配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統及方法與流程
2023-04-24 07:27:21
本發明涉及虛擬實境技術領域，尤其涉及一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統及方法。
背景技術：
隨著社會的發展，各個行業的進步都為生活質量的提高做出了卓越貢獻。其中，虛擬實境(virtualreality，vr)技術的出現極大地豐富了人們的生活，虛擬實境技術通過計算機生成一種模擬環境，並結合採集的圖像信息實現交互式的三維視景和行為，從而使用戶沉浸到模擬環境中，實現人與虛擬實境環境的交互，達到身臨奇境的體驗。
目前，包括vr眼鏡在內的各類頭戴式虛擬實境設備是市面上最常見的虛擬實境設備，用戶通過配戴頭戴式虛擬實境設備將對外界的視覺、聽覺封閉，頭戴式虛擬實境設備在對應左右眼的屏幕上分別顯示左右眼的圖像，人眼獲取這種帶有差異的信息後在腦海中產生立體感，引導用戶產生一種身在虛擬環境中的感覺，通過頭戴式虛擬實境設備顯示不同的圖像能夠模擬出各種各樣的場景與環境，從而將虛擬技術應用各種各樣的場景之中。
近年來，滑雪運動已成為一項非常受歡迎的冬季體育項目，滑雪時滑雪運動員穿著專業的滑雪橇通過滑動滑雪杆在被雪覆蓋的面上進行滑動，對於場地、器材、以及天氣的要求非常高，普通人必須要在合適的天氣下攜帶滑雪器材前往專業的滑雪場地才能體驗到滑雪的樂趣，受制於此，人們進行滑雪訓練機會非常有限，對滑雪運動的普及帶來了障礙。
目前，為了使更多的人體驗到滑雪運動，市面上已經出現了一些滑雪模擬設備，但由於滑雪運動的複雜性，現有的這些設備帶給用戶的體驗與真實滑雪差距很大，用戶很難體會到真實滑雪的感受，也無法通過這些設備進行滑雪訓練。因此，需要提供一種真實感更佳的滑雪訓練系統。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統，能夠提高虛擬實境滑雪的真實性和趣味性，提升用戶體驗。
本發明的目的在於一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練方法，能夠提高虛擬實境滑雪的真實性和趣味性，提升用戶體驗。
為實現上述目的，本發明提供了一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統，包括：滑雪模擬機、六軸傳感器、中央處理器、以及頭戴式vr顯示裝置；
所述六軸傳感器與所述中央處理器通訊連接，包括：兩分別用於採集滑雪者的雙手動作數據的第一六軸傳感器、兩分別用於採集滑雪者的雙腳動作數據的第二六軸傳感器、兩分別用於採集滑雪者的腰部動作數據的第三六軸傳感器、兩分別用於採集滑雪者的兩上臂動作數據的第四六軸傳感器、一用於採集滑雪者的頭部動作數據的第五六軸傳感器、兩分別用於採集滑雪者的兩大腿部動作數據的第六六軸傳感器、及兩分別用於採集滑雪者的臀部兩側動作數據的第七六軸傳感器；
所述中央處理器設於所述滑雪模擬機上或集成在所述頭戴式vr顯示裝置中，所述頭戴式vr顯示裝置與所述中央處理器通訊連接，所述中央處理器根據六軸傳感器採集到的滑雪者的雙手動作數據、雙腳動作數據、腰部動作數據、兩上臂動作數據、頭部動作數據、兩大腿動作數據、及臀部動作數據還原滑雪者的雙手動作、雙腳動作、腰部動作、兩上臂動作、頭部動作、兩大腿動作、及臀部動作，並根據滑雪者雙手動作、雙腳動作、腰部動作、兩上臂動作、頭部動作、兩大腿動作、及臀部動作控制頭戴式vr顯示裝置顯示相應的情景；
所述滑雪模擬機包括：底座、固定於所述底座上的兩間隔排列的弧形滑軌、設於所述兩弧形滑軌上的可沿兩弧形滑軌滑動的腳踏板載臺、設於所述腳踏板載臺上的可相對所述腳踏板載臺前後滑動和左右擺動的兩腳踏板、連接所述腳踏板載臺與所述腳踏板的腳踏板連接機構、設於所述底座上的安全護欄、與所述安全護欄相連的安全帶、以及與所述腳踏板載臺和底座相連的兩彈性拉力器；
所述兩弧形滑軌相對於水平面傾斜，且其中一個弧形導軌距離水平面的高度低於所述另一個弧形導軌距離水平面的高度。
所述兩第一六軸傳感器分設於所述滑雪者使用的兩滑雪杖的頂部或滑雪者的兩手腕處，所述兩第二六軸傳感器分設於兩腳踏板的底部或滑雪者的兩腳踝處，所述兩第三六軸傳感器分設於所述滑雪者腰部的兩側，所述兩第四六軸傳感器分設於所述滑雪者兩上臂處，所述第五六軸傳感器設於所述滑雪者的頭部，所述兩第六六軸傳感器分設於所述滑雪者的兩大腿上，所述兩第七六軸傳感器分設於所述滑雪者臀部的兩側。
所述腳踏板連接機構包括：對應設於每一個腳踏板下方的滑動軸、套於所述滑動軸上並與該滑動軸對應的腳踏板固定連接的滑動軸承、分設於所述滑動軸的兩端的兩擺動連接件、以及套設於所述滑動軸上且位於所述滑動軸承與所述擺動連接件之間彈性件；
所述滑動軸承周向固定於所述滑動軸上並可沿所述滑動軸軸向滑動，所述擺動連接件與滑動軸固定連接，所述擺動連接件與所述腳踏板載臺相連並可相對所述腳踏板載臺左右擺動。
所述腳踏板載臺與所述每一個弧形滑軌通過兩個間隔分布的滑輪機構相連，每一個滑輪機構均包括設於所述弧形滑軌上下兩側的兩第一滑輪、以及設於所述弧形滑軌左側或右側的一第二滑輪。
所述兩彈性拉力器中的一個的一端與所述腳踏板載臺的一側相連，另一端與所述底座相連；所述兩個彈性拉力器中的另一個的一端與所述腳踏板載臺的另一側相連，另一端與所述底座相連。
本發明還提供一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練方法，包括如下步驟：
步驟s1、提供一配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統，包括：滑雪模擬機、六軸傳感器、中央處理器、以及頭戴式vr顯示裝置；
所述六軸傳感器與所述中央處理器通訊連接，包括：兩第一六軸傳感器、兩第二六軸傳感器、一第三六軸傳感器、兩第四六軸傳感器、一第五六軸傳感器、兩第六六軸傳感器和兩第七六軸傳感器；
所述中央處理器設於所述滑雪模擬機上或集成在所述頭戴式vr顯示裝置中，所述頭戴式vr顯示裝置與所述中央處理器通訊連接；
所述滑雪模擬機包括：底座、固定於所述底座上的兩間隔排列的弧形滑軌、設於所述兩弧形滑軌上的可沿兩弧形滑軌滑動的腳踏板載臺、設於所述腳踏板載臺上的可相對所述腳踏板載臺前後滑動和左右擺動的兩腳踏板、連接所述腳踏板載臺與所述腳踏板的腳踏板連接機構、設於所述上的安全護欄、與所述安全護欄相連的安全帶、以及與所述腳踏板載臺和底座相連的兩彈性拉力器；
所述兩弧形滑軌相對於水平面傾斜，且其中一個弧形導軌距離水平面的高度低於所述另一個弧形導軌距離水平面的高度；
步驟s2、滑雪者雙腳分別站立到兩腳踏板上，並綁定安全帶，同時布置好六軸傳感器，並佩戴頭戴式vr顯示裝置；
步驟s3、頭戴式vr顯示裝置顯示初始的滑雪場景，滑雪者進行滑雪動作，所述六軸傳感器採集到的滑雪者的雙手動作數據、雙腳動作數據、腰部動作數據、兩上臂動作數據、頭部動作數據、兩大腿動作數據、及臀部動作數據，所述中央處理器根據六軸傳感器採集到的滑雪者的雙手動作數據、雙腳動作數據、腰部動作數據、兩上臂動作數據、頭部動作數據、兩大腿動作數據、及臀部動作數據還原滑雪者的雙手動作、雙腳動作、腰部動作、兩上臂動作、頭部動作、兩大腿動作、及臀部動作，並根據滑雪者雙手動作、雙腳動作、腰部動作、兩上臂動作、頭部動作、兩大腿動作、及臀部動作控制頭戴式vr顯示裝置變化顯示的滑雪情景。
所述步驟s2中兩第一六軸傳感器佩戴於所述滑雪者使用的兩滑雪杖的頂部或滑雪者的兩手腕處，所述兩第二六軸傳感器佩戴於兩腳踏板的底部或滑雪者的兩腳踝處，所述兩第三六軸傳感器分設於所述滑雪者腰部的兩側，所述兩第四六軸傳感器分設於所述滑雪者兩上臂處，所述第五六軸傳感器設於所述滑雪者的頭部，所述兩第六六軸傳感器分設於所述滑雪者的兩大腿上，所述兩第七六軸傳感器分設於所述滑雪者臀部的兩側。
所述步驟s1中腳踏板連接機構包括：對應設於每一個腳踏板下方的滑動軸、套於所述滑動軸上並與該滑動軸對應的腳踏板固定連接的滑動軸承、分設於所述滑動軸的兩端的兩擺動連接件、以及套設於所述滑動軸上且位於所述滑動軸承與所述擺動連接件之間彈性件；
所述滑動軸承周向固定於所述滑動軸上並可沿所述滑動軸軸向滑動，所述擺動連接件與滑動軸固定連接，所述擺動連接件與所述腳踏板載臺相連並可相對所述腳踏板載臺左右擺動。
所述步驟s1中腳踏板載臺與所述每一個弧形滑軌通過兩個間隔分布的滑輪機構相連，每一個滑輪機構均包括設於所述弧形滑軌上下兩側的兩第一滑輪、以及設於所述弧形滑軌左側或右側的一第二滑輪。
所述步驟s1中所述兩彈性拉力器中的一個的一端與所述腳踏板載臺的一側相連，另一端與所述底座相連；所述兩個彈性拉力器中的另一個的一端與所述腳踏板載臺的另一側相連，另一端與所述底座相連。
本發明的有益效果：本發明提供一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統，包括滑雪模擬機、六軸傳感器、中央處理器、以及頭戴式vr顯示裝置，滑雪者通過滑雪模擬機模擬進行滑雪動作，通過六軸傳感器和中央處理器追蹤並還原滑雪者的滑雪動作，通過頭戴式vr顯示裝置顯示虛擬建模形成的滑雪情景並根據中央處理器還原出的滑雪者的滑雪動作進行實時變化，能夠提高虛擬實境滑雪的真實性和趣味性，提升用戶體驗。本發明提供一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練方法，能夠提高虛擬實境滑雪的真實性和趣味性，提升用戶體驗。
附圖說明
為了能更進一步了解本發明的特徵以及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而附圖僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制。
附圖中，
圖1至圖3為本發明的配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統的滑雪模擬機的結構示意圖；
圖4為本發明的配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統的六軸傳感器、中央處理器、以及頭戴式vr顯示裝置的連接示意圖；
圖5為本發明的配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統的六軸傳感器和頭戴式vr顯示裝置佩戴位置示意圖；
圖6為本發明的配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練方法的流程圖。
具體實施方式
為更進一步闡述本發明所採取的技術手段及其效果，以下結合本發明的優選實施例及其附圖進行詳細描述。
請參閱圖1至圖5，本發明提供一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統，包括：滑雪模擬機1、六軸傳感器2、中央處理器3、以及頭戴式vr顯示裝置4。
所述六軸傳感器2與所述中央處理器3通訊連接，包括：兩分別用於採集滑雪者的雙手動作數據的第一六軸傳感器21、兩分別用於採集滑雪者的雙腳動作數據的第二六軸傳感器22、兩分別用於採集滑雪者的腰部動作數據的第三六軸傳感器23、兩分別用於採集滑雪者的兩上臂動作數據的第四六軸傳感器24、一用於採集滑雪者的頭部動作數據的第五六軸傳感器25、兩分別用於採集滑雪者的兩大腿部動作數據的第六六軸傳感器26、及兩分別用於採集滑雪者的臀部兩側動作數據的第七六軸傳感器27；
具體地，所述兩第一六軸傳感器21可以分設於所述滑雪者使用的兩滑雪杖的頂部，或者將所述兩第一六軸傳感器21做成手環分設於所述滑雪者的兩手腕處，所述兩第二六軸傳感器22可以分設於兩腳踏板14的底部，或者將兩第二六軸傳感器22做成腳環分設於所述滑雪者的兩腳踝處，所述兩第三六軸傳感器23分設於所述滑雪者腰部的兩側，所述兩第四六軸傳感器24分設於所述滑雪者兩上臂處，所述第五六軸傳感器25設於所述滑雪者的頭部，所述兩第六六軸傳感器26分設於所述滑雪者的兩大腿上，所述兩第七六軸傳感器27分設於所述滑雪者臀部的兩側。
進一步地，所述第三六軸傳感器23、第四六軸傳感器24、第五六軸傳感器25、第六六軸傳感器26可以分別做成腰帶、臂環、腿環、及頭帶的形式佩戴與滑雪者的腰部、上臂、大腿、及頭部。
所述頭戴式vr顯示裝置4與所述中央處理器3通訊連接，所述中央處理器3根據六軸傳感器2採集到的滑雪者的雙手動作數據、雙腳動作數據、腰部動作數據、兩上臂動作數據、頭部動作數據、兩大腿動作數據、及臀部動作數據還原滑雪者的雙手動作、雙腳動作、腰部動作、兩上臂動作、頭部動作、兩大腿動作、及臀部動作，並根據滑雪者雙手動作、雙腳動作、腰部動作、兩上臂動作、頭部動作、兩大腿動作、及臀部動作控制頭戴式vr顯示裝置4顯示相應的情景。
可選地，所述中央處理器3可以為設於所述滑雪模擬機1上(如設有x86架構處理器的電腦)或集成在所述頭戴式vr顯示裝置4中(如採用集成有arm架構處理器的一體式vr顯示裝置)。
具體地，所述六軸傳感器2能夠採集滑雪者雙手、雙腳、腰部、兩上臂、頭部、兩大腿、及臀部的三軸(空間坐標系中x、y、及z軸)加速度、角速度、以及角度等實時數據，並傳輸給中央處理器3，所述中央處理器3根據變加速曲線運動的位移公式s(t)＝∫∫a(t)(dt)2得出滑雪者位移與時間的關係，其中，s為滑雪者的位移、a為六軸傳感器2感應到加速度、t為時間，即滑雪者位移與時間的關係可由加速度積分求得速度與時間的關係後再積分求得，將經過算法還原的位移數值導入頭戴式vr顯示裝置4中，頭戴式vr顯示裝置4根據中央處理器提供的位移數值確定在相對時刻t滑雪者的滑雪動作顯示對應的的滑雪情景，例如勻速前進、加速前進、減速前進、及轉向等。
優選地，所述六軸傳感器2通過藍牙傳輸與所述中央處理器3通訊連接，傳輸頻率為2.4ghz。
具體地，所述滑雪模擬機1包括：底座11、固定於所述底座11上的兩間隔排列的弧形滑軌12、設於所述兩弧形滑軌12上的可沿兩弧形滑軌12滑動的腳踏板載臺13、設於所述腳踏板載臺13上的可相對所述腳踏板載臺13前後滑動和左右擺動的兩腳踏板14、連接所述腳踏板載臺13與所述腳踏板14的腳踏板連接機構15、設於所述底座11上的安全護欄110、與所述安全護欄110相連的安全帶19、以及與所述腳踏板載臺13和底座11相連的兩彈性拉力器18。
具體地，所述腳踏板連接機構15包括：對應設於每一個腳踏板14下方的滑動軸151、套於所述滑動軸151上並與該滑動軸151對應的腳踏板14固定連接的滑動軸承152、分設於所述滑動軸151的兩端的兩擺動連接件153、以及套設於所述滑動軸151上且位於所述滑動軸承152與所述擺動連接件153之間彈性件154。
進一步地，所述滑動軸承152周向固定於所述滑動軸151上並可沿所述滑動軸151軸向滑動，所述擺動連接件153與滑動軸151固定連接，所述擺動連接件153與所述腳踏板載臺13相連並可相對所述腳踏板載臺13左右擺動，從而通過所述滑動軸承152帶動所述腳踏板14沿所述滑動軸151軸向滑動並通過彈性件154模擬摩擦阻力使得體驗更加真實，通過所述擺動連接件153帶動所述滑動軸151、滑動軸承152、以及腳踏板14整體進行擺動。
優選地，每一個腳踏板14下方設有兩平行間隔分布的滑動軸151，每一個滑動軸151上設有兩滑動軸承152，所述彈性件154為彈簧，所述擺動連接件153與所述腳踏板載臺13通過擺動軸承相連。
具體地，所述腳踏板載臺13與所述每一個弧形滑軌12通過兩個間隔分布的滑輪機構16相連，每一個滑輪機構均包括設於所述弧形滑軌12上下兩側的兩第一滑輪161、以及設於所述弧形滑軌12左側或右側的一第二滑輪162，通過設置三個滑輪帶動腳踏板載臺13沿所述弧線滑軌12進行滑動，能夠使得滑動過程更加流程和穩定。
具體地，所述兩彈性拉力器18中的一個的一端與所述腳踏板載臺13的一側相連，另一端與所述底座11相連；所述兩個彈性拉力器18中的另一個的一端與所述腳踏板載臺13的另一側相連，另一端與所述底座11相連，每一個彈性拉力器18的中間均設有一轉軸17，所述彈性拉力器18繞過所述轉軸17與所述腳踏板載臺13以及底座11相連，通過所述彈性拉力器18為所述腳踏板載臺13提供拉力模擬滑雪時的摩擦力，使得用戶感受更加真實。
值得強調的是，本發明的提供的滑雪模擬機1還有多處使得滑雪者進行模擬滑雪時的體驗更貼近真實的滑雪體驗的細節設計，具體包括：所述兩弧形滑軌12相對於水平面傾斜，且其中一個弧形導軌12距離水平面的高度低於所述另一個弧形導軌12距離水平面的高度，從而使得滑雪者進行模擬滑雪時身體為前傾狀態與真實滑雪一致；滑雪者通過綁定安全帶19來保證安全防止跌倒，無需使用雙手扶靠欄杆等其他安全設備，解放後的雙手可以操作滑雪杖進行滑雪動作，體驗更加真實豐富。
詳細地，所述配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統的整體工作過程為：滑雪者佩戴上頭戴式vr顯示裝置4，站到滑雪模擬機1的腳踏板上，綁好安全帶19，建立中央處理器3與六軸傳感器2的通訊連接，布置好六軸傳感器2，完成上述準備工作之後，頭戴式vr顯示裝置4顯示滑雪場景給滑雪者，滑雪者進行滑雪動作，六軸傳感器2和中央處理器3追蹤並還原滑雪者的動作，頭戴式vr顯示裝置4配合滑雪者的動作進行情景的變化，實現與真實滑雪相同的滑雪體驗。
請參閱圖6，基於上述的配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統，本發明還提供一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練方法，包括如下步驟：
步驟s1、提供一上述的配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統；
步驟s2、滑雪者雙腳分別站立到兩腳踏板13上，並綁定安全帶19，同時布置好六軸傳感器2，並佩戴頭戴式vr顯示裝置4；
步驟s3、頭戴式vr顯示裝置4顯示初始的滑雪場景，滑雪者進行滑雪動作，所述六軸傳感器2採集到的滑雪者的雙手動作數據、雙腳動作數據、腰部動作數據、兩上臂動作數據、頭部動作數據、兩大腿動作數據、及臀部動作數據，所述中央處理器3根據六軸傳感器2採集到的滑雪者的雙手動作數據、雙腳動作數據、腰部動作數據、兩上臂動作數據、頭部動作數據、兩大腿動作數據、及臀部動作數據還原滑雪者的雙手動作、雙腳動作、腰部動作、兩上臂動作、頭部動作、兩大腿動作、及臀部動作，並根據滑雪者雙手動作、雙腳動作、腰部動作、兩上臂動作、頭部動作、兩大腿動作、及臀部動作控制頭戴式vr顯示裝置4變化顯示的滑雪情景。
綜上所述，本發明提供一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練系統，包括滑雪模擬機、六軸傳感器、中央處理器、以及頭戴式vr顯示裝置，滑雪者通過滑雪模擬機模擬進行滑雪動作，通過六軸傳感器和中央處理器追蹤並還原滑雪者的滑雪動作，通過頭戴式vr顯示裝置顯示虛擬建模形成的滑雪情景並根據中央處理器還原出的滑雪者的滑雪動作進行實時變化，能夠提高虛擬實境滑雪的真實性和趣味性，提升用戶體驗。本發明提供一種配合傳感器的虛擬實境滑雪訓練方法，能夠提高虛擬實境滑雪的真實性和趣味性，提升用戶體驗。
以上所述，對於本領域的普通技術人員來說，可以根據本發明的技術方案和技術構思作出其他各種相應的改變和變形，而所有這些改變和變形都應屬於本發明權利要求的保護範圍。