CN107452244A - 一种模拟跳伞完整体验的仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟跳伞完整体验的仿真系统，包括：升降机；设置于所述升降机中的传感器或者确认按钮；用于捕捉跳伞体验者身体姿态的设备；绳索控制模块，包括伞索、左侧操控绳和右侧操控绳；绑带提拉模块，包括肩部绑带提拉机构和腿部绑带提拉机构，并根据模拟跳伞阶段的变化而使跳伞体验者在直立姿态、悬吊姿态和俯卧姿态之间变换；风阻模拟模块，包括前向风扇、底向风扇和侧向风扇，所述前向风扇、所述底向风扇和所述侧向风扇分别根据模拟跳伞阶段的变化而处于“停止”、“低功率运转”或“高功率运转”姿态；以及虚拟现实显示模块，所述虚拟现实显示模块包括视景同步处理模块，根据跳伞体验者处于不同模拟跳伞阶段呈现不同视景。

Description

一种模拟跳伞完整体验的仿真系统

技术领域

本发明属于跳伞训练领域，更具体而言，本发明涉及一种模拟跳伞完整体验的仿真系统。

背景技术

跳伞运动是指跳伞员乘飞机、气球等航空器或其他器械升至高空后跳下，或者从陡峭的山顶、高地上跳下，并借助空气动力和降落伞在张开降落伞之前和开伞后完成各种规定动作，并利用降落伞减缓下降速度在指定区域安全着陆的一项体育运动。它以自身的惊险和挑战性，被世人誉为“勇敢者的运动”。

跳伞运动是一项很刺激的运动，真实的跳伞运动需要经过专业的训练，并且真实的跳伞运动存在一定的危险性。此外，真实的跳伞运动需要做大量复杂的准备工作，费用高昂，目前仅有少部分人参与这项运动。为了使多数人群体验跳伞的乐趣，一些模拟跳伞机应运而生。

跳伞流程一般包括：飞机爬升、起跳离机、自由落体、开伞、翼伞空中控制、着陆等多个阶段。然而，现存的技术方案只为跳伞体验者提供一种姿态变化：即在“竖直悬空”和“自然站立”两种姿态间切换，这两种姿态分别模拟跳伞流程中的“伞降”和“着陆”两个阶段。现有跳伞模拟机对于跳伞过程中最考验勇气的“跳出离机”和最刺激的“自由落体”两个跳伞过程完全没有模拟，这使得整个模拟跳伞体验并不完整。

另外，跳伞者在空中下降的过程中会产生强烈的“失重感”以及与空气做相对运动所产生的“风吹感”。然而，现存跳伞模拟机中仅少数几款在跳伞体验者正下方配置了风扇，来模拟这种感觉。但由于风量风力不足，风向单一且风速固定，导致无法模拟跳伞过程中复杂的“风吹感”。而且，设置在跳伞体验者正下方的风扇也会由于容易进杂物等原因增加发生故障的几率。

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是仿真技术的一个重要方向，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。2016年被称为VR元年，与VR配套的虚拟现实仿真系统和产品也在近两年实现了高速发展。近年在国内市场上已经出现了几款跳伞模拟机产品，跳伞体验者通过佩戴VR头盔获得在空中下降的视觉体验。现存跳伞模拟器中的VR内容乏善可陈，3D模型及贴图烘焙技术明显不成熟，视觉效果不真实，甚至拙略，不能产生强烈的“沉浸感”。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种模拟跳伞完整体验的仿真系统，包括：

升降机；

设置于所述升降机中的传感器，或者确认按钮，用于确认跳伞体验者离开升降机平台；

用于捕捉跳伞体验者身体姿态的设备；

绳索控制模块，包括伞索、左侧操控绳和右侧操控绳；

绑带提拉模块，包括连接到跳伞体验者的肩部绑带提拉机构和腿部绑带提拉机构，所述绑带提拉模块根据模拟跳伞阶段的变化而使跳伞体验者在直立姿态、悬吊姿态和俯卧姿态之间变换；

风阻模拟模块，包括前向风扇、底向风扇和侧向风扇，所述前向风扇、所述底向风扇和所述侧向风扇分别根据模拟跳伞阶段的变化而处于“停止”、“低功率运转”或“高功率运转”姿态；以及

虚拟现实显示模块，所述虚拟现实显示模块包括视景同步处理模块，根据跳伞体验者处于不同模拟跳伞阶段呈现不同视景。

优选地，所述伞索、所述左侧操控绳和所述右侧操控绳中分别设置绳索拉力传感器。

优选地，所述仿真系统进一步包括绳索位置追踪模块，用于追踪所述伞索、所述左侧操控绳和所述右侧操控绳的位置。

优选地，所述虚拟现实显示模块进一步包括头部识别模块，所述虚拟现实显示模块追踪头部动作，实现“现实”头部控制与“虚拟”视景中“旋转”“位移”变化的同步。

优选地，所述肩部绑带提拉机构中设置绑带拉力传感器。

优选地，所述用于捕捉跳伞体验者身体姿态的设备为体感摄像机或三轴陀螺仪。

本发明提供一种模拟跳伞完整体验的仿真系统，从而能模拟跳伞的完整过程，带给跳伞体验者更真实的感受。

附图说明

在下文中将参照附图更完全地描述本发明的一些示例实施例；然而，本发明可以以不同的形式体现，不应当被认为限于本文所提出的实施例。相反，附图与说明书一起例示本发明的一些示例实施例，并用于解释本发明的原理和方面。

在图中，为了例示清楚，尺寸可能被夸大。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件。

图1为一种模拟跳伞完整体验的仿真系统的结构框图；

图2为另一种模拟跳伞完整体验的仿真系统的结构框图；以及

图3示意性例示一种模拟跳伞完整体验的仿真方法的流程图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，本发明的某些示例性实施例简单地通过例示的方式被示出和描述。如本领域技术人员将认识到的那样，所描述的实施例可以以各种不同的方式修改，所有这些都不脱离本发明的精神或范围。因此，图和描述将被视为在本质上是例示性的，而不是限制性的。

下面将参照附图进一步详细描述根据本发明的示例性实施例。

图1和图2示出模拟跳伞完整体验的仿真系统的结构框图。

根据本发明的一种模拟跳伞完整体验的仿真系统，包括：升降机；设置于所述升降机中的传感器，或者确认按钮，用于确认跳伞体验者离开升降机平台；用于捕捉跳伞体验者身体姿态的设备；绳索控制模块，包括伞索、左侧操控绳和右侧操控绳；绑带提拉模块，包括连接到跳伞体验者的肩部绑带提拉机构和腿部绑带提拉机构，所述绑带提拉模块根据模拟跳伞阶段的变化而使跳伞体验者在直立姿态、悬吊姿态和俯卧姿态之间变换；风阻模拟模块，包括前向风扇、底向风扇和侧向风扇，所述前向风扇、所述底向风扇和所述侧向风扇分别根据模拟跳伞阶段的变化而处于“停止”、“低功率运转”或“高功率运转”姿态；以及虚拟现实显示模块，所述虚拟现实显示模块包括视景同步处理模块，根据跳伞体验者处于不同模拟跳伞阶段呈现不同视景。

如图1和图2所示，模拟跳伞完整体验的仿真系统包括设置于升降机中的压力传感器，跳伞体验者的“迈/跳出机舱”动作形成的压力变化引起设置在指定跳伞区域下方的压力传感器的压力变化，升降机上的压力传感器感知压力变化，从而确认跳伞体验者离开升降机，从而发出控制信号。在替代实施例中，可以在仿真系统中设置确认按钮，用于确认跳伞体验者离开升降机平台。

所述升降机的启动触发“飞机爬升”阶段模拟；所述压力传感器感知跳伞体验者的压力变化触发“起跳离机”阶段模拟；所述用于捕捉跳伞体验者身体姿态的设备捕捉跳伞体验者的俯卧姿态触发“自由落体”阶段模拟；拉动所述伞索触发“开伞”阶段模拟；拉动所述左侧操控绳/右侧操控绳触发“翼伞空中控制”阶段模拟；同时拉动所述左侧操控绳和所述右侧操控绳触发“着陆”阶段模拟。

在图1所示的实施例中，所述用于捕捉跳伞体验者身体姿态的设备为体感摄像机。替代地，在图2所示的实施例中，所述用于捕捉跳伞体验者身体姿态的设备为三轴陀螺仪。

在一优选实施例中，所述伞索、所述左侧操控绳和所述右侧操控绳中分别设置绳索拉力传感器，从而根据本发明的仿真系统基于绳索拉力传感器的指示来获取“拉动所述伞索”、“拉动所述左侧操控绳/右侧操控绳”以及“同时拉动所述左侧操控绳和所述右侧操控绳”的控制信号。

替代地，根据本发明的仿真系统包括绳索位置追踪模块，用于追踪所述伞索、所述左侧操控绳和所述右侧操控绳的位置，从而获取“拉动所述伞索”、“拉动所述左侧操控绳/右侧操控绳”以及“同时拉动所述左侧操控绳和所述右侧操控绳”的控制信号。

值得注意的是，“前向风扇”、“底向风扇”和“侧向风扇”指的是分别在跳伞体验者的前部、底部和两侧产生“风吹”感觉，“前向风扇”、“底向风扇”和“侧向风扇”可以分别设置在跳伞体验者的前部、底部和两侧的位置，然而，可替代地，“前向风扇”、“底向风扇”和“侧向风扇”可以设置在跳伞体验者的底部，但是在跳伞体验者的前部、底部和两侧产生“风吹”感觉。

优选地，所述虚拟现实显示模块进一步包括头部识别模块，所述虚拟现实显示模块追踪头部动作，实现“现实”头部控制与“虚拟”视景中“旋转”“位移”变化的同步。

优选地，所述肩部绑带提拉机构中设置绑带拉力传感器。

本发明的核心创新内容是模拟真实的完整的跳伞流程，具体分为：飞机爬升、起跳离机、自由落体、开伞、翼伞空中控制、着陆六个重要跳伞阶段。图3示意性例示一种模拟跳伞完整体验的仿真方法的流程图。

下面分别对这六个模拟阶段的技术方案进行详细描述。

I.飞机爬升阶段

跳伞者在机舱门原地站立等待，与此同时飞机缓慢爬升，至合适高度后，舱门打开，跳伞者完成跳伞前准备工作。

(a)视景内容

跳伞体验者的头显视景中显示系统开始界面，确认开始之后，呈现机舱内部景象，包括舱门、座椅、跳伞引导员以及其它跳伞员等内容，并能透过舱门和窗户看到外面的景象。在等待飞机爬升的时间里，跳伞引导员会对跳伞体验进行一个简要的介绍，包括体验流程、空中姿态介绍、开伞索介绍、控制绳索介绍和高度计介绍等。

虚拟现实显示模块，例如，头戴显示器(例如，HTC Vive)能有效捕捉跳伞体验者的头部运动，实现“现实”头部控制与“虚拟”视景中“旋转”“位移”等变化的同步。

(b)输入控制

跳伞体验者站立在升降机上的指定跳伞区域，通过控制头部运动，头戴显示器追踪跳伞体验者的头部运动，确认开始。例如，跳伞体验者转动头部，通过“注视”图标，进行“确认”“返回”等操作。替代地，跳伞体验者可以通过操作“启动”按钮而开始跳伞体验。

(c)输出反馈

指定跳伞区域下方配置伺服升降机，在飞机爬升阶段开始工作，将跳伞体验者缓慢升起至预设高度，例如30cm，之后停止。

接下来，连接到跳伞体验者肩部的肩部绑带通过伺服电机开始“提拉”工作，肩部绑带上的绑带拉力传感器感知肩部绑带上的拉力变化，直到左右肩绑带上承受设定拉力(例如，承受跳伞体验者的体重)，伺服电机停止“提拉”工作，并在该位置待命。

II.起跳离机阶段

跳伞者迈出舱门的一刻(大约5秒)，并完成“直立”到“俯卧”的姿态变化。

(a)视景内容

头显视景中提示“迈/跳出机舱”，同步显示“指定跳伞区域”，随后呈现从舱内到舱外的视景变化内容。

头戴显示器能有效捕捉跳伞体验者的头部运动，实现“现实”头部控制与“虚拟”视景中“旋转”“位移”等变化的同步。

(b)输入控制

跳伞体验者准备好后，迈出指定跳伞区域。跳伞体验者的“迈/跳出机舱”动作形成的压力变化引起设置在指定跳伞区域下方的压力传感器的压力变化，升降机上的压力传感器感知压力变化，从而发出控制信号。

替代地，跳伞体验者按下“迈/跳出机舱”确认按钮，从而发出控制信号。

(c)输出反馈

前向风扇开始工作，以低功率运转，用于模拟舱门打开后风吹进机舱的“触觉”。

肩部伺服电机依然在原位置“待命”。

分别连接到跳伞体验者的左右两腿的左腿绑带和右腿绑带通过伺服电机开始“提拉”工作，将跳伞体验者由“直立”姿态变为“俯卧”姿态(工作时间约3-4秒)。

与此同时，伺服升降机开始缓慢下降回初始位置。

III.自由落体阶段

跳伞者离机后，身体呈“俯卧”姿态，随着自由落体时间的变长，下降速度的增高，并伴随着强烈的“风阻”的触感。

(a)视景内容

俯瞰地面美景，以及手背上的高度计等穿戴设备。如果是多人联网，还可以看到其他跳伞体验者的“身影”。高度计显示高度的不断变化。

头戴显示器能有效捕捉跳伞体验者的头部运动，实现“现实”头部控制与“虚拟”视景中“旋转”“位移”等变化的同步。

(b)输入控制

设置在跳伞体验者侧部的体感摄像机捕捉到跳伞体验者的“俯卧”姿态，发出控制信号。

同“飞机爬升”阶段，可用头戴显示器进行头部运动追踪，从而呈现不同视角的视景。

(c)输出反馈

设置在跳伞体验者侧部的体感摄像机实时捕捉跳伞体验者的“姿态”，在达到“俯卧”姿态时候，发送信号给左腿伺服电机和右腿伺服电机，左腿伺服电机和右腿伺服电机遂停止继续提拉，并在该位置待命。此时肩部伺服电机以及腿部伺服电机共同“承受”跳伞体验者的自身重力。

底向风扇和侧向风扇开始工作，并随着自由落地时间的增加，前向风扇、底向风扇和侧向风扇的功率逐渐增强到最大，最终以预设高功率运转。

IV.开伞阶段

跳伞者在自由落地到指定高度左右时，拉动伞索，释放伞包里的降落伞。跳伞者由“俯卧”姿态变为“直立”姿态。

(a)视景内容

显示高度计的数值变化，在1500米提示拉动伞索，并提示伞索的位置。

头戴显示器能有效捕捉跳伞体验者的头部运动，实现“现实”头部控制与“虚拟”视景中“旋转”“位移”等变化的同步。

(b)输入控制

跳伞体验者拉动伞索，伞索中的伞索拉力传感器感知拉力，从而发出控制信号。替代地，系统中设置的伞索位置追踪器捕捉伞索的位置变化，发出控制信号。

(c)输出反馈

跳伞体验者拉动伞索后，系统触发开伞阶段。此时，腿部伺服电机开始“放松”工作，跳伞体验者由肩部伺服电机和腿部伺服电机同时提拉变成仅由肩部伺服电机提拉，使跳伞体验者由“俯卧”姿态变成“直立”姿态。

前向风扇、底向风扇和侧向风扇在“开伞”后开始降低工作效率，直至以预设低功率运转。

V.翼伞空中控制

翼伞完全展开后，跳伞者通过拉动翼伞的左右两个操控绳来控制下降的方向以及速度。这个阶段的时间大约3-4分钟。

(a)视景内容

跳伞体验者可以看到头顶展开的翼伞，并看到肩部上方左右两侧的操控绳。跳伞体验者拉动左侧操控绳，视景中的“跳伞者”向左进行位移；拉动右侧操控绳，视景中的“跳伞者”向右进行位移。

头戴显示器能有效捕捉跳伞体验者的头部运动，实现“现实”头部控制与“虚拟”视景中“旋转”“位移”等变化的同步。

(b)输入控制

跳伞体验者拉动左/右侧操控绳，左/右侧操控绳中的拉力传感器感知拉力，从而发出控制信号。替代地，系统中设置的左右侧操控绳伞索位置追踪器捕捉左/右侧操控绳的位置变化，发出控制信号。

(c)输出反馈

跳伞体验者拉动左/右侧操控绳，此时肩部伺服电机保持加载，腿部伺服电机保持卸载。

左侧操控绳和右侧操控绳连接在系统顶部，并分别设置拉力传感器。拉力传感器实时探测跳伞体验者对左/右操控绳的拉力，发出控制信号，从而控制视景中“跳伞者”的左右位置移动。进一步，根据左/右操控绳中拉力传感器感知的拉力大小，视景中感知的下降速度随之适应性变化。

前向风扇、底向风扇和侧向风扇在此阶段保持低功率工作。

VI.着陆

跳伞者在距离地面10米左右的距离开始进入着陆阶段。大约5秒钟。

(a)视景内容

呈现地面更多细节，比如建筑、地容地貌、山川河流、目标降落点等内容。

头戴显示器能有效捕捉跳伞体验者的头部运动，实现“现实”头部控制与“虚拟”视景中“旋转”“位移”等变化的同步。

(b)输入控制

跳伞体验者进入着陆阶段开始用力同时拉下左右操控绳，使视景中“跳伞者”下降速度降低，直到完成安全着陆。

(c)输出反馈

肩部伺服电机进入着陆阶段后，开始同时缓慢“放松”工作，左右操控绳拉力传感器探测到的拉力越大，肩部伺服电机“放松”工作的过程越长，直到跳伞体验者双脚接触到系统底盘(指定跳伞区域)。

前向风扇、底向风扇和侧向风扇在此阶段逐渐停止运转，直至完全停止。

在上述“完整”的跳伞流程的六个阶段中，本系统开发了与之配套的视景内容。也就是，在每个阶段，头戴显示器(例如，HTC Vive)能有效捕捉跳伞体验者的头部运动，实现“现实”头部控制与“虚拟”视景中“旋转”“位移”等变化的同步。

在本文中已经公开了一些示例性实施例，尽管采用特定的术语，但它们仅以一般和描述性的意义被使用并将被解释，而不是为了限制的目的。在一些情况下，正如对本领域普通技术人员将变得明显的那样，结合特定实施例描述的一个或多个特征、特性和/或元件可以单独使用，或可以和结合其它实施例描述的一个或多个特征、特性和/或元件组合使用，除非有相反的明确表示。本领域技术人员将理解，在不背离如所附权利要求及其等同方案中提出的本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。

Claims (6)

1.一种模拟跳伞完整体验的仿真系统，包括：

升降机；

设置于所述升降机中的传感器，或者确认按钮，用于确认跳伞体验者离开升降机平台；

用于捕捉跳伞体验者身体姿态的设备；

绳索控制模块，包括伞索、左侧操控绳和右侧操控绳；

绑带提拉模块，包括连接到跳伞体验者的肩部绑带提拉机构和腿部绑带提拉机构，所述绑带提拉模块根据模拟跳伞阶段的变化而使跳伞体验者在直立姿态、悬吊姿态和俯卧姿态之间变换；

风阻模拟模块，包括前向风扇、底向风扇和侧向风扇，所述前向风扇、所述底向风扇和所述侧向风扇分别根据模拟跳伞阶段的变化而处于“停止”、“低功率运转”或“高功率运转”姿态；以及

虚拟现实显示模块，所述虚拟现实显示模块包括视景同步处理模块，根据跳伞体验者处于不同模拟跳伞阶段呈现不同视景。

2.根据权利要求1所述的仿真系统，其中所述伞索、所述左侧操控绳和所述右侧操控绳中分别设置绳索拉力传感器。

3.根据权利要求1所述的仿真系统，其中所述仿真系统进一步包括绳索位置追踪模块，用于追踪所述伞索、所述左侧操控绳和所述右侧操控绳的位置。

4.根据权利要求1所述的仿真系统，其中所述虚拟现实显示模块进一步包括头部识别模块，所述虚拟现实显示模块追踪头部动作，实现“现实”头部控制与“虚拟”视景中“旋转”“位移”变化的同步。

5.根据权利要求1所述的仿真系统，其中所述肩部绑带提拉机构中设置绑带拉力传感器。

6.根据权利要求1所述的仿真系统，其中所述用于捕捉跳伞体验者身体姿态的设备为体感摄像机或三轴陀螺仪。