專利名稱：基于cave的沉浸式摩托艇駕駛仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，仿真技術(shù)，嵌入式技術(shù)和人工智能技術(shù)。
(二)
背景技術(shù)：
摩托艇運(yùn)動(dòng)是用摩托艇作為運(yùn)動(dòng)工具而進(jìn)行的一種水上競(jìng)技活動(dòng)。它不僅能 豐富群眾文化娛樂生活，同時(shí)還可以鍛煉人們的體質(zhì)和勇于同大自然搏斗的頑強(qiáng) 意志。摩托艇運(yùn)動(dòng)是一種極富剌激性和冒險(xiǎn)性的水上運(yùn)動(dòng)，參賽者在運(yùn)動(dòng)中不僅 要克服各種困難，還必須具有一往直前的勇氣。摩托艇運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)水上綜合性的 技術(shù)活動(dòng)，要求運(yùn)動(dòng)員熟悉并適應(yīng)水上生活，具有航海知識(shí)，駕駛船艇和使用小 型高速發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)。
摩托艇運(yùn)動(dòng)符合了現(xiàn)代社會(huì)人們的精神需求方向，人們?cè)诠ぷ鲏毫χ?，?以在這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中找到屬于自己的一片天地，釋懷自然。驚險(xiǎn)、剌激，摩托艇運(yùn)動(dòng) 把人類追求水上飛行的理想化為現(xiàn)實(shí)，成為年輕人進(jìn)行戶外健身、休閑的新的時(shí) 尚。
但是由于摩托艇運(yùn)動(dòng)要在大面積水域?qū)崿F(xiàn)，而我國的大部分地區(qū)為陸地區(qū) 域，同時(shí)很多人沒有受過訓(xùn)練或不會(huì)游泳，因此不能夠親身參與這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)或休閑。 但是隨著CAVE系統(tǒng)的發(fā)展，這種限制正在消失，越來越多的人可以從沉浸式虛 擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想。
CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)系統(tǒng)是一種沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí) 系統(tǒng)，它由圍繞觀察者的多個(gè)投影面圍成封閉空間。通過投影構(gòu)造一個(gè)虛幻的環(huán) 境，觀察者戴上立體眼鏡，同時(shí)佩戴視點(diǎn)獲取設(shè)備(以便將觀察者的視點(diǎn)位置實(shí) 時(shí)反饋到計(jì)算機(jī)系統(tǒng))融合到虛擬環(huán)境中，體驗(yàn)身臨其境的感覺。
CAVE是世界上第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它把高分辨率的立體投影技術(shù)、三維 計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和音響技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合在一起，產(chǎn)生一個(gè)完全沉浸式的虛擬環(huán) 境。CAVE系統(tǒng)需要大型圖形工作站、動(dòng)作跟蹤設(shè)備等，成本高，難以普及。本 發(fā)明簡化了 CAVE的貴重設(shè)備，采用并行PC計(jì)算機(jī)集群來代替圖形工作站，結(jié)合相應(yīng)的算法，實(shí)現(xiàn)了大型工作站的圖形繪制功能，成本降低了幾十倍。
雖然關(guān)于虛擬仿真技術(shù)的公開報(bào)道較多，例如中國專利公開(公告)號(hào)
CN101201983的專利文件中公開的"列車模擬駕駛系統(tǒng)"；CN101251958的專利
文件中公開的"面向訓(xùn)練的汽車駕駛模擬機(jī)實(shí)現(xiàn)方法"等技術(shù)方案。但還沒有關(guān)
于摩托艇駕駛仿真技術(shù)的公開報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以訓(xùn)練專業(yè)運(yùn)動(dòng)員，同時(shí)也可以作為娛樂工具 的基于CAVE的沉浸式摩托艇駕駛仿真系統(tǒng)。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
由控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和場(chǎng)景系統(tǒng)構(gòu)成；其中控制系統(tǒng)包括控制主機(jī)、控制 單片機(jī)系統(tǒng)、3D音響系統(tǒng)、海風(fēng)生成系統(tǒng)和海面/地面生成系統(tǒng)，開關(guān)、按鈕、 油門、轉(zhuǎn)向、儀表、震動(dòng)電機(jī)均與控制單片機(jī)相連接，控制單片機(jī)系統(tǒng)與控制主 機(jī)互連，控制主機(jī)控制海風(fēng)生成系統(tǒng)、3D音響系統(tǒng)、海面/地面生成系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng) 系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制機(jī)、擺動(dòng)平臺(tái)、升降平臺(tái)、摩托艇支架、摩托艇外殼，運(yùn)動(dòng)控 制機(jī)與控制主機(jī)連接，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)控制擺動(dòng)平臺(tái)、升降平臺(tái)，擺動(dòng)平臺(tái)和升降平 臺(tái)與摩托艇支架相連，摩托艇外殼與摩托艇支架相連；場(chǎng)景系統(tǒng)包括PC計(jì)算機(jī) 集群和與每臺(tái)PC計(jì)算機(jī)相連的投影儀，PC計(jì)算機(jī)集群與控制主機(jī)相連。
本發(fā)明還可以包括
1、所述的控制系統(tǒng)的控制單片機(jī)系統(tǒng)是51系列單片機(jī)，開關(guān)、按鈕與控制 單片機(jī)的P0 口連接，油門、轉(zhuǎn)向線性輸入通過A/D轉(zhuǎn)換與控制單片機(jī)的P1 口連 接，儀表模擬信號(hào)輸出器件通過D/A轉(zhuǎn)換與控制單片機(jī)的P2 口連接，震動(dòng)電機(jī) 與控制單片機(jī)的P2 口連接，控制單片機(jī)系統(tǒng)通過串口與控制主機(jī)連接；海風(fēng)生 成器包括海風(fēng)控制機(jī)、風(fēng)力發(fā)生器、配風(fēng)器、溫濕味控制器，海風(fēng)控制機(jī)為一套 51系列單片機(jī)系統(tǒng)，與控制主機(jī)通過并口連接，風(fēng)力發(fā)生器、配風(fēng)器、溫濕味 控制器通過驅(qū)動(dòng)電路連接到相應(yīng)的管腳上，海風(fēng)控制機(jī)接收控制主機(jī)發(fā)送的摩托 艇速度、氣象、溫度、環(huán)境信號(hào)，將指令送到相應(yīng)的管腳，驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行工作， 風(fēng)力發(fā)生器接收到控制信號(hào)后，產(chǎn)生一定流量的風(fēng)，送到配風(fēng)器，配風(fēng)器對(duì)送來 的風(fēng)進(jìn)行風(fēng)力、風(fēng)向和湍流調(diào)制，然后送入溫濕味控制器進(jìn)行溫度、濕度和氣味 的調(diào)制，完成后直接送入CAVE封閉環(huán)境模擬海風(fēng)；3D音響系統(tǒng)包括一組音響，音響通過音頻線與控制主機(jī)的聲卡連接。
2、 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制機(jī)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、摩托艇支架、摩托艇外殼，運(yùn)動(dòng) 控制機(jī)與控制主機(jī)通過擴(kuò)展串口連接，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括俯仰控制系統(tǒng)、搖擺控制系 統(tǒng)、升降控制系統(tǒng)，俯仰控制系統(tǒng)包括Y軸向弧形導(dǎo)軌、俯仰雙向液壓臂、液壓 電機(jī)、行程開關(guān)、俯仰控制器，弧形導(dǎo)軌在升降架上進(jìn)行X方向滑動(dòng)，支架通過 導(dǎo)軌進(jìn)行Y方向滑動(dòng)，弧形導(dǎo)軌與液壓臂成垂直連接，通過液壓臂的伸縮，導(dǎo)軌 帶動(dòng)支架進(jìn)行x方向俯仰，搖擺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與俯仰控制系統(tǒng)相同，帶動(dòng)支架沿 Y軸做搖擺運(yùn)動(dòng)，升降控制系統(tǒng)包括升降架、垂直導(dǎo)軌、垂直液壓臂、升降控制 器、液壓泵，液壓臂底座連接在底座上，另一端與升降架連接，與導(dǎo)軌配合實(shí)現(xiàn) 升降架的Z方向升降，升降控制器、俯仰控制器、搖擺控制器與運(yùn)動(dòng)單片機(jī)連接， 接收運(yùn)動(dòng)單片機(jī)發(fā)出的伸縮信號(hào)，輸出端與液壓泵連接，把伸縮信號(hào)變?yōu)橛捅玫?控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)液壓臂達(dá)到要求的運(yùn)動(dòng)位置，控制主機(jī)通過接收駕駛員的操作信 號(hào)，運(yùn)算出摩托艇的速度、加速度、姿態(tài)、振動(dòng)等信息，把摩托艇的姿態(tài)、位置 信號(hào)發(fā)給運(yùn)動(dòng)控制機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)將控制信號(hào)解算稱油缸控制信號(hào)，然后通過相 應(yīng)的控制器驅(qū)動(dòng)油缸。
3、 場(chǎng)景系統(tǒng)為沉浸式CAVE系統(tǒng)，包括10臺(tái)PC計(jì)算機(jī)、10臺(tái)偏振光投影 儀、五塊投影幕、偏振光立體眼睛，五塊投影幕組成下表面留空的立方體，海面 /地面由海面發(fā)生器填補(bǔ)，PC計(jì)算機(jī)組成并行運(yùn)算計(jì)算機(jī)集群，通過網(wǎng)絡(luò)與控制 主機(jī)連接，投影儀與PC機(jī)數(shù)字輸出端口連接，每兩臺(tái)PC機(jī)負(fù)責(zé)一塊投影幕的立 體顯示，這兩臺(tái)PC機(jī)首先從控制主機(jī)獲取不同的視點(diǎn)位置，然后繪制各視點(diǎn)的 場(chǎng)景，通過偏振投影儀投影到屏幕上。
4、 所述的海面/地面生成器是模擬海面，包括海面控制機(jī)、?？貑纹瑱C(jī)系統(tǒng)、 固定水池、海浪生成器、艇尾水花生成器，水池固定在底座上，池內(nèi)充滿海水， 水池成"回"字形，摩托艇中央有一環(huán)形孔，摩托艇支架通過水池中央的孔安裝 在球形軸承上，環(huán)形孔與水池的孔配合在一起，把水與摩托艇支架隔開，同時(shí)保 持摩托艇支架能進(jìn)行搖擺運(yùn)動(dòng)，球形軸承外壁固定在升降架上，限制支架的平移 和Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)，只允許進(jìn)行X方向和Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，海面控制機(jī)與?？貑纹瑱C(jī)系 統(tǒng)通過串口連接，海浪生成器、艇尾水花生成器通過驅(qū)動(dòng)電路與?？貑纹瑱C(jī)系統(tǒng);
5、 所述的海面/地面生成器是模擬地面，包括地面控制機(jī)、地控單片機(jī)系統(tǒng)、水池、彈性幕布、推拉桿、步進(jìn)電機(jī)、投影機(jī)，地面控制機(jī)與地控單片機(jī)系統(tǒng)通 過串口連接，步進(jìn)電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器與地控單片機(jī)系統(tǒng)連接，彈性幕布與推拉桿上 端固定，投影機(jī)與地面控制機(jī)連接，水池內(nèi)不填充水，池底安裝網(wǎng)格步進(jìn)拉桿機(jī) 械裝置，裝置上端布置一塊彈性投影幕，同時(shí)布置一臺(tái)投影機(jī)，通過步進(jìn)電機(jī)構(gòu) 建池底網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)高程，推動(dòng)彈性投影幕形成摩托艇周圍的地形，配合投影機(jī) 的紋理投影，構(gòu)造一塊仿真地形。
本發(fā)明仿真摩托艇的駕駛，可以訓(xùn)練專業(yè)運(yùn)動(dòng)員，同時(shí)也可以作為娛樂工具， 作為距離大型水域較遠(yuǎn)的人群提供摩托艇的緊張刺激，或變換成陸地或空中交通 工具，結(jié)合場(chǎng)景系統(tǒng)的開發(fā)、擴(kuò)充，能夠足不出戶進(jìn)行風(fēng)景、古跡的游覽，甚至 可以漫游太空。
在硬件結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明提供一套摩托艇駕駛仿真平臺(tái)，包括四自由度的摩托 艇平臺(tái)、人工交互設(shè)備、PC并行處理系統(tǒng)、CAVE立體投影系統(tǒng)，海面(地面) 形成器、立體被動(dòng)3D眼鏡。
摩托艇平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的輸入系統(tǒng)，包括多人摩托艇外殼、六自由度動(dòng)作平 臺(tái)、駕駛輸入設(shè)備等。多人摩托艇外殼可根據(jù)需要制作，可以是單座，也可以是 容納多人的摩托艇，為了減輕重量，采用輕質(zhì)高強(qiáng)度塑料制作，外形和顏色專門 設(shè)計(jì)以提高吸引力。底座由鋼管焊接而成，底面積根據(jù)場(chǎng)地情況設(shè)計(jì)，但不得小 于摩托艇俯視圖面積4倍。支撐摩托艇外殼的支架為圓柱形，使用輕質(zhì)金屬材料 制作，上端穿入摩托艇中心，通過螺栓與摩托艇形成剛性連接，上l/3處通過軸 承連接在升降平臺(tái)上，下端裝有配重系統(tǒng)。支架可以在軸承處繞X和Y軸進(jìn)行兩 自由度的旋轉(zhuǎn)，從而使摩托艇進(jìn)行搖擺和俯仰。為了減少運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，支架 下方安裝了一套配重系統(tǒng)，配重系統(tǒng)可以上下調(diào)節(jié)配重塊以平衡支架上下兩端的 力矩，提高平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度，降低驅(qū)動(dòng)力。三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由兩種運(yùn)動(dòng)裝置組 成而成， 一部分是可以升降的升降平臺(tái)，二是固定在升降平臺(tái)上的十字弧形導(dǎo)軌 搖擺轉(zhuǎn)臺(tái)，搖擺轉(zhuǎn)臺(tái)固定在升降平臺(tái)上，升降平臺(tái)可以在底座上沿Y軸升降，搖 擺轉(zhuǎn)臺(tái)的十字弧形導(dǎo)軌在液壓臂的驅(qū)動(dòng)下可以在XY平面內(nèi)自由移動(dòng)，從而推動(dòng) 支架進(jìn)行俯仰和搖擺2自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。通過組合升降平臺(tái)和搖擺平臺(tái)的動(dòng)作，摩托 艇可以進(jìn)行升降、俯仰、搖擺。因此摩托艇能夠進(jìn)行3自由度運(yùn)動(dòng)，從而模擬實(shí) 際游艇的所有運(yùn)動(dòng)，帶給駕駛者沖浪的感受。X軸向和Y軸向的平移可以通過CAVE系統(tǒng)的場(chǎng)景變換實(shí)現(xiàn)。
人工交互設(shè)備是指固定在摩托艇上用于控制摩托艇的交互設(shè)備，包括油門、 方向盤、變速桿、離合器、點(diǎn)火開關(guān)、控制單片機(jī)系統(tǒng)、位置感應(yīng)器等。油門、 方向盤通過變阻器產(chǎn)生電信號(hào)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換輸入控制單片機(jī)，控制單片機(jī) 系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)，對(duì)外圍器件的響應(yīng)采用中斷和査詢相結(jié)合的方式，儀 表通過D/A轉(zhuǎn)換與控制單片機(jī)相連，其他二值開關(guān)通過驅(qū)動(dòng)器與控制單片機(jī)系統(tǒng) 相連，控制單片機(jī)系統(tǒng)與本發(fā)明的控制主機(jī)的并口/串口連接，用于模擬摩托艇 電信號(hào)的輸入輸出。
PC并行處理系統(tǒng)包括控制主機(jī)、平臺(tái)綜合運(yùn)動(dòng)控制機(jī)、立體顯示PC機(jī)群等， 所有PC機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接，基于UDP協(xié)議通信，主控機(jī)通過串口/并口與控制單片 機(jī)系統(tǒng)連接，接收摩托艇的操作信號(hào)并把相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)輸出到相應(yīng)的艇上設(shè) 備?？刂浦鳈C(jī)通過摩托艇控制信號(hào)運(yùn)算摩托艇身的位置、狀態(tài)和視點(diǎn)，平臺(tái)綜合 運(yùn)動(dòng)控制機(jī)接收控制主機(jī)的艇身運(yùn)動(dòng)信號(hào)，解算出運(yùn)動(dòng)平臺(tái)各液壓臂的控制信 號(hào)，通過控制程序控制各液壓臂的伸縮合成艇身的運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)摩托艇支架的搖擺、 俯仰和升降，同時(shí)根據(jù)油門信號(hào)驅(qū)動(dòng)艇身震動(dòng)器實(shí)現(xiàn)摩托艇啟動(dòng)后的機(jī)械震動(dòng)。 立體顯示機(jī)群包括6臺(tái)高性能微機(jī)，彼此通過局域網(wǎng)連接在一起，構(gòu)成并行計(jì)算 集群，每臺(tái)微機(jī)與一臺(tái)投影機(jī)連接，集群接收來自控制主機(jī)的位置信號(hào)和摩托艇 的朝向，然后對(duì)與場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的投影幕進(jìn)行裁減和繪制，同時(shí)輸出繪制結(jié)果。繪制 結(jié)果通過邊緣裁剪和拼接后投影到幕布上，形成沉浸式投影環(huán)境。平臺(tái)綜合運(yùn)動(dòng) 控制機(jī)接收控制主機(jī)的摩托艇運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)事結(jié)算為相應(yīng)的液壓臂動(dòng)作數(shù)據(jù)，通 過液壓臂驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)液壓臂工作，并行處理機(jī)群包括六臺(tái)高性能PC機(jī)，每臺(tái) PC機(jī)與一臺(tái)投影儀連接，PC機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)連接，通過內(nèi)置軟件實(shí)現(xiàn)高速并行 運(yùn)算。采用高性能的主動(dòng)或被動(dòng)式立體顯示技術(shù)，每2臺(tái)PC機(jī)負(fù)責(zé)CAVE系統(tǒng)的 一個(gè)投影幕的影像繪制工作,通過控制主機(jī)調(diào)整視差以形成立體投影，通過網(wǎng)絡(luò) 同步控制技術(shù)和變形矯正算法，使每臺(tái)PC機(jī)繪制的場(chǎng)景分別同步無失真地顯示 輸出，并投射在相應(yīng)的投影幕上。參與者通過使用立體眼鏡置身與一個(gè)完全沉浸 的虛擬環(huán)境。
海面(地面)形成器放置在摩托艇下面，使摩托艇產(chǎn)生浮在水面的感覺，包 括水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、海浪發(fā)生器、水花發(fā)生器、海風(fēng)發(fā)生器等，水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要使水產(chǎn)生動(dòng)態(tài)流動(dòng)的效果，海浪發(fā)生器使水面產(chǎn)生不同高度的波浪，配合摩托艇 動(dòng)作平臺(tái)的動(dòng)作，產(chǎn)生沖浪的感覺。水花發(fā)生器主要模擬摩托艇尾部的噴射水流 和摩托艇運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的軌跡。海風(fēng)發(fā)生器位于摩托艇前方，通過輸出一定溫度和 濕度、味道的海風(fēng)，模擬海綿自然環(huán)境。海綿(地面)形成器與場(chǎng)景以及摩托艇 的運(yùn)動(dòng)都是同步的，形成器形成的海面與投影幕的海面無縫連接在一起，給駕駛 者一種非常自然的處于自然環(huán)境中的感覺。通過此功能可以進(jìn)行名勝古跡的游
覽、自然環(huán)境的觀光、科幻時(shí)空的穿越等功能。
(四)


圖l是系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖； 圖2是實(shí)物連接示意圖3是海面生成器剖面示意圖； 圖4是地面生成器剖面示意圖； 圖5是海風(fēng)生成器結(jié)構(gòu)圖6是系統(tǒng)工作流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
結(jié)合圖1，基于CAVE摩托艇駕駛平臺(tái)的功能子系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)、 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和場(chǎng)景系統(tǒng)。其中控制系統(tǒng)是本發(fā)明的控制中心，包括控制單片機(jī)系統(tǒng)、
3D音響系統(tǒng)、海風(fēng)生成系統(tǒng)和海面(地面)生成系統(tǒng)?？刂茊纹瑱C(jī)系統(tǒng)使用51
系列單片機(jī)，開關(guān)、按鈕等與控制單片機(jī)的po 口連接，油門、轉(zhuǎn)向等線性輸入
通過A/D轉(zhuǎn)換與控制單片機(jī)的Pl 口連接，儀表等模擬信號(hào)輸出器件通過D/A轉(zhuǎn) 換與控制單片機(jī)的P2 口連接，震動(dòng)電機(jī)與控制單片機(jī)的P2 口連接，控制單片機(jī) 系統(tǒng)通過串口與控制主機(jī)連接，工作時(shí)，駕駛員的操作信號(hào)如點(diǎn)火、加油、轉(zhuǎn)向 等動(dòng)作通過控制單片機(jī)處理成標(biāo)準(zhǔn)格式送入控制主機(jī)，儀表、燈光及摩托艇振動(dòng) 信號(hào)由控制主機(jī)通過串口通信送入控制單片機(jī)，控制單片機(jī)解讀指令后，把相應(yīng) 的控制信號(hào)送到相應(yīng)的元器件執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。
海風(fēng)生成器包括海風(fēng)控制機(jī)、風(fēng)力發(fā)生器、配風(fēng)器、溫濕味控制器幾部分， 海風(fēng)控制機(jī)為一套51系列單片機(jī)系統(tǒng)，與控制主機(jī)通過并口連接，風(fēng)力發(fā)生器、 配風(fēng)器、溫濕味控制器通過驅(qū)動(dòng)電路連接到相應(yīng)的管腳上，工作時(shí)，海風(fēng)控制機(jī)接收控制主機(jī)發(fā)送的摩托艇速度、氣象、溫度、環(huán)境等信號(hào)，實(shí)事運(yùn)算出相應(yīng)的 風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度、氣味等參數(shù)，將指令送到相應(yīng)的管腳，驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行 工作，風(fēng)力發(fā)生器接收到控制信號(hào)后，產(chǎn)生一定流量的風(fēng)，送到配風(fēng)器，配風(fēng)器 根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的風(fēng)力模型對(duì)送來的風(fēng)進(jìn)行風(fēng)力、風(fēng)向和湍流調(diào)制，然后送入溫濕 味控制器進(jìn)行溫度、濕度和氣味的調(diào)制，完成后直接送入CAVE封閉環(huán)境模擬海 風(fēng)。
3D音響系統(tǒng)包括6個(gè)音響，分布在CAVE系統(tǒng)的特定位置，形成一個(gè)3D音 效場(chǎng)。音響通過音頻線與控制主機(jī)的聲卡連接，控制主機(jī)根據(jù)CAVE環(huán)境和摩托 艇的實(shí)際情況，在虛擬環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)3D聲音的控制，增強(qiáng)摩托艇的沉浸感、臨場(chǎng) 感和真實(shí)感。
結(jié)合圖3，海面(地面)生成器在模擬海面時(shí)，包括海面控制機(jī)23、?？貑?片機(jī)系統(tǒng)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，池內(nèi)充滿海水22，水池成"回"字形，摩托艇中央有一環(huán)形孔， 摩托艇支架7通過水池19中央的孔安裝在球形軸承上，環(huán)形孔與水池19的孔配 合在一起，把水與摩托艇支架隔開，同時(shí)保持摩托艇支架能進(jìn)行搖擺運(yùn)動(dòng)，球形 軸承外壁固定在升降架上，限制支架的平移和Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)，只允許進(jìn)行X方向和 Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，海面控制機(jī)17與?？貑纹瑱C(jī)系統(tǒng)18通過串口連接，海浪生成器 20、艇尾水花生成器21通過驅(qū)動(dòng)電路與?？貑纹瑱C(jī)系統(tǒng)18連接。模擬海面時(shí)， 水池內(nèi)安裝的海浪生成器20和艇尾水花生成器21，這兩部分都是由高壓泵和噴 射管道構(gòu)成，通過生成主機(jī)的控制按照流體力學(xué)模型生成不同強(qiáng)度的波浪和水 花，與四周投影幕生成的立體環(huán)境融為一體，同時(shí)配合摩托艇的動(dòng)作，將操作者 置身與虛擬的大海中。
結(jié)合圖4，海面(地面)生成器在模擬地面時(shí)，包括海面控制機(jī)23、地控 單片機(jī)系統(tǒng)28、水池19、彈性幕布24、推拉桿25、步進(jìn)電機(jī)26、投影機(jī)28等， 海面控制機(jī)17與地控單片機(jī)系統(tǒng)23通過串口連接，步進(jìn)電機(jī)26通過驅(qū)動(dòng)器與 地控單片機(jī)系統(tǒng)連接，彈性幕布與推拉桿上端固定，投影機(jī)與海面控制機(jī)連接。 水池19內(nèi)不填充水，池底安裝網(wǎng)格步進(jìn)拉桿機(jī)械裝置，裝置上端(艇身底部) 布置一塊彈性投影幕，同時(shí)布置一臺(tái)投影機(jī)28，通過步進(jìn)電機(jī)構(gòu)建池底網(wǎng)格點(diǎn) 的坐標(biāo)高程，推動(dòng)彈性投影幕形成摩托艇(汽車、飛行器)周圍的地形，配合投影機(jī)的紋理投影，構(gòu)造一塊仿真地形。
運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是生成摩托艇運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵模塊，主要包括運(yùn)動(dòng)控制機(jī)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、 摩托艇支架、摩托艇外殼等。運(yùn)動(dòng)控制機(jī)與控制主機(jī)通過擴(kuò)展串口連接，運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)包括俯仰控制系統(tǒng)、搖擺控制系統(tǒng)、升降控制系統(tǒng)，俯仰控制系統(tǒng)包括Y軸向 弧形導(dǎo)軌、俯仰雙向液壓臂、液壓電機(jī)、行程開關(guān)、俯仰控制器等，弧形導(dǎo)軌可 以在升降架上進(jìn)行X方向滑動(dòng)，支架可以通過導(dǎo)軌進(jìn)行Y方向滑動(dòng)，弧形導(dǎo)軌與 液壓臂成垂直連接，通過液壓臂的伸縮，導(dǎo)軌帶動(dòng)支架進(jìn)行X方向俯仰。搖擺控 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與俯仰控制系統(tǒng)相同，帶動(dòng)支架沿Y軸做搖擺運(yùn)動(dòng)。升降控制系統(tǒng)包 括升降架、垂直導(dǎo)軌、垂直液壓臂、升降控制器、液壓泵等，液壓臂底座連接在 本發(fā)明的底座上，另一端與升降架連接，與導(dǎo)軌配合可以實(shí)現(xiàn)升降架的Z方向升 降。升降控制器、俯仰控制器、搖擺控制器與運(yùn)動(dòng)單片機(jī)連接，接收運(yùn)動(dòng)單片機(jī) 發(fā)出的伸縮信號(hào)，輸出端與液壓泵連接，把伸縮信號(hào)變?yōu)橛捅玫目刂菩盘?hào)，驅(qū)動(dòng) 液壓臂達(dá)到要求的運(yùn)動(dòng)位置?？刂浦鳈C(jī)通過接收駕駛員的操作信號(hào)，運(yùn)算出摩托 艇的速度、加速度、姿態(tài)、振動(dòng)等信息，把摩托艇的姿態(tài)、位置信號(hào)發(fā)給運(yùn)動(dòng)控 制機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)將控制信號(hào)解算稱油缸控制信號(hào)，然后通過相應(yīng)的控制器驅(qū)動(dòng) 油缸在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到所要求的位置。通過三套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的合成，摩托艇可以實(shí) 現(xiàn)3自由度的姿態(tài)變換。
場(chǎng)景系統(tǒng)采用沉浸式CAVE系統(tǒng)，本發(fā)明的場(chǎng)景系統(tǒng)包括10臺(tái)PC計(jì)算機(jī)、 10臺(tái)偏振光投影儀、五塊投影幕、偏振光立體眼睛等。五塊投影幕組成下表面 留空的立方體，海面(地面)由海面發(fā)生器填補(bǔ)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)全封閉的空 間。PC計(jì)算機(jī)組成并行運(yùn)算計(jì)算機(jī)集群，通過網(wǎng)絡(luò)與控制主機(jī)連接，投影儀與 PC機(jī)數(shù)字輸出端口連接，每兩臺(tái)PC機(jī)負(fù)責(zé)一塊投影幕的立體顯示，這兩臺(tái)PC 機(jī)首先從控制主機(jī)獲取不同的視點(diǎn)位置，然后繪制各視點(diǎn)的場(chǎng)景，通過偏振投影 儀投影到屏幕上，觀察者通過偏振立體眼鏡就能沉浸到構(gòu)造的虛擬場(chǎng)景中。投影 幕可根據(jù)情況減少以降低成本。
PC并行工作集群具有很高的計(jì)算速度和圖形處理能力。同時(shí)具有可擴(kuò)性好、 編程容易和計(jì)算能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，圖形處理速度極快，每兩臺(tái)PC機(jī)輸出不同視點(diǎn) 的同一個(gè)畫面到CAVE的一個(gè)投影面。
本發(fā)明中，十臺(tái)偏振光投影機(jī)分別接收來自PC機(jī)的圖形信號(hào)，然后把信號(hào)直接(或通過反射鏡反射后)投影到CAVE的五個(gè)投影屏幕上。若CAVE系統(tǒng)所在 的空間不夠，可使用反射鏡。偏振光投影機(jī)要具有投影距離長、圖形分辨率高、 亮度高、水平和垂直方向具有一定的光學(xué)可調(diào)整性等性能。
為了看到虛擬環(huán)境中的三維立體圖像，用戶需戴上立體眼鏡。為了降低本發(fā) 明的成本，本發(fā)明采用了偏振光立體系統(tǒng)。
結(jié)合圖2，本發(fā)明的主要部件包括反射型投影幕l、偏振投影儀2、計(jì)算 機(jī)集群3、駕駛控制機(jī)4、摩托艇5、海面(地面)產(chǎn)生系統(tǒng)6、運(yùn)動(dòng)支架7、弧 形導(dǎo)軌8、配重塊9、升降架IO、液壓臂ll、底座17、運(yùn)動(dòng)控制器12、運(yùn)動(dòng)控 制機(jī)13、海風(fēng)控制機(jī)14、 3D音響15、控制主機(jī)16組成。偏振投影儀2與計(jì)算 機(jī)集群的每臺(tái)PC機(jī)的DVI數(shù)字輸出口連接；計(jì)算機(jī)集群3的PC機(jī)、控制主機(jī) 16、海面(地面)產(chǎn)生系統(tǒng)6的主機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制主機(jī)13均通過網(wǎng)絡(luò)連接；3D音 響15與控制主機(jī)16通過音頻線連接，海風(fēng)形成器14、駕駛控制機(jī)4與控制主 機(jī)串口連接。
結(jié)合圖5，本發(fā)明的整個(gè)軟件系統(tǒng)都采用多線程并行工作。工作流程如圖6 所示，本發(fā)明工作時(shí)，首先檢查所有設(shè)備是否開機(jī)、正常，如果有設(shè)備未啟動(dòng)則 啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備，然后選擇操作項(xiàng)目和場(chǎng)景，如果與上次相同則進(jìn)行下一步，否則 調(diào)用相應(yīng)場(chǎng)景并通知計(jì)算機(jī)集群加載相應(yīng)場(chǎng)景。接下來初始化所有設(shè)備，摩托艇 身姿態(tài)、各液壓臂復(fù)原等，進(jìn)入系統(tǒng)工作主循環(huán)，每次循環(huán)開始都監(jiān)測(cè)摩托艇元 器件是否變化，如果有則讀取變化的值進(jìn)行實(shí)施解算摩托艇的位置和姿態(tài)、觀察 視點(diǎn)、風(fēng)力風(fēng)向等參數(shù)，發(fā)送到相應(yīng)的處理機(jī)進(jìn)行處理，從而引起虛擬環(huán)境的移 動(dòng)和變化，摩托艇的位置、姿態(tài)的變化，海風(fēng)的變化，海浪和水花的變化等，如 果沒有輸入，則通過上次循環(huán)的參數(shù)計(jì)算出本次自然衰減或變化的參數(shù)，從而控 制系統(tǒng)變化。然后進(jìn)入下次循環(huán)直至結(jié)束。如果是訓(xùn)練摩托艇運(yùn)動(dòng)員，則將歷次 比賽成績進(jìn)行記錄，如果是娛樂、旅游等，則直接復(fù)位后推出。
本發(fā)明是集訓(xùn)練、娛樂、旅游甚至科研等諸多功能于一身的多功能沉浸式摩 托艇模擬平臺(tái)，尤其是在遠(yuǎn)離大海的內(nèi)陸地區(qū)，能使參與人員體驗(yàn)到驚險(xiǎn)的沖浪、
快樂地旅游、甚至是到幻想中的場(chǎng)景中觀光，具有良好的推廣前景。
權(quán)利要求
1、一種基于CAVE的沉浸式摩托艇駕駛仿真系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和場(chǎng)景系統(tǒng)構(gòu)成；其特征是控制系統(tǒng)包括控制主機(jī)、控制單片機(jī)系統(tǒng)、3D音響系統(tǒng)、海風(fēng)生成系統(tǒng)和海面/地面生成系統(tǒng)，開關(guān)、按鈕、油門、轉(zhuǎn)向、儀表、震動(dòng)電機(jī)均與控制單片機(jī)相連接，控制單片機(jī)系統(tǒng)與控制主機(jī)互連，控制主機(jī)控制海風(fēng)生成系統(tǒng)、3D音響系統(tǒng)、海面/地面生成系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制機(jī)、擺動(dòng)平臺(tái)、升降平臺(tái)、摩托艇支架、摩托艇外殼，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)與控制主機(jī)連接，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)控制擺動(dòng)平臺(tái)、升降平臺(tái)，擺動(dòng)平臺(tái)和升降平臺(tái)與摩托艇支架相連，摩托艇外殼與摩托艇支架相連；場(chǎng)景系統(tǒng)包括PC計(jì)算機(jī)集群和與每臺(tái)PC計(jì)算機(jī)相連的投影儀，PC計(jì)算機(jī)集群與控制主機(jī)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAVE的沉浸式摩托艇駕駛仿真系統(tǒng)，其特征 是所述的控制系統(tǒng)的控制單片機(jī)系統(tǒng)是51系列單片機(jī)，開關(guān)、按鈕與控制單 片機(jī)的P0 口連接，油門、轉(zhuǎn)向線性輸入通過A/D轉(zhuǎn)換與控制單片機(jī)的P1 口連接， 儀表模擬信號(hào)輸出器件通過D/A轉(zhuǎn)換與控制單片機(jī)的P2 口連接，震動(dòng)電機(jī)與控 制單片機(jī)的P2口連接，控制單片機(jī)系統(tǒng)通過串口與控制主機(jī)連接；海風(fēng)生成器 包括海風(fēng)控制機(jī)、風(fēng)力發(fā)生器、配風(fēng)器、溫濕味控制器，海風(fēng)控制機(jī)為一套51 系列單片機(jī)系統(tǒng)，與控制主機(jī)通過并口連接，風(fēng)力發(fā)生器、配風(fēng)器、溫濕味控制 器通過驅(qū)動(dòng)電路連接到相應(yīng)的管腳上，海風(fēng)控制機(jī)接收控制主機(jī)發(fā)送的摩托艇速 度、氣象、溫度、環(huán)境信號(hào)，將指令送到相應(yīng)的管腳，驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行工作，風(fēng)力 發(fā)生器接收到控制信號(hào)后，產(chǎn)生一定流量的風(fēng)，送到配風(fēng)器，配風(fēng)器對(duì)送來的風(fēng) 進(jìn)行風(fēng)力、風(fēng)向和湍流調(diào)制，然后送入溫濕味控制器進(jìn)行溫度、濕度和氣味的調(diào) 制，完成后直接送入CAVE封閉環(huán)境模擬海風(fēng)；3D音響系統(tǒng)包括一組音響，音響 通過音頻線與控制主機(jī)的聲卡連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于CAVE的沉浸式摩托艇駕駛仿真系統(tǒng)，其特征 是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制機(jī)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、摩托艇支架、摩托艇外殼，運(yùn)動(dòng)控制 機(jī)與控制主機(jī)通過擴(kuò)展串口連接，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括俯仰控制系統(tǒng)、搖擺控制系統(tǒng)、 升降控制系統(tǒng)，俯仰控制系統(tǒng)包括Y軸向弧形導(dǎo)軌、俯仰雙向液壓臂、液壓電機(jī)、 行程開關(guān)、俯仰控制器，弧形導(dǎo)軌在升降架上進(jìn)行X方向滑動(dòng)，支架通過導(dǎo)軌進(jìn)行Y方向滑動(dòng)，弧形導(dǎo)軌與液壓臂成垂直連接，通過液壓臂的伸縮，導(dǎo)軌帶動(dòng)支 架進(jìn)行X方向俯仰，搖擺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與俯仰控制系統(tǒng)相同，帶動(dòng)支架沿Y軸做 搖擺運(yùn)動(dòng)，升降控制系統(tǒng)包括升降架、垂直導(dǎo)軌、垂直液壓臂、升降控制器、液 壓泵，液壓臂底座連接在底座上，另一端與升降架連接，與導(dǎo)軌配合實(shí)現(xiàn)升降架 的Z方向升降，升降控制器、俯仰控制器、搖擺控制器與單片機(jī)連接，接收單片 機(jī)發(fā)出的伸縮信號(hào)，輸出端與液壓泵連接，把伸縮信號(hào)變?yōu)橛捅玫目刂菩盘?hào)，驅(qū) 動(dòng)液壓臂達(dá)到要求的運(yùn)動(dòng)位置，控制主機(jī)通過接收駕駛員的操作信號(hào)，運(yùn)算出摩 托艇的速度、加速度、姿態(tài)、振動(dòng)等信息，把摩托艇的姿態(tài)、位置信號(hào)發(fā)給運(yùn)動(dòng) 控制機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)將控制信號(hào)解算稱油缸控制信號(hào)，然后通過相應(yīng)的控制器驅(qū) 動(dòng)油缸。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于CAVE的沉浸式摩托艇駕駛仿真系統(tǒng)，其特征 是場(chǎng)景系統(tǒng)為沉浸式CAVE系統(tǒng)，包括10臺(tái)PC計(jì)算機(jī)、IO臺(tái)偏振光投影儀、 五塊投影幕、偏振光立體眼睛，五塊投影幕組成下表面留空的立方體，海面/地 面由海面發(fā)生器填補(bǔ)，PC計(jì)算機(jī)組成并行運(yùn)算計(jì)算機(jī)集群，通過網(wǎng)絡(luò)與控制主 機(jī)連接，投影儀與PC機(jī)數(shù)字輸出端口連接，每兩臺(tái)PC機(jī)負(fù)責(zé)一塊投影幕的立體 顯示，這兩臺(tái)PC機(jī)首先從控制主機(jī)獲取不同的視點(diǎn)位置，然后繪制各視點(diǎn)的場(chǎng) 景，通過偏振投影儀投影到屏幕上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4任何一項(xiàng)所述的基于CAVE的沉浸式摩托艇駕駛仿真系 統(tǒng)，其特征是所述的海面/地面生成器是模擬海面，包括海面控制機(jī)、?？貑?片機(jī)系統(tǒng)、固定水池、海浪生成器、艇尾水花生成器，水池固定在底座上，池內(nèi) 充滿海水，水池成"回"字形，摩托艇中央有一環(huán)形孔，摩托艇支架通過水池中 央的孔安裝在球形軸承上，環(huán)形孔與水池的孔配合在一起，把水與摩托艇支架隔 開，同時(shí)保持摩托艇支架能進(jìn)行搖擺運(yùn)動(dòng)，球形軸承外壁固定在升降架上，限制 支架的平移和Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)，只允許進(jìn)行X方向和Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，海面控制機(jī)與海 控單片機(jī)系統(tǒng)通過串口連接，海浪生成器、艇尾水花生成器通過驅(qū)動(dòng)電路與海面 單片機(jī)系統(tǒng)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-4任何一項(xiàng)所述的基于CAVE的沉浸式摩托艇駕駛仿真系 統(tǒng)，其特征是所述的海面/地面生成器是模擬地面，包括地面控制機(jī)、地控單 片機(jī)系統(tǒng)、水池、彈性幕布、推拉桿、步進(jìn)電機(jī)、投影機(jī)，地面控制機(jī)與地控單片機(jī)系統(tǒng)通過串口連接，步進(jìn)電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)系統(tǒng)連接，彈性幕布與推 拉桿上端固定，投影機(jī)與地面控制機(jī)連接，水池內(nèi)不填充水，池底安裝網(wǎng)格步進(jìn) 拉桿機(jī)械裝置，裝置上端布置一塊彈性投影幕，同時(shí)布置一臺(tái)投影機(jī)，通過步進(jìn) 電機(jī)構(gòu)建池底網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)高程，推動(dòng)彈性投影幕形成摩托艇周圍的地形，配合 投影機(jī)的紋理投影，構(gòu)造一塊仿真地形。
全文摘要
本發(fā)明提供的是基于CAVE的沉浸式摩托艇駕駛仿真系統(tǒng)。由控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和場(chǎng)景系統(tǒng)構(gòu)成；控制系統(tǒng)包括控制主機(jī)、控制單片機(jī)系統(tǒng)、3D音響系統(tǒng)、海風(fēng)生成系統(tǒng)和海面/地面生成系統(tǒng)，控制單片機(jī)系統(tǒng)與控制主機(jī)互連，控制主機(jī)控制海風(fēng)生成系統(tǒng)、3D音響系統(tǒng)、海面/地面生成系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制機(jī)、擺動(dòng)平臺(tái)、升降平臺(tái)、摩托艇支架、摩托艇外殼，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)與控制主機(jī)連接，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)控制擺動(dòng)平臺(tái)、升降平臺(tái)，擺動(dòng)平臺(tái)和升降平臺(tái)與摩托艇支架相連，摩托艇外殼與摩托艇支架相連；場(chǎng)景系統(tǒng)包括PC計(jì)算機(jī)集群和與每臺(tái)PC計(jì)算機(jī)相連的投影儀，PC計(jì)算機(jī)集群與控制主機(jī)相連。本發(fā)明可以訓(xùn)練專業(yè)運(yùn)動(dòng)員，可以作為娛樂工具，甚至可以模擬漫游太空。
文檔編號(hào)G09B9/02GK101430837SQ20081013758
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者印桂生, 菁 張, 李艷波, 王海玲, 陳懷友 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)