CN113318414B - 一种多自由度模拟滑雪训练系统及训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多自由度模拟滑雪训练系统及训练方法，属于运动器械、虚拟现实技术领域。本发明公开的一种多自由度模拟滑雪训练系统，包括平移滑台、六自由度平台、控制器、测距模块、倾角传感器和显示设备。本发明还公开的一种多自由度模拟滑雪训练方法，基于所述一种多自由度模拟滑雪训练系统实现。本发明使滑雪者在滑雪模拟器上通过左右滑动进行滑雪回转动作模拟的同时，还能通过多自由度平台、虚拟现实技术以及体感模拟算法的配合，使滑雪者在虚拟场景中与真实雪地产生交互，提升滑雪者真实滑雪感。所述滑雪感包括回转动作感受、地形起伏变化感受、加速度感受、滑行方向改变感受、重心变化感受。

Description

一种多自由度模拟滑雪训练系统及训练方法

技术领域

本发明涉及一种模拟滑雪训练系统及训练方法，属于运动器械、虚拟现实技术领域。

背景技术

对于滑雪运动本身来说，滑雪仿真技术的主要用途包括专业滑雪运动员针对性的训练和 普通大众的滑雪体验活动。我国基础力量薄弱的冰雪运动项目急需快速发展。同时专业滑雪 运动员们也需要一套方便的滑雪运动训练平台，避免每次训练只能前往滑雪场的限制。

目前的滑雪模拟器主要有以下几种形式：

(1)仅模仿回转动作进行左右滑动的滑雪模拟器。这类滑雪模拟器的设备构成较为简 单，由弹性牵引绳牵引滑板在弧形轨道上做往复运动，弧形轨道前倾，并可以模拟小角度滚 转，以模拟滑雪的转弯效果，如斯洛文尼亚的Pro Ski Simulator公司推出的模拟滑雪设备， 仅可以提供滚动这一单一自由度，其动作简单，在实际使用中更像一类有氧运动健身设施。 SKIGYM模拟滑雪器把人固定在一个小的设备上，该设备可以前后左右小范围内移动和旋转， 配合屏幕模拟滑雪场景，更像是一种娱乐设备，训练作用不大。

(2)利用带有坡度的滑雪毯进行滑雪下滑模拟。这一类滑雪模拟器采用斜坡式设计， 这使其与雪场的真实环境训练相似，斜坡表面为向上滚动的雪毯，人员穿着滑雪器械在滑台 上进行训练，通过控制传送带速度与坡度模拟不同状态下的滑雪运动。具有代表性的为英派 斯公司的室内滑雪模拟机，这类滑雪模拟设备可以让滑雪者感受到下滑的加速度感，但是不 能够实现滚转方向的模拟，没有地形的变化，且无法模拟较大的回转运动。

(3)拥有力觉反馈和虚拟视景的滑雪模拟器。滑台设备中的驱动电机根据滑雪板的不 同立刃角度给出力觉反馈，从而拉动滑雪者进行左右往复运动，同时结合设计的虚拟滑雪场 景，把滑雪者位置映射到虚拟场景中。代表产品为德国Skytechsport公司的滑雪模拟器，该 设备能较好的进行回转训练，也提供了虚拟现实技术，但是人体的运动只有左右往复运动， 其它的各种运动全部由虚拟场景模拟，不能让人感受到滑雪的加速度感和地形带来的重心变 化感。

发明内容

为弥补现有模拟滑雪器模拟效果不足的问题，本发明公开的一种多自由度模拟滑雪训练 系统及训练方法要解决的技术问题是：使滑雪者在滑雪模拟器上通过左右滑动进行滑雪回转 动作模拟的同时，还能通过多自由度平台、虚拟现实技术以及体感模拟算法的配合，使滑雪 者在虚拟场景中与真实雪地产生交互，提升滑雪者真实滑雪感。所述滑雪感包括回转动作感 受、地形起伏变化感受、加速度感受、滑行方向改变感受、重心变化感受。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开的一种多自由度模拟滑雪训练系统，包括平移滑台、六自由度平台、控制器、 测距模块、倾角传感器和显示设备。

所述平移滑台包括电机、绳索、导轨滑动支架、导轨、滑雪板固定支架、滑雪板、拉力 传感器。所述平移滑台上的滑雪板能够进行滚转模拟立刃角度变化，同时能够进行小角度偏 航模拟犁式状态，拉力传感器用于测量两支滑雪板之间拉力数据检测犁式状态进而更改接触 摩擦力。所述平移滑台通过控制器中的力觉提示控制模块，控制平移滑台上的电机拉动滑雪 板在导轨上左右滑动，模拟滑雪的回转动作，进而提升滑雪者回转动作感受。

所述六自由度平台通过控制器中的体感模拟控制模块，控制六自由度平台各个伸缩杆的 电机与驱动器，使六自由度平台转动到目标位置与角度，通过六自由度平台的运动模拟滑雪 场地形变化、滑行加速度变化、滑行速度方向变化、滑雪者重心变化，进而提升滑雪者对地 形变化和运动状态变化的感受。

所述控制器包括力觉提示控制模块、体感模拟控制模块和视觉提示控制模块。通过力觉 提示控制模块平移滑台，通过体感模拟控制模块控制六自由度平台，通过视觉提示控制模块 控制虚拟场景的显示效果。

所述测距模块用于测量滑雪板在平移滑台上位移，并将所述位移数据传输给控制器。

所述倾角传感器用于测量滑雪板的立刃角度，并将所述立刃角度数据传输给控制器。

所述显示设备通过控制器中的视觉提示控制模块，控制滑雪虚拟场景中人物所对应滑雪 状态变化，并通过跟滑功能，进而提升滑雪者模拟滑雪时的视觉沉浸感。所对应滑雪状态变 化包括位置、视角变化。

所述平移滑台通过固定装置固定于六自由度平台的上平台，六自由度平台通过固定装置 将下平台固定于地面。所述平移滑台中电机通过绳索与导轨滑动支架相连，导轨滑动支架放 置于导轨上。滑雪板固定支架通过转轴与导轨滑动支架连接，能够在导轨滑动支架上进行滚 转。滑雪板通过转轴与滑雪板固定支架连接，能够在滑雪板固定支架上进行小角度偏航，两 支滑雪板前后端均通过拉力传感器连接。所述控制器固定于六自由度平台内部。所述测距模 块固定在平移滑台两端的中点，使其与滑雪板保持在同一水平线。所述倾角传感器固定在滑 雪板上，安装时保持倾角传感器水平安装。

本发明还公开的一种多自由度模拟滑雪训练方法，基于所述一种多自由度模拟滑雪训练 系统实现，包括如下步骤：

步骤一：通电后六自由度平台归于零位，滑雪板在平移滑台中心位置，滑雪者穿好雪鞋 后将雪鞋通过卡扣固定在滑雪板上，并在平移滑台上保持腿部直立且滑雪板水平，测距模块 与倾角传感器进行零位标定。

步骤二：打开控制器和显示设备，设置六自由度平台的角度、角速度以及位移速度安全 阈值；在显示设备中开启真实雪道场景，对各项参数进行设定后使虚拟场景中滑雪者开始下 滑，并将当前虚拟场景中人物所处的地形数据传输给控制器。

步骤三：滑雪者在平移滑台上摆动身体带动腿部动作，滑雪板角度发生变化，倾角传感 器将滑雪板立刃角度数据传输给控制器，平移滑台上的拉力传感器将两支滑雪板之间拉力数 据传输给控制器。

步骤四：控制器根据虚拟场景中人物所处地形数据、倾角传感器测得立刃角度数据，通 过力觉提示算法计算回转向心力，并控制电机通过绳索拉动滑雪板在导轨上左右滑动，滑雪 板在平移滑台上位置发生变化，测距模块将滑雪板位移数据传输给控制器。

步骤五：控制器根据拉力传感器测得拉力数据更改接触摩擦力，根据虚拟场景中人物所 处地形数据、滑雪滑降模型中计算得到的下滑速度和加速度、测距模块测得位移数据，通过 体感模拟算法计算出六自由度平台所需的位移与旋转角度，控制六自由度平台运动。

步骤六：控制器根据测距模块测得位移数据、倾角传感器测得立刃角度数据、虚拟场景 中人物所处的地形数据以及滑雪滑降模型中的下滑速度，通过视觉提示系统计算虚拟场景中 人物的位置与视角，并在显示设备上进行虚拟场景显示。

步骤七：显示设备中开启教练员标准滑雪动作模型，滑雪者观察显示设备中教练员的动 作进行模仿跟滑。

至此，从步骤一到步骤七，实现多自由度模拟滑雪训练系统的启动及训练过程。

所述力觉提示控制模块通过力觉提示算法实现，所述力觉提示算法实现方法如下：

根据滑雪场景给予力觉反馈，使滑雪者感受到真实环境下滑雪回转过程中的回转向心力。 为提升力觉提示控制模块的控制效率，将回转中转弯向心力简化为：

N＝mgcosα

其中N为地面支持力，m为滑雪者质量，g为重力加速度，α为地面坡度，

为立刃角度， L为回转向心力，K_L为向心力比例系数。

根据公式(1)、(2)、(3)计算回转过程的向心力，控制平移滑台上的电机拉动滑雪板在导 轨上左右滑动，模拟滑雪的回转动作，提升滑雪者回转动作感受。

所述体感模拟控制模块通过体感模拟算法实现，所述体感模拟算法实现方法为：

所述体感模拟控制算法包括经典洗出算法、滑行方向模拟算法、重心变化模拟算法，所 述经典洗出算法用于六自由度平台纵向与垂向的位移和俯仰角度的控制，所述滑行方向模拟 算法用于六自由度平台偏航角度的控制，所述重心变化模拟算法用于六自由度平台滚转角度 的控制。

所述经典洗出算法用于六自由度平台纵向与垂向的位移和俯仰角度的控制，实现方法如 下：

六自由度平台为了在有限空间内完成多次运动，需要在每次运动之后以低于人体感知阈 值的动作缓慢回到初始位置，便于进行下一次运动，因此采用经典洗出算法，经典洗出算法 包括如下步骤：

经典洗出算法步骤一：

建立滑雪滑降模型，将滑雪场景中人物所在位置的实时地形数据输入滑雪滑降模型，根 据滑雪滑降模型进行下滑加速度计算，所述下滑加速度作为经典洗出算法的输入。

滑雪滑降模型如下：

mgsinα-(f_a+f_r)＝ma

f_a＝0.5ρ_aC_dAv²

其中f_a为空气阻力，f_r为接触摩擦力，a为下滑加速度，ρ_a为空气密度，C_d为空气阻力 系数，A为迎风面积，v为下滑速度，

为接触摩擦力比例系数，μ为接触摩擦系数。

滑雪板处于犁式状态时接触摩擦力显著增大，为了对此情况进行模拟，在滑雪滑降模型 中，接触摩擦力比例系数K_fr与平移滑台上拉力传感器测得拉力数据成正比。

对下滑加速度进行纵向

和垂向

的分解，作为经典洗出算法的加速度输入：

俯仰角速度

作为经典洗出算法的角速度输入:

经典洗出算法步骤二：

对洗出算法步骤一输入的纵向加速度

和垂向加速度

按照坐标变换矩阵L_IS进行 坐标变换转换到惯性坐标系下。对俯仰角速度

按照变换矩阵T_S转换成欧拉角的变化率。

其中c代表cos，s代表sin，θ为六自由度平台滚转角，

为六自由度平台俯仰角，ψ为六 自由度平台偏航角。

经典洗出算法步骤三：

经典洗出算法主要用到的通道为纵向与垂向方向的高通加速度通道、纵向的倾斜协调通 道以及俯仰的高通角速度通道。

高通加速度通道的传递函数

为：

其中

为加速度高通滤波器阻尼比，

为加速度高通滤波响应频率。

纵向的倾斜协调通道的传递函数

为：

其中

为纵向倾斜协调通道滤波器阻尼比，

为纵向倾斜协调通道滤波器响应频率。

俯仰的高通角速度通道的传递函数

为：

其中

为俯仰角速度高通滤波器阻尼比，

为俯仰角速度高通滤波响应频率。

对上述滤波之后的结果进行积分输出，得到经典洗出算法输出的位移与角度。

为了平台运行的稳定性和加速度模拟的真实性，作为优选，在洗出算法步骤三中，

和

取1，根据平台运动范围

和

取1～5，根据平台运动范围和模拟加速度大小

取2～10。

所述滑行方向模拟算法用于六自由度平台偏航角度的控制，实现方法如下：

通过六自由度平台的偏航角变化给予滑雪者前庭系统上的感受。滑雪者在平移滑台最左 侧从静止状态开始向右滑动，并在平移滑台上产生向右横向速度后，随着横向速度逐渐增加， 滑行方向向右偏转，六自由度平台带动平移滑台进行水平面上的顺时针旋转，偏航角ψ逐渐 增加；滑雪者滑至平移滑台中间位置时横向速度最大，相应的偏航角ψ也达到最大；当滑雪 者接近平移滑台右侧，向右的横向速度逐渐减小时，滑雪前进方向依然向右但角度减小，因 此六自由度平台的偏航角ψ逐渐减小；滑雪者到达平移滑台最右端时横向速度为，六自由度 平台也回归初始位置，偏航角ψ回零。

所述滑行方向模拟算法中，六自由度平台偏航角度ψ计算公式为：

其中，v_H为位移求导所得横向速度，S为测距模块测得位移，K_ψ为偏航角比例系数。

为了平台运行的稳定性、滑行方向模拟的真实性以及滑雪者的个性化需求，作为优选， 在滑行方向模拟算法中，偏航角比例系数K_ψ取0.5～3。

所述重心变化模拟算法用于六自由度平台滚转角度的控制，实现方法如下：

进行滑雪回转时，在速度切换很快的情况下身体上半身会产生大幅度倾斜，这导致重心 降低并倾斜，身体甚至几乎与雪面平行。为了对身体的重心变化进行模拟，六自由度平台需 要根据滑雪者当前的运动状态产生一定的滚转角度。在平移滑台的设计中，设定滑雪者自左 向右运动和自右向左运动分别为右转弯和左转弯，当滑雪者在平移滑台上自左向右进行右转 弯时，为了模拟滑雪者身体重心倾斜的效果，使六自由度平台在竖直面上顺时针转动产生滚 转角θ，带动平移滑台与滑雪者整体向右侧倾斜，以实现身体重心倾斜的效果。六自由平台 产生的滚转角θ大小需要根据滑雪者的需求进行调整，以避免角度过大摔倒。滚转角θ计算 公式为：

θ＝K_θ·a_H

其中，a_H为横向速度求导所得横向加速度，K_θ为滚转角比例系数，根据滑雪者需求的 平台运动范围取0.5～3。

为了平台运行的稳定性、重心变化模拟的真实性以及滑雪者的个性化需求，作为优选， 在重心变化模拟算法中，滚转角比例系数K_θ取0.5～3。

由于滑雪者站在平移滑台上左右回转的同时还要跟随六自由度平台运动，为了保证滑雪 者的安全性避免跌倒，六自由度平台运动速度与幅度不宜过大。作为优选，六自由度平台的 俯仰与滚转最大运动角度不得高于10°，偏航角度不得高于20°；最大角速度不得高于10° /s；最大位移速度不得高于100mm/s。出于安全考虑六自由度平台的运动有所限幅，因此为 了补偿该部分的前庭感知，需要通过虚拟场景中的视觉提示系统进行弥补。

所述视觉提示控制模块通过视觉提示系统实现，所述视觉提示系统实现方法如下：

视觉提示系统步骤一：

视觉提示系统中，平移滑台上运动的滑雪者与虚拟场景中运动的人物保持运动状态与视 角一致，提高模拟滑雪的沉浸感与真实感。为了使滑雪者的视觉位置与平移滑台位置保持一 致，避免出现偏差引起感知错觉，需要将虚拟场景中的人物位置与平移滑台中滑雪者的位置 同步。根据如下公式计算出滑雪者在当前立刃角度下的瞬时回转半径：

其中，r为瞬时回转半径，R为雪板侧切半径。

之后，按照滑雪者在平移滑台中的位置比例计算人物在虚拟场景中的横向位置。最终人 物的位置更新计算公式如下：

x′＝x+cosα·v·dt

其中，(x,y,z)为当前时刻位置，(x′,y′,z′)为下一时刻位置，D为平移滑台总长，terrain.height为人物着地时所处地形的高度，z为当前时刻的高度。

视觉提示系统步骤二：

六自由度平台运动所模拟的五个方向：俯仰、偏航、滚转、纵向位移和垂向位移中，俯 仰、纵向位移与垂向位移对于速度的模拟可以通过虚拟场景中人物的位置进行视觉反馈，不 需要额外的辅助显示。偏航与滚转是为了模拟滑行方向变化和重心变化，需要视角的变化来 营造出人物姿态变化的效果。视角变化源于头部视野的改变，因此在虚拟场景中主要应用于 第一人称视角状态。

虚拟场景中第一人称人物视角变化公式为：

其中ψ_S、θ_S分别为虚拟场景中第一视角下人物视野的偏航与滚转角度；

为虚 拟场景中第一视角下偏航与滚转角度的比例系数。

为了虚拟场景模拟的真实性以及滑雪者的个性化需求，作为优选，在视觉提示系统中， 虚拟场景中第一视角下偏航与滚转角度的比例系数

取1～5。

视觉提示系统步骤三：

在虚拟场景中设置教练员标准滑雪动作模型，预先让教练员在本发明中的模拟滑雪设备 上进行试滑，使用惯性动作捕捉设备进行滑雪动作捕获，能够还原其头、大小臂、躯干、大 小腿的动作。在虚拟场景中对教练员动作进行回放，滑雪者能够在本模拟滑雪设备上进行跟 滑，模仿教练员的各肢体动作来调整自己的滑雪姿态。通过此跟滑方式，一方面能够大大的 提升滑雪者的浸入感，另一方面可以使滑雪者更快的掌握滑雪动作。

有益效果：

1.本发明公开的一种多自由度模拟滑雪训练系统及训练方法，采用平移滑台与六自由度 平台相结合的结构，相比较已有的模拟滑雪器，不仅能够模拟滑雪中的回转动作，同时能够 扩展到空间内多个自由度的运动，能更好模拟滑雪运动。

2.本发明公开的一种多自由度模拟滑雪训练系统及训练方法，将经典洗出算法应用于模 拟滑雪训练系统中的六自由度平台，能够在有限空间内完成多自由度运动的模拟，

3.本发明公开的一种多自由度模拟滑雪训练系统及训练方法，采用力觉提示算法、体感 模拟算法对平移滑台和六自由度平台进行控制，能够模拟回转动作感受、地形起伏变化感受、 加速度感受、滑行方向改变感受、重心变化感受，多方面提升滑雪者在模拟滑雪训练系统上 的滑雪真实感。

4.本发明公开的一种多自由度模拟滑雪训练系统及训练方法，使用虚拟现实技术将模拟 滑雪设备与虚拟场景进行交互，并通过虚拟场景中对教练员进行跟滑的方式，能够显著提高 滑雪者在模拟滑雪训练系统中的沉浸感。

5.本发明公开的一种多自由度模拟滑雪训练系统及训练方法，通过对六自由度平台的角 度、角速度和位移速度设定安全阈值，能够提高滑雪训练过程的安全性。

附图说明

图1是本发明的一种多自由度模拟滑雪训练系统的设备结构示意图；

图2是本发明的平移滑台结构图；

图3是本发明的系统结构图；

图4是本发明所使用的经典洗出算法流程图；

图5是本发明所使用的六自由度平台滑行方向模拟流程图；

图6是本发明所使用的六自由度平台重心变化模拟示意图；

图7是本发明所使用的虚拟环境中跟滑效果示意图。

其中：1-平移滑台、2-六自由度平台、3-测距模块、4-倾角传感器、5-显示设备、6-控 制器、7-电机、8-绳索、9-导轨滑动支架、10-导轨、11-滑雪板固定支架、12-滑雪板、13-拉力传感器。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

如图1所示，本实施例公开的一种多自由度模拟滑雪训练系统，包括平移滑台1、六自 由度平台2、测距模块3、倾角传感器4、显示设备5和控制器6。

如图2所示，所述平移滑台1包括电机7、绳索8、导轨滑动支架9、导轨10、滑雪板 固定支架11、滑雪板12、拉力传感器13。所述平移滑台1上的滑雪板12可进行滚转模拟立 刃角度变化，同时可进行小角度偏航模拟犁式状态，拉力传感器13用于测量两支滑雪板12 之间拉力数据检测犁式状态进而更改接触摩擦力。所述平移滑台1通过控制器6中的力觉提 示控制模块，控制平移滑台1上的电机7拉动滑雪板12在导轨10上左右滑动，模拟滑雪的 回转动作，进而提升滑雪者回转动作感受。

所述六自由度平台2通过控制器6中的体感模拟控制模块，控制六自由度平台2各个伸 缩杆的电机与驱动器，使六自由度平台2转动到目标位置与角度，通过六自由度平台2的运 动模拟滑雪场地形变化、滑行加速度变化、滑行速度方向变化、滑雪者重心变化，进而提升 滑雪者对地形变化和运动状态变化的感受。

所述控制器6包括力觉提示控制模块、体感模拟控制模块和视觉提示控制模块。通过力 觉提示控制模块平移滑台1，通过体感模拟控制模块控制六自由度平台2，通过视觉提示控 制模块控制显示设备5中虚拟场景显示效果。

所述测距模块3用于测量滑雪板12在平移滑台1上位移，并将所述位移数据传输给控 制器6。所述测距模块3可以是安装于水平滑台两侧的激光测距传感器，如图1所示，也可以是安装在电机转轴上根据电机转动圈数计算滑雪板位移的编码器，

所述倾角传感器4用于测量滑雪板12的立刃角度，并将所述立刃角度数据传输给控制 器6。所述倾角传感器4可以是基于惯性原理的惯性传感器或基于转轴转动的角度传感器。

所述显示设备5通过控制器6中的视觉提示控制模块，控制滑雪虚拟场景中滑雪者所处 位置、视角等变化，并通过跟滑功能，进而提升滑雪者模拟滑雪时的视觉沉浸感。

所述平移滑台1通过固定装置固定于六自由度平台2的上平台，六自由度平台2通过固 定装置将下平台固定于地面。所述平移滑台1中电机7通过绳索8与导轨滑动支架9相连， 导轨滑动支架9放置于导轨10上，滑雪板固定支架11通过转轴与导轨滑动支架9连接，可 在导轨滑动支架9上进行滚转，滑雪板12通过转轴与滑雪板固定支架11连接，可在滑雪板 固定支架11上进行小角度偏航，两支滑雪板12前后端均通过拉力传感器13连接。所述控制器6固定于六自由度平台2内部。所述测距模块3固定在平移滑台1两端的中点，使其与 滑雪板12保持在同一水平线。所述倾角传感器4固定在滑雪板上12，安装时保持倾角传感 器4水平安装。

本实施例还公开的一种多自由度模拟滑雪训练方法，基于所述一种多自由度模拟滑雪训 练系统实现，包括如下步骤：

步骤一：通电后六自由度平台2归于零位，滑雪板12在平移滑台1中心位置，滑雪者穿好雪鞋后将雪鞋通过卡扣固定在滑雪板12上，并在平移滑台1上保持腿部直立且滑雪板12水平，测距模块3与倾角传感器4进行零位标定。

步骤二：打开控制器6和显示设备5，设置六自由度平台2的角度、角速度以及位移速 度安全阈值；在显示设备5中开启真实雪道场景，对各项参数进行设定后使虚拟场景中滑雪 者开始下滑，并将当前虚拟场景中人物所处的地形数据传输给控制器6。

步骤三：滑雪者在平移滑台1上摆动身体带动腿部动作，滑雪板12角度发生变化，倾 角传感器4将滑雪板12立刃角度数据传输给控制器6，平移滑台1上的拉力传感器13将两支滑雪板12之间拉力数据传输给控制器6。

步骤四：控制器6根据虚拟场景中人物所处地形数据、倾角传感器4测得立刃角度数据， 通过力觉提示算法计算回转向心力，并控制电机7通过绳索8拉动滑雪板12在导轨10上左 右滑动，滑雪板12在平移滑台1上位置发生变化，测距模块3将滑雪板12位移数据传输给 控制器6。

步骤五：控制器6根据拉力传感器13测得拉力数据更改接触摩擦力，根据虚拟场景中 人物所处地形数据、滑雪滑降模型中计算得到的下滑速度和加速度、测距模块3测得位移数 据，通过体感模拟算法计算出六自由度平台2所需的位移与旋转角度，控制六自由度平台2 运动。

步骤六：控制器6根据测距模块3测得位移数据、倾角传感器4测得立刃角度数据、虚 拟场景中人物所处的地形数据以及滑雪滑降模型中的下滑速度，通过视觉提示系统计算虚拟 场景中人物的位置与视角，并在显示设备5上进行虚拟场景显示。

步骤七：显示设备5中开启教练员标准滑雪动作模型，滑雪者观察显示设备5中教练员 的动作进行模仿跟滑。

至此，从步骤一到步骤七，实现多自由度模拟滑雪训练系统的启动及训练过程。

本实施例公开的一种多自由度模拟滑雪训练系统的系统结构图如图3所示。

图3所示力觉提示算法实现方法如下：

根据滑雪场景给予的力觉反馈，使滑雪者感受到真实环境下滑雪回转过程中的回转向心 力。为提升力觉提示控制模块的控制效率，将回转中转弯向心力简化为：

N＝mgcosα

其中N为地面支持力，m为滑雪者质量，g为重力加速度，α为地面坡度，

为立刃角度， L为回转向心力，K_L为向心力比例系数。

取滑雪者体重m＝70kg，重力加速度g＝9.8m/s²，向心力比例系数K_L＝1，地面坡度α由虚拟场景中人物所处位置获得，立刃角度

由倾角传感器获得，根据公式(1)、(2)、(3)计算回转过程的向心力

根据此向心力控制平移滑台上的电机拉动 滑雪板在导轨上左右滑动，模拟滑雪的回转动作，提升滑雪者回转动作感受。

图3所示体感模拟算法实现方法如下：

所述体感模拟算法包括经典洗出算法、滑行方向模拟算法、重心变化模拟算法，所述经 典洗出算法用于六自由度平台纵向与垂向的位移和俯仰角度的控制，所述滑行方向模拟算法 用于六自由度平台偏航角度的控制，所述重心变化模拟算法用于六自由度平台滚转角度的控 制。

所述经典洗出算法流程图如图4所示，经典洗出算法用于六自由度平台纵向与垂向的位 移和俯仰角度的控制，包括如下步骤：

经典洗出算法步骤一：

建立滑雪滑降模型，将滑雪场景中人物所在位置的实时地形数据输入滑雪滑降模型，根 据滑雪滑降模型进行下滑加速度计算，所述下滑加速度作为经典洗出算法的输入。

滑雪滑降模型如下：

mgsinα-(f_a+f_r)＝ma

f_a＝0.5ρ_aC_dAv²

其中f_a为空气阻力，f_r为接触摩擦力，a为下滑加速度，ρ_a为空气密度，C_d为空气阻力 系数，A为迎风面积，v为下滑速度，

为接触摩擦力比例系数，μ为接触摩擦系数。

取空气密度ρ_a＝1.23N·s²·m^-4，空气阻力系数C_d＝0.43，迎风面积A＝0.34m²，接触摩擦系数μ＝0.04，假设两支滑雪板平行则拉力传感器数据为0，取接触摩擦力比例系数

根据公式(4)、(5)、(6)、(7)建立微分方程，即可求取下滑加速度a和加速度v。

对下滑加速度进行纵向

和垂向

的分解，作为经典洗出算法的加速度输入：

俯仰角速度

作为经典洗出算法的角速度输入:

经典洗出算法步骤二：

对洗出算法步骤一输入的纵向加速度

和垂向加速度

按照坐标变换矩阵L_IS进行 坐标变换转换到惯性坐标系下。对俯仰角速度

按照变换矩阵T_S转换成欧拉角的变化率。

其中c代表cos，s代表sin，θ为六自由度平台滚转角，

为六自由度平台俯仰角，ψ为六 自由度平台偏航角。

经典洗出算法步骤三：

经典洗出算法主要用到的通道为纵向与垂向方向的高通加速度通道、纵向的倾斜协调通 道以及俯仰的高通角速度通道。

高通加速度通道的传递函数

为：

其中

为加速度高通滤波器阻尼比，

为加速度高通滤波响应频率。

纵向的倾斜协调通道的传递函数

为：

其中

为纵向倾斜协调通道滤波器阻尼比，

为纵向倾斜协调通道滤波器响应频率。 俯仰的高通角速度通道的传递函数

为：

其中

为俯仰角速度高通滤波器阻尼比，

为俯仰角速度高通滤波响应频率。

对上述滤波之后的结果进行积分输出，得到经典洗出算法输出的位移与角度。

为了平台运行的稳定性和加速度模拟的真实性，在洗出算法步骤三中，

和

取1，根据平台运动范围

和

取2.5rad/s，根据平台运动范围和模拟加速度大小

取 5rad/s。

所述滑行方向模拟算法流程图如图5所示，滑行方向模拟算法用于六自由度平台偏航角 度的控制，实现方法如下：

通过六自由度平台的偏航角变化给予滑雪者前庭系统上的感受。图5为俯视视角表示人 处于平移滑台中的位置。滑雪者在平移滑台最左侧从静止状态开始向右滑动，如①中所示， 并在平移滑台上产生向右横向速度后，随着横向速度逐渐增加，滑行方向向右偏转，六自由 度平台带动平移滑台进行水平面上的顺时针旋转，偏航角ψ逐渐增加，如②所示；滑雪者滑 至平移滑台中间位置时横向速度最大，相应的偏航角ψ也达到最大，如③所示；当滑雪者接 近平移滑台右侧，向右的横向速度逐渐减小时，滑雪前进方向依然向右但角度减小，因此六 自由度平台的偏航角ψ逐渐减小，如④所示；滑雪者到达平移滑台最右端时横向速度为0， 六自由度平台也回归初始位置，偏航角ψ回零，如⑤所示。⑥、⑦、⑧为滑雪者在平移滑台 上从右向左滑动的示意图。

所述滑行方向模拟算法中，六自由度平台偏航角度ψ计算公式为：

其中，v_H为位移求导所得横向速度，S为测距模块测得位移，K_ψ为偏航角比例系数。

为了平台运行的稳定性、滑行方向模拟的真实性以及滑雪者的个性化与安全需求，在滑 行方向模拟算法中，偏航角比例系数K_ψ取1.5。

所述重心变化模拟算法如图6所示，重心变化模拟算法用于六自由度平台滚转角度的控 制，实现方法如下：

进行滑雪回转时，在速度切换很快的情况下身体上半身会产生大幅度倾斜，这导致重心 降低并倾斜，身体甚至几乎与雪面平行。为了对身体的重心变化进行模拟，六自由度平台需 要根据滑雪者当前的运动状态产生一定的滚转角度。在平移滑台的设计中，设定滑雪者自左 向右运动和自右向左运动分别为右转弯和左转弯，当滑雪者在平移滑台上自左向右进行右转 弯时，为了模拟滑雪者身体重心倾斜的效果，使六自由度平台在竖直面上顺时针转动产生滚 转角θ，带动平移滑台与滑雪者整体向右侧倾斜，以实现身体重心倾斜的效果，如图6所示。 六自由平台产生的滚转角θ大小需要根据滑雪者的需求进行调整，以避免角度过大摔倒。滚 转角θ计算公式为：

θ＝K_θ·a_H

其中，a_H为横向速度求导所得横向加速度，θ为六自由度平台滚转角，K_θ为滚转角比例 系数。

为了平台运行的稳定性、重心变化模拟的真实性以及滑雪者的个性化与安全需求，在重 心变化模拟算法中，滚转角比例系数K_θ取1.5。

由于滑雪者站在平移滑台上左右回转的同时还要跟随六自由度平台运动，为了保证滑雪 者的安全性避免跌倒，六自由度平台运动速度与幅度不宜过大。作为优选，六自由度平台的 俯仰与滚转最大运动角度不得高于10°，偏航角度不得高于20°；最大角速度不得高于10° /s。出于安全考虑六自由度平台的运动有所限幅，因此为了补偿该部分的前庭感知，需要通 过虚拟场景中的视觉效果进行弥补。

所述视觉提示控制模块通过视觉提示系统实现，所述视觉提示系统实现方法如下：

视觉提示系统步骤一：

视觉提示系统中，平移滑台上运动的滑雪者与虚拟场景中运动的人物保持运动状态与视 角一致，提高模拟滑雪的沉浸感与真实感。为了使滑雪者的视觉位置与平移滑台位置保持一 致，避免出现偏差引起感知错觉，需要将虚拟场景中的人物位置与平移滑台中滑雪者的位置 同步。根据如下公式计算出滑雪者在当前立刃角度下的瞬时回转半径：

其中，r为瞬时回转半径，R为雪板侧切半径。

使用滑雪板的侧切半径R＝15m，计算可得瞬时回转半径

之后，按照滑雪者在平移滑台中的位置比例计算人物在虚拟场景中的横向位置。最终人 物的位置更新计算公式如下：

x′＝x+cosα·v·dt

其中，(x,y,z)为当前时刻位置，(x′,y′,z′)为下一时刻位置，D为平移滑台总长，terrain.height为人物着地时所处地形的高度，z为当前时刻的高度。

取平移滑台总长D＝3m。

视觉提示系统步骤二：

六自由度平台运动所模拟的五个方向：俯仰、偏航、滚转、纵向位移和垂向位移中，俯 仰、纵向位移与垂向位移对于速度的模拟可以通过虚拟场景中人物的位置进行视觉反馈，不 需要额外的辅助显示。偏航与滚转是为了模拟滑行方向变化和重心变化，需要视角的变化来 营造出人物姿态变化的效果。视角变化源于头部视野的改变，因此在虚拟场景中主要应用于 第一人称视角状态。

虚拟场景中第一人称人物视角变化公式为：

其中ψ_S、θ_S分别为虚拟场景中第一视角下人物视野的偏航与滚转角度，

为虚 拟场景中第一视角下偏航与滚转角度的比例系数。

为了虚拟场景模拟的真实性以及滑雪者的个性化需求，在视觉提示系统中，虚拟场景中 第一视角下偏航与滚转角度的比例系数

取2。

视觉提示系统步骤三：

如图7所示，在虚拟场景中设置教练员标准滑雪动作模型。预先让教练员在本发明中的 模拟滑雪设备上进行试滑，使用惯性动作捕捉设备进行滑雪动作捕获，能够还原其头、大小 臂、躯干、大小腿的动作。在虚拟场景中对教练员动作进行回放，滑雪者可以在本模拟滑雪 设备上进行跟滑，模仿教练员的各肢体动作来调整自己的滑雪姿态。通过此跟滑方式，一方 面能够大大的提升滑雪者的浸入感，另一方面能够使滑雪者更快的掌握滑雪动作。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应 理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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 (6)

1.一种多自由度模拟滑雪训练系统，其特征在于：包括平移滑台、六自由度平台、控制器、测距模块、倾角传感器和显示设备；

所述平移滑台包括电机、绳索、导轨滑动支架、导轨、滑雪板固定支架、滑雪板、拉力传感器；所述平移滑台上的滑雪板能够进行滚转模拟立刃角度变化，同时能够进行小角度偏航模拟犁式状态，拉力传感器用于测量两支滑雪板之间拉力数据检测犁式状态进而更改接触摩擦力；所述平移滑台通过控制器中的力觉提示控制模块，控制平移滑台上的电机拉动滑雪板在导轨上左右滑动，模拟滑雪的回转动作，进而提升滑雪者回转动作感受；

所述六自由度平台通过控制器中的体感模拟控制模块，控制六自由度平台各个伸缩杆的电机与驱动器，使六自由度平台转动到目标位置与角度，通过六自由度平台的运动模拟滑雪场地形变化、滑行加速度变化、滑行速度方向变化、滑雪者重心变化，进而提升滑雪者对地形变化和运动状态变化的感受；

所述控制器包括力觉提示控制模块、体感模拟控制模块和视觉提示控制模块；通过力觉提示控制模块平移滑台，通过体感模拟控制模块控制六自由度平台，通过视觉提示控制模块控制虚拟场景的显示效果；

所述测距模块用于测量滑雪板在平移滑台上位移，并将所述位移数据传输给控制器；

所述倾角传感器用于测量滑雪板的立刃角度，并将所述立刃角度数据传输给控制器；

所述显示设备通过控制器中的视觉提示控制模块，控制滑雪虚拟场景中人物所对应滑雪状态变化，并通过跟滑功能，进而提升滑雪者模拟滑雪时的视觉沉浸感；所对应滑雪状态变化包括位置、视角变化；

所述平移滑台通过固定装置固定于六自由度平台的上平台，六自由度平台通过固定装置将下平台固定于地面；所述平移滑台中电机通过绳索与导轨滑动支架相连，导轨滑动支架放置于导轨上；滑雪板固定支架通过转轴与导轨滑动支架连接，能够在导轨滑动支架上进行滚转，滑雪板通过转轴与滑雪板固定支架连接，能够在滑雪板固定支架上进行小角度偏航，两支滑雪板前后端均通过拉力传感器连接；所述控制器固定于六自由度平台内部；所述测距模块固定在平移滑台两端的中点，使其与滑雪板保持在同一水平线；所述倾角传感器固定在滑雪板上，安装时保持倾角传感器水平安装；

所述力觉提示控制模块通过力觉提示算法实现，所述力觉提示算法实现方法如下，

根据滑雪场景给予力觉反馈，使滑雪者感受到真实环境下滑雪回转过程中的回转向心力；为提升力觉提示控制模块的控制效率，将回转中转弯向心力简化为：

N＝mgcosα

其中N为地面支持力，m为滑雪者质量，g为重力加速度，α为地面坡度，

为立刃角度，L为回转向心力，K_L为向心力比例系数；

根据公式(1)、(2)、(3)计算回转过程的向心力，控制平移滑台上的电机拉动滑雪板在导轨上左右滑动，模拟滑雪的回转动作，提升滑雪者回转动作感受；

所述体感模拟控制模块通过体感模拟控制算法实现，所述体感模拟控制算法实现方法为，

所述体感模拟控制算法包括经典洗出算法、滑行方向模拟算法、重心变化模拟算法，所述经典洗出算法用于六自由度平台纵向与垂向的位移和俯仰角度的控制，所述滑行方向模拟算法用于六自由度平台偏航角度的控制，所述重心变化模拟算法用于六自由度平台滚转角度的控制；

所述经典洗出算法用于六自由度平台纵向与垂向的位移和俯仰角度的控制，实现方法如下：

六自由度平台为了在有限空间内完成多次运动，需要在每次运动之后以低于人体感知阈值的动作缓慢回到初始位置，便于进行下一次运动，因此采用经典洗出算法，经典洗出算法包括如下步骤：

经典洗出算法步骤一：

建立滑雪滑降模型，将滑雪场景中人物所在位置的实时地形数据输入滑雪滑降模型，根据滑雪滑降模型进行下滑加速度计算，所述下滑加速度作为经典洗出算法的输入；

滑雪滑降模型如下：

mgsinα-(f_a+f_r)＝ma

其中f_a为空气阻力，f_r为接触摩擦力，a为下滑加速度，ρ_a为空气密度，C_d为空气阻力系数，A为迎风面积，v为下滑速度，

为接触摩擦力比例系数，μ为接触摩擦系数；

滑雪板处于犁式状态时接触摩擦力显著增大，为了对此情况进行模拟，在滑雪滑降模型中，接触摩擦力比例系数

与平移滑台上拉力传感器测得拉力数据成正比；

对下滑加速度进行纵向

和垂向

的分解，作为经典洗出算法的加速度输入：

俯仰角速度

作为经典洗出算法的角速度输入：

经典洗出算法步骤二：

对洗出算法步骤一输入的纵向加速度

和垂向加速度

按照坐标变换矩阵L_IS进行坐标变换转换到惯性坐标系下；对俯仰角速度

按照变换矩阵T_S转换成欧拉角的变化率；

其中c代表cos，s代表sin，θ为六自由度平台滚转角，

为六自由度平台俯仰角，ψ为六自由度平台偏航角；

经典洗出算法步骤三：

经典洗出算法主要用到的通道为纵向与垂向方向的高通加速度通道、纵向的倾斜协调通道以及俯仰的高通角速度通道；

高通加速度通道的传递函数

为：

其中

为加速度高通滤波器阻尼比，

为加速度高通滤波响应频率；

纵向的倾斜协调通道的传递函数

为：

其中

为纵向倾斜协调通道滤波器阻尼比，

为纵向倾斜协调通道滤波器响应频率；

俯仰的高通角速度通道的传递函数

为：

其中

为俯仰角速度高通滤波器阻尼比，

为俯仰角速度高通滤波响应频率；

对上述滤波之后的结果进行积分输出，得到经典洗出算法输出的位移与角度；

所述视觉提示控制模块通过视觉提示系统实现，所述视觉提示系统实现方法如下，

视觉提示系统步骤一：

视觉提示系统中，平移滑台上运动的滑雪者与虚拟场景中运动的人物保持运动状态与视角一致，提高模拟滑雪的沉浸感与真实感；为了使滑雪者的视觉位置与平移滑台位置保持一致，避免出现偏差引起感知错觉，需要将虚拟场景中的人物位置与平移滑台中滑雪者的位置同步；根据如下公式计算出滑雪者在当前立刃角度下的瞬时回转半径：

其中，r为瞬时回转半径，R为雪板侧切半径；

按照滑雪者在平移滑台中的位置比例计算人物在虚拟场景中的横向位置；最终人物的位置更新计算公式如下：

x′＝x+cosα·v·dt

其中，(x，y，z)为当前时刻位置，(x′，y′，z′)为下一时刻位置，D为平移滑台总长，terrain.height为人物着地时所处地形的高度，z为当前时刻的高度；

视觉提示系统步骤二：

六自由度平台运动所模拟的五个方向：俯仰、偏航、滚转、纵向位移和垂向位移中，俯仰、纵向位移与垂向位移对于速度的模拟可以通过虚拟场景中人物的位置进行视觉反馈，不需要额外的辅助显示；偏航与滚转是为了模拟滑行方向变化和重心变化，需要视角的变化来营造出人物姿态变化的效果；视角变化源于头部视野的改变，因此在虚拟场景中主要应用于第一人称视角状态；

虚拟场景中第一人称人物视角变化公式为：

其中ψ_S、θ_S分别为虚拟场景中第一视角下人物视野的偏航与滚转角度；K_ψS、

为虚拟场景中第一视角下偏航与滚转角度的比例系数；

视觉提示系统步骤三：

在虚拟场景中设置教练员标准滑雪动作模型，预先让教练员在模拟滑雪设备上进行试滑，使用惯性动作捕捉设备进行滑雪动作捕获，能够还原其头、大小臂、躯干、大小腿的动作；在虚拟场景中对教练员动作进行回放，滑雪者能够在本模拟滑雪设备上进行跟滑，模仿教练员的各肢体动作来调整自己的滑雪姿态；通过此跟滑方式，一方面能够显著提升滑雪者的浸入感，另一方面能够使滑雪者更快的掌握滑雪动作。

2.如权利要求1所述的一种多自由度模拟滑雪训练系统，其特征在于：所述滑行方向模拟算法用于六自由度平台偏航角度的控制，实现方法如下，

通过六自由度平台的偏航角变化给予滑雪者前庭系统上的感受；滑雪者在平移滑台最左侧从静止状态开始向右滑动，并在平移滑台上产生向右横向速度后，随着横向速度逐渐增加，滑行方向向右偏转，六自由度平台带动平移滑台进行水平面上的顺时针旋转，偏航角ψ逐渐增加；滑雪者滑至平移滑台中间位置时横向速度最大，相应的偏航角ψ也达到最大；当滑雪者接近平移滑台右侧，向右的横向速度逐渐减小时，滑雪前进方向依然向右但角度减小，因此六自由度平台的偏航角ψ逐渐减小；滑雪者到达平移滑台最右端时横向速度为，六自由度平台也回归初始位置，偏航角ψ回零；

所述滑行方向模拟算法中，六自由度平台偏航角度ψ计算公式为：

其中，v_H为位移求导所得横向速度，S为测距模块测得位移，K_ψ为偏航角比例系数。

3.如权利要求1所述的一种多自由度模拟滑雪训练系统，其特征在于：所述重心变化模拟算法用于六自由度平台滚转角度的控制，实现方法如下，

进行滑雪回转时，在速度切换很快的情况下身体上半身会产生大幅度倾斜，这导致重心降低并倾斜，身体甚至几乎与雪面平行；为了对身体的重心变化进行模拟，六自由度平台需要根据滑雪者当前的运动状态产生一定的滚转角度；在平移滑台的设计中，设定滑雪者自左向右运动和自右向左运动分别为右转弯和左转弯，当滑雪者在平移滑台上自左向右进行右转弯时，为了模拟滑雪者身体重心倾斜的效果，使六自由度平台在竖直面上顺时针转动产生滚转角θ，带动平移滑台与滑雪者整体向右侧倾斜，以实现身体重心倾斜的效果；六自由平台产生的滚转角θ大小需要根据滑雪者的需求进行调整，以避免角度过大摔倒；滚转角θ计算公式为：

θ＝K_θ·a_H

其中，a_H为横向速度求导所得横向加速度，K_θ为滚转角比例系数。

4.如权利要求1所述的一种多自由度模拟滑雪训练系统，其特征在于：为了平台运行的稳定性和加速度模拟的真实性，在洗出算法步骤三中，

和

取1，根据平台运动范围

和

取1～5，根据平台运动范围和模拟加速度大小

取2～10；

为了平台运行的稳定性、滑行方向模拟的真实性以及滑雪者的个性化需求，在滑行方向模拟算法中，偏航角比例系数K_ψ取0.5～3；

为了平台运行的稳定性、重心变化模拟的真实性以及滑雪者的个性化需求，在重心变化模拟算法中，滚转角比例系数K_θ取0.5～3；

为了虚拟场景模拟的真实性以及滑雪者的个性化需求，在视觉提示系统中，虚拟场景中第一视角下偏航与滚转角度的比例系数

取1～5。

5.如权利要求1所述的一种多自由度模拟滑雪训练系统，其特征在于：由于滑雪者站在平移滑台上左右回转的同时还要跟随六自由度平台运动，为了保证滑雪者的安全性避免跌倒，六自由度平台运动速度与幅度不宜过大；六自由度平台的俯仰与滚转最大运动角度不得高于10°，偏航角度不得高于20°；最大角速度不得高于10°/s；最大位移速度不得高于100mm/s；出于安全考虑六自由度平台的运动有所限幅，因此为了补偿该部分的前庭感知，需要通过虚拟场景中的视觉提示系统进行弥补。

6.一种多自由度模拟滑雪训练方法，基于如权利要求1、2、3、4或5所述的一种多自由度模拟滑雪训练系统实现，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：通电后六自由度平台归于零位，滑雪板在平移滑台中心位置，滑雪者穿好雪鞋后将雪鞋通过卡扣固定在滑雪板上，并在平移滑台上保持腿部直立且滑雪板水平，测距模块与倾角传感器进行零位标定；

步骤二：打开控制器和显示设备，设置六自由度平台的角度、角速度以及位移速度安全阈值；在显示设备中开启真实雪道场景，对各项参数进行设定后使虚拟场景中滑雪者开始下滑，并将当前虚拟场景中人物所处的地形数据传输给控制器；

步骤三：滑雪者在平移滑台上摆动身体带动腿部动作，滑雪板角度发生变化，倾角传感器将滑雪板立刃角度数据传输给控制器，平移滑台上的拉力传感器将两支滑雪板之间拉力数据传输给控制器；

步骤四：控制器根据虚拟场景中人物所处地形数据、倾角传感器测得立刃角度数据，通过力觉提示算法计算回转向心力，并控制电机通过绳索拉动滑雪板在导轨上左右滑动，滑雪板在平移滑台上位置发生变化，测距模块将滑雪板位移数据传输给控制器；

步骤五：控制器根据拉力传感器测得拉力数据更改接触摩擦力，根据虚拟场景中人物所处地形数据、滑雪滑降模型中计算得到的下滑速度和加速度、测距模块测得位移数据，通过体感模拟算法计算出六自由度平台所需的位移与旋转角度，控制六自由度平台运动；

步骤六：控制器根据测距模块测得位移数据、倾角传感器测得立刃角度数据、虚拟场景中人物所处的地形数据以及滑雪滑降模型中的下滑速度，通过视觉提示系统计算虚拟场景中人物的位置与视角，并在显示设备上进行虚拟场景显示；

步骤七：显示设备中开启教练员标准滑雪动作模型，滑雪者观察显示设备中教练员的动作进行模仿跟滑；

至此，从步骤一到步骤七，实现多自由度模拟滑雪训练系统的启动及训练过程。

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