CN104492079A - 动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置及方法，该运动控制装置以一定的采样周期接收来自赛车游戏控制方向盘的旋转角度参数和赛车前进或后退等信号，实现虚拟赛车在运动场景中位姿和运动状态的模拟；进而根据不同运动场景时虚拟赛车所处的位姿和运动状态求解出动感赛车游戏运动模拟器中各运动机构的位移和速度等运动学参数，PID控制模块则根据求得的运动学参数对各个运动机构的位移和速度进行联动控制，从而达到实现动感赛车游戏运动模拟器中运动座椅的位姿和运动状态与虚拟赛车的位姿和运动状态保持一致的目的。

Description

动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置及方法

技术领域

本发明涉及动感游戏技术领域，具体涉及一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置及方法。

背景技术

现有动感赛车游戏的控制方法几乎都是主动控制形式：①通过一定的外设(如鼠标、键盘、游戏手柄/方向盘等)来控制游戏场景中的虚拟赛车进行前后移动和左右侧摆运动，如申请号为201310397659.0的专利提出了一种利用智能手机模拟游戏方向盘的操作方法与系统来控制虚拟赛车，申请号为201320360792.4的专利提出了一种用于控制手机赛车游戏的方向盘结构组成与设计；②通过游戏手柄/方向盘或上位机对动感赛车游戏中动感座椅的各个运动进行联动控制，如申请号为201310317335.1的专利提出了一种通过游戏手柄或上位机对动感座椅中各个运动机构的电机转向和转速进行控制，实现动感座椅的升高降低、左右回转、前后摆动和左右摆动的联动，给予游戏玩家一定的运动感觉。

但是，至今为止，现有动感赛车游戏技术领域中并没有提供一种被动形式的控制方法——根据虚拟赛车在不同游戏场景中的不同运动位姿和运动状态对动感赛车游戏运动模拟器中运动座椅的位姿和运动状态进行有效控制，使其与虚拟赛车的位姿和运动状态保持一致，给予游戏玩家身临其境的感觉。因此，本专利申请拟基于一种电机驱动的三自由度可拆装的动感赛车游戏运动模拟器，提出一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置与运动控制方法，该运动控制方法以一种被动形式实现了动感赛车游戏运动模拟器中运动座椅的侧摆、俯仰和滚转运动的联动控制，克服了现有动感赛车游戏技术中存在的不足，满足了游戏玩家对动感赛车游戏的高娱乐度和高逼真度的要求。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种提高动感赛车游戏的娱乐度和逼真度以及给予游戏玩家身临其境感觉的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置及方法。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，它包括：

赛车游戏控制方向盘；

第一通信模块，用于将所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度和赛车前进或后退信号传输给计算机；

计算机，该计算机内包括位姿求解模块和差分映射模块，所述位姿求解模块用于计算虚拟赛车处于不同运动场景时的位姿，以及通过差分映射模块中的差分运算得到虚拟赛车在一个采样周期t内的各个运动角度的变化量 映射运算得到动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量 并通过第二通信模块将动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量传输给ARM处理器中的运动参数转换模块；

ARM处理器，该ARM处理器包括运动参数转换模块和PID控制模块，所述运动参数转换模块根据动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量 求解出动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的平动位移s_s、s_p、s_r和平动速度v_s、v_p、v_r，并将求解出的位移、速度参数以队列的形式存储在内存缓冲区中，以采样周期t按照先进先出的原则将其传输给PID控制模块；所述PID控制模块根据所述运动参数转换模块输出的位移、速度参数对动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构和滚转机构的位移和速度进行联动控制。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

根据本发明的一个实施方案，所述计算机内还包括运动场景模拟模块，所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度和赛车前进或后退信号通过所述运动场景模拟模块在显示器中模拟显示。

根据本发明的另一个实施方案，所述动感赛车游戏运动模拟器中的侧摆丝杠、俯仰丝杠和滚转丝杠处各设置一个光栅线位移传感器，该光栅线位移传感器用于检测侧摆螺母位移s_s’、俯仰螺母位移s_p’和滚转螺母位移s_r’，并将检测到的各个位移量反馈给PID控制模块；PID控制模块通过对检测到的各个反馈位移量进行检验，以对动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的运动状态进行有效操控。

根据本发明的另一个实施方案，所述赛车游戏控制方向盘采用型号为北通瞬风131的3D游戏方向盘；ARM处理器采用型号为STM32F103ZET6的ARM处理器；电机采用型号为ZGBX90F-X80-1的直流减速电机；光栅线位移传感器采用型号为GXW型的光栅线位移传感器。

根据本发明的另一个实施方案，所述第一通信模块和/或第二通信模块为USB通信模块。

本发明还可以是：

一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制方法，它包括：

将所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度和赛车前进或后退信号传输给计算机；

通过位姿求解模块计算虚拟赛车处于不同运动场景时的位姿，以及通过差分映射模块中的差分运算得到虚拟赛车在一个采样周期t内的各个运动角度的变化量映射运算得到动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量并通过第二通信模块将动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量传输给ARM处理器中的运动参数转换模块；

运动参数转换模块根据动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量求解出动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的平动位移s_s、s_p、s_r和平动速度v_s、v_p、v_r，并将求解出的位移、速度参数以队列的形式存储在内存缓冲区中，以采样周期t按照先进先出的原则将其传输给PID控制模块；所述PID控制模块根据所述运动参数转换模块输出的位移、速度参数对动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构和滚转机构的位移和速度进行联动控制。

根据本发明的另一个实施方案，所述位姿求解模块的位姿求解方法如下：

虚拟赛车的侧摆角度是直接通过动感赛车游戏软件所接收的旋转角度计算求得的：其中是指赛车游戏控制方向盘的旋转角度，Φ是指赛车游戏控制方向盘的极限旋转角度，Φ_s是指虚拟赛车在运动场景中的极限侧摆角度。而俯仰角度和滚转角度则是根据虚拟赛车处于不同的运动场景时位姿状态间接求得的，其具体求解过程如下所述：

由于虚拟赛车的运动场景是由不规则的曲面连接而成，因此为了显示本算法的一般性，用坐标分量形式来表示一般曲面P＝P(u,v)：

$\left\{\begin{array}{c}x=x(u,v)\\ y=y(u,v),0\≤u,v\≤1\\ z=z(u,v)\end{array}\right.---\left(1\right)$

通过固定在虚拟赛车中心的两个相互垂直的切割面1(A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0)和切割面2(A₂x+B₂y+C₂z+D₂＝0)分别对运动场景的不规则曲面P＝P(u,v)进行切割，便可以得到三面的一个交点P_ij＝P(u_i,v_j)(或称为切割点P_ij)和两条过该切割点P_ij的曲线l₁、l₂；

该切割点P_ij沿u线(即P(u,v_j))和v线(即P(u_i,v))的切矢p_u(u_i,v_j)和p_v(u_i,v_j)分别为：

p_u(u_i,v_j)＝(x_u(u_i,v_j),y_u(u_i,v_j),z_u(u_i,v_j))              (2)

p_v(u_i,v_j)＝(x_v(u_i,v_j),y_v(u_i,v_j),z_v(u_i,v_j))              (3)

过该切割点P_ij的切平面的法矢N为：

$\begin{array}{c}N=p_u(u_i,v_j)\×p_v(u_i,v_j)\\ =\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ x_u(u_i,v_j)& y_u(u_i,v_j)& z_u(u_i,v_j)\\ x_v(u_i,v_j)& y_v(u_i,v_j)& z_v(u_i,v_j)\end{array}\right|\\ =(N_x,N_y,N_z)\end{array}---\left(4\right)$

式中，N_x、N_y、N_z分别为法矢N在基础坐标系中的三个坐标分量。

该切割点P_ij沿曲线l₁和曲线l₂的切矢和分别为：

$s_{l_1}=n_1\×N=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ A_1& B_1& C_1\\ N_x& N_y& N_z\end{array}\right|=(s_{1x},s_{1y},s_{1z})---\left(5\right)$

$s_{l_2}=n_2\×N=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ A_2& B_2& C_2\\ N_x& N_y& N_z\end{array}\right|=(s_{2x},s_{2y},s_{2z})---\left(6\right)$

式中，n₁是指过切割点P_ij且垂直于切割面1的法矢，其值为n₁＝(A₁，B₁，C₁)；n₂是指过切割点P_ij且垂直于切割面2的法矢，其值为n₂＝(A₂，B₂，C₂)；s_1x、s_1y、s_1z分别是指切矢在基础坐标系中的三个坐标分量；s_2x、s_2y、s_2z分别是指切矢在基础坐标系中的三个坐标分量；

根据向量的平移不变性可知，此时虚拟赛车的俯仰角度和滚转角度分别为：

动感赛车游戏软件中的差分映射模块以一定的采样周期t接收不同时刻虚拟赛车的侧摆角度俯仰角度和滚转角度并对其进行差分与映射运算得到虚拟赛车各个运动角的变化量和以及动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量和其计算式分别为：

式中，η_s、η_p、η_r分别是指虚拟赛车的角度变化量向动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量进行映射的侧摆映射系数、俯仰映射系数、滚转映射系数，其值为Φ_s、Φ_p、Φ_r分别是指虚拟赛车在运动场景中的极限侧摆角度、极限俯仰角度、极限滚转角度，Φ_s1、Φ_p1、Φ_r1分别是指动感赛车游戏模拟器的极限侧摆角度、极限俯仰角度、极限滚转角度。

根据本发明的另一个实施方案，所述运动参数转换模块的运动参数转换方法如下：

由动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构和滚转机构的运动参数转换简图可知：侧摆运动的平动位移俯仰运动的平动位移滚转运动的平动位移其中h_s、h_p、h_r分别是指动感赛车游戏运动模拟器中侧摆连杆、俯仰连杆、滚转连杆的长度。则动感赛车游戏运动模拟器中侧摆驱动单元的线速度v_s、俯仰驱动单元的线速度v_p、滚转驱动单元的线速度v_r的计算式为：

在一个采样周期t内，将动感赛车游戏软件中虚拟赛车的设置参数和动感赛车游戏运动模拟器的特征参数代入上述位姿求解算法和运动参数转换算法，得到动感赛车游戏模拟器的控制参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置及方法，根据游戏场景中虚拟赛车的位姿和运动状态发生变化时，通过ARM处理器中的PID控制模块对动感赛车游戏运动模拟器中运动座椅的侧摆、俯仰和滚转位姿、运动状态进行联动操控，从而达到实现动感赛车游戏运动模拟器中运动座椅的位姿和运动状态与虚拟赛车的位姿和运动状态保持一致的目的,有效达到提高动感赛车游戏的娱乐度和逼真度，给予游戏玩家身临其境的感觉。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件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的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1示出了一种动感赛车游戏运动模拟器的结构示意图。

图2示出了根据本发明一个实施例的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制原理示意图。

图3示出了根据本发明另一个实施例的虚拟赛车在运动场景中的姿态描述示意图。

图4a示出了根据本发明另一个实施例的侧摆连杆结构示意图。

图4b示出了根据本发明另一个实施例的动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构的运动参数转换示意图。

图5a示出了根据本发明另一个实施例的俯仰连杆结构示意图。

图5b示出了根据本发明另一个实施例的动感赛车游戏运动模拟器中俯仰机构的运动参数转换示意图。

图6a示出了根据本发明另一个实施例的滚转连杆结构示意图。

图6b示出了根据本发明另一个实施例的动感赛车游戏运动模拟器中滚转机构的运动参数转换示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

考虑到现有技术的问题，首先提出以下几点假设：

假设一：在动感赛车游戏的整个运动场景中，赛车不与运动场景中的物体或其他赛车发生碰撞，其位姿、运动状态只随运动场景的变化而发生变化；

假设二：动感赛车游戏的整个运动场景相对于赛车来说近似于无限大，因此，赛车可以看成是由其四个车轮组成的长方形结构，其质量仍等于赛车的质量，且四个顶点之间的距离保持不变。

基于上述两点假设，本发明的实施例提供了一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置与运动控制方法，其运动控制装置包括：赛车游戏控制方向盘、通信模块、计算机、显示器和ARM处理器。

如图1所示，图1示出了一种现有的动感赛车游戏运动模拟器的结构，动感赛车游戏运动模拟器可以包括固定底座1、俯仰机构2、滚转机构3、侧摆机构4。

如图2所示，图2示出了根据本发明一个实施例的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制原理，运动控制装置主要由赛车游戏控制方向盘、第一通信模块、第二通信模块、计算机、显示器和ARM处理器等组成，且动感赛车游戏运动模拟器中运动座椅的位姿和运动状态的控制是一种被动控制形式。第一通信模块用于将所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度和赛车前进或后退信号传输给计算机；计算机内包括运动场景模拟模块、位姿求解模块和差分映射模块，所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度和赛车前进或后退信号通过所述运动场景模拟模块在显示器中模拟显示，所述位姿求解模块是用于计算虚拟赛车处于不同运动场景时的位姿，以及通过差分映射模块中的差分运算得到虚拟赛车在一个采样周期t内的各个运动角度的变化量映射运算得到动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量并通过第二通信模块将动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量传输给ARM处理器中的运动参数转换模块；

ARM处理器包括运动参数转换模块和PID控制模块，所述运动参数转换模块根据动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量求解出动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的平动位移s_s、s_p、s_r和平动速度v_s、v_p、v_r，并将求解出的位移、速度参数以队列的形式存储在内存缓冲区中，以采样周期t按照先进先出的原则将其传输给PID控制模块；所述PID控制模块根据所述运动参数转换模块输出的位移、速度参数对动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构和滚转机构的位移和速度进行联动控制。

再如图2所示，动感赛车游戏运动模拟器中的侧摆丝杠41、俯仰丝杠21和滚转丝杠31处各设置一个光栅线位移传感器5，该光栅线位移传感器5用于检测侧摆螺母42位移s_s’、俯仰螺母22位移s_p’和滚转螺母32位移s_r’，并将检测到的各个位移量反馈给PID控制模块；PID控制模块通过对检测到的各个反馈位移量进行检验，以对动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的运动状态进行有效操控。

赛车游戏控制方向盘采用型号为北通瞬风131的3D游戏方向盘；ARM处理器采用型号为STM32F103ZET6的ARM处理器；电机采用型号为ZGBX90F-X80-1的直流减速电机；光栅线位移传感器采用型号为GXW型的光栅线位移传感器。第一通信模块和/或第二通信模块可以为USB通信模块等。本实施例只是本发明的一个优选方案，除此之外也可以为其它型号的设备。

参见图2所示，一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制方法，若以上的第一通信模块选用USB通信模块6、第二通信模块选用USB通信模块7以说明，首先通过USB通信模块6将赛车游戏控制方向盘的旋转角度和赛车前进或后退等信号传输给计算机中运行的动感赛车游戏软件；动感赛车游戏软件中的位姿求解模块是用于求出虚拟赛车处于不同运动场景时的位姿，进而通过差分映射模块中的差分运算得到虚拟赛车在一个采样周期t内的各个运动角度的变化量 映射运算得到动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量并通过USB通信模块7将动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量传输给ARM处理器中的运动参数转换模块；运动参数转换模块则根据动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量求解出动感赛车游戏运动模拟器的各个运动机构的平动位移s_s、s_p、s_r和平动速度v_s、v_p、v_r，并将求解出的位移、速度参数以队列的形式存储在内存缓冲区中，以采样周期t按照先进先出的原则将其传输给PID控制模块，而PID控制模块则根据运动参数转换模块输出的速度参数和光栅线位移传感器的反馈位移量对动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的运动状态进行有效操控。

如图3所示，图3示出了根据本发明另一个实施例的虚拟赛车在运动场景中的姿态描述，图3中P表示一般曲面，l₁、l₂表示曲线，N表示过切割点的切平面的法矢，n₁表示过切割点P_ij且垂直于一个切割面的法矢，n₂表示过切割点P_ij且垂直于另一个切割面的法矢，P_ij表示以上两个切割面对曲面P进行切割后所得到的切割点，O-XYZ表示基础坐标系。

其位姿求解算法如下：

虚拟赛车的侧摆角度是直接通过动感赛车游戏软件所接收的旋转角度计算求得的：其中是指赛车游戏控制方向盘的旋转角度，Φ是指赛车游戏控制方向盘的极限旋转角度，Φ_s是指虚拟赛车在运动场景中的极限侧摆角度。而俯仰角度和滚转角度则是根据虚拟赛车处于不同的运动场景时位姿状态间接求得的，其具体求解过程如下所述：

由于虚拟赛车的运动场景是由不规则的曲面连接而成，因此为了显示本算法的一般性，用坐标分量形式来表示一般曲面P＝P(u,v)：

$\left\{\begin{array}{c}x=x(u,v)\\ y=y(u,v),0\≤u,v\≤1\\ z=z(u,v)\end{array}\right.---\left(1\right)$

通过固定在虚拟赛车中心的两个相互垂直的切割面1(A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0)和切割面2(A₂x+B₂y+C₂z+D₂＝0)分别对运动场景的不规则曲面P＝P(u,v)进行切割，便可以得到三面的一个交点P_ij＝P(u_i,v_j)(或称为切割点P_ij)和两条过该切割点P_ij的曲线l₁、l₂。

该切割点P_ij沿u线(即P(u,v_j))和v线(即P(u_i,v))的切矢p_u(u_i,v_j)和p_v(u_i,v_j)分别为：

p_u(u_i,v_j)＝(x_u(u_i,v_j),y_u(u_i,v_j),z_u(u_i,v_j))           (2)

p_v(u_i,v_j)＝(x_v(u_i,v_j),y_v(u_i,v_j),z_v(u_i,v_j))           (3)

过该切割点P_ij的切平面的法矢N为：

$\begin{array}{c}N=p_u(u_i,v_j)\×p_v(u_i,v_j)\\ =\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ x_u(u_i,v_j)& y_u(u_i,v_j)& z_u(u_i,v_j)\\ x_v(u_i,v_j)& y_v(u_i,v_j)& z_v(u_i,v_j)\end{array}\right|\\ =(N_x,N_y,N_z)\end{array}---\left(4\right)$

式中，N_x、N_y、N_z分别为法矢N在基础坐标系中的三个坐标分量。

该切割点P_ij沿曲线l₁和曲线l₂的切矢和分别为：

$s_{l_1}=n_1\×N=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ A_1& B_1& C_1\\ N_x& N_y& N_z\end{array}\right|=(s_{1x},s_{1y},s_{1z})---\left(5\right)$

$s_{l_2}=n_2\×N=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ A_2& B_2& C_2\\ N_x& N_y& N_z\end{array}\right|=(s_{2x},s_{2y},s_{2z})---\left(6\right)$

式中，n₁是指过切割点P_ij且垂直于一个切割面的法矢，其值为n₁＝(A₁，B₁，C₁)；n₂是指过切割点P_ij且垂直于另一个切割面的法矢，其值为n₂＝(A₂，B₂，C₂)；s_1x、s_1y、s_1z分别是指切失在基础坐标系中的三个坐标分量；s_2x、s_2y、s_2z分别是指切矢在基础坐标系中的三个坐标分量。

根据向量的平移不变性可知，此时虚拟赛车的俯仰角度和滚转角度分别为：

动感赛车游戏软件中的差分映射模块以一定的采样周期t接收不同时刻虚拟赛车的侧摆角度俯仰角度和滚转角度并对其进行差分与映射运算得到虚拟赛车各个运动角的变化量和以及动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量和其计算式分别为：

式中，η_s、η_p、η_r分别是指虚拟赛车的角度变化量向动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量进行映射的侧摆映射系数、俯仰映射系数、滚转映射系数，其值为Φ_s、Φ_p、Φ_r分别是指虚拟赛车在运动场景中的极限侧摆角度、极限俯仰角度、极限滚转角度，Φ_s1、Φ_p1、Φ_r1分别是指动感赛车游戏模拟器的极限侧摆角度、极限俯仰角度、极限滚转角度。

如图4a、4b所示，图4a示出了根据本发明另一个实施例的侧摆连杆结构示意图，图4b示出了根据本发明另一个实施例的动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构的运动参数转换示意图，图中包括，侧摆连杆43、侧摆U形架44、侧摆连杆长度h_s、侧摆丝杠41,侧摆连杆43一端431与侧摆丝杠41连接，侧摆连杆43另一端432与侧摆U形架44连接。图4a运动简化后得到图4b，图4b中的细实线表示初始位置，图4b中的粗实线表示运动到t时刻的位置。

如图5a、5b所示，图5a示出了根据本发明另一个实施例的俯仰连杆结构示意图，图5b示出了根据本发明另一个实施例的动感赛车游戏运动模拟器中俯仰机构的运动参数转换示意图，图中包括，俯仰连杆23、座椅安装板24、俯仰连杆长度h_p、俯仰丝杠21,俯仰连杆23一端231与俯仰丝杠21连接，俯仰连杆23另一端232与座椅安装板24连接。图5a运动简化后得到图5b，图5b中的细实线表示初始位置，图5b中的粗实线表示运动到t时刻的位置。

如图6a、6b所示，图6a示出了根据本发明另一个实施例的滚转连杆结构示意图，图6b示出了根据本发明另一个实施例的动感赛车游戏运动模拟器中滚转机构的运动参数转换示意图，图中包括，滚转连杆33、滚转支架34、滚转连杆长度h_r、滚转丝杠31,滚转连杆33一端331与滚转丝杠31连接，滚转连杆33另一端332与滚转支架34连接。图6a运动简化后得到图6b，图6b中的细实线表示初始位置，图6b中的粗实线表示运动到t时刻的位置。

结合图4a～图6b所示，运动参数转换算法如下：

动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构4、俯仰机构2和滚转机构3的运动参数转换简图可知：侧摆运动的平动位移俯仰运动的平动位移滚转运动的平动位移其中h_s、h_p、h_r分别是指动感赛车游戏运动模拟器中侧摆连杆43、俯仰连杆23、滚转连杆33的长度。则动感赛车游戏运动模拟器中侧摆驱动单元的线速度v_s、俯仰驱动单元的线速度v_p、滚转驱动单元的线速度v_r的计算式为：

在一个采样周期内(取t＝10ms)，将动感赛车游戏软件中虚拟赛车的设置参数(如表1所示)和动感赛车游戏运动模拟器的特征参数(如表2所示)代入上述位姿求解算法和运动参数转换算法，得到动感赛车游戏模拟器的控制参数(如表3所示)，其中所采用赛车游戏控制方向盘的极限旋转角度Φ＝135°。

表1动感赛车游戏软件中虚拟赛车的设置参数

表1中的l是指动感赛车游戏软件中所设计虚拟赛车设置的纵向轴间距；w是指动感赛车游戏软件中所设计虚拟赛车的横向轮间距。

表2动感赛车游戏运动模拟器的特征参数

表3中的角度参数是接收赛车游戏控制方向盘的输出参数以及根据曲面方程P＝P(u,v)、两个切割面方程利用式(2)～(10)计算求得的，而速度v则是利用式(11)计算求得的。由表3中可以看出，本专利申请提出的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置与运动控制方法完全可以实现动感赛车游戏运动模拟器中运动座椅的位姿、运动状态和不同运动场景中虚拟赛车的位姿、运动状态保持一致，给予游戏玩家身临其境的感觉。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (8)

1.一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，其特征在于它包括：

赛车游戏控制方向盘；

第一通信模块，用于将所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度和赛车前进或后退信号传输给计算机；

计算机，该计算机内包括位姿求解模块和差分映射模块，所述位姿求解模块用于计算虚拟赛车处于不同运动场景时的位姿，以及通过差分映射模块中的差分运算得到虚拟赛车在一个采样周期t内的各个运动角度的变化量 映射运算得到动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量 并通过第二通信模块将动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量传输给ARM处理器中的运动参数转换模块；

ARM处理器，该ARM处理器包括运动参数转换模块和PID控制模块，所述运动参数转换模块根据动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量 求解出动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的平动位移s_s、s_p、s_r和平动速度v_s、v_p、v_r，并将求解出的位移、速度参数以队列的形式存储在内存缓冲区中，以采样周期t按照先进先出的原则将其传输给PID控制模块；所述PID控制模块根据所述运动参数转换模块输出的位移、速度参数对动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构和滚转机构的位移和速度进行联动控制。

2.根据权利要求1所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，其特征在于所述计算机内还包括运动场景模拟模块，所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度和赛车前进或后退信号通过所述运动场景模拟模块在显示器中模拟显示。

3.根据权利要求1所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，其特征在于所述动感赛车游戏运动模拟器中的侧摆丝杠、俯仰丝杠和滚转丝杠处各设置一个光栅线位移传感器，该光栅线位移传感器用于检测侧摆螺母位移s_s’、俯仰螺母位移s_p’和滚转螺母位移s_r’，并将检测到的各个位移量反馈给PID控制模块；PID控制模块通过对检测到的各个反馈位移量进行检验，以对动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的运动状态进行有效操控。

4.根据权利要求1所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，其特征在于所述赛车游戏控制方向盘采用型号为北通瞬风131的3D游戏方向盘；ARM处理器采用型号为STM32F103ZET6的ARM处理器；电机采用型号为ZGBX90F-X80-1的直流减速电机；光栅线位移传感器采用型号为GXW型的光栅线位移传感器。

5.根据权利要求1所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，其特征在于所述第一通信模块和/或第二通信模块为USB通信模块。

6.一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制方法，其特征在于它包括：

将所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度和赛车前进或后退信号传输给计算机；

通过位姿求解模块计算虚拟赛车处于不同运动场景时的位姿，以及通过差分映射模块中的差分运算得到虚拟赛车在一个采样周期t内的各个运动角度的变化量映射运算得到动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量并通过第二通信模块将动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量传输给ARM处理器中的运动参数转换模块；

运动参数转换模块根据动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量求解出动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的平动位移s_s、s_p、s_r和平动速度v_s、v_p、v_r，并将求解出的位移、速度参数以队列的形式存储在内存缓冲区中，以采样周期t按照先进先出的原则将其传输给PID控制模块；所述PID控制模块根据所述运动参数转换模块输出的位移、速度参数对动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构和滚转机构的位移和速度进行联动控制。

7.根据权利要求6所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制方法，其特征在于所述位姿求解模块的位姿求解方法如下：

虚拟赛车的侧摆角度通过动感赛车游戏软件所接收的旋转角度计算求得的：其中是指赛车游戏控制方向盘的旋转角度，Φ是指赛车游戏控制方向盘的极限旋转角度，Φ_s是指虚拟赛车在运动场景中的极限侧摆角度。而俯仰角度和滚转角度则是根据虚拟赛车处于不同的运动场景时位姿状态间接求得的，其具体求解过程如下所述：

由于虚拟赛车的运动场景是由不规则的曲面连接而成，因此为了显示本算法的一般性，用坐标分量形式来表示一般曲面P＝P(u,v)：

$\left\{\begin{array}{c}x=x(u,v)\\ y=y(u,v),0\≤u,v\≤1\\ z=z(u,v)\end{array}\right.---\left(1\right)$

通过固定在虚拟赛车中心的两个相互垂直的切割面1(A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0)和切割面2(A₂x+B₂y+C₂z+D₂＝0)分别对运动场景的不规则曲面P＝P(u,v)进行切割，便可以得到三面的一个交点P_ij＝P(u_i,v_j)和两条过该切割点P_ij的曲线l₁、l₂；

该切割点P_ij沿u线(即P(u,v_j))和v线(即P(u_i,v))的切矢p_u(u_i,v_j)和p_v(u_i,v_j)分别为：

p_u(u_i,v_j)＝(x_u(u_i,v_j),y_u(u_i,v_j),z_u(u_i,v_j))    (2)

p_v(u_i,v_j)＝(x_v(u_i,v_j),y_v(u_i,v_j),z_v(u_i,v_j))     (3)

过该切割点P_ij的切平面的法矢N为：

$\begin{array}{c}N=p_u(u_i,v_j)\×p_v(u_i,v_j)\\ =\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ x_u(u_i,v_j)& y_u(u_i,v_j)& z_u(u_i,v_j)\\ x_v(u_i,v_j)& y_v(u_i,v_j)& z_v(u_i,v_j)\end{array}\right|\\ =(N_x,N_y,N_z)\end{array}---\left(4\right)$

式中，N_x、N_y、N_z分别为法矢N在基础坐标系中的三个坐标分量。

该切割点P_ij沿曲线l₁和曲线l₂的切矢和分别为：

$s_{l_1}=n_1\×N=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ A_1& B_1& C_1\\ N_x& N_y& N_z\end{array}\right|=(s_{1x},s_{1y},s_{1z})---\left(5\right)$

$s_{l_2}=n_2\×N=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ A_2& B_2& C_2\\ N_x& N_y& N_z\end{array}\right|=(s_{2x},s_{2y},s_{2z})---\left(6\right)$

式中，n₁是指过切割点P_ij且垂直于切割面1的法矢，其值为n₁＝(A₁，B₁，C₁)；n₂是指过切割点P_ij且垂直于切割面2的法矢，其值为n₂＝(A₂，B₂，C₂)；s_1x、s_1y、s_1z分别是指切矢在基础坐标系中的三个坐标分量；s_2x、s_2y、s_2z分别是指切矢在基础坐标系中的三个坐标分量；

根据向量的平移不变性可知，此时虚拟赛车的俯仰角度和滚转角度分别为：

动感赛车游戏软件中的差分映射模块以一定的采样周期t接收不同时刻虚拟赛车的侧摆角度俯仰角度和滚转角度并对其进行差分与映射运算得到虚拟赛车各个运动角的变化量和以及动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量和其计算式分别为：

式中，η_s、η_p、η_r分别是指虚拟赛车的角度变化量向动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量进行映射的侧摆映射系数、俯仰映射系数、滚转映射系数，其值为Φ_s、Φ_p、Φ_r分别是指虚拟赛车在运动场景中的极限侧摆角度、极限俯仰角度、极限滚转角度，Φ_s1、Φ_p1、Φ_r1分别是指动感赛车游戏模拟器的极限侧摆角度、极限俯仰角度、极限滚转角度。

8.根据权利要求6所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制方法，其特征在于所述运动参数转换模块的运动参数转换方法如下：

由动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构和滚转机构的运动参数转换简图可知：侧摆运动的平动位移俯仰运动的平动位移滚转运动的平动位移其中h_s、h_p、h_r分别是指动感赛车游戏运动模拟器中侧摆连杆、俯仰连杆、滚转连杆的长度，则动感赛车游戏运动模拟器中侧摆驱动单元的线速度v_s、俯仰驱动单元的线速度v_p、滚转驱动单元的线速度v_r的计算式为：

在一个采样周期t内，将动感赛车游戏软件中虚拟赛车的设置参数和动感赛车游戏运动模拟器的特征参数代入上述位姿求解算法和运动参数转换算法，得到动感赛车游戏模拟器的控制参数。