[发明专利]一种多自由度模拟滑雪训练系统及训练方法

权利要求书

1.一种多自由度模拟滑雪训练系统，其特征在于：包括平移滑台、六自由度平台、控制器、测距模块、倾角传感器和显示设备；

所述平移滑台包括电机、绳索、导轨滑动支架、导轨、滑雪板固定支架、滑雪板、拉力传感器；所述平移滑台上的滑雪板能够进行滚转模拟立刃角度变化，同时能够进行小角度偏航模拟犁式状态，拉力传感器用于测量两支滑雪板之间拉力数据检测犁式状态进而更改接触摩擦力；所述平移滑台通过控制器中的力觉提示控制模块，控制平移滑台上的电机拉动滑雪板在导轨上左右滑动，模拟滑雪的回转动作，进而提升滑雪者回转动作感受；

所述六自由度平台通过控制器中的体感模拟控制模块，控制六自由度平台各个伸缩杆的电机与驱动器，使六自由度平台转动到目标位置与角度，通过六自由度平台的运动模拟滑雪场地形变化、滑行加速度变化、滑行速度方向变化、滑雪者重心变化，进而提升滑雪者对地形变化和运动状态变化的感受；

所述控制器包括力觉提示控制模块、体感模拟控制模块和视觉提示控制模块；通过力觉提示控制模块平移滑台，通过体感模拟控制模块控制六自由度平台，通过视觉提示控制模块控制虚拟场景的显示效果；

所述测距模块用于测量滑雪板在平移滑台上位移，并将所述位移数据传输给控制器；

所述倾角传感器用于测量滑雪板的立刃角度，并将所述立刃角度数据传输给控制器；

所述显示设备通过控制器中的视觉提示控制模块，控制滑雪虚拟场景中人物所对应滑雪状态变化，并通过跟滑功能，进而提升滑雪者模拟滑雪时的视觉沉浸感；所对应滑雪状态变化包括位置、视角变化；

所述平移滑台通过固定装置固定于六自由度平台的上平台，六自由度平台通过固定装置将下平台固定于地面；所述平移滑台中电机通过绳索与导轨滑动支架相连，导轨滑动支架放置于导轨上；滑雪板固定支架通过转轴与导轨滑动支架连接，能够在导轨滑动支架上进行滚转，滑雪板通过转轴与滑雪板固定支架连接，能够在滑雪板固定支架上进行小角度偏航，两支滑雪板前后端均通过拉力传感器连接；所述控制器固定于六自由度平台内部；所述测距模块固定在平移滑台两端的中点，使其与滑雪板保持在同一水平线；所述倾角传感器固定在滑雪板上，安装时保持倾角传感器水平安装；

所述力觉提示控制模块通过力觉提示算法实现，所述力觉提示算法实现方法如下，

根据滑雪场景给予力觉反馈，使滑雪者感受到真实环境下滑雪回转过程中的回转向心力；为提升力觉提示控制模块的控制效率，将回转中转弯向心力简化为：

N＝mgcosα

其中N为地面支持力，m为滑雪者质量，g为重力加速度，α为地面坡度，为立刃角度，L为回转向心力，K_L为向心力比例系数；

根据公式(1)、(2)、(3)计算回转过程的向心力，控制平移滑台上的电机拉动滑雪板在导轨上左右滑动，模拟滑雪的回转动作，提升滑雪者回转动作感受；

所述体感模拟控制模块通过体感模拟控制算法实现，所述体感模拟控制算法实现方法为，

所述体感模拟控制算法包括经典洗出算法、滑行方向模拟算法、重心变化模拟算法，所述经典洗出算法用于六自由度平台纵向与垂向的位移和俯仰角度的控制，所述滑行方向模拟算法用于六自由度平台偏航角度的控制，所述重心变化模拟算法用于六自由度平台滚转角度的控制；

所述经典洗出算法用于六自由度平台纵向与垂向的位移和俯仰角度的控制，实现方法如下：

六自由度平台为了在有限空间内完成多次运动，需要在每次运动之后以低于人体感知阈值的动作缓慢回到初始位置，便于进行下一次运动，因此采用经典洗出算法，经典洗出算法包括如下步骤：

经典洗出算法步骤一：

建立滑雪滑降模型，将滑雪场景中人物所在位置的实时地形数据输入滑雪滑降模型，根据滑雪滑降模型进行下滑加速度计算，所述下滑加速度作为经典洗出算法的输入；

滑雪滑降模型如下：

mgsinα-(f_a+f_r)＝ma

其中f_a为空气阻力，f_r为接触摩擦力，a为下滑加速度，ρ_a为空气密度，C_d为空气阻力系数，A为迎风面积，v为下滑速度，为接触摩擦力比例系数，μ为接触摩擦系数；

滑雪板处于犁式状态时接触摩擦力显著增大，为了对此情况进行模拟，在滑雪滑降模型中，接触摩擦力比例系数与平移滑台上拉力传感器测得拉力数据成正比；

对下滑加速度进行纵向和垂向的分解，作为经典洗出算法的加速度输入：

俯仰角速度作为经典洗出算法的角速度输入：

经典洗出算法步骤二：

对洗出算法步骤一输入的纵向加速度和垂向加速度按照坐标变换矩阵L_IS进行坐标变换转换到惯性坐标系下；对俯仰角速度按照变换矩阵T_S转换成欧拉角的变化率；

其中c代表cos，s代表sin，θ为六自由度平台滚转角，为六自由度平台俯仰角，ψ为六自由度平台偏航角；

经典洗出算法步骤三：

经典洗出算法主要用到的通道为纵向与垂向方向的高通加速度通道、纵向的倾斜协调通道以及俯仰的高通角速度通道；

高通加速度通道的传递函数为：

其中为加速度高通滤波器阻尼比，为加速度高通滤波响应频率；

纵向的倾斜协调通道的传递函数为：

其中为纵向倾斜协调通道滤波器阻尼比，为纵向倾斜协调通道滤波器响应频率；

俯仰的高通角速度通道的传递函数为：

其中为俯仰角速度高通滤波器阻尼比，为俯仰角速度高通滤波响应频率；

对上述滤波之后的结果进行积分输出，得到经典洗出算法输出的位移与角度；

所述视觉提示控制模块通过视觉提示系统实现，所述视觉提示系统实现方法如下，

视觉提示系统步骤一：

视觉提示系统中，平移滑台上运动的滑雪者与虚拟场景中运动的人物保持运动状态与视角一致，提高模拟滑雪的沉浸感与真实感；为了使滑雪者的视觉位置与平移滑台位置保持一致，避免出现偏差引起感知错觉，需要将虚拟场景中的人物位置与平移滑台中滑雪者的位置同步；根据如下公式计算出滑雪者在当前立刃角度下的瞬时回转半径：

其中，r为瞬时回转半径，R为雪板侧切半径；

按照滑雪者在平移滑台中的位置比例计算人物在虚拟场景中的横向位置；最终人物的位置更新计算公式如下：

x′＝x+cosα·v·dt

其中，(x，y，z)为当前时刻位置，(x′，y′，z′)为下一时刻位置，D为平移滑台总长，terrain.height为人物着地时所处地形的高度，z为当前时刻的高度；

视觉提示系统步骤二：

六自由度平台运动所模拟的五个方向：俯仰、偏航、滚转、纵向位移和垂向位移中，俯仰、纵向位移与垂向位移对于速度的模拟可以通过虚拟场景中人物的位置进行视觉反馈，不需要额外的辅助显示；偏航与滚转是为了模拟滑行方向变化和重心变化，需要视角的变化来营造出人物姿态变化的效果；视角变化源于头部视野的改变，因此在虚拟场景中主要应用于第一人称视角状态；

虚拟场景中第一人称人物视角变化公式为：

其中ψ_S、θ_S分别为虚拟场景中第一视角下人物视野的偏航与滚转角度；K_ψS、为虚拟场景中第一视角下偏航与滚转角度的比例系数；

视觉提示系统步骤三：

在虚拟场景中设置教练员标准滑雪动作模型，预先让教练员在模拟滑雪设备上进行试滑，使用惯性动作捕捉设备进行滑雪动作捕获，能够还原其头、大小臂、躯干、大小腿的动作；在虚拟场景中对教练员动作进行回放，滑雪者能够在本模拟滑雪设备上进行跟滑，模仿教练员的各肢体动作来调整自己的滑雪姿态；通过此跟滑方式，一方面能够显著提升滑雪者的浸入感，另一方面能够使滑雪者更快的掌握滑雪动作。