動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置及方法，該運(yùn)動控制裝置以一定的采樣周期接收來自賽車游戲控制方向盤的旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)和賽車前進(jìn)或后退等信號，實(shí)現(xiàn)虛擬賽車在運(yùn)動場景中位姿和運(yùn)動狀態(tài)的模擬；進(jìn)而根據(jù)不同運(yùn)動場景時(shí)虛擬賽車所處的位姿和運(yùn)動狀態(tài)求解出動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位移和速度等運(yùn)動學(xué)參數(shù)，PID控制模塊則根據(jù)求得的運(yùn)動學(xué)參數(shù)對各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位移和速度進(jìn)行聯(lián)動控制，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中運(yùn)動座椅的位姿和運(yùn)動狀態(tài)與虛擬賽車的位姿和運(yùn)動狀態(tài)保持一致的目的。
【專利說明】動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及動感游戲【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控 制裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有動感賽車游戲的控制方法幾乎都是主動控制形式：①通過一定的外設(shè)（如鼠 標(biāo)、鍵盤、游戲手柄/方向盤等）來控制游戲場景中的虛擬賽車進(jìn)行前后移動和左右側(cè)擺運(yùn) 動，如申請?zhí)枮?01310397659. 0的專利提出了一種利用智能手機(jī)模擬游戲方向盤的操作 方法與系統(tǒng)來控制虛擬賽車，申請?zhí)枮?01320360792. 4的專利提出了一種用于控制手機(jī) 賽車游戲的方向盤結(jié)構(gòu)組成與設(shè)計(jì)；②通過游戲手柄/方向盤或上位機(jī)對動感賽車游戲中 動感座椅的各個(gè)運(yùn)動進(jìn)行聯(lián)動控制，如申請?zhí)枮?01310317335. 1的專利提出了一種通過 游戲手柄或上位機(jī)對動感座椅中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)動感座椅 的升高降低、左右回轉(zhuǎn)、前后擺動和左右擺動的聯(lián)動，給予游戲玩家一定的運(yùn)動感覺。
[0003] 但是，至今為止，現(xiàn)有動感賽車游戲【技術(shù)領(lǐng)域】中并沒有提供一種被動形式的控制 方法--根據(jù)虛擬賽車在不同游戲場景中的不同運(yùn)動位姿和運(yùn)動狀態(tài)對動感賽車游戲運(yùn) 動模擬器中運(yùn)動座椅的位姿和運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行有效控制，使其與虛擬賽車的位姿和運(yùn)動狀態(tài) 保持一致，給予游戲玩家身臨其境的感覺。因此，本專利申請擬基于一種電機(jī)驅(qū)動的三自由 度可拆裝的動感賽車游戲運(yùn)動模擬器，提出一種動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置 與運(yùn)動控制方法，該運(yùn)動控制方法以一種被動形式實(shí)現(xiàn)了動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中運(yùn)動 座椅的側(cè)擺、俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動的聯(lián)動控制，克服了現(xiàn)有動感賽車游戲技術(shù)中存在的不足，滿 足了游戲玩家對動感賽車游戲的高娛樂度和高逼真度的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高動感賽車游戲的娛樂度和逼真度以 及給予游戲玩家身臨其境感覺的動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置及方法。
[0005] 考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)方面，本發(fā)明采用以下技術(shù) 方案：
[0006] -種動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置，它包括：
[0007] 賽車游戲控制方向盤；
[0008] 第一通信模塊，用于將所述賽車游戲控制方向盤的旋轉(zhuǎn)角度供和賽車前進(jìn)或后退 信號傳輸給計(jì)算機(jī)；
[0009] 計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)內(nèi)包括位姿求解模塊和差分映射模塊，所述位姿求解模塊用于 計(jì)算虛擬賽車處于不同運(yùn)動場景時(shí)的位姿，以及通過差分映射模塊中的差分運(yùn)算得到虛擬 賽車在一個(gè)采樣周期t內(nèi)的各個(gè)運(yùn)動角度的變化量Δ%、Δ%、Δ外，映射運(yùn)算得到動感賽 車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量Δ叭1、Δ%:、，并通過第二通信模 塊將動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量Δ灼i、Δ^ρ1、傳輸給 ARM處理器中的運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；
[0010] ARM處理器，該ARM處理器包括運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和PID控制模塊，所述運(yùn)動參數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量A^sl、Δ^ρ1、 求解出動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的平動位移Ss、sp、\和平動速度V s、νρ、 并將求解出的位移、速度參數(shù)以隊(duì)列的形式存儲在內(nèi)存緩沖區(qū)中，以采樣周期t按照先 進(jìn)先出的原則將其傳輸給PID控制模塊；所述PID控制模塊根據(jù)所述運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸 出的位移、速度參數(shù)對動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中側(cè)擺機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位移 和速度進(jìn)行聯(lián)動控制。
[0011] 為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步的技術(shù)方案是：
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述計(jì)算機(jī)內(nèi)還包括運(yùn)動場景模擬模塊，所述賽車 游戲控制方向盤的旋轉(zhuǎn)角度供和賽車前進(jìn)或后退信號通過所述運(yùn)動場景模擬模塊在顯示器 中模擬顯示。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，所述動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中的側(cè)擺絲杠、俯 仰絲杠和滾轉(zhuǎn)絲杠處各設(shè)置一個(gè)光柵線位移傳感器，該光柵線位移傳感器用于檢測側(cè)擺螺 母位移S s'、俯仰螺母位移Sp'和滾轉(zhuǎn)螺母位移s/，并將檢測到的各個(gè)位移量反饋給PID控 制模塊；PID控制模塊通過對檢測到的各個(gè)反饋位移量進(jìn)行檢驗(yàn)，以對動感賽車游戲運(yùn)動 模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行有效操控。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，所述賽車游戲控制方向盤采用型號為北通瞬風(fēng) 131的3D游戲方向盤；ARM處理器采用型號為STM32F103ZET6的ARM處理器；電機(jī)采用型號 為ZGBX90F-X80-1的直流減速電機(jī)；光柵線位移傳感器采用型號為GXW型的光柵線位移傳 感器。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，所述第一通信模塊和/或第二通信模塊為USB通 信模塊。
[0016] 本發(fā)明還可以是：
[0017] 一種動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制方法，它包括：
[0018] 將所述賽車游戲控制方向盤的旋轉(zhuǎn)角度供和賽車前進(jìn)或后退信號傳輸給計(jì)算機(jī)；
[0019] 通過位姿求解模塊計(jì)算虛擬賽車處于不同運(yùn)動場景時(shí)的位姿，以及通過差分 映射模塊中的差分運(yùn)算得到虛擬賽車在一個(gè)采樣周期t內(nèi)的各個(gè)運(yùn)動角度的變化量 Δ%、Δ外、Δ外，映射運(yùn)算得到動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量 Δ%!、Δ%!、，并通過第二通信模塊將動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的 角度變化量Apsl、Ap pl、傳輸給ARM處理器中的運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；
[0020] 運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量 Δ供ρ1、Δ%求解出動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的平動位移Ss、Sp、\ 和平動速度vs、Vp、并將求解出的位移、速度參數(shù)以隊(duì)列的形式存儲在內(nèi)存緩沖區(qū)中，以 采樣周期t按照先進(jìn)先出的原則將其傳輸給PID控制模塊；所述PID控制模塊根據(jù)所述運(yùn) 動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的位移、速度參數(shù)對動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中側(cè)擺機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu) 和滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位移和速度進(jìn)行聯(lián)動控制。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，所述位姿求解模塊的位姿求解方法如下：
[0022] 虛擬賽車的側(cè)擺角度是直接通過動感賽車游戲軟件所接收的旋轉(zhuǎn)角度供計(jì)算求得 的

【權(quán)利要求】
1. 一種動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置，其特征在于它包括： 賽車游戲控制方向盤； 第一通信模塊，用于將所述賽車游戲控制方向盤的旋轉(zhuǎn)角度#和賽車前進(jìn)或后退信號 傳輸給計(jì)算機(jī)； 計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)內(nèi)包括位姿求解模塊和差分映射模塊，所述位姿求解模塊用于計(jì)算 虛擬賽車處于不同運(yùn)動場景時(shí)的位姿，以及通過差分映射模塊中的差分運(yùn)算得到虛擬賽車 在一個(gè)采樣周期t內(nèi)的各個(gè)運(yùn)動角度的變化量A外、A外，映射運(yùn)算得到動感賽車游 戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量:Apsl、Appl、，并通過第二通信模塊將 動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量:Apsl、Appl、A^ 1傳輸給ARM處 理器中的運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊； ARM處理器，該ARM處理器包括運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和PID控制模塊，所述運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換 模塊根據(jù)動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量A^sl、A^pl、Aprl求解 出動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的平動位移ss、sp、\和平動速度V s、vp、'，并 將求解出的位移、速度參數(shù)以隊(duì)列的形式存儲在內(nèi)存緩沖區(qū)中，以采樣周期t按照先進(jìn)先 出的原則將其傳輸給PID控制模塊；所述PID控制模塊根據(jù)所述運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的 位移、速度參數(shù)對動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中側(cè)擺機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位移和速 度進(jìn)行聯(lián)動控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置，其特征在于所述 計(jì)算機(jī)內(nèi)還包括運(yùn)動場景模擬模塊，所述賽車游戲控制方向盤的旋轉(zhuǎn)角度和賽車前進(jìn)或 后退信號通過所述運(yùn)動場景模擬模塊在顯示器中模擬顯示。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置，其特征在于所述 動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中的側(cè)擺絲杠、俯仰絲杠和滾轉(zhuǎn)絲杠處各設(shè)置一個(gè)光柵線位移傳 感器，該光柵線位移傳感器用于檢測側(cè)擺螺母位移s s'、俯仰螺母位移Sp'和滾轉(zhuǎn)螺母位移 s/，并將檢測到的各個(gè)位移量反饋給PID控制模塊；PID控制模塊通過對檢測到的各個(gè)反 饋位移量進(jìn)行檢驗(yàn)，以對動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行有效操 控。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置，其特征在于所述 賽車游戲控制方向盤采用型號為北通瞬風(fēng)131的3D游戲方向盤；ARM處理器采用型號為 STM32F103ZET6的ARM處理器；電機(jī)采用型號為ZGBX90F-X80-1的直流減速電機(jī)；光柵線位 移傳感器采用型號為GXW型的光柵線位移傳感器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制裝置，其特征在于所述 第一通信模塊和/或第二通信模塊為USB通信模塊。
6. -種動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制方法，其特征在于它包括： 將所述賽車游戲控制方向盤的旋轉(zhuǎn)角度少:和賽車前進(jìn)或后退信號傳輸給計(jì)算機(jī)； 通過位姿求解模塊計(jì)算虛擬賽車處于不同運(yùn)動場景時(shí)的位姿，以及通過差分映 射模塊中的差分運(yùn)算得到虛擬賽車在一個(gè)采樣周期t內(nèi)的各個(gè)運(yùn)動角度的變化量 :A%、A外、A外，映射運(yùn)算得到動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量 :Apsl、A外!、Aprl，并通過第二通信模塊將動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的 角度變化量:A^sl、Appl、Aprl傳輸給ARM處理器中的運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊； 運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量 :△外i、/^9pl、A外P求解出動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的平動位移Ss、Sp、\ 和平動速度Vs、Vp、并將求解出的位移、速度參數(shù)以隊(duì)列的形式存儲在內(nèi)存緩沖區(qū)中，以 采樣周期t按照先進(jìn)先出的原則將其傳輸給PID控制模塊；所述PID控制模塊根據(jù)所述運(yùn) 動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的位移、速度參數(shù)對動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中側(cè)擺機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu) 和滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位移和速度進(jìn)行聯(lián)動控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制方法，其特征在于所述 位姿求解模塊的位姿求解方法如下： 虛擬賽車的側(cè)擺角度通過動感賽車游戲軟件所接收的旋轉(zhuǎn)角度妒計(jì)算求得的：
其中％是指賽車游戲控制方向盤的旋轉(zhuǎn)角度，〇是指賽車游戲控制方向盤的極 限旋轉(zhuǎn)角度，〇3是指虛擬賽車在運(yùn)動場景中的極限側(cè)擺角度。而俯仰角度妁:和滾轉(zhuǎn)角度 朽則是根據(jù)虛擬賽車處于不同的運(yùn)動場景時(shí)位姿狀態(tài)間接求得的，其具體求解過程如下所 述： 由于虛擬賽車的運(yùn)動場景是由不規(guī)則的曲面連接而成，因此為了顯示本算法的一般 性，用坐標(biāo)分量形式來表示一般曲面P=P(u，v):
通過固定在虛擬賽車中心的兩個(gè)相互垂直的切割面UAj+Bj+CiZ+Di= 0)和切割面2(A2x+B2y+C2z+D2=0)分另Ij對運(yùn)動場景的不規(guī)貝U曲面P=P(u,V)進(jìn)行切割,便可以得到三 面的一個(gè)交點(diǎn)Pu=P(ui，')和兩條過該切割點(diǎn)Pu的曲線Ip12; 該切割點(diǎn)Pij沿U線（即P(U, V j))和V線（即P(Ui, V))的切矢Pu (Ui, Vj)和Pv (Ui, Vj)分別為：
式中，Nx、Ny、Nz分別為法矢N在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的三個(gè)坐標(biāo)分量。 該切割點(diǎn)Pij沿曲線Ii和曲線1 2的切矢弋和氣分別為：
式中，H1是指過切割點(diǎn)Pu且垂直于切割面1的法矢，其值為ni=(Ai，B1,C1) ;n2是指 過切割點(diǎn)Pij且垂直于切割面2的法矢，其值為n2=(A2,B2,C2) ;slx、sly、slz分別是指切矢 氣在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的三個(gè)坐標(biāo)分量；s2x、s2y、s2z分別是指切矢氣在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的三個(gè)坐 標(biāo)分量； 根據(jù)向量的平移不變性可知，此時(shí)虛擬賽車的俯仰角度％和滾轉(zhuǎn)角度外分別為：
動感賽車游戲軟件中的差分映射模塊以一定的采樣周期t接收不同時(shí)刻虛擬賽車的 側(cè)擺角度％、俯仰角度？V和滾轉(zhuǎn)角度外，并對其進(jìn)行差分與映射運(yùn)算得到虛擬賽車各個(gè)運(yùn) 動角的變化量:A%、和以及動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變 化量:和IAprl，其計(jì)算式分別為：
式中，ns、np、L分別是指虛擬賽車的角度變化量向動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中各 個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的角度變化量進(jìn)行映射的側(cè)擺映射系數(shù)、俯仰映射系數(shù)、滾轉(zhuǎn)映射系數(shù)，其值為
Os、①P、&分別是指虛擬賽車在運(yùn)動場景中的極限側(cè)擺 角度、極限俯仰角度、極限滾轉(zhuǎn)角度，〇sl、〇pl、Ort分別是指動感賽車游戲模擬器的極限側(cè) 擺角度、極限俯仰角度、極限滾轉(zhuǎn)角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的動感賽車游戲運(yùn)動模擬器的運(yùn)動控制方法，其特征在于所述 運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換方法如下： 由動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中側(cè)擺機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換簡圖可 知：側(cè)擺運(yùn)動的平動位移Ss=A^tanApsl、俯仰運(yùn)動的平動位移S p=ZJ1^tanAppl、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動 的平動位移心z/z^tanA^n，其中hs、hp、匕分別是指動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中側(cè)擺連桿、 俯仰連桿、滾轉(zhuǎn)連桿的長度，則動感賽車游戲運(yùn)動模擬器中側(cè)擺驅(qū)動單元的線速度Vs、俯仰 驅(qū)動單元的線速度Vp、滾轉(zhuǎn)驅(qū)動單元的線速度\的計(jì)算式為：
在一個(gè)采樣周期t內(nèi)，將動感賽車游戲軟件中虛擬賽車的設(shè)置參數(shù)和動感賽車游戲運(yùn) 動模擬器的特征參數(shù)代入上述位姿求解算法和運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)換算法，得到動感賽車游戲模擬 器的控制參數(shù)。
【文檔編號】A63F13/211GK104492079SQ201510004897
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月6日
【發(fā)明者】范守文, 張鑫, 郭歷農(nóng), 竺玉成, 莊彬, 伍維, 朱朝軒, 謝睿, 盧滿懷, 余思佳 申請人:電子科技大學(xué)