АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ВИРТУАЛИЗИРОВАННОГО ВЕЛОТРЕНАЖЁРА

В настоящее время широкая популярность и доступность велотренажеров позволяет использовать их многим слоям общества. Велотренажер как спортивный снаряд имеет ряд полезных свойств: тренировки на велотренажере способствуют развитию сердечнососудистой и дыхательной систем, тренировке мускулатуры ног, улучшению подвижности суставов, увеличению прочности связок и их устойчивости к повреждениям. Однако однообразность занятий, а также их продолжительность негативно сказывается на популярности данного вида спортивных тренировок, что отмечается как ведущими тренерами (например [1]), так и производителями тренажёров, которые разрабатывают различные технические решения для её разрешения. Одним из таких решений является создание средств визуального сопровождения тренировочных занятий, в качестве технологической основы которого можно использовать средства вычислительной техники и технологии создания виртуальной среды.

Необходимость виртуализации занятий на велотренажёре настолько очевидна, что ведущие производители спортивного оборудования разрабатывают и встраивают в спортивные снаряды компьютеры, виртуальные карты, игровые симуляторы и пр. В настоящее время существует множество альтернативных решений по виртуализации тренировок, основанных на различных визуальных и технических средствах.

Например производитель спортивной техники Kettler развивает технологию Kettler World Tours 2.0, которая создана для велотренажеров, спинбайков, эллиптических тренажеров и беговых дорожек, и предлагает возможность соревноваться с он-лайн соперниками, проходить виртуальные трассы и мн. др. [4]. Виртуальные трассы построены на основе реальных геолокационных ресурсов, тренажёры оснащены встроенными специализированными компьютерами, создающими и поддерживающими виртуальную реальность. Основным недостатком системы является её высокая стоимость (порядка 200 т. р.), что значительно ограничивает её востребованность у населения.

Известны предложения детского велотренажёра Cyberbike [2], который ориентирован на подключение к компьютерной игре, использующей велотренажёр в виде своеобразного игрового манипулятора. На этом же принципе основана инициативная разработка, включающая в качестве исполнительного вычислительного устройства приставку “Smart”, подключаемую через порт USB к бытовому компьютеру [3]. Эти системы в отличие от Kettler не рассчитаны на поддержание организацию тренировочного процесса, а скорее имеет целью совмещение тренировочных занятий с компьютерными играми. Это можно считать недостатком, поскольку целью, которую должны преследовать системы видеосопровождения спортивных занятий, должно быть повышение мотивированности занимающихся именно на достижение тренировочного эффекта, а не замена его на игровое увлечение. Можно сделать вывод, что идея морального стимулирования ещё не нашла своего исчерпывающего воплощения, доступность подобных средств очень низка, в силу чего эффективность воплощения и применения данной идеи оставляет возможности к дальнейшим разработкам.

Целью технического решения является повышение мотивации спортсменов на выполнение тренировочных занятий с помощью специальных средств. Такими средствами являются:

·     Стимулирующие награды за достижение определённых результатов.

·     Многопользовательское участие спортсменов в виртуальных соревнованиях через Интернет.

·     Эффект присутствия в виртуальном мире с разнообразными ландшафтами.

Новизна технического решения заключается в использовании бытового компьютера (ноутбука), несложного робототехнического комплекта и созданного программного продукта для построения малобюджетного спортивного аппаратно-программного комплекса, соответствующего, а по некоторым параметрам превосходящего, дорогостоящие аналоги лучших производителей.

В настоящее время практически у каждого взрослого человека дома есть персональный компьютер, на котором возможно воспроизведение несложной виртуальной реальности. Привязать симуляцию велогонок к реальному велотренажёру можно с использованием контроллера, преобразующего сигнал вращения педалей, в формат данных, доступных компьютеру. Далее эти данные преобразуются и предоставляются программе, создающей виртуальную реальность движения.

Для реализации технического решения были определены следующие классы компонентов:

·     контроллер на базе Arduino Uno [3], для сопряжения велотренажёра и аппаратно-программного комплекса визуализатора (АПКв);

·     ноутбук в качестве аппаратно-программной платформы АПКв;

·     управляющий модуль — программа менеджер, получающая данные от контроллера, преобразующая их в показания скорости и записывающая в текстовый файл, осуществляющая контроль над программой картой;

·     модуль интерфейса, формирующий для пользователя динамическое изображение движения по велосипедному маршруту с меняющейся скоростью, считываемой из файла.

Блочно-функциональная схема велотренажёра-симулятора приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Блочно-функциональная схема велотренажёра-симулятора

Сначала пользователь выставляет нужные ему настройки в программе менеджере (настройки наград, сетевые настройки, обнаружение контроллера, параметры инерции и файловые настройки). Затем пользователь выбирает из каталога карт нужные карты и начинает тренировку.

Во время тренировки смонтированная система начинает выдавать сведения о скорости вращения педалей тренажёра в течение каждых 3000 мс. Данные передаются в компьютер, поступают на вход программы-менеджера, которая обрабатывает их и записывает их в файл “speed.txt”. Виртуальная трасса, скомпилированная в исполняемый файл, постоянно считывает значение из файла “speed.txt” и преобразует его во внутреннее значение скорости. В зависимости от настроек, указанных в программе-менеджере, которые затем записываются в файл “moneys.cfg”, программа определяет, с какой частотой должны появляться «монетки» и в каких диапазонах скорости они должны появляться. Пользователь сам выставляет настройки в программе-менеджере таким образом, как быстро он может ехать по трассе, потому что каждый человек обладает различными физическими и спортивными данными. Затем, при движении по трассе на ней создаются награды, исходя из настроек и скорости движения пользователя (рис. 2). Награды разделяются на различные уровни ценности и чем выше скорость, тем дороже бонус будет появляться. Собирая их, пользователь пополняет свой бонусный счет, по которому он может определять свои рекорды. Предполагается, что такой подход будет стимулировать спортсмена на движение с максимально высокой скоростью для достижения наивысшего результата. Внешний вид экрана карты одного из виртуальных маршрутов приведён на рис. 3.

Рисунок 2. Блочно-функциональная схема программы карты маршрута

Рисунок 3. Внешний вид карты маршрута

Рисунок 4. Внешний вид карты маршрута с наградами

Программа оснащена индикатором, который отображает скорость, дистанцию, среднее значение скорости и достижения пользователя, а также оснащена спидометром. На рис. 4. можно увидеть мотивирующие награды, расположенные на трассе.

Для увеличения реалистичности движения в программе реализован принцип инерции, отсутствующий в реальном велотренажёре. Когда спортсмен перестает крутить педали, велосипед ещё «проезжает» некоторое расстояние, останавливается по мере снижения скорости, что зависит от величины силы сопротивления среды. При этом у велосипедиста есть возможность отдохнуть, и проехать некоторое расстояние, не вращая педали. Также реалистичность добавляет система ускорения и замедления на неровностях маршрута. То есть при движении в гору, скорость игрока замедляется, в зависимости от наклона поверхности под велосипедом, а с горы наоборот скорость велосипеда увеличивается, также от наклона горы.

Принцип работы такой функции основывается на положении виртуального велосипеда в пространстве. Рассчитывается угол велосипеда относительно высотной кривизны маршрута и в зависимости от его величины и вектора направления прибавляется или уменьшается показатель скорости.

При прекращении вращения педалей нулевое значение скорости поступает в компьютер, но не выдаётся сразу на трассу, а плавно снижается в зависимости от предустановок. Этими же предустановками инерция отключается. По инерции, спортсмен еще некоторое время «движется» по маршруту, снижая свою скорость, а потом «останавливается». Если во время инерционного движения возобновить вращение педалей, то скорость снова возрастёт, правда с задержкой в 3 секунды, установленных в контроллере.

На рис. 5 можно увидеть, как выглядит переоборудованный тренажер, с прикрепленным к нему ноутбуком и контроллером на базе Arduino. Для реализации использован широко распространённый спортивный снаряд от производителя “HouseFit”.

Рисунок 5. Внешний вид модифицированного велотренажера

Рисунок 6. Блок-схема сетевого соединения велотренажёров

На рис. 6 представлено сетевое соединение велотренажеров. Несколько компьютеров клиентов с подключенными к ним велотренажерами, подключаются к серверу через интернет или локальную сеть. Сервером является один компьютер, тоже с подключенным велотренажером. Стоит заметить выгодную особенность: для сервера и для клиента используется одна и та же программа, тип подключения указывается в настройках. Во время игры, спортсмен может видеть своего противника через мини карту в углу экрана, или непосредственно на трассе, если он находится от него на небольшом расстоянии. В сетевом варианте есть 2 режима игры: «Прогулка» — где пользователь может поездить по карте вместе со своими друзьями, и «Турнир» — где пользователь может устроить настоящую гонку с любым количеством пользователей с велотренажерами. Соревнования можно проводить как и по локальной сети, так и по интернету.

Карты для велопрогулок существуют разных видов и направлений. Например карта “Early Spring” представляет собой небольшую рощу у озера, с красивой растительностью вызывающую у пользователя положительные эмоции от аудиовизуальных эффектов. При создании карты использованы различные шейдеры, усиливающие визуальные эффекты, подчёркивающие реалистичность созданной виртуальной среды.

Конечным результатом технического решения является аппаратно-программный комплекс, создающий иллюзию велопробега в виртуальном мире за счёт передачи показаний скорости от велотренажера к компьютеру, преобразования её в движение по виртуальной трассе, отображения и сбора мотивирующих наград, зависящих от скорости и качества движения, организации виртуального велосоревнования с другими участниками. Предложенное решение может быть использовано для виртуального сопровождения занятий на любом спортивном снаряде после его незначительной модернизации. В этой связи особый интерес представляют тренажёры для гребли, укрепления мышц ног и пр. Применение данного комплекса возможно в тренажёрных залах, при организации и проведении домашних занятий, в учебных заведениях и пр.

Список литературы:
1.    Сайт фитнес центра FITBURG — [Электронный ресурс] — // http://fitburg.ru/trenirovki/velotrenazhery.html (Дата обращения 17.03.2014). — Яз. рус.
2.    Сайт Cyberbike — [Электронный ресурс] — // http://www.cyberbike.ru. (Дата обращения 17.03.2014). — Загл. с экрана. — Яз. рус.
3.    Сайт поставщика Arduino — [Электронный ресурс] — // http://www.arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno. (Дата обращения 17.03.2014). — Яз. рус.
4.    “Kettler World Tours 2.0” — [Электронный ресурс] — // http://www.kettler.ru/about/tech/show_336/ (Дата обращения 17.03.2014). — Яз. рус.
5.    Сайт поставщика Arduino — [Электронный ресурс] — // http://www.arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno. (Дата обращения 17.03.2014). — Яз. рус.