CN105817030A - 一种六自由度赛车模拟器洗出控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种六自由度赛车模拟器洗出控制方法，包括如下步骤：提炼数据步骤，输入赛车游戏中赛车状态信号，通过对所述赛车状态信号提炼数据，输出车体坐标系信号，所述车体坐标系信号包括车体坐标系加速度信号和车体坐标系角速度信号；洗出滤波步骤，将所述车体坐标系信号送入洗出滤波模型，输出六自由度赛车模拟器的位姿；位姿反解步骤，将所述六自由度赛车模拟器的位姿进行运动学反解，输出缸长信号；输出步骤，将所述缸长信号发送给多轴运动控制卡，通过所述多轴运动控制卡、驱动器闭环控制系统输出驱动力给所述六自由度赛车模拟器。本发明可以完全再现六自由度赛车游戏的体感，能够有效地提高六自由度赛车模拟器模拟运动逼真度。

Description

一种六自由度赛车模拟器洗出控制方法
技术领域
本发明涉及控制领域，特别涉及一种能够提高六自由度赛车模拟器模拟运动逼真度的洗出控制方法。
背景技术
六自由度赛车模拟器是一种能够为赛车游戏玩家提供逼真的陆地竞速体感的大型娱乐设备，可以实现俯仰、偏航、滚转、升降、纵向和横向等全方位立体的沉浸感，比传统的游戏娱乐设备更受消费者青睐。六自由度赛车模拟器主要包括机械执行部件、控制系统、三维视景软件，以及方向盘脚踏板等人机交互元件。如图1所示，六自由度赛车模拟器硬件部分包括：三组显示屏1、方向盘2、双座椅3、脚踏板4、上铰组件5、运动平台6、下铰组件7、作动器(电缸)8、伺服电机9和相关的电气控制系统。通过控制软件与硬件的配合，六自由度赛车模拟器可以模拟赛车的运动轨迹。
现有的六自由度赛车模拟器的控制方法主要是通过DirectX从硬件提取数据，然后经过位姿算法进行解析，最终通过伺服驱动装置调整运动状态。然而，从硬件提取的数据不能真实反映游戏中实时受力状况及位姿，位姿算法不能完全再现真实赛车的运动轨迹。因此，为了完全再现赛车游戏的体感，必须采用新的数据提炼方式和包含受力状况分析的运动学控制算法，目前市场上还没有相应的解决方案。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺点，提出了一种六自由度赛车模拟器的洗出控制方法。
本发明的六自由度赛车模拟器的洗出控制方法，包括如下步骤：提炼数据步骤，输入赛车游戏中的赛车状态信号，通过对所述赛车状态信号提炼数据，输出车体坐标系信号，所述车体坐标系信号包括车体坐标系加速度信号和车体坐标系角速度信号；洗出滤波步骤，将所述车体坐标系信号送入洗出滤波模型，输出六自由度赛车模拟器的位姿；位姿反解步骤，将所述六自由度赛车模拟器的位姿进行运动学反解，输出缸长信号；输出步骤，将所述缸长信号发送给多轴运动控制卡、驱动器闭环控制系统，通过所述多轴运动控制卡、驱动器闭环控制系统输出驱动力给所述六自由度赛车模拟器。
优选地，所述提炼数据步骤通过网络通信的方式从赛车游戏中提取赛车实时状态信号，并通过欧拉角解算、齐次坐标转换、矩阵变换解算将世界坐标系下的所述赛车状态信号转换为车体坐标系下的信号。
优选地，所述洗出滤波步骤进一步包括：
第一位姿信号输出步骤，将所述车体坐标系加速度信号，通过比例环节缩放，去除重力加速度，通过第一欧拉角转换矩阵转换为惯性坐标系信号，再添加重力加速度，通过高通滤波、限制环节、二次滤波，最终输出第一位姿信号，即惯性坐标系下车体的位移信号，该过程为高通加速度通道；
第二位姿信号输出步骤a，在去除重力加速度之后，将所述车体坐标系加速度信号通过低通滤波、倾斜协调、限制环节，最终输出第二位姿信号的一部分，即惯性坐标系下车体的角度信号的一部分，该过程为倾斜协调通道；
第二位姿信号输出步骤b，将所述车体坐标系角速度信号，通过比例环节缩放，通过第二欧拉角转换矩阵转换为惯性坐标系信号，然后通过高通滤波、限制环节、一次滤波，最终输出第二位姿信号的另一部分，即惯性坐标系下车体角度信号的另一部分，该过程为高通角速度通道；以及
第二位姿信号合并输出步骤，将所述倾斜协调通道与所述高通角速度通道的输出合并，输出第二位姿信号，即惯性坐标系下车体的角度信号。
优选地，所述赛车状态信号包括游戏的控制时间、启动时间、世界坐标、世界坐标速度、世界坐标加速度、世界坐标角度和世界坐标角速度的信号。
本发明的有益效果：
1、本发明通过提炼游戏数据，可以实时准确地获取游戏中的车体状况；
2、本发明使用包含受力状况的洗出算法，可以完全再现六自由度赛车游戏的体感，能够有效地提高六自由度赛车模拟器模拟运动逼真度。
附图说明
图1为六自由度赛车模拟器的硬件结构图。
图2为本发明的提炼数据模型的流程图。
图3为本发明的洗出滤波算法的原理图。
图4为本发明的位姿反解流程图。
图5为本发明的六自由度赛车模拟器洗出控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。以下实施例并不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。
如图5所示，本发明的六自由度赛车模拟器洗出控制方法包括以下计算机系统可以实现的步骤：
提炼数据步骤S1，输入赛车游戏中赛车状态信号，通过提炼数据，输出车体坐标系中车体的加速度和角速度，简称车体坐标系信号；
判断是否有其他命令S2，如无其他命令，输出车体坐标系信号给洗出滤波步骤；
洗出滤波步骤S3，将车体坐标系信号送入洗出滤波模型，输出六自由度赛车模拟器的位姿给位姿反解步骤；
位姿反解步骤S4，将洗出滤波步骤输出的六自由度赛车模拟器的位姿进行运动学反解，输出缸长信号给输出步骤；
输出步骤S5，将反解步骤计算出的缸长信号发送给多轴运动控制卡、驱动器闭环控制系统，最后输出给六自由度赛车模拟器，以实现六自由度赛车模拟器的体感模拟运动。
下面对上述步骤进行详细说明。
图2为本发明的提炼数据模型的流程图。结合图2，数据提炼步骤为输入赛车游戏中赛车状态信号来求解车体坐标系下的车体加速度和车体角速度。
具体地，数据提炼步骤S1包括：
赛车游戏玩家通过方向盘脚踏板与六自由度赛车模拟器进行交互的过程中，通过网络通信接收器接收输入的赛车游戏中赛车状态信号；对所述赛车状态信号进行欧拉角解算；构建齐次坐标转换矩阵；再经过齐次坐标转换矩阵的变换解算，输出车体坐标系下的车体加速度和车体角速度。所述赛车状态信号包括游戏的控制时间、启动时间、世界坐标、世界坐标速度、世界坐标加速度、世界坐标角度和世界坐标角速度等的信号。
传统的信号提取都是通过DirectX从硬件提取信号，这种方式提取到的信号是方向盘和脚踏板的实时信号，与赛车游戏中的赛车实时状况相差很大。而本发明通过网络通信直接获取游戏中的信号，与赛车游戏中的赛车实时状况完全符合。由于大多数游戏信号的基准坐标系是以游戏引擎自带的世界坐标系下的信号，与赛车模拟器自身的坐标系不符合，因此本发明通过欧拉角解算、齐次坐标转换矩阵、矩阵变换解算等过程将世界坐标系的信号转换成赛车模拟器自身所处坐标系下的信号，从而与实际的赛车模拟器相匹配。
图3为本发明的洗出滤波步骤中洗出滤波算法的原理图。结合图3所示，洗出滤波算法包括：
输入车体坐标系下的加速度信号(第一车体坐标系信号)，通过仿真数据构建的比例环节，可以有效匹配实际的赛车模拟器有限运动范围；通过去除和添加重力加速度，以及通过欧拉角构建的第一欧拉角矩阵，将车体坐标系加速度信号转换为惯性坐标系加速度信号；通过高通滤波模型，保留高频信号；使用限制环节和二次滤波，最终输出高频信号作用下的位移信号，即第一位姿信号；该过程为高通加速度通道；
另一路去除重力加速度的车体加速度信号，通过低通滤波模型，保留低频信号，由于赛车模拟器有限的运动行程，将低频信号作用下产生的位移信号通过倾斜协调滤波器、倾斜角速度限制转换成角度信号；该过程为倾斜协调通道；
输入车体坐标系下的角速度信号(第二车体坐标系信号)，通过仿真数据构建的比例环节，该比例环节与高通角速度通道一样，可以有效匹配实际的赛车模拟器有限运动范围，通过欧拉角构建的第二欧拉角矩阵，将车体坐标系下的角速度信号转换为惯性坐标系角速度信号，通过高通滤波模型，保留高频信号，使用限制环节和一次滤波，输出高频角速度信号作用下的角度信号；该过程为高通角速度通道；
前述倾斜协调通道产生的角度信号与前述高通角速度通道产生的角度信号合并，输出惯性坐标系下的角度信号(第二位姿信号)，同时构建第一欧拉角矩阵和第二欧拉角矩阵。第一欧拉角矩阵的作用是将车体坐标系加速度信号转换为惯性坐标系加速度信号，第二欧拉角的作用是将车体坐标系下的角速度信号转换为惯性坐标系角速度信号。欧拉角矩阵可通过欧拉角矩阵参数而构建。欧拉角矩阵参数I是零散的参数，第一欧拉角矩阵是矩阵，他们之间的关系是参数经过相应的组合可以组合成矩阵。同理，通过欧拉角矩阵参数II可以构建第二欧拉角矩阵。
对于车体坐标系信号，传统的处理方法是提取位姿信号直接使用反解算法处理，或者附加正解算法进行反馈补偿，这种方式不涉及车体受力状况信号的处理，没有力反馈效果。
而本发明的洗出算法，如上所述，通过相应的滤波算法对车体受力状况信号进行处理，使车体坐标系信号能够以力反馈形式表现到赛车模拟器上；通过比例环节以及限制环节，可以解决赛车模拟器运动范围有限的问题；而欧拉角转换矩阵模型的使用，能够将信号方便地转换到相应坐标系下处理。
图4是本发明的位姿反解流程图。结合图4，运动学反解过程为输入赛车模拟器的位姿数据求解赛车模拟器的缸长，包括欧拉角计算、齐次坐标系变换、空间运动学解算3部分。
显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种六自由度赛车模拟器洗出控制方法，其特征在于，所述方法包括：
提炼数据步骤，输入赛车游戏中的赛车状态信号，通过对所述赛车状态信号提炼数据，输出车体坐标系信号，所述车体坐标系信号包括车体坐标系加速度信号和车体坐标系角速度信号；
洗出滤波步骤，将所述车体坐标系信号送入洗出滤波模型，输出六自由度赛车模拟器的位姿；
位姿反解步骤，将所述六自由度赛车模拟器的位姿进行运动学反解，输出缸长信号；
输出步骤，将所述缸长信号发送给多轴运动控制卡、驱动器闭环控制系统，通过所述多轴运动控制卡、驱动器闭环控制系统输出驱动力给所述六自由度赛车模拟器。
2.根据权利要求1所述的六自由度赛车模拟器洗出控制方法，其特征在于，所述提炼数据步骤通过网络通信的方式从赛车游戏中提取赛车实时状态信号，并通过欧拉角解算、齐次坐标转换、矩阵变换解算将世界坐标系下的所述赛车状态信号转换为车体坐标系下的信号。
3.根据权利要求1所述的六自由度赛车模拟器洗出控制方法，其特征在于，所述洗出滤波步骤进一步包括：
第一位姿信号输出步骤，将所述车体坐标系加速度信号，通过比例环节缩放，去除重力加速度，通过第一欧拉角转换矩阵转换为惯性坐标系信号，再添加重力加速度，通过高通滤波、限制环节、二次滤波，最终输出第一位姿信号，即惯性坐标系下车体的位移信号，该过程为高通加速度通道；
第二位姿信号输出步骤a，在去除重力加速度之后，将所述车体坐标系加速度信号通过低通滤波、倾斜协调、限制环节，最终输出第二位姿信号的一部分，即惯性坐标系下车体的角度信号的一部分，该过程为倾斜协调通道；
第二位姿信号输出步骤b，将所述车体坐标系角速度信号，通过比例环节缩放，通过第二欧拉角转换矩阵转换为惯性坐标系信号，然后通过高通滤波、限制环节、一次滤波，最终输出第二位姿信号的另一部分，即惯性坐标系下车体角度信号的另一部分，该过程为高通角速度通道；以及
第二位姿信号合并输出步骤，将所述倾斜协调通道与所述高通角速度通道的输出合并，输出第二位姿信号，即惯性坐标系下车体的角度信号。
4.根据权利要求1所述的六自由度赛车模拟器洗出控制方法，其特征在于，所述赛车状态信号包括游戏的控制时间、启动时间、世界坐标、世界坐标速度、世界坐标加速度、世界坐标角度和世界坐标角速度的信号。
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Application publication date: 20160803

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