CN103337153B - 一种虚拟帆船运动仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种虚拟帆船运动仿真系统，包括：风速和风向测量仪，用于测量帆船倾角和帆杆摆角的双轴倾角传感器，用于测量船舵操纵角的转角传感器，用于测量稳向板的入水深度的长度传感器，用于测量帆船航速、航向和运行轨迹的差分式GPS模块，多参数实时采集系统，连接到所述风速和风向测量仪、双轴倾角传感器、转角传感器、长度传感器和差分式GPS模块，接收各测量参数；GPRS模块，通过无线网络将所述各测量参数上传到上位机；上位机，通过三维图形引擎构建海洋动态场景，并根据各测量参数对帆船的行驶状态进行建模。本发明能够对运动员比赛或训练过程中的行驶状态进行建模，方便观众和教练员实时观赛和指导。

Description

一种虚拟帆船运动仿真系统

技术领域

本发明涉及电子与信息科学技术领域，特别涉及一种虚拟帆船运动仿真系统。

背景技术

随着经济、社会的发展，体育运动趋向社会化、普及化，体育运动的竞技水平也随着社会经济、文化水平的提高而提高。帆船运动是一种时尚而又充满活力的运动，帆船运动以其特有的魅力，越来越受人们的青睐，奥运会的帆船比赛项目也更加丰富多彩。

中国奥运会的举办将中国的体育运动事业推向一个新的高潮。奥运的举办不仅产生巨大的经济效应、文化和社会效应，同时对我们的服务水平、服务装备、竞技装备等提出了新的要求。要求更多的智能化、信息化、人性化的技术装备应用到运动领域。

世界许多国家大力地开发信息技术并应用在体育运动上，以此来提高服务水平，提升竞技能力，改进训练方法，相应的技术装备层出不穷。北京申奥成功后，如何利用现代科学技术，特别是利用现代通信技术、计算机技术、电子技术来服务体育运动变得更加突出。

在国外，位列全球专业帆船赛事三甲的Volvo环球帆船赛，其比赛中使用的帆船上配备了先进的航行设备，卫星定位、视频摄制和先进的联络通讯系统。奥运会的举办极大的推动了我国在帆船技术装备及训练方式上的研究，我国在的帆船相关的信息技术方面的研究也已展开，国内已经开始出现基于专家系统和Mapx的帆船辅助训练系统的相关研究。

帆船比赛、训练往往在较大的滨海水域内进行，这样就给比赛观看、比赛评判以及教练训练时带了一些难题。例如，观众一般情况下远距离观察比赛，需要借助望远镜，观赛效果查；教练指导帆船训练需要借助教练船亲临训练场地进行观察和记录，教练空间指挥能力有限等。

发明内容

本发明提出一种虚拟帆船运动仿真系统，解决了现有技术中帆船比赛和训练过程难于观察记录的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种虚拟帆船运动仿真系统，包括：风速和风向测量仪，安装在帆船船头；用于测量帆船倾角和帆杆摆角的双轴倾角传感器，分别安装在帆船的船面和帆杆上；用于测量船舵操纵角的转角传感器，安装在船舵的固定转轴上；用于测量稳向板的入水深度的长度传感器，安装在稳向板的顶端；用于测量帆船航速、航向和运行轨迹的差分式GPS模块，安装在帆船的船头；多参数实时采集系统，连接到所述风速和风向测量仪、双轴倾角传感器、转角传感器、长度传感器和差分式GPS模块，接收各测量参数；GPRS模块，连接到所述多参数实时采集系统，通过无线网络将所述各测量参数上传到上位机；上位机，通过无线网络接收所述各测量参数，通过三维图形引擎构建海洋动态场景，并根据各测量参数对帆船的行驶状态进行建模。

可选地，所述多参数实时采集系统包括ARM嵌入式芯片。

可选地，所述多参数实时采集系统采用定时控制模式，各传感器分时轮流供电，参数测量时相应的传感器供电，参数未测量时相应的传感器断电。

可选地，所述上位机通过GPRS模块与所述多参数实时采集系统建立TCP链接，发送命令和相关数据，所述多参数实时采集系统接收上位机的命令并根据命令做出相应响应。

可选地，所述转角传感器包括第一电位器和第二电位器，第一电位器的滑动端输出第一舵角信号，第二电位器的滑动端输出第二舵角信号；所述长度传感器包括第三电位器，第三电位器的滑动端输出水深信号。

可选地，所述多参数实时采集系统还包括：第一信号放大电路，连接到所述第一电位器的滑动端；第二信号放大器，连接到所述第二电位器的滑动端；第三信号放大器，连接到所述第三电位器的滑动端；第一A/D转换器，连接到所述第一信号放大电路的输出端，输出数字形式的第一舵角信号到所述ARM处理器；第二A/D转换器，连接到所述第二信号放大电路的输出端，输出数字形式的第二舵角信号到所述ARM处理器；第三A/D转换器，连接到所述第三信号放大电路的输出端，输出数字形式的水深信号到所述ARM处理器。

可选地，所述第一A/D转换器和第二A/D转换器为高速A/D转换器，第三A/D转换器为低速A/D转换器。

本发明的有益效果是：能够对运动员比赛或训练过程中的行驶状态进行建模，方便观众和教练员实时观赛和指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种虚拟帆船运动仿真系统的控制框图；

图2为本发明虚拟帆船运动仿真系统一个实施例的控制框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种虚拟帆船运动仿真系统，包括：风速和风向测量仪10，安装在帆船船头，采集风速和风向；用于测量帆船倾角和帆杆摆角的双轴倾角传感器20，分别安装在帆船的船面和帆杆上；用于测量船舵操纵角的转角传感器30，安装在船舵的固定转轴上；用于测量稳向板的入水深度的长度传感器40，安装在稳向板的顶端；用于测量帆船航速、航向和运行轨迹的差分式GPS模块50，安装在帆船的船头；多参数实时采集系统60，连接到风速和风向测量仪10、双轴倾角传感器20、转角传感器30、长度传感器40和差分式GPS模块50，接收各测量参数；GPRS模块70，连接到多参数实时采集系统60，通过无线网络将各测量参数上传到上位机；上位机80，通过无线网络接收各测量参数，通过三维图形引擎构建海洋动态场景，并根据各测量参数对帆船的行驶状态进行建模。

多参数实时采集系统60包括ARM嵌入式芯片，外围芯片采用COMS器件，采用定时控制模式，各传感器分时轮流供电，参数测量时相应的传感器供电，参数未测量时相应的传感器断电，进行低功耗控制，实现电池长时间供电。

本发明的虚拟帆船运动仿真系统使用GPRS技术实现多种参数实时上传，为了可靠、安全地数据传输，针对帆船制定一套完备的主‐从命令响应式通信协议，上位机发命令、下位机实时响应，数据传输进行了多种校验，确保数据的安全。上位机80通过GPRS模块70与多参数实时采集系统60建立TCP链接，发送命令和相关数据，多参数实时采集系统60接收上位机80的命令并根据命令做出相应响应。其中，上位机80下发命令的流程具体为：首先，建立TCP链接；然后，发送从机地址；再然后，发送命令及相关数据；接下来，发送CRC数据；最后，确定数据是否正确下发，不正确重发。从机（即多参数实时采集系统）的响应流程具体为：首先，接收上位机命令，包括从机地址、命令、数据和CRC校验数据；然后，分析命令；再然后，根据命令做出相应响应。

上位机80基于OpenGL及GPU shader开发的三维图形引擎，支持帆船运动建模、仿真及海洋动态场景构建，在帆船运动技术训练过程中，能够对运动员训练过程中的行驶状态进行建模，通过参数对比，找出动作细节和结构，使教练员在训练过程中及时地了解运动员做技术动作时船、帆的运动姿态，并给予及时有效的指导。

图2为本发明虚拟帆船运动仿真系统一个实施例的控制框图。如图2所示，转角传感器30包括第一电位器31和第二电位器32，第一电位器31和第二电位器32的两端分别连接到基准电压源和地电位，第一电位器31的滑动端输出第一舵角信号，第二电位器32的滑动端输出第二舵角信号；长度传感器40包括第三电位器，第三电位器的两端连接到基准电压源和地电位，第三电位器的滑动端输出稳向板的入水水深信号。多参数实时采集系统60包括：第一信号放大电路61，连接到第一电位器31的滑动端；第二信号放大器63，连接到第二电位器32的滑动端；第三信号放大器65，连接到第三电位器的滑动端；第一A/D转换器62，连接到第一信号放大电路61的输出端，输出数字形式的第一舵角信号到ARM处理器69；第二A/D转换器64，连接到第二信号放大电路63的输出端，输出数字形式的第二舵角信号到ARM处理器69；第三A/D转换器66，连接到第三信号放大电路65的输出端，输出数字形式的水深信号到ARM处理器69。虚拟帆船运动仿真系统还包括设置在船帆上的帆压力传感器90，帆压力传感器90包括第四电位器，第四电位器的两端连接到基准电压源和地电位，第四电位器的滑动端输出帆压力信号，多参数实时采集系统60包括第四信号放大器67，对帆压力信号进行放大，输出放大的帆压力信号到第四A/D转换器68，第四A/D转换器68的输出端连接到ARM处理器69。第一A/D转换器62和第二A/D转换器64为高速A/D转换器，第三A/D转换器66和第四A/D转换器68为低速A/D转换器，转角传感器30输出的第一舵角信号和第二舵角信号需要高速的模数转换速度，以达到及时的仿真重现，长度传感器40输出的水深信号和帆压力传感器90输出的帆压力信号不需要较快的模数转换速度，可以使用低速A/D转换器，节约成本。

本发明的虚拟帆船运动仿真系统，能够对运动员比赛或训练过程中的行驶状态进行建模，方便观众和教练员实时观赛和指导。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种虚拟帆船运动仿真系统，其特征在于，包括：

风速和风向测量仪，安装在帆船船头；

用于测量帆船倾角和帆杆摆角的双轴倾角传感器，分别安装在帆船的船面和帆杆上；

用于测量船舵操纵角的转角传感器，安装在船舵的固定转轴上；

用于测量稳向板的入水深度的长度传感器，安装在稳向板的顶端；

用于测量帆船航速、航向和运行轨迹的差分式GPS模块，安装在帆船的船头；

多参数实时采集系统，连接到所述风速和风向测量仪、双轴倾角传感器、转角传感器、长度传感器和差分式GPS模块，接收各测量参数；

转角传感器包括第一电位器和第二电位器，第一电位器和第二电位器的两端分别连接到基准电压源和地电位，第一电位器的滑动端输出第一舵角信号，第二电位器的滑动端输出第二舵角信号；

长度传感器包括第三电位器，第三电位器的两端连接到基准电压源和地电位，第三电位器的滑动端输出稳向板的入水水深信号；

多参数实时采集系统包括：第一信号放大电路，连接到第一电位器的滑动端；第二信号放大器，连接到第二电位器的滑动端；第三信号放大器，连接到第三电位器的滑动端；第一A/D转换器，连接到第一信号放大电路的输出端，输出数字形式的第一舵角信号到ARM处理器；第二A/D转换器，连接到第二信号放大电路的输出端，输出数字形式的第二舵角信号到ARM处理器；第三A/D转换器，连接到第三信号放大电路的输出端，输出数字形式的水深信号到ARM处理器；虚拟帆船运动仿真系统还包括设置在船帆上的帆压力传感器，帆压力传感器包括第四电位器，第四电位器的两端连接到基准电压源和地电位，第四电位器的滑动端输出帆压力信号，多参数实时采集系统包括第四信号放大器，对帆压力信号进行放大，输出放大的帆压力信号到第四A/D转换器，第四A/D转换器的输出端连接到ARM处理器；

第一A/D转换器和第二A/D转换器为高速A/D转换器，第三A/D转换器和第四A/D转换器为低速A/D转换器；

GPRS模块，连接到所述多参数实时采集系统，通过无线网络将所述各测量参数上传到上位机；

上位机，通过无线网络接收所述各测量参数，通过三维图形引擎构建海洋动态场景，并根据各测量参数对帆船的行驶状态进行建模；

采用主-从命令响应式通信协议，上位机通过GPRS模块与多参数实时采集系统建立TCP链接，发送命令和相关数据，多参数实时采集系统接收上位机的命令并根据命令做出相应响应；其中，上位机下发命令的流程具体为：首先，建立TCP链接；然后，发送从机地址；再然后，发送命令及相关数据；接下来，发送CRC数据；最后，确定数据是否正确下发，不正确重发；多参数实时采集系统的响应流程具体为：首先，接收上位机命令，包括从机地址、命令、数据和CRC校验数据；然后，分析命令；再然后，根据命令做出相应响应。

2.如权利要求1所述的虚拟帆船运动仿真系统，其特征在于，所述多参数实时采集系统包括ARM嵌入式芯片。

3.如权利要求2所述的虚拟帆船运动仿真系统，其特征在于，所述多参数实时采集系统采用定时控制模式，各传感器分时轮流供电，参数测量时相应的传感器供电，参数未测量时相应的传感器断电。

4.如权利要求3所述的虚拟帆船运动仿真系统，其特征在于，所述上位机通过GPRS模块与所述多参数实时采集系统建立TCP链接，发送命令和相关数据，所述多参数实时采集系统接收上位机的命令并根据命令做出相应响应。

5.如权利要求4所述的虚拟帆船运动仿真系统，其特征在于，所述转角传感器包括第一电位器和第二电位器，第一电位器的滑动端输出第一舵角信号，第二电位器的滑动端输出第二舵角信号；所述长度传感器包括第三电位器，第三电位器的滑动端输出水深信号。

6.如权利要求5所述的虚拟帆船运动仿真系统，其特征在于，所述多参数实时采集系统还包括：第一信号放大电路，连接到所述第一电位器的滑动端；第二信号放大器，连接到所述第二电位器的滑动端；第三信号放大器，连接到所述第三电位器的滑动端；第一A/D转换器，连接到所述第一信号放大电路的输出端，输出数字形式的第一舵角信号到所述ARM处理器；第二A/D转换器，连接到所述第二信号放大电路的输出端，输出数字形式的第二舵角信号到所述ARM处理器；第三A/D转换器，连接到所述第三信号放大电路的输出端，输出数字形式的水深信号到所述ARM处理器。

7.如权利要求6所述的虚拟帆船运动仿真系统，其特征在于，所述第一A/D转换器和第二A/D转换器为高速A/D转换器，第三A/D转换器为低速A/D转换器。