對(duì)心率進(jìn)行測(cè)量，該傳感器實(shí)際上是一款集成了放大電路和噪聲消除電路的光學(xué)傳感器，運(yùn)動(dòng)員使用時(shí)只需將該傳感器粘貼在車把上，手指輕輕壓在傳感器上，傳感器即可將人體心跳信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)Galileo模擬信號(hào)接口即可實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量。

上位機(jī)接收到電壓信號(hào)之后還要對(duì)波形進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理和分析才能夠得到心率數(shù)值，具體做法是先根據(jù)電信號(hào)的平均值規(guī)劃出一個(gè)閾值電壓，將心率電壓波形與閾值相比較即可得出脈沖式數(shù)字信號(hào)，通過(guò)測(cè)量相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔即可求出運(yùn)動(dòng)員當(dāng)前的心率值。

3.1.2.4 功率測(cè)量

人體騎行產(chǎn)生的功率通過(guò)兩方面消耗，一方面是機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)械損耗，另一方面通過(guò)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能供給系統(tǒng)使用。對(duì)于機(jī)械損耗，由于大多數(shù)情況所占比重較小，且摩擦阻力基本保持恒定，因此我們對(duì)這部分功率測(cè)量要求不高，將發(fā)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)帶動(dòng)自行車輕載運(yùn)行，監(jiān)測(cè)電機(jī)的電壓和電流即可得出機(jī)械功率，再根據(jù)車速即可求出機(jī)械阻力值。對(duì)于電功率的測(cè)量，只需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的輸出電壓和輸出電流即可準(zhǔn)確求出功率大小。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

圖3為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖Figure 3 Data Transfer Structure

在數(shù)據(jù)傳輸部分，系統(tǒng)主要運(yùn)用了3項(xiàng)技術(shù)：node.js，串行接口通信和Websocket通信。利用node.js的serialport模塊實(shí)現(xiàn)了Galileo開(kāi)發(fā)板到Bay Trail嵌入式平臺(tái)波特率為9600的全雙工通信。利用node.js的socket.io模塊可以非常方便快速地把Galileo開(kāi)發(fā)板發(fā)送過(guò)來(lái)的騎行數(shù)據(jù)推送到前端網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用上面，而并不需要長(zhǎng)輪詢方式的發(fā)送請(qǐng)求。

3.3 交互

Leap Motion具有外形小巧、易于安裝、識(shí)別度較高等特點(diǎn)，非常適合實(shí)現(xiàn)手勢(shì)交互的應(yīng)用。根據(jù)系統(tǒng)的操作需求，設(shè)計(jì)了這些操作手勢(shì)。

3.3.1 上下左右滑動(dòng)

手勢(shì)：手掌在Leap Motion上進(jìn)行上下左右的滑動(dòng)。

應(yīng)用：此手勢(shì)用在初始菜單的選擇，以及在某些復(fù)選框表示確定或取消。

實(shí)現(xiàn)：滑動(dòng)是Leap Motion本身就可以識(shí)別的手勢(shì)，沒(méi)有過(guò)多處理。當(dāng)type屬性為swipe時(shí)，direction屬性即為滑動(dòng)的空間向量，直接根據(jù)向量在x，y，z三軸分量就得到了滑動(dòng)的方向。

3.3.2 連續(xù)抓握兩次

手勢(shì)：手掌從打開(kāi)到握緊的過(guò)程為一次抓握，連續(xù)兩次，類似于鼠標(biāo)雙擊。

應(yīng)用：該手勢(shì)用于表示確定進(jìn)入某一應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)：grabStrength屬性表示了當(dāng)前手掌的握緊程度，0為完全打開(kāi)，1為完全握緊。每當(dāng)grabStrength為1時(shí)，我們提取前10幀的數(shù)據(jù)，看是否出現(xiàn)了0->1->0->1這樣一個(gè)過(guò)程，若有，證明該手勢(shì)出現(xiàn)。

3.3.3 雙手放大或縮小

手勢(shì)：雙手反向遠(yuǎn)離滑動(dòng)即為放大，雙手相向滑動(dòng)即為縮小。

應(yīng)用：該手勢(shì)主要用于地圖的縮放。

實(shí)現(xiàn)：該手勢(shì)實(shí)現(xiàn)與滑動(dòng)手勢(shì)基本相同，但是利用了兩只手來(lái)實(shí)現(xiàn)。Leap Motion可以識(shí)別當(dāng)前手掌為左右還是右手。當(dāng)左手滑動(dòng)方向向右，右手滑動(dòng)方向向左時(shí)，為縮小指令。當(dāng)左手滑動(dòng)方向向左，右手滑動(dòng)方向向右時(shí)，為放大指令。

3.3.4 抓握移動(dòng)

手勢(shì)：?jiǎn)问治站o，移動(dòng)，類似于鼠標(biāo)的拖拽動(dòng)作。

應(yīng)用：該手勢(shì)應(yīng)用于地圖的移動(dòng)，用于選定地圖起始坐標(biāo)點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)：當(dāng) grabStrength為1時(shí)，利用translation函數(shù)，得到當(dāng)前幀與上一幀的手掌移動(dòng)向量translation。根據(jù)每幀之間的手掌移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的抓握移動(dòng)。

3.3.5 單手轉(zhuǎn)動(dòng)

手勢(shì)：手在Leap Motion的X，Y平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用：控制歷史記錄模式內(nèi)的日歷轉(zhuǎn)盤。

實(shí)現(xiàn)：根據(jù)食指指尖在X，Y平面內(nèi)的位置變化，計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度:設(shè)當(dāng)前坐標(biāo)為(x,y)，坐標(biāo)變化量為(Δx，Δy)，轉(zhuǎn)動(dòng)角為 θ，則有

3.3.6 暫停手勢(shì)

手勢(shì)：類似于籃球比賽的暫停手勢(shì)，右手五指并攏，左手食指指向右手掌心。

應(yīng)用：在動(dòng)感單車模式內(nèi)，控制視頻的播放暫停。

實(shí)現(xiàn)：當(dāng)左手食指的方向向量與右手手掌的法向量角度約為180°，且食指指尖坐標(biāo)與右手手掌中心位置距離小于10時(shí)，認(rèn)為該手勢(shì)有效。

利用上述幾種手勢(shì)，可以非常方便且高效地完成我們需要的所有控制。

3.4 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

3.4.1 專業(yè)訓(xùn)練模塊

專業(yè)訓(xùn)練模塊是一個(gè)基于FTP測(cè)試的功率訓(xùn)練課程。在初次使用系統(tǒng)，以及每到一個(gè)30 d的大周期時(shí)，都需要進(jìn)入FTP測(cè)試階段，以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員當(dāng)前的騎行水平，從而及時(shí)地更新訓(xùn)練計(jì)劃。

FTP測(cè)試的具體過(guò)程為：騎行者進(jìn)入系統(tǒng)，首先熱身，之后進(jìn)入測(cè)試頁(yè)面開(kāi)始測(cè)試。系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)騎行者的實(shí)時(shí)功率、心率、里程等，匯總為平均數(shù)據(jù)。如果測(cè)試者不能堅(jiān)持測(cè)試到1 h，取20 min的數(shù)據(jù)，如果能堅(jiān)持到1 h，取1 h的數(shù)據(jù)。

相對(duì)于功率來(lái)說(shuō)，心率數(shù)據(jù)更能反映個(gè)人當(dāng)前的身體狀況是否能進(jìn)行/堅(jiān)持訓(xùn)練。因此，在本訓(xùn)練系統(tǒng)中，心率是一個(gè)訓(xùn)練中的輔助數(shù)據(jù)。在FTP測(cè)試中，同樣監(jiān)測(cè)了平均心率數(shù)據(jù)，作為有氧閾值心率（LTHR）。我們利用《The Cyclist’s Training Bible》提供的方法建立了一個(gè)有氧閾值心率的測(cè)試方法（見(jiàn)表2），與FTP測(cè)試同時(shí)完成。

表2 有氧閾值心率測(cè)試Table Ⅱ Aerobic Threshold Heart Rate Test

測(cè)試頁(yè)面分為5個(gè)部分：速度曲線、心率曲線、功率曲線、累計(jì)距離和累計(jì)時(shí)間。

訓(xùn)練系統(tǒng)：耐力訓(xùn)練是一種有氧訓(xùn)練，自行車運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)有氧無(wú)氧混合的運(yùn)動(dòng)，擁有好的有氧能力，是應(yīng)對(duì)比賽中不時(shí)出現(xiàn)的無(wú)氧拉扯的基礎(chǔ)。對(duì)于一般的以鍛煉目的為基礎(chǔ)的業(yè)余騎手，有氧訓(xùn)練更加重要，這是提高他們心肺功能很好的方式。本訓(xùn)練課程按騎手的水平從低到高設(shè)定了不同時(shí)長(zhǎng)的耐力訓(xùn)練。

在間歇訓(xùn)練中，運(yùn)動(dòng)員先騎一段時(shí)間的高于FTP的功率輸出，然后一段時(shí)間低于FTP的功率輸出的訓(xùn)練方式，兩者交替進(jìn)行，這是自行車訓(xùn)練中不可缺少的一環(huán)（見(jiàn)表3）。通過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)踐，人們發(fā)現(xiàn)對(duì)于已經(jīng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練的耐力運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，再進(jìn)行次高強(qiáng)度的訓(xùn)練對(duì)他們的成績(jī)提高微乎其微，只有進(jìn)行間歇訓(xùn)練才能進(jìn)一步提高他們的運(yùn)動(dòng)能力。

表3 根據(jù)FTP劃分的等級(jí)以及每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練強(qiáng)度Table Ⅲ Levels according to the Division of FTP and the Corresponding Training Intensity to Each Level

對(duì)于一般的業(yè)余騎手來(lái)說(shuō)，間歇訓(xùn)練是快速提高他們高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)承受能力的一種途徑，在中等強(qiáng)度的騎行中穿插幾組間歇，既使得訓(xùn)練過(guò)程不那么枯燥，又能夠顯著提高運(yùn)動(dòng)能力，這是純耐力訓(xùn)練無(wú)法替代的。

考慮到間歇訓(xùn)練會(huì)給肌肉帶來(lái)的巨大負(fù)擔(dān)，本訓(xùn)練課程的一個(gè)訓(xùn)練周期末端安排了恢復(fù)訓(xùn)練騎行，恢復(fù)騎行的要素是，以小強(qiáng)度的騎行，放松肌肉，排除肌肉前一天因間歇產(chǎn)生的大量乳酸?；謴?fù)訓(xùn)練沒(méi)有功率上的要求，基本按心率的第二分區(qū)騎行就能滿足恢復(fù)騎的要求。

前文已經(jīng)提到，心率在反映人當(dāng)前的身體狀況上優(yōu)于功率，因此我們還設(shè)置了一個(gè)疲勞監(jiān)測(cè)的模塊去檢驗(yàn)騎手能否堅(jiān)持當(dāng)天的訓(xùn)練課程。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是當(dāng)騎手在訓(xùn)練時(shí)，在達(dá)到正常訓(xùn)練的心率基礎(chǔ)上，功率低于正常訓(xùn)練平均值的80%，就應(yīng)停止訓(xùn)練。這個(gè)情況表明了當(dāng)前騎手的肌肉處于疲勞狀態(tài)，在同樣的氧氣攝入量下無(wú)法輸出正常的功率。另外，早晨起床的晨間靜止心率也在考慮之中，如果晨間靜止心率高于正常的110%，說(shuō)明前一天的訓(xùn)練量過(guò)大，身體較為疲勞，當(dāng)天應(yīng)該進(jìn)行恢復(fù)騎行。

3.4.2 模擬賽道模塊

這里面包含了3個(gè)主要的模塊：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、賽道重現(xiàn)模塊。模塊之間的聯(lián)系如圖4。

圖4 模塊連接圖Figure 4 Module Connection

3.4.2.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊

我們需要的數(shù)據(jù)來(lái)源于兩個(gè)方面，真實(shí)的賽道數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)。公路自行車賽的形式有很多，獲取賽道數(shù)據(jù)的渠道也不盡相同，所以源數(shù)據(jù)的格式存在一定的差異，為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)導(dǎo)入形式，需要統(tǒng)一的源數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊中包含了針對(duì)不同類型源數(shù)據(jù)的適配器，經(jīng)過(guò)處理后的源數(shù)據(jù)統(tǒng)一輸出為json格式，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)需求。一旦出現(xiàn)新的源數(shù)據(jù)形式，只需要增加相應(yīng)的源數(shù)據(jù)適配器。

同樣地，能夠提供天氣查詢的API有很多種，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊中還有針對(duì)天氣數(shù)據(jù)的適配器，從中提取我們所需要的風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，并輸出為統(tǒng)一的json格式。

3.4.2.2 數(shù)據(jù)融合模塊

經(jīng)過(guò)格式化的源數(shù)據(jù)是相對(duì)獨(dú)立的，但是實(shí)際比賽過(guò)程中呈現(xiàn)的是一個(gè)整體。數(shù)據(jù)融合模塊的功能就是將這些相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的邏輯融合在一起，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)情景的最佳模擬。

天氣的數(shù)據(jù)是根據(jù)時(shí)間獲取的，也就是所導(dǎo)入賽事的實(shí)際比賽時(shí)間，模擬情景中天氣變化的依據(jù)是從比賽開(kāi)始后的相對(duì)時(shí)間。那么，決定當(dāng)前環(huán)境的因素就有兩個(gè)：時(shí)間和位置。時(shí)間決定了當(dāng)前環(huán)境的風(fēng)速和方向，位置決定了當(dāng)前環(huán)境的地勢(shì)、排名等因素。

數(shù)據(jù)融合模塊將這兩方面的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起之后，會(huì)提供一個(gè)接口，這個(gè)接口的輸入是時(shí)間和位置，輸出是控制當(dāng)前環(huán)境因素的所有變量。

3.4.2.3 賽況重現(xiàn)模塊

賽況重現(xiàn)模塊通過(guò)調(diào)用前兩個(gè)模塊，提供賽道數(shù)據(jù)的可視化和體感上的體驗(yàn)。賽道數(shù)據(jù)的可視化主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的圖形化表達(dá)，體感部分主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)角和阻力上的變化。

3.4.3 歷史記錄模塊

這是騎行數(shù)據(jù)的主要展示模塊，分別以天、月為單位，為運(yùn)動(dòng)員提供各個(gè)時(shí)間段的騎行數(shù)據(jù)查看。并且統(tǒng)計(jì)出了運(yùn)動(dòng)員的各項(xiàng)數(shù)據(jù)平均值和和值，例如平均速度、平均功率、總時(shí)間、總里程、總能量等。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 騎行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率測(cè)試

4.1.1 測(cè)試方案

選取10名志愿者進(jìn)行騎行測(cè)試，每人騎行10 min，每分鐘統(tǒng)計(jì)一次騎行過(guò)程中的速度、角度、心率、功率、踏頻，再對(duì)比專業(yè)自行車儀表測(cè)試出來(lái)的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。對(duì)于姿態(tài)和握把數(shù)據(jù)，每人做10次測(cè)試，統(tǒng)計(jì)正確次數(shù)。

4.1.2 測(cè)試工具

自行車碼表、心率計(jì)、踏頻計(jì)、功率計(jì)。

4.1.3 測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表4）

4.1.4 結(jié)果分析

在姿態(tài)和握把上，因?yàn)閿?shù)據(jù)量很低，且傳感器穩(wěn)定性較高，但在串口數(shù)據(jù)通信時(shí)出現(xiàn)了一次錯(cuò)誤，因此數(shù)據(jù)正確率達(dá)到了99%。對(duì)于速度和踏頻，因?yàn)閭鞲衅鞯木茸銐蚋?，基本沒(méi)有錯(cuò)誤，但在速度極低的情況下，踏頻會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間未更新數(shù)據(jù)的情況，因此準(zhǔn)確度有所下降。由于機(jī)械損耗的原因，電機(jī)測(cè)得的功率與功率計(jì)測(cè)得的功率由一定的偏差，經(jīng)過(guò)軟件修正，達(dá)到了88%的正確率，基本符合要求。而心率的測(cè)量出現(xiàn)了一定的問(wèn)題，因?yàn)樾穆蕚鞲衅魇前惭b在車把上的，與用戶的手型、握緊程度等因素有很大的關(guān)系，因此出現(xiàn)了很長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)缺失的情況。若要測(cè)得較好的數(shù)據(jù)，需要多次摸索，掌握測(cè)量要領(lǐng)。

表4 騎行數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果Table Ⅳ Cycling Data Test Result

4.2 勢(shì)識(shí)別率測(cè)試

4.2.1 測(cè)試方案

選取5名志愿者，分別對(duì)系統(tǒng)中涉及到的6種手勢(shì)進(jìn)行20次測(cè)試，統(tǒng)計(jì)正確識(shí)別次數(shù)。

4.2.2 測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表5）

表5 手勢(shì)識(shí)別結(jié)果Table Ⅴ Result of Gesture Recognition

4.2.3 結(jié)果分析

手勢(shì)識(shí)別的結(jié)果基本令人滿意，但因Leap Motion的識(shí)別精度過(guò)高，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤操作的現(xiàn)象。這在雙手放大縮小手勢(shì)上比較明顯，有時(shí)識(shí)別不到，有時(shí)又會(huì)連續(xù)放大或縮小兩次。其他手勢(shì)的正確率都達(dá)到80%以上，基本達(dá)到了正常使用的要求。

5 小結(jié)

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，智能設(shè)備將越來(lái)越快地融入到人們的工作生活中，為人們帶來(lái)更加方便快捷、科學(xué)高效的使用體驗(yàn)。本系統(tǒng)正是立足于這一點(diǎn)，旨在通過(guò)運(yùn)用合適的科學(xué)技術(shù)來(lái)幫助運(yùn)動(dòng)員更好地完成訓(xùn)練，更快地提高自身的競(jìng)技水平。結(jié)合運(yùn)動(dòng)員自身的體能特點(diǎn)，通過(guò)大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，從而制定出的更加合理的訓(xùn)練計(jì)劃，也體現(xiàn)了本系統(tǒng)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，本系統(tǒng)具有交互友好、使用便捷、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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