技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
跑步机，特别是涉及一种基于实景地图的跑步健身系统及方法。
背景技术
[0002] 电动跑步机是通过
电机带动跑步带使人以不同的速度或坡度被动的跑步或走动以体验不同的跑步环境，是一项全身性的运动方式。因其运动方式几乎没有蹬伸动作，这样与陆地上相比，可以减小运动强度，提高运动量，比陆地多跑1/3的路程，这对于提高使用者的心
肺功能、肌耐
力以及减肥都具有非常好的效果。因此，跑步机也深受广大健身爱好者的欢迎,是一种较好的有
氧运动方式。然而，在跑步机上运动，最大的问题就是环境单调，容易产生心理疲劳。
[0003] 随着实景地图的应用技术日渐成熟，不少健身器材实现了与实景地图相结合的新模式，用于解决健身器材环境单调，跑步者容易产生心理疲劳的问题。然而，
现有技术中将实景地图与健身器材相结合的健身系统有的只是根据运动速率控制实景地图播放，有的只是根据地形数据调整跑步带的坡度而已，无法真实模拟各种路况状态，跑步者体验效果较差，无法真正解决上述问题。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种基于实景地图的跑步健身系统及方法，其克服了背景技术所存在的不足之处。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于实景地图的跑步健身系统，包括：
[0006] 显示器，用于显示实景地图；
[0007] 主机，其连接显示器和下述控制总成，用于存储实景地图数据，并控制显示器播放实景地图；用于提取实景地图中相应
位置的地理数据，并将其传输给下述控制总成；
[0008] 控制总成，用于根据接收的地理数据调整跑步机的跑步带的方向、速度和坡度；
[0009] 播放控制单元，其输出
信号给所述主机，使主机控制实景地图中的实景运动。
[0010] 进一步的，还包括设定模
块，用于设定路线或起点，并连接所述主机；所述设定模块还用于设定跑步带的速度，并连接所述控制总成。
[0011] 进一步的，所述跑步机的跑步带设置在一运动平台上，该运动平台具有
水平、前倾、后倾、左倾、右倾、前倾并左倾、前倾并右倾、后倾并左倾、后倾并右倾中的至少两种工作状态，所述控制总成根据接收的地理数据保持或调整跑步带的速度和运动平台的工作状态。
[0012] 进一步的，所述运动平台通过升降驱动机构设置在一
支架上，所述控制总成包括处理器、驱动模组，处理器连接所述主机，并通过驱动模组连接所述升降驱动机构和跑步带电机。
[0013] 进一步的，所述驱动模组包括若干第一电机
驱动器、第二电机驱动器，所述升降驱动机构包括若干电动
推杆，该若干电动推杆的电机分别通过第一电机驱动器连接所述处理器，所述跑步带电机通过第二电机驱动器连接所述处理器。
[0014] 进一步的，所述播放控制单元包括控制
电路及其连接的转向
开关、光电开关和调制转盘，调制转盘由跑步带的滚轴或电机带动旋转，且该调制转盘沿其圆周方向依次交替分布有遮光区和非遮光区，所述光电开关的发射管和接收管位于调制转盘相对的两侧面；；控制电路将信号输出给所述主机，使主机控制实景前进和/或转向。
[0015] 进一步的，所述播放控制单元包括控制电路及其连接的若干控制开关，所述控制电路将信号输出给所述主机，使主机控制实景前进和/或转向。
[0016] 进一步的，所述设定模块集成在跑步机的操作面板上。
[0017] 进一步的，所述主机和显示器合为一体机，或者，二者分体设置；所述地理数据包括经纬度和/或海拔数据。
[0018] 一种基于实景地图的跑步健身方法，使用于跑步机上；所述方法包括：
[0019] 1)、用显示器显示实景地图；
[0020] 2)、提取实景地图中相应位置的地理数据；
[0021] 3)、根据所述地理数据调整跑步机的跑步带的方向、速度和坡度；控制实景地图中的实景运动。
[0022] 进一步的，所述步骤2)包括：
[0023] 提取实景地图中开始位置的地理数据，并将其存储，之后每间隔预设时间提取一次新的地理数据，并与最近一次提取及存储的地理数据进行比较，若二者不一致，则更新所存储的地理数据；所述地理数据包括经纬度和/或海拔数据。
[0024] 进一步的，所述步骤3)中，通过获取跑步机的跑步带的速度信息，并根据该速度信息控制实景前进，通过跑步机上设置的转向开关控制实景转向；或者，通过跑步机上设置的若干控制开关控制实景前进和/或转向。
[0025] 进一步的，所述跑步机的跑步带设置在可倾斜的运动平台上，所述跑步带的方向和坡度通过所述运动平台来体现；所述步骤3)中，当经纬度变化小于或等于第一预设值，或者，经纬度变化大于或等于第二预设值时，控制运动平台保持或调整为水平状态，当经纬度变化大于第一预设值小于第二预设值时，控制运动平台左倾或右倾相应
角度；当海拔数据变化小于或等于第三预设值时，跑步带的坡度和速度不作调整，当海拔数据变化大于第三预设值时，控制运动平台前倾或后倾相应角度，并控制跑步带上坡减速，下坡
加速。
[0026] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0027] 本发明将跑步机与实景地图相结合，并能根据实景地图中相应位置的地理数据调整跑步机的跑步带的方向(模拟转弯、直行)、速度和坡度，从中在跑步机上模拟跑步者在真实路况下的运动状态，使跑步者在室内体验到在室外运动的效果，提高跑步者的锻炼效果，也解决现有跑步机环境单调，容易产生心理疲劳的问题。
[0028] 以下结合
附图及
实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种基于实景地图的跑步健身系统及方法不局限于实施例。
附图说明
[0030] 图2是本发明的跑步机的俯视图；
[0031] 图3是本发明的跑步机的侧视图；
[0032] 图4是本发明的跑步机的立体构造示意图；
[0033] 图5是本发明的控制总成与电动推杆电机的电路连接示意图；
[0034] 图6是本发明的经纬度坐标变化示意图；
[0035] 图7是本发明的播放控制单元的电路连接示意图。
具体实施方式
[0036] 实施例，请参见图1-图7所示，本发明的一种基于实景地图的跑步健身系统，包括：
[0037] 显示器1，用于显示实景地图；
[0038] 主机2，用于存储实景地图数据，并控制显示器1播放实景地图；用于提取实景地图中相应位置的地理数据，并将其传输给下述控制总成；
[0039] 控制总成，用于根据接收的地理数据调整跑步机的跑步带的方向、速度和坡度，该控制总成安装于跑步机；
[0040] 播放控制单元8，其
输出信号给所述主机2，使主机2控制实景地图中的实景运动；
[0041] 设定模块，用于设定路线或起点，并连接所述主机2；所述设定模块还用于设定跑步带的速度，并连接所述控制总成。所述设定模块集成于跑步机的操作面板60上。
[0042] 本实施例中，所述跑步机的跑步带30设置在一运动平台20上，该运动平台20通过升降驱动机构设置在一支架10上，并可实现倾斜，所述控制总成根据接收的地理数据保持或调整跑步带30的速度和运动平台20的工作状态，所述跑步带的方向(模拟转弯或直行)、坡度正是由运动平台20的工作状态来体现。所述控制总成包括处理器3、驱动模组，处理器3连接所述主机2，并通过驱动模组连接所述升降驱动机构和跑步带电机7。所述驱动模组包括若干第一电机驱动器5、第二电机驱动器6，所述升降驱动机构包括若干电动推杆50，该若干电动推杆50的电机分别通过第一电机驱动器5连接所述处理器3，所述跑步带电机7通过第二电机驱动器6连接所述处理器3。具体，处理器3通过跑步机的仪表控制台4与第一电机驱动器5和第二电机驱动器6实现通讯连接，处理器3通过信号输入输出模块31(包括USB
接口及USB数据线)连接主机2。
[0043] 本实施例中，所述主机2和显示器1可以合为一体机，也可以分体设置。主机类型可以是台式电脑，也可以是
笔记本电脑，显示器类型包括电视机、投影机、曲面显示器，其中，曲面显示器优先。所述运动平台20包括水平、前倾、后倾、左倾、右倾、前倾并左倾、前倾并右倾、后倾并左倾、后倾并右倾这几种工作状态，所述控制总成根据接收的地理数据调整运动平台20的工作状态，即为控制运动平台20保持或调整为这几种工作状态中的其中一种工作状态。运动平台20水平模拟直行，运动平台20前倾(前低后高)模拟下坡，运动平台20后倾(后低前高)模拟上坡，运动平台20左倾(左低右高)模拟左转，运动平台20右倾(右低左高)模拟右转。所述地理数据包括经纬度和海拔数据。
[0044] 本实施例中，具体包括四个电动推杆50，该四个电动推杆50安装在运动平台20底部的四个角处，相应的，包括四个第一电机驱动器5，与四个电动推杆50一一对应，用于连接四个电动推杆50的电机。
[0045] 本实施例中，所述处理器3包括用于控制运动平台20工作状态的第一处理器，该第一处理器采用型号为STM32F102的主控芯片，其是一款基于ARM Codex—M3
内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制与众多外设。该芯片内置128K FLASH、20K SRAM、3个串口、1个USB，该芯片有两种版本LQFP48(简化版)、LQFP64(完整版)。本发明由于需要I/O口较多，采用LQFP64。所述第一电机驱动器5采用型号为L6203的直流电机驱动芯片，内部包含有一个H桥，供电
电压最高可达48V，工作
电流可达到4A。只需外接很少的元件即可完成对直流电机的驱动。L6203驱动芯片的EN脚为使能控制端，输入为1时可
驱动电机，为0时芯片不工作，PWM1、PWM2引脚上输入PWM信号，分别控制正转和反转，PWM
波形的占空比则控制电机转速。所述处理器3还包括用于控制跑步带速度的第二处理器(图中未体现)，所述跑步带电机7通过第二电机驱动器6连接该第二处理器。
[0046] 本发明采用STN32F102控
制芯片作为核心器件，通过USB接口获取主机2的数据，协调4个第一电机驱动器5(即四个L6203芯片)控制4个电动升降杆的运行。具体电路如图5所示，STN32F102控制芯片U1的44、45脚及+5V、GND组成USB接口；3-6脚及C17-C20组成32K、8M双时钟
振荡器；37-40脚输出4路PWM信号(采用单PWM信号)是电机转速控制；33-36、51-54脚是电机正转和反转控制。L6203芯片U2-U5是4个相同的电机驱动器，以L6203芯片U2为例，其1、3脚和4、8脚及C1-C3、D1、D2组成电机输出控制；2脚是电机电源输入；9脚是内部电压基准；6脚是接地；10脚是电流检测(未使用接地)；11脚是使能控制端，本发明用于转速控制，即PWM信号输入；5、7脚是电机控制输入，本发明用于控制正转和反转；M1-M4是四个电动推杆50的电机，其中M1、M2是运动平台20前部左右两侧的电动推杆50的电机，M3、M4是运动平台20后部左右两侧的电动推杆50的电机，模拟状态如表1所示。
[0047] 表1运动平台工作状态
[0048]
[0049] M1、M2正转控制上坡，反转控制还原；M3、M4正转控制下坡，反转控制还原；M1、M3正转控制右转，反转控制还原；M2、M4正转控制左转，反转控制还原；M1、M2、M3正转控制上坡右转，反转控制还原；M1、M2、M4正转控制上坡左转，反转控制还原；M1、M3、M4正转控制下坡右转，反转控制还原；M2、M3、M4正转控制下坡左转，反转控制还原。
[0050] 本发明的控制过程为：STN32F102控制芯片U1通过USB接口从主机2获取相应位置的地理数据(即经纬度和海拔数据)，并将其存储。为了更好模拟跑步时的路况状态，避免频繁调整，采用相对数据控制：获取实景地图中开始位置的地理数据，并将其存储，之后每间隔预设时间(本实施例中设定间隔时间为1秒)提取一次新的地理数据，并与最近一次提取及存储的地理数据进行比较，若二者不一致，则更新所存储的地理数据，即用新提取的地理数据替换上一次提取及存储的地理数据。下文提及的经纬度变化、海拔数据变化即为新提取的地理数据(经纬度/海拔数据)与最近一次提取及存储的地理数据(经纬度/海拔数据)的差值。
[0051] 当经纬度变化小于或等于第一预设值(本实施例中，该第一预设值为±10°)，或者，经纬度变化大于或等于第二预设值(本实施例中，该第二预设值为±80°)时，跑步机模拟直行状态，即，控制运动平台保持或调整为水平状态，当经纬度变化大于第一预设值小于第二预设值时，按角度变化调整相应电动推杆的电机的工作状态，模拟左转或右转。如图6所示，以当前位置1的经纬度为零度进行说明，位置4与位置1相比，经纬度没有变化(小于±10°)，因此，从位置1到位置4相当于直行，控制各个电动推杆的电机保持不动或反转还原，使运动平台保持水平或还原到水平状态；位置2的经纬度为-20°，与位置1相比，经纬度变化大于-10°小于-80°，因此，从位置1到位置2相当于右转，控制电机M1、M3正转，电机M2、M4保持不动或反转还原；位置3的经纬度为+70°，与位置1相比，经纬度变化大于10°小于80°，因此，从位置1到位置3相当于左转，控制电机M2、M3正转，电机M1、M3保持不动或反转还原。实际上当没有岔路或预先设定路线时，下一个位置的经纬度坐标是可以预先获得，就像在实际导航中，可以预先知道前方的路况信息一样。经纬度相对变化角度大于±10°小于±80°时，相当于左转或右转，左转为+，右转为-。相对变化角度小于±10°时，相当于直行。相对变化角度大于±80°时，相当于转直角弯或调头行，这时要模拟减速转弯，运动平台不调整。
[0052] 当海拔变化小于或等于第三预设值(本实施例中，该第三预设值为±0.1m)时，坡度(即运动平台20前倾或后倾)和跑步带30的速度控制不作调整；当海拔变化大于第三预设值时，正值表示上坡，相应调整运动平台20向后倾斜的角度(即控制电机M1、M2正转)，并控制跑步带30上坡减速；负值表示表示下坡，相应调整运平台向前倾斜的角度(即控制电机M3、M4正转)，并控制跑步带30下坡加速。所述海拔变化指新提取的海拔数据与最近一次提取的海拔数据的差值，所述运动平台20的最大调整坡度为±15o。
[0053] 本实施例中，如图7所示，所述播放控制单元8包括控制电路及其连接的转向开关80、光电开关和调制转盘70，调制转盘70由跑步带30的滚轴或电机带动旋转，且该调制转盘
70沿其圆周方向依次交替分布有遮光区和非遮光区，所述光电开关的发射管和接收管位于调制转盘相对的两侧面，用于获取跑步带的速度信息。所述光电开关优选采用红外
传感器。
当调制转盘70随跑步带30的滚轴或电机转动时，调制转盘70会切割光电开关发出的光线，使得其接收管接收的是光脉冲，再转换成电脉冲；单位时间获得的电脉冲越多，表示跑步带
30的速度越快，反之越慢。控制电路将信号输出给所述主机2，使主机2控制实景前进和/或转向。所述控制电路优选由
鼠标芯片MX84521及其外围电路组成，如图7所示，所述转向开关
80的数量为两个，分别用于控制实景左转和右转，从而控制实景与跑步带同步运动。跑步机还包括左、右
手柄40，所述两个转向开关80具体分别安装在跑步机的左、右手柄40。跑步者通过操控该两个转向开关80即可控制实景转向。
[0054] 本发明实现实景跑步具有两种选择，一种是通过所述设定模块先设定好路线和速度，开始跑步时，相当于开启模拟导航，另一种是自由式，跑步者可以自由选择起点和速度，当遇到路口时，可以通过左右手柄40上安装的转向开关80选择转弯，不选为直行。跑步者在跑步机上运动时，控制总成根据实景路况的状态，控制跑步带30的速度(上坡减速、下坡加速)，控制运动平台20的前后倾斜(模拟上下坡)和左右倾斜(模拟转弯)。在运动过程中，主机2根据获取的跑步带30的速度信息控制实景地图中的实景前进，实现实景与跑步带30同步运动。本发明可用于模拟实景
马拉松赛道，实现室内马拉松。
[0055] 本发明的一种基于实景地图的跑步健身方法，使用于上述实施例所述的跑步机上；所述方法包括：
[0056] 1)、设定路线和速度，或者，选择起点和速度；
[0057] 2)、用显示器1显示相应路线或起点位置的实景地图；
[0058] 3)、提取实景地图中相应位置的地理数据；
[0059] 4)、根据所述地理数据调整跑步机的跑步带的方向、速度和坡度；
[0060] 控制实景地图中的实景运动。
[0061] 本实施例中，所述步骤3)包括：
[0062] 提取实景地图中开始位置的地理数据，并将其存储，之后每间隔预设时间提取一次新的地理数据，并与最近一次提取及存储的地理数据进行比较，若二者不一致，则更新所存储的地理数据；所述地理数据包括经纬度和海拔数据。
[0063] 本实施例中，所述步骤4)中，通过获取跑步机的跑步带30的速度信息，并根据该速度信息控制实景前进，通过跑步机上设置的转向开关控制实景转向；或者，通过跑步机上设置的若干控制开关控制实景前进和/或转向。
[0064] 本实施例中，所述步骤4)中，当经纬度变化小于或等于第一预设值，或者经纬度变化大于或等于第二预设值时，控制跑步机模拟直行，当经纬度变化大于第一预设值小于第二预设值时，控制跑步机模拟左转或右转；当海拔数据变化小于或等于第三预设值时，跑步机的跑步带的坡度和速度不作调整，当海拔数据变化大于第三预设值时，控制跑步机模拟上坡或下坡，且上坡控制跑步带减速，下坡控制跑步带加速。所述第一预设值的数值小于第二预设值的数值。
[0065] 本实施例中，所述跑步机的跑步带30设置在所述可倾斜的运动平台20上，所述控制总成根据接收的地理数据调整跑步机跑步带30的速度和运动平台20的工作状态；所述运动平台20的工作状态包括水平、前倾、后倾、左倾和右倾这几种状态，且运动平台20水平模拟直行，运动平台20前倾模拟下坡，运动平台20后倾模拟上坡，运动平台20左倾模拟左转，运动平台20右倾模拟右转。所述跑步带30的方向和坡度通过所述运动平台20来体现，当经纬度变化小于或等于第一预设值，或者，经纬度变化大于或等于第二预设值时，控制运动平台保持或调整为水平状态；当经纬度变化大于第一预设值小于第二预设值时，控制运动平台左倾或右倾相应角度(运动平台每次倾斜的角度大小可以设为固定值，也可以设为根据经纬度变化大小按比例进行增减)；当海拔数据变化小于或等于第三预设值时，跑步带的坡度和速度不作调整，当海拔数据变化大于第三预设值时，控制运动平台前倾或后倾相应角度，并控制跑步带上坡减速，下坡加速。
[0066] 本实施例中，当经纬度变化小于或等于±10°，或者经纬度变化大于或等于±80°时，跑步机模拟直行，控制运动平台保持或调整为水平状态；当经纬度变化大于±10°小于±80°时，按角度变化调整相应电动推杆的电机的工作状态，模拟左转或右转。当海拔变化小于±0.1m时，坡度(即运动平台20保持前倾或后倾或水平)和跑步带30的速度控制不作调整；当海拔数据变化大于±0.1m时，正值表示上坡，相应调整运动平台20向后倾斜的角度(即控制电机M1、M2正转)，并控制跑步带30上坡减速；负值表示表示下坡，相应调整运平台向前倾斜的角度(即控制电机M3、M4正转)，并控制跑步带30下坡加速。
[0067] 本发明将跑步机与实景地图相结合，并能根据实景地图中相应位置的地理数据调整跑步机的方向(即模拟左转、直行、右转)、速度和坡度，从中在跑步机上模拟跑步者在真实路况下的运动状态，使跑步者在室内真正体验到在室外运动的效果，提高跑步者的锻炼效果，也解决现有跑步机环境单调，容易产生心理疲劳的问题。
[0068] 在其它实施例中，所述播放控制单元包括控制电路及其连接的若干控制开关，所述控制电路将信号输出给所述主机，使主机控制实景前进和/或转向。所述若干控制开关可以在安装在跑步机的左、右手柄上。
[0069] 上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于实景地图的跑步健身系统及方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单
修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
