CN112138358A

CN112138358A - Vr冬奥雪上项目科普体验系统

Info

Publication number: CN112138358A
Application number: CN202011006251.2A
Authority: CN
Inventors: 马天容; 朱昆; 王鹏
Original assignee: Beijing Huanwei Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Huanwei Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2020-12-29

Abstract

本发明提供VR冬奥雪上项目科普体验系统，包括VR设备、模拟设备、主机和软件四个部分，其中软件包括电压转化模块、蓝牙通讯模块、主控模块、显示模块、人体检测模块，所述电压转化模块内包括降压组件和滤波稳压组件，所述蓝牙通讯模块内包括蓝牙控制器，所述主控模块内包含处理器，所述处理器包含多个IO接口，所述VR设备包括VR头盔；所述模拟设备包括包含钢材框架，所述钢材框架上设置有电缸驱动器和自制脚架；所述主机采用高性能移动电脑。本发明使体验者更具趣味性，同时体验时的同时，还能进行语言，动作等交流，提高了体验的互动性。

Description

VR冬奥雪上项目科普体验系统

技术领域

本发明属于计算机技术领域，尤其涉及VR冬奥雪上项目科普体验系统。

背景技术

体育已经向着难度更高、更加精准、更加专业的方向逐步推进,因此体育项目的训练及教学也相应地在技术方式和科水平含量方面得到大幅度的攀升。VR技术是通过计算机将人体对于现实世界的感觉进行即时交互再现,包括视觉反馈、听觉反馈、触觉反馈、作用力反馈等构成“虚拟世界”,让使用者通过视点控制及复杂行为建模反馈等技术获得“实景”体验。

北京-张家口冬奥会的临近使滑雪运动在中国迅速升温,其滑雪运动高费用、高风险等特点阻碍了其在中国的普及，滑雪模拟器作为一种替代方案,可以解决上述问题，但已有的滑雪模拟器模拟效果不真实,与滑雪者感官的交互较为单一,无法产生令滑雪者身临其境的感受。

优质的滑雪模拟器应当是多感官互动且符合力学规律的。滑雪模拟器产生的交互越丰富,越符合实际物理学规律,则滑雪者的实际感受就越真实。随着虚拟现实技术和机器人技术的不断发展,滑雪模拟器的模拟效果正变得越来越真实。

本发明将传统的滑雪结合虚拟现实技术以及传感技术进行研发设计，使VR冬奥雪上项目科普体验实现了随虚拟地理环境而改变的坡度大小功能、随滑行速度而改变的风力功能，并且用户可以通过智能外设主动控制虚拟环境中的方向及速度功能。

如附图1所示，其中本发明主机的运行流程为：启动时检测各个USB端口、各个传感器以及CAN口是否正常,任何出现不正常的情况会提示用户检査并退出；启动伺服电机后将电缸上升到工作位置；传感器模块采集体验者信息后发送开始指令,紧接着接收地形数据,若收到终点指令则放平平台；根据地形信息和体验者的重心驱动平台运动；同时反馈位置信息和体验者的体重信息给VR显示主机；最后收到终点指令时放平平台,再次发送结束命令。

控制软件使用UE4中的C++开发 ,它将大量编程需要用到的函数和数据结构进行封装,以类成员的方式供程序员进行调用。而且其面向对象的设计模式也让软件开发的周期大为缩短。除此之外,此方式可以对控件(包括自定义控件)进行直接拖动,双击可以实现对它的编码而且再联合事件的使用简化了开发流程,拓展性也得到了加强，可以操作串口、USB插口、读取串口、USB插口设备的数据,例如卡机设备,获取音频视频的数据等等，结合本发明需要通过多个硬件接口来对硬件进行控制和数据的接收，因此采用UE4进行控制软件的开发满足需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供VR冬奥雪上项目科普体验系统，包括VR设备、模拟设备、主机和软件四个部分，其中软件包括电压转化模块、蓝牙通讯模块、主控模块、显示模块、人体检测模块，所述电压转化模块内包括降压组件和滤波稳压组件，所述蓝牙通讯模块内包括蓝牙控制器，所述主控模块内包含处理器，所述处理器包含多个IO接口，所述电压转化模块分别与蓝牙通讯模块、主控模块、显示模块、人体检测模块连接，所述主控模块分别连接蓝牙通讯模块、主控模块、显示模块以及人体检测模块；所述VR设备包括VR头盔；所述模拟设备包括包含钢材框架，所述钢材框架上设置有电缸驱动器和自制脚架；所述主机采用高性能移动电脑。

优选的，所述电压转化模块内主要有两种供电规格，一种是DC24V，另一种是DC5V，其中DC24V用于执行模块的电缸驱动器驱动，DC5V则是用于蓝牙模块、主控模块、显示模块的供电。

优选的，所述蓝牙通讯模块内的蓝牙控制器的主芯片为CC2541芯片。

优选的，所述主控模块采用Atmel SAM3X8E芯片作为处理器，该芯片包含54个数字IO，其中12个可用于PWM输出，12个模拟IO，4个串口84MHz时钟频率，32位处理能力，且多个IO接口可以方便主控制器进行扩展，多个IO接口可以同时进行通讯。

优选的，所述人体检测模块内设置有与蓝牙通讯模块一致的CC2541芯片的蓝牙控制器，以保证模块的兼容性，能够顺利进行数据传输。

优选的，所述显示模块以串口屏为主，能够支持串口通讯、支持图片导入，保证了开发工作的速度和效率。

优选的，所述VR头盔的个数为两个，分别设置HTC VIVE和Oculus硬件，其中HTC VIVE具有更加精准和大范围的定位系统，Oculus可视化要求不高，不需要调整瞳距，同时更加轻便。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明发明基于VR技术与HTC VIVE和Oculus硬件支持，两种头盔分别具有不同特性，HTC具有更加精准和大范围的定位系统，Oculus可视化要求不高，不需要调整瞳距，同时更加轻便，以VR背包作为系统平台支撑，其作为高性能移动电脑替换笨重的主机，达到了更加便捷的目的，使用虚幻引擎作为内容制作软件，通过与Microsoft HoloLens结合可以实现担任的实时预览，通过手柄交互可以使体验者在场景中移动；体验者通过左右倾斜VR头盔能控制运动方向，二者的结合能够使体验者感受更自由的交互体验，北京冬奥会越野滑雪、跳台滑雪、高山滑雪、自由滑雪、单板滑雪、雪橇、雪车及钢架雪车各种雪上项目蕴含的科普知识能够在体验项目时主动地接受。

2、本发明可让体验者如同在真实世界里一样可以看到自己手和脚，每做一次动作都可以在VR头盔中精准的呈现出来，让体验者之间也能进行交流，这种方式在单纯的VR基础上实现了双人互动体验，使体验者更具趣味性，同时体验时的同时，还能进行语言，动作等交流，提高了体验的互动性。

3、本发明将互联网技术和崭新的ＶＲ移动穿戴设备的结合，打破了时空的限制,拉近了现场与观众的距离，这种全新的展示手段正是互联网+时代,虚拟科技馆梦寐以求的技术，,可以将民众的科技馆参观体验提升到一种全新的视、听、触新境界,让科普更加生动地浸入日常生活。

附图说明

图1是本发明的主机的运行流程图；

图2是本发明的钢材框架的正视图；

图3是本发明的钢材框架的仰视图；

图4是本发明的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

实施例：

本发明提供VR冬奥雪上项目科普体验系统，其特征在于，包括VR设备、模拟设备、主机和软件四个部分，其中软件包括电压转化模块、蓝牙通讯模块、主控模块、显示模块、人体检测模块，所述电压转化模块内包括降压组件和滤波稳压组件，所述蓝牙通讯模块内包括蓝牙控制器，所述主控模块内包含处理器，所述处理器包含多个IO接口，所述电压转化模块分别与蓝牙通讯模块、主控模块、显示模块、人体检测模块连接，所述主控模块分别连接蓝牙通讯模块、主控模块、显示模块以及人体检测模块；所述VR设备包括VR头盔；如附图2-3所示，所述模拟设备包括包含钢材框架，所述钢材框架上设置有电缸驱动器和自制脚架；所述主机采用高性能移动电脑。

具体的，所述电压转化模块内主要有两种供电规格，一种是DC24V，另一种是DC5V，其中DC24V用于执行模块的电缸驱动器驱动，DC5V则是用于蓝牙模块、主控模块、显示模块的供电，根据电源规格，首先从AC220V转换到DC24V用于对电缸驱动器供电，再将DC24V通过降压到DC5V来给其他模块供电，其中电缸驱动器为大功率组件，会产生电路的扰动，影响到其他组件，所以在DC5V降压组件中增加滤波稳压组件使供电更加纯净稳定，减少主控芯片及其他元器件的额外损耗，从而达到延长寿命和减少意外损伤的目的。

具体的，所述蓝牙通讯模块内的蓝牙控制器的主芯片为CC2541芯片，具有低功耗、主从一体、支持串口透传，方便集成到主控模块中的特点。

具体的，所述主控模块采用Atmel SAM3X8E芯片作为处理器，该芯片包含54个数字IO，其中12个可用于PWM输出，12个模拟IO，4个串口84MHz时钟频率，32位处理能力，且多个IO接口可以方便主控制器进行扩展，多个IO接口可以同时进行通讯，该芯片具有低功耗、体积小、性能适中的特点，且接口满足设备所需，作为穿戴主控完全适用，在主控芯片的基础上集成电池供电模块和心跳检测模块即可完成基本功能的实现。

具体的，所述人体检测模块内设置有与蓝牙通讯模块一致的CC2541芯片的蓝牙控制器，以保证模块的兼容性，能够顺利进行数据传输。

具体的，所述显示模块以串口屏为主，具有支持串口通讯、支持图片导入以及开发周期短的特点，保证了开发工作的速度和效率。

具体的，所述VR头盔的个数为两个，分别设置HTC VIVE和Oculus硬件，其中HTCVIVE具有更加精准和大范围的定位系统，Oculus可视化要求不高，不需要调整瞳距，同时更加轻便。

工作原理：如附图4所示：

（1）连接设备：首先需要先安装VR设备和模拟设备，本系统目前仅支持Steam VR设备，如HTC VIVE或HTC VIVE PRO，VR设备安装完毕后在电脑中打开Steam VR即可，模拟设备安装需要将设备的电源连接指插座USB进行连接至主机即可；

（2）打开软件：安装完毕后打开软件，硬件安装完毕后即可运行本系统，在此情况下默认已安装好软件，在桌面上双击打开本系统软件，等待窗口出现；

（3）硬件连接：软件打开后会自动查找连接的模拟设备，当系统尝试几次后无法连接硬件会弹出对话框，提示用户设备连接有误并尝试排除故障，当用户排除问题后点击确定便可重新尝试连接；

（4）动作校准：模拟设备成功连接后，需要通过玩家的身高和位置对虚拟场景的人物进行匹配，软件会通过对话框文字的形式进行提示玩家需要保持站立姿势3秒以上，进行动作校准；

（5）选择模式：当匹配完成后进行模式选择，本系统中分为两种模式，第一种为单人模式，第二种问多人模式，因此玩家可以通过游戏模式的选择来进行单人或多人的游戏，当模式选择完成后系统会跳转至游戏场景，单人模式直接开始游戏，多人模式等待有多个玩家连接后开始游戏；

（6）开始游戏：游戏开始后玩家需要通过双脚的位置和角度来控制运动的方向和速度，同时模拟硬件也会根据坡度变化进行相应的角度调整，来模拟真实滑雪的感觉；

（7）游戏结算：当玩家到达终点后，系统中的人体检测模块会根据本剧游戏所产生的数据进行统计和处理，从而得到玩家体能、速度数据，并在显示模块中进行显示，当游戏结束30秒后，系统将返回主菜单重新进行连接设备步骤。

具体的，本系统具有多人联机模块，可实现一至两名体验者实时沉浸式体验；环境仿真模块，通过模拟自然地理环境，实现实时动态的虚拟环境仿真，使体验者感受更加真实；特效模块，通过引擎特效信息处理，增强场景画面效果，更加逼真自然的表现虚拟场景内容；天气仿真模块，实时模拟真实的晴天、雪天等环境动态信息效果；运动仿真模块，结合单片机技术实现高山滑雪运动中坡度倾斜、角度摆动、滑雪速度及风速仿真模拟。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims

1.VR冬奥雪上项目科普体验系统，其特征在于，包括VR设备、模拟设备、主机和软件四个部分，其中软件包括电压转化模块、蓝牙通讯模块、主控模块、显示模块、人体检测模块，所述电压转化模块内包括降压组件和滤波稳压组件，所述蓝牙通讯模块内包括蓝牙控制器，所述主控模块内包含处理器，所述处理器包含多个IO接口，所述电压转化模块分别与蓝牙通讯模块、主控模块、显示模块、人体检测模块连接，所述主控模块分别连接蓝牙通讯模块、主控模块、显示模块以及人体检测模块；所述VR设备包括VR头盔；所述模拟设备包括包含钢材框架，所述钢材框架上设置有电缸驱动器和自制脚架；所述主机采用高性能移动电脑。

2.如权利要求1所述的VR冬奥雪上项目科普体验系统，其特征在于，所述电压转化模块内主要有两种供电规格，一种是DC24V，另一种是DC5V，其中DC24V用于执行模块的电缸驱动器驱动，DC5V则是用于蓝牙模块、主控模块、显示模块的供电。

3.如权利要求1所述的VR冬奥雪上项目科普体验系统，其特征在于，所述蓝牙通讯模块内的蓝牙控制器的主芯片为CC2541芯片。

4.如权利要求1所述的VR冬奥雪上项目科普体验系统，其特征在于，所述主控模块采用Atmel SAM3X8E芯片作为处理器，该芯片包含54个数字IO，其中12个可用于PWM输出，12个模拟IO，4个串口84MHz时钟频率，32位处理能力，且多个IO接口可以方便主控制器进行扩展，多个IO接口可以同时进行通讯。

5.如权利要求1所述的VR冬奥雪上项目科普体验系统，其特征在于，所述人体检测模块内设置有与蓝牙通讯模块一致的CC2541芯片的蓝牙控制器，以保证模块的兼容性，能够顺利进行数据传输。

6.如权利要求1所述的VR冬奥雪上项目科普体验系统，其特征在于，所述显示模块以串口屏为主，能够支持串口通讯、支持图片导入，保证了开发工作的速度和效率。

7.如权利要求1所述的VR冬奥雪上项目科普体验系统，其特征在于，所述VR头盔的个数为两个，分别设置HTC VIVE和Oculus硬件，其中HTC VIVE具有更加精准和大范围的定位系统，Oculus可视化要求不高，不需要调整瞳距，同时更加轻便。