CN107158693A - 六自由度游戏模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种六自由度游戏模拟器，包括将游戏模拟器牢固地固定的底座、平台、方向盘、大型全景显示屏、声音播放设备、驾驶舱、万向铰接机构和保护性支柱；其控制系统主要包括录像声音控制系统、设备硬件控制系统、执行元件、声音播放系统和录像播放系统；模拟器由六个缸支撑，通过缸和万向铰接机构的运动模拟出各种空间运动姿态；该六自由度游戏模拟器运用多维虚拟技术与模拟实装部件结合，研制了由驾驶舱特效、环境特效、录像声音环境特效、软件控制、训练效果测评等分系统组成的驾驶舱游戏或训练设备。

Description

六自由度游戏模拟器

技术领域

本发明涉及一种六自由度游戏模拟器，其可以用于模拟类似于汽车、快艇、飞机等驾驶类游戏，或者用于训练相应的驾驶员，属于模拟驾驶技术领域。

背景技术

六自由度游戏模拟器主要用于各种车辆、工程机械、飞行器等驾驶员的基础培训以及娱乐行业的赛车、飞行等提供身临其境的体感。现有技术的驾驶模拟平台一般是三自由度，不能真实模拟现实的姿态；少量六自由度只是在常规的六自由平台上装上控制操作装置，人的重心不能处在平台的中位上，稳定性差，体感差。此外，现在已经出现了虚拟现实VR(Virtual Reality)技术, 是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。在现有的六自由度游戏模拟器中，还没有和VR技术完美结合的先例。

此外，现有的用于控制六自由度平台的动力系统存在一些缺陷。现有的用于控制六自由度平台的动力系统通常包括一个用于产生动力的动力单元，动力单元产生的动力直接传递给液压缸，但是六自由度平台由于各种游戏或训练场景的不同，可能需要存在驱动力的多种驱动档位，但是一般的液压系统不能提供与之对应的可调整的多级压力，如果一直使用一种级别的压力，在不同的情况下，有可能浪费功率，或者有可能对元件造成液压冲击，导致元件的损坏。

因此，为解决上述技术问题，有必要提供一种六自由度游戏模拟器用于模拟驾驶，以克服现有技术中的所述缺陷。

发明内容

为了填补现有技术中的上述空白，本发明研发一种基于VR技术的六自由度游戏模拟器，该游戏模拟器采用VR与实装模拟部件相结合，利用驾驶舱环境特效和环境特效，以3D视觉感受配以听觉、触觉和嗅觉等同步表现，以仿真的场景与特别的机关设置来仿真驾驶行进过程中车辆的颠簸、震动和噪音；以及路边环境所产生的声、光、震动、烟雾和气味，使驾驶员能感受到如同实际驾驶一样的环境，给予人以贴近真实的驾驶体验，可以有效提高驾驶员对于行驶设备的熟练程度，克服紧张和恐惧的情绪，模拟实际情况，达到更优的游戏或者训练效果。此外，还带有心理监测系统，其可实时记录及监测参训人员的心率、血压等变化，为分析驾驶员的心里感受提供依据，并可辅助制定个性化的游戏或者训练方案。

本发明提供了一种六自由度游戏模拟器，所述游戏模拟器包括将游戏模拟器牢固地固定的底座、平台、方向盘、大型全景显示屏、声音播放设备、驾驶舱、万向铰接机构和保护性支柱；

其中底座承载平台，平台由底座和支架支撑，支架连接保护性支柱；保护性支柱与支架平时是通过可承重的钢索连接，在正常情况下不提供支撑力，只有当液压缸失效时才支撑支架；

方向盘用于在游戏或训练中控制方向，驾驶舱可以让游戏者或训练者安坐或固定的其上并提供相应的保护；所述游戏模拟器还包括离合器踏板、油门踏板和刹车踏板；

液压缸和底座及支架支架通过万向铰接机构连接，以使得相应的动作通过液压缸自如地传递到平台上；

该六自由度游戏模拟器在正常运行时由六个液压缸支撑，六个液压缸协调动作，以产生六自由度的运动，配合大型全景显示屏播放的录像和声音播放设备播放出的声音；

其特征在于：

所述游戏模拟器的控制系统主要包括录像声音控制系统、设备硬件控制系统、执行元件、声音播放系统和录像播放系统；

其中，录像播放系统、游戏或训练录像和声音播放系统与控制软件交换数据并且受控制软件的控制，控制软件通过通讯协议与设备硬件控制系统进行通讯，设备硬件控制系统与执行元件交换数据并且控制执行元件的动作；

其中，游戏或者训练录像为所拍摄的各段游戏或训练片段；

其中，安装在操作电脑上的控制软件，负责录像信息的处理，并将相关数据发送到对应的设备；

其中，设备硬件控制系统为安装在六自由度游戏平台上的控制板以及控制元件，负责进行六自由度游戏平台以及周边环境特效设备的各种动作控制；

其中，执行元件包括六自由度游戏平台的液压缸以及周围的各种环境特效设备；

其中，声音播放系统为环绕立体声音响环境，录像声音控制系统在读取录像部分信息并播放的同时，也将声音部分的信息读取出来，解析出声音各个方位的声音，分别输出到各个声音播放设备以进行声音播放；

其中，录像播放系统为立体录像播放系统，录像声音控制系统读取游戏或者训练录像信息，将游戏或者训练录像的录像部分输出到录像播放系统，将游戏或者训练录像的声音部分输出到声音播放系统，同时将游戏或者训练录像与播放时间对应的动作通过通讯协议发送到设备硬件控制系统，设备硬件控制系统将通讯协议发送过来的数据转换成各个执行元件应当随录像播放时间配合动作的数据，并转换成控制输出，控制执行元件进行相应的动作。

根据本发明所述的六自由度游戏模拟器，其中通过事先编制好的安装在电脑上的软件，对录像、声音进行处理，然后将其发送到相应的播放设备上；

进一步地，对于录像部分信息的控制，还包括3D转换，将其分解成左眼视频和右眼视频，分离出的左右录像分别发送到相关的录像播放设备，通过对录像的高质量处理，保证录像的3D立体效果。

根据本发明所述的六自由度游戏模拟器，其中当进行游戏或者训练时，软件控制系统在分解出录像信息和声音信息的同时，将每个录像和声音对应时间段应当进行的执行元件的动作抽取出来，经过软件编码和加密后，发送到通讯协议发送装备，传送到设备硬件控制系统中，在录像播放的每个时间段，提取出录像所应当对应的动作数据，并经过软件编码和加密计算后，发送到通讯协议设备，经由通讯协议设备将数据发送到设备硬件控制系统。

根据本发明所述的六自由度游戏模拟器，其中所述游戏模拟器控制调试手柄，即可以由外部操作员通过该手柄对模拟器进行调整；其中：设备硬件控制系统采集手柄的按键信息，编码后，录像播放切换操作的录像声音控制系统，通过通讯协议设备发送到录像声音控制系统，录像声音控制系统判断按键的按下时间、按下的按键编号以及录像的播放进度，判断按键是否有效，来控制录像的播放，例如继续播放、停止、快进或者切换录像；当播放录像时，将录像数据传递到录像播放设备。

根据本发明所述的六自由度游戏模拟器，通过设备硬件控制系统读取通讯协议设备发送过来的录像动作数据，然后将数据分解出对应六自由度游戏平台液压缸的动作数据文件以及对应周围环境特效设备的环境特效动作文件。同时将驾驶舱动作数据及环境特效数据转换成液压缸和环境特效设备的控制输出，控制液压缸和环境特效设备进行相应的动作。

根据本发明所述的六自由度游戏模拟器，通过时间片轮转调度的控制方式进行控制，系统根据各个进程执行时间的不同以及各个执行元件的响应速度不同，分配不同的时间片长度，从而保证每一条被发送过来的动作数据以及对应的六自由度液压缸和环境特效设备的动作能够被立刻迅速的执行，提高系统的响应速度，缩短响应时间。

根据本发明所述的六自由度游戏模拟器，将游戏和训练手柄上的信息进行采集，经过编码后，发送回录像声音控制系统；

此外，输出的硬件控制电路达到10路，输入输出电路都配有保护电路；

同时，增加紧急制动按钮；

硬件电源变换部分采用高品质开关电源。

根据本发明所述的六自由度游戏模拟器，其中环境特效设备包括：

气流模拟装置：采用大功率气墙式风机，将高速气流集中到一个窄幅气面上，以猛烈地速度喷出，增强气流拍打面孔的感觉，从而模拟前进过程中所带来的空气流动；

气味模拟装置：采用电子控制的气体喷压气，将实现储存好的气体喷压出来。用以模拟行驶过程中所产生的汽油等气体味道；

灯光模拟装置：采用LED技术，在增加亮度的同时，大幅度延长了设备寿命。而且可以模拟白天或者夜晚行车时遇到的各种灯光效果；

烟雾模拟装置：采用雾化液体喷雾，烟雾稠密细腻，同时又没有任何燃烧后尾气产生，高效更环保。烟雾模拟器用于模拟突发状态时发生火灾或者穿过烟雾范围时的烟雾效果。

根据本发明所述的六自由度游戏模拟器，其中六自由度游戏模拟器是由六个液压缸支撑，通过液压缸和上、下各六只万向铰接机构的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态；其中，通过主控计算机借助六自由度数学模型对空间状态进行时时解算，将需要的空间状态和运动轨迹输入到主控计算机，通过空间状态解算程序完成对六个液压缸的运动位移和速度的计算，然后将解算结果送到控制卡，控制卡控制液压系统给液压缸提供动力，带动液压缸推动平台运动，实现平台的空间运动状态。

根据本发明所述的六自由度游戏模拟器，该游戏模拟器带有用于控制六自由度平台的动力系统，其特征在于，所述动力系统包括：

液压系统的主泵、液压系统的主溢流阀、蓄能器、连接在驱动泵和蓄能器之间的单向阀、连接在蓄能器下游的系统主减压阀，用于控制液压缸的伺服阀，和用于调节液压系统压力的压力设置模块。该压力设置模块包括小型泵，系统压力设置阀，压力转换阀，辅助溢流阀，比例节流阀，系统压力设置弹簧，压力转换弹簧，辅助溢流阀的溢流辅助弹簧，压力转换阀的驱动元件，和压力输入端口；

驱动泵输出液压动力，驱动泵的泵出口连接有主溢流阀，该主溢流阀起保护作用，一定场合下，也可以用于设定驱动泵出口级的压力。主泵出口后设置有单向阀，单向阀后设置有蓄能器，蓄能器一侧的管路上连接有液压主回路，该液压主回路上设置有主减压阀、伺服阀、液压缸。蓄能器另一侧的管路上设置有压力设置模块，蓄能器一侧和另一侧的管线是流体连通的；该压力设置模块主要包括小型泵、系统压力设置阀、压力转换阀、辅助溢流阀、比例节流阀、系统压力设置弹簧、压力转换弹簧、溢流辅助弹簧、压力转换阀的驱动元件和压力输入端口；

在压力设置组件中，系统压力设置阀的阀体上带有系统压力设置弹簧，系统压力设置弹簧向系统压力设置阀的阀体施加弹簧力，促使系统压力设置阀关闭，通过调节系统压力设置弹簧可以确定系统压力设置阀的开启压力，该开启压力即为蓄能器供给的系统第一压力；

进一步地，为了对应不同的游戏或者训练情况下的压力设置需求，在系统压力设置阀的阀体上还设置了压力输入端口，该压力输入端口可以设置为系统压力设置阀的阀体上可以施加力的一个区域的形式；这样系统压力设置弹簧施加的弹簧力和通过压力输入端口施加的液压力可以作用在阀体上，使得阀体向着关闭的方向移动，为了控制通过压力输入端口施加的液压力以控制系统压力设置阀的开启压力，即系统第二压力，还设置了压力转换阀，系统第二压力比系统第一压力大；

压力转换阀的阀体上设置有压力转换弹簧，压力转换弹簧向着使得压力转换阀关闭的方向施加偏压力；

小型泵向压力转换阀供给压力油，该压力油通过压力转换阀作用到系统压力设置阀的阀体上，带动系统压力设置阀向着关闭方向移动；压力转换阀上还设置有压力转换阀的驱动元件，可以通过其他方式来控制压力转换阀；

在压力转换阀和压力输入端口之间的管线上设置有比例节流阀，其主要用于控制来自压力转换阀的流量，避免对压力输入端口产生过大的冲击。

辅助溢流阀用作安全阀，辅助溢流阀的工作压力由溢流辅助弹簧来设定。

相对于现有技术，本发明获得了以下的优点：

1．运用多维虚拟技术与模拟实装部件结合，研制了由驾驶舱特效、环境特效、录像声音环境特效、软件控制、训练效果测评等分系统组成的驾驶舱游戏或训练设备，实现了驾驶舱的环境视觉、听觉、触觉、嗅觉等的综合仿真，解决了乘员游戏或者训练中对真实环境身心适应性训练的难题。

2．将驾驶员的操作，动作、装备运行状态与3D视觉和其他仿真环境实时同步呈现，首次实现了游戏交互条件下的多维环境构设。

3．运用VR技术模拟了复杂环境，融合了游戏或训练内容，提高了游戏或训练的实际效果。

4. 本发明的六自由度游戏模拟器的动力系统提供了多种驱动档位，即采用了多级调压系统，能够为六自由度平台提供不同的输出压力级，即不会浪费功率，又可以避免在液压系统内产生冲击，保证了液压系统及液压元件的安全。

附图说明

图1：本发明的六自由度游戏模拟器的整体框架示意图；

图2：本发明的六自由度游戏模拟器的控制软件和设备硬件控制的示意图；

图3：本发明的六自由度游戏模拟器的录像声音控制系统的示意性的框图；

图4：本发明的六自由度游戏模拟器的左右分离示意图；

图5：本发明的六自由度游戏模拟器的动作数据处理的工作流程示意图；

图6：本发明的六自由度游戏模拟器的控制调试手柄的工作流程示意图；

图7：本发明的六自由度游戏模拟器的执行元件动作分解示意图；

图8：时间片轮转调度的控制方式和非时间片轮转调度的控制方式的示意图；

图9：本发明的六自由度游戏模拟器的动力系统的液压原理示意图。

具体实施方式

本发明提供一种六自由度游戏模拟器，所述游戏模拟器的控制系统主要包括录像声音控制系统、设备硬件控制系统、执行元件、声音播放系统和录像播放系统；

该六自由度游戏模拟器的整体框架示意图如图1所示，其中：

1、底座；2、平台；3、支架；4、液压缸；5、方向盘；6、大型全景显示屏；7、声音播放设备；8、驾驶舱；9、铰接机构；10、保护性支柱

本发明所述的六自由度游戏模拟器包括将游戏模拟器牢固地固定的底座1、平台2、方向盘5、大型全景显示屏6、声音播放设备7、驾驶舱8、铰接机构9和保护性支柱10。底座1，也是六自由度游戏模拟器的下部平台，其承载平台2（六自由度游戏模拟器的上部平台），平台2由底座和支架3支撑，支架3连接保护性支柱10。保护性支柱10与支架3平时是通过可承重的钢索（未示出）连接，在正常情况下不提供支撑力，只有当液压缸4失效等意外情况发生时才支撑支架3，对该模拟器和人员进行保护性支撑，避免发生损坏或伤害。方向盘5用于在游戏或训练中控制方向，驾驶舱8可以让游戏者或训练者安坐或固定于其上并提供相应的保护，例如通过安全带等措施。该模拟器还包括离合器踏板、油门踏板和刹车踏板等。液压缸4和底座1及支架3通过铰接机构9连接，以使得相应的动作通过液压缸4自如地传递到平台2上。本发明所述的六自由度游戏模拟器在正常运行时由六个液压缸4支撑，六个液压缸4协调动作，以产生六自由度的运动，配合大型全景显示屏6播放的录像和声音播放设备7播放出的声音，这将在下文中做详细地描述。

为了使得六自由度游戏模拟器的录像、声音和动作系统协作，本发明的六自由度游戏模拟器包括控制软件和设备硬件控制系统，具体请参考图2，其中：

录像播放系统、游戏或训练录像和声音播放系统与控制软件交换数据并且受控制软件的控制，控制软件通过通讯协议与设备硬件控制系统进行通讯，设备硬件控制系统与执行元件交换数据并且控制执行元件的动作。具体而言：游戏或者训练录像为所拍摄的各段游戏或训练片段；安装在操作电脑上的控制软件，负责录像信息的处理，并将相关数据发送到对应的设备；设备硬件控制系统为安装在六自由度游戏平台上的控制板以及控制元件，负责进行六自由度游戏平台以及周边环境特效设备的各种动作控制；执行元件包括六自由度游戏平台的液压缸以及周围的各种环境特效，例如风、频闪、气味等的环境特效；声音播放系统为环绕立体声音响环境，控制软件在读取录像部分信息并播放的同时，也将声音部分的信息读取出来，解析出声音各个方位的声音，分别输出到各个声音播放设备以进行声音播放，例如利用图1中的环绕驾驶舱8布置的多个声音播放设备7；录像播放系统为立体录像播放系统，录像声音控制系统读取游戏或者训练录像信息，将游戏或者训练录像的录像部分输出到录像播放系统，将游戏或者训练录像的声音部分输出到声音播放系统，同时将游戏或者训练录像与播放时间对应的动作通过通讯协议发送到设备硬件控制系统；设备硬件控制系统将通讯协议发送过来的数据转换成各个执行元件应当随录像播放时间配合动作的数据，并转换成控制输出，以便控制执行元件进行相应的动作。

本发明所述的六自由度游戏模拟器，对声音的控制如图3的录像声音控制系统的示意性的框图所示，通过事先编制好的安装在电脑上的软件，对录像、声音进行处理，然后将其发送到相应的播放设备上。

本发明所述的六自由度游戏模拟器，对于录像部分信息的控制，还包括3D转换，将其分解成左眼视频和右眼视频，参考图4的左右分离示意图，分离出的左右录像分别发送到相关的录像播放设备。通过对录像的高质量处理，保证录像的3D立体效果，使游戏者带上眼镜后观看，能够感受到一种身临其境的体验效果，达到娱乐目的。

本发明所述的六自由度游戏模拟器，当进行游戏或者训练时，其动作数据处理的工作流程图如图5所示，控制软件在分解出录像信息和声音信息的同时，将每个录像和声音对应时间段应当进行的执行元件的动作抽取出来，经过软件编码和加密后，发送到通讯协议发送装备，传送到设备硬件控制系统中。其工作流程如图5所示。在录像播放的每个时间段，提取出录像所应当对应的动作数据，并经过软件编码和加密计算后，发送到通讯协议设备，经由通讯协议设备将数据发送到设备硬件控制系统。

本发明所述的六自由度游戏模拟器，可以包括控制调试手柄，即可以由外部操作员通过该手柄对模拟器进行调整，具体过程如图6所示，其中：设备硬件控制系统采集手柄的按键信息，编码后，录像播放切换操作的录像声音控制系统，通过通讯协议设备发送到录像声音控制系统，录像声音控制系统判断按键的按下时间、按下的按键编号以及录像的播放进度，判断按键是否有效，来控制录像的播放，例如继续播放、停止、快进或者切换录像。当播放录像时，将录像数据传递到录像播放设备，例如图1中的大型全景显示屏。

本发明所述的六自由度游戏模拟器，通过设备硬件控制系统读取通讯协议设备发送过来的录像动作数据，然后将数据分解出对应六自由度游戏平台液压缸的动作数据文件以及对应周围环境特效设备的环境特效动作文件。同时将驾驶舱动作数据及环境特效数转换成液压缸和环境特效设备的控制输出，控制液压缸和环境特效设备进行相应的动作。具体是示意图可以参考图7的执行元件动作分解示意图。

本发明所述的六自由度游戏模拟器，可以通过时间片轮转调度的控制方式或者非时间片轮转调度的控制方式的进行控制。时间片轮转调度是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法，如图8中的上半部分所示。每个进程被分配一个时间段，例如图8中的t1,t2, t3……，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。如果在时间片结束时进程还在运行，则CPU将被剥夺并分配给另一个进程。如果进程在时间片结束前阻塞或结束，则CPU当即进行切换。调度程序所要做的就是维护一张就绪进程列表，当进程用完它的时间片后，它被移到队列的末尾。非时间片轮转调度的控制方式，例如图8的下半部分所示，通过对比可发现，时间片轮转调度各线程的执行率相比非时间片的调度方式，执行效率会高很多，同时缩短了控制时间，更好的提高了控制的实时性。

系统根据各个进程执行时间的不同以及各个执行元件的响应速度不同，分配不同的时间片长度，从而保证每一条被发送过来的动作数据以及对应的六自由度液压缸和环境特效设备的动作能够被立刻迅速的执行，提高系统的响应速度，缩短响应时间。

系统的响应快，则六自由度游戏平台的动作执行、环境特效设备的环境特效效果与录像播放配合的好，增加了游戏或训练的真实感，提高了游戏的乐趣，也增加了训练的效果。

本发明所述的六自由度游戏模拟器，将游戏和训练手柄上的信息进行采集，经过编码后，发送回录像声音控制系统。

本发明所述的六自由度游戏模拟器，输出的硬件控制电路达到10路，能够充分满足系统所需要的液压缸控制、环境特效控制以及后期的其他扩展需求。输入输出电路都配有保护电路，保护设备的稳定性，提高训练设备的可靠性。

同时增加紧急制动按钮。当游戏过程中出现危险情况时，能够通过紧急制动按钮及时停止设备，保护游戏者的人身安全。

硬件电源变换部分采用高品质开关电源，提高电源的输出效果以及平滑度，保证系统的平稳安全的运行。

（三）执行元件

1、环境特效设备

气流模拟：

气流模拟器采用大功率气墙式风机，将高速气流集中到一个窄幅气面上，以猛烈地速度喷出，增强气流拍打面孔的感觉，从而模拟前进过程中所带来的空气流动。

气味模拟：

采用电子控制的气体喷压器，将实现储存好的气体喷压出来。用以模拟行驶过程中所产生的汽油等气体味道。

灯光模拟：

采用LED技术，在增加亮度的同时，大幅度延长了设备寿命。而且可以模拟白天或者夜晚行车时遇到的各种灯光效果。

烟雾模拟：

采用雾化液体喷雾，烟雾稠密细腻，同时又没有任何燃烧后尾气产生，高效更环保。烟雾模拟器用于模拟突发状态时发生火灾或者穿过烟雾范围时的烟雾效果。

通过上述各种环境特效设备模拟游戏过程中的现场效果，提高游戏者的模拟感官，增加游戏的娱乐效果。

2、多自由度运动控制设计 ：

多自由度控制系统中，自由度最多为六自由度，并且六自由度运动控制难度最大，设备及系统最复杂，下面主要介绍申请人设计、生产的六自由度游戏平台。

六自由度游戏平台是由六支液压缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台是固定的，借助六只液压缸（执行器，也可以采用伺服电动缸）的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到各种游戏模拟器中。

其中液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由液压缸筒和液压缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。

液压缸六自由度平台控制的空间状态解算：

1．顺向解：即已知六根液压缸的长度，求解平台姿态，到目前为止，还没有直接中的正解方程式，只能采用叠代方法，利用计算机快速运算的特点和上铰链的结构条件约束来逼近求解平台姿态。此为顺解，

2．逆向解（反解）：描述一个刚体在空间旋转的姿势，最常使用的方法是定义三个欧拉角来表达，当刚体旋转至某一姿势下，此三个欧拉角即组成唯一的旋转矩阵，并借由旋转矩阵作坐标转换，便可求得刚体的绝对位置。

六自由度的速度协联控制

当给定空间状态后，可以分别算出六只液压缸的不同长度，为了让平台上的液压缸在同一时间运动到新的位置，六只液压缸的运动速度是不相同的，这个问题的解决有两种方法，一是采用标准的协联控制器，该控制器需将液压缸的运动长度数值送入，控制器能按所要求的时间，自动分配六只液压缸的运动速度，同时到达终点。第二种方法是自己编制运动速度方程，采用长度的最小公倍数方法分配速度，也可达到同样目的。

六自由度平台优势：

六自由度平台，根据应用不同需要涉及机械、液压、电器、控制、计算机、传感器、空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列领域。

（四）动力系统

根据本发明所述的六自由度游戏模拟器，该游戏模拟器带有用于控制六自由度平台的动力系统，其特征在于，所述动力系统包括：

液压系统的主泵34、液压系统的主溢流阀35、蓄能器37、连接在驱动泵34和蓄能器37之间的单向阀36、连接在蓄能器37下游的系统主减压阀38，用于控制液压缸的伺服阀39，和用于调节液压系统压力的压力设置模块。该压力设置模块包括小型泵52，系统压力设置阀53，压力转换阀54，辅助溢流阀55，比例节流阀51，系统压力设置弹簧56，压力转换弹簧57，辅助溢流阀55的溢流辅助弹簧58，压力转换阀54的驱动元件59，和压力输入端口60。

驱动泵34输出液压动力，驱动泵的泵出口连接有主溢流阀35，该主溢流阀35起保护作用，一定场合下，也可以用于设定驱动泵出口级的压力。主泵34出口后设置有单向阀36，单向阀36后设置有蓄能器37，蓄能器一侧的管路上连接有液压主回路，该液压主回路上设置有主减压阀38、伺服阀39、液压缸。蓄能器37另一侧的管路上设置有压力设置模块，蓄能器一侧和另一侧的管线是流体连通的。该压力设置模块主要包括小型泵52、系统压力设置阀53、压力转换阀54、辅助溢流阀55、比例节流阀51、系统压力设置弹簧56、压力转换弹簧57、溢流辅助弹簧58、压力转换阀54的驱动元件59和压力输入端口60；

在压力设置组件中，系统压力设置阀53的阀体上带有系统压力设置弹簧56，系统压力设置弹簧56向系统压力设置阀53的阀体施加弹簧力，促使系统压力设置阀53关闭，通过调节系统压力设置弹簧56可以确定系统压力设置阀53的开启压力，该开启压力即为蓄能器37供给的系统第一压力；

进一步地，为了对应不同的游戏或者训练情况下的压力设置需求，在系统压力设置阀53的阀体上还设置了压力输入端口60，该压力输入端口60可以设置为系统压力设置阀53的阀体上可以施加力的一个区域的形式；这样系统压力设置弹簧56施加的弹簧力和通过压力输入端口60施加的液压力可以作用在阀体上，使得阀体向着关闭的方向移动，为了控制通过压力输入端口60施加的液压力以控制系统压力设置阀53的开启压力，即系统第二压力，还设置了压力转换阀54，系统第二压力比系统第一压力大。

压力转换阀54的阀体上设置有压力转换弹簧57，压力转换弹簧57向着使得压力转换阀54关闭的方向施加偏压力；

小型泵52向压力转换阀54供给压力油，该压力油通过压力转换阀54作用到系统压力设置阀53的阀体上，带动系统压力设置阀53向着关闭方向移动；压力转换阀54上还设置有压力转换阀54的驱动元件59，可以通过其他方式来控制压力转换阀54；

在压力转换阀54和压力输入端口60之间的管线上设置有比例节流阀51，其主要用于控制来自压力转换阀54的流量，避免对压力输入端口60产生过大的冲击。

辅助溢流阀55用作安全阀，辅助溢流阀55的工作压力由溢流辅助弹簧58来设定。

本申请的游戏模拟系统的六自由度游戏平台特点：

1、该平台由集成控制与为液压缸提供动力的液压泵站组成，六自由度游戏平台能够上、下、左、右、前后左右平移方向运动。

2、载重量在50-2400kg，运行稳定，动作可柔可钢。

3、液压缸选用优质材料，牢固耐用。

4、数字化闭环伺服控制，专业运动控制卡保证运动的平滑过渡以及高仿真性，减少动感漂移和失真。

5、系统高响应时间及高加速度及低噪音。

6、可视性友好人机界面，操作简单。

7、内置传感器检测运动异常，及时进行提醒。

具体设计方案如下：

六自由度游戏平台配合模拟驾驶舱的驾驶舱和挡板设计，就构成驾驶舱模拟器的核心部分。该部分可以巧妙的模拟驾驶舱驾驶中的颠簸和晃动，配合控制部分，实现实时的信息处理和反馈，达到视-体合一的体验。

模拟器的上部平台是一个模拟驾驶舱，驾驶舱型号、钣金形态、电子设备采用与实物相仿的模型。手柄上的电路集成鸣笛、灯光、开窗等功能。操作者可通过连接声控卡的耳机，接受外部指令，并执行相应操作。同时，设备根据操作者的指令进行相应的角度调整，并触发相应环境特效。

除了运动模拟部分以外，该产品还集合了投影屏幕、立体声效模拟设备、风幕模拟设备、控制室等等部分，对驾驶舱驾驶中的声、光、体等感受进行全方位的模拟，搭配灵活的控制系统，对驾驶员的操作进行及时、有效的反馈，起到了使得游戏者能够感受与实际驾驶相应的行驶设备的乐趣和对驾驶员进行驾驶训练的目的。

模拟器采用角钢作为支撑骨架，角钢之间通过满焊连接。内外两层钢板通过铆焊与骨架相连接，侧边内外两侧钢板折弯，中间填充环保免漆板，内侧贴有阻燃吸音棉。在保证较高强度的同时，兼顾保温性和隔音性。厢体四角装有吊环，便于设备的整体安装和起吊。

此外，还可以采用全数字控制的六自由度平台

全数字控制取消了传统控制中的伺服阀、传感器、A/D转换和D/A转换等诸多环节，它是将传感器、数字阀等全部做到液压缸内部，形成自动位置反馈和速度反馈。数字液压缸可以直接接受计算机发出的数字脉冲信号进行可靠的工作。脉冲频率代表数字液压缸运动速度，脉冲总数代表数字液压缸运动行程，一一对应，将复杂的闭环控制变成了简单的开环控制。

数字液压技术的出现为液压技术增添了新的活力，数字液压缸与专门配套研制的数字控制器相配合，几乎取消了传统液压控制中的所有液压阀件和控制元件，它抛弃了传统的阀口控制，而是直接采用数字脉冲控制，把现场调试搬到了办公室，几乎做到了即装即用液压缸，对于模拟器领域的六自由度平台的控制，也取得了十分理想的效果。

相对于现有技术，本发明获得了以下的优点：

1．运用多维虚拟技术与模拟实装部件结合，研制了由训练方舱舱体、驾驶舱环境特效、环境特效、录像声音环境特效、软件控制、训练效果测评等分系统组成的驾驶舱游戏或训练设备，实现了驾驶舱的环境视觉、听觉、触觉、嗅觉等的综合仿真，解决了乘员游戏或者训练中对真实环境身心适应性训练的难题。

2．运用Flash结合ActionScitp的对象和流媒体控制技术，将驾驶员的操作，动作、装备运行状态与3D视觉和其他仿真环境实时同步呈现，首次实现了游戏交互条件下的多维环境构设。

3．运用VR技术模拟了复杂环境，融合了游戏或训练内容，提高了游戏或训练的实际效果。

4．采用了多级调压系统，能够为六自由度平台提供不同的输出压力级，即不会浪费功率，又可以避免在液压系统内产生冲击，保证了液压系统及液压元件的安全。

以上的具体实施方式仅为本创作的不同和较佳的实施例，并不用以限制本创作，凡在本发明的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种六自由度游戏模拟器，所述游戏模拟器包括将游戏模拟器牢固地固定的底座（1）、平台（2）、方向盘（5）、大型全景显示屏（6）、声音播放设备（7）、驾驶舱（8）、万向铰接机构（9）和保护性支柱（10）；

其中底座（1）承载平台（2），平台（2）由底座和支架（3）支撑，支架（3）连接保护性支柱（10）；保护性支柱（10）与支架（3）平时是通过可承重的钢索连接，在正常情况下不提供支撑力，只有当液压缸（4）失效时才支撑支架（3）；

方向盘（5）用于在游戏或训练中控制方向，驾驶舱（8）可以让游戏者或训练者安坐或固定的其上并提供相应的保护；所述游戏模拟器还包括离合器踏板、油门踏板和刹车踏板；

液压缸（4）和底座（1）及支架（3）支架通过万向铰接机构（9）连接，以使得相应的动作通过液压缸（4）自如地传递到平台2上；

该六自由度游戏模拟器在正常运行时由六个液压缸（4）支撑，六个液压缸（4）协调动作，以产生六自由度的运动，配合大型全景显示屏（6）播放的录像和声音播放设备（7）播放出的声音；

其特征在于：

所述游戏模拟器的控制系统主要包括录像声音控制系统、设备硬件控制系统、执行元件、声音播放系统和录像播放系统；

其中，录像播放系统、游戏或训练录像和声音播放系统与控制软件交换数据并且受控制软件的控制，控制软件通过通讯协议与设备硬件控制系统进行通讯，设备硬件控制系统与执行元件交换数据并且控制执行元件的动作；

其中，游戏或者训练录像为所拍摄的各段游戏或训练片段；

其中，安装在操作电脑上的控制软件，负责录像信息的处理，并将相关数据发送到对应的设备；

其中，设备硬件控制系统为安装在六自由度游戏平台上的控制板以及控制元件，负责进行六自由度游戏平台以及周边环境特效设备的各种动作控制；

其中，执行元件包括六自由度游戏平台的液压缸以及周围的各种环境特效设备；

其中，声音播放系统为环绕立体声音响环境，录像声音控制系统在读取录像部分信息并播放的同时，也将声音部分的信息读取出来，解析出声音各个方位的声音，分别输出到各个声音播放设备以进行声音播放；

其中，录像播放系统为立体录像播放系统，录像声音控制系统读取游戏或者训练录像信息，将游戏或者训练录像的录像部分输出到录像播放系统，将游戏或者训练录像的声音部分输出到声音播放系统，同时将游戏或者训练录像与播放时间对应的动作通过通讯协议发送到设备硬件控制系统，设备硬件控制系统将通讯协议发送过来的数据转换成各个执行元件应当随录像播放时间配合动作的数据，并转换成控制输出，控制执行元件进行相应的动作。

2.根据权利要求1所述的六自由度游戏模拟器，其中通过事先编制好的安装在电脑上的软件，对录像、声音进行处理，然后将其发送到相应的播放设备上；

进一步地，对于录像部分信息的控制，还包括3D转换，将其分解成左眼视频和右眼视频，分离出的左右录像分别发送到相关的录像播放设备，通过对录像的高质量处理，保证录像的3D立体效果。

3.根据权利要求2所述的六自由度游戏模拟器，其中当进行游戏或者训练时，软件控制系统在分解出录像信息和声音信息的同时，将每个录像和声音对应时间段应当进行的执行元件的动作抽取出来，经过软件编码和加密后，发送到通讯协议发送装备，传送到设备硬件控制系统中，在录像播放的每个时间段，提取出录像所应当对应的动作数据，并经过软件编码和加密计算后，发送到通讯协议设备，经由通讯协议设备将数据发送到设备硬件控制系统。

4.根据权利要求3所述的六自由度游戏模拟器，其中所述游戏模拟器控制调试手柄，即可以由外部操作员通过该手柄对模拟器进行调整；其中：设备硬件控制系统采集手柄的按键信息，编码后，录像播放切换操作的录像声音控制系统，通过通讯协议设备发送到录像声音控制系统，录像声音控制系统判断按键的按下时间、按下的按键编号以及录像的播放进度，判断按键是否有效，来控制录像的播放，例如继续播放、停止、快进或者切换录像；当播放录像时，将录像数据传递到录像播放设备。

5.根据权利要求4所述的六自由度游戏模拟器，通过设备硬件控制系统读取通讯协议设备发送过来的录像动作数据，然后将数据分解出对应六自由度游戏平台液压缸的动作数据文件以及对应周围环境特效设备的环境特效动作文件；同时将驾驶舱动作数据及环境特效数据转换成液压缸和环境特效设备的控制输出，控制液压缸和环境特效设备进行相应的动作。

6.根据权利要求5所述的六自由度游戏模拟器，通过时间片轮转调度的控制方式进行控制，系统根据各个进程执行时间的不同以及各个执行元件的响应速度不同，分配不同的时间片长度，从而保证每一条被发送过来的动作数据以及对应的六自由度液压缸和环境特效设备的动作能够被立刻迅速的执行，提高系统的响应速度，缩短响应时间。

7.根据权利要求6所述的六自由度游戏模拟器，将游戏和训练手柄上的信息进行采集，经过编码后，发送回录像声音控制系统；

此外，输出的硬件控制电路达到10路，输入输出电路都配有保护电路；

同时，增加紧急制动按钮；

硬件电源变换部分采用高品质开关电源。

8.根据权利要求7所述的六自由度游戏模拟器，其中环境特效设备包括：

气流模拟装置：采用大功率气墙式风机，将高速气流集中到一个窄幅气面上，以猛烈地速度喷出，增强气流拍打面孔的感觉，从而模拟前进过程中所带来的空气流动；

气味模拟装置：采用电子控制的气体喷压气，将实现储存好的气体喷压出来，用以模拟行驶过程中所产生的汽油等气体味道；

灯光模拟装置：采用LED技术，在增加亮度的同时，大幅度延长了设备寿命，而且可以模拟白天或者夜晚行车时遇到的各种灯光效果；

烟雾模拟装置：采用雾化液体喷雾，烟雾稠密细腻，同时又没有任何燃烧后尾气产生，高效更环保，烟雾模拟器用于模拟突发状态时发生火灾或者穿过烟雾范围时的烟雾效果。

9.根据权利要求8所述的六自由度游戏模拟器，其中六自由度游戏模拟器是由六个液压缸（4）支撑，通过液压缸和上、下各六只万向铰接机构（9）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态；其中，通过主控计算机借助六自由度数学模型对空间状态进行时时解算，将需要的空间状态和运动轨迹输入到主控计算机，通过空间状态解算程序完成对六个液压缸的运动位移和速度的计算，然后将解算结果送到多轴控制卡，经伺服驱动器送给伺服电机，伺服电机带动液压缸推动平台运动，实现平台的空间运动状态。

10.根据权利要求1-9任一项所述的六自由度游戏模拟器，该游戏模拟器带有用于控制六自由度平台的动力系统，其特征在于，所述动力系统包括：

液压系统的主泵（34）、液压系统的主溢流阀（35）、蓄能器（37）、连接在驱动泵（34）和蓄能器（37）之间的单向阀（36）、连接在蓄能器（37）下游的系统主减压阀（38），用于控制液压缸的伺服阀（39），和用于调节液压系统压力的压力设置模块；该压力设置模块包括小型泵（52），系统压力设置阀（53），压力转换阀（54），辅助溢流阀（55），比例节流阀（51），系统压力设置弹簧（56），压力转换弹簧（57），辅助溢流阀（55）的溢流辅助弹簧（58），压力转换阀（54）的驱动元件（59），和压力输入端口（60）；

驱动泵（34）输出液压动力，驱动泵的泵出口连接有主溢流阀（35）；

主泵（34）出口后设置有单向阀（36），单向阀（36）后设置有蓄能器（37），蓄能器一侧的管路上连接有液压主回路，该液压主回路上设置有主减压阀（38）、伺服阀（39）、液压缸；蓄能器（37）另一侧的管路上设置有压力设置模块，蓄能器一侧和另一侧的管线是流体连通的；该压力设置模块主要包括小型泵（52）、系统压力设置阀（53）、压力转换阀（54）、辅助溢流阀（55）、比例节流阀（51）、系统压力设置弹簧（56）、压力转换弹簧（57）、溢流辅助弹簧（58）、压力转换阀（54）的驱动元件（59）和压力输入端口（60）；

在压力设置组件中，系统压力设置阀（53）的阀体上带有系统压力设置弹簧（56），系统压力设置弹簧（56）向系统压力设置阀（53）的阀体施加弹簧力，促使系统压力设置阀（53）关闭，通过调节系统压力设置弹簧（56）可以确定系统压力设置阀（53）的开启压力，该开启压力即为蓄能器（37）供给的系统第一压力；

在系统压力设置阀（53）的阀体上还设置了压力输入端口（60），该压力输入端口（60）可以设置为系统压力设置阀（53）的阀体上可以施加力的一个区域的形式；这样系统压力设置弹簧（56）施加的弹簧力和通过压力输入端口（60）施加的液压力可以作用在阀体上，使得阀体向着关闭的方向移动，为了控制通过压力输入端口（60）施加的液压力以控制系统压力设置阀（53）的开启压力，即系统第二压力，还设置了压力转换阀（54），系统第二压力比系统第一压力大；

压力转换阀（54）的阀体上设置有压力转换弹簧（57），压力转换弹簧（57）向着使得压力转换阀（54关闭的方向施加偏压力；

小型泵（52）向压力转换阀（54）供给压力油，该压力油通过压力转换阀（54）作用到系统压力设置阀（53）的阀体上，带动系统压力设置阀（53）向着关闭方向移动；压力转换阀（54）上还设置有压力转换阀（54）的驱动元件（59）；

在压力转换阀（54）和压力输入端口（60）之间的管线上设置有比例节流阀（51）。