CN112506351A - 一种室外赛车场内沉浸式赛车系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室外赛车场内沉浸式赛车系统，包括：交互系统，其包括在真实赛车的方向盘、刹车以及油门上均设置的电位器式传感器以及方向盘上的交互按键；位姿测量系统，其设置于真实赛车上并用于测量真实赛车的位姿信息；主机，其内设置有控制模块及VR场景渲染模块，所述控制模块接收位姿信息并控制虚拟场景中的虚拟赛车动作，使得虚拟场景中的虚拟赛车与真实赛车动作保持一致，所述VR场景渲染模块用于渲染整个VR场景；VR头戴式显示器接收所述VR场景渲染模块渲染的虚拟场景及虚拟赛车并显示。本发明还提供一种室外赛车场内沉浸式赛车控制方法。本发明的系统及方法兼具真实赛车的驾驶感和虚拟赛车沉浸感、科技感、丰富性。

Description

一种室外赛车场内沉浸式赛车系统及控制方法

技术领域

本发明涉及科技体育技术领域。更具体地说，本发明涉及一种室外赛车场内沉浸式赛车系统及控制方法。

背景技术

赛车运动是一种极具刺激性的竞技体育活动。赛车手体验赛车运动可以在平淡的生活中寻找到一点波澜，赛车运动是一种特别受年轻人喜欢的项目。

虚拟现实(Virtual Reality，VR)是一种用计算机模拟出来的虚拟世界，它能让体验者如身临其境一般，沉浸感极强。目前已经广泛应用于游戏娱乐领域中。

传统真实赛车运动的侧重点在于驾驶感受，也就是极富刺激性和冒险性，但是缺乏科技感和丰富性。而纯粹虚拟的赛车游戏进行的是一种赛车运动模拟，又缺乏真实驾驶感。目前现有技术中并没有将赛车运动和虚拟现实相结合的方案。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种室外赛车场内沉浸式赛车系统及控制方法，真实赛车驾驶感和科技感、丰富性兼具。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种室外赛车场内沉浸式赛车系统，包括：

交互系统，其包括在真实赛车的方向盘、刹车以及油门上均设置的电位器式传感器，其用于获取方向盘、刹车以及油门的转角值；

位姿测量系统，其设置于真实赛车上并用于测量真实赛车的位姿信息；

主机，其固定于真实赛车上，所述主机内设置有控制模块及VR场景渲染模块，所述控制模块与所述交互系统的各个电位器式传感器以及位姿测量系统均连接，并接收方向盘、刹车以及油门的转角值以及真实赛车的位姿信息，根据获得的方向盘、刹车以及油门的转角值以及真实赛车的位姿信息对VR场景渲染模块中的虚拟场景中的虚拟赛车动作，使得虚拟场景中的虚拟赛车与真实赛车动作保持一致；所述VR场景渲染模块用于渲染VR场景；

VR头戴式显示器，其佩戴于赛车手的头部，所述VR头戴式显示器接收所述VR场景渲染模块渲染的虚拟场景及虚拟赛车并显示。

优选的是，所述VR场景渲染模块中设置多个渲染场景，且多个渲染场景中的虚拟赛道和真实赛车所跑的赛道保持一致。

优选的是，还包括供电系统，其用于给主机、VR头戴式显示器及位姿测量系统供电。

优选的是，所述方向盘上设置有旋钮按键，其用于控制多个渲染场景的切换，用于人机交互。

优选的是，所述位姿测量系统测量的真实赛车的位姿信息包括地理位置及真实赛车的俯仰角、横滚角、偏航角、线性速度、角速度姿态信息。

优选的是，所述主机的控制模块内还设置有算法模块，所述控制模块还接收VR场景渲染模块提供的虚拟场景赛道内虚拟赛车的当前位姿信息，所述算法模块将虚拟赛车的位姿信息与真实赛车的位姿信息及方向盘、刹车及油门的转角值进行计算比较得出虚拟赛车需要调整的方向盘、刹车及油门的转角值，并将计算后虚拟赛车需要调整的方向盘、刹车及油门的转角值传递给VR场景渲染模块，通过VR场景渲染模块控制虚拟赛车动作，使得虚拟场景中的虚拟赛车与真实赛车动作保持一致。

本发明还提供一种室外赛车场内沉浸式赛车控制方法，包括如下步骤：

步骤1)：车载主机运行的控制模块通过串口读取位姿测量系统提供的当前真实赛车的位姿信息，同时接收到VR渲染模块提供的虚拟赛道内虚拟赛车的当前位姿信息；

步骤2)：主机的控制模块通过串口接收交互系统传送的当前真实赛车的方向盘、油门及刹车转角值以及旋转按键操作信号；

步骤3)：控制模块通过计算模块计算比较得出虚拟赛车需要调整的位姿信息及方向盘、刹车及油门的转角值，并负责发送最终控制指令给VR渲染模块，VR渲染模块再执行相关指令让虚拟赛车动作，虚拟场景画面刷新；

步骤4)：VR渲染模块负责将虚拟场景画面数据传送给VR头戴式显示器，并通过VR头戴式显示器显示出来给赛车手看到。

优选的是，所述算法模块具体控制过程如下：

1)控制模块从交互系统获得赛车手操作的真实赛车当前的方向盘、油门及刹车转角值，作为直接控制量；

2)对位姿测量系统提供的真实赛车车辆的位姿信息与VR渲染模块提供的当前虚拟赛车车辆的位姿状态信息作差，得到位姿信息误差；

3)通过PID/MPC控制算法之后得到位姿误差修补需要的补偿控制量；

4)将闭环误差补偿控制量和直接控制量叠加的综合控制量输入到VR渲染模块；

5)VR渲染模块控制虚拟赛车车辆执行控制指令。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明为赛车运动提供了一种全新的虚实结合的方式，兼具真实赛车驾驶感和虚拟游戏的科技感、丰富性双方面优点。本发明的系统属于人机结合产物，既保证了传统物理赛车的真实驾驶感，同时也兼顾了科技性和丰富趣味性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的系统框图；

图3为本发明控制算法的框图。

附图标记说明：

1、真实赛车，2、交互系统，3、VR头戴式显示器，4、主机，5、位姿测量系统，6、供电系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，本发明提供一种室外赛车场内沉浸式赛车系统，包括：

交互系统2，其包括在真实赛车1的方向盘、刹车以及油门上均设置的电位器式传感器，其用于获取方向盘、刹车以及油门的转角值；

位姿测量系统5，其设置于真实赛车1上并用于测量真实赛车1的位姿信息；

主机4，其固定于真实赛车1上，所述主机4内设置有控制模块及VR场景渲染模块，所述控制模块与所述交互系统2的各个电位器式传感器以及位姿测量系统5均连接，并接收方向盘、刹车以及油门的转角值以及真实赛车1的位姿信息，根据获得的方向盘、刹车以及油门的转角值以及真实赛车1的位姿信息对VR场景渲染模块中的虚拟场景中的虚拟赛车动作，使得虚拟场景中的虚拟赛车与真实赛车1动作保持一致；所述VR场景渲染模块用于渲染VR场景，所述VR场景渲染模块中设置多个渲染场景，且多个渲染场景中的虚拟赛道和真实赛车1所跑的赛道保持一致；所述方向盘上设置有旋钮按键，其用于控制多个渲染场景的切换；

VR头戴式显示器3，其佩戴于赛车手的头部，所述VR头戴式显示器3接收所述VR场景渲染模块渲染的虚拟场景及虚拟赛车并显示。

还包括供电系统6，其用于给主机4、VR头戴式显示器3及位姿测量系统5供电。

在上述技术方案中，如附图1所示，赛车手驾驶的就是真实赛车1，头上戴着VR头戴式显示器3。赛车手驾驶真实赛车1，看到的是沉浸感极强的虚拟赛车场景，虚拟赛道和真实所跑赛道保持一致，周围虚拟场景可以变化。

在真实赛车1底盘上，添加五个主要模块系统。

其一，位姿测量系统5，用于测量当前真实赛车1的位姿信息。位资信息输入到背椅后面的主机4。位姿信息指的是真实赛车1实际所处的地理位置即经纬度及姿态即真实赛车1的俯仰角、横滚角、偏航角、线性速度、角速度等姿态信息。

其二，主机4系统上运行两个软件模块。一个为控制模块，保证VR虚拟赛道内车子和赛车手所驾驶的真实车子状态同步。另外一个为VR场景渲染模块，渲染虚拟赛车场景。

其三，VR头戴式显示器3，显示VR场景渲染模块的内容。

其四，交互系统2，主要指方向盘，油门，刹车踏板，方向盘上采用旋钮按键方式实现赛车手与VR场景之间的人机交互。另外通过电位器式传感器能够实时采集方向盘、刹车及油门的转角值，设置方向盘、刹车及油门初始状态的转角值为0，根据方向盘、刹车及油门转动的方向及角度，通过电位器式传感器采集并获得相应的转角值以传递给虚拟赛车场景中的虚拟赛车，使两者始终保持同步。

其五，供电系统6，主要给主机4和位姿测量系统5以及VR头戴式显示器3供电。

通过交互系统2设置旋转按键，赛车手可以任意切换赛车虚拟比赛场地，比如可以在沙漠赛车，随时切换到雪地赛车，周围有猛禽出没，神鸟异兽飞行于周围，极大丰富了赛车体验。

所述主机4的控制模块内还设置有算法模块，所述控制模块还接收VR场景渲染模块提供的虚拟场景赛道内虚拟赛车的当前位姿信息，所述算法模块将虚拟赛车的位姿信息与真实赛车的位姿信息及方向盘、刹车及油门的转角值进行计算比较得出虚拟赛车需要调整的方向盘、刹车及油门的转角值，并将计算后虚拟赛车需要调整的方向盘、刹车及油门的转角值传递给VR场景渲染模块，通过VR场景渲染模块控制虚拟赛车动作，使得虚拟场景中的虚拟赛车与真实赛车动作保持一致。

本发明还提供一种室外赛车场内沉浸式赛车的控制方法，包括如下步骤：

步骤1)：车载主机运行的控制模块通过串口读取位姿测量系统提供的当前真实赛车的位姿信息，同时接收到VR渲染模块提供的虚拟赛道内虚拟赛车的当前位姿信息；

步骤2)：主机的控制模块通过串口接收交互系统传送的当前真实赛车的方向盘、油门及刹车转角值以及旋转按键操作信号；

步骤3)：控制模块通过计算模块计算比较得出虚拟赛车需要调整的位姿信息及方向盘、刹车及油门的转角值，并负责发送最终控制指令给VR渲染模块，VR渲染模块再执行相关指令让虚拟赛车动作，虚拟场景画面刷新；

步骤4)：VR渲染模块负责将虚拟场景画面数据传送给VR头戴式显示器，并通过VR头戴式显示器显示出来给赛车手看到。

本发明整个系统最关键的技术就是要实现真实物理车辆和虚拟车辆之间的状态同步，也就是控制算法模块的工作原理如附图3所示，物理车辆指的就是真实赛车，方向盘油门刹车反馈系统即交互系统。整个系统被控对象为VR虚拟车辆，而控制目标就是让虚拟车辆状态和物理车辆状态误差最小化。

所述算法模块具体控制过程如下：

1)控制模块从交互系统获得赛车手操作的真实赛车当前的方向盘、油门及刹车转角值，作为直接控制量；

2)对位姿测量系统提供的真实赛车车辆的位姿信息与VR渲染模块提供的当前虚拟赛车车辆的位姿状态信息作差，得到位姿信息误差；

3)通过PID/MPC控制算法之后得到位姿误差修补需要的补偿控制量；

4)将闭环误差补偿控制量和直接控制量叠加的综合控制量输入到VR渲染模块；

5)VR渲染模块控制虚拟赛车车辆执行控制指令。

直接控制量保证了系统响应快，误差补偿闭环控制保证了误差的最小化。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种室外赛车场内沉浸式赛车系统，其特征在于，包括：

交互系统，其包括在真实赛车的方向盘、刹车以及油门上均设置的电位器式传感器，其用于获取方向盘、刹车以及油门的转角值；

位姿测量系统，其设置于真实赛车上并用于测量真实赛车的位姿信息；

主机，其固定于真实赛车上，所述主机内设置有控制模块及VR场景渲染模块，所述控制模块与所述交互系统的各个电位器式传感器以及位姿测量系统均连接，并接收方向盘、刹车以及油门的转角值以及真实赛车的位姿信息，根据获得的方向盘、刹车以及油门的转角值以及真实赛车的位姿信息对VR场景渲染模块中的虚拟场景中的虚拟赛车动作，使得虚拟场景中的虚拟赛车与真实赛车动作保持一致；所述VR场景渲染模块用于渲染VR场景；

VR头戴式显示器，其佩戴于赛车手的头部，所述VR头戴式显示器接收所述VR场景渲染模块渲染的虚拟场景及虚拟赛车并显示。

2.如权利要求1所述的室外赛车场内沉浸式赛车系统，其特征在于，所述VR场景渲染模块中设置多个渲染场景，且多个渲染场景中的虚拟赛道和真实赛车所跑的赛道保持一致。

3.如权利要求1所述的室外赛车场内沉浸式赛车系统，其特征在于，还包括供电系统，其用于给主机、VR头戴式显示器及位姿测量系统供电。

4.如权利要求2所述的室外赛车场内沉浸式赛车系统，其特征在于，所述方向盘上设置有旋钮按键，其用于控制多个渲染场景的切换，用于人机交互。

5.如权利要求1所述的室外赛车场内沉浸式赛车系统，其特征在于，所述位姿测量系统测量的真实赛车的位姿信息包括地理位置及真实赛车的俯仰角、横滚角、偏航角、线性速度、角速度姿态信息。

6.如权利要求1所述的室外赛车场内沉浸式赛车系统，其特征在于，所述主机的控制模块内还设置有算法模块，所述控制模块还接收VR场景渲染模块提供的虚拟场景赛道内虚拟赛车的当前位姿信息，所述算法模块将虚拟赛车的位姿信息与真实赛车的位姿信息及方向盘、刹车及油门的转角值进行计算比较得出虚拟赛车需要调整的方向盘、刹车及油门的转角值，并将计算后虚拟赛车需要调整的方向盘、刹车及油门的转角值传递给VR场景渲染模块，通过VR场景渲染模块控制虚拟赛车动作，使得虚拟场景中的虚拟赛车与真实赛车动作保持一致。

7.一种室外赛车场内沉浸式赛车控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)：车载主机运行的控制模块通过串口读取位姿测量系统提供的当前真实赛车的位姿信息，同时接收到VR渲染模块提供的虚拟赛道内虚拟赛车的当前位姿信息；

步骤2)：主机的控制模块通过串口接收交互系统传送的当前真实赛车的方向盘、油门及刹车转角值以及旋转按键操作信号；

步骤3)：控制模块通过计算模块计算比较得出虚拟赛车需要调整的位姿信息及方向盘、刹车及油门的转角值，并负责发送最终控制指令给VR渲染模块，VR渲染模块再执行相关指令让虚拟赛车动作，虚拟场景画面刷新；

步骤4)：VR渲染模块负责将虚拟场景画面数据传送给VR头戴式显示器，并通过VR头戴式显示器显示出来给赛车手看到。

8.如权利要求7所述的室外赛车场内沉浸式赛车控制方法，其特征在于，所述算法模块具体控制过程如下：

1)控制模块从交互系统获得赛车手操作的真实赛车当前的方向盘、油门及刹车转角值，作为直接控制量；

2)对位姿测量系统提供的真实赛车车辆的位姿信息与VR渲染模块提供的当前虚拟赛车车辆的位姿状态信息作差，得到位姿信息误差；

3)通过PID/MPC控制算法之后得到位姿误差修补需要的补偿控制量；

4)将闭环误差补偿控制量和直接控制量叠加的综合控制量输入到VR渲染模块；

5)VR渲染模块控制虚拟赛车车辆执行控制指令。

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