一种虚拟现实无限移动装置的设计及定位分析

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1、一种虚拟现实无限移动装置的设计及定位分析【摘要】虚拟现实是一种多通道的新型人机交互技术，提供了具有沉浸感的智能虚拟环境并允许用户和该环境进行交互设计。目前与虚拟现实技术连接的移动装置可活动范围具有较大的局限性，无法实现使用者全方位转向移动。针对移动装置无法模拟出虚拟场景坡度等诸多问题，本文首先提出了一种新型的虚拟现实无限移动装置的设计方案，通过运用虚拟现实技术和传统跑步机结合解决上述问题，并同时解决了在虚拟现实空间中的无限制移动问题；进一步经过详细地数学建模，给出了这种移动装置的三维定位模型【关键词】虚拟现实无限移动装置数学模型三维定位分析一、引言虚拟现实是一种新型的人机交互技术，具冇广

2、泛的应用场景，如多感官教学、飞行员训练、医疗训练、心理治疗和康复训练等诸多领域［1］，这种技术是由计算机硬件和软件合成人工环境，使沉浸在其中的使用者产生视、听、触等多种感觉，并在三维视觉空间中获得人机交互体验，力求给使用者造成与现实世界一样真实的环境。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合，是一门极富挑战性的交叉技术虚拟现实技术由于其广泛的用途而发展迅速，虚拟现实系统根据使用者参与形式的不同一般分为四种模式：桌面式、沉浸式、增强式和分布式［3］，其中沉浸式主要是利用头盔式显示器、位置跟踪器、数据手套和其

3、他设备，使得参与者获得置身真实情景的感觉。沉浸感需要头盔显示器，而第一个头盔显示器是于1966年有美国麻省理工大学的林肯实验室研制成功。20世纪90年代以来，由于计算机硬件技术的迅猛发展，虚拟现实技术的发展也进入了一个高速发展的时期，美国Michigan大学的VR实验室采用沉浸式虚拟现实对一艘PD337海军运输船的生产过程进行了模拟，美国Boeing飞机公司设计的一架VS-X虚拟飞机，它可用头盔式显示器和数据手套来进行模具技术观察与控制［4］。而目前虚拟现实技术发展过程屮也存在诸多的问题，例如与虚拟?F实技术连接的移动装置较为简单，使用者无法方便快捷地完成全方位的移动。为了进一步实现使用

4、者的自由化运动，木文首先提出了一种新型虚拟现实无限移动装置的设计方案，并详细的介绍了其结构设计特点。该方案可以完全还原真实运动体验，使用者能在原地跑动，甚至可以做出转身、拐弯（非全方位）和短距离小跳等动作；进一步地，通过对红外测距传感器系统建立合适的数学模型，给出了三维空间定位的基本原理，为所设计的无限移动装置的同步定位模块提供的理论支撑。二、虚拟现实无限移动装置的设计特点针对目前与虚拟现实设备配套的移动装置无法模拟出虚拟场景坡度，并且无法让跑步机迎合使用者完成跳跃等诸多运动的问题，本小节提出了一种新型虚拟现实无限移动装置。如图1所示，1为控制台，在移动装置h的多处安装有红外距离感应器2

5、,控制台1下端连接固定连接护栏3用以确定活动范围同时保护使用者的安全，4为底座，其下端连接有圆形底盘。底盘下端连接有程序化控制的一系列液压传动装置，通过移动装置上多处的红外测距感应器来测得使用者的移动方位及距离，之后通过蓝牙将红外距离感应器测量得出的数据通过蓝牙传输给虚拟现实头盔，最后头盔接受数裾并将其转化为虚拟现实场景屮的相对应的移动，从而实现相应的运动匹配过程。在整个移动装置使用过程中，需要先调整好底部的水平调节螺栓使得其维持在一个合适的位置保持整体水平，之后整个装置就会根据使用者自身的运动来实现各种定位模式，通过底座上的液压装置和4处的履带既能保持使用者在装置屮无限运动的可能，又能

6、模拟出有任意方向坡度的虚拟路面场景；同时虚拟现实无限移动装置还能够迎合使用者的动作完成加速奔跑和跳越等运动，按照使用者的节奏运动。与市面上的同类型设备相比，它能够完成的动作更加多样，能够移动的现实范围更大，而且不需要专用的鞋等传感设备支持，只需要vr头盔和此设备连接成功便能够直接使用，并且还能够做到自由自在地奔跑，并且占地面积小，用件方面都与传统跑步机相似，但是比起传统跑步机的优势在于能使整个跑步过程更加有趣，使用者能获得更强的沉浸感。栏杆的设置则是为了增加安全性，防止突然停止后或者平衡协调性不好的使用者摔倒三、短距离定位系统的理论建模在使用虚拟现实移动装置过程中，对使用者的定位分析尤为

7、重要。使用者与虚拟现实无限移动装置配对过程中，主要需要实现如下定位过程:测距、角度计算、角度位置调整测量等。随着目前各种传感器技术的发展,各种定位技术应运而生。超声波定位技术可测距范围较大，但是精度较小，而红外测距原理则由于其光朿发散小的有点，相对于超声波传感器，其测量精度有了很大的提高，此外使用红外测距原理的设备成本较低。本小节基子红外测距原理，对所设计的新型虚拟现实无限移动装置的定位过程进行了系统的数学建模与分析，给出了使用者在