动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置及方法，该运动控制装置以一定的采样周期接收来自赛车游戏控制方向盘的旋转角度参数和赛车前进或后退等信号，实现虚拟赛车在运动场景中位姿和运动状态的模拟；进而根据不同运动场景时虚拟赛车所处的位姿和运动状态求解出动感赛车游戏运动模拟器中各运动机构的位移和速度等运动学参数，PID控制模块则根据求得的运动学参数对各个运动机构的位移和速度进行联动控制，从而达到实现动感赛车游戏运动模拟器中运动座椅的位姿和运动状态与虚拟赛车的位姿和运动状态保持一致的目的。
【专利说明】动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及动感游戏【技术领域】，具体涉及一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控 制装置及方法。
【背景技术】
[0002] 现有动感赛车游戏的控制方法几乎都是主动控制形式：①通过一定的外设（如鼠 标、键盘、游戏手柄/方向盘等）来控制游戏场景中的虚拟赛车进行前后移动和左右侧摆运 动，如申请号为201310397659. 0的专利提出了一种利用智能手机模拟游戏方向盘的操作 方法与系统来控制虚拟赛车，申请号为201320360792. 4的专利提出了一种用于控制手机 赛车游戏的方向盘结构组成与设计；②通过游戏手柄/方向盘或上位机对动感赛车游戏中 动感座椅的各个运动进行联动控制，如申请号为201310317335. 1的专利提出了一种通过 游戏手柄或上位机对动感座椅中各个运动机构的电机转向和转速进行控制，实现动感座椅 的升高降低、左右回转、前后摆动和左右摆动的联动，给予游戏玩家一定的运动感觉。
[0003] 但是，至今为止，现有动感赛车游戏【技术领域】中并没有提供一种被动形式的控制 方法--根据虚拟赛车在不同游戏场景中的不同运动位姿和运动状态对动感赛车游戏运 动模拟器中运动座椅的位姿和运动状态进行有效控制，使其与虚拟赛车的位姿和运动状态 保持一致，给予游戏玩家身临其境的感觉。因此，本专利申请拟基于一种电机驱动的三自由 度可拆装的动感赛车游戏运动模拟器，提出一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置 与运动控制方法，该运动控制方法以一种被动形式实现了动感赛车游戏运动模拟器中运动 座椅的侧摆、俯仰和滚转运动的联动控制，克服了现有动感赛车游戏技术中存在的不足，满 足了游戏玩家对动感赛车游戏的高娱乐度和高逼真度的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明克服了现有技术的不足，提供一种提高动感赛车游戏的娱乐度和逼真度以 及给予游戏玩家身临其境感觉的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置及方法。
[0005] 考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术 方案：
[0006] -种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，它包括：
[0007] 赛车游戏控制方向盘；
[0008] 第一通信模块，用于将所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度供和赛车前进或后退 信号传输给计算机；
[0009] 计算机，该计算机内包括位姿求解模块和差分映射模块，所述位姿求解模块用于 计算虚拟赛车处于不同运动场景时的位姿，以及通过差分映射模块中的差分运算得到虚拟 赛车在一个采样周期t内的各个运动角度的变化量Δ%、Δ%、Δ外，映射运算得到动感赛 车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量Δ叭1、Δ%:、，并通过第二通信模 块将动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量Δ灼i、Δ^ρ1、传输给 ARM处理器中的运动参数转换模块；
[0010] ARM处理器，该ARM处理器包括运动参数转换模块和PID控制模块，所述运动参数 转换模块根据动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量A^sl、Δ^ρ1、 求解出动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的平动位移Ss、sp、\和平动速度V s、νρ、 并将求解出的位移、速度参数以队列的形式存储在内存缓冲区中，以采样周期t按照先 进先出的原则将其传输给PID控制模块；所述PID控制模块根据所述运动参数转换模块输 出的位移、速度参数对动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构和滚转机构的位移 和速度进行联动控制。
[0011] 为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：
[0012] 根据本发明的一个实施方案，所述计算机内还包括运动场景模拟模块，所述赛车 游戏控制方向盘的旋转角度供和赛车前进或后退信号通过所述运动场景模拟模块在显示器 中模拟显示。
[0013] 根据本发明的另一个实施方案，所述动感赛车游戏运动模拟器中的侧摆丝杠、俯 仰丝杠和滚转丝杠处各设置一个光栅线位移传感器，该光栅线位移传感器用于检测侧摆螺 母位移S s'、俯仰螺母位移Sp'和滚转螺母位移s/，并将检测到的各个位移量反馈给PID控 制模块；PID控制模块通过对检测到的各个反馈位移量进行检验，以对动感赛车游戏运动 模拟器中各个运动机构的运动状态进行有效操控。
[0014] 根据本发明的另一个实施方案，所述赛车游戏控制方向盘采用型号为北通瞬风 131的3D游戏方向盘；ARM处理器采用型号为STM32F103ZET6的ARM处理器；电机采用型号 为ZGBX90F-X80-1的直流减速电机；光栅线位移传感器采用型号为GXW型的光栅线位移传 感器。
[0015] 根据本发明的另一个实施方案，所述第一通信模块和/或第二通信模块为USB通 信模块。
[0016] 本发明还可以是：
[0017] 一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制方法，它包括：
[0018] 将所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度供和赛车前进或后退信号传输给计算机；
[0019] 通过位姿求解模块计算虚拟赛车处于不同运动场景时的位姿，以及通过差分 映射模块中的差分运算得到虚拟赛车在一个采样周期t内的各个运动角度的变化量 Δ%、Δ外、Δ外，映射运算得到动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量 Δ%!、Δ%!、，并通过第二通信模块将动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的 角度变化量Apsl、Ap pl、传输给ARM处理器中的运动参数转换模块；
[0020] 运动参数转换模块根据动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量 Δ供ρ1、Δ%求解出动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的平动位移Ss、Sp、\ 和平动速度vs、Vp、并将求解出的位移、速度参数以队列的形式存储在内存缓冲区中，以 采样周期t按照先进先出的原则将其传输给PID控制模块；所述PID控制模块根据所述运 动参数转换模块输出的位移、速度参数对动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构 和滚转机构的位移和速度进行联动控制。
[0021] 根据本发明的另一个实施方案，所述位姿求解模块的位姿求解方法如下：
[0022] 虚拟赛车的侧摆角度是直接通过动感赛车游戏软件所接收的旋转角度供计算求得 的
【权利要求】
1. 一种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，其特征在于它包括： 赛车游戏控制方向盘； 第一通信模块，用于将所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度#和赛车前进或后退信号 传输给计算机； 计算机，该计算机内包括位姿求解模块和差分映射模块，所述位姿求解模块用于计算 虚拟赛车处于不同运动场景时的位姿，以及通过差分映射模块中的差分运算得到虚拟赛车 在一个采样周期t内的各个运动角度的变化量A外、A外，映射运算得到动感赛车游 戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量:Apsl、Appl、，并通过第二通信模块将 动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量:Apsl、Appl、A^ 1传输给ARM处 理器中的运动参数转换模块； ARM处理器，该ARM处理器包括运动参数转换模块和PID控制模块，所述运动参数转换 模块根据动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量A^sl、A^pl、Aprl求解 出动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的平动位移ss、sp、\和平动速度V s、vp、'，并 将求解出的位移、速度参数以队列的形式存储在内存缓冲区中，以采样周期t按照先进先 出的原则将其传输给PID控制模块；所述PID控制模块根据所述运动参数转换模块输出的 位移、速度参数对动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构和滚转机构的位移和速 度进行联动控制。
2. 根据权利要求1所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，其特征在于所述 计算机内还包括运动场景模拟模块，所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度和赛车前进或 后退信号通过所述运动场景模拟模块在显示器中模拟显示。
3. 根据权利要求1所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，其特征在于所述 动感赛车游戏运动模拟器中的侧摆丝杠、俯仰丝杠和滚转丝杠处各设置一个光栅线位移传 感器，该光栅线位移传感器用于检测侧摆螺母位移s s'、俯仰螺母位移Sp'和滚转螺母位移 s/，并将检测到的各个位移量反馈给PID控制模块；PID控制模块通过对检测到的各个反 馈位移量进行检验，以对动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的运动状态进行有效操 控。
4. 根据权利要求1所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，其特征在于所述 赛车游戏控制方向盘采用型号为北通瞬风131的3D游戏方向盘；ARM处理器采用型号为 STM32F103ZET6的ARM处理器；电机采用型号为ZGBX90F-X80-1的直流减速电机；光栅线位 移传感器采用型号为GXW型的光栅线位移传感器。
5. 根据权利要求1所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制装置，其特征在于所述 第一通信模块和/或第二通信模块为USB通信模块。
6. -种动感赛车游戏运动模拟器的运动控制方法，其特征在于它包括： 将所述赛车游戏控制方向盘的旋转角度少:和赛车前进或后退信号传输给计算机； 通过位姿求解模块计算虚拟赛车处于不同运动场景时的位姿，以及通过差分映 射模块中的差分运算得到虚拟赛车在一个采样周期t内的各个运动角度的变化量 :A%、A外、A外，映射运算得到动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量 :Apsl、A外!、Aprl，并通过第二通信模块将动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的 角度变化量:A^sl、Appl、Aprl传输给ARM处理器中的运动参数转换模块； 运动参数转换模块根据动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变化量 :△外i、/^9pl、A外P求解出动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的平动位移Ss、Sp、\ 和平动速度Vs、Vp、并将求解出的位移、速度参数以队列的形式存储在内存缓冲区中，以 采样周期t按照先进先出的原则将其传输给PID控制模块；所述PID控制模块根据所述运 动参数转换模块输出的位移、速度参数对动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构 和滚转机构的位移和速度进行联动控制。
7.根据权利要求6所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制方法，其特征在于所述 位姿求解模块的位姿求解方法如下： 虚拟赛车的侧摆角度通过动感赛车游戏软件所接收的旋转角度妒计算求得的：
其中％是指赛车游戏控制方向盘的旋转角度，〇是指赛车游戏控制方向盘的极 限旋转角度，〇3是指虚拟赛车在运动场景中的极限侧摆角度。而俯仰角度妁:和滚转角度 朽则是根据虚拟赛车处于不同的运动场景时位姿状态间接求得的，其具体求解过程如下所 述： 由于虚拟赛车的运动场景是由不规则的曲面连接而成，因此为了显示本算法的一般 性，用坐标分量形式来表示一般曲面P=P(u，v):
通过固定在虚拟赛车中心的两个相互垂直的切割面UAj+Bj+CiZ+Di= 0)和切割面2(A2x+B2y+C2z+D2=0)分另Ij对运动场景的不规贝U曲面P=P(u,V)进行切割,便可以得到三 面的一个交点Pu=P(ui，')和两条过该切割点Pu的曲线Ip12; 该切割点Pij沿U线（即P(U, V j))和V线（即P(Ui, V))的切矢Pu (Ui, Vj)和Pv (Ui, Vj)分别为：
式中，Nx、Ny、Nz分别为法矢N在基础坐标系中的三个坐标分量。 该切割点Pij沿曲线Ii和曲线1 2的切矢弋和气分别为：
式中，H1是指过切割点Pu且垂直于切割面1的法矢，其值为ni=(Ai，B1,C1) ;n2是指 过切割点Pij且垂直于切割面2的法矢，其值为n2=(A2,B2,C2) ;slx、sly、slz分别是指切矢 气在基础坐标系中的三个坐标分量；s2x、s2y、s2z分别是指切矢气在基础坐标系中的三个坐 标分量； 根据向量的平移不变性可知，此时虚拟赛车的俯仰角度％和滚转角度外分别为：
动感赛车游戏软件中的差分映射模块以一定的采样周期t接收不同时刻虚拟赛车的 侧摆角度％、俯仰角度？V和滚转角度外，并对其进行差分与映射运算得到虚拟赛车各个运 动角的变化量:A%、和以及动感赛车游戏运动模拟器中各个运动机构的角度变 化量:和IAprl，其计算式分别为：
式中，ns、np、L分别是指虚拟赛车的角度变化量向动感赛车游戏运动模拟器中各 个运动机构的角度变化量进行映射的侧摆映射系数、俯仰映射系数、滚转映射系数，其值为
Os、①P、&分别是指虚拟赛车在运动场景中的极限侧摆 角度、极限俯仰角度、极限滚转角度，〇sl、〇pl、Ort分别是指动感赛车游戏模拟器的极限侧 摆角度、极限俯仰角度、极限滚转角度。
8.根据权利要求6所述的动感赛车游戏运动模拟器的运动控制方法，其特征在于所述 运动参数转换模块的运动参数转换方法如下： 由动感赛车游戏运动模拟器中侧摆机构、俯仰机构和滚转机构的运动参数转换简图可 知：侧摆运动的平动位移Ss=A^tanApsl、俯仰运动的平动位移S p=ZJ1^tanAppl、滚转运动 的平动位移心z/z^tanA^n，其中hs、hp、匕分别是指动感赛车游戏运动模拟器中侧摆连杆、 俯仰连杆、滚转连杆的长度，则动感赛车游戏运动模拟器中侧摆驱动单元的线速度Vs、俯仰 驱动单元的线速度Vp、滚转驱动单元的线速度\的计算式为：
在一个采样周期t内，将动感赛车游戏软件中虚拟赛车的设置参数和动感赛车游戏运 动模拟器的特征参数代入上述位姿求解算法和运动参数转换算法，得到动感赛车游戏模拟 器的控制参数。
【文档编号】A63F13/211GK104492079SQ201510004897
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月6日 优先权日:2015年1月6日
【发明者】范守文, 张鑫, 郭历农, 竺玉成, 庄彬, 伍维, 朱朝轩, 谢睿, 卢满怀, 余思佳 申请人:电子科技大学