本发明涉及运动检测与控制技术领域，基于虚拟现实技术的旋转行动平台的控制、检测、实现与应用领域，特别涉及一种全向移动平台及基于此平台精确追踪双脚信息的方法。
背景技术：
虚拟显示技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真体系，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的，交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术以头戴显示器技术为核心，辅以空间定位技术和其他外设技术，构建出一个拟真的虚拟世界，在非虚拟现实场景中，因为使用者长期坐立使用pc机，对于传统的行走输入方式，例如键盘和手柄，人体已经适应使用手指的运动来代替双腿的运动；但对于站立或移动使用的虚拟现实场景，使用传统的外设在虚拟场景中行走，会极大的破坏虚拟现实技术所营造的沉浸感；使用双腿移动是一种人类长期进化适应的原生的运动方式，能够使用双腿代替传统的键盘和手柄来控制场景中的移动，是一种更自然的交互方式，同时扩展了虚拟现实的应用领域，带来额外的健身、训练等功能。使用双腿移动，需要克服空间和位移的矛盾，使用者在现实中小空间范围内移动，相应的移动映射到虚拟场景中无限空间移动，同时最大限度拟真让使用者感受到自己确认是在无限的空间中移动。
为了解决这个问题，市面上出现了各种用于虚拟现实的万向行动平台，比如专利号为：201510333880.9的一种虚拟现实人体全向移动输入平台，采用立柱加横梁吊挂的形式，对人进行支撑，但是会造成设备整体高度过高，体积笨重等缺点；再比如专利号为201420555831.0的一种人体万向移动平台，采用支撑圈的结构对人进行支撑，但是会造成双手吊在支撑圈上，长时间使用会造成手臂酸麻，同时也无法实现下蹲操作。
而且万向行动平台对需要腿部的运动信息进行采集，现有技术中采用的例如加速度计，tracker类型的传感器，均需要附着与脚部或腿部，通过捕捉双脚或双腿的运动信息，将运动信息传输到场景中去，由此实现通过双腿控制人体在虚拟现实场景中的运动。传感器的供电方式分为有线供电和电池供电，通过有线方式供电，会带来甩线，绕线问题，通过电池供电会带来更换电池，为电池充电等问题，传感器的信息传输方式分为有线通信和无线通信两种方式。有线通信方式可控性高，但会带来甩线，绕线等问题，无线通信方式一般为蓝牙、wifi、zigbee等，在现场复杂的环境，例如展会，商场中，传感器信号容易受其他无线信号的干扰，会造成信号延迟过大，甚至无法可靠连接，因为移动的反馈对实时性要求非常高，人体移动需要及时的反馈到场景中，否则会造成移动延迟，人体移动了，场景中未移动，人体停止了，场景中未停止。这种现实与虚拟场景的不一致会极大的引起使用者的眩晕反应（晕动症）。这是虚拟现实万向行动平台必须解决的关键问题。同时目前的传感器需要附着于鞋子或其他部位，这样就要求用户进行传感器的穿戴，增加了操作的复杂性。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，操作简单，使用方便，定位准确的全向移动平台。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为一种全向移动平台，包括底部框架，所述底部框架上设置有跑盘，所述底部框架上还设置有支撑框架，所述底部框架与支撑框架转动连接，所述支撑框架朝向跑盘的一侧设置有腰环，所述跑盘的顶面边缘设有红外追踪框，所述红外追踪框连接至控制器，所述控制器连接至角度编码器，所述角度编码器设于底部框架上。
优选地，所述跑盘为正多边形，且跑盘为凹面跑盘。
优选地，所述红外追踪框的形状与跑盘的边缘相适配，所述红外追踪框包括首尾相接的若干个竖直设置的pcb板；所述pcb板上设置有若干组发光管和接收管，任一组对应设置的发光管和接收管成水平轴对称或竖直轴对称。
采用上述技术方案，通过红外追踪框的设置，发光管和接收管在屏幕表面上形成红外线交叉探测网，任何不透光物体挡住红外led管的发射与接收，便会产生相应的遮挡信号。单片机通过扫描这些遮挡信号，再进行数据处理，即可定位遮挡物的坐标位置，在用户不需要穿戴附有传感器鞋子即可实现对用户双脚运动的追踪定位。
优选地，所述红外追踪框为正八边形；所述红外追踪框包括对应设有pcb板的第一追踪框和第二追踪框，所述第一追踪框对应的pcb板为条状平板形，所述第二追踪框对应的pcb板为阶梯型，所述第一追踪框和第二追踪框交替设置且首尾连接，所述第二追踪框对应的pcb板的两端距离与第一追踪框对应的pcb板的长度相等；所述发光管和接收管均垂直于pcb板配合设置。
优选地，所述红外追踪框为正八边形；所述红外追踪框包括对应设有pcb板的第一追踪框和第二追踪框，所述第一追踪框和所述第二追踪框所对应的pcb板为长度相等的条状平板形，所述第一追踪框和第二追踪框交替设置且首尾连接；所述第一追踪框对应的pcb板上的发光管和接收管均垂直于pcb板设置，所述第二追踪框对应的pcb板上的发光管和接收管均与pcb板成45度角水平设置。
由于跑盘采用正八边形的设计，因此红外追踪框也对应设为正八边形，并且通过以上两种设计使得pcb板上的发光管和接收管能成垂直或水平对称，使整个红外追踪框不存在无交叉点的采集盲区的情况，实现在红外追踪框内形成x、y轴红外线交叉探测网。
优选地，所述支撑框架包括背部支撑部，所述背部支撑部上设置有竖直支撑导轨，所述竖直支撑导轨上滑动连接有蹲跳限制机构；所述蹲跳限制机构包括滑动限制板和控制滑动限制板制动的水平锥形轴，所述滑动限制板与竖直支撑导轨滑动连接，所述水平锥形轴贯穿所述滑动限制板，所述水平锥形轴的锥度较小的一端连接于腰环上，另一端套接有回位弹簧，所述回位弹簧的两端分别抵接于水平锥型轴的端部和滑动限制板；所述滑动限制板内设置有万向球轴承，所述万向球轴承的内圈抵接于水平锥形轴的锥面，万向球轴承的外圈套接有橡胶圈，所述橡胶圈的外圈抵接于竖直支撑导轨。
采用上述技术方案，水平锥形轴贯穿滑动限制板连接于腰环上，腰环连接于操作人员的腰部，滑动限制板在竖直支撑导轨上滑动实现使用人员的自由下蹲和起跳动作，水平锥型轴因为腰环的向前拉伸，锥度变大，挤压万象球轴承，进而挤压橡胶圈，橡胶圈与竖直支撑导轨之间的摩擦力增大，增大到一定程度后，两者抱死，滑动限制板无法在竖直支撑导轨上任意滑动，进而限制使用人员的自由下蹲和起跳动作。
优选地，所述滑动限制板与所述竖直支撑导轨之间设置有限位弹簧，所述限位弹簧套接于所述竖直支撑导轨上，并且与滑动限制板相固定设置，所述限位弹簧的长度小于所述竖直支撑导轨的长度。
优选地，所述竖直支撑导轨上套接有两段限位弹簧，分别为上限位弹簧和下限位弹簧，所述滑动限制板位于上限位弹簧和下限位弹簧之间，所述两段限位弹簧的长度加上滑动限制板的长度小于所述竖直支撑导轨的长度。
由于限位弹簧的设置，使得滑动限制板在竖直支撑导轨向下滑动的时候起到缓冲的作用，并且在向上滑动的时候在超过一定高度时同样起到缓冲的作用，以保护使用人员的安全。
优选地，所述支承框架还包括支撑臂，所述底部框架上设置有中心轴，所述支撑臂的顶端与背部支撑部连接，所述支撑臂的底端与所述中心轴配合设置；所述支撑框架上还设置有控制支撑臂制动的锁定机构，所述锁定机构包括回转支承和和至少1个小齿轮，所述回转支承设置于支撑臂与中心轴之间，所述回转支承与中心轴转动连接，支撑臂固定于回转支承上，所述回转支承通过外齿与小齿轮啮合，所述小齿轮可转动设于底部框架上，所述小齿轮底部设有失电制动器，所述失电制动器连接至控制器。
采用上述技术方案，通过支承框架与底部框架转动连接，实现操作人员的各个方位的转动，进而实现在操作人员虚拟环境中的任意转向，通过失电制动器的控制带动小齿轮的制动，进而与小齿轮啮合的回转支承也随之制动，使得支承框架与底部框架相互锁定，保证使用人员上下机时的安全。
本发明还公开了一种基于全向移动平台精确追踪双脚信息的方法，包括以下步骤：
t1：使用者登上全向移动平台，红外追踪框探测到遮挡信息并生成hid数据包；
t2：从hid数据包中提取出各个触摸点的坐标，过滤小面积点；
t3：对每一帧的hid数据包中所有触摸点的坐标进行聚类，获得双脚坐标，聚类算法采用k-means算法；
t4：获取红外追踪框上的角度编码器的信息，通过旋转矩阵变换，将双脚的朝向变换到x轴正方向，分别计算每帧图像中左右脚的坐标；
t5：计算运动速率和方向：
运动速率=当前帧两条腿之间的距离减去上一帧两条腿之间的距离的绝对值；
身体方向=角度编码器接口模块的输出值；
t6：根据设计中行走方向的设定来判定行进方向；
t7：对运动速率进行滤波，采用卡尔曼滤波器对速率进行滤波，精确追踪双脚信息。
通过将红外追踪框探测到的遮挡信息先过滤掉面积小的点，再聚类获得双脚的坐标，然后区分左右脚，进而计算运动速率和身体朝向，最后进行滤波,采用以上技术方案采集两脚或两腿在跑盘上的位置信息，进而计算出人体行走的速度和方向，并将此信息输入到虚拟现实场景中去。
本发明的有益效果是：
1、结构简单，体积小，重量轻，操作简单，使用方便。
2、通过特殊的背部支撑结构实现下蹲和起跳操作，而且在人前进过程中对垂直方向上的位移进行限制，对人体进行保护，防止其摔倒。
3、通过在跑盘底部增加回转轴承实现随动旋转操作，并且通过锁定机构实现支承框架的锁定，保证人在上下机时的安全。
4、通过红外追踪框精确的追踪双脚的方向，速率，角度等信息，具有抗环境光干扰的能力，响应延迟低等优点。
附图说明
图1为本发明的立体结构图；
图2为本发明无跑盘的立体结构图；
图3为本发明的侧视图；
图4为图3中a-a’的剖面视图；
图5为现有技术中的正四边形红外追踪框示意图；
图6为正八边形红外追踪框盲区的结构示意图；
图7为正八边形红外追踪框用锯齿边框解决盲区的结构示意图，其中，直线部分对应第一追踪框，阶梯型部分对应第二追踪框，虚线为发光管和接收管间对应的红外线；
图8为正八边形红外追踪框用45度角的发光器件解决盲区的效果图，其中，虚线为发光管和接收管间对应的红外线；
图9为45度角的发光器与pcb板的连接结构示意图；
图10为45度角的接收器与pcb板的连接示意图。
图中：1-底部框架，2-跑盘，4-腰环，5-红外追踪框，11-支撑臂，12-中心轴，13-回转支承，14-小齿轮，15-失电制动器，31-背部支撑，32-竖直支撑导轨，33-滑动限制板，34-水平锥形轴，35-回位弹簧，36-万向球轴承，37-橡胶圈，38-限位弹簧，51-pcb板，52-接收管，53-发光管，54-第一追踪框，55-第二追踪框，6-红外线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1至图10所示的一种全向移动平台，包括底部框架1，底部框架1上设置有跑盘22，底部框架1上还设置有支撑框架，底部框架1与支撑框架转动连接，支撑框架上设置有腰环4，跑盘2上的顶面上设置有红外追踪框5，跑盘2的顶面均包含在红外追踪框5内，红外追踪框5连接至控制器，所述控制器连接至角度编码器，所述角度编码器设于底部框架1上。本发明还包括有头戴显示器，适配操作人员在虚拟环境中的活动。
红外追踪框5的形状与跑盘2的形状相适配，红外追踪框5包括若干个pcb板51，pcb板51上设置有若干个发光管53和接收管52，红外追踪框5上的发光管53和接收管52的数量相等，且发光管53与接收管52相对应成水平轴对称或竖直轴对称，在接收管52前方安装针对特征频率的滤波片以提高抗环境光干扰的能力。发光管53和接收管52密布pcb板51，使定位更加精确。
红外追踪框5的形状根据跑盘2的形状而定，跑盘2可以设计为任何成中心对称的形状，进一步可以选定正多边形，再进一步可以选定正2n+4边形（n为自然数），例如：六边形、十边形等等，跑盘2为凹面设计，通过凹面跑盘2的设计配合特定的摩擦系数，迫使双脚在原地行走来模拟人在平地上的行走来实现使用者在虚拟场景中无限的空间移动的，凹面跑盘2一般配合特定的鞋子来实现特定的摩擦系数。
同样的红外追踪框5的形状跟随跑盘2而设计，只需要将红外追踪框5上的发光管53和接收管52成一定角度固定于构成红外追踪框5的pcb板51上，并且保证发光管53与接收管52相对应成水平轴对称或竖直轴对称，并且发光管53和接收管52密布所有的pcb板51。
由于万向行动平台需要实现人体360°的旋转，所以理想的跑盘2应采用圆形设计，但采用圆形设计加工工艺困难，加工精度难以控制，因此，采用了正八边形的设计的跑盘2，此设计使跑盘2接近圆形，同时又大大降低了加工难度，在设计和工艺间取得了良好的平衡。市面上的红外追踪框5均为四边形，这样采集的信息没有盲区，将红外追踪框5设计为四边形，附加到八边形跑盘2上，如图5所示，会造成整个跑盘2的占地面积过大（红外框外需要增加外壳），将红外追踪框5设计为圆形，比四边形占地面积小，不仅会有信息采集盲区的问题，加工，生产时还将面临加工费用高（圆形红外框需要采用柔性pcb），精度不容易控制等问题，因此，最适宜的方式是红外追踪框5贴合八边形跑盘2，即将红外框设计为正八边形。
但是带来另一个问题，如图6所示，其中八边上的八个三角部位，红外光6没由交叉点，会造成这八个部位的信息无法被可靠采集，存在信息采集盲区。当双脚位于此处时，双脚的信息将采集不到，本发明通过两种方法来解决两脚在这八个区域的信息采集盲区问题。
实施例1：红外追踪框5为正八边形，红外追踪框5包括有第一追踪框54和第二追踪框55，第一追踪框54和第二追踪框55相互间隔设置，第一追踪框54对应的pcb板51均设为条状平板形，第二追踪框55对应的pcb板51均设为直角锯齿形，即如图7所示的锯齿状斜边，斜边的锯齿尽量小，并且锯齿的形状大小均相等，锯齿状的pcb板51可以采用数条pcb通过pcb连接器拼接而成，发光管53和接收管52均垂直于pcb板51设置。
实施例2：红外追踪框5为正八边形，红外追踪框5包括有第一追踪框54和第二追踪框55，第一追踪框54和第二追踪框55相互间隔设置，第一追踪框54和第二追踪框55所对应的pcb板51均设为条状平板形，第一追踪框54对应的pcb板51上的发光管53和接收管52均垂直于pcb板51设置，第二追踪框55对应的pcb板51上的发光管53和接收管52均与pcb板51成45度角设置；即如图9和图10所示每个发光器件由两个发光管53组成，每个接收器件由两个接收管52组成；两个发光管53或两个接收管52成90度角，与焊接面成45度角焊接到pcb板51上；当发光器件焊接到pcb板51后，通过程序控制，可实现如图8所示的同红外四边型边框相同的效果。
支撑框架包括有背部支撑31，背部支撑31上设置有竖直支撑导轨32，竖直支撑导轨32上滑动连接有蹲跳限制机构，蹲跳限制机构包括有滑动限制板33和控制滑动限制板33制动的水平锥形轴34，滑动限制板33与竖直支撑导轨32滑动连接，水平锥形轴34贯穿滑动限制板33，并且其锥度较小的一端连接于腰环4上，水平锥型轴上锥度较大的一端套接有回位弹簧35，回位弹簧35的两段分别抵接水平锥型轴和滑动限制板33，滑动限制板33内设置有万向球轴承36，万向球轴承36的内圈抵接水平锥形轴34的锥面，万向球轴承36的外圈套接有橡胶圈37，橡胶圈37的外圈抵接竖直支撑导轨32。
如图1所示，竖直支撑导轨32设置为两条圆柱条杆，背部支撑31与竖直支撑导轨32连接在一起，而腰环4与滑动限制板33连接在一起，通过滑动限制板33在竖直支撑导轨32上的上下运动来达到操作人员自由下蹲和起跳动作。使用者在正常行走和跑动时，需要限制腰环4在竖直方向运动，此时，竖直方向的限位是通过万向球轴承36与橡胶圈37来实现的。如图4所示，当使用者往前运动时，身体前倾，重心前移锥形水平轴的锥度越来越大，竖直支撑导轨32与锥形水平轴的距离缩短（锥形水平轴从两条圆柱条杆的中间穿过），橡胶圈37被挤压的更厉害，橡胶圈37与圆柱条杆之间的摩擦力逐渐增大，当达到一定值时，竖直支撑导轨32被完全抱死，滑动限制板33在竖直支撑导轨32上的上下运动被限制，此时不能下蹲、上跳。只有当使用者停止前行，身体恢复竖直状态，回位弹簧35拉动水平锥形轴34使锥度逐渐变小，进而使橡胶圈37与竖直支撑导轨32之间的摩擦力减小，能自由下蹲、上跳，通过限位，可以防止使用者在行走过程中失控下跪；而在停止状态上，限位解除，使用者可以做下蹲、上跳等动作。
实施例3：滑动限制板33与竖直支撑导轨32之间设置有限位弹簧38，限位弹簧38套接于竖直支撑导轨32上，并且与滑动限制板33相固定设置，限位弹簧38的长度小于竖直支撑导轨32的长度。限位弹簧38主要起到缓冲的作用，用于保护操作人员的安全；进一步的，限位弹簧38在滑动限制板33以上的部分亏却一部分长度（长度可以根据情况设定，比如根据不同活跃程度的虚拟场景而设定），目的是，使操作人员在起跳的过程中不会被限制，但是在跳到一定高度后进行限制，防止其收到伤害，保护操作人员安全。
实施例4：竖直支撑导轨32上套接有两段限位弹簧38，分别为上限位弹簧38和下限位弹簧38，滑动限制板33位于上限位弹簧38和下限位弹簧38之间，两段限位弹簧38的长度加上滑动限制板33的长度小于竖直支撑导轨32的长度。同样两段限位弹簧38主要起到缓冲的作用，用于保护操作人员的安全；进一步的，上限位弹簧38亏却一部分长度（长度可以根据情况设定，比如根据不同活跃程度的虚拟场景而设定），目的是，使操作人员在起跳的过程中不会被限制，但是在跳到一定高度后进行限制，防止其收到伤害，保护操作人员安全。
如图2所示，支承框架还包括有支撑臂11，支撑臂11设有两段，并且弯过跑盘2分别与中心轴12和背部支撑31连接，底部框架1上设置有中心轴12，支撑臂11的顶端与背部支撑31连接，支撑臂11的底端连接于中心轴12上，支撑框架上还设置有控制支撑臂11制动的锁定机构，锁定机构包括回转支承13和小齿轮14，回转支承13设置于支撑臂11与中心轴12之间，回转支承13与中心轴12转动连接，支撑臂11固定于回转支承13上，回转支承13上设置有与小齿轮14相配合的外齿，小齿轮14轴接于支撑框架上且能够自由转动，并且小齿轮14上的轮齿与回转支承13上的外齿相互啮合，小齿轮14连接有失电制动器15。
通过支承框架与底部框架1转动连接，实现操作人员的各个方位的转动，进而实现在操作人员虚拟环境中的任意转向，操作人员在上机和下机时，需要将支撑框架锁定，以保证使用者在此过程中的安全。锁定是通过失电制动器15来实现的。失电制动器15断电时没有磁场，衔铁被弹簧弹开并将刹车片顶在衔铁，处于制动抱死状态。使得小齿轮14制动，进而将支撑框架锁定，进一步小齿轮14安装有两个,以提高制动的稳定性；当通电时，产生磁场，克服弹簧阻力，将衔铁吸回，刹车片和左右之间产生一定间隙，刹车片处于自由状态，刹车片跟随轴转动，使得小齿轮14可以随意转动。
本发明还公开了一种基于全向移动平台精确追踪双脚信息的方法，包括以下步骤。
t1：使用者登上全向移动平台，红外追踪框5探测到遮挡信息并生成hid数据包。
t2：从hid数据包中提取出各个触摸点的坐标，过滤小面积点。
本发明中，由于全向移动平台并非进行对脚步的投射，而是采集出对应的运动信息，故原则上触摸点是非常集中的，所以只要在大面积触摸点外分散的点即可视为小面积点。一般情况下，小面积点可以设置为面积小于5cm×5cm的点，但这并非实际取值，本领域技术人员可以依据实际的需求自行设置。
t3：对每一帧的hid数据包中所有触摸点的坐标进行聚类，获得双脚坐标，聚类算法采用k-means算法。
本发明中，坐标系为以跑步机左后方那个角作为坐标原点，向右为y轴正方向，向前为x轴正方向。
t4：获取红外追踪框5上的角度编码器的信息，通过旋转矩阵变换，将双脚的朝向变换到x轴正方向，分别计算每帧图像中左右脚的坐标。
本发明中，通过旋转矩阵变换，将两条腿的朝向变换到x轴正方向，此时靠y轴左侧的脚便为左脚，靠y轴右侧的脚为右脚。
t5：计算运动速率和方向：
运动速率=当前帧两条腿之间的距离减去上一帧两条腿之间的距离的绝对值；
身体方向=角度编码器接口模块的输出值。
t6：根据设计中行走方向的设定来判定行进方向。
本发明中，默认行走方向为前进，只有当触发后退动作时，行走方向才修改为后退，后退动作设定为：在红外框中心静立一段时间，若一只脚在中心区内不动，另一只脚向后退出中心区，则判定触发后退动作，则方向状态修改为后退，当要改为前进状态时，要先在中心区静立一段时间，接下来只要不触发后退动作，则方向状态修改为前进。
本发明中，头戴显示器的接口模块通过调用openvr接口得到的角四元数和角速度融合计算得出头显的航向角，之后用这个航向来区分左右脚，接着将运动速率大的那只脚的运动方向直接作为身体的朝向或者身体朝向的反向，这可以利用头显的方向进一步区分。
t7：对运动速率进行滤波，采用卡尔曼滤波器对速率进行滤波，精确追踪双脚信息。
本发明中，此时计算出的速率因为毛刺较多，若直接用于游戏使用，游戏画面会很不流畅，因此需要对速率进行滤波，设计中采用了卡尔曼滤波器使速率平滑；但是卡尔曼滤波器的缺点是上升和下降的时间比较久，会造成延时，故因此在算法中对卡尔曼滤波器进行优化，令其初始值不是从零开始，而是跟随输入一段时间才开始滤波，加速了滤波曲线上升的过程，当滤波器的输入值连续一段时间都低于一定阈值，则输出立即降为零。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。