运动心率与心率反馈控制

运动心率与心率反馈控制 报名号: SC046 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:1.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; 2.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。 1 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 目 录 1 项目简介 ........................................ 3 1.1 作品想法来源 ............................. 3 1.2 作品功能简介 .................................. 3 1.3 作品的创新点及难点 ........................... 3 2系统的总体结构 ................................... 4 2.1系统的总体结构构成 ............................ 4 2.2 系统功能模块及相互之间的关系 .................. 5 3 运动心率与心率反馈控制 ........................... 6 3.1 心率控制的设定 ........................... 6 3.2 心率反馈控制原理 ............................. 7 3.3 心率信号的采集 ............................... 7 4 运动姿态定位及加速度检测 ........................ 10 4.1 超声波定位研究 .............................. 10 4.1.1 蜂鸣器 .................................. 13 4.1.2 大功率超声波换能器 ....................... 13 4.2 地磁定位研究 ................................ 14 5 软件修改及编写 ................................. 17 6 结论 ........................................... 19 7 参考资料: ..................................... 20 2 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 1 项目简介 1.1 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。 1.2 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。 1.3 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 3 报名号: SC046 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:1.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;2.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。 2系统的总体结构 2.1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2所示:?为心率采 图1 系统基本组成 4 报名号: SC046 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。 2.2 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。 5 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 3 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。 3.1 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30%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130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)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50%,85%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50%,60%;一般健康级别为60%,70%;高健康级别为75%,85%(有了上述所需的信息，把它们代入卡氏公式 (d-d)× K + d = P maxJJ 式中d=(220-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。 6 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 例如:一位20岁的运动员，安静时心率为70次/min，作为新运动员，他的运动强度级别应为50%,60%(他的目标区内心率数范围应为: 最低目标区内心率数(200-70)×50% + 70 = 135次/min 最高目标区内心率数(200-70)×60% + 70 = 148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。 3.2 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 3.1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2: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3。 3.3 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 7 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 图3: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4:光敏电阻检测信号 8 报名号: SC046 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4、5)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。 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5: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。 9 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 4 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ATmega16L型单片机作为本系统的控制数据处理单元。 4.1 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6: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40KHz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 10 报名号: SC046 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7: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8: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SRF04超声波模块，发现在4米内其定位精度高达1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60度左右。经过计算发现，如果波束范围只有60度，那么运动员的运动范围也就只有限制在60度以内，这显然不符合我的设想。 11 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 图9: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60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150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10:超声波发射器 12 报名号: SC046 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11: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40KHz电磁脉冲，根本不是用来聚波的。 4.1.1 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20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40KHz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。 4.1.2 大功率超声波换能器 这次失败后，我开始在网上以 “40KHz超声波发射”为关键词搜索 信息。通过Google的关键词修改功 图12:大功率超声波换能器 能，我将关键词又改为了“40KHz超 13 报名号: SC046 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40KHz的图13: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13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。 4.2 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HMC1022精度高达85微高斯，地球磁场的1/1000，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70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14: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 14 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 KMZ52，20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KMZ52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MMA7260加速度传感器。 图15:地磁传感器原理图 图16:加速度传感器 图17: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 15 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 KMZ52双轴磁阻传感器。 由于开发时间较短，所以放弃了用I2C与磁强传感模块通信，而选择采用了相对简单的8位并行通信方式。 16 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 5 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Flash MX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。1.使游戏能随时 改变难度以满足心率反馈控制需 要;2.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;3.增加了将小 球在限期内停留在挡板上，超期扣 分的功能;4.在游戏画面中增加一 块挡板。此外，由于用Flash MX编写的游戏仅能在键盘、鼠标等人图18: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19:游戏界面 17 报名号: SC046 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《Visual C++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20的工作窗口。这时再启动Flash MX编写的游戏程序，游戏即可接受串口进入信号的控制了。 图20:串口通信程序界面 18 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 6 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21:完成作品外观图 图22:操控系统姿态 19 报名号: SC046 学生姓名: 古韵 7 参考资料: 1.《ATmega单片机原理与高级应用》霍宏伟，中国林业出版社2006年 ; 2.《传感器与检测技术》，彭军， 西安电子科技大学出版社2003年 3(《AVR单片机GCC程序设计》，佟长福， 北京航空航天大学出版社 2006年1月出版 ; 4. 《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 2007年10月出版 ; 5.《机器人设计与实现》，[美]Gordon McComb 著，庞明译，科学出版社，2008年1月出版; 6.《嵌入式C编程与AtmelAVR》;[美]Harvey M.Deitel著，聂雪军译，清华大学出版社，2006年3月出版; 7. 《Flash 8 中文板 范例导航》刘涛著，清华大学出版社，2006年 8.《Visual C++6 从入门到精通》柯渝著，电子工业出版社，2006年 9.《C编程设计经典教程》，[美]Harvey M.Deitel著，聂雪军译，清华大学出版社，2006年3月出版; 10. 《Visual C++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，2006年5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，2007年12月; 12.《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20卷第3期，2006年9月; 13.《运动生物力学测量方法》，卢德明北京体育大学出版社，2002年8月. 20