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现实技术的交互式健身自行车的研究


第17卷第6期

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————一

机电产品开崖岛钏新

voI.17,No.6

基于虚拟现实技术的交互式健身自行车的研究
赵 峰,孙汉旭,贾庆轩,高 欣
(北京邮电大学自动化学院,北京
100876)

摘要:交互式健身车系统是集虚拟现实技术、自动控制技术和图形学等各学科于一体的互动仿真系统。 本系统由视景仿真系统、运动生成及力觉反馈系统、运动学/动力学仿真系统、网络传输系统组 成,本文详细阐述了各个模块及其关键技术。 关键词:虚拟现实;交互式仿真;网络传输;实时数据采集 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1002—6673(2004)06—036~03



引言
目前市场上存在多种仿真游戏,如汽车、摩托车、赛

真系统、网络传输系统组成。其中健身车控制系统是健 身者与虚拟场景交互平台,视景仿真系统和运动学动力 学仿真系统是实现沉浸感的重要组成部分,网络传输系 统是实现多人交互仿真的基本条件。

艇模拟机,还有虚拟驾驶、虚拟战场的仿真系统等,交互 式模拟器集各种技术(声学、光学、电子、计算机等)于 一体,可以在触觉、视觉、听觉,甚至味觉等各个角度, 模拟现实中的运动。随着虚拟现实技术的迅猛发展,加上 各种先进的展示设备,高性能的计算机,更提高了模拟系 统的真实性,使虚拟现实的三大特点(交互性、沉浸感和 多感知性)表现的淋漓尽致。而虚拟现实技术在体育休闲 业的成功应用就是数字竞技体育。它借助于以虚拟现实技 术为基础而创新的系列休闲健身设备,以日常健身的自然 方式在数字构筑的虚拟环境中的各种逼真比赛场地上进行 锻炼或比赛,使得在现实世界里难以参与或难以亲临的运 动,可以在虚拟的环境下得以实现并产生等同亲临真实环 境的感受和体验。我们开发的虚拟健身系统集健身娱乐于 一体,增加了健身运动的趣味性,更好的提高健身效果。 本文着重介绍了健身车控制系统、力反馈系统、视景仿真 系统、网络传输系统。 1

1.1健身车控制系统
健身车控制系统由数据采集模块、串口数据传输模 块、力反馈控制模块组成。为了完成数据采集和控制, 我们定义了下面几个运动和控制参数:首先定义了左右 拐弯参数、前进后退参数;然后,定义了车把提力参数 及骑车人重量的参数,利用这对参数来仿真配合车子的 运动状态,来模拟健身车特级表演;最后,定义了力反 馈控制参数,即动力控制参数、阻力控制参数。利用这 些参数,完成对健身系统运动状态采集和力反馈控制。 为了提高数据的采集控制的实时性,我们采用DSP 开发硬件电路,DSP是一种专门用来实现信号处理算法 的微处理器芯片,DSP芯片本身的特点再加上集成电路 的优化设计,可使DSP芯片的指令周期降低到20ns以下, 快速的指令周期使得DSP芯片能够实现实时数据的采集 与处理,对我们这种实时系统的要求是非常合适的。

我们使用nIS32m砣407A开发主控系统,结合编码

系统总体结构
交互健身自行车系统的硬件是由健身车、动力和阻

器,D/A电路和PWM电路,完成了健身车中包括车把、 车轮、车座、手刹等机构的数据采集,以及接受计算机 传送的命令和控制数据,进行处理后控制健身车的动力 和阻尼力产生装置。健身车系统控制结构如图1所示。

尼力产生装置、主控图形工作站、传感器及DSP数据采 集与控制系统等构成。考虑系统对三维图形实时生成的 要求,结合系统性价比,主控计算机的配置为CPU
P4

1.2动力与阻尼力反馈模拟
健身车的动力模拟主要是,当自行车下坡时,自行车 和人的重力沿着坡度方向有重力分量时候的健身车运动模 拟。而阻力部分,主要考虑空气阻力和车轮的摩擦力。根 据直流电机的转速公式:

2.4G、内存512MB,及显卡、网卡等。立体显示选用有 源的红外立体显示设备及无线立体眼镜。系统总体结构 由健身车控制系统、动力学和运动学仿真系统、视景仿
收稿日期:2004一09—06

作者简介:赵峰(1980一),男,硕士生。研究方向 现实技术。

虚拟

n:旦一旦I:旦一堡
“C。巾 C。巾1。 C。巾
C C.由2


”’

36

万方数据  

【健身自行车
I车把 车轮 车把 车座 手刹


视景的建模采用的是目前国际上比较普遍的3ds文
DSP

编码器 编码器 力传感器 力传感器

计算机 动力学
』 c,

件格式,其建模过程基本分为两步:第一步称为几何建模, 主要包括用多边形或三角形拼构成对象的立体外形;第二
车=≥
10M/100M



数据 采集 与控 制系


分析与 图形生 成系统

局域网

步称为形象建模,主要包括对几何建模的结果进行纹理、 颜色、光照等处理。整个虚拟场景的建模主要包括城市 和村庄等场景的建模,不同场景中线路崎岖的程度是不 同的,崎岖的路径可以让健身者表演特级动作,使健身

动力电机 阻力电机

【一



图l
Fig.1 The

健身车控制系统结构 Gymn鼬tic bicycIe∞ntrol system

frame of

者在漫游过程中充分体验到运动的刺激和娱乐性。为了 增强逼真度,场景中的建筑是根据实际建筑的航拍数据 得到的,经过模型简化后加入场景。同时我们也在场景 中加入了一定的交互对象,这样可以动静结合,给健身 者以身临其境的感受。 实时性是视景仿真系统关键点,目前基于图形实时 的算法有,(采用LOD、消隐、可预见性判断等方法), 来适应大规模数据场景的实时漫游需求。我们在视景仿
f2)

可以看出,影响电机转速的主要因素是改变电机的 外加电压。动力模拟,就是电机顺向转动自行车轮,这 里控制电路采用的是PWM(脉宽调制),改变电枢的平 均电压,从而调节电机的转速。 阻力模拟的原理就是使直流电机发电运行,根据直 流电机的转矩公式:

L庐C知L

真系统开发中,充分考虑了仿真实时性的要求,通过视 锥消隐技术、八叉树分区域显示、DEM地形信息内存动 态导入、透明贴图技术、十字交叉贴图技术、Mip技术 等,提高了场景绘制速度。

可以看出,当转矩常数C知一定时,电机转矩产生
的阻力和电枢回路平均电流I。成正比。控制电机回路平 均电流采用PWM电路。最后,通过我们建好的动力学 和运动学模型,由主控计算机完成动力和运动学分析, 传送给DSP系统再完成健身车的控制。

1.4网络传输系统
要完成多人的竞技运动,必须完成多机之间的通 讯,我们通过TCP/IP,进行多机间的数据传输,实现了 网络互动。网络传输系统由若干单机版的健身车系统组 成,通过10M/100M局域网联机,用网络传输各个健身 车仿真系统的运动位置和状态。 系统构建基于C/S结构,由服务器端和多个客户端 组成,服务器端和客户端实现点对点通讯,TCP是可靠 传输,对我们这种信息传输要求比较高的系统是非常合 适的,但由于数据传输时数据量的不均衡性,服务器端 的负载比较大。考虑了服务器的性能和实时性,我们设 定服务器的最大连接数,控制连接数目,防止连接过多 使馈城过大,而影响实时数据的传输。 系统工作流程:首先,服务器端设定地址绑定和侦 听端口,等待客户端的连接。为了提高通讯的可靠性和 稳定性,等待客户端连接的过程是通过多线程机制来实 现的。然后,客户端发起连接,连接成功后实现点对点 通讯,服务器端不断的收集客户端健身车的运动数据, 然后将数据集中起来,定时发送给各个客户端,最后, 所有机器中的场景完成自动更新。 网络传输系统实现了多人竞技,将游戏和健身活动 结合在一起,大大提高了健身的乐趣,使虚拟现实技术 向大众娱乐又迈进了一步。

1.3健身车视觉仿真系统
(1)仿真软件设计。软件设计对该虚拟现实仿真系 统的开发至关重要。软件设计过程中,不但要实现系统 的基本功能,还要综合考虑系统运行的稳定性、可靠 性、高效性和实时性。在软件设计过程中,采用了面向 对象模块化的设计原则,场景中的所有模型都封装了自 己的运动和位置,以及控制函数,并且不同类型的对象 模拟分别由不同的模块封装。这使得该仿真系统具有很 强的开放性和重用性,更便于今后进行功能扩展和系统 维护。为了实现虚拟场景软件的通用性和可扩展性,使 用COM组件进行开发,并使用OpenGL库,以Visual C++为平台开发虚拟场景图形引擎。 考虑到系统中图像的制作同时还要进行实时的通讯 等工作,为保证系统可靠稳定的工作,采用多线程的程 序设计方法,对运动和控制的计算、串口数据传输、网 路数据传输、虚拟场景的生成、三维动画的生成等分别 用独立的线程来管理,这不但保证了系统运行的可靠 性,还提高了计算机资源的利用率。在虚拟场景设计方 面,采用双缓存机制来保持动画的平滑和流畅。 (2)视景仿真实现。视景仿真利用计算机图形图像技 术,生成健身自行车运动过程中健身者看到的虚拟场景, 如道路、建筑物、树木、河流以及天空等背景,并配合立 体显示技术,增强视景仿真系统的真实度。视景仿真系统 主要由图形工作站,红外立体显示设备和立体眼镜组成。

2实验结果分析
我们将健身车仿真系统、动力学仿(下转第43页)

37

万方数据  

体}。该入口实现了uIs£yle对话框的嵌套调用。

明int response和一条语句test(&response),这样即可实
Function

(3)从uG的File_Execute uG/0lpen—user

现对话框1中的按钮对对话框2的调用。 6

妇(char+p8r锄,im+retcode,int den){函数体l。B
和c这两种方式系统调用inc (char
int


…调用.dU文件激活对话框:入口函数为extem void:

结束语
总之,uG系统除了为我们提供了强大的cAD/

u邸’IYLER』眦tdialog

dialog』le,Un趴YLER-callbackj血)-t+cbs,

cAE/CAM功能之外,还为我们提供了UG/0pen开放式 的二次开发工具集。利用它我们可以很方便地开发出满 足用户特殊需要的基于uG平台的专用系统,既提高了 设计效率又为uG软件的本地化奠定了基础。 参考文献:
【l】EDs PLM用户通讯【z】.2003。2. [2】王庆林.洪如谨.uG/open GRIP实用编程基础[M】.北京:清华 大学出版社,2002. [3】董正卫,田立中,付宜利,徐海峰?uG/,0Pen API编程基础[M】?北 京:清华大学出版社,2002?

number』Lcbs,Void宰clienLdata,im幸response)函

数显示对话框问。以上三种入口形式大大丰富了开发人 员对开发方式的选择。 用UIStyler创建两个对话框,对话框1带有一个按 钮控件。在Vc中新建一个空的动态链接库工程,将 uIstyler创建对话框后生成的+jemplate.c和4.h文件都 加入到工程中。在test2jemplate.c中找到蛾fdef} DISPLAY-FROM—CALLBACK,把它和与其对应的#endif 语句删除,将这两条语句所包含的函数的名称改为test。 在testljemplate.c中按钮控件的回调函数中加上一条声
Research of the

吲陈军?wh由”平台上uGⅡ内部应用程序的开发啤现代机械,2001,4.

Sec佃d时y DeVeIopment仰UG
212013,c11ina)

Oian铲u uTliVersity,zhe巧iang Jian乎u Abstmct:
introduced character and the of uG/oPen

GRIP、uG/open API、uG/open Menuscript and uG/open
tlle

uIs叫er

in

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were

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method wKch
emphasized.

ad啪ced

pro铲amming laIlguage UG/oPen ApI coⅡ1billed诚出dle editor of

dialog box UG/open UIStyler were

(上接第37页)

真系统、视景仿真系统、运动学仿真系

统、网络传输系统等集成起来,经过系统的整体测试, 得到下面的结果:车轮转角、车把拐角精度,不超过 O.015弧度;力传感器精度,不超过O.1kg;数据采集延 时,不超过0.007秒;图像的刷新频率可以达到70帧每 秒以上;图像显示延时不超过0.03秒;网络传输延时, 不超过0.01秒。经过系统 调试分析,系统的延时主 要在于主控计算机串口数 据的采集和处理,我们采 用环形缓冲技术、多线程 等技术,经过多次优化,
圈2系统仿真效果
Fig.2

3结束语
我们将虚拟现实技术同健身运动相结合,开发出这套互动 健身车仿真系统。在图形学、实时数据采集、实时交互控制、 网络传输等方面进行研究和探讨,解决了一些关键性的问题。 同时该项技术可以应用到其他领域,有很好的推广性,象网络 健身系统,就可以应用于健身房等环境中,有很好的市场价值。 参考文献:
[1】Dong—Soo Kwon,Gi~Hun Yang,Chong—Won

You蚓in Park,ByIln宙)o

Jung.

etc,KAIsT

l鹄Jae—Che01 shin, Int哪ctive Bicyele
Collference

Simulator,pmceedin挚0f出e
on

2001

IEEE,Intemational

Robodcs&Auto啪non,Se0111,Ko嘲,May 21~26'2001.

解决了这个问题,目前基 本上可以达到实时性的要

【2】蔡忠法。刘大健,章安元.基于虚拟现实的汽车驾驶模拟训练系统 方案的研究【J】.系统仿真学报,2002. 【3】张杰,邹继刚,张锐,李文秀.一种基于虚拟现实的舰载特种起重

Syst锄simul硝蜘

求。系统仿真效果如图2。

机仿真系统【J】.计算机工程与应用,2002.

Study of Interactive

Gym眦stic

Bicyde

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Virtual ReaUty

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万方数据  

基于虚拟现实技术的交互式健身自行车的研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 赵峰, 孙汉旭, 贾庆轩, 高欣 北京邮电大学,自动化学院,北京,100876 机电产品开发与创新 DEVELOPMENT & INNOVATION OF MACHINERY & ELECTRICAL PRODUCTS 2004,17(6) 2次

参考文献(3条) 1.Dong-Soo Kwon.Gi-Hun Yang.Chong-Won Lee.Jae-Cheol Shin,Youngjin Park,Byungbo Jung etc, KAIST Interactive Bicycle Simulator,proceedings of the 2001 IEEE 2001 2.蔡忠法.刘大健.章安元 基于虚拟现实的汽车驾驶模拟训练系统方案的研究[期刊论文]-系统仿真学报 2002 3.张杰.邹继刚.张锐.李文秀 一种基于虚拟现实的舰载特种起重机仿真系统[期刊论文]-计算机工程与应用 2002

相似文献(10条) 1.会议论文 徐黎黎.郭晨 基于船舶智能控制虚拟现实技术的研究 2003
在船舶控制工程中无法进行实船试验的条件下,虚拟现实技术给研究工作带来了很多优点。文中讨论了通过3DSMAX的三维建模功能创建三维模型,运 用WTK提供的函数库给模型赋予属性,在VC平台上对模型加以控制,创造一个接近真实的虚拟现实仿真环境,用户可通过鼠标、键盘等外部设备对三维模型 进行操作,也可以通过数字头盔和立体眼镜观察场景中的船舶运动境况,实现了可视化交互式仿真的研究,方便了对船舶控制规律的选择和调节。

2.学位论文 吴康新 混凝土高拱坝施工动态仿真与实时控制研究 2008
混凝土高拱坝施工过程十分重要而又复杂,受导流度汛等诸多内外因素的影响,约束条件非常复杂,给水电工程的进度控制带来很大的困难。本文 结合高拱坝施工的关键技术问题,重点研究了高拱坝施工全过程动态仿真建模的理论与方法。将面向对象仿真技术、虚拟现实技术、多Agent技术和实时 控制理论方法在高拱坝施工仿真中进行综合应用,开展了复杂约束条件下的混凝土高拱坝施工动态仿真与实时控制研究,主要工作与研究成果如下: 1.在综合考虑各种复杂约束条件下,建立了高拱坝施工动态仿真的随机动态数学逻辑关系模型,为揭示高拱坝施工过程的内在规律提供理论基础。 将面向对象仿真技术、虚拟现实技术和多Agent技术集成到高拱坝施工仿真模型中,提出了基于真实施工场景下的交互式仿真智能体模型(VISAM)的仿 真建模方法,简化了仿真建模过程,提高了施工仿真的直观性。 2.提出了真实施工场景下高拱坝施工实时交互式仿真与控制方法,创建了具有高度沉浸感的实时交互式仿真环境,对实时交互式仿真的概念、软硬 件技术和实时交互控制理论进行了论述,并详细研究了高拱坝施工仿真中实时交互与控制的实现过程,为高拱坝施工设计与建设管理提供了直观交互的 系统平台。 3.针对高拱坝施工过程的随机性、不确定性和经验性强等特点,提出了基于多Agent的高拱坝施工动态仿真与优化方法,将智能化仿真中知识的表示 、推理、搜索等手段引入到施工动态仿真中。采用多策略建模方法实现不同智能水平的Agent模型,包括基于模糊规则的随机跳仓排序方法和通过强化学 习实现Agent学习和自适应功能。基于多Agent的高拱坝施工动态仿真提高了系统建模能力,扩展了系统应用的范围,起到了辅助决策作用。 4.进行了高拱坝的施工进度实时控制过程研究,提出了基于实时仿真的高拱坝施工进度预测与分析方法。根据进度控制的基本原理,建立了高拱坝 实际可行的进度控制流程,研究了高拱坝施工进度监控预警模型,详细论述了高拱坝施工进度动态调整与控制的实现方法,研制开发了一个高拱坝施工 动态仿真与实时控制(DSim_PDC)系统,并论述了系统的实现流程。 5.结合锦屏一级工程关键技术问题,进行了仿真系统工程应用分析,对锦屏一级大坝施工进行了多方案的仿真计算与成果评价,提出了加快施工进 度的有效措施,为施工管理人员提供了有效的辅助分析工具,并为该工程的开工建设及现场施工控制提供了强有力的技术支持。

3.期刊论文 侯庆.陈孝威.HOU Qing.CHEN Xiao-wei 基于OpenGL的流体交互式仿真 -计算机应用研究2007,24(2)
为避免二维波方程中的大量计算,使用二维波动方程的中心差分近似来模拟流体运动.在该方法上实现了基于物理的浮力和阻力模型,模拟物体在流体 表面的漂浮.在OpenGL上实现上述方法,实验证明该方法实现简单,大大降低了运算代价.

4.期刊论文 葛涛 作战模拟与分布交互式仿真 -计算机仿真2003,""(z1)
随着新技术的发展和费用的限制,训练军事人员、检验和评估武器装备的性能需要采用新的模拟方法,分布交互式仿真是计算机作战模拟的一个重要 发展趋势.本文首先概述了DIS产生的背景,简介了计算机作战模拟的发展历程.然后详细分析了分布交互式仿真的组成,重点介绍了其三个特点,并结合作 战模拟的实际情况,对分布交互式仿真所涉及的关键技术及应用情况进行了深入探讨.分布交互式仿真系统能够正确检验武器系统的性能、缩短训练时间 及节省费用,从而增强训练效果,提高评估的合理性.

5.学位论文 王飞 虚拟现实仿真决策的理论与应用研究 2000
该文以仿真决策问题为主要研究对象,对如何开展序贯决策问题的研究进行了深入的探讨,并利用现代仿真科学的面向对象仿真、交互式仿真和虚拟 现实仿真等最新思想和成果,开发出了基于VR(VirtualReality虚拟现实)环境的交互式序贯决策支持系统,使得在普通微机平台上即能够进行序贯决策的 训练和研究,获得了一些比较重要的成果,同时对目前非常热门的互联网上虚拟现实仿真也进行了较为深入的研究,取得了突破性的进展.

6.会议论文 葛涛 作战模拟与分布交互式仿真 2003
随着新技术的发展和费用的限制,训练军事人员、检验和评估武器装备的性能需要采用新的模拟方法,分布交互式仿真是计算机作战模拟的一个重要 发展趋势.本文首先概述了DIS产生的背景,简介了计算机作战模拟的发展历程.然后详细分析了分布交互式仿真的组成,重点介绍了其三个特点,并结合作 战模拟的实际情况,对分布交互式仿真所涉及的关键技术及应用情况进行了深入探讨.分布交互式仿真系统能够正确检验武器系统的性能、缩短训练时间 及节省费用,从而增强训练效果,提高评估的合理性.

7.期刊论文 蔡洌.李世其.CAI Lie.LI Shi-qi 生产物流系统交互性层次仿真方法研究 -系统仿真学报2007,19(23)
在交互式仿真对生产物流系统的分析过程中往往需要借助于虚拟现实技术和仿真与可视化的同步计算能力.虽然高分辨率模型能够更加精确的描述实 际系统的行为,但是随着仿真模型复杂度的增加,整个仿真系统需要运行在高分辨率的条件下,导致计算机计算负荷增大,计算能力成为瓶颈.在虚拟环境下 对生产物流系统进行交互式仿真分析要求仿真和可视化的实时性.基于层次建模和多分辨率仿真技术,提出了一种新的生产物流系统交互式仿真方法,并以 汽车生产物流系统为例,开发了原型系统,验证了新方法的有效性.

8.学位论文 商云鹏 基于HLA和VR的防空导弹作战仿真系统研究 2004

本文分析了分布交互式仿真和虚拟现实技术,详细讨论了作战仿真系统的背景,设计了作战仿真系统的体系结构和逻辑框架并确定了仿真系统的组成 .基于高层体系结构的分布式仿真的实现机制,设计了该仿真系统的联邦概念模型和联邦对象模型,划分了联邦成员;分析了该仿真系统的对象,建立了仿真 对象的三维实体几何模型和运动模型,研究了三维实体几何模型的建模方法和过程;基于虚拟现实技术,设计了仿真系统联邦成员的虚拟现实界面,研究了 虚拟场景的集成和驱动技术,实现了虚拟场景的实时生成和显示.本文设计的防空导弹作战仿真系统,实现了分布条件下防空导弹攻击目标过程的仿真,为 防空导弹武器的演练提供了一个低风险、低成本、界面友好的训练平台.将HLA和虚拟现实技术相结合,对有关仿真研究有一定的借鉴价值和意义.

9.会议论文 郭晨.孙建波.史成军.杨国勋.徐黎黎 船舶运动智能控制虚拟现实仿真系统 2003
本文提出并生成一种应用虚拟现实技术的船舶运动智能控制可视化交互式仿真系统.论文讨论了状态空间型船舶平面运动数学模型,虚拟立体视觉图 象的生成算法,给出船舶运动智能控制虚拟现实仿真系统实现的主要功能和部分虚拟现实交互式仿真场景.本仿真系统使研究者可以在实验室环境下方便 地研究船舶航向,航迹,减摇等船舶运动控制系统,直接获得系统的动态和静态特性,实现实时跟踪和监控船舶运动控制多种算法的可视化仿真过程.

10.期刊论文 郭晨.杨国勋.孙建波.沈智鹏.徐黎黎 船舶运动控制虚拟现实交互式仿真系统 -系统仿真学报 2004,16(5)
提出并生成一种应用虚拟现实技术,可使仿真过程可视化的船舶运动控制交互式仿真系统.它使研究者可以在实验室环境下更好地研究船舶航向,航迹 ,减摇等船舶运动控制系统,直接获得系统的动态和静态特性,实现实时跟踪和监控船舶运动控制多种算法的可视化仿真过程.

引证文献(2条) 1.姜雪伟.孙晓鹏.王鹏杰 虚拟交互漫游系统关键技术研究与实现[期刊论文]-大连民族学院学报 2009(3) 2.殷承良.张勇.张建武 基于MATLAB/xPCTarget、Virtual Reality工具箱的汽车动力学实时仿真研究[期刊论文]系统仿真学报 2005(z2)

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