现实技术的交互式健身自行车的研究

如道路、建筑物、树木、河流以及天空等背景，并配合立
体显示技术，增强视景仿真系统的真实度。视景仿真系统
主要由图形工作站，红外立体显示设备和立体眼镜组成。
视景的建模采用的是目前国际上比较普遍的３ｄｓ文 件格式，其建模过程基本分为两步：第一步称为几何建模， 主要包括用多边形或三角形拼构成对象的立体外形；第二 步称为形象建模，主要包括对几何建模的结果进行纹理、 颜色、光照等处理。整个虚拟场景的建模主要包括城市 和村庄等场景的建模，不同场景中线路崎岖的程度是不 同的，崎岖的路径可以让健身者表演特级动作，使健身 者在漫游过程中充分体验到运动的刺激和娱乐性。为了 增强逼真度，场景中的建筑是根据实际建筑的航拍数据 得到的，经过模型简化后加入场景。同时我们也在场景 中加入了一定的交互对象，这样可以动静结合，给健身 者以身临其境的感受。
Ｏｉａｎ铲ｕ ｕＴｌｉＶｅｒｓｉｔｙ，ｚｈｅ巧ｉａｎｇ Ｊｉａｎ乎ｕ ２１２０１３，ｃ１１ｉｎａ）
Ａｂｓｔｍｃｔ： ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｕＧ／ｏＰｅｎ ＧＲＩＰ、ｕＧ／ｏｐｅｎ ＡＰＩ、ｕＧ／ｏｐｅｎ Ｍｅｎｕｓｃｒｉｐｔ ａｎｄ ｕＧ／ｏｐｅｎ ｕＩｓ叫ｅｒ ｉｎ ｕＧ／ｏｐｅｎ ｗｅｒｅ
ａｄ啪ｃｅｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗＫｃｈ ｔｌｌｅ
模拟分别由不同的模块封装。这使得该仿真系统具有很
强的开放性和重用性，更便于今后进行功能扩展和系统
维护。为了实现虚拟场景软件的通用性和可扩展性，使
用ＣＯＭ组件进行开发，并使用ＯｐｅｎＧＬ库，以Ｖｉｓｕａｌ
Ｃ＋＋为平台开发虚拟场景图形引擎。
考虑到系统中图像的制作同时还要进行实时的通讯
等工作，为保证系统可靠稳定的工作，采用多线程的程
基于虚拟现实技术的交互式健身自行车的研究
赵 峰，孙汉旭，贾庆轩，高 欣
（北京邮电大学自动化学院，北京 １００８７６）
摘要：交互式健身车系统是集虚拟现实技术、自动控制技术和图形学等各学科于一体的互动仿真系统。 本系统由视景仿真系统、运动生成及力觉反馈系统、运动学／动力学仿真系统、网络传输系统组 成，本文详细阐述了各个模块及其关键技术。
ｐｒｏ铲ａｍｍｉｎｇ ｌａＩｌｇｕａｇｅ ＵＧ／ｏＰｅｎ ＡｐＩ ｃｏⅡ１ｂｉｌｌｅｄ诚出ｄｌｅ ｅｄｉｔｏｒ ｏｆ
ｄｉａｌｏｇ ｂｏｘ ＵＧ／ｏｐｅｎ ＵＩＳｔｙｌｅｒ ｗｅｒｅ ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ．
（上接第３７页） 真系统、视景仿真系统、运动学仿真系
１ 系统总体结构
交互健身自行车系统的硬件是由健身车、动力和阻 尼力产生装置、主控图形工作站、传感器及ＤＳＰ数据采 集与控制系统等构成。考虑系统对三维图形实时生成的 要求，结合系统性价比，主控计算机的配置为ＣＰＵ Ｐ４ ２．４Ｇ、内存５１２ＭＢ，及显卡、网卡等。立体显示选用有 源的红外立体显示设备及无线立体眼镜。系统总体结构 由健身车控制系统、动力学和运动学仿真系统、视景仿
第１７卷第６期
机电产品开崖岛钏新
ｖｏＩ．１７，Ｎｏ．６
：！！！！童』坚三皇：：：：：：：：：：：：：：：：：：！圣！竺兰兰兰竺』兰！：！！：：兰垒竺！兰！！垒！！竺！：！！竺！！！！
丛旦！：！ｉ里Ｑ兰
。————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一
（ｃｈａｒ ４ ｄｉａｌｏｇ』ｌｅ，Ｕｎ趴ＹＬＥＲ－ｃａｌｌｂａｃｋｊ血）－ｔ＋ｃｂｓ， ｉｎｔ ｎｕｍｂｅｒ』Ｌｃｂｓ，Ｖｏｉｄ宰ｃｌｉｅｎＬｄａｔａ，ｉｍ幸ｒｅｓｐｏｎｓｅ）函 数显示对话框问。以上三种入口形式大大丰富了开发人
员对开发方式的选择。
６ 结束语
总之，ｕＧ系统除了为我们提供了强大的ｃＡＤ／ ｃＡＥ／ＣＡＭ功能之外，还为我们提供了ＵＧ／０ｐｅｎ开放式 的二次开发工具集。利用它我们可以很方便地开发出满 足用户特殊需要的基于ｕＧ平台的专用系统，既提高了 设计效率又为ｕＧ软件的本地化奠定了基础。
［２】王庆林．洪如谨．ｕＧ／ｏｐｅｎ ＧＲＩＰ实用编程基础［Ｍ】．北京：清华 大学出版社，２００２．
［３】董正卫，田立中，付宜利，徐海峰·ｕＧ／，０Ｐｅｎ ＡＰＩ编程基础［Ｍ】·北 京：清华大学出版社，２００２·
吲陈军·ｗｈ由”平台上ｕＧⅡ内部应用程序的开发啤现代机械，２００１，４．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｃ佃ｄ时ｙ ＤｅＶｅＩｏｐｍｅｎｔ仰ＵＧ
均电压，从而调节电机的转速。
阻力模拟的原理就是使直流电机发电运行，根据直
流电机的转矩公式：
Ｌ庐Ｃ知Ｌ
ｆ２）
可以看出，当转矩常数Ｃ知一定时，电机转矩产生
的阻力和电枢回路平均电流Ｉ。成正比。控制电机回路平
均电流采用ＰＷＭ电路。最后，通过我们建好的动力学
和运动学模型，由主控计算机完成动力和运动学分析，
传送给ＤＳＰ系统再完成健身车的控制。
网络传输系统实现了多人竞技，将游戏和健身活动 结合在一起，大大提高了健身的乐趣，使虚拟现实技术 向大众娱乐又迈进了一步。
２实验结果分析
我们将健身车仿真系统、动力学仿（下转第４３页）
３７
万方数据
体｝。该入口实现了ｕＩｓ￡ｙｌｅ对话框的嵌套调用。 （３）从ｕＧ的Ｆｉｌｅ＿Ｅｘｅｃｕｔｅ ｕＧ／０ｌｐｅｎ—ｕｓｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ
为了提高数据的采集控制的实时性，我们采用ＤＳＰ
开发硬件电路，ＤＳＰ是一种专门用来实现信号处理算法
的微处理器芯片，ＤＳＰ芯片本身的特点再加上集成电路
的优化设计，可使ＤＳＰ芯片的指令周期降低到２０ｎｓ以下，
快速的指令周期使得ＤＳＰ芯片能够实现实时数据的采集
与处理，对我们这种实时系统的要求是非常合适的。
我们使用ｎＩＳ３２ｍ砣４０７Ａ开发主控系统，结合编码
系统工作流程：首先，服务器端设定地址绑定和侦 听端口，等待客户端的连接。为了提高通讯的可靠性和 稳定性，等待客户端连接的过程是通过多线程机制来实 现的。然后，客户端发起连接，连接成功后实现点对点 通讯，服务器端不断的收集客户端健身车的运动数据， 然后将数据集中起来，定时发送给各个客户端，最后， 所有机器中的场景完成自动更新。
用ＵＩＳｔｙｌｅｒ创建两个对话框，对话框１带有一个按
参考文献：
钮控件。在Ｖｃ中新建一个空的动态链接库工程，将
【ｌ】ＥＤｓ ＰＬＭ用户通讯【ｚ】．２００３。２．
ｕＩｓｔｙｌｅｒ创建对话框后生成的＋ｊｅｍｐｌａｔｅ．ｃ和４．ｈ文件都 加入到工程中。在ｔｅｓｔ２ｊｅｍｐｌａｔｅ．ｃ中找到蛾ｆｄｅｆ｝ ＤＩＳＰＬＡＹ－ＦＲＯＭ—ＣＡＬＬＢＡＣＫ，把它和与其对应的＃ｅｎｄｉｆ 语句删除，将这两条语句所包含的函数的名称改为ｔｅｓｔ。 在ｔｅｓｔｌｊｅｍｐｌａｔｅ．ｃ中按钮控件的回调函数中加上一条声
ｐ 分析与 图形生
车＝≥
１０Ｍ／１００Ｍ 局域网
成系统
Ｆｉｇ．１
图ｌ 健身车控制系统结构 Ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ｏｆ Ｇｙｍｎ鼬ｔｉｃ ｂｉｃｙｃＩｅ∞ｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
可以看出，影响电机转速的主要因素是改变电机的
外加电压。动力模拟，就是电机顺向转动自行车轮，这
里控制电路采用的是ＰＷＭ（脉宽调制），改变电枢的平
拟。而阻力部分，主要考虑空气阻力和车轮的摩擦力。根
ｎ：旦一旦Ｉ：旦一堡 据直流电机的转速公式：
…”’
“Ｃ。巾 Ｃ。巾１。 Ｃ。巾 Ｃ Ｃ．由２
３６
万方数据
【健身自行车 Ｉ车把 编码器 车轮 编码器
车把 力传感器
车座 力传感器
手刹
Ｊ
动力电机
【一
阻力电机
ＤＳＰ
》 数据 采集
』 ｃ，
与控
制系
统
计算机
动力学
关键词：虚拟现实；交互式仿真；网络传输；实时数据采集 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６６７３（２００４）０６—０３６～０３
０ 引言
目前市场上存在多种仿真游戏，如汽车、摩托车、赛 艇模拟机，还有虚拟驾驶、虚拟战场的仿真系统等，交互 式模拟器集各种技术（声学、光学、电子、计算机等）于 一体，可以在触觉、视觉、听觉，甚至味觉等各个角度， 模拟现实中的运动。随着虚拟现实技术的迅猛发展，加上 各种先进的展示设备，高性能的计算机，更提高了模拟系 统的真实性，使虚拟现实的三大特点（交互性、沉浸感和 多感知性）表现的淋漓尽致。而虚拟现实技术在体育休闲 业的成功应用就是数字竞技体育。它借助于以虚拟现实技 术为基础而创新的系列休闲健身设备，以日常健身的自然 方式在数字构筑的虚拟环境中的各种逼真比赛场地上进行 锻炼或比赛，使得在现实世界里难以参与或难以亲临的运 动，可以在虚拟的环境下得以实现并产生等同亲临真实环 境的感受和体验。我们开发的虚拟健身系统集健身娱乐于 一体，增加了健身运动的趣味性，更好的提高健身效果。 本文着重介绍了健身车控制系统、力反馈系统、视景仿真 系统、网络传输系统。
实时性是视景仿真系统关键点，目前基于图形实时 的算法有，（采用ＬＯＤ、消隐、可预见性判断等方法）， 来适应大规模数据场景的实时漫游需求。我们在视景仿 真系统开发中，充分考虑了仿真实时性的要求，通过视 锥消隐技术、八叉树分区域显示、ＤＥＭ地形信息内存动 态导入、透明贴图技术、十字交叉贴图技术、Ｍｉｐ技术 等，提高了场景绘制速度。 １．４网络传输系统
器，Ｄ／Ａ电路和ＰＷＭ电路，完成了健身车中包括车把、
车轮、车座、手刹等机构的数据采集，以及接受计算机
传送的命令和控制数据，进行处理后控制健身车的动力
和阻尼力产生装置。健身车系统控制结构如图１所示。
１．２动力与阻尼力反馈模拟
健身车的动力模拟主要是，当自行车下坡时，自行车
和人的重力沿着坡度方向有重力分量时候的健身车运动模
明ｉｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ和一条语句ｔｅｓｔ（＆ｒｅｓｐｏｎｓｅ），这样即可实 现对话框１中的按钮对对话框２的调用。
…调用．ｄＵ文件激活对话框：入口函数为ｅｘｔｅｍ ｖｏｉｄ：
妇（ｃｈａｒ＋ｐ８ｒ锄，ｉｍ＋ｒｅｔｃｏｄｅ，ｉｎｔ ｄｅｎ）｛函数体ｌ。Ｂ
和ｃ这两种方式系统调用ｉｎｃ ｕ邸’ＩＹＬＥＲ』眦ｔｄｉａｌｏｇ
块、力反馈控制模块组成。为了完成数据采集和控制，
我们定义了下面几个运动和控制参数：首先定义了左右
拐弯参数、前进后退参数；然后，定义了车把提力参数
及骑车人重量的参数，利用这对参数来仿真配合车子的
运动状态，来模拟健身车特级表演；最后，定义了力反
馈控制参数，即动力控制参数、阻力控制参数。利用这
些参数，完成对健身系统运动状态采集和力反馈控制。
１．３健身车视觉仿真系统
（１）仿真软件设计。软件设计对该虚拟现实仿真系
统的开发至关重要。软件设计过程中，不但要实现系统
的基本功能，还要综合考虑系统运行的稳定性、可靠
性、高效性和实时性。在软件设计过程中，采用了面向
对象模块化的设计原则，场景中的所有模型都封装了自
己的运动和位置，以及控制函数，并且不同类型的对象
序设计方法，对运动和控制的计算、串口数据传输、网
路数据传输、虚拟场景的生成、三维动画的生成等分别
用独立的线程来管理，这不但保证了系统运行的可靠
性，还提高了计算机资源的利用率。在虚拟场景设计方
面，采用双缓存机制来保持动画的平滑和流畅。
（２）视景仿真实现。视景仿真利用计算机图形图像技
术，生成健身自行车运动过程中健身者看到的虚拟场景，
要完成多人的竞技运动，必须完成多机之间的通 讯，我们通过ＴＣＰ／ＩＰ，进行多机间的数据传输，实现了 网络互动。网络传输系统由若干单机版的பைடு நூலகம்身车系统组 成，通过１０Ｍ／１００Ｍ局域网联机，用网络传输各个健身 车仿真系统的运动位置和状态。
系统构建基于Ｃ／Ｓ结构，由服务器端和多个客户端 组成，服务器端和客户端实现点对点通讯，ＴＣＰ是可靠 传输，对我们这种信息传输要求比较高的系统是非常合 适的，但由于数据传输时数据量的不均衡性，服务器端 的负载比较大。考虑了服务器的性能和实时性，我们设 定服务器的最大连接数，控制连接数目，防止连接过多 使馈城过大，而影响实时数据的传输。
收稿日期：２００４一０９—０６ 作者简介：赵峰（１９８０一），男，硕士生。研究方向 现实技术。
虚拟
真系统、网络传输系统组成。其中健身车控制系统是健
身者与虚拟场景交互平台，视景仿真系统和运动学动力
学仿真系统是实现沉浸感的重要组成部分，网络传输系
统是实现多人交互仿真的基本条件。
１．１健身车控制系统
健身车控制系统由数据采集模块、串口数据传输模