CN110633013B - 一种全方位万向行动平台的控制方法 - Google Patents

一种全方位万向行动平台的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于VR行动设备领域，涉及一种全方位万向行动平台的控制方法，能够真实模拟行走、跑步、下蹲、跳跃、上坡、下坡等行动。只需要测出行动者对行动平台的力，即可通过改变行动平台的速度，使行动者在运动的同时，其重心相对于地面是静止的；通过行动者对行动平台的力计算出行动平台移动面的速度，进而计算出位移，应用到VR领域时，驱动机构将实时速度矢量传输处理器，由处理器计算出来的画面通过头戴设备反馈给行动者，实现行动者在虚拟世界中的行动模拟。本发明摆脱了辅助设备的束缚，仅通过监测行动者对移动面的力矢量即可实现移动面速度与行动者速度同步；配合头戴设备、手柄、体感服装等VR设备，可以最大限度的模拟真实场景。

Description

一种全方位万向行动平台的控制方法
技术领域
本发明属于VR行动设备领域，涉及一种全方位万向行动平台的控制方法，更具体地，涉及一种能够真实模拟行走、跑步、下蹲、跳跃、上坡、下坡等行动的全方位万向行动平台的控制方法。
背景技术
随着虚拟现实技术的不断发展，它开始不断地进入我们的生活，人们对VR设备的沉浸式体验的要求也越来越高，同时也促进了VR终端模拟器的迅速发展。
虚拟现实技术是利用计算机模拟出一个三维的虚拟空间，带给体验者感知和环境的模拟。体验者可以在模拟的虚拟世界中发挥主观能动性。
但是现有的设备难以解决例如行走、跑步等动作的真实模拟，只是主动的带动移动装置运动，无法实现受力和移动的相互匹配，因此无法给予体验者真实的行动体验。例如在中国发明专利说CN2017111349683中公开的一种设计方案，该方案中利用弧型接触面、辅助支撑装置以及头戴设备的高度等综合来实现模拟运动，由于该模拟系统提供的受力情况并非体验者在真实状态下的受力情况，因此无法还原体验者真实的运动状态；KATVR万向行动平台需要体验者穿着KAT SHOES鞋套，利用腰部辅助装置固定体验者，在特制圆形曲面上配合鞋套进行运动画面计算和模拟，但同样难以还原体验者真实的运动状态。
发明内容
本发明解决的问题是在相同受力条件下体验者在行动平台上的运动状态与真实运动时的运动状态不匹配的缺陷，提供一种利用受力情况来控制行动平台移动速度以接近真实运动状态的控制方法。
本发明的技术方案：
原理：根据动量P＝mv，牛顿第二定律：F＝ma，可知动量P对时间t的导数为此时受到的力，因此只要确定力F，即可得出动量的增量，即：ΔP＝FΔt，确定质量m后就可得出速度的增量
Figure BDA0002236548970000021
因此，对于全方位行动平台，只需要测出行动者对行动平台的力，即可通过改变行动平台的速度，使行动者在运动的同时，其重心相对于地面是静止的；通过行动者对行动平台的力计算出行动平台移动面的速度，进而计算出位移，应用到VR领域时，驱动机构将实时速度矢量传输处理器，由处理器计算出来的画面通过头戴设备反馈给行动者，实现行动者在虚拟世界中的行动模拟。
一种全方位万向行动平台的控制方法，所使用的全方位万向行动平台包括移动面、无线力传感器、数据接收器、驱动机构和处理器，无线力传感器安装在移动面上，传感范围能覆盖整个移动面，无线力传感器将移动面的受力数据传输给数据接收器，处理器通过数据接收器中的数据计算移动面的实时速度，并通过驱动机构控制移动面的速度；具体控制方法如下：
(1)行动者在水平的一维方向上运动情况下
无线力传感器仅监测水平一维方向上的力，无线力传感器监测的正方向与移动面正方向同向；
行动者位于移动面上，当开始行动时，无线力传感器监测到移动面上的受力F矢量并传输到数据接收器，处理器通过公式(1)和(2)计算得出移动面的速度V矢量：
Figure BDA0002236548970000022
Figure BDA0002236548970000023
其中：m为行动者质量，V0为行动者初始速度，F为无线力传感器监测到的力矢量，t为运动时间，V为移动面的速度矢量，P为行动者的动量矢量，Δt为处理器两次计算移动面速度矢量的时间间隔。
处理器计算出移动面的速度V矢量后，传递给驱动机构，通过驱动机构控制移动面按照速度V矢量开始运动；
当行动者改变速度时(加速或者减速)，F矢量同时变化，重新算得到V矢量，再传输至驱动机构，当Δt无穷小时，实现移动面速度与行动者速度的同步。
(2)行动者在倾斜的一维方向上运动情况下
(2.1)速度矢量计算方法一：
无线力传感器仅监测沿斜面方向上的力矢量，移动面与水平面的夹角为θ，移动面的正方向沿斜面向上，无线力传感器监测的正方向与移动面正方向同向其中，
Figure BDA0002236548970000031
行动者位于移动面上，当开始行动时，无线力传感器监测到F矢量，处理器通过公式(3)、(4)和(5)计算得出速度V矢量：
F总＝F+mg×sinθ (3)
Figure BDA0002236548970000032
Figure BDA0002236548970000033
其中：F总表示无线力传感器监测到的F矢量与行动者受到的重力沿移动面方向上的分量之和；
(2.2)速度矢量计算方法二：
无线力传感器仅监测水平方向上的力，移动面与水平面的夹角为θ，移动面的正方向沿斜面向上，无线力传感器监测的正方向与移动面正方向夹角为θ，其中，
Figure BDA0002236548970000034
行动者位于移动面上，当开始运动时，无线力传感器监测到F矢量，处理器通过公式(6)和(7)计算得出速度V矢量：
Figure BDA0002236548970000041
Figure BDA0002236548970000042
处理器通过(2.1)或(2.2)中的方法计算出速度V矢量后，传递给驱动机构，驱动机构控制移动面的运动速度的方法，同行动者在水平的一维方向上运动情况。
(3)行动者在水平的二维平面上运动情况下
无线力传感器仅监测水平二维方向上的力，无线力传感器监测的X正方向与移动面X正方向同向；
行动者位于移动面上，当开始行动时，无线力传感器监测到F矢量并传至数据接收器，处理器将得到的F矢量数据分解到X和Y方向上，分别为Fx和Fy，通过公式(8)、(9)、(10)、(11)和(12)计算得出速度V矢量：
Figure BDA0002236548970000043
Figure BDA0002236548970000044
Figure BDA0002236548970000045
Figure BDA0002236548970000046
V＝Vx+Vy (12)
其中：Px为在X方向上的动量分量；Py为在Y方向上的动量分量；Vx0为移动面在X方向上的初始速度分量；Vy0为移动面在Y方向上的初始速度分量；Vx为移动面在X方向上的速度分量；Vy为移动面在Y方向上的速度分量；
处理器计算出速度V矢量后，传递给驱动机构，驱动机构控制移动面的运动速度的方法，同行动者在水平的一维方向上运动情况。
(4)行动者在倾斜的二维平面上运动情况下
(4.1)速度矢量计算方法一：
无线力传感器仅监测沿斜面方向上的力矢量，移动面与水平面的夹角为θ，移动面X正方向垂直于移动面与水平面的交线且沿斜面向上，无线力传感器监测的正方向与移动面X正方向同向，其中，
Figure BDA0002236548970000051
行动者位于移动面上，当开始运动时，无线力传感器监测到F矢量并传至数据接收器，处理器将F矢量数据分解到X和Y方向上，分别为Fx和Fy，通过公式(13)、(14)、(15)、(16)、(17)和(18)计算得出速度V矢量：
Fx总＝Fx+mg×sinθ (13)
Figure BDA0002236548970000052
Figure BDA0002236548970000053
Figure BDA0002236548970000054
Figure BDA0002236548970000055
V＝Vx+Vy (18)
其中：Fx总为无线力传感器监测到的F矢量在X方向上的分量与行动者受到的重力在X方向上的分量之和；
(4.2)速度矢量计算方法二：
无线力传感器仅监测水平方向上的力矢量，移动面与水平面的夹角为θ，移动面X正方向垂直于移动面与水平面的交线且沿斜面向上，无线力传感器监测的正方向与移动面X正方向夹角为θ，其中，
Figure BDA0002236548970000056
行动者位于移动面上，当开始行动时，无线力传感器得到F矢量并传至数据接收器，处理器将得到的F矢量数据分解到X和Y方向上，分别为Fx和Fy，通过公式(19)、(20)、(21)、(22)和(23)计算得出速度V矢量：
Figure BDA0002236548970000057
Figure BDA0002236548970000061
Figure BDA0002236548970000062
Figure BDA0002236548970000063
V＝Vx+Vy (23)
处理器计算出速度V矢量后，传递给驱动机构，驱动机构控制移动面的运动速度的方法，同行动者在水平的一维方向上运动情况。
(5)行动者在三维空间中运动情况下
无线力传感器监测的Z方向与重力方向相反；
行动者位于移动面上，开始运动时，无线力传感器监测到F矢量并传至数据接收器，处理器将得到的F矢量分解到X、Y、Z方向上，即Fx、Fy、Fz，通过公式(24)、(25)、(26)、(27)、(28)、(29)、(30)和(31)计算得出速度V矢量：
Fz总＝Fz+mg (24)
Figure BDA0002236548970000064
Figure BDA0002236548970000065
Figure BDA0002236548970000066
Figure BDA0002236548970000067
Figure BDA0002236548970000068
Figure BDA0002236548970000069
V＝Vx+Vy+Vz (31)
其中：Fz总为无线力传感器监测到的F矢量在Z方向上的分量与行动者受到的重力之和；Vz为移动面在Z方向上的速度分量；Vz0为移动面在Z方向上的初始速度分量；
处理器计算出速度V矢量后，传递给驱动机构，驱动机构控制移动面的运动速度的方法，同行动者在水平的一维方向上运动情况。
在本发明中，默认行动者与地面的静摩擦力为无限大，而且无线力传感器表面设有防滑措施。
本发明中一维方向的运动可以跑步机为原型，将跑步机的跑带替换为表面覆盖有无线受力传感器的移动面，利用接收器接收到力传感器的数据并传给处理器，处理器利用本发明涉及的控制方法计算出实时的速度，最后利用电机调节速度，完成运动模拟。
本发明中二维平面的运动，可利用可移动的二维平面实现运动模拟。
本发明中三维空间的运动，可利用可控的纳米单元组成的三维空间实现运动模拟。
另外，对于一维和二维来说，地形的变化同样适用相应的原理，只需要改变相应的移动面，例如行动者在一维方向上运动，假如模拟世界中前方有一个方形突起，相应地，移动面也需要在对应的地方升起一个方形突起，表面依然可以测量到行动者施加的力，对移动面上突起面的力的作用也可以使移动面进行位移，凹陷同理。突起和凹陷可由移动面上位于力控制器下方的升降装置形成，当距离行动者一定距离时可以升起或者下降，超过一定距离时恢复原来的平面，该距离可根据需要调节。
本发明的有益效果：本发明通过监测行动者对行动平台上的力实现行动者在平台上的运动模拟。区别于其他控制方法，本发明的控制方法摆脱了辅助设备的束缚，仅通过监测行动者对移动面的力矢量即可实现移动面速度与行动者速度同步。依据本发明的控制方法，配合头戴设备、手柄、体感服装等VR设备，可以最大限度的模拟真实场景，行动者在虚拟世界中的运动、比赛、社交、娱乐、演练、康复训练等活动中将会有更好的体验。
具体实施方式
以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明涉及一种全方位万向行动平台的控制方法。本实施例中，行动平台包括处理器、直线运动机构(跑带)即移动面、覆盖于直线运动机构(跑带)上的无线力传感器、直线运动机构周围的围栏、头戴设备、手柄、驱动机构、数据接收器。数据接收器将无线力传感器的实时数据传输到处理器中，处理器与驱动机构相连，处理器计算出的速度传输给驱动机构，驱动机构通过实时数据调整直线运动机构(跑带)的速度，驱动机构同时将实时速度传输到处理器中，用于计算位移以及画面，同时处理器将画面传输到头戴设备中，周围的围栏在意外发生时对人有一定的保护作用。
在一维方向上的运动控制包括以下几个步骤。
步骤一：用称量的方式确定人的质量m，开始时，行动平台系统处于关闭状态，开启系统，无线力传感器不监测受力数据，设定安全距离，该安全距离为距离跑带中心前后的距离，且该距离应小于跑带总长的一半，无线力传感器将仅监测安全距离内的受力数据；实验者登上行动平台，站在跑带中间，戴好头戴设备，利用手柄启动检测系统，安全距离内的无线力传感器开始实时监测受力数据，并将数据传输给数据接收器，数据接收器将数据传输给处理器，处理器利用本发明技术方案中的控制方法进行计算，并将计算结果传输到驱动机构，驱动机构将实时速度传输到处理器用于计算画面，并将计算画面传输到头戴设备中。
步骤二：实验者站立时，所有力传感器所受到的总合力为0，则通过处理器传输给驱动机构的速度值也为0。当站立时人的重心有所偏移，无线力传感器监测到力的数据，驱动机构带动跑带移动，实验者会自发的通过自身的调整使跑带回到初始位置(例如人在站立时的左右晃动)。
步骤三：实验者开始走路，假设左脚先迈出，右脚对跑带有一个由小到大到小的力，位于跑带上所有的无线力传感器第一时间将监测到总合力F传输给数据接收器并传输到处理器，即可由处理器计算出实时的速度传输到驱动机构，带动跑带移动，此时速度为
Figure BDA0002236548970000091
V0为初始速度，Δt应该尽可能小，同时驱动机构将速度传输至处理器，由处理器计算出画面传输到实验者的头戴设备中。
步骤四：实验者迈出的左脚落地，同时位于跑带上安全距离内所有的无线力传感器监测到总合力F，同理计算出实时的速度V，同时将计算画面传输到实验者的头戴设备中，跑带的速度将始终与实验者走路时的速度相同，使得实验者在走路时始终相对于地面静止。
步骤五：实验者停止走路时，亦可利用监测到的总合力F，确定跑带的速度V，以达到停止的目的。实验者想要改变运动速度时，无线力传感器便会接收到力矢量的数据，通过数据接收器传输到处理器中重新计算出速度矢量数据，通过驱动机构调整跑带速度，实验者速度将与跑带同步，实现走路模拟。
以走路为例，实验者也可在行动平台上完成平面上的跑步、跳跃以及下蹲等行动。二维方向和三维方向上的模拟也同理。
本发明模拟的真实性和稳定性与无线力传感器、驱动机构、处理器等外部硬件设备的性能优劣密切相关，采用高质量的外部硬件可以提升VR运动模拟的真实程度，进一步提高体验者在虚拟世界中的沉浸感。

Claims (1)

1.一种全方位万向行动平台的控制方法，所使用的全方位万向行动平台包括移动面、无线力传感器、数据接收器、驱动机构和处理器，无线力传感器安装在移动面上，传感范围能覆盖整个移动面，无线力传感器将移动面的受力数据传输给数据接收器，处理器通过数据接收器中的数据计算移动面的实时速度，并通过驱动机构控制移动面的速度；其特征在于，具体控制方法如下：
(1)行动者在水平的一维方向上运动情况下
无线力传感器仅监测水平一维方向上的力，无线力传感器监测的正方向与移动面正方向同向；
行动者位于移动面上，当开始行动时，无线力传感器监测到移动面上的受力F矢量并传输到数据接收器，处理器通过公式(1)和(2)计算得出移动面的速度V矢量：
Figure FDA0002236548960000011
Figure FDA0002236548960000012
其中：m为行动者质量，V0为行动者初始速度，F为无线力传感器监测到的力矢量，t为运动时间，V为移动面的速度矢量，P为行动者的动量矢量，Δt为处理器两次计算移动面速度矢量的时间间隔；
处理器计算出移动面的速度V矢量后，传递给驱动机构，通过驱动机构控制移动面按照速度V矢量开始运动；
当行动者改变速度时，加速或者减速，F矢量同时变化，重新算得到V矢量，再传输至驱动机构，当Δt无穷小时，实现移动面速度与行动者速度的同步；
(2)行动者在倾斜的一维方向上运动情况下
(2.1)速度矢量计算方法一：
无线力传感器仅监测沿斜面方向上的力矢量，移动面与水平面的夹角为θ，移动面的正方向沿斜面向上，无线力传感器监测的正方向与移动面正方向同向其中，
Figure FDA0002236548960000021
行动者位于移动面上，当开始行动时，无线力传感器监测到F矢量，处理器通过公式(3)、(4)和(5)计算得出速度V矢量：
F总＝F+mg×sinθ (3)
Figure FDA0002236548960000022
Figure FDA0002236548960000023
其中：F总表示无线力传感器监测到的F矢量与行动者受到的重力沿斜面方向上的分量之和；
(2.2)速度矢量计算方法二：
无线力传感器仅监测水平方向上的力，移动面与水平面的夹角为θ，移动面的正方向沿斜面向上，无线力传感器监测的正方向与移动面正方向夹角为θ，其中，
Figure FDA0002236548960000024
行动者位于移动面上，当开始运动时，无线力传感器监测到F矢量，处理器通过公式(6)和(7)计算得出速度V矢量：
Figure FDA0002236548960000025
Figure FDA0002236548960000026
处理器通过(2.1)或(2.2)中的方法计算出速度V矢量后，传递给驱动机构，驱动机构控制移动面的运动速度的方法，同行动者在水平的一维方向上运动情况；
(3)行动者在水平的二维平面上运动情况下
无线力传感器仅监测水平二维方向上的力，无线力传感器监测的X正方向与移动面X正方向同向；
行动者位于移动面上，当开始行动时，无线力传感器监测到F矢量并传至数据接收器，处理器将得到的F矢量数据分解到X和Y方向上，分别为Fx和Fy，通过公式(8)、(9)、(10)、(11)和(12)计算得出速度V矢量：
Figure FDA0002236548960000031
Figure FDA0002236548960000032
Figure FDA0002236548960000033
Figure FDA0002236548960000034
V＝Vx+Vy (12)
其中：Px为在X方向上的动量分量；Py为在Y方向上的动量分量；Vx0为移动面在X方向上的初始速度分量；Vy0为移动面在Y方向上的初始速度分量；Vx为移动面在X方向上的速度分量；Vy为移动面在Y方向上的速度分量；
处理器计算出速度V矢量后，传递给驱动机构，驱动机构控制移动面的运动速度的方法，同行动者在水平的一维方向上运动情况；
(4)行动者在倾斜的二维平面上运动情况下
(4.1)速度矢量计算方法一：
无线力传感器仅监测沿斜面方向上的力矢量，移动面与水平面的夹角为θ，移动面X正方向垂直于移动面与水平面的交线且沿斜面向上，无线力传感器监测的正方向与移动面X正方向同向，其中，
Figure FDA0002236548960000035
行动者位于移动面上，当开始运动时，无线力传感器监测到F矢量并传至数据接收器，处理器将F矢量数据分解到X和Y方向上，分别为Fx和Fy，通过公式(13)、(14)、(15)、(16)、(17)和(18)计算得出速度V矢量：
Fx总＝Fx+mg×sinθ (13)
Figure FDA0002236548960000041
Figure FDA0002236548960000042
Figure FDA0002236548960000043
Figure FDA0002236548960000044
V＝Vx+Vy (18)
其中：Fx总为无线力传感器监测到的F矢量在X方向上的分量与行动者受到的重力在X方向上的分量之和；
(4.2)速度矢量计算方法二：
无线力传感器仅监测水平方向上的力矢量，移动面与水平面的夹角为θ，移动面X正方向垂直于移动面与水平面的交线且沿斜面向上，无线力传感器监测的正方向与移动面X正方向夹角为θ，其中，
Figure FDA0002236548960000045
行动者位于移动面上，当开始行动时，无线力传感器得到F矢量并传至数据接收器，处理器将得到的F矢量数据分解到X和Y方向上，分别为Fx和Fy，通过公式(19)、(20)、(21)、(22)和(23)计算得出速度V矢量：
Figure FDA0002236548960000046
Figure FDA0002236548960000047
Figure FDA0002236548960000048
Figure FDA0002236548960000049
V＝Vx+Vy (23)
处理器计算出速度V矢量后，传递给驱动机构，驱动机构控制移动面的运动速度的方法，同行动者在水平的一维方向上运动情况；
(5)行动者在三维空间中运动情况下
无线力传感器监测的Z方向与重力方向相反；
行动者位于移动面上，开始运动时，无线力传感器监测到F矢量并传至数据接收器，处理器将得到的F矢量分解到X、Y、Z方向上，即Fx、Fy、Fz，通过公式(24)、(25)、(26)、(27)、(28)、(29)、(30)和(31)计算得出速度V矢量：
Fz总＝Fz+mg (24)
Figure FDA0002236548960000051
Figure FDA0002236548960000052
Figure FDA0002236548960000053
Figure FDA0002236548960000054
Figure FDA0002236548960000055
Figure FDA0002236548960000056
V＝Vx+Vy+Vz (31)
其中：Fz总为无线力传感器监测到的F矢量在Z方向上的分量与行动者受到的重力之和；Vz为移动面在Z方向上的速度分量；Vz0为移动面在Z方向上的初始速度分量；
处理器计算出速度V矢量后，传递给驱动机构，驱动机构控制移动面的运动速度的方法，同行动者在水平的一维方向上运动情况。
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