一種虛擬現(xiàn)實(shí)無限移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)及定位分析

張真皓

【摘要】 虛擬現(xiàn)實(shí)是一種多通道的新型人機(jī)交互技術(shù)，提供了具有沉浸感的智能虛擬環(huán)境并允許用戶和該環(huán)境進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。目前與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)連接的移動(dòng)裝置可活動(dòng)范圍具有較大的局限性，無法實(shí)現(xiàn)使用者全方位轉(zhuǎn)向移動(dòng)。針對(duì)移動(dòng)裝置無法模擬出虛擬場景坡度等諸多問題，本文首先提出了一種新型的虛擬現(xiàn)實(shí)無限移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方案，通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和傳統(tǒng)跑步機(jī)結(jié)合解決上述問題，并同時(shí)解決了在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的無限制移動(dòng)問題；進(jìn)一步經(jīng)過詳細(xì)地?cái)?shù)學(xué)建模，給出了這種移動(dòng)裝置的三維定位模型。

【關(guān)鍵詞】 虛擬現(xiàn)實(shí) 無限移動(dòng)裝置 數(shù)學(xué)模型 三維定位分析

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種新型的人機(jī)交互技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用場景，如多感官教學(xué)、飛行員訓(xùn)練、醫(yī)療訓(xùn)練、心理治療和康復(fù)訓(xùn)練等諸多領(lǐng)域[1]，這種技術(shù)是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件合成人工環(huán)境，使沉浸在其中的使用者產(chǎn)生視、聽、觸等多種感覺，并在三維視覺空間中獲得人機(jī)交互體驗(yàn)，力求給使用者造成與現(xiàn)實(shí)世界一樣真實(shí)的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的融合，是一門極富挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)[2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由于其廣泛的用途而發(fā)展迅速，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)使用者參與形式的不同一般分為四種模式：桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式和分布式[3]，其中沉浸式主要是利用頭盔式顯示器、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和其他設(shè)備，使得參與者獲得置身真實(shí)情景的感覺。沉浸感需要頭盔顯示器，而第一個(gè)頭盔顯示器是于1966年有美國麻省理工大學(xué)的林肯實(shí)驗(yàn)室研制成功。20世紀(jì)90年代以來，由于計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，美國Michigan大學(xué)的VR實(shí)驗(yàn)室采用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)一艘PD337 海軍運(yùn)輸船的生產(chǎn)過程進(jìn)行了模擬，美國Boeing飛機(jī)公司設(shè)計(jì)的一架VS-X虛擬飛機(jī)，它可用頭盔式顯示器和數(shù)據(jù)手套來進(jìn)行模具技術(shù)觀察與控制[4]。而目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展過程中也存在諸多的問題，例如與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)連接的移動(dòng)裝置較為簡單，使用者無法方便快捷地完成全方位的移動(dòng)。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)使用者的自由化運(yùn)動(dòng)，本文首先提出了一種新型虛擬現(xiàn)實(shí)無限移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)的介紹了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。該方案可以完全還原真實(shí)運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)，使用者能在原地跑動(dòng)，甚至可以做出轉(zhuǎn)身、拐彎（非全方位）和短距離小跳等動(dòng)作；進(jìn)一步地，通過對(duì)紅外測(cè)距傳感器系統(tǒng)建立合適的數(shù)學(xué)模型，給出了三維空間定位的基本原理，為所設(shè)計(jì)的無限移動(dòng)裝置的同步定位模塊提供的理論支撐。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)無限移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

針對(duì)目前與虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備配套的移動(dòng)裝置無法模擬出虛擬場景坡度，并且無法讓跑步機(jī)迎合使用者完成跳躍等諸多運(yùn)動(dòng)的問題，本小節(jié)提出了一種新型虛擬現(xiàn)實(shí)無限移動(dòng)裝置。如圖1所示，1為控制臺(tái)，在移動(dòng)裝置上的多處安裝有紅外距離感應(yīng)器2，控制臺(tái)1下端連接固定連接護(hù)欄3用以確定活動(dòng)范圍同時(shí)保護(hù)使用者的安全，4為底座，其下端連接有圓形底盤。底盤下端連接有程序化控制的一系列液壓傳動(dòng)裝置，通過移動(dòng)裝置上多處的紅外測(cè)距感應(yīng)器來測(cè)得使用者的移動(dòng)方位及距離，之后通過藍(lán)牙將紅外距離感應(yīng)器測(cè)量得出的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸給虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，最后頭盔接受數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實(shí)場景中的相對(duì)應(yīng)的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)匹配過程。

在整個(gè)移動(dòng)裝置使用過程中，需要先調(diào)整好底部的水平調(diào)節(jié)螺栓使得其維持在一個(gè)合適的位置保持整體水平，之后整個(gè)裝置就會(huì)根據(jù)使用者自身的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)各種定位模式，通過底座上的液壓裝置和4處的履帶既能保持使用者在裝置中無限運(yùn)動(dòng)的可能，又能模擬出有任意方向坡度的虛擬路面場景；同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)無限移動(dòng)裝置還能夠迎合使用者的動(dòng)作完成加速奔跑和跳越等運(yùn)動(dòng)，按照使用者的節(jié)奏運(yùn)動(dòng)。

與市面上的同類型設(shè)備相比，它能夠完成的動(dòng)作更加多樣，能夠移動(dòng)的現(xiàn)實(shí)范圍更大，而且不需要專用的鞋等傳感設(shè)備支持，只需要vr頭盔和此設(shè)備連接成功便能夠直接使用，并且還能夠做到自由自在地奔跑，并且占地面積小，用件方面都與傳統(tǒng)跑步機(jī)相似，但是比起傳統(tǒng)跑步機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于能使整個(gè)跑步過程更加有趣，使用者能獲得更強(qiáng)的沉浸感。欄桿的設(shè)置則是為了增加安全性，防止突然停止后或者平衡協(xié)調(diào)性不好的使用者摔倒。

三、短距離定位系統(tǒng)的理論建模

在使用虛擬現(xiàn)實(shí)移動(dòng)裝置過程中，對(duì)使用者的定位分析尤為重要。使用者與虛擬現(xiàn)實(shí)無限移動(dòng)裝置配對(duì)過程中，主要需要實(shí)現(xiàn)如下定位過程：測(cè)距、角度計(jì)算、角度位置調(diào)整測(cè)量等。隨著目前各種傳感器技術(shù)的發(fā)展，各種定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。超聲波定位技術(shù)可測(cè)距范圍較大，但是精度較小，而紅外測(cè)距原理則由于其光束發(fā)散小的有點(diǎn)，相對(duì)于超聲波傳感器，其測(cè)量精度有了很大的提高，此外使用紅外測(cè)距原理的設(shè)備成本較低。

本小節(jié)基于紅外測(cè)距原理，對(duì)所設(shè)計(jì)的新型虛擬現(xiàn)實(shí)無限移動(dòng)裝置的定位過程進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與分析，給出了使用者在移動(dòng)裝置上的定位方式及理論背景。如圖2所示，在移動(dòng)設(shè)備上裝載有位于OO1O2O3四處的紅外測(cè)距裝置，以O(shè)為原點(diǎn)，構(gòu)建某一空間三維直角坐標(biāo)系，給出其中三處的紅外測(cè)距裝置的坐標(biāo)分別為：（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3），使用者佩戴多個(gè)接收觸點(diǎn)能用來測(cè)得移動(dòng)裝置上紅外測(cè)距感應(yīng)器到該點(diǎn)的距離。代表性地，取該點(diǎn)在某一時(shí)刻的坐標(biāo)為（x，y，z），則可通過紅外測(cè)距傳感器測(cè)得移動(dòng)裝置上固定點(diǎn)到待測(cè)點(diǎn)的距離d1，d2和d3，由如下表達(dá)式：

由此得到了求解待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的表達(dá)式。

進(jìn)一步地，通過得到主紅外測(cè)距感應(yīng)器O到待測(cè)點(diǎn)的距離為d0，即可得到x2+y2+z2=d02，將此關(guān)系帶入到式（1）中，可以求解得到待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）如下：

由上可見，通過對(duì)兩相鄰時(shí)刻的位置向量d？？和d′？？進(jìn)行點(diǎn)乘和叉乘運(yùn)算即可得到相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)軸，由此進(jìn)行程序化處理得到移動(dòng)裝置的相關(guān)運(yùn)動(dòng)模式。

四、總結(jié)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由許多先進(jìn)學(xué)科和先進(jìn)知識(shí)形成的綜合系統(tǒng)技術(shù)，是一個(gè)極具潛力的前沿研究方向。本文首先介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的一些應(yīng)用場景和發(fā)展現(xiàn)狀。針對(duì)目前虛擬現(xiàn)實(shí)配套的移動(dòng)裝置中的存在的一些問題，提出了一種新型虛擬現(xiàn)實(shí)無限移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)的介紹了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)；進(jìn)一步根據(jù)三點(diǎn)測(cè)距定位的基本理論，建立了使用者定位的運(yùn)動(dòng)方程，并詳細(xì)的介紹了其運(yùn)動(dòng)學(xué)模式的表征方法，提出了旋轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)學(xué)模型，為相應(yīng)平臺(tái)的自動(dòng)化控制提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周柳等， 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的應(yīng)用[J]， 《中國組織工程研究與臨床康復(fù)》， 2007.2（11）：957-960.

[2] 鄒湘軍等， 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演變發(fā)展與展望[J]， 《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》， 2004（9）：1905-1909.

[3]陳浩磊等， 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新發(fā)展與展望[J]， 《中國科技論文在線》， 2011.1（6）：1-5.

[4] 魏安順等， 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在制造業(yè)的應(yīng)用[J]， 《模具技術(shù)》， 2004.7（5）：54-57.