一种全向跑步机及其虚拟现实实现方法与流程

本发明涉及一种全向跑步机及其虚拟现实实现方法。

背景技术：

虚拟现实(Virtual Reality：VR)是近年来出现的高新技术，利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术、广角或宽视野立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉、力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。近年来，虚拟现实在军事、娱乐、医疗、甚至房地产开发等方面有了比较大的应用。尤其在娱乐方面，丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如Chicago芝加哥开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度VR产品奖。另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。综合目前市场上应用的虚拟现实游戏设备，主要集中在视觉感知这方面，反应在产品上，以头盔和VR眼镜为主。比较典型的比如Oculus公司的Oculus Rift，这是一款3D虚拟游戏眼镜，内置高分辨率显示屏可以给用户提供1280x800分辨率的高清画面，水平可视角度为90°，垂直可视角度为110°，9自由度的姿态与运动传感器以1000Hz的频率追踪头部运动轨迹，同时可通过DVI、HDMI、microUSB接口连接PC电脑或家用主机以全方位的视频和音效为使用者虚拟一个身临其境的游戏体验。尽管目前VR头盔或3D眼镜非常流行，但是反映到未来的游戏设备中，坐在椅子上按着某个按键，来推动游戏中的主角运动，已越来越不能满足消费者的用户体验了，自然的运动才能让用户感觉身临其境，通过自然的运动，让玩家在游戏时进行适当的运动，即娱乐又健身。Oculus Rift的3D虚拟眼镜虽然让玩家有很好的用户体验，但它不能让玩家运动起来，自然也无法满足消费者对下一代游戏设备“自然运动+虚拟现实+身临其境”的要求。因此将3D眼镜和跑步机结合起来，研发新一代全向跑步机是市场的迫切需求。2013年，美国Virtuix公司首次推出了一款全向跑步机Virtuix Omni，它首次将3D眼镜、游戏软件、虚拟现实和跑步机结合起来，让玩家真正投入到虚拟现实中，实现完美逼真的用户体验：不仅精神上投入到了虚拟现实中，身体也投入到了虚拟现实中。

Omni的全向跑步机是被动全向跑步机，机身本身没有运动部件，其基座像一个光滑有沟槽的大碗，玩家是在全向跑步机上做滑行运动，这就需要每个玩家向他们购买一双适合自己尺寸的低摩擦力的鞋子。Omni全向跑步机当前只能通过传感器感应脚的运动，如果要玩游戏，需要再和微软的Kinect体感外设相结合，或者如上述与Oculus Rift的3D虚拟游戏眼镜相结合，以感应玩家上身的运动。微软的Kinect体感外设通过摄像机将人的肢体运动捕获并识别，然后控制游戏主角的运动，但它不能捕获人体的移动，和Omni全向跑步机结合后，让玩家在游戏中更能轻松的控制游戏主角的移动。Omni全向跑步机是世界上第一款基于虚拟现实场景设计的跑步机，但是存在一些缺陷，主要是：1、Omni全向跑步机是一款被动的全向跑步机，由于机身没有驱动性设备，使得在结构上玩家只能做平面性运动，而无法做一些立体感很强的游戏动作，大大限制了当前面对VR场景开发游戏软件的应用，同时也降低了玩家的体感度。2、Omni全向跑步机目前感知人体的运动速度和频率是通过一双定制的低摩擦力的跑鞋上的传感器来感知平面运动，只能获取双脚的运动速度、频率，而无法精确定位双脚在跑步机上的坐标，导致在游戏软件中的反映结果误差很大，只能做一些精确度要求不高的运动控制，也降低了玩家的体感度；

Omni全向跑步机实际是一款集成的游戏设备，玩家的空间运动姿态需要通过外扩的微软Kinect设备来采集和提取，3D场景头盔是通过集成Oculus公司的Oculus Rift 3D眼镜来完成虚拟现实场景的获取和播放，因此从集成化程度比较低，反应在数据处理速度、设备统一性和协议一致性方面，都无法满足消费者对下一代运动虚拟现实游戏设备的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种全向跑步机及其虚拟现实实现方法。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种全向跑步机，包括跑步机主体、手持电子仿真枪、虚拟现实头盔、计算机、高清摄像头，高清摄像头固定在虚拟现实头盔上，高清摄像头与虚拟现实头盔有线连接，高清摄像头、手持电子仿真枪、跑步机主体都与计算机无线连接，虚拟现实头盔与计算机有线连接，手持电子仿真枪、虚拟现实头盔都与跑步机主体相配合，跑步机主体包括底盘、底盘固定座、腰间固定装置、固定支杆，底盘安装在底盘固定座上，腰间固定装置通过固定支杆固定在底盘固定座上，计算机用于播放3D的视频游戏软件。

作为优选，底盘呈圆形。

作为优选，底盘包括转轮、滑动丝杆、伺服电机、跑步机驱动器、若干个阻值传感器模块、转盘，转盘设有通孔，伺服电机与跑步机驱动器电性连接，伺服电机连接滑动丝杆的一端，滑动丝杆的另一端插穿过通孔，转轮安装在转盘上，若干个阻值传感器模块安装在转盘底部。

作为优选，跑步机驱动器包括处理器、运动加速度传感器、三轴陀螺仪传感器组C、无线WIFI模块、伺服电机驱动器、电子罗盘传感器D，伺服电机驱动器与伺服电机电性连接，运动加速度传感器、三轴陀螺仪传感器组C、伺服电机驱动器、无线WIFI模块、电子罗盘传感器D都与处理器电性连接，无线WIFI模块与计算机无线连接。

作为优选，手持电子仿真枪包括仿真枪外壳、三轴陀螺仪传感器组A、扳机按钮、无线通信模块、锂电池、电子罗盘传感器E、重力加速度传感器，三轴陀螺仪传感器组A、电子罗盘传感器E、重力加速度传感器都通过无线通信模块与计算机无线连接，三轴陀螺仪传感器组A、无线通信模块都与锂电池电性连接，扳机按钮安装在仿真枪外壳上。

作为优选，虚拟现实头盔包括显示屏、功放耳机、视频传输线、三轴陀螺仪传感器组B、头套固定装置，显示屏与高清摄像头有线连接，显示屏通过视频传输线与计算机有线连接，三轴陀螺仪传感器组B与计算机无线连接，功放耳机安装在头套固定装置的两端，三轴陀螺仪传感器组B安装在头套固定装置上。

所述腰间固定装置包括上腰间固定圆盘、下腰间固定圆盘、固定带，所述上腰间固定圆盘通过固定带与下腰间固定圆盘固定连接。

全向跑步机的虚拟现实实现方法，包括如下步骤：

步骤1、计算机播放3D的视频游戏软件，然后计算机通过视频传输线投映到显示屏上；

步骤2、用户观察显示屏上的视频图像，根据情节需要，在全向跑步机上做跑步运动，跑步机驱动器根据用户跑步的幅度、加速度以及移动位置来驱动底盘开始转动，同时确定用户在底盘上的位移坐标；

步骤3、跑步机驱动器通过运动加速度传感器来获取底盘的角加速度，同时跑步机驱动器通过三轴陀螺仪传感器组C、电子罗盘传感器D来确定底盘的运动速度和运动方向，从而形成一个闭合的耦合控制系统，底盘的转动速度和转动方向将由用户在底盘上不断跑步控制，而用户跑步是根据观察显示屏上的游戏软件情节，因此这样就形成了一个由游戏情节通过用户观察来控制跑步，从而最终控制跑步机驱动器；

步骤4、用户在全向跑步机上每次踩下，都会触发底盘上若干个阻值传感器模块，从而若干个阻值传感器模块获取阻值传感器模拟信号，不同位置的阻值传感器模拟信号使得整个底盘以原点为中心构成了一个唯一的XY平面极坐标，然后这些XY平面极坐标数据、底盘的转动角速度、转动方向构成一个用户跑步运动向量通过无线WIFI模块发送给计算机；

步骤5、计算机接收到用户跑步运动向量数据，然后将用户跑步运动向量数据通过运动向量转置参数变换矩阵变换为3D的视频游戏软件能够接受的API键盘数据，3D的视频游戏软件接收到API键盘数据就会在相应的3D的视频游戏软件中反应出来；

步骤6、计算机运行的3D的视频游戏软件根据情节需要，将Z平面的加速度、位移要求、时间要求形成一个关于Z平面的动作控制向量，然后将Z平面的动作控制向量发送给跑步机驱动器，然后跑步机驱动器接受到这个动作控制向量，就会驱动伺服电机按照一定时间内的加速度要求驱动滑动丝杆到相应的Z平面位置；

步骤7、当用户在全向跑步机上根据情节需要跑步或转向运动的时候，计算机通过高清摄像头实时拍摄用户的运动姿态，计算机通过空间姿态提取算法程序将空间姿态实时转换为人体空间运动趋势向量矩阵，人体空间运动趋势向量矩阵包括人体关键特征点矩阵、特征点矩阵相关的运动趋势及速度、特征点矩阵相关的位移坐标，然后计算机将人体空间运动趋势向量矩阵拟合到3D的视频游戏软件中，然后3D的视频游戏软件作出相应的反馈动作结果；

步骤8、用户观察显示屏上播放的视频图像，通过手持电子仿真枪参与到3D的视频游戏软件中去，根据游戏情节手持电子仿真枪作出转向或抬高或下压或瞄准或射击的动作，这些动作都会被三轴陀螺仪传感器组A、电子罗盘传感器E、重力加速度传感器采集信息数据后，然后通过无线通信模块发送给计算机，计算机会在3D的视频游戏软件中作出相应的结果反馈。

本发明的有益效果如下：

1、本发明建立了一种面向虚拟现实游戏场景的主动式立体运动的全向跑步机，通过跑步机主体、手持电子仿真枪、计算机配合，用户根据游戏情节手持电子仿真枪作出转向或抬高或下压或瞄准或射击等动作，完全满足当前最新的虚拟现实游戏对多维运动场景的设备需求，将二维运动空间提升到了三维运动空间，配合虚拟现实头盔和高清摄像头，甚至可以扩展到6D运动空间，大大提高了用户在虚拟现实场景下的游戏体感度；

2、本发明构建了一个完备的虚拟现实场景实现方法，通过该方法使得用户在使用全向跑步机的时候，结合游戏视频软件，仿佛置身于真实的游戏场景中，犹如身临其境一般，不仅达到可以让用户得到身体的锻炼，还可以在游戏中得到锻炼的目的；

3、本发明通过创新提出了一种瞬时极坐标提取方法。它的基本原理是：用户在全向跑步机上每次踩下，都会触发底盘上若干个阻值传感器模块，从而若干个阻值传感器模块获取阻值传感器模拟信号，不同位置的阻值传感器模拟信号使得整个底盘以原点为中心构成了一个唯一的XY平面极坐标，然后这些XY平面极坐标数据、底盘的转动角速度、转动方向构成一个用户跑步运动向量通过无线WIFI模块发送给计算机，跑步机驱动器通过三轴陀螺仪传感器组C、电子罗盘传感器D来确定底盘的运动速度和运动方向，从而形成一个闭合的耦合控制系统，通过实时提取底盘上的XY平面极坐标以及相关的耦合控制，可以极大的提高玩家的运动姿态提取精度，从而进一步提高了游戏的体感度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为底盘的结构示意图；

图3为用户使用状态的结构示意图；

图4为手持电子仿真枪的结构示意图；

图5为虚拟现实头盔的结构示意图；

图6为本发明的电路的系统框图。

图7是全向跑步机的虚拟现实实现方法的逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：

如图1到图6所示，一种全向跑步机，包括跑步机主体1、手持电子仿真枪7、虚拟现实头盔8、计算机13、高清摄像头31，所述高清摄像头31固定在虚拟现实头盔8上，所述高清摄像头31与虚拟现实头盔8有线连接，所述高清摄像头31、手持电子仿真枪7、跑步机主体1都与计算机13无线连接，所述虚拟现实头盔8与计算机13有线连接，所述手持电子仿真枪7、虚拟现实头盔8都与跑步机主体1相配合，所述跑步机主体1包括底盘2、底盘固定座3、腰间固定装置4、固定支杆5，所述底盘2安装在底盘固定座3上，所述腰间固定装置4通过固定支杆5固定在底盘固定座3上，所述计算机13用于播放3D的视频游戏软件。

如图2所示，底盘2呈圆形。底盘2包括转轮20、滑动丝杆12、伺服电机15、跑步机驱动器18、若干个阻值传感器模块19、转盘14，所述转盘14设有通孔121，所述伺服电机15与跑步机驱动器18电性连接，所述伺服电机15连接滑动丝杆12的一端，所述滑动丝杆12的另一端插穿过通孔121，所述转轮20安装在转盘14上，所述若干个阻值传感器模块19安装在转盘14的底部。

如图6所示，跑步机驱动器18包括处理器181、运动加速度传感器182、三轴陀螺仪传感器组C183、无线WIFI模块184、伺服电机驱动器185、电子罗盘传感器D186，所述伺服电机驱动器185与伺服电机15电性连接，所述运动加速度传感器182、三轴陀螺仪传感器组C183、伺服电机驱动器185、无线WIFI模块184、电子罗盘传感器D186都与处理器电性连接，所述无线WIFI模块184与计算机13无线连接。

如图4所示，手持电子仿真枪7包括仿真枪外壳16、三轴陀螺仪传感器组A21、扳机按钮22、无线通信模块23、锂电池24、电子罗盘传感器E71、重力加速度传感器72，所述三轴陀螺仪传感器组A21、电子罗盘传感器E71、重力加速度传感器72都通过无线通信模块23与计算机13无线连接，所述三轴陀螺仪传感器组A21、无线通信模块23都与锂电池24电性连接，所述扳机按钮22安装在仿真枪外壳16上。

如图5所示，虚拟现实头盔8包括显示屏25、功放耳机27、视频传输线28、三轴陀螺仪传感器组B30、头套固定装置33，所述显示屏25与高清摄像头31有线连接，所述显示屏25通过视频传输线28与计算机13有线连接，所述三轴陀螺仪传感器组B30与计算机13无线连接，所述功放耳机27安装在头套固定装置33的两端，所述三轴陀螺仪传感器组B30安装在头套固定装置33上。显示屏是一个带有曲面反射功能的3D显示屏，可以实时显示计算机传送过来的3D视频信号，真实模拟360度的3D视频场景。

如图1所示，所述腰间固定装置4包括上腰间固定圆盘41、下腰间固定圆盘42、固定带43，所述上腰间固定圆盘41通过固定带43与下腰间固定圆盘42固定连接。

如图7所示，全向跑步机的虚拟现实实现方法，包括如下步骤：

步骤1、计算机13播放3D的视频游戏软件，然后计算机13通过视频传输线28投映到显示屏25上；

步骤2、用户观察显示屏25上的视频图像，根据情节需要，在所述全向跑步机上做跑步运动，跑步机驱动器18根据用户跑步的幅度、加速度以及移动位置来驱动底盘2开始转动，同时确定用户在底盘2上的位移坐标；

步骤3、跑步机驱动器18通过运动加速度传感器182来获取底盘2的角加速度，同时跑步机驱动器18通过三轴陀螺仪传感器组C183、电子罗盘传感器D186来确定底盘2的运动速度和运动方向，从而形成一个闭合的耦合控制系统，底盘2的转动速度和转动方向将由用户在底盘2上不断跑步控制，而用户跑步是根据观察显示屏25上的游戏软件情节，因此这样就形成了一个由游戏情节通过用户观察来控制跑步，从而最终控制跑步机驱动器18；

步骤4、用户在全向跑步机上每次踩下，都会触发底盘2上若干个阻值传感器模块19，从而若干个阻值传感器模块19获取阻值传感器模拟信号，不同位置的阻值传感器模拟信号使得整个底盘2以原点为中心构成了一个唯一的XY平面极坐标，然后这些XY平面极坐标数据、底盘的转动角速度、转动方向构成一个用户跑步运动向量通过无线WIFI模块184发送给计算机13；

步骤5、计算机13接收到用户跑步运动向量数据，然后将用户跑步运动向量数据通过运动向量转置参数变换矩阵变换为3D的视频游戏软件能够接受的API键盘数据，3D的视频游戏软件接收到API键盘数据就会在相应的3D的视频游戏软件中反应出来；

步骤6、计算机13运行的3D的视频游戏软件根据情节需要，将Z平面的加速度、位移要求、时间要求形成一个关于Z平面的动作控制向量，然后将Z平面的动作控制向量发送给跑步机驱动器18，然后跑步机驱动器18接受到这个动作控制向量，就会驱动伺服电机15按照一定时间内的加速度要求驱动滑动丝杆12到相应的Z平面位置；

步骤7、当用户在全向跑步机上根据情节需要跑步或转向运动的时候，计算机13通过高清摄像头31实时拍摄用户的运动姿态，计算机13通过空间姿态提取算法程序将空间姿态实时转换为人体空间运动趋势向量矩阵，所述人体空间运动趋势向量矩阵包括人体关键特征点矩阵、特征点矩阵相关的运动趋势及速度、特征点矩阵相关的位移坐标，然后计算机13将人体空间运动趋势向量矩阵拟合到3D的视频游戏软件中，然后3D的视频游戏软件作出相应的反馈动作结果；步骤8、用户观察显示屏25上播放的视频图像，通过手持电子仿真枪7参与到3D的视频游戏软件中去，根据游戏情节手持电子仿真枪7作出转向或抬高或下压或瞄准或射击的动作，这些动作都会被三轴陀螺仪传感器组A21、电子罗盘传感器E71、重力加速度传感器72采集信息数据后，然后通过无线通信模块23发送给计算机13，计算机13会在3D的视频游戏软件中作出相应的结果反馈。

综合步骤1到8，本发明构建了一个完备的虚拟现实场景实现方法，通过该方法使得用户在使用全向跑步机的时候，结合游戏视频软件，仿佛置身于真实的游戏场景中，犹如身临其境一般，不仅达到可以让用户得到身体的锻炼，还可以在游戏中得到锻炼的目的。

本发明建立了一种面向虚拟现实游戏场景的主动式立体运动的全向跑步机，通过跑步机主体、手持电子仿真枪、计算机配合，用户根据游戏情节手持电子仿真枪作出转向或抬高或下压或瞄准或射击等动作，完全满足当前最新的虚拟现实游戏对多维运动场景的设备需求，将二维运动空间提升到了三维运动空间，配合虚拟现实头盔和高清摄像头，甚至可以扩展到6D运动空间，大大提高了用户在虚拟现实场景下的游戏体感度；

本发明通过创新提出了一种瞬时极坐标提取方法。它的基本原理是：用户在全向跑步机上每次踩下，都会触发底盘上若干个阻值传感器模块，从而若干个阻值传感器模块获取阻值传感器模拟信号，不同位置的阻值传感器模拟信号使得整个底盘以原点为中心构成了一个唯一的XY平面极坐标，然后这些XY平面极坐标数据、底盘的转动角速度、转动方向构成一个用户跑步运动向量通过无线WIFI模块发送给计算机，跑步机驱动器通过三轴陀螺仪传感器组C、电子罗盘传感器D来确定底盘的运动速度和运动方向，从而形成一个闭合的耦合控制系统，通过实时提取底盘上的XY平面极坐标以及相关的耦合控制，可以极大的提高玩家的运动姿态提取精度，从而提高游戏的体感度。

需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。