基于cave的沉浸式摩托艇驾驶仿真系统的制作方法

专利名称：基于cave的沉浸式摩托艇驾驶仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是沉浸式虚拟现实技术，仿真技术，嵌入式技术和人工智能技术。
(二)
背景技术：
摩托艇运动是用摩托艇作为运动工具而进行的一种水上竞技活动。它不仅能 丰富群众文化娱乐生活，同时还可以锻炼人们的体质和勇于同大自然搏斗的顽强 意志。摩托艇运动是一种极富剌激性和冒险性的水上运动，参赛者在运动中不仅 要克服各种困难，还必须具有一往直前的勇气。摩托艇运动是一项水上综合性的 技术活动，要求运动员熟悉并适应水上生活，具有航海知识，驾驶船艇和使用小 型高速发动机的技术。
摩托艇运动符合了现代社会人们的精神需求方向，人们在工作压力之余，可 以在这项运动中找到属于自己的一片天地，释怀自然。惊险、剌激，摩托艇运动 把人类追求水上飞行的理想化为现实，成为年轻人进行户外健身、休闲的新的时 尚。
但是由于摩托艇运动要在大面积水域实现，而我国的大部分地区为陆地区 域，同时很多人没有受过训练或不会游泳，因此不能够亲身参与这项运动或休闲。 但是随着CAVE系统的发展，这种限制正在消失，越来越多的人可以从沉浸式虚 拟环境中实现梦想。
CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)系统是一种沉浸式的虚拟现实 系统，它由围绕观察者的多个投影面围成封闭空间。通过投影构造一个虚幻的环 境，观察者戴上立体眼镜，同时佩戴视点获取设备(以便将观察者的视点位置实 时反馈到计算机系统)融合到虚拟环境中，体验身临其境的感觉。
CAVE是世界上第一个虚拟现实系统，它把高分辨率的立体投影技术、三维 计算机图形技术和音响技术等有机地结合在一起，产生一个完全沉浸式的虚拟环 境。CAVE系统需要大型图形工作站、动作跟踪设备等，成本高，难以普及。本 发明简化了 CAVE的贵重设备，采用并行PC计算机集群来代替图形工作站，结合相应的算法，实现了大型工作站的图形绘制功能，成本降低了几十倍。
虽然关于虚拟仿真技术的公开报道较多，例如中国专利公开(公告)号
CN101201983的专利文件中公开的"列车模拟驾驶系统"；CN101251958的专利
文件中公开的"面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法"等技术方案。但还没有关
于摩托艇驾驶仿真技术的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以训练专业运动员，同时也可以作为娱乐工具 的基于CAVE的沉浸式摩托艇驾驶仿真系统。 本发明的目的是这样实现的
由控制系统、运动系统和场景系统构成；其中控制系统包括控制主机、控制 单片机系统、3D音响系统、海风生成系统和海面/地面生成系统，开关、按钮、 油门、转向、仪表、震动电机均与控制单片机相连接，控制单片机系统与控制主 机互连，控制主机控制海风生成系统、3D音响系统、海面/地面生成系统；运动 系统包括运动控制机、摆动平台、升降平台、摩托艇支架、摩托艇外壳，运动控 制机与控制主机连接，运动控制机控制摆动平台、升降平台，摆动平台和升降平 台与摩托艇支架相连，摩托艇外壳与摩托艇支架相连；场景系统包括PC计算机 集群和与每台PC计算机相连的投影仪，PC计算机集群与控制主机相连。
本发明还可以包括
1、所述的控制系统的控制单片机系统是51系列单片机，开关、按钮与控制 单片机的P0 口连接，油门、转向线性输入通过A/D转换与控制单片机的P1 口连 接，仪表模拟信号输出器件通过D/A转换与控制单片机的P2 口连接，震动电机 与控制单片机的P2 口连接，控制单片机系统通过串口与控制主机连接；海风生 成器包括海风控制机、风力发生器、配风器、温湿味控制器，海风控制机为一套 51系列单片机系统，与控制主机通过并口连接，风力发生器、配风器、温湿味 控制器通过驱动电路连接到相应的管脚上，海风控制机接收控制主机发送的摩托 艇速度、气象、温度、环境信号，将指令送到相应的管脚，驱动设备进行工作， 风力发生器接收到控制信号后，产生一定流量的风，送到配风器，配风器对送来 的风进行风力、风向和湍流调制，然后送入温湿味控制器进行温度、湿度和气味 的调制，完成后直接送入CAVE封闭环境模拟海风；3D音响系统包括一组音响，音响通过音频线与控制主机的声卡连接。
2、 运动系统包括运动控制机、运动平台、摩托艇支架、摩托艇外壳，运动 控制机与控制主机通过扩展串口连接，运动平台包括俯仰控制系统、摇摆控制系 统、升降控制系统，俯仰控制系统包括Y轴向弧形导轨、俯仰双向液压臂、液压 电机、行程开关、俯仰控制器，弧形导轨在升降架上进行X方向滑动，支架通过 导轨进行Y方向滑动，弧形导轨与液压臂成垂直连接，通过液压臂的伸縮，导轨 带动支架进行x方向俯仰，摇摆控制系统结构与俯仰控制系统相同，带动支架沿 Y轴做摇摆运动，升降控制系统包括升降架、垂直导轨、垂直液压臂、升降控制 器、液压泵，液压臂底座连接在底座上，另一端与升降架连接，与导轨配合实现 升降架的Z方向升降，升降控制器、俯仰控制器、摇摆控制器与运动单片机连接， 接收运动单片机发出的伸缩信号，输出端与液压泵连接，把伸缩信号变为油泵的 控制信号，驱动液压臂达到要求的运动位置，控制主机通过接收驾驶员的操作信 号，运算出摩托艇的速度、加速度、姿态、振动等信息，把摩托艇的姿态、位置 信号发给运动控制机，运动控制机将控制信号解算称油缸控制信号，然后通过相 应的控制器驱动油缸。
3、 场景系统为沉浸式CAVE系统，包括10台PC计算机、10台偏振光投影 仪、五块投影幕、偏振光立体眼睛，五块投影幕组成下表面留空的立方体，海面 /地面由海面发生器填补，PC计算机组成并行运算计算机集群，通过网络与控制 主机连接，投影仪与PC机数字输出端口连接，每两台PC机负责一块投影幕的立 体显示，这两台PC机首先从控制主机获取不同的视点位置，然后绘制各视点的 场景，通过偏振投影仪投影到屏幕上。
4、 所述的海面/地面生成器是模拟海面，包括海面控制机、海控单片机系统、 固定水池、海浪生成器、艇尾水花生成器，水池固定在底座上，池内充满海水， 水池成"回"字形，摩托艇中央有一环形孔，摩托艇支架通过水池中央的孔安装 在球形轴承上，环形孔与水池的孔配合在一起，把水与摩托艇支架隔开，同时保 持摩托艇支架能进行摇摆运动，球形轴承外壁固定在升降架上，限制支架的平移 和Z方向转动，只允许进行X方向和Y方向的转动，海面控制机与海控单片机系 统通过串口连接，海浪生成器、艇尾水花生成器通过驱动电路与海控单片机系统;
5、 所述的海面/地面生成器是模拟地面，包括地面控制机、地控单片机系统、水池、弹性幕布、推拉杆、步进电机、投影机，地面控制机与地控单片机系统通 过串口连接，步进电机通过驱动器与地控单片机系统连接，弹性幕布与推拉杆上 端固定，投影机与地面控制机连接，水池内不填充水，池底安装网格步进拉杆机 械装置，装置上端布置一块弹性投影幕，同时布置一台投影机，通过步进电机构 建池底网格点的坐标高程，推动弹性投影幕形成摩托艇周围的地形，配合投影机 的纹理投影，构造一块仿真地形。
本发明仿真摩托艇的驾驶，可以训练专业运动员，同时也可以作为娱乐工具， 作为距离大型水域较远的人群提供摩托艇的紧张刺激，或变换成陆地或空中交通 工具，结合场景系统的开发、扩充，能够足不出户进行风景、古迹的游览，甚至 可以漫游太空。
在硬件结构上，本发明提供一套摩托艇驾驶仿真平台，包括四自由度的摩托 艇平台、人工交互设备、PC并行处理系统、CAVE立体投影系统，海面(地面) 形成器、立体被动3D眼镜。
摩托艇平台是整个系统的输入系统，包括多人摩托艇外壳、六自由度动作平 台、驾驶输入设备等。多人摩托艇外壳可根据需要制作，可以是单座，也可以是 容纳多人的摩托艇，为了减轻重量，采用轻质高强度塑料制作，外形和颜色专门 设计以提高吸引力。底座由钢管焊接而成，底面积根据场地情况设计，但不得小 于摩托艇俯视图面积4倍。支撑摩托艇外壳的支架为圆柱形，使用轻质金属材料 制作，上端穿入摩托艇中心，通过螺栓与摩托艇形成刚性连接，上l/3处通过轴 承连接在升降平台上，下端装有配重系统。支架可以在轴承处绕X和Y轴进行两 自由度的旋转，从而使摩托艇进行摇摆和俯仰。为了减少运动时的驱动力，支架 下方安装了一套配重系统，配重系统可以上下调节配重块以平衡支架上下两端的 力矩，提高平台运动的速度，降低驱动力。三自由度运动平台由两种运动装置组 成而成， 一部分是可以升降的升降平台，二是固定在升降平台上的十字弧形导轨 摇摆转台，摇摆转台固定在升降平台上，升降平台可以在底座上沿Y轴升降，摇 摆转台的十字弧形导轨在液压臂的驱动下可以在XY平面内自由移动，从而推动 支架进行俯仰和摇摆2自由度转动。通过组合升降平台和摇摆平台的动作，摩托 艇可以进行升降、俯仰、摇摆。因此摩托艇能够进行3自由度运动，从而模拟实 际游艇的所有运动，带给驾驶者冲浪的感受。X轴向和Y轴向的平移可以通过CAVE系统的场景变换实现。
人工交互设备是指固定在摩托艇上用于控制摩托艇的交互设备，包括油门、 方向盘、变速杆、离合器、点火开关、控制单片机系统、位置感应器等。油门、 方向盘通过变阻器产生电信号，然后通过A/D转换输入控制单片机，控制单片机 系统采用51系列单片机，对外围器件的响应采用中断和査询相结合的方式，仪 表通过D/A转换与控制单片机相连，其他二值开关通过驱动器与控制单片机系统 相连，控制单片机系统与本发明的控制主机的并口/串口连接，用于模拟摩托艇 电信号的输入输出。
PC并行处理系统包括控制主机、平台综合运动控制机、立体显示PC机群等， 所有PC机通过网络连接，基于UDP协议通信，主控机通过串口/并口与控制单片 机系统连接，接收摩托艇的操作信号并把相应的状态信号输出到相应的艇上设 备。控制主机通过摩托艇控制信号运算摩托艇身的位置、状态和视点，平台综合 运动控制机接收控制主机的艇身运动信号，解算出运动平台各液压臂的控制信 号，通过控制程序控制各液压臂的伸縮合成艇身的运动。实现摩托艇支架的摇摆、 俯仰和升降，同时根据油门信号驱动艇身震动器实现摩托艇启动后的机械震动。 立体显示机群包括6台高性能微机，彼此通过局域网连接在一起，构成并行计算 集群，每台微机与一台投影机连接，集群接收来自控制主机的位置信号和摩托艇 的朝向，然后对与场景对应的投影幕进行裁减和绘制，同时输出绘制结果。绘制 结果通过边缘裁剪和拼接后投影到幕布上，形成沉浸式投影环境。平台综合运动 控制机接收控制主机的摩托艇运动数据，实事结算为相应的液压臂动作数据，通 过液压臂驱动电路驱动液压臂工作，并行处理机群包括六台高性能PC机，每台 PC机与一台投影仪连接，PC机之间通过网络连接，通过内置软件实现高速并行 运算。采用高性能的主动或被动式立体显示技术，每2台PC机负责CAVE系统的 一个投影幕的影像绘制工作,通过控制主机调整视差以形成立体投影，通过网络 同步控制技术和变形矫正算法，使每台PC机绘制的场景分别同步无失真地显示 输出，并投射在相应的投影幕上。参与者通过使用立体眼镜置身与一个完全沉浸 的虚拟环境。
海面(地面)形成器放置在摩托艇下面，使摩托艇产生浮在水面的感觉，包 括水流驱动电机、海浪发生器、水花发生器、海风发生器等，水流驱动电机主要使水产生动态流动的效果，海浪发生器使水面产生不同高度的波浪，配合摩托艇 动作平台的动作，产生冲浪的感觉。水花发生器主要模拟摩托艇尾部的喷射水流 和摩托艇运动后产生的轨迹。海风发生器位于摩托艇前方，通过输出一定温度和 湿度、味道的海风，模拟海绵自然环境。海绵(地面)形成器与场景以及摩托艇 的运动都是同步的，形成器形成的海面与投影幕的海面无缝连接在一起，给驾驶 者一种非常自然的处于自然环境中的感觉。通过此功能可以进行名胜古迹的游
览、自然环境的观光、科幻时空的穿越等功能。
(四)


图l是系统组成结构图； 图2是实物连接示意图3是海面生成器剖面示意图； 图4是地面生成器剖面示意图； 图5是海风生成器结构图6是系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述
结合图1，基于CAVE摩托艇驾驶平台的功能子系统主要包括控制系统、 运动系统和场景系统。其中控制系统是本发明的控制中心，包括控制单片机系统、
3D音响系统、海风生成系统和海面(地面)生成系统。控制单片机系统使用51
系列单片机，开关、按钮等与控制单片机的po 口连接，油门、转向等线性输入
通过A/D转换与控制单片机的Pl 口连接，仪表等模拟信号输出器件通过D/A转 换与控制单片机的P2 口连接，震动电机与控制单片机的P2 口连接，控制单片机 系统通过串口与控制主机连接，工作时，驾驶员的操作信号如点火、加油、转向 等动作通过控制单片机处理成标准格式送入控制主机，仪表、灯光及摩托艇振动 信号由控制主机通过串口通信送入控制单片机，控制单片机解读指令后，把相应 的控制信号送到相应的元器件执行相应动作。
海风生成器包括海风控制机、风力发生器、配风器、温湿味控制器几部分， 海风控制机为一套51系列单片机系统，与控制主机通过并口连接，风力发生器、 配风器、温湿味控制器通过驱动电路连接到相应的管脚上，工作时，海风控制机接收控制主机发送的摩托艇速度、气象、温度、环境等信号，实事运算出相应的 风力、风向、温度、湿度、气味等参数，将指令送到相应的管脚，驱动设备进行 工作，风力发生器接收到控制信号后，产生一定流量的风，送到配风器，配风器 根据预先设计的风力模型对送来的风进行风力、风向和湍流调制，然后送入温湿 味控制器进行温度、湿度和气味的调制，完成后直接送入CAVE封闭环境模拟海 风。
3D音响系统包括6个音响，分布在CAVE系统的特定位置，形成一个3D音 效场。音响通过音频线与控制主机的声卡连接，控制主机根据CAVE环境和摩托 艇的实际情况，在虚拟环境内实现3D声音的控制，增强摩托艇的沉浸感、临场 感和真实感。
结合图3，海面(地面)生成器在模拟海面时，包括海面控制机23、海控单 片机系统18、固定的水池19、海浪生成器20、艇尾水花生成器21等。水池固 定在底座上，池内充满海水22，水池成"回"字形，摩托艇中央有一环形孔， 摩托艇支架7通过水池19中央的孔安装在球形轴承上，环形孔与水池19的孔配 合在一起，把水与摩托艇支架隔开，同时保持摩托艇支架能进行摇摆运动，球形 轴承外壁固定在升降架上，限制支架的平移和Z方向转动，只允许进行X方向和 Y方向的转动，海面控制机17与海控单片机系统18通过串口连接，海浪生成器 20、艇尾水花生成器21通过驱动电路与海控单片机系统18连接。模拟海面时， 水池内安装的海浪生成器20和艇尾水花生成器21，这两部分都是由高压泵和喷 射管道构成，通过生成主机的控制按照流体力学模型生成不同强度的波浪和水 花，与四周投影幕生成的立体环境融为一体，同时配合摩托艇的动作，将操作者 置身与虚拟的大海中。
结合图4，海面(地面)生成器在模拟地面时，包括海面控制机23、地控 单片机系统28、水池19、弹性幕布24、推拉杆25、步进电机26、投影机28等， 海面控制机17与地控单片机系统23通过串口连接，步进电机26通过驱动器与 地控单片机系统连接，弹性幕布与推拉杆上端固定，投影机与海面控制机连接。 水池19内不填充水，池底安装网格步进拉杆机械装置，装置上端(艇身底部) 布置一块弹性投影幕，同时布置一台投影机28，通过步进电机构建池底网格点 的坐标高程，推动弹性投影幕形成摩托艇(汽车、飞行器)周围的地形，配合投影机的纹理投影，构造一块仿真地形。
运动系统是生成摩托艇运动的关键模块，主要包括运动控制机、运动平台、 摩托艇支架、摩托艇外壳等。运动控制机与控制主机通过扩展串口连接，运动平 台包括俯仰控制系统、摇摆控制系统、升降控制系统，俯仰控制系统包括Y轴向 弧形导轨、俯仰双向液压臂、液压电机、行程开关、俯仰控制器等，弧形导轨可 以在升降架上进行X方向滑动，支架可以通过导轨进行Y方向滑动，弧形导轨与 液压臂成垂直连接，通过液压臂的伸縮，导轨带动支架进行X方向俯仰。摇摆控 制系统结构与俯仰控制系统相同，带动支架沿Y轴做摇摆运动。升降控制系统包 括升降架、垂直导轨、垂直液压臂、升降控制器、液压泵等，液压臂底座连接在 本发明的底座上，另一端与升降架连接，与导轨配合可以实现升降架的Z方向升 降。升降控制器、俯仰控制器、摇摆控制器与运动单片机连接，接收运动单片机 发出的伸縮信号，输出端与液压泵连接，把伸縮信号变为油泵的控制信号，驱动 液压臂达到要求的运动位置。控制主机通过接收驾驶员的操作信号，运算出摩托 艇的速度、加速度、姿态、振动等信息，把摩托艇的姿态、位置信号发给运动控 制机，运动控制机将控制信号解算称油缸控制信号，然后通过相应的控制器驱动 油缸在一定时间内达到所要求的位置。通过三套运动机构的合成，摩托艇可以实 现3自由度的姿态变换。
场景系统采用沉浸式CAVE系统，本发明的场景系统包括10台PC计算机、 10台偏振光投影仪、五块投影幕、偏振光立体眼睛等。五块投影幕组成下表面 留空的立方体，海面(地面)由海面发生器填补，这样就构成了一个全封闭的空 间。PC计算机组成并行运算计算机集群，通过网络与控制主机连接，投影仪与 PC机数字输出端口连接，每两台PC机负责一块投影幕的立体显示，这两台PC 机首先从控制主机获取不同的视点位置，然后绘制各视点的场景，通过偏振投影 仪投影到屏幕上，观察者通过偏振立体眼镜就能沉浸到构造的虚拟场景中。投影 幕可根据情况减少以降低成本。
PC并行工作集群具有很高的计算速度和图形处理能力。同时具有可扩性好、 编程容易和计算能力强等优点，图形处理速度极快，每两台PC机输出不同视点 的同一个画面到CAVE的一个投影面。
本发明中，十台偏振光投影机分别接收来自PC机的图形信号，然后把信号直接(或通过反射镜反射后)投影到CAVE的五个投影屏幕上。若CAVE系统所在 的空间不够，可使用反射镜。偏振光投影机要具有投影距离长、图形分辨率高、 亮度高、水平和垂直方向具有一定的光学可调整性等性能。
为了看到虚拟环境中的三维立体图像，用户需戴上立体眼镜。为了降低本发 明的成本，本发明采用了偏振光立体系统。
结合图2，本发明的主要部件包括反射型投影幕l、偏振投影仪2、计算 机集群3、驾驶控制机4、摩托艇5、海面(地面)产生系统6、运动支架7、弧 形导轨8、配重块9、升降架IO、液压臂ll、底座17、运动控制器12、运动控 制机13、海风控制机14、 3D音响15、控制主机16组成。偏振投影仪2与计算 机集群的每台PC机的DVI数字输出口连接；计算机集群3的PC机、控制主机 16、海面(地面)产生系统6的主机、运动控制主机13均通过网络连接；3D音 响15与控制主机16通过音频线连接，海风形成器14、驾驶控制机4与控制主 机串口连接。
结合图5，本发明的整个软件系统都采用多线程并行工作。工作流程如图6 所示，本发明工作时，首先检查所有设备是否开机、正常，如果有设备未启动则 启动相应设备，然后选择操作项目和场景，如果与上次相同则进行下一步，否则 调用相应场景并通知计算机集群加载相应场景。接下来初始化所有设备，摩托艇 身姿态、各液压臂复原等，进入系统工作主循环，每次循环开始都监测摩托艇元 器件是否变化，如果有则读取变化的值进行实施解算摩托艇的位置和姿态、观察 视点、风力风向等参数，发送到相应的处理机进行处理，从而引起虚拟环境的移 动和变化，摩托艇的位置、姿态的变化，海风的变化，海浪和水花的变化等，如 果没有输入，则通过上次循环的参数计算出本次自然衰减或变化的参数，从而控 制系统变化。然后进入下次循环直至结束。如果是训练摩托艇运动员，则将历次 比赛成绩进行记录，如果是娱乐、旅游等，则直接复位后推出。
本发明是集训练、娱乐、旅游甚至科研等诸多功能于一身的多功能沉浸式摩 托艇模拟平台，尤其是在远离大海的内陆地区，能使参与人员体验到惊险的冲浪、
快乐地旅游、甚至是到幻想中的场景中观光，具有良好的推广前景。
权利要求
1、一种基于CAVE的沉浸式摩托艇驾驶仿真系统，由控制系统、运动系统和场景系统构成；其特征是控制系统包括控制主机、控制单片机系统、3D音响系统、海风生成系统和海面/地面生成系统，开关、按钮、油门、转向、仪表、震动电机均与控制单片机相连接，控制单片机系统与控制主机互连，控制主机控制海风生成系统、3D音响系统、海面/地面生成系统；运动系统包括运动控制机、摆动平台、升降平台、摩托艇支架、摩托艇外壳，运动控制机与控制主机连接，运动控制机控制摆动平台、升降平台，摆动平台和升降平台与摩托艇支架相连，摩托艇外壳与摩托艇支架相连；场景系统包括PC计算机集群和与每台PC计算机相连的投影仪，PC计算机集群与控制主机相连。
2、 根据权利要求1所述的基于CAVE的沉浸式摩托艇驾驶仿真系统，其特征 是所述的控制系统的控制单片机系统是51系列单片机，开关、按钮与控制单 片机的P0 口连接，油门、转向线性输入通过A/D转换与控制单片机的P1 口连接， 仪表模拟信号输出器件通过D/A转换与控制单片机的P2 口连接，震动电机与控 制单片机的P2口连接，控制单片机系统通过串口与控制主机连接；海风生成器 包括海风控制机、风力发生器、配风器、温湿味控制器，海风控制机为一套51 系列单片机系统，与控制主机通过并口连接，风力发生器、配风器、温湿味控制 器通过驱动电路连接到相应的管脚上，海风控制机接收控制主机发送的摩托艇速 度、气象、温度、环境信号，将指令送到相应的管脚，驱动设备进行工作，风力 发生器接收到控制信号后，产生一定流量的风，送到配风器，配风器对送来的风 进行风力、风向和湍流调制，然后送入温湿味控制器进行温度、湿度和气味的调 制，完成后直接送入CAVE封闭环境模拟海风；3D音响系统包括一组音响，音响 通过音频线与控制主机的声卡连接。
3、 根据权利要求2所述的基于CAVE的沉浸式摩托艇驾驶仿真系统，其特征 是运动系统包括运动控制机、运动平台、摩托艇支架、摩托艇外壳，运动控制 机与控制主机通过扩展串口连接，运动平台包括俯仰控制系统、摇摆控制系统、 升降控制系统，俯仰控制系统包括Y轴向弧形导轨、俯仰双向液压臂、液压电机、 行程开关、俯仰控制器，弧形导轨在升降架上进行X方向滑动，支架通过导轨进行Y方向滑动，弧形导轨与液压臂成垂直连接，通过液压臂的伸縮，导轨带动支 架进行X方向俯仰，摇摆控制系统结构与俯仰控制系统相同，带动支架沿Y轴做 摇摆运动，升降控制系统包括升降架、垂直导轨、垂直液压臂、升降控制器、液 压泵，液压臂底座连接在底座上，另一端与升降架连接，与导轨配合实现升降架 的Z方向升降，升降控制器、俯仰控制器、摇摆控制器与单片机连接，接收单片 机发出的伸缩信号，输出端与液压泵连接，把伸縮信号变为油泵的控制信号，驱 动液压臂达到要求的运动位置，控制主机通过接收驾驶员的操作信号，运算出摩 托艇的速度、加速度、姿态、振动等信息，把摩托艇的姿态、位置信号发给运动 控制机，运动控制机将控制信号解算称油缸控制信号，然后通过相应的控制器驱 动油缸。
4、 根据权利要求3所述的基于CAVE的沉浸式摩托艇驾驶仿真系统，其特征 是场景系统为沉浸式CAVE系统，包括10台PC计算机、IO台偏振光投影仪、 五块投影幕、偏振光立体眼睛，五块投影幕组成下表面留空的立方体，海面/地 面由海面发生器填补，PC计算机组成并行运算计算机集群，通过网络与控制主 机连接，投影仪与PC机数字输出端口连接，每两台PC机负责一块投影幕的立体 显示，这两台PC机首先从控制主机获取不同的视点位置，然后绘制各视点的场 景，通过偏振投影仪投影到屏幕上。
5、 根据权利要求1-4任何一项所述的基于CAVE的沉浸式摩托艇驾驶仿真系 统，其特征是所述的海面/地面生成器是模拟海面，包括海面控制机、海控单 片机系统、固定水池、海浪生成器、艇尾水花生成器，水池固定在底座上，池内 充满海水，水池成"回"字形，摩托艇中央有一环形孔，摩托艇支架通过水池中 央的孔安装在球形轴承上，环形孔与水池的孔配合在一起，把水与摩托艇支架隔 开，同时保持摩托艇支架能进行摇摆运动，球形轴承外壁固定在升降架上，限制 支架的平移和Z方向转动，只允许进行X方向和Y方向的转动，海面控制机与海 控单片机系统通过串口连接，海浪生成器、艇尾水花生成器通过驱动电路与海面 单片机系统。
6、 根据权利要求1-4任何一项所述的基于CAVE的沉浸式摩托艇驾驶仿真系 统，其特征是所述的海面/地面生成器是模拟地面，包括地面控制机、地控单 片机系统、水池、弹性幕布、推拉杆、步进电机、投影机，地面控制机与地控单片机系统通过串口连接，步进电机通过驱动器与单片机系统连接，弹性幕布与推 拉杆上端固定，投影机与地面控制机连接，水池内不填充水，池底安装网格步进 拉杆机械装置，装置上端布置一块弹性投影幕，同时布置一台投影机，通过步进 电机构建池底网格点的坐标高程，推动弹性投影幕形成摩托艇周围的地形，配合 投影机的纹理投影，构造一块仿真地形。
全文摘要
本发明提供的是基于CAVE的沉浸式摩托艇驾驶仿真系统。由控制系统、运动系统和场景系统构成；控制系统包括控制主机、控制单片机系统、3D音响系统、海风生成系统和海面/地面生成系统，控制单片机系统与控制主机互连，控制主机控制海风生成系统、3D音响系统、海面/地面生成系统；运动系统包括运动控制机、摆动平台、升降平台、摩托艇支架、摩托艇外壳，运动控制机与控制主机连接，运动控制机控制摆动平台、升降平台，摆动平台和升降平台与摩托艇支架相连，摩托艇外壳与摩托艇支架相连；场景系统包括PC计算机集群和与每台PC计算机相连的投影仪，PC计算机集群与控制主机相连。本发明可以训练专业运动员，可以作为娱乐工具，甚至可以模拟漫游太空。
文档编号G09B9/02GK101430837SQ20081013758
公开日2009年5月13日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者印桂生, 菁 张, 李艳波, 王海玲, 陈怀友 申请人:哈尔滨工程大学