CN107344019B - 一种虚拟现实系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种虚拟现实系统，包括运动座椅、VR眼镜和至少一个姿态传感器；运动座椅包括座椅、运动平台和控制单元；运动平台包括上平台、下平台、电缸以及运动铰链，电缸的两端分别通过运动铰链连接至上平台和下平台；至少一个姿态传感器至少包括用于与控制单元通信的第一姿态传感器和/或第二姿态传感器；运动座椅与VR眼镜通信，并且控制单元在接收到至少一个姿态传感器反馈的姿态角数据后控制电缸动作。该虚拟现实系统用于增强用户的体验感和沉浸感，避免给用户带来眩晕感，从而提升产品卖点。

Description

一种虚拟现实系统
技术领域
本发明属于运动座椅技术领域，具体涉及一种用于运动座椅的虚拟现实系统。
背景技术
传统座椅具有单一性，多数只能满足用户休息的需求。
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)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。
随着VR技术的快速发展，通过佩戴VR眼镜使用户沉浸在该环境中，而用户所坐座椅不动，导致用户佩戴VR眼镜时易出现眩晕问题以及玩家沉浸感不足的问题。
发明内容
本发明提供一种虚拟现实系统的目的在于，增强用户的体验感和沉浸感，避免给用户带来眩晕感，从而提升产品卖点。
为了解决上述技术问题，本发明所提出如下技术方案予以解决：
一种虚拟现实系统，其特征在于，所述虚拟现实系统包括运动座椅、VR眼镜和至少一个姿态传感器；所述运动座椅包括座椅、运动平台和控制单元；所述运动平台包括上平台、下平台、电缸以及运动铰链，所述电缸的两端分别通过所述运动铰链连接至所述上平台和所述下平台；所述至少一个姿态传感器至少包括用于与所述控制单元通信的第一姿态传感器和/或第二姿态传感器；所述运动座椅与所述VR眼镜通信，并且所述控制单元在接收到所述至少一个姿态传感器反馈的姿态角数据后控制所述电缸动作。
进一步地，所述肩部第一姿态传感器设置在位于所述座椅上的用户的肩部，和/或，所述头部第二姿态传感器设置在位于所述座椅上的用户的头部。
进一步地，为了便于固定第一姿态传感器和第二姿态传感器，所述虚拟现实系统还包括传感器支架，当所述至少一个姿态传感器包括第一姿态传感和第二姿态传感器时，所述第一姿态传感器和第二姿态传感器通过安装在所述传感器支架上而分别固定于所述座椅上的用户的肩部和头部。
进一步地，为了在用户运动过程中实时检测用户与固定目标的距离，使得用户位置更加精确，所述用于运动座椅的虚拟现实系统还包括设置在位于所述座椅上的用户的身体上的激光测距传感器，用于测量用户与固定目标之间的距离；所述激光测距传感器与所述控制单元通信连接。
进一步地，所述激光测距传感器设置在所述用户侧耳或额头上。
进一步地，为了便于固定激光测距传感器，所述激光测距传感器通过安装在所述传感器支架上而固定于与所述用户侧耳或额头上。
进一步地，所述虚拟现实系统还包括LED指示灯，其通过发光指示电路与所述控制单元连接。
进一步地，所述运动座椅包括无线通信模块，所述控制单元通过所述无线通信模块与所述VR眼镜通信。
进一步地，在除了VR眼睛自身提供音视频信号之外，也可以通过外界的音视频信号源对VR眼镜提供音视频信号，所述虚拟现实系统还包括设置在所述运动座椅内的终端，所述终端与所述VR眼镜通信且用于向所述VR眼镜传递音视频信号。
进一步地，为了避免终端和VR眼镜之间连接线路的牵绊，所述终端包括第一无线通信模块，所述VR眼镜包括第二无线通信模块，所述终端通过所述第一无线通信模块和第二无线通信模块与所述VR眼镜无线通信，用于向所述VR眼镜传递音视频信号。
与现有技术相比，本发明的虚拟现实系统的优点和有益效果是：通过检测佩戴VR眼镜的用户的头部姿态和/或肩部姿态，得到用户的姿态角数据，并且控制单元根据VR眼镜当前播放的视频信号和姿态角数据控制电缸的伸缩长度，从而实现运动座椅与用户三维姿态的同步运动，增强用户玩VR游戏的体验感和沉浸感，降低VR游戏带来的眩晕感，改善用户体验效果，提升运动座椅的卖点，从而提高产品竞争力。
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，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简要介绍，显而易见地，下面描述的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明的一种虚拟现实系统的原理框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
为了使VR运动座椅与佩戴VR眼镜5的用户的运动实现同步，如图1所示，本实施例涉及一种虚拟现实系统，包括运动座椅、VR眼镜5和至少一个姿态传感器；运动座椅包括座椅、运动平台4和控制单元1，其中运动平台4包括上平台、下平台、电缸4-1和运动铰链，其中电缸4-1的两端分别通过运动铰链连接至上平台和下平台；至少一个姿态传感器至少包括用于与控制单元1连接的第一姿态传感器和/或第二姿态传感器；该运动座椅与VR眼镜5通信，并且控制单元1在接收到至少一个姿态传感器反馈的姿态角数据后控制电缸4-1动作。
具体地，用户坐在运动座椅的座椅上，该运动座椅由运动平台支撑且根据电缸4-1的伸缩杆的伸缩而运动，为了精确采集用户的姿态角数据，在本实施例中，头部姿态传感器2设置在用户的头顶上，而肩部姿态传感器3设置在用户的一个肩部上方，为了保持各个传感器的稳定性，头部姿态传感器2和肩部姿态传感器3可以通过传感器支架（未示出）设置在用户身体上。当用户佩戴上VR眼镜5开始游戏之前，需要使身体保持端正姿态，以便对头部姿态传感器2和肩部姿态传感器3进行复位，并将此状态作为初始状态或初始位置。
在本实施例中，头部姿态传感器2和肩部姿态传感器3分别实时检测头部和肩部的姿态变动，用来描述其头部和肩部相对于地球坐标系的三维姿态（即三个方向（包括滚动方向、俯仰方向和偏转方向）的姿态角）的变化情况，然后将头部姿态传感器2检测到的头部姿态变化数据和肩部姿态传感器3检测到的肩部姿态变化数据传输至控制单元1，控制单元1综合上述数据将用户总的姿态角数据表示为四元素数据，即，捷联姿态惯导系统姿态算法中的捷联矩阵可以由四元素法表示并且根据捷联姿态矩阵和姿态角的关系，可以将四元素带入捷联矩阵T，反解计算以得出分别在滚动方向、俯仰方向和偏转方向上的姿态角（包括横摇角/>、纵摇角/>和航向角/>）。
在计算载体姿态角时，当只关心载体坐标系（记为b系）相对于导航坐标系（记为n系）的角位置时，可以认为载体坐标系是由导航坐标系经过一次等效旋转形成的，即载体的角位置可以通过绕空间某个轴转过某个角度得到，四元素q提供了这种数学描述且包含了这种等效旋转的全部信息，矢量R在载体在b系和n系上的投影关系为，即
（1.1）
其中是矢量R在n系上的投影，/>是矢量R在b系上的投影，/>为坐标旋转矩阵。此外，捷联矩阵/>可以表示为载体坐标系到导航坐标系的坐标变换方向余弦矩阵，如下公式（1.2）表示捷联矩阵/>，其是姿态角（/>、/>、/>）的函数：
（1.2）
通过对比公式（1.1）和公式（1.2），可以计算得出航向角、纵摇角/>和横摇角/>，在本实施例中，航向角/>、纵摇角/>和横摇角/>的姿态角可以通过MATLAB和C语言编程得以实现。
本实施例中，运动平台4包括四自由度可伸缩的电缸4-1，例如控制单元1根据当前播放的视频信号通过一系列算法解算出电缸4-1关于姿态角（、/>、/>）可伸缩的长度，从而在运动形式上实现座椅根据用户姿态角数据而同步变化的运动感觉。
进一步地，为了使用户位置更加精确，结合头部姿态传感器2和肩部姿态传感器3，利用传感器支架在用户一侧耳上安装有激光测距传感器6，当然该激光测距传感器4也可以安装在用户的额头上或其他便于检测与固定目标距离的位置处，在用户对面寻找一个固定参考点，在用户处于初始位置时，以激光测距传感器6和该参考点之间的距离作为初始数据，在用户头部动作时，激光测距传感器6发出可见激光开始实时测量用户与固定目标的相对距离，并将该相对距离传递至控制单元1，该距离数据结合头部姿态数据和肩部姿态数据，使得用户的位置更加精确，从而更好地改善用户与运动平台4的同步运动，防止出现眩晕等不舒适感，提升用户满意度。
VR眼镜5可以本身配置有主控芯片，用于播放音视频信号，为了便于信号的传输，在运动座椅中配置有无线通信模块，该音视频信号可以通过无线通信模块发送至控制单元1，便于控制单元1根据音视频信号解算出电缸4-1关于姿态角（、/>、/>）可伸缩的长度。替代地，可以在运动座椅内集成有终端（例如电脑），终端与VR眼镜5通信且用于向VR眼镜5传送音视频信号；优选地，为了避免有线连接的牵绊，终端内设置有第一无线通信模块，VR眼镜5内设置有第二无线通信模块，该第一无线通信模块和第二无线通信模块可以为WiFi模块，用于视频图像及游戏内容等信号的无线传输，方便两者数据交互。
进一步地，还可以在运动座椅（例如在用户坐在运动座椅上时便于眼睛能观察到的位置）上设置LED指示灯7，该指示灯7通过发光指示电路（未示出）与控制单元1连接，用于指示VR眼镜5是否与例如电脑等终端正常连接或在两者连接错误时起到警示或报错指示功能。
本实施例的虚拟现实系统，通过检测佩戴VR眼镜5的用户的头部姿态和肩部姿态，得到用户的姿态角数据，并且控制单元1根据当前播放的视频信号和姿态角数据控制电缸4-1的伸缩长度，从而实现运动座椅与用户三维姿态的同步运动，增强用户玩VR游戏的体验感和沉浸感，降低VR游戏带来的眩晕感，改善用户体验效果，提升运动座椅的卖点，从而提高产品竞争力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种虚拟现实系统，其特征在于，所述虚拟现实系统包括运动座椅、VR眼镜和至少一个姿态传感器；
所述运动座椅包括座椅、运动平台和控制单元；
所述运动平台包括上平台、下平台、电缸以及运动铰链，所述电缸的两端分别通过所述运动铰链连接至所述上平台和所述下平台；
所述至少一个姿态传感器至少包括用于与所述控制单元通信的第一姿态传感器和/或第二姿态传感器；在存在第一姿态传感器时，所述第一姿态传感器设置在位于所述座椅上的用户的肩部，用于实时检测头部的姿态变化；在存在第二姿态传感器时，所述第二姿态传感器设置在位于所述座椅上的用户的头部，用于实时检测肩部的姿态变化；
所述运动座椅与所述VR眼镜通信，并且所述控制单元在接收到所述至少一个姿态传感器反馈的姿态角数据后控制所述电缸动作，使所述座椅根据用户姿态角数据同步变化。
2.根据权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，还包括传感器支架，当所述至少一个姿态传感器包括第一姿态传感和第二姿态传感器时，所述第一姿态传感器和第二姿态传感器通过安装在所述传感器支架上而分别固定于所述座椅上的用户的肩部和头部。
3.根据权利要求2所述的虚拟现实系统，其特征在于，还包括设置在位于所述座椅上的用户的身体上的激光测距传感器，用于测量所述用户与固定参考目标之间的距离；所述激光测距传感器与所述控制单元通信。
4.根据权利要求3所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述激光测距传感器设置在所述用户侧耳或额头上。
5.根据权利要求4所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述激光测距传感器通过安装在所述传感器支架上而固定于与所述用户侧耳或额头上。
6.根据权利要求1所述虚拟现实系统，其特征在于，还包括LED指示灯，其通过发光指示电路与所述控制单元连接。
7.根据权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述运动座椅包括无线通信模块，所述控制单元通过所述无线通信模块与所述VR眼镜通信。
8.根据权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，还包括设置在所述运动座椅内的终端，所述终端与所述VR眼镜通信且用于向所述VR眼镜传递音视频信号。
9.根据权利要求8所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述终端包括第一无线通信模块，所述VR眼镜包括第二无线通信模块，所述终端通过所述第一无线通信模块和第二无线通信模块与所述VR眼镜无线通信，用于向所述VR眼镜传递音视频信号。
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