CN110384932A - 自行车运动仿真的虚拟现实系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自行车运动仿真的虚拟现实系统，包括机械部分、控制部分和视景部分，所述机械部分包括自行车、执行器、传感器，所述控制部分包括数模转换器、模数转换器、串口通讯模块、控制计算模块，所述视景部分包括三维场景播放器、显示模块、音效模块，所述自行车与执行器连接，执行器与数模转换器连接，自行车与传感器连接，传感器与模数转换器连接，数模转换器与串口通讯模块连接。本发明通过机械部分、控制部分和视景部分对骑车的实际感觉进行模拟，让参与者得到真实体验。为了使参与者得到真实的视觉体验和足够的沉浸感，实现了对参与者的各种控制动作实时的响应，包括速度的变化，方向的变化和上下坡的视点变化。

Description

自行车运动仿真的虚拟现实系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实，具体涉及自行车运动仿真的虚拟现实系统。

背景技术

随着国家经济的高速发展和人民生活质量的日益提高，以及人们健身休闲娱乐意识的不断加强，健身车已逐步成为大众的健身器材。但如今市场现有的健身器材只是满足健身，伴随着人们喜欢追求新型健身娱乐方式，单调的健身模式必将使一大部分人感到厌倦，需要在锻炼的同时达到休闲娱乐的功效，而作为基于虚拟现实的交互式运动模拟器的一个拓展，具有运动平台的交互式自行车模拟器正可以满足这种需求。这类系统模拟骑车时的多感官体验，使人们能够在室内真是体验在户外一边骑自行车健身，一边欣赏野外美好风景的运动模拟仿真器。但同时这些模拟仿真器具有共同的特点，就是体积庞大，造价昂贵，智能在展览场馆中得到演示，因此难以推广和普及。交互式动感模拟器集声、光、电、机械、计算机技术为一体，不仅能模拟各种运动，还能根据场景的要求，在运动过程中改变操作者的视觉、听觉及体态，充分体现了虚拟现实的交互性，沉浸感以及多感知性的特点。随着虚拟现实技术的迅速发展，各种高性能的模拟器不断出现，进一步扩大了模拟器的应用范围。现有的虚拟现实的自行车运动仿真系统呈现的画面和体感不真实，精确度和控制程度不够。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，目的在于提供自行车运动仿真的虚拟现实系统。

本发明通过下述技术方案实现：

自行车运动仿真的虚拟现实系统，包括机械部分、控制部分和视景部分，所述机械部分包括自行车、执行器、传感器，所述控制部分包括数模转换器、模数转换器、串口通讯模块、控制计算模块，所述视景部分包括三维场景播放器、显示模块、音效模块，所述自行车与执行器连接，所述执行器与数模转换器连接，所述自行车与传感器连接，所述传感器与模数转换器连接，所述数模转换器与串口通讯模块连接，所述模数转换器与串口通讯模块连接，所述串口通讯模块与控制计算模块连接，所述三维场景播放器与控制计算模块连接，所述显示模块与三维场景播放器连接，所述音效模块与三维场景播放器连接；所述数模转换器包括继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块、电缆接口模块、数据采集卡、上位机，继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块分别与电缆接口模块连接，所述电缆接口模块与数据采集卡连接，所述数据采集卡与计算机连接；外界数据信号分别通入继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块，其中继电器控制电路用于接收外界数据信号中控制继电器的动作状态的信号，所述触电通断电路用于检测释放电压特性测试，所述功耗电流与回路电压模块用于检测接触器功耗，所述电缆接口模块用于继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块与数据采集卡之间的信号传送，所述数据采集卡用于将模拟信号转换为数字信号。

当参与者骑在自行车上运动时，自行车的速度、转向、倾向等数据，通过传感器实时采集，然后经由控制部分分析处理得到参与者在虚拟场景中的位置与方向，传到视景部分，驱动屏幕的虚拟场景展示和变化；同时，当屏幕中的场景变化时，如位移的改变，路况的改变等，可以反馈至控制部分，得到相应的执行信号传到执行器上，产生阻尼或者驱动力，使参与者有上述场景改变的感觉，从而获得良好的沉浸感。

采用单独设计的前、后支撑平台机构，如果需要也可以通过一些简单的构件将其连接。运动平台的柱体即交互对象主要是采用普通家用自行车或山地自行车，然后配上分离的车身支撑结构平台，运动传感和效果执行机械结构，从而组成了整个机械模块。

在本发明中，主要借助各种传感器实时地捕捉参与者作用于自行车而产生的各种运动参数，传入控制部分，最终作用与虚拟环境，实现人与虚拟环境的交互。在简化的系统里，只有方向的传递和速度的传递，因此转角和速度参数的获得对于整个系统来说是至关重要的。

阻尼力的执行元件采用的是磁粉制动器，并配备相应的磁粉制动程控器根据场景的路况来控制不同阻尼力的大小。磁粉制动器是由传动单元和从动单元合并而成。在两组单元之间的空间，填有粒状的磁粉。当磁性线圈不导电时，转矩不会从传动轴传于从动轴，但如将线圈电磁通电，就由于磁力的作用而吸引磁粉产生硬化现象，在连续滑动之间会把扭矩传达。

为了使自行车模拟器的参与者获得真实的视觉感受，必须对三维场景的模型进行实时的图形计算，通过采集自行车给出的机电输出数据和场景输出数据，经过数学模型计算，得到场景模块的输入数据，从而实时更新场景数据。更新后的场景数据穿入在三维图形播放器中，然后生成屏幕上显示的图形。

进一步地，传感器包括速度传感器、加速度传感器、角速度传感器、角加速度传感器。

进一步地，执行器包括减震器、阻尼器、驱动器。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明通过机械部分、控制部分和视景部分对骑车的实际感觉进行模拟，让参与者得到真实体验。为了使参与者得到真实的视觉体验和足够的沉浸感，实现了对参与者的各种控制动作实时的响应，包括速度的变化，方向的变化和上下坡的视点变化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明数模转换器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1和图2所示，自行车运动仿真的虚拟现实系统，包括机械部分、控制部分和视景部分，所述机械部分包括自行车、执行器、传感器，所述控制部分包括数模转换器、模数转换器、串口通讯模块、控制计算模块，所述视景部分包括三维场景播放器、显示模块、音效模块，所述自行车与执行器连接，所述执行器与数模转换器连接，所述自行车与传感器连接，所述传感器与模数转换器连接，所述数模转换器与串口通讯模块连接，所述模数转换器与串口通讯模块连接，所述串口通讯模块与控制计算模块连接，所述三维场景播放器与控制计算模块连接，所述显示模块与三维场景播放器连接，所述音效模块与三维场景播放器连接；所述数模转换器包括继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块、电缆接口模块、数据采集卡、上位机，继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块分别与电缆接口模块连接，所述电缆接口模块与数据采集卡连接，所述数据采集卡与计算机连接；外界数据信号分别通入继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块，其中继电器控制电路用于接收外界数据信号中控制继电器的动作状态的信号，所述触电通断电路用于检测释放电压特性测试，所述功耗电流与回路电压模块用于检测接触器功耗，所述电缆接口模块用于继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块与数据采集卡之间的信号传送，所述数据采集卡用于将模拟信号转换为数字信号。

传感器包括速度传感器、加速度传感器、角速度传感器、角加速度传感器。执行器包括减震器、阻尼器、驱动器。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，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 (3)

1.自行车运动仿真的虚拟现实系统，其特征在于，包括机械部分、控制部分和视景部分，所述机械部分包括自行车、执行器、传感器，所述控制部分包括数模转换器、模数转换器、串口通讯模块、控制计算模块，所述视景部分包括三维场景播放器、显示模块、音效模块，所述自行车与执行器连接，所述执行器与数模转换器连接，所述自行车与传感器连接，所述传感器与模数转换器连接，所述数模转换器与串口通讯模块连接，所述模数转换器与串口通讯模块连接，所述串口通讯模块与控制计算模块连接，所述三维场景播放器与控制计算模块连接，所述显示模块与三维场景播放器连接，所述音效模块与三维场景播放器连接；所述数模转换器包括继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块、电缆接口模块、数据采集卡、上位机，继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块分别与电缆接口模块连接，所述电缆接口模块与数据采集卡连接，所述数据采集卡与计算机连接；外界数据信号分别通入继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块，其中继电器控制电路用于接收外界数据信号中控制继电器的动作状态的信号，所述触电通断电路用于检测释放电压特性测试，所述功耗电流与回路电压模块用于检测接触器功耗，所述电缆接口模块用于继电器控制电路、触电通断电路、功耗电流与回路电压模块与数据采集卡之间的信号传送，所述数据采集卡用于将模拟信号转换为数字信号。

2.根据权利要求1所述的自行车运动仿真的虚拟现实系统，其特征在于，所述传感器包括速度传感器、加速度传感器、角速度传感器、角加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的自行车运动仿真的虚拟现实系统，其特征在于，所述执行器包括减震器、阻尼器、驱动器。