一种虚拟现实无限移动装置的设计及定位分析

张真皓

【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，具有广泛的应用场景，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[2]。

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中也存在诸多的问题，例如与虚拟現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者的自由化运动，本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，在移动装置上的多处安装有红外距离感应器2，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，最后头盔接受数据并将其转化为虚拟现实场景中的相对应的移动，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中无限运动的可能，又能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束发散小的有点，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。

本小节基于红外测距原理，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，给出了使用者在移动装置上的定位方式及理论背景。如图2所示，在移动设备上装载有位于OO1O2O3四处的红外测距装置，以O为原点，构建某一空间三维直角坐标系，给出其中三处的红外测距装置的坐标分别为：（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3），使用者佩戴多个接收触点能用来测得移动装置上红外测距感应器到该点的距离。代表性地，取该点在某一时刻的坐标为（x，y，z），则可通过红外测距传感器测得移动装置上固定点到待测点的距离d1，d2和d3，由如下表达式：

由此得到了求解待测点坐标的表达式。

进一步地，通过得到主红外测距感应器O到待测点的距离为d0，即可得到x2+y2+z2=d02，将此关系带入到式（1）中，可以求解得到待测点坐标（x，y，z）如下：

由上可见，通过对两相邻时刻的位置向量d？？和d′？？进行点乘和叉乘运算即可得到相应的旋转角和旋转轴，由此进行程序化处理得到移动装置的相关运动模式。

四、总结

虚拟现实技术是由许多先进学科和先进知识形成的综合系统技术，是一个极具潜力的前沿研究方向。本文首先介绍了虚拟现实的一些应用场景和发展现状。针对目前虚拟现实配套的移动装置中的存在的一些问题，提出了一种新型虚拟现实无限移动装置的设计方案，详细的介绍了其结构设计特点；进一步根据三点测距定位的基本理论，建立了使用者定位的运动方程，并详细的介绍了其运动学模式的表征方法，提出了旋转角和旋转轴的数学模型，为相应平台的自动化控制提供了坚实的理论基础。

参 考 文 献

[1]周柳等， 虚拟现实技术在运动康复中的应用[J]， 《中国组织工程研究与临床康复》， 2007.2（11）：957-960.

[2] 邹湘军等， 虚拟现实技术的演变发展与展望[J]， 《系统仿真学报》， 2004（9）：1905-1909.

[3]陈浩磊等， 虚拟现实技术的最新发展与展望[J]， 《中国科技论文在线》， 2011.1（6）：1-5.

[4] 魏安顺等， 虚拟现实技术及其在制造业的应用[J]， 《模具技术》， 2004.7（5）：54-57.