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运动心率与心率反馈控制.doc

运动心率与心率反馈控制

郑锻德
2017-12-06 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《运动心率与心率反馈控制doc》,可适用于活动策划领域

运动心率与心率反馈控制报名号:SC学生姓名:古韵摘要近年来许多青少年沉溺于电脑游戏而缺乏体育锻炼这种现象已经在一定程度上对青少年的身心健康造成损害引起了社会各界的广泛关注。本课题研究通过游戏者的肢体运动来操控计算机游戏并以心率反馈控制的方式对游戏者的运动强度进行限定避免剧烈运动造成身体伤害在有限时间内使锻炼达到最佳效果将体育锻炼有机的融入到计算机游戏中去尝试从一个新的角度解决玩耍游戏过渡而缺乏体育锻炼的问题。本系统具有以下两个主要特点:采用地磁传感器和加速度传感器检测游戏者的姿态和运动信息经过单片机系统处理后将信号以无线方式发送至PC计算机中控制游戏进行。将计算机游戏与体育锻炼直接联系起来玩游戏不再是坐着不动运动锻炼也更富于趣味性使用心率检测装置对游戏者心率信息进行检测并传送至单片机进行分析计算根据游戏者心率变化的情况调整游戏难度从而间接的调整运动剧烈程度避免对游戏者身体造成伤害。本验证系统选用的是经修改的“小球打砖块”的游戏(实际开发时可开发其它更复杂或更有趣的游戏)。系统的游戏软件部分安装在PC计算机上游戏者则身背装有单片机系统的背包通过不断左右挥舞装有传感器的手臂使游戏画面下方的挡板左右移动以接住小球(控制信号通过背包内的单片机系统处理后由无线发射模块发射到个人电脑)。挡板接住小球后游戏者必须在限定时间内跳起背包中单片机系统上的加速度传感器检测到信号后将小球发射出去击打游戏画面上方的砖块。当砖块被击中时电脑立即发出得分的鼓励音效并记录得分。另一方面固定在游戏者身体上的心率传感器则不断检测其心率背包中的单片机将根据游戏者锻炼时心率变化的情况控制调节游戏难度(球速度)合理的控制游戏者的运动量使其达到理想的锻炼效果。报名号:SC学生姓名:古韵目录项目简介作品设计想法来源作品功能简介作品的创新点及难点系统的总体结构系统的总体结构构成系统功能模块及相互之间的关系运动心率与心率反馈控制心率控制标准的设定心率反馈控制原理心率信号的采集运动姿态定位及加速度检测超声波定位研究蜂鸣器大功率超声波换能器地磁定位研究软件修改及编写结论参考资料:报名号:SC学生姓名:古韵项目简介作品设计想法来源当前大量的青少年朋友因沉溺电脑游戏而缺乏体育锻炼这种状况已经引起了社会各界的广泛关注。为什么计算机游戏有那么大的魔力能够把大家都吸引过去呢,我看到不少同学玩手机游戏注意到这类游戏吸引人们的亮点主要是它刺激的音效及精致多变的游戏画面。手机上的小游戏使我得到启发我考虑设计一种新的通过身体姿态变化控制游戏的系统它必须要通过人的不断运动才能玩得下去这样人们就不至于因为静坐不动地玩游戏而缺乏锻炼了。另一方面最新研究证明剧烈运动可致贫血等疾病适度运动却能有效改善项目参加者的甘油三酸脂和“好”胆固醇(高密度脂蛋白)的水平对心脏很好。因此对运动的强度调控显得很重要。因此我考虑在系统设计时还必须对运动的剧烈程度进行合理的控制。我把自己的这种想法告诉了爸爸、妈妈和学校老师得到了他们的积极鼓励于是我利用自己的课余时间和假期学习跟系统开发有关的知识着手进行研究开发工作最终完成了作品的研发工作。作品功能简介作品命名为“以心率为基础的反馈控制电脑游戏及体育运动组合锻炼系统”由姿态监控系统、心率反馈控制系统和电脑游戏系统三部分共同组成。姿态监控系统监控人体姿态及运动变化以控制电脑游戏运行心率反馈控制系统用于监控游戏者的心率变化并据此调整游戏难度从而间接调整运动剧烈程度达到最佳锻炼效果。作品的创新点及难点本项目作品的主要创新点在于使用心率反馈控制系统对运动的剧烈程度进行控制心率传感器将检测到的游戏者心率信息不断地报名号:SC学生姓名:古韵传送至单片机进行分析计算根据不同游戏者预先设定的心率值为其调整游戏难度从而间接地调整他所适合的最佳运动量。而传统运动无心率反馈控制系统没有对心率进行监测也没有考虑对运动量进行调整当运动过于剧烈或运动量过量时容易对身体造成伤害。本项目的技术难点还包括:以单片机技术为核心的系统部件应用提高了整套系统的技术应用水平使用双轴地磁传感器和加速度传感器对游戏者的运动信息进行检测经过单片机系统处理后将信号以无线方式发送至PC计算机中控制游戏进行实现了对游戏者运动信息的准确捕捉和处理。系统的总体结构系统的总体结构构成本游戏及运动组合锻炼系统总体结构如图所示:为心率采图系统基本组成报名号:SC学生姓名:古韵样单片机A为游戏控制及心率反馈控制单片机B为PC计算机(PC机)为心率检测传感器和分别为戴在左手和右手上的两个双轴地磁传感器为加速度传感器和分别为安装在PC计算机和单片机系统上的两个无线模块。系统功能模块及相互之间的关系本系统各功能模块及相互之间的关系如下:为心率采样单片机A,用于对来自心率传感器的游戏者(运动员)的心率数据采样并将采样数据传送到单片机B处理为游戏控制和心率反馈控制单片机B用于分析处理地磁传感器和加速度传感器传送的游戏者的姿态和运动信息同时对来自心率采样单片机A的数据进行分析处理为计算机(PC机)用于运行游戏软件通过无线串口模块接收单片机发送的控制指令为心率检测传感器用于随时检测心率信息并将信息输送至心率采样单片机A和为两个双轴地磁传感器用于采集游戏者的姿态信息以便对游戏者姿态进行定位为加速度传感器用于检测游戏者是否跳起和为两个无线模块用于单片机与PC计算机之间的通讯。游戏开始后游戏者通过不断左右挥舞手臂使游戏画面下方的挡板左右移动以接住小球(控制信号通过背包内的单片机系统处理后由无线发射模块发射到个人电脑)。挡板接住小球后游戏者必须在限定时间内跳起以便将小球发射出去击打游戏画面上方的砖块。当砖块被击中时电脑立即发出得分的鼓励音效并记录得分。另一方面固定在游戏者身体上的心率传感器将不断检测其心率背包中的单片机将根据游戏者锻炼时心率变化的情况控制调节游戏难度(球速度)从而合理的控制运动量达到理想的锻炼效果。报名号:SC学生姓名:古韵运动心率与心率反馈控制现代体育科学告诉我们只有按照科学的方法正确地进行锻炼才能达到最佳的锻炼效果同时又保证运动员的身体不受到伤害。运动员训练中的关键因素包括训练频率、持续时间和训练强度。频率和持续时间较容易控制而训练强度由于取决于多种因素因而较难控制。运动强度过低不能产生良好的训练效果而过高则可能导致过度训练的发生。因此在训练中找到一种切实可行的监控运动强度的方法十分重要。有关研究表明心率是用来表示身体活动强度的一个很有价值的指标本研究项目中的心率反馈控制就遵循了这一原则。心率控制标准的设定在采用心率来评定训练强度时训练时的心率越高强度越大心率越低则强度越少。研究指出在力量训练中低于运动员最大力量的强度是没有训练效果的。对耐力为主的运动项目来说能够使心肺系统的训练产生效果的最低心率阈值应达到每分钟次。心率目标是运动中的一个重要因素也是确保运动强度的基本标准之一。卡氏(Karvonen)公式是最有效的确定心率目标区的方法之一。这种方法的原理是找出摄氧量和心输出量与心率之间的函数关系并根据运动员的年龄和体能基础确定身体处在最大摄氧量和最大心输出量时(即最佳训练量时)对应的最佳心率值并通过测定心率从而简洁地判断训练量的妥当与否。总的来说运动员的训练强度应在,之间可依照学员的实际水平情况来确定强度级别:初始或低健康级别为,一般健康级别为,高健康级别为,(有了上述所需的信息把它们代入卡氏公式(dd)×Kd=PmaxJJ式中d=(年龄)为最大心率数d为安静时的心率数KmaxJ为强度级别P为目标区内心率数。报名号:SC学生姓名:古韵例如:一位岁的运动员安静时心率为次min作为新运动员他的运动强度级别应为,(他的目标区内心率数范围应为:最低目标区内心率数()×=次min最高目标区内心率数()×=次min本系统在设定心率控制标准时采用了以上心率控制原则。心率反馈控制原理本系统运用了反馈控制的原理对游戏进行控制。根据所述方法及标准为游戏者(运动员)设定一个锻炼时的心率标准输入到单片机B中心率传感器将不断检测游戏者(运动员)的实际心率情况实际心率通过单片机A采样送入单片机B单片机B将会把实际心率与先前输入的标准心率进行比较。如果实际心率低于设定心率单片机B将会发出指令增大游戏难度如果实际心率高于设图:心率反馈控制原理图定心率单片机B将会发出指令降低游戏难度。总之不论是增大游戏难度还是降低游戏难度单片机B对游戏难度调整的结果是使游戏者(运动员)的心率趋于设定值并稳定在设定值附近达到合理的运动量从而取得最佳的锻炼(训练)效果。本系统的心率反馈控制原理图见图。心率信号的采集经过对各种心率传感器的功能和价格进行比较后我找到了一款符合设计要求的“脉搏传感器”但考虑到长时间佩带它会压迫报名号:SC学生姓名:古韵图:心率带血管感觉不舒服我只好又继续寻找更理想的心率传感装置。这时一款国产外销的低价心率测量装置进入了我的视线它由心率带和心率表两部分组成分别完成心率信号检测和心率数据显示功能心率带是一根带弹性的测试带用来系在胸部检测心率数据心率表的外型则像一块手表用来戴在手腕上便于随时观察心率状况。有了这套装置检测心率信号显然是没有问题的了。但是新的问题又出了心率表上显示的数据我怎么才能把它输入到单片机中进行控制处理呢,如果有心率表的线路图有一套专业的精密仪器和设备我也许能够很容易的找到数据输出点从而将相关数据转送到单片机中去。而问题是对我来说这些条件都不具备这使我感到十分困惑。经过对心率表反复地仔细观察我发现了它的液晶显示屏上有一个像心脏一样的闪烁点(图标)会随着心跳的节律不断闪烁。这时我突然有了一个念头我虽然不能通过线路直接将心率表显示的数据输送出去但我是不是可以通过检测显示屏上这个闪烁点的变化间接地将心率信号输送到单片机去呢,这样不是同样能够完成心率信号输出的功能吗,有了这样的想法我马上拆开心率表在液晶显示屏的下方安装了一个发光二极管同时在显示屏的上方安装了一个光敏电阻液晶屏上的心跳闪烁点每次闪烁时闪烁点变黑就会挡住下方发光图:光敏电阻检测信号报名号:SC学生姓名:古韵二极管穿过液晶屏的光线并引起液晶屏上方的光敏电阻阻值的变化单片机ADC迅速扑捉到这个信号并记住了时间差心率数据就这样轻易的进入了单片机~(见图、)为了防止外界光线对光敏电阻的干扰我又特意用黑卡纸做了一个护罩将心率表和光敏电阻一块罩在其中与外界光线隔离开来。然而在我对系统进行测试后我又沮丧地发现由于光敏电阻受环境温度变化的影响采用这个方法从心率表取出的数据还是不稳定存在较大误差这使我不得不又重新考虑直接从心率表的数据输出点取出心率数据的方案。要找到心率表的数据输出点最好的办法是采用示波器。可是我并不具备这样的条件。能不能找到替代的设备来完成这项工作图:采用光敏电阻从心率表检测信号呢,我在淘宝网上搜索发现淘宝网上有一种USB虚拟示波器可以替代示波器进行信号的检测。于是我购买了一个USB虚拟示波器开始对可能的信号输出点进行检测。经过测试我终于发现了从一个接点输出的信号其变化规律恰好与心率表显示的输出一致这说明我找到了正确的信号输出点。采用这个方法我从这两个接点直接和准确地采集到了心率表的输出数据。报名号:SC学生姓名:古韵运动姿态定位及加速度检测游戏者在运动时我们必须精确确定他的身体或四肢所处的位置或加速度情况以便单片机进行判断处理。在这种情况下对控制对象进行精确定位就显得极为重要。为了对运动员的姿态进行精确定位我自学了美国爱特梅尔(ATMEL)公司的AVR系列单片机并采用了该系列性价比极高的ATmegaL型单片机作为本系统的控制数据处理单元。超声波定位研究我最初想到的方法是采用一种类似于卫星定位的方式来对人体图:GPS卫星定位原理图姿态进行精确定位。我想出了一种距离测量模块首先无线电发射器与超声波发射器分别发出一束无线电一个调制频率为KHz的超声波脉冲。无线电波会在一瞬间到达无线电波接收器与超声波传播相同距离所花时间相比可忽略不计。当无线电波接收器收到电波信号后就启动定时器(单片机上的高精度定时记数器)当超声波接收器接收到超声波信号后系统即读取无线电波和超声波旅行相报名号:SC学生姓名:古韵同距离之间的时间差。用时间差乘以声音在空气中的传播速度即能算出发射图:定位信号发送及接收器与接收器间的距离。通过三组发射器图:定位信号发射点及接收点分布和多个分布于人体各个部位的接收器就能实现对姿态的定位。有了这个思路后我立即开始了研制工作。首先我尝试使用SRF超声波模块发现在米内其定位精度高达厘米完全符合我的姿态监测要求。但当我将超声波发射系统与超声波接收系统分开后发现超声波发射器的波束范围太窄了仅有度左右。经过计算发现如果波束范围只有度那么运动员的运动范围也就只有限制在度以内这显然不符合我的设想。报名号:SC学生姓名:古韵图:定位信号发射点及接收点分布在上网查询了大量资料后我明白了用于距离测量的超声波发射器的波束宽度范围都只有大约度。这时我想到了安装超声波阵列来解决波束范围太窄的问题但经过计算后我发现仅仅一个发射器的价格就高达元还没加上外围电路的费用这样的成本显然高了些。通过在进一步观察我发现超声波发射器除了发射面以外其余部分均包有铝制外壳会不会是这层铝制外壳起到了聚集超声波的作用呢,假如我把铝制外壳切开去掉又会不会增大超声波发射的宽度范围呢,我于是咨询了一些超声波发射器的销售人员但销售人员们都说:“没有人这样干过。”为了证实自己图:超声波发射器报名号:SC学生姓名:古韵的想法我锯开了一个超声波发生传感器。当我欣喜的接上电路以为快要成功时却发现切开铝壳其实根本无助于增加波束的宽度。我费解的看着这些拆开的零件一件物品引起了图:超声波发射器外罩我的注意:这就是安装在发射口的金属网。开始我一直认为这金属网是用来挡住进入发射器的杂物的但现在终于明白了这网和外壳都是用于屏蔽由于调制波产生的KHz电磁脉冲根本不是用来聚波的。蜂鸣器这办法看来行不通我开始寻找其他加大波束的方法我突然想到音乐贺卡蜂鸣器它也是由压电晶体制成的。而且蜂鸣器片的面积较大也许它能产生更宽的超声波吧。我将蜂鸣器片连接到声波调制发射电路后发现声波脉冲输出后接收系统一点反应也没有即使是在厘米以内正对接收器也无任何明显的效果。这时我想起了物理课上老师讲的共振原理我思考这很可能是由于蜂鸣器的设计工作频率与超声波发射电路产生的KHz驱动频率相差太大而产生了大量干扰波干扰了接收器的信号接收造成的。大功率超声波换能器这次失败后我开始在网上以“KHz超声波发射”为关键词搜索信息。通过Google的关键词修改功图:大功率超声波换能器能我将关键词又改为了“KHz超报名号:SC学生姓名:古韵声波换能器”这时我发现了一些用于超声波清洗的大功率换能器通过学习我了解到这种换能器在低于额定功率的情况下也能产生KHz的图:采用大功率超声波换能器脉冲波。这时我脑海中立即浮现出了图所示的这样一个设计原型。但在查阅了相关资料后我又失望了这种换能器需要高频高压电路进行驱动就我目前掌握的知识程度来说制作这种电路其难度无异于登天没办法我最终只好放弃了这个方案。地磁定位研究超声波定位系统研究失败后我想到了飞机上使用的陀螺仪也能精确的锁定姿态。经查看资料后我了解到其核心是三轴地磁强度传感器。经查询我了解到美国Honeywell公司HMC精度高达微高斯地球磁场的这完全符合我锁定姿态的要求且自带磁补偿功能但其价格高达元片不符合我的要求。我的愿望是整套系统能实现家庭普及所以控制成本是必要的。在查阅金属触点坡莫合金电流方向外加磁场方向图:地磁传感器原理图了大量资料后我找到了一款菲利浦公司生产的双轴磁阻传感器报名号:SC学生姓名:古韵KMZ元片但当我发现滤波电路太复杂后又不得不放弃了用芯片直接加工传感器的方案。最后我选中搭载了KMZ的指南模块(双轴地磁传感器)。在经历了前面两次失败经历的基础上我终于找到了一个比较恰当又经济的定位方法解决了定位精确性的问题。在本项目中我选用了加速度传感器用来在游戏过程中检测游戏者是否跳起以此发出弹出“小球”的命令。在本系统中我采用了输出模拟信号的MMA加速度传感器。图:地磁传感器原理图图:加速度传感器图:地磁传感器地磁传感器我采用了周立功单片机开发公司的模块使用该模块后即能达到非接触式姿态定位。该模块使用了价格较为经济的报名号:SC学生姓名:古韵KMZ双轴磁阻传感器。由于开发时间较短所以放弃了用IC与磁强传感模块通信而选择采用了相对简单的位并行通信方式。报名号:SC学生姓名:古韵软件修改及编写因为我是利用课余时间搞开发为节省开发时间游戏软件我直接选用了FlashMX进行编写。在李显清老师的帮助下完成了对经典的“打砖块游戏”进行了以下几个方面的修改。使游戏能随时改变难度以满足心率反馈控制需要增加了键盘控制功能使游戏程序能够接受来自串口程序的虚拟键盘信号控制增加了将小球在限期内停留在挡板上超期扣分的功能在游戏画面中增加一块挡板。此外由于用FlashMX编写的游戏仅能在键盘、鼠标等人图:串口通讯程序工作流程体工程学输入设备所发出的指令下图:游戏界面报名号:SC学生姓名:古韵工作因此我在李显清老师的帮助下又完成了将串口收到的单片机发送的控制指令转为按键信息的串口通信程序的编写。该程序主要采用了《VisualC串口通信技术与典型实例》一书中提供的程序模块并经修改编写完成。启动串口通信程序后将出现如图的工作窗口。这时再启动FlashMX编写的游戏程序游戏即可接受串口进入信号的控制了。图:串口通信程序界面报名号:SC学生姓名:古韵结论本研究项目将计算机游戏及体育运动有机的组合为一体形成了一个组合锻炼系统。系统设计时运用了地磁定位原理确定游戏者姿态定位利用自动控制理论的反馈控制原理对游戏难度(运动强度)进行控制运用运动科学原理通过心率合理调节运动员运动强度经检索相关数据库本系统在技术应用上具有一定的创新性。因此该系统的开发对促进计算机游戏与体育运动的进一步结合防止剧烈运动对身体的危害从一定程度解决玩耍游戏过渡而缺乏体育锻炼的问题将起到积极的推动作用。图:完成作品外观图图:操控系统姿态报名号:SC学生姓名:古韵参考资料:《ATmega单片机原理与高级应用》霍宏伟中国林业出版社年《传感器与检测技术》彭军西安电子科技大学出版社年(《AVR单片机GCC程序设计》佟长福北京航空航天大学出版社年月出版《AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践》马潮北京航空航天大学出版社年月出版《机器人设计与实现》美GordonMcComb著庞明译科学出版社年月出版《嵌入式C编程与AtmelAVR》美HarveyMDeitel著聂雪军译清华大学出版社年月出版《Flash中文板范例导航》刘涛著清华大学出版社年《VisualC从入门到精通》柯渝著电子工业出版社年《C编程设计经典教程》美HarveyMDeitel著聂雪军译清华大学出版社年月出版《VisualC串口通信技术与典型实例》李长林高洁编著清华大学出版社年月《人体运动科学经典研究方法的发展与应用》杨锡让傅浩坚人民体育出版社年月《科学调控训练负荷实现体能训练最佳效果》,李国胜陈波空军雷达学院学报第卷第期年月《运动生物力学测量方法》卢德明北京体育大学出版社年月

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