一种基于虚拟现实的模拟行走系统

1.本发明属于虚拟现实领域，特别是涉及一种基于虚拟现实的模拟行走系统。


背景技术：

2.目前，用于虚拟现实环境涉及动作捕捉的人机交互设备大致分为两种：一种主要由vr头戴式眼镜、左右手操控手柄以及两个定位器构成；另一种为一体机设备，包括vr头戴式眼镜与左右手操控手柄，均依靠光学定位或蓝牙定位。
3.要实现人体在虚拟现实环境中移动，可以凭借在现实环境中的房间内移动映射到虚拟环境中，也可以通过操控手柄实现人体在虚拟环境中的运动，但此种运动方式易造成人体视觉大脑对运动的认知不同步，产生眩晕感。
4.现有产品htcvive的vr虚拟现实游戏设备产品的定位方式，采用outside-intracking(外向内追踪技术)，即为通过外置的激光发射器对设备进行定位，该技术通过激光扫描仪发射激光束，对接收器上的反射标记进行定位；其优点是定位精度较高，但设备成本相对较高，而且容易受到环境光线的影响。
5.odt万向行动平台omni-directional treadmill，即可以365度转向、行走、跑跳等做出各种动作，俗称万向跑步机(vr跑步机)。它与vr头部显示器搭配，大幅度改善并增强了虚拟现实在实际使用中的体验。万向跑步机为克服人体眩晕感诞生，依照设计原理大致分为两种，一种万向跑步机底板固定，仅作为感应装置，基于足部追踪读取数据；另一种类似传统跑步机，将跑步机步带(运行方向假设为x方向)分成若干个小跑带，小步带的运行方向为y方向。
6.现有万向跑步机存在如下问题：一是占地面积与体积均较大且重量较重，难以进行移动；二是现有万向跑步机的底盘大多制作为中间下凹的形状，人体在跑步机上运动时难以保持平衡，需要腰带固定保持人体平衡；三是若使用时间较长，人体会感到明显的疲惫感，对体力的消耗较大。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种基于虚拟现实的模拟行走系统，以解决上述现有技术存在的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种基于虚拟现实的模拟行走系统，包括：
9.可选的，感应模块，定位模块，控制分析模块和显示模块；
10.所述感应模块，定位模块和所述显示模块均与所述控制分析模块电连接；
11.其中，所述感应模块设置于人体脚部上方，所述感应模块用于获取第一行走数据；
12.所述定位模块设置于人体头部上方且高于人体头部，所述定位模块用于获取第二行走数据；
13.所述控制分析模块用于对所述第一行走数据和所述第二行走数据进行结合分析，得到实时模拟数据，并将所述实时模拟数据传输到显示模块中；
14.所述显示模块穿戴于人体头部上方，所述显示模块用于接收并显示所述实时模拟数据。
15.可选的，所述感应模块包括：左感应器和右感应器；
16.所述左感应器和右感应器均采用空间传感器，所述左感应器和右感应器分别固定于人体左、右脚部上方；
17.通过所述左感应器和右感应器实时追踪人体脚部上下交替抬起的位置和姿态，获取第一行走数据。
18.可选的，所述定位模块采用激光定位器，所述激光定位器设置有多个，所述多个激光定位器之间对角设置；
19.通过所述激光定位器对人体脚部上下交替抬起的抬起高度、频率以及方向的改变进行扫描识别，得到第二行走数据。
20.可选的，所述控制分析模块包括：pc端电脑设备和电源；
21.所述pc端电脑设备和所述电源依次连接，所述pc端电脑设备内部存储有虚拟环境数据，通过所述pc端电脑设备对所述第一行走数据和所述第二行走数据进行结合分析，并将分析结果与所述虚拟环境数据进行结合分析，得到实时模拟数据。
22.可选的，所述显示模块采用vr头戴式眼镜，所述vr头戴式眼镜与所述pc端电脑设备连接，通过所述pc端电脑设备将所述实时模拟数据传输到所述vr头戴式眼镜中。
23.本发明的技术效果为：
24.本发明提供一种基于虚拟现实的模拟行走系统，包括：所述感应模块，定位模块和所述显示模块均与所述控制分析模块电连接；其中，所述感应模块设置于人体脚部上方，所述感应模块用于获取第一行走数据；所述定位模块设置于人体头部上方且高于人体头部，所述定位模块用于获取第二行走数据；所述控制分析模块用于对所述第一行走数据和所述第二行走数据进行结合分析，得到实时模拟数据，并将所述实时模拟数据传输到显示模块中；所述显示模块穿戴于人体头部上方，所述显示模块用于接收并显示所述实时模拟数据。
25.本发明提供的模拟行走系统外形小巧、便于携带，易穿戴，易操作；本系统只需要个人能够原地踏步的空间便可实现人体在vr环境中的行走、跑步等动作，本发明提供的模拟行走系统的运动方式更加接近人体自然运动，本系统在使用过程中，双脚抬起即身体处于运动状态，通过抬起高度以及频率映射人体在虚拟环境中的运动。本系统使人体实际运动与使用模拟行走系统时眼睛所见相匹配，能够有效缓解使用者使用现有的虚拟现实设备时使用感受与人体正常行走发力感受差别较大进而导致人体产生眩晕感的问题。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明实施例中的模拟行走系统结构示意图；
29.图2为本发明实施例中的流程图；
30.标号说明：1-感应模块，2-激光定位器，3-手柄，4-显示模块，5-控制分析模块。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述,给出了本发明的若干实施例,但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例,相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
33.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件,当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件,本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的；
34.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
35.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同,本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明,本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
37.实施例一
38.如图1所示，本实施例中提供了一种基于虚拟现实的模拟行走系统，包括：
39.感应模块1，定位模块，控制分析模块5和显示模块4；
40.所述感应模块1，定位模块和所述显示模块4均与所述控制分析模块5电连接；
41.其中，所述感应模块1设置于人体脚部上方，所述感应模块1用于获取第一行走数据；
42.所述定位模块设置于人体头部上方且高于人体头部，所述定位模块用于获取第二行走数据；
43.所述控制分析模块5用于对所述第一行走数据和所述第二行走数据进行结合分析，得到实时模拟数据，并将所述实时模拟数据传输到显示模块4中；
44.所述显示模块4穿戴于人体头部上方，用于接收并显示所述实时模拟数据。
45.所述控制分析模块5还连接有手柄3，所述手柄设置于人体手中以及手臂上。
46.所述显示模块4穿戴于人体头部上方，所述显示模块4用于接收并显示所述实时模拟数据。
47.本实施例提供的基于虚拟现实的模拟行走系统由五部分组成：vr头戴式眼镜、左感应器、右感应器与两个激光定位器2。
48.在本实施例中，人体在虚拟环境中的脚步模拟移动不依靠手柄实现，而是脚部的上下交替抬起实现。
49.所述感应模块1包括：左感应器和右感应器；
50.所述左感应器和右感应器均采用空间传感器，所述左感应器和右感应器分别固定于人体左、右脚部上方；
51.通过所述左感应器和右感应器实时追踪人体脚部上下交替抬起的位置和姿态，获取第一行走数据。
52.左、右感应器分别固定于人体左、右的脚面，左感应器与右感应器分别固定有空间位置传感器，以实时追踪人体脚部的位置和姿态，用于感知人体脚部运动。
53.可实施的，所述定位模块采用激光定位器2，所述激光定位器2可设置为两个或多个，所述多个激光定位器2之间对角设置；
54.两个激光定位器2位于安装空间对角线位置，高于头部。
55.通过所述激光定位器2对人体脚部上下交替抬起的抬起高度、频率以及方向的改变进行扫描识别，得到第二行走数据。
56.所述第一行走数据是垂直方向数据，决定移动速度，第二行走数据获取水平方向数据，决定移动方向。
57.通过激光定位器2实现脚部位置和姿态追踪时，通过激光扫描定位技术来识别脚部抬起高度、频率以及方向的改变，并结合六自由度(6dof)传感器来获取脚部位置和姿态具体信息。6dof传感器可以同时检测物体在三维空间中的平移和旋转，从而实现对脚部方向变化的准确识别。
58.可实施的，所述控制分析模块5包括：pc端电脑设备和电源；
59.所述pc端电脑设备和所述电源依次连接，所述pc端电脑设备内部存储有虚拟环境数据，通过所述pc端电脑设备对所述第一行走数据和所述第二行走数据进行结合分析，并将分析结果与所述虚拟环境数据进行结合分析，得到实时模拟数据。
60.可实施的，所述显示模块采用vr头戴式眼镜，所述vr头戴式眼镜与所述pc端电脑设备连接，通过所述pc端电脑设备将所述实时模拟数据传输到所述vr头戴式眼镜中。vr头戴式眼镜为有线设备，与pc端电脑设备、电源相连接；脚部感应器需要充电使用，定位器连接电源使用。
61.本实施例提供的虚拟现实行走系统基于htc vive开发，使用激光扫描定位技术，此系统还适用于市面上现有的多种虚拟现实设备，包括基于电磁追踪技术的pico、基于红外光学定位技术的oculus rift以及基于可见光技术的微软mr系列等等。通过本实施例提供的行走系统对现有的虚拟现实设备进行结合改进，能够有效缓解使用者在使用现有的虚拟现实设备时，使用感受与人体正常行走感受差别较大而产生人体眩晕的问题；
62.在一个具体的实施例中，定位模块利用红外线光学定位技术，采用多个红外发射摄像头及外向内追踪的方式，对室内定位空间进行覆盖。通过在被追踪物体上放置红外反光点，捕捉这些反光点反射回摄像机的图像，确定其在空间中的位置信息。再结合左感应器和右感应器，将实时追踪获取的人体脚部上下交替抬起位置和姿态数据，传输到pc端处理，实现人体在vr环境中的行走、跑步等动作，克服人体在虚拟现实环境中眩晕的问题。
63.在一个具体的实施例中，定位模块采用摄像头，利用内向外追踪技术，摄像头或感
应器位于被跟踪的设备，无需布置繁琐的基站，定位的范围几乎是无限大，能够精准定位以及获取人体脚部上下交替抬起的位置和姿态，解决人体在vr环境中中眩晕的问题。
64.在一个实施例中，定位模块采用电磁线圈，通过控制分析模块接受电磁线圈产生的可以穿透人体的电磁波信号，再结合左感应器和右感应器实时追踪人体脚部上下交替抬起的位置和姿态，实现人体在vr环境中的行走、跑步等动作，克服人体在虚拟现实环境中眩晕的问题。
65.本实施例提供的模拟行走系统外形小巧、便于携带，易穿戴，易操作；本系统只需要个人能够原地踏步的空间便可实现人体在vr环境中的行走、跑步等动作，同时克服了人体在虚拟现实环境中眩晕的问题。
66.本实施例提供的基于虚拟现实的模拟行走系统支持的动作有：行走、奔跑和转向。
67.行走：原地踏步运动，双脚抬起越高，向前行走迈步越大。
68.奔跑：原地跑步运动，双脚抬起频率越快，向前跑步速度越快。
69.本实施例提供的基于虚拟现实的模拟行走系统设置有移动范围限定机制和防误判机制；
70.移动范围限定机制:可选择开关范围限制，打开时在区域内只识别原地踏步，关闭时可识别其余行走动作。
71.防误判机制:在进行跳跃、躺下、俯蹲等特殊动作时不会有任何行走误判。
72.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于虚拟现实的模拟行走系统，其特征在于，包括：感应模块(1)，定位模块，控制分析模块(5)和显示模块(4)；所述感应模块(1)，定位模块和所述显示模块(4)均与所述控制分析模块(5)电连接；其中，所述感应模块(1)设置于人体脚部上方，所述感应模块(1)用于获取第一行走数据；所述定位模块设置于人体头部上方且高于人体头部，所述定位模块用于获取第二行走数据；所述控制分析模块(5)用于对所述第一行走数据和所述第二行走数据进行结合分析，得到实时模拟数据，并将所述实时模拟数据传输到显示模块(4)中；所述显示模块(4)穿戴于人体头部上方，用于接收并显示所述实时模拟数据。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的模拟行走系统，其特征在于，所述感应模块(1)包括：左感应器和右感应器；所述左感应器和右感应器均采用空间传感器，所述左感应器和右感应器分别固定于人体左、右脚部上方；通过所述左感应器和右感应器实时追踪人体脚部上下交替抬起的位置和姿态，获取第一行走数据。3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的模拟行走系统，其特征在于，所述定位模块采用激光定位器(2)，所述激光定位器(2)设置有多个，所述多个激光定位器(2)之间对角设置；通过所述激光定位器(2)对人体脚部上下交替抬起的抬起高度、频率以及方向的改变进行扫描识别，得到第二行走数据。4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟现实的模拟行走系统，其特征在于，所述控制分析模块(5)包括：pc端电脑设备和电源；所述pc端电脑设备和所述电源依次连接，所述pc端电脑设备内部存储有虚拟环境数据，通过所述pc端电脑设备对所述第一行走数据和所述第二行走数据进行结合分析，并将分析结果与所述虚拟环境数据进行结合分析，得到实时模拟数据。5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟现实的模拟行走系统，其特征在于，所述显示模块(4)采用vr头戴式眼镜，所述vr头戴式眼镜与所述pc端电脑设备连接，通过所述pc端电脑设备将所述实时模拟数据传输到所述vr头戴式眼镜中。

技术总结
本发明属于虚拟现实领域，并公开了一种基于虚拟现实的模拟行走系统，包括：感应模块，定位模块和显示模块均与控制分析模块电连接；其中，感应模块设置于人体脚部上方，感应模块用于获取第一行走数据；定位模块设置于人体头部上方且高于人体头部，定位模块用于获取第二行走数据；控制分析模块用于对第一行走数据和第二行走数据进行结合分析，得到实时模拟数据，并将实时模拟数据传输到显示模块中；显示模块穿戴于人体头部上方，显示模块用于接收并显示实时模拟数据。本发明技术方案只需要个人能够原地踏步的空间便可实现人体在VR环境中的行走、跑步等动作，同时克服了人体在虚拟现实环境中眩晕的问题。境中眩晕的问题。境中眩晕的问题。


技术研发人员：苑思楠 白金妮 穆南硕
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/5