一种虚拟现实位置识别系统的制作方法

本实用新型实施例涉及虚拟现实技术，尤其涉及一种虚拟现实位置识别系统。

背景技术：

虚拟现实技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，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。虚拟现实设备中通常包括虚拟现实穿戴头盔、主机以及其他系统外设，主机可以为PC机或移动终端。

目前，虚拟现实系统的位置识别技术主要包括在虚拟现实穿戴头盔机身内置了很多位置跟踪传感器，原理是在虚拟现实穿戴头盔机身前部上集成几个红外灯，发射的红外信号到接收器，接收器安装到PC机显示器上方，或者固定在三脚架上，用户必须处于接收器的可视范围内可以实现实时位置追踪，接收器可以为红外摄像头等。本方案的缺陷在于该系统只能实现一个前后方向的距离识别，而且范围有限。

目前的SteamVR系统是基于Lighthouse激光追踪系统来实现房间追踪，，可以在特定环境下准确追踪用户的移动，该系统缺陷在于使用前需要清空房间物体，不能有物体遮挡，否则会产生误差。

技术实现要素：

本实用新型提供一种虚拟现实位置识别系统，以实现虚拟现实穿戴设备在有限的空间通过实现各种方向的准确定位。

本实用新型实施例提供了一种虚拟现实位置识别系统，该系统包括：

虚拟现实穿戴设备、外置定位设备和主机；其中，所述虚拟现实穿戴设备内设置有超声波发生器，所述外置定位设备为分别放置在预设坐标系的X轴、Y轴和Z轴的超声波接收器，所述主机中包括坐标位置电路；

所述虚拟现实穿戴设备，用于通过超声波发生器发出超声波，记录超声波发送时间；

所述外置定位设备，用于所述各超声波接收器获取所述超声波，记录超声波接收时间；

所述坐标位置电路，连接所述虚拟现实穿戴设备的发送时间输出端和所述外置定位设备的接收时间输出端，用于根据所述超声波接收时间与所述超声波发送时间之差以及各超声波接收器在的坐标位置，计算得出所述虚拟现实穿戴设备的坐标位置。

优选的，所述主机中还包括显示数据输出电路，连接所述坐标位置电路的位置坐标输出端，用于根据所述位置坐标发送对应画面输出数据给所述虚拟现实穿戴设备。

优选的，所述X轴、Y轴和Z轴方向上分别放置有至少两个超声波接收器。

优选的，所述坐标位置电路中包括预备坐标位置电路和加权平均电路；

所述预备坐标位置电路，连接所述虚拟现实穿戴设备的发送时间输出端和所述外置定位设备的接收时间输出端，用于根据三个分别在X轴、Y轴和Z轴放置的三个超声波接收器的坐标位置以及该三个超声波接收器对应的所述超声波接收时间与所述超声波发送时间之差，得出一个预备坐标位置，依照上述方式取尽所有超声波接收器的坐标位置和超声波接收器的所述超声波接收时间，得出多个预备坐标位置；

所述加权平均电路，连接所述预备坐标位置电路的输出端，用于通过对所有预备坐标位置做加权平均得到所述虚拟现实穿戴设备的坐标位置。

本实用新型通过超声波发生器和超声波接收器构成的虚拟现实位置识别定位系统，使虚拟现实穿戴设备在有限的空间通过多个超声波传感器实现预设坐标系中X轴，Y轴，Z轴的准确定位，超声波传播对物体遮挡带来的误差有一定的抵御能力，实现虚拟现实穿戴设备在有限的空间通过实现各种方向的准确定位提高虚拟现实的定位精度，通过该位置识别系统的精准定位提高虚拟现实交互感受和沉浸感。

附图说明

图1是本实用新型实施例一中的一种虚拟现实位置识别系统的结构示意图一；

图2是本实用新型实施例一中的一种虚拟现实位置识别系统的结构示意图二；

图3是本实用新型实施例二中的一种虚拟现实位置识别系统的结构示意图一；

图4是本实用新型实施例二中的一种虚拟现实位置识别系统的结构示意图二。

图5是本实用新型实施例二中的一种虚拟现实位置识别系统的结构示意图三。

图6是本实用新型实施例二中的一种虚拟现实位置识别系统的结构示意图四。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1和图2所示为本实用新型实施例一提供的一种虚拟现实位置识别系统的结构示意图，本实施例可适用于虚拟现实穿戴设备在有限的空间中定位的情况，虚拟现实系统中通常包括虚拟现实穿戴设备、主机以及其他系统外设，系统外设和穿戴设备均通过无线通信设备或有线通信设备与主机通信交互，该虚拟现实位置识别系统的具体结构如下：

包括虚拟现实穿戴设备110、外置定位设备120和主机130；其中，虚拟现实穿戴设备110内设置有超声波发生器111，外置定位设备120为分别放置在预设坐标系的X轴、Y轴和Z轴的超声波接收器121，主机130中包括坐标位置电路131。

其中，通常虚拟现实穿戴设备110为虚拟现实穿戴显示设备、虚拟现实穿戴手环等，本实用新型中，虚拟现实穿戴设备包含虚拟现实穿戴显示设备，也可以包括虚拟现实穿戴手环等，并不做限定。超声波发生器111可以设置在虚拟现实穿戴设备110内的任何一部分上。主机130可以为PC机或移动终端。其中预设坐标系为预设的空间坐标系，该空间坐标系设置在虚拟现实穿戴设备110运动的空间中，在该坐标系的X轴、Y轴和Z轴分别设置至少一个超声波接收器121。

虚拟现实穿戴设备110，用于通过超声波发生器发出超声波，记录超声波发送时间。

其中，虚拟现实穿戴设备110中采用第一计时器的输入端连接超声波发生器的输出端来记录超声波发送时间，第一计时期的输出端连接主机的超声波发送时间输入端。

外置定位设备120，用于各超声波接收器获取超声波，记录超声波接收时间。

其中，外置定位设备120中采用第二计时器的输入端连接超声波接收器的输出端来记录超声波接收时间，第二计时器的输出端连接主机的超声波接收时间输入端。

其中，超声波发生器111的发射频率与超声波接收器121的接收频率相同，且由于一般应用在超声波设备中的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz，用户无法听到，不对用户造成噪声干扰。

坐标位置电路131，用于根据超声波接收时间与超声波发送时间之差以及各超声波接收器的坐标位置，计算得出虚拟现实穿戴设备的坐标位置。

其中，坐标位置均为在预设坐标系中的坐标位置，各超声波接收器的坐标位置为预先存储在坐标位置电路131中的。根据超声波接收时间与超声波发送时间之差乘以超声波传播速度，得出虚拟现实穿戴设备110与各超声波接收器121的距离，根据所有超声波接收器121中部分或全部超声波接收器121的坐标位置和其与虚拟现实穿戴设备110的距离，可以计算得出虚拟现实穿戴设备110的坐标位置，由于采用了三个坐标轴上的超声波接收器121进行定位，定位准确。

本实施例中坐标位置电路131计算的实施原理例如：采用坐标位置电路131中的减法器计算得出超声波接收时间与超声波发送时间之差发送给坐标位置电路131的FPGA计算电路，再通过坐标位置电路131中的FPGA计算电路读取在坐标位置电路131的存储器中预先存储的各超声波接收器的坐标位置，FPGA计算电路计算得出虚拟现实穿戴设备的坐标位置。

本实施例的技术方案，通过超声波发生器和超声波接收器构成的虚拟现实位置识别定位系统，使虚拟现实穿戴设备在有限的空间通过多个超声波传感器实现预设坐标系中X轴，Y轴，Z轴的准确定位，超声波传播对物体遮挡带来的误差有一定的抵御能力，实现虚拟现实穿戴设备在有限的空间实现各种方向的准确定位提高虚拟现实的定位精度，通过该位置识别系统的精准定位提高虚拟现实交互感受和沉浸感。

在上述技术方案的基础上坐标位置电路131优选可以具体用于：根据X轴、Y轴和Z轴的超声波接收器的坐标位置，以及X轴、Y轴和Z轴的超声波接收器对应的超声波接收时间与超声波发送时间之差，通过三球交点定位算法得出虚拟现实穿戴设备的坐标位置。

本实施例中坐标位置电路131计算的实施原理例如：采用坐标位置电路131中的减法器计算得出X轴、Y轴和Z轴的超声波接收器对应的超声波接收时间与超声波发送时间之差发送给主机的FPGA计算电路，再通过坐标位置电路131中的FPGA计算电路读取在坐标位置电路131的存储器中预先存储的X轴、Y轴和Z轴的超声波接收器的坐标位置，通过FPGA计算电路计算得出虚拟现实穿戴设备的坐标位置，FPGA计算电路中的具体计算过程见实例1。

实例1：将被定位物体到达3个坐标轴的超声波接收器的超声波接收时间与超声波发送时间之差分别为△t1，△t2，△t3，将该超声波的时间差定义为一组声波数据。超声波数据与超声波传送速度的乘积就为声源到达测量点的实际距离，利用三组超声波数据，可以对目标进行三轴定位。三轴定位中目标的位置是由以各超声波接收器的位置为圆心，以各超声波接收器到测量目标(虚拟现实穿戴设备110)的距离为半径的三个球的交点来确定。则利用三球交点定位算法的公式为：

其中，X轴、Y轴和Z轴的超声波接收器的坐标位置分别记为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)和(x3，y3，z3)，超声波在空间中的传播速度为c。联立解以上方程组，就可以得到被定位物体的位置坐标。

实施例二

图3和图4为本实用新型实施例二提供的一种虚拟现实位置识别系统的结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，优选的对主机做了进一步限定。

该虚拟现实位置识别系统的具体结构如下：

该系统包括虚拟现实穿戴设备210、外置定位设备220和主机230；其中，虚拟现实穿戴设备210内设置有超声波发生器211，外置定位设备220为分别放置在预设坐标系的X轴、Y轴和Z轴的超声波接收器221，主机230中还包括坐标位置电路231。

虚拟现实穿戴设备210，用于通过超声波发生器发出超声波，记录超声波发送时间。

其中，虚拟现实穿戴设备110中采用第一计时器的输入端连接超声波发生器的输出端来记录超声波发送时间，第一计时器的输出端连接主机的超声波发送时间输入端。

外置定位设备220，用于各超声波接收器获取超声波，记录超声波接收时间。

其中，外置定位设备120中采用第二计时器的输入端连接超声波接收器的输出端来记录超声波接收时间，第二计时期的输出端连接主机的超声波接收时间输入端。

其中，超声波发生器211的发射频率与超声波接收器221的接收频率相同，且由于是超声波，用户无法听到，不对用户造成噪声干扰。

坐标位置电路231，用于根据超声波接收时间与超声波发送时间之差以及各超声波接收器221的坐标位置，计算得出虚拟现实穿戴设备210的坐标位置。

如附图5所示，主机中还包括显示数据输出电路232，连接坐标位置电路231的位置坐标输出端，用于根据位置坐标发送对应画面输出数据给虚拟现实穿戴设备。

其中，对应画面输出数据可以通过主机中3D引擎根据虚拟现实穿戴设备210的坐标位置绘制得到的，通过根据位置坐标发送对应画面输出数据给虚拟现实穿戴设备，提高了虚拟现实交互感受和沉浸感。

在上述技术方案的基础上，优选可以为X轴、Y轴和Z轴方向上分别放置有至少两个超声波接收器。

且优选的，如图6所示，坐标位置电路131包括预备坐标位置电路2311和加权平均模电路2312。

预备坐标位置计算模电路2311，用于根据三个分别在X轴、Y轴和Z轴放置的三个超声波接收器的坐标位置以及该三个超声波接收器对应的超声波接收时间与超声波发送时间之差，得出一个预备坐标位置，依照上述方式取尽所有超声波接收器的坐标位置和超声波接收器的所述超声波接收时间，得出多个预备坐标位置。

预备坐标位置计算模电路2311计算的实施原理例如：采用标位置计算模电路2311中的减法器计算得出超声波接收时间与超声波发送时间之差发送给标位置计算模电路2311的FPGA计算电路，再通过标位置计算模电路2311中的FPGA计算电路读取在标位置计算模电路2311的存储器中预先存储的各超声波接收器的坐标位置，FPGA计算电路计算得出虚拟现实穿戴设备的预备坐标位置，FPGA计算电路中的具体计算过程见实例2。

加权平均电路2312，连接预备坐标位置电路2311的输出端，用于通过对所有预备坐标位置做加权平均得到虚拟现实穿戴设备的坐标位置。

加权平均电路2312计算的实施原理例如：加权平均电路2312为FPJA电路或逻辑数字电路，通过对预备坐标位置电路2311输出的所有预备坐标位置进行加权平均得到虚拟现实穿戴设备的坐标位置。

实例2：X轴、Y轴和Z轴方向上分别放置有两个超声波接收器221，X轴放置有超声波接收器Xa、Xb，Y轴放置有超声波接收器Ya、Yb，Z轴上放置有超声波接收器Za、Zb；预备坐标位置电路2311先通过实例1中的三球交点定位算法根据超声波接收器Xa、Ya、Za的坐标位置以及该三个超声波接收器对应的超声波接收时间与超声波发送时间之差，得出一个预备坐标位置T1(t1x，t1y，t1z)，再通过实例1中三球交点定位算法根据超声波接收器Xb、Yb、Zb的坐标位置以及该三个超声波接收器对应的超声波接收时间与超声波发送时间之差，得出一个预备坐标位置T2(t2x，t2y，t2z)，此时，取尽所有超声波接收器的坐标位置和超声波接收器的所述超声波接收时间。最终加权平均电路2312通过将所有预备坐标位置T1和T2进行加权平均，得到了虚拟现实穿戴设备的坐标位置[(t1x+t2x)/2，(t1y+t2y)/2，(t1z+t2z)/2]。

通过预备坐标位置电路2311和加权平均电路2312对各坐标轴上的至少两个超声波接收器进行分组计算并加权平均，可以取得更精准的虚拟现实穿戴设备坐标位置。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。