雪橇运动模拟系统及方法与流程

本发明涉及侵入式虚拟现实领域，具体而言，涉及一种雪橇运动模拟系统及一种雪橇运动模拟方法。

背景技术：

雪橇运动对场地和设备有一定的要求，在基础场地发展基础较弱的情况下，对于普通大众仍具有一定的门槛，普通大众常常需要通过体验的方式感受到雪橇运动技术要领和感官感受。现有的模拟雪橇运动的方式还停留在2d显示画面上，通过游戏的方式，仅通过2d的视觉感官变化很难与真实的感官相比拟，感官较为单一。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中模拟雪橇运动感官单一，体验较差的问题，提出了一种雪橇运动模拟系统，包括：雪橇板、用于控制所述雪橇板的俯仰姿态角的俯仰控制装置、用于控制所述雪橇板的横滚姿态角的横滚控制装置、用于显示模拟赛道周围环境的显示装置及与所述俯仰控制装置、横滚控制装置、显示装置连接控制装置，所述控制装置用于基于预设的模拟赛道信息控制所述显示装置显示模拟赛道周围环境的动态画面、控制雪橇板的俯仰姿态角和横滚姿态角。

进一步地，所述雪橇板包括卧舱板、位于卧舱板底部的模拟滑刀和位于模拟滑刀下部的力传感器，所述模拟系统还包括用于拍摄用户躺在所述雪橇板的卧舱内时的姿态的图像采集装置，所述控制装置还用于根据力传感器测量的模拟滑刀的受力分布和图像采集装置采集的用户图像，调整所述显示装置显示模拟赛道周围环境的动态画面、调整所述雪橇板的俯仰姿态角和横滚姿态角。

进一步地，所述横滚控制装置包括弧形导轨、可被驱动沿所述弧形导轨滑动的滑动板；所述雪橇板一端与所述滑动板铰接；所述俯仰控制装置包括直线运动机构，所述直线运动机构的运动端与所述雪橇板的另一端铰接，所述直线运动机构的固定端与所述滑动板铰接，所述雪橇板位于所述弧形导轨的内侧。

进一步地，所述横滚控制装置还包括与所述滑动板铰接的多个导轮，所述导轮可被驱动相对所述弧形导轨滚动。

进一步地，还包括位于雪橇板两侧的初始速度模拟装置，所述初始速度模拟装置用于模拟赛道的初始速度，所述控制装置还用于根据所述初始速度调整调整所述显示装置显示模拟赛道周围环境的动态画面、雪橇板的俯仰姿态角和横滚姿态角。

进一步地，所述初始速度模拟装置包括第一轮、第二轮和包围所述第一轮和所述第二轮的环形柔性扶手，所述环形柔性扶手包括同步转动部和握持部，所述同步转动部与第一轮、第二轮同步转动，所述握持部位于第一轮和第二轮之间；所述初始速度模拟装置还包括，与所述第一轮或所述第二轮连接的角位移传感器，所述角位移传感器用于测量所述环形柔性扶手的角位移，所述控制装置还用于根据所述环形柔性扶手的角位移生成所述初始速度。

进一步地，所述显示装置包括头戴式vr显示设备，所述头戴式vr显示设备上设置有观看姿态测量传感器，所述观看姿态测量传感器用于测量用户头部的观看姿态，所述控制装置根据所述观看姿态调整所述头戴式vr显示设备显示的模拟赛道周围环境的动态画面。

本发明另一方面还提供了一种雪橇运动模拟方法，采用的设备包括用于用户乘坐的雪橇板、用于控制雪橇板的俯仰姿态角的俯仰控制装置、用于控制雪橇板的横滚姿态角的横滚控制装置，用户显示模拟赛道周围环境的显示装置，所述方法包括如下步骤：

加载模拟赛道周围环境显示场景时间序列、初始俯仰姿态角时间序列和初始横滚姿态角时间序列；

根据当前运行时间，控制显示装置显示与当前运行时间对应的模拟赛道周围环境的动态画面；

根据当前运行时间和初始俯仰姿态角时间序列，控制俯仰控制装置调整所述雪橇板的俯仰姿态角；

根据当前运行时间和初始横滚姿态角时间序列，控制横滚控制装置调整所述雪橇板的横滚姿态角。

进一步地，所述雪橇板还包括模拟滑刀，所述模拟滑刀下部设置有力传感器，所述雪橇板附近设置有用于拍摄用户躺在所述雪橇板的卧舱内时的姿态的图像采集装置；所述方法还包括：

根据力传感器测量的模拟滑刀的受力分布和图像采集装置采集的用户图像，调整所述显示装置显示模拟赛道周围环境的动态画面，调整所述雪橇板的俯仰姿态角和横滚姿态角。

进一步地，雪橇板两侧设置有初始速度模拟装置，所述初始速度模拟装置用于模拟赛道的初始速度；所述方法还包括：

根据所述初始速度调整调整所述显示装置显示模拟赛道周围环境的动态画面、雪橇板的俯仰姿态角和横滚姿态角。

本发明实施例中的雪橇运动模拟系统和方法令体验者可以侵入可视的虚拟世界中，以第一视角感受雪橇运动的全过程；以机器人为主体构建一套运动系统配合vr视觉系统，令体验者可以在其中驾驶，感受模拟无舵雪橇运动的三维运动体验。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟系统硬件结构示意图；

图2为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟系统中模块之间的信号连接示意图；

图3为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟系统中横滚控制装置与显示装置的配合显示示意图；

图4为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟系统中横滚控制装置与显示装置的配合显示示意图；

图5为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟系统中横滚控制装置与显示装置的配合显示示意图；

图6为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟系统中具体结构示意图；

图7为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟系统中具体结构示意图；

图8为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟系统中具体结构示意图；

图9为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟系统中具体结构示意图；

图10为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟方法的流程示意图；

图11为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟方法的另一流程示意图；

图12为本发明一些实施例中的雪橇运动模拟方法的另一流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明实施例提供了一种雪橇运动模拟系统及方法，采集现实中赛道中雪橇的运动路线，或者通过模拟形成运动路线，运动路线中包括各个时间点雪橇姿态(俯仰姿态、和横滚姿态)，根据运动路线来调整用户提供视觉上的感官变化，如，运行路线两侧的赛道场景显示变化，还调整用户俯仰方向和横滚方向上加速度上的感官变化。从而为用户提供了一种侵入式的体验，感受更加直观。

雪橇运动可以通过控制雪橇底部的钢刀的受力或者控制运动员的重心位置调整雪橇的运动。特别是无舵雪橇运动，比赛时运动员坐在雪橇上，双手借助起点助栏用力向后推，使雪橇向前起动，滑行中仰卧在雪橇上，单手拉住雪橇皮带利用身体起卧，变换肩、腿姿势操纵雪橇，使之沿着冰道快速滑降。通过变换身体的姿态来对雪橇的运动方向进行操控。本发明中实施例可以采用体验式的模拟方式，即让用户不需操作控制，按照预定模拟运动路线进行运行，用户感受显示场景的变化和自身姿态的变化。也可以通过外部传感器获取用户的控制姿态，例如受力分布情况或者用户身体局部器官的姿态，调整模拟运动路线上，用户的感受到显示场景变化和姿态变化。

本发明实施例第一方面，如图1～图9所示，提供了一种雪橇运动模拟系统100，包括：雪橇板110、用于控制所述雪橇板110的俯仰姿态角的俯仰控制装置120、用于控制所述雪橇板110的横滚姿态角的横滚控制装置130、用于显示模拟赛道周围环境的显示装置140及与所述俯仰控制装置120、横滚控制装置130、显示装置140连接控制装置150，所述控制装置150用于基于预设的模拟赛道信息控制所述显示装置140显示模拟赛道周围环境的动态画面、控制雪橇板110的俯仰姿态角和横滚姿态角。

本发明实施例中的模拟系统100通过身体姿态变化的感官和视觉上的感官给用户提供了雪橇运动的感受，特别是无舵雪橇运动的感受。使用时，用户躺在所述雪橇板110上，雪橇板边缘可设置有把手111，便于人手持和固定用户；运行过程中，显示装置140根据预先设定的模拟赛道场景信息进行显示，例如，显示装置140可以为显示方向朝向雪橇板110的显示屏、曲面屏，为了节省设备占用空间，和便于用户清晰观看，所述显示装置140还可以为头戴式显示器。

如图3至图5所示，示意了横滚控制装置130控制横滚姿态角下，显示装置140相应显示的场景变化。用户可通过显示装置140观看到模拟赛道200和自身的模拟腿部影像210

本发明实施例中的雪橇板110可以采用无舵雪橇板，以模拟无舵雪橇运动的高速变化的显示的场景和高速变化的俯仰姿态角和横滚姿态角。

本发明实施例中的模拟系统100能够根据通过记录真实的运动场景下的运动路线，获取运动过程中运动员所观看到的显示场景信息和姿态角信息，将显示场景信息通过显示装置140进行显示，通过俯仰控制装置120和横滚控制装置130使得用户感受到姿态角信息的变化。

本发明实施例中控制姿态角的方式，可以采用位移对应方式，也可采用速度对应方式，还可采用加速度对应方式，或者多种参量都一起对应。

本发明实施例中，所述模拟系统100还可实现交互式的侵入式体验，通过外部传感器测量用户的姿态变化、重心变化，对应调整显示场景信息和姿态角。具体地，所述雪橇板110还包括卧舱板112、位于卧舱板112底部的模拟滑刀113和位于模拟滑刀113下部的力传感器114，所述模拟系统100还包括用于拍摄用户躺在所述雪橇板110的卧舱112内时的姿态的图像采集装置160，所述控制装置150还用于根据力传感器114测量的模拟滑刀113的受力分布和图像采集装置160采集的用户图像，调整所述显示装置140显示模拟赛道周围环境的动态画面、调整所述雪橇板110的俯仰姿态角和横滚姿态角。

所述模拟滑刀113可以设置有两个或者多个，在每个模拟滑刀113下部设置有力传感器114，所述力传感器114例如可采用压力应变片，每个模拟滑刀113下部可以设置多个压力应变片，通过力传感器114返回的信号经过处理后获取到力的分布，从而获知用户相对雪橇板110的重心分布位置，通过实际多次采集到重心位置与雪橇运行路线的关系，从而调整模拟赛道中，雪橇运行的路线信息，从而改变显示场景信息和姿态角信息。类似地，通过采集用户的身体各部分的姿态，例如曲腿，侧身等姿态信息，根据历史采集的信息获知运动员姿态与雪橇板110运行路线和姿态的关系，从而根据当前用户的姿态调整模拟赛道中的雪橇板110的运行路线，从而改变现实场景信息和姿态角信息。例如，当测量到用户的重心向运行方向的左偏离时，模拟赛道中雪橇运行录像相应向左偏离，再结合周围赛道场景调整雪橇板的姿态角信息，调整俯仰角和横滚角度，还可适当调整雪橇板的位置；再例如，当测量到用户向右侧身时，模拟赛道中雪橇相应向右偏离，继而调整显示装置140中显示的场景信息，和俯仰控制装置120和横滚控制装置130产生的角度。

为了更加真实地贴近实际的赛道情况，同时模拟横滚角度和在赛道弧面上的移动，所述横滚控制装置130采用弧形轨道进行模拟，让雪橇板110沿着所述弧形轨道进行滑动，同时模拟横滚角度和弧面上的滑动，具体地，所述横滚控制装置130包括弧形导轨131、可被驱动沿所述弧形导轨131滑动的滑动板132；所述雪橇板110一端与所述滑动板132铰接；所述俯仰控制装置120包括直线运动机构121，所述直线运动机构121的运动端与所述雪橇板110的另一端铰接，所述直线运动机构121的固定端与所述滑动板132铰接，所述雪橇板110位于所述弧形导轨131的内侧。通过控制滑动板132相对所述弧形导轨131的滑动，从而可以控制所述雪橇板110相对所述弧形导轨131的滑动，实现横滚角度的控制和弧面位移的控制，所述弧形导轨131可以采用圆弧形，也可以采用其他弧形；通过控制直线运动机构121的伸长或者缩短，继而调整所述雪橇板110俯仰角度。如图8所示，所述模拟滑刀113承接在承接板115上，所述滑动板132与所述承接板115铰接，所述直线运动机构121与所述承接板115铰接。

所述直线运动机构121可以采用电动缸进行驱动，也可采用液压的方式进行驱动，所述直线运动机构121包括液压缸1211和可相对所述液压缸1211滑动的液压杆1212，所述液压杆1212的末端与所述雪橇板110铰接，所述液压缸1211的末端与所述滑动板132铰接。

所述滑动板132相对所述弧形导轨131滑动可以采用滑轨与滑块的方式进行配合，还可以采用导轮与轨道配合的方式。具体地，所述横滚控制装置130还包括与所述滑动板132铰接的多个导轮133，所述导轮133可被驱动相对所述弧形导轨131滚动，通过驱动所述导轮滚动实现滑动板132的滑动。驱动所述导轮133的滚动还可采用外部通过齿轮、弧形齿条配合的方式实现，还可采用钢丝轮与钢丝绳配合的方式实现，可以根据实际需要进行选择。所述导轮133包括承接弧面1331和限位侧面1332，所述承接弧面1331余所述弧形导轨131的弧面接触，所述限位侧面1332与所述弧形导轨131的侧面对应，通过限位侧面1332限制滑动板132的侧向滑动。

在无舵雪橇运动中，初始时需要运动员通过助栏用力向后推，获取进入赛道的初始速度，本发明实施例中也考虑到此点，通过环形运转的初始速度模拟装置获取模拟场景下的初始速度，具体地，模拟系统100还包括位于雪橇板110两侧的初始速度模拟装置170，所述初始速度模拟装置170用于模拟赛道的初始速度，所述控制装置150还用于根据所述初始速度调整调整所述显示装置140显示模拟赛道周围环境的动态画面、雪橇板110的俯仰姿态角和横滚姿态角。根据实际测量或者模拟运动员的初始速度和运行路线的关系，从而通过初始速度模拟装置170获取到的初始速度，改变模拟场景下的雪橇的运行路线。

所述初始速度模拟装置170包括第一轮171、第二轮172和包围所述第一轮171和所述第二轮172的环形柔性扶手173，所述环形柔性扶手包173括同步转动部1731和握持部1732，所述同步转动部1731与第一轮171、第二轮172同步转动，所述握持部1732位于第一轮171和第二轮172之间；所述初始速度模拟装置170还包括，与所述第一轮171或所述第二轮172连接的角位移传感器173，所述角位移传感器173用于测量所述环形柔性扶手173的角位移，所述控制装置150还用于根据所述环形柔性扶手173的角位移生成所述初始速度。所述为了给用户更加真实的体验，还可在所述第一轮171、第二轮172上设置阻尼，让用户感受到启动时的受力情况。

本发明实施例中，所述显示装置140包括头戴式vr显示设备，所述头戴式vr显示设备上设置有观看姿态测量传感器，所述观看姿态测量传感器用于测量用户头部的观看姿态，所述控制装置根据所述观看姿态调整所述头戴式vr显示设备显示的模拟赛道周围环境的动态画面。例如，当用户抬头时，可以在显示设备中看见场景中用户的腿部显示信息，通过调整观看的姿态，还可调整显示场景中观看的视角角度。所述显示场景关于用户的图像信息还可通过预先采集使用用户的图像信息，进行实时或者近实时加载，使得用户体验更加真实。

需要说明的是上述的俯仰控制装置和横滚控制装置还可采用6轴机器人替代，将雪橇板设置在所述6轴机器人的末端，通过控制末端的位姿进行模拟。

本发明实施例中的模拟系统，能够令体验者可以侵入可视的虚拟世界中，以第一视角感受雪橇运动的全过程；以机器人为主体构建一套运动系统配合vr视觉系统，令体验者可以在其中驾驶，感受模拟无舵雪橇运动的三维运动体验。

本发明实施例中的各个装置模块为了信息传输设置有相应的接口或者模块。

本发明另一方面，如图10所示，还提供了一种雪橇运动模拟方法，其特征在于，采用的设备包括用于用户乘坐的雪橇板、用于控制雪橇板的俯仰姿态角的俯仰控制装置、用于控制雪橇板的横滚姿态角的横滚控制装置，用户显示模拟赛道周围环境的显示装置，所述方法包括如下步骤：

s110、加载模拟赛道周围环境显示场景时间序列show(t)、初始俯仰姿态角时间序列pitch0(t)和初始横滚姿态角时间序列roll0(t)；

s120、根据当前运行时间t，控制显示装置显示与当前运行时间对应的模拟赛道周围环境的动态画面；

s130、根据当前运行时间t和初始俯仰姿态角时间序列，控制俯仰控制装置调整所述雪橇板的俯仰姿态角；

s140、根据当前运行时间和初始横滚姿态角时间序列，控制横滚控制装置调整所述雪橇板的横滚姿态角。

通过上述的方法，让用户直接体验到赛道运行路线上显示场景的变化和姿态角的变化。

需要说明的是，上述的步骤标号并未对执行步骤的顺序进行限制，可以同步执行。

本发明实施例中，还可进行交互式的体验，具体地，所述雪橇板还包括模拟滑刀，所述模拟滑刀下部设置有力传感器，所述雪橇板附近设置有用于拍摄用户躺在所述雪橇板的卧舱内时的姿态的图像采集装置；如图11所示，所述方法还包括：

s150、根据力传感器测量的模拟滑刀的受力分布和图像采集装置采集的用户图像，调整所述显示装置显示模拟赛道周围环境的动态画面，调整所述雪橇板的俯仰姿态角和横滚姿态角。

通过实时地采集用户的重心变化和姿态变化及时调整显示场景和运行路线上的姿态角，从而能够更加贴近真实，给用户更加真实的体验。

雪橇板两侧设置有初始速度模拟装置，所述初始速度模拟装置用于模拟赛道的初始速度；如图12所示，所述方法还包括：

s160、根据所述初始速度调整调整所述显示装置显示模拟赛道周围环境的动态画面、雪橇板的俯仰姿态角和横滚姿态角。

上述的方法步骤的详细原理描述可以参见上述的模拟系统的描述。

本发明实施例中的模拟方法，能够令体验者可以侵入可视的虚拟世界中，以第一视角感受雪橇运动的全过程。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。