CN109276878A - 一种辅助动感平台运动参数调节方法及装置 - Google Patents

一种辅助动感平台运动参数调节方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种辅助动感平台运动参数调节方法及装置，一种辅助动感平台运动参数调节装置包括：惯性传感器、通讯模块发送端、传感器固定装置、通讯模块接收端、计算机、模型人和动感平台；通过该装置可以采集感受者前庭处的加速度和角速度，并记录动感平台的运动参数；一种辅助动感平台运动参数调节方法是利用这两种数据作为参变量，建立动感平台运动参数的调节函数模型，指导调试人员调试动感平台的运动参数。本发明采用惯性传感器实时采集的加速度和角速度作为依据，指导调试人员快速、准确地调试动感平台的运动参数。与传统方法相比，本发明避免了人为因素的干扰，降低了动感平台参数调节的难度，提高了调试效率，具有更加真实的沉浸感。

Description

一种辅助动感平台运动参数调节方法及装置
技术领域
本发明涉及一种辅助动感平台运动参数调节方法及装置，涉及虚拟仿真、游戏娱乐领域。
背景技术
随着虚拟现实技术和体感模拟装置的发展和应用，动感平台被广泛应用于汽车驾驶模拟器、飞行模拟器、游戏体感模拟器等众多领域。动感平台的功能就是利用机器人技术模拟真实的运动环境，为操作人员提供视觉、听觉、触觉、动感等逼真的感觉。
由于动感平台的运动受到其结构参数等因素的制约，其所能够提供的位置、速度和加速度都是有限的，为了能够在这些限制条件下完成逼真的动感模拟，动感平台的运动参数的调整需要根据仿真环境调整。
目前传统的调节动感平台运动参数的方法是：调试者依据自己在动感平台仿真环境中感受到的体感逼真程度，根据经验反调试并确认各种洗出算法的参数。这种基于主观评价的体感参数调试方法，与调试者的经验、体力、情绪有关。因此，动感平台的传统调试方法人为因素影响较大，直接影响了产品质量的稳定性和调试工作效率。本发明公开了一种基于传感器的调试方法和装置，利用传感器实际检测到的体验者的运动参数和仿真环境的运动参数，建立洗出算法参数调整模型，指导调试者调试动感平台的运动参数，能够减少调试工作中的人为因素干扰，提高调试效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种辅助动感平台运动参数调节方法及装置，通过采集动感平台仿真环境中体验者的运动参数和仿真环境原始运动数据，并利用这两种数据作为参变量，建立动感平台运动参数的调节函数模型，指导调试人员调试动感平台的运动参数。
本发明提供一种辅助动感平台运动参数调节装置，该装置由惯性传感器(1)、通讯模块发送端(2)、传感器固定装置(3)、计算机(4)、通讯模块接收端(5)、动感平台(6)和模型人(7)组成。惯性传感器(1)通过螺钉固定于传感器固定装置(3)上；传感器固定装置(3)通过绷带固定在模型人(7)的前庭位置上；模型人(7)通过安全带固定在动感平台(6)上；动感平台(6)是六自由度并联模拟平台，并配有座椅；惯性传感器(1)通过串口与通讯模块发送端(2)进行数据通讯；通讯模块接收端(5)通过串口与计算机(4)进行数据通讯；动感平台(6)与计算机(4)通过网络进行数据通讯。
一种辅助动感平台运动参数调节方法包括以下步骤：
S1、准备工作：将模型人(7)通过安全带固定于动感平台(6)座椅上，将惯性传感器(1)通过传感器固定装置(3)固定于模型人(7)头部，并使惯性传感器(1)的坐标系与动感平台(6)的基坐标系重合；体感逼真度评估软件与惯性传感器(1)和动感平台(6)之间建立通讯连接；
S2、数据采集：运行动感平台(6)，利用惯性传感器(1)采集动感平台(6)X轴、Y轴、Z轴三个方向的加速度和角速度数据及动感平台(6)运动指令数据，对每一帧数据添加时间标记并保存；
S3、数据预处理：对两组数据中数据量大的一组数据进行重采样，以数据量小的一组数据的时间标记为标准，对另一组数据进行线性插值得到对应时间标记上的值，确保两组数据按时间标记对齐；
S4、特征提取：对两组数据分别绘制折线图，以折线图的波峰作为特征，提取所有波峰特征，采用最大熵方法确定可以作为波峰的阈值，以波峰的峰值、峰值时间作为特征的属性；
S5、峰值匹配：采用基于时间最近邻策略的峰值匹配算法，找到两组数据峰值与峰值之间的一一对应关系；
S6、体感逼真度计算：采用多因素权重综合计算方法计算体感逼真度；
S6.1计算折线上的每一峰值对的逼真度：
对于每一对峰值对，逼真度计算公式为：
其中：wp为峰值影响权重系数；wi为时间影响权重系数；pi为原始数据折线图峰值；po为模拟数据折线图峰值；ti为原始数据折线图峰值时间；t0为模拟数据折线图峰值时间；s为一对峰值对逼真度。
S6.2根据峰值逼真度，计算折线逼真度：
对于每一对折线图，逼真度计算公式为：
其中：si为每一对峰值对的逼真度；n为每一对折线图匹配的峰值对数目；S为每一对折线图的逼真度，此处分别为Sax，Say，Saz,Swx，Swy，Swz，分别代表X、Y、Z方向的加速度、角速度模拟逼真度。
S6.3根据加速度、角速度对体感逼真度的权重影响和折线逼真度计算动感平台综合评价逼真度：
动感平台综合评价逼真度计算公式如下：
其中：wa为加速度对逼真度影响权重系数；ww为角速度对逼真度影响权重系数；Sax，Say，Saz，Swx，Swy，Swz分别为X、Y、Z方向的加速度、角速度模拟逼真度；Sc为动感平台体感模拟效果综合评价逼真；
S7、动感平台的运动参数调节：调节动感平台洗出算法的参数；
S7.1建立洗出算法的结构及滤波器模型：
洗出算法由比例环节、低通滤波器、高通滤波器、倾斜协调模块、角速度限幅模块组成，分为加速度高通滤波通道、角速度高通滤波通道和低通滤波通道；洗出算法使用高通滤波器滤掉运动环境的加速度和角速度的低频和大幅值运动；低通滤波通道通过倾斜协调的方法复现高频滤波损失掉的低频加速度信号；
S7.2计算机器人关节运动的最大行程：
在动感平台仿真最大加速度比力的时候，机器人会产生最大位移和最大倾斜角度，这两个值与洗出算法的参数值有密切关系，计算该状态下机器人各个单元的最大行程；
选择S2采集的动感平台运动指令数据中最大加速度比力参数fAAmax，计算该加速度比力下的机器人的最大位姿(SI)，并利用机器人的正逆解，获得机器人各个关节的运动行程(Li)，并计算各个关节运动行程与对应关节的全行程Lmaxi之比：选择机器人关节行程比率最大的参数作为SAAmax的调整依据；
S7.3建立洗出算法参数调整模型：
建立三阶高通滤波器参数调整模型：由于wb和阻尼系数ξ对模型影响较小，ξ取为1，wb取一个常值0.2。则wn的修改量为：kn1、kn2是一个常系数，即wn参数修改为wn+dwn；
建立二阶高通滤波参数调整模型：和二阶低通滤波参数调整模型：由于阻尼系数ξ对模型影响较小，ξ取为1。则wm的修改量为：dwm＝km1*sc-km2(1-sAA)；km1、km2是一个常系数，即wm参数修改为wm+dwm。
附图说明
图1是动感平台运动参数调节装置结构图
图2是惯性传感器结构图
图3是传感器固定装置结构图
图4是动感平台运动参数调节方法流程图
图5是动感平台运动参数调节方法原理图
图6是洗出算法滤波器模型图
具体实施方式
见图1---图6，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参照图1所示，一种辅助动感平台运动参数调节装置，由惯性传感器(1)、通讯模块发送端(2)、传感器固定装置(3)、计算机(4)、通讯模块接收端(5)、动感平台(6)和模型人(7)组成；惯性传感器(1)通过螺钉固定于传感器固定装置(3)上；传感器固定装置(3)通过绷带固定在模型人(7)的前庭位置上；模型人(7)通过安全带固定在动感平台(6)上；惯性传感器(1)通过串口与通讯模块发送端(2)进行数据通讯，惯性传感器(1)将采集到的运动模拟数据传输给通讯模块发送端(2)；通讯模块接收端(5)通过串口与计算机(4)进行数据通讯，通讯模块接收端(5)将通讯模块发送端(2)发来的运动模拟数据传输至计算机(4)；动感平台(6)与计算机(4)通过网络进行数据通讯，计算机(4)将运动控制指令发送给动感平台(6)。
参照图2所示，惯性传感器(1)的一侧开有USB接口，惯性传感器(1)的坐标系原点位于质心位置，X轴和Y轴方向如图所示，Z轴方向根据右手定则判定。
参照图3所示，传感器固定装置(3)包括上绷带(31)、侧绷带(32)、前端固定平台(33)三部分；通过上绷带(31)和侧绷带(32)，将传感器固定装置(3)固定于模型人(7)头部前庭位置，在前端固定平台(33)中心位置通过螺钉将惯性传感器(1)固定。
参照图4所示，一种辅助动感平台运动参数调节方法步骤如下：
S1、准备工作：将模型人(7)通过安全带固定于动感平台(6)座椅上，将惯性传感器(1)通过传感器固定装置(3)固定于模型人(7)头部，并使惯性传感器(1)的坐标系与动感平台(6)的基坐标系重合；体感逼真度评估软件与惯性传感器(1)和动感平台(6)之间建立通讯连接；
S2、数据采集：运行动感平台(6)，利用惯性传感器(1)采集动感平台(6)X轴、Y轴、Z轴三个方向的加速度和角速度数据及动感平台(6)运动指令数据，对每一帧数据添加时间标记并保存；
S3、数据预处理：对两组数据中数据量大的一组数据进行重采样，以数据量小的一组数据的时间标记为标准，对另一组数据进行线性插值得到对应时间标记上的值，确保两组数据按时间标记对齐；
S4、特征提取：对两组数据分别绘制折线图，以折线图的波峰作为特征，提取所有波峰特征，采用最大熵方法确定可以作为波峰的阈值，以波峰的峰值、峰值时间作为特征的属性；
S5、峰值匹配：采用基于时间最近邻策略的峰值匹配算法，找到两组数据峰值与峰值之间的一一对应关系；
S6、体感逼真度计算：采用多因素权重综合计算方法计算体感逼真度；
S6.1计算折线上的每一峰值对的逼真度：
对于每一对峰值对，逼真度计算公式为：
其中：wp为峰值影响权重系数；wi为时间影响权重系数；pi为原始数据折线图峰值；po为模拟数据折线图峰值；ti为原始数据折线图峰值时间；t0为模拟数据折线图峰值时间；s为一对峰值对逼真度；
S6.2根据峰值逼真度，计算折线逼真度：
对于每一对折线图，逼真度计算公式为：
其中：si为每一对峰值对的逼真度；n为每一对折线图匹配的峰值对数目；S为每一对折线图的逼真度，此处分别为Sax，Say，Saz，Swx，Swy，Swz，分别代表X、Y、Z方向的加速度、角速度模拟逼真度；
S6.3根据加速度、角速度对体感逼真度的权重影响和折线逼真度计算动感平台综合评价逼真度：
动感平台综合评价逼真度计算公式如下：
其中：wa为加速度对逼真度影响权重系数；ww为角速度对逼真度影响权重系数；Sax，Say，Saz，Swx，Swy，Swz分别为X、Y、Z方向的加速度、角速度模拟逼真度；Sc为动感平台体感模拟效果综合评价逼真；
S7、动感平台的运动参数调节：调节动感平台洗出算法的参数；
S7.1建立洗出算法的结构及滤波器模型：
洗出算法由比例环节、低通滤波器、高通滤波器、倾斜协调模块、角速度限幅模块组成，分为加速度高通滤波通道、角速度高通滤波通道和低通滤波通道；洗出算法使用高通滤波器滤掉运动环境的加速度和角速度的低频和大幅值运动；低通滤波通道通过倾斜协调的方法复现高频滤波损失掉的低频加速度信号；
S7.2计算机器人关节运动的最大行程：
选择S2采集的动感平台运动指令数据中最大加速度比力参数fAAmax，计算该加速度比力下的机器人的最大位姿(SI)，并利用机器人的正逆解，获得机器人各个关节的运动行程(Li)，并计算各个关节运动行程与对应关节的全行程Lmaxi之比：选择机器人关节行程比率最大的参数作为SAAmax的调整依据；
S7.3建立洗出算法参数调整模型：
建立三阶高通滤波器参数调整模型：由于wb和阻尼系数ξ对模型影响较小，ξ取为1，wb取一个常值0.2。则wn的修改量为：kn1、kn2是一个常系数，即wn参数修改为wn+dwn；
建立二阶高通滤波参数调整模型：和二阶低通滤波参数调整模型：由于阻尼系数ξ对模型影响较小，ξ取为1。则wm的修改量为：dwm＝km1*sc-km2(1-sAA)；km1、km2是一个常系数，即wm参数修改为wm+dwm。
参照图5所示，一种辅助动感平台运动参数调节方法通过比较惯性传感器(1)采集到的动感平台(6)的运动模拟数据与来自游戏客户端的运动指令数据，计算体感模拟逼真度。
参照图6所示，洗出算法由比例环节、低通滤波器、高通滤波器、倾斜协调模块、角速度限幅模块组成，分为三阶高通滤波通道、二阶高通滤波通道和二阶低通滤波通道；洗出算法使用高通滤波器滤掉运动环境的加速度和角速度的低频和大幅值运动；低通滤波通道通过倾斜协调的方法复现高频滤波损失掉的低频加速度信号。
为了滤掉驾驶平台不能模拟的低频加速度，在平移方向采用三阶高通滤波器；为了滤掉驾驶平台不能模拟的低频角速度，在旋转方向采用二阶高通滤波器；由于平台的工作空间有限，无法模拟长时间持续加速的位移，体感模拟算法首先将比力f1通过二阶低通滤波器，消除平移运动所能模拟的高频部分，而保留不能实现、会造成大动作位移的低频部分。

Claims (4)

1.一种辅助动感平台运动参数调节装置，其特征在于：由惯性传感器(1)、通讯模块发送端(2)、传感器固定装置(3)、计算机(4)、通讯模块接收端(5)、动感平台(6)和模型人(7)组成；惯性传感器(1)通过螺钉固定于传感器固定装置(3)上；传感器固定装置(3)通过绷带固定在模型人(7)的前庭位置上；模型人(7)通过安全带固定在动感平台(6)上；动感平台(6)是六自由度并联模拟平台，并配有座椅；惯性传感器(1)通过串口与通讯模块发送端(2)进行数据通讯；通讯模块接收端(5)通过串口与计算机(4)进行数据通讯；动感平台(6)与计算机(4)通过网络进行数据通讯。
2.一种辅助动感平台运动参数调节方法，其特征在于：采用惯性传感器(1)实时采集体验者前庭处的加速度和角速度作为依据，量化感受者的体感，建立体感度与洗出算法参数之间的关系模型，指导调试人员调试动感平台(6)的运动参数。
3.根据权利要求2所述的一种辅助动感平台运动参数调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备工作：将模型人(7)通过安全带固定于动感平台(6)座椅上，将惯性传感器(1)通过传感器固定装置(3)固定于模型人(7)头部，并使惯性传感器(1)的坐标系与动感平台(6)的基坐标系重合；体感逼真度评估软件与惯性传感器(1)和动感平台(6)之间建立通讯连接；
S2、数据采集：运行动感平台(6)，利用惯性传感器(1)采集动感平台(6)X轴、Y轴、Z轴三个方向的加速度和角速度数据以及动感平台(6)运动指令数据，对每一帧数据添加时间标记并保存；
S3、数据预处理：对两组数据中数据量大的一组数据进行重采样，以数据量小的一组数据的时间标记为标准，对另一组数据进行线性插值得到对应时间标记上的值，确保两组数据按时间标记对齐；
S4、特征提取：对两组数据分别绘制折线图，以折线图的波峰作为特征，提取所有波峰特征，采用最大熵方法确定可以作为波峰的阈值，以波峰的峰值、峰值时间作为特征的属性；
S5、峰值匹配：采用基于时间最近邻策略的峰值匹配算法，找到两组数据峰值与峰值之间的一一对应关系；
S6、体感逼真度计算：采用多因素权重综合计算方法计算体感逼真度；
S6.1计算折线上的每一峰值对的逼真度：
对于每一对峰值对，逼真度计算公式为：
其中：wp为峰值影响权重系数；wt为时间影响权重系数；pi为原始数据折线图峰值；po为模拟数据折线图峰值；ti为原始数据折线图峰值时间；t0为模拟数据折线图峰值时间；s为一对峰值对逼真度；
S6.2根据峰值逼真度，计算折线逼真度：
对于每一对折线图，逼真度计算公式为：
其中：si为每一对峰值对的逼真度；n为每一对折线图匹配的峰值对数目；S为每一对折线图的逼真度，此处分别为Sax，Say，Saz，Swx，Swy，Swz，分别代表X、Y、Z方向的加速度、角速度模拟逼真度；
S6.3根据加速度、角速度对体感逼真度的权重影响和折线逼真度计算动感平台综合评价逼真度；
动感平台综合评价逼真度计算公式如下：
其中：wa为加速度对逼真度影响权重系数；ww为角速度对逼真度影响权重系数；Sax，Say，Saz，Swx，Swy，Swz分别为X、Y、Z方向的加速度、角速度模拟逼真度；Sc为动感平台体感模拟效果综合评价逼真；
S7、调节动感平台洗出算法的参数：
S7.1建立洗出算法的结构及滤波器模型：
洗出算法由比例环节、低通滤波器、高通滤波器、倾斜协调模块、角速度限幅模块组成，分为加速度高通滤波通道、角速度高通滤波通道和低通滤波通道；洗出算法采用高通滤波器滤掉运动环境的加速度和角速度的低频和大幅值运动；低通滤波通道通过倾斜协调的方法复现高频滤波损失掉的低频加速度信号；
S7.2计算机器人关节运动的最大行程：
选择S2采集的动感平台运动指令数据中最大加速度比力参数fAAmax，计算该加速度比力下的机器人的最大位姿(S1)，并利用机器人的正逆解，获得机器人各个关节的运动行程(Li)，并计算各个关节运动行程与对应关节的全行程Lmaxi之比：选择机器人关节行程比率最大的参数作为SAAmax的调整依据；
S7.3建立洗出算法参数调整模型：
分别建立三阶高通滤波器模型二阶高通滤波器参数调整模型和二阶低通滤波器参数调整模型根据实际环境合理选择wb、wn和wm的参数值。
4.根据权利要求1所述的一种辅助动感平台运动参数调节装置，其特征在于：所述的传感器固定装置(3)包括上绷带(31)、侧绷带(32)、前端固定平台(33)三部分；通过上绷带(31)和侧绷带(32)将传感器固定装置(3)固定于模型人(7)头部前庭位置，在前端固定平台(33)中心位置通过螺钉将惯性传感器(1)固定。
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