CN108536275A - 一种虚拟现实头盔系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟现实头盔系统，涉及虚拟现实技术领域，包括头盔机PC机，所述头盔内部包含透镜、液晶屏、头部采集模块、嵌入式处理模块和数据传输模块，所述头盔通过数据传输模块将角度数据信息传输至所述PC机。本发明运行稳定，降低了虚拟现实头盔画面传输上的延时感，头盔给用户带来的眩晕问题也得到了解决。

Description

一种虚拟现实头盔系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其是一种虚拟现实头盔系统。

背景技术

目前，世面上的虚拟现实头盔的实现原理是将液晶显示器(LCD)呈现的画面通过光学透镜系统放大，使画面尽可能的覆盖整个视野，达到身临其境的效果。但是虚拟现实头盔在使用时会出现画面跟随头部运动有延时的问题，进而使体验者产生眩晕感。而且虚拟现实环境及其相关算法的采用在效果上也不能呈现给体验者良好的沉浸感。

发明内容

本发明提出的一种虚拟现实头盔系统，改善虚拟现实头盔的延时感和立体感所带来的不良效果。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种虚拟现实头盔系统，包括头盔机PC机，所述头盔内部包含透镜、液晶屏、头部采集模块、嵌入式处理模块和数据传输模块，所述头盔通过数据传输模块将角度数据信息传输至所述PC机。

作为优选，所述嵌入式处理模块选用公司的STM32F103C8T6微控制器。

作为优选，所述头部采集模块包括陀螺仪和姿态传感器，所述陀螺仪选用InvenSense公司的MPU6050陀螺仪，所述姿态传感器选用Honey Well公司的磁阻传感器HMC5883L。

作为优选，所述数据传输模块采用无线模块NRF24L01或者USB传输方式的USB-HID协议模块构成的实时通讯系统。

本发明通过提供的一种虚拟现实头盔系统，其有益效果在于：降低了虚拟现实头盔画面传输上的延时感，头盔给用户带来的眩晕问题也得到了解决。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明虚拟现实头盔系统的整体框图；

图2为头盔内部硬件结构图；

图3为微控制器外围电路图；

图4为头部采集模块电路图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本实施例提供一种虚拟现实头盔系统，整体框图如图1所示，头盔内部包含透镜、液晶屏、头部采集模块、嵌入式处理模块和数据传输模块，头盔通过数据传输模块将角度数据信息传输至PC机。

其中，嵌入式处理模块选用公司的STM32F103C8T6微控制器，头部采集模块包括陀螺仪和姿态传感器，陀螺仪选用Inven Sense公司的MPU6050陀螺仪，其内置加速度计传感器，姿态传感器选用Honey Well公司的磁阻传感器HMC5883L，数据传输模块采用无线模块NRF24L01或者USB传输方式的USB-HID协议模块构成的实时通讯系统，其硬件结构图如图2所示。

头部角度的解算需要用到一些某些复杂的算法，运算过程中包括了矩阵运算和浮点数运算，因此主控芯片需要选用具备浮点运算模块的型号；同时，虚拟现实头盔系统采用的是锂电池供电，所以系统的功耗越低越好；最后在达到系统性能要求的同时，而且为了尽量的降低成本。基于以上的考虑，所以选用ST公司的STM32F103C8T6作为本系统的主控芯片。

本实施例为STM32F103C8T6微控制器提供8MHz的外部时钟，通过内部倍频到72MHz，同时，通过一组I2C接口与头部采集模块相连，一组SPI接口与无线模块相连，一组USB接口经阻抗匹配电路与PC机的USB相连，并利用普通IO接LED以提示系统当前的运行状态，其外围电路图如图3所示。

MPU6050是全球首例集成9轴运动处理传感器，集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)；HMC5883L包含了目前最先进的高分率HMC118X系列磁阻传感器，并同时附带了Honeywell专利的高集成度电路，包括了自动消磁驱动器、放大器、偏差校准及能够使罗盘精度控制在1°～2°的12位模数转换器。

头部采集模块中的MPU6050芯片和HMC5883L芯片均通过I2C接口与STM32F103C8T6微控制器相连，由于I2C总线接口的特殊性，总线上的SDA串行数据线和SCL串行时钟线均需加上拉电阻至VCC。在此模块中，从主控模块至引出到MPU6050的I2C总线中，串联了两个47Ω的电阻，目的是给主控模块的I2C端口添加防护，同时，减少主控芯片的输入输出的电流，降低芯片的功耗。HMC5883L芯片并不是直接与主控引出的I2C总线相连，而是与MPU6050的从I2C总线相连。这样做的目的是为了扩大系统的功能，其数据融合和姿态解算不仅可以在主控模块中进行运算，还可以选择利用MPU6050内置的DMP进行运算。具体电路原理图如图4所示。

在数据传输模块上有两种选择，传统的方式为有线USB传输，具体需要使用的是USB-HID协议。USB-HID是Human Interface Device的缩写，HID设备是直接与人交互的设备，例如键盘、鼠标与游戏杆等，基本实现即插即用。无线传输方案采用nrf2401单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

想在使用虚拟现实头盔时与PC机交互，必须获取人体的数据信息，并在PC机进行处理来实现人机互动。这里需要获取人体头部的角度信息并传输给PC机，在采集头部数据时需要用要相应的传感器和处理算法。这里采取的算法主要是为了降低采集数据上需要的时间，来改善虚拟现实头盔的延时问题。具体来说就是要求虚拟现实头盔的响应时间要短，且得出数据后，数据不能有震荡。如果系统响应时间较长，在佩戴头盔后体验者头部转动时，画面在相应的跟随变化上就会出现滞后，从而导致佩戴者产生眩晕。

航姿跟踪技术在自平衡无人机领域已有应用，本实施例选用HMC5883L轴数字罗盘和MPU6050 3轴陀螺仪，加速度计来精确确定头戴显示器的航姿。陀螺仪能够测量物体转动的角速度，具有短时间内测量精度高、稳定、可靠的优点。但陀螺仪对温度的要求性高，在长时间内，其由于温度的变化而产生漂移，导致积分累加得到的角度值会大大的偏离实际值。加速度计鉴于测量原理，在短时间内波动很大，但是在长时间的测量中其性能不错。磁强计通过测量地磁的大小，经换算可得到与与地磁南极的夹角。故在头盔朝向的姿态检测中，采取的策略是由陀螺仪积分累加得到角度，同时又以加速度计为基准对累加的角度进行修正，最后再经过磁强计特别针对偏航值进行校正。这个过程称之为融合滤波。至于融合滤波的方法有很多，例如复合互补滤波、卡尔曼滤波，理论上，卡尔曼滤波的效果比互补滤波的要好。而这两者融合滤波的方法均可有效的改善虚拟现实头盔的延时问题，进一步在采集数据模块降低了虚拟现实头盔的延时感。

本实施例以STM32处理器为核心构成的，它与外围电路的主要工作为：读取传感器模块的测量值，再进行滤波融合算法的运算得到人体头部的角度信息，接着通过USB-HID或无线模块将角度数据信息传输至PC机。然后在PC端采用Unity3D引擎整合传输过来的头部角度信息，并在Unity3D上搭建虚拟场景且对画面进行渲染处理，再发布成.exe格式的软件包。最后通过HDMI视频信号传输线把画面传输至虚拟现实头盔内部的液晶屏，在虚拟现实头盔上通过透镜观看虚拟场景使体验者身临其境。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种虚拟现实头盔系统，其特征在于，包括头盔机PC机，所述头盔内部包含透镜、液晶屏、头部采集模块、嵌入式处理模块和数据传输模块，所述头盔通过数据传输模块将角度数据信息传输至所述PC机。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟现实头盔系统，其特征在于，所述嵌入式处理模块选用公司的STM32F103C8T6微控制器。

3.根据权利要求1所述的一种虚拟现实头盔系统，其特征在于，所述头部采集模块包括陀螺仪和姿态传感器，所述陀螺仪选用Inven Sense公司的MPU6050陀螺仪，所述姿态传感器选用Honey Well公司的磁阻传感器HMC5883L。

4.根据权利要求1所述的一种虚拟现实头盔系统，其特征在于，所述数据传输模块采用无线模块NRF24L01或者USB传输方式的USB-HID协议模块构成的实时通讯系统。