基于心率血氧模糊控制的智能跑步機研究

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1、基于心率血氧模糊控制的智能跑步機研究 摘要：本文設計了一款基于心率血氧模糊控制的智能跑步機。與傳統(tǒng)跑步機相比，該跑步機使用Android平臺和人機交互界面與微處理器進行數(shù)據(jù)交互，具有更好的普遍適用性與個人運動信息反響功能。 關鍵詞：智能跑步機;模糊控制算法;心率-血氧飽和度 中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：1003-5168〔2021〕28-0042-03 ResearchonIntelligentTreadmillBasedonFuzzyControl ofHeartRateandBloodOxygen YUEHaifeng1LIUYinchi2QIANNini1

2、SUIXiuwu1 〔1.SchoolofMechanicalEngineering，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300387;2.SchoolofElectronicsandInformationEngineering，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300387〕 Abstract：Thispaperdesignedanintelligenttreadmillbasedonfuzzycontrolofheartrateandbloodoxygen.Comparedwiththetraditionaltr

3、eadmill，thetreadmillusedAndroidplatformandhuman-computerinterfacetointeractwithmicroprocessor，whichhadbetteruniversalapplicabilityandpersonalmotioninformationfeedbackfunction. Keywords：intelligenttreadmill;fuzzycontrolalgorithm;heartrate-bloodoxygensaturation 1研究背景 隨著中國經(jīng)濟的不斷開展以及人民物質生活水平的日益提高，人民

4、群眾對自身的健康狀況也愈加關注，尤其是伴隨著不可逆轉的人口老齡化趨勢，健康問題正成為一個社會持續(xù)關注的問題，人們對于運動器材尤其是跑步機的需求也越來越高。目前，人們普遍使用的是電動跑步機，這類跑步機以電能為動力，通過驅動電機以帶傳動的方式帶動底架上滾筒的轉動。鍛煉者以與跑步帶大小相等、方向相反的速度在跑步帶上運動，由于其速度一定且突發(fā)狀況下不易調(diào)節(jié)，給用戶的平安埋下了隱患。針對這些問題，智能跑步機已經(jīng)成為各國研究的重點【1】。 ①操作性：手動進行運動模式和速度切換，存在操作僵硬、不夠靈活的問題【2】。 ②舒適性：用戶基于主觀感知后進行速度調(diào)節(jié)，鍛煉時的舒適性差。 ③平安性：運動負荷較

5、大時，存在一定程度的平安隱患，難以確保心肺功能脆弱的用戶在使用跑步機時的平安性。 ④高效性：缺乏對運動過程中生理參數(shù)的檢測與反響，不能保證用戶運動過程中的高效性。 本課題創(chuàng)新了其閉環(huán)的控制方式，首先在 端為不同用戶設定適宜的目標心率和臨界血氧飽和度，通過用戶運動過程中心率血氧的變化對跑步機的運行速度進行自動調(diào)節(jié)，區(qū)別于其他跑步機運動時視覺反響后的手動調(diào)速，使用戶在運動過程中能維持正常的生理體征，很大程度上提高了跑步的舒適性和平安性。此外，跑步機與 端相結合，能直觀有效地了解到用戶自身的運動健身狀況，進而可以有針對性地為用戶設計運動目標和方案。 2跑步機總體系統(tǒng)設計 研究

6、說明，在一定運動速度范圍內(nèi)，運動時的心率和血氧濃度與運動速度呈現(xiàn)不完全的線性關系?；诖耍菊n題提出將模糊控制算法應用于跑步機的速度調(diào)節(jié)中，并針對不同用戶在運動全過程中的血氧濃度進行實時采樣檢測反響給微處理器，確保血氧濃度處于正常范圍，提高用戶運動中的舒適性。 本課題對跑步機的研究優(yōu)化主要包括：心率血氧的采集及處理;運動過程中速度的自我調(diào)節(jié);多種控制方式，如實體按鍵、觸摸屏幕及APP遠程控制。 基于上述需求，本課題將從五個方面實現(xiàn)，分別是Android應用平臺、心率血氧采集模塊、微處理器控制板、人機交互界面以及跑步機動力系統(tǒng)【3】?？傮w技術路線如圖1所示。 本課題所設計的Androi

7、d終端基于JAVA語言。此APP主要有三個線程：其一是根據(jù)用戶輸入的性別、年齡、身高、體重等信息設計不同的訓練方式并根據(jù)實際運動情況進行調(diào)整【4】;其二是將用戶參數(shù)與預先置入的理想生理參數(shù)進行匹配，通過藍牙傳回微處理器控制板;其三是將一段時間內(nèi)從微處理器控制板傳回的心率和血氧濃度值繪制成曲線〔如圖2所示〕。 心率血氧采集模塊的核心傳感器為MAX30102，它是一個集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊【5】。如圖3所示，傳感器本身具有完整的發(fā)光LED及驅動局部、光感應和AD轉換局部、環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波局部。 考慮到本課題中的數(shù)據(jù)精度和體積需求，結合目前流行的智能手環(huán)測量心率

8、的方法，研究者對市面上已有模塊進行了優(yōu)化。在其硬件電路中參加儀表放大和模擬濾波等信號調(diào)理電路，并在模塊的布局布線中采用雙面布件，大大提高了信號精度，減小了模塊體積。 數(shù)據(jù)傳輸方式上，研究者沿用了市面上的已有設計，采用I2C串行通信接口與微處理器進行數(shù)據(jù)傳輸，通過微處理器的模擬I2C接口來讀取MAX30102傳感器自身的FIFO，就可以獲取轉換后的光強度數(shù)值。 模糊控制器設計 2.4.1主控板設計。課題中選用STM32F103作為主控芯片。該芯片擁有廣闊的資源，其中包括64KBSRAM、512KBFLASH、3個SPI、2個I2C、5個串口等，符合本課題對于通信接口以及通信速度方面的要求。

9、考慮到本課題的應用場景，研究者采用傳統(tǒng)的USB供電方式作為主控板的供電來源，并在PCB設計中預留出各個模塊所需接口。STM32主控板除了進行光強度數(shù)值與心率和血氧飽和值的轉換之外，還在模糊控制算法中充當著模糊控制器的角色，可對所采集到的心率值進行模糊算法處理，從而得到速度調(diào)節(jié)信號。 模糊控制算法。模糊控制算法是以模糊集合理論、模糊語言及模糊邏輯為根底的控制，它是模糊數(shù)學在控制系統(tǒng)中的應用，是一種非線性智能控制，通常用于無法以嚴密的數(shù)學表示的控制對象模型。一個完整的模糊控制算法主要包括輸入變量、模糊控制器和輸出變量。模糊控制器的結構如圖4所示。 本課題中的控制對象為電機速度，因而本課題中將跑

10、步機速度作為模糊控制器的輸出量，調(diào)速系數(shù)[y跑步機的速度∈Y=0，12]，將心率的預測值與實際采樣值的誤差作為模糊控制器的主要參考輸入量，其中[y心率誤差∈X1=[-90，90]]。 假設[y心率]所對應模糊論域[A]的取值范圍與物理論域[X1]一致，選取7個模糊子集，所對應的語言為{NB，NM，NS，0，PS，PB，PB}。其隸屬函數(shù)選用三角函數(shù)。 假設[y跑步機的速度]所對應的模糊論域[C]的取值范圍與物理論域[Y]一致，選用5個模糊子集，所對應的語言值為{VS，S，M，B，VB}，其隸屬函數(shù)選用三角函數(shù)，最后對模糊推理的結果采用最大隸屬度法去模糊化〔F/D〕，去模糊化后的變量是清晰值

11、，其取值范圍由模糊推理得到的所有模糊子集確定。 人機交互界面同Android端應用功能類似，主要完成信息管理與傳輸、實時運動狀況顯示等功能，與之不同的是，人機交互界面直接搭載在跑步機機身上，并與微控制器端口直接相連，方便用戶在運動過程中實時掌握運動情況，是連接用戶和跑步機的橋梁。考慮到屏幕大小、簡潔性及通信速度，本課題選用EZUIH的電阻觸摸屏。心率血氧采集模塊將所采集到的數(shù)據(jù)傳入微控制器，由微控制器對心率、血氧飽和度及運行速度的數(shù)據(jù)進行處理，通過串口將處理過的數(shù)據(jù)傳遞給人機交互界面呈現(xiàn)給用戶，用戶在運動時可以通過界面上所顯示的數(shù)據(jù)了解自己的生理參數(shù)。 跑步機動力系統(tǒng)設計的核心是實

12、現(xiàn)跑步帶轉動速度調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)主要由電機驅動板和直流電機組成。在本課題中，研究者通過實時測量用戶運動過程中的心率和血氧飽和度，運用模糊控制算法后得出電機控制信號并將其傳送給電機驅動板，由其對電機進行加減速控制【6】。 鑒于直流電機具有維護周期較長、噪聲小、輸出穩(wěn)定等特點，且在傳統(tǒng)跑步機上已有應用并未出現(xiàn)平安隱患，考慮到本課題的研究特點，也選用無刷直流電機帶動傳送帶。 3結論 本課題提出了一種能在Android平臺和人機交互界面實現(xiàn)的心率血氧飽和度-速度關系的跑步機速度調(diào)控方法。與傳統(tǒng)跑步機相比，使用Android平臺和人機交互界面與微處理器進行數(shù)據(jù)交互，具有更好的普遍適用性與個人運動信息反

13、響功能。同時，本課題引入了模糊控制算法，根據(jù)運動過程中的心率和血氧飽和度變化，有效地對跑步機速度進行調(diào)控，使用戶在運動過程中保持良好的生理體征，大大提高了系統(tǒng)的平安性。 參考文獻： 【1】朱梁.健康監(jiān)測跑步機的研發(fā)[D].杭州：浙江理工大學，2021. 【2】曹新星.智能型數(shù)字化跑步機控制系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學，2021. 【3】汪文博.基于Android跑步機運動處方系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].南昌：南昌大學，2021. 【4】李永斌.可穿戴式智能血氧運動指環(huán)設計與研究[D].廣州：華南理工大學，2021. 方法與系統(tǒng)設計[D].西安：西安理工大學，2021. 方法[J].南昌大學學報〔工科版〕，2021〔1〕：76-79，84.