本發(fā)明涉及微機(jī)械(MEMS)以及虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，特別是一種基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)追蹤還原技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，尤其在航天航海、人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)建模等領(lǐng)域。當(dāng)前常用的動(dòng)作捕捉技術(shù)主要有光學(xué)動(dòng)作捕捉技術(shù)和基于慣性傳感器的動(dòng)作捕捉，分別介紹如下：

光學(xué)式動(dòng)作捕捉技術(shù)：通常在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)體附著多個(gè)參考球/點(diǎn)，采多臺(tái)高速相機(jī)，環(huán)繞待測(cè)物體排列，讓待測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)范圍處于相機(jī)的重疊區(qū)域，通過(guò)視頻識(shí)別技術(shù)獲取目標(biāo)體參考球/點(diǎn)的軌跡，通過(guò)3維模型計(jì)算恢復(fù)出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和軌跡。光學(xué)動(dòng)作捕捉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于識(shí)別精度高、采樣頻率高。但也存在如下問(wèn)題：整套系統(tǒng)復(fù)雜，需要多臺(tái)高速攝像機(jī)以及運(yùn)算平臺(tái)，系統(tǒng)價(jià)格昂貴；系統(tǒng)鎖定比較繁瑣，只能捕捉攝像機(jī)重疊的物體運(yùn)動(dòng)，而且當(dāng)運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜的時(shí)候，標(biāo)識(shí)容易混淆和遮擋，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果；同時(shí)光學(xué)對(duì)環(huán)境要求比較高，光照強(qiáng)度對(duì)精度影響較大。

慣性動(dòng)作捕捉技術(shù)：隨著MEMS傳感器的高速發(fā)展，微型慣性傳感器的技術(shù)越發(fā)成熟，已經(jīng)開(kāi)始有將微型慣性傳感器用于動(dòng)作捕捉技術(shù)中。具體方法是：把慣性測(cè)量單元(IMU)連接到待測(cè)物體上，讓其隨待測(cè)物體一起運(yùn)動(dòng)。對(duì)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并處理，通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)上位機(jī)進(jìn)行姿態(tài)還原。慣性動(dòng)作捕捉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)潔，不怕遮擋，對(duì)光、環(huán)境要求比光學(xué)式動(dòng)作捕捉低，適用范圍廣，同時(shí)慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)成本相對(duì)于光學(xué)普遍低。慣性測(cè)量單元包括加速度計(jì)、陀螺儀、地磁傳感器，通過(guò)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行二重積分以及陀螺儀信號(hào)的積分，可以測(cè)得待測(cè)物體的信息以及方位信息。

但是，上述陀螺儀測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)有誤差，必須修正后才能真實(shí)反映出運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)。陀螺儀測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，誤差產(chǎn)生的過(guò)程如下：

首先，陀螺儀測(cè)量的數(shù)據(jù)為角速度，該角速度為瞬間值，大多數(shù)情況下不能直接適用，需要對(duì)該角速度進(jìn)行時(shí)間積分，得到角度變化量。然后，將得到的角度變化量加上初始角度后，計(jì)算得到的角度值才是物體運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

在對(duì)上述角速度進(jìn)行時(shí)間積分時(shí)，積分過(guò)程時(shí)間(dt)越小，得到的角度值也越準(zhǔn)確。然而，由于陀螺儀的測(cè)量基準(zhǔn)是自身而非外在的絕對(duì)參照物；加之，積分過(guò)程時(shí)間(dt)不可能無(wú)限小，因而，積分的累積誤差會(huì)隨時(shí)間推移而逐漸增加，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)發(fā)生偏差。

下面再對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)做一下簡(jiǎn)單的介紹。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽(tīng)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等感覺(jué)，使人作為參與者通過(guò)適當(dāng)?shù)难b置，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。使用者進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D時(shí)間影像回傳產(chǎn)生臨場(chǎng)感。該技術(shù)繼承了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新成果，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高新技術(shù)模擬系統(tǒng)。

沉浸度和交互性是對(duì)上述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的兩個(gè)重要特征。其中，沉浸度是指用戶感到作為主角兒存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)度。理想的模擬環(huán)境能使用戶全身心的投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，使用戶難以分辨真假。交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)則是指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從模擬環(huán)境中得到反饋的自然程度。

然而，現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，大多數(shù)以虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡或視鏡形式進(jìn)出體驗(yàn)，因而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸度以及交互性都不高。

本發(fā)明的虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)，采用慣性動(dòng)作捕捉技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡技術(shù)、數(shù)據(jù)手套技術(shù)、電子仿真槍技術(shù)等，應(yīng)用于游戲體驗(yàn)、模擬訓(xùn)練、室內(nèi)戶外演戲、醫(yī)療恢復(fù)等場(chǎng)景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于動(dòng)作捕捉的虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)，該基于動(dòng)作捕捉的虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)能使真實(shí)世界的人與虛擬環(huán)境進(jìn)行全方位互動(dòng)，提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸度和交互性。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于動(dòng)作捕捉的虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)，包括慣性動(dòng)作捕捉裝置、室內(nèi)定位裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)裝置、數(shù)據(jù)手套裝置、電子仿真槍裝置和背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置；慣性動(dòng)作捕捉裝置、室內(nèi)定位裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)裝置、數(shù)據(jù)手套裝置和電子仿真槍裝置均與背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置無(wú)線連接；背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置中內(nèi)置有卡爾曼濾波器一和仿真軟件系統(tǒng)。

慣性動(dòng)作捕捉裝置包括若干個(gè)均能固定在人體上的動(dòng)作捕捉模塊，每個(gè)動(dòng)作捕捉模塊均包括動(dòng)作捕捉傳感器。

室內(nèi)定位裝置為UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)手套裝置包括手套本體和設(shè)置在手套本體中的若干個(gè)手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器。

電子仿真槍裝置包括電子仿真槍和內(nèi)置在電子仿真槍中的電子仿真槍數(shù)據(jù)采集傳感器，電子仿真槍數(shù)據(jù)采集傳感器包括電子槍姿態(tài)傳感器和電子槍操作傳感器。

動(dòng)作捕捉傳感器、手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器和電子槍姿態(tài)傳感器均包括三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器、三軸MEMS磁力計(jì)、數(shù)據(jù)濾波傳感器和微處理器；三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器和三軸MEMS磁力計(jì)均與數(shù)據(jù)濾波傳感器相連接，數(shù)據(jù)濾波傳感器還與微處理器相連接；數(shù)據(jù)濾波傳感器能將三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器和三軸MEMS磁力計(jì)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)濾波后傳送給微處理器，每個(gè)微處理器中均內(nèi)置有卡爾曼濾波器二。

電子槍操作傳感器與電子槍姿態(tài)傳感器中的微處理器相連接。

所述電子槍操作傳感器為射擊傳感器、彈夾傳感器、上膛傳感器和保險(xiǎn)中的一種或多種的組合。

所述虛擬現(xiàn)實(shí)裝置包括VR佩戴裝置和環(huán)境反饋器件，環(huán)境反饋器件為音效系統(tǒng)、可控跑步機(jī)、電極刺激貼片和力反饋上衣中的一種或多種的組合。

所述VR佩戴裝置為VR頭盔或VR眼鏡。

所述動(dòng)作捕捉傳感器、手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器和電子槍姿態(tài)傳感器中微處理器的型號(hào)均為NXP-LPC13xx。

動(dòng)作捕捉傳感器能采集人體接觸部位的骨骼姿態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的骨骼姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行位移糾偏；動(dòng)作捕捉傳感器的工作過(guò)程如下：

動(dòng)作捕捉傳感器中的三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器和三軸MEMS磁力計(jì)分別對(duì)人體接觸部位的加速度、角速度和地磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行采集，動(dòng)作捕捉傳感器中的數(shù)據(jù)濾波傳感器將采集的加速度、角速度和地磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)濾波處理；微處理器中的卡爾曼濾波器采用卡爾曼濾波算法將初級(jí)濾波后處于正常范圍值內(nèi)的加速度、角速度和地磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次濾波與融合，通過(guò)最小二乘估計(jì)法擬合得到橢球模型系數(shù)，利用橢球模型系數(shù)推導(dǎo)出地磁傳感器誤差矩陣和偏移矢量，最后對(duì)地磁環(huán)境下輸出的骨骼姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行位移糾偏與校正。

UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)包括若干個(gè)定位錨節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)移動(dòng)標(biāo)簽、同步器和服務(wù)器；定位錨節(jié)點(diǎn)布固定設(shè)置在室內(nèi)，移動(dòng)標(biāo)簽佩戴在每個(gè)目標(biāo)用戶上，移動(dòng)標(biāo)簽與定位錨節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)UWB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同步器與各定位錨點(diǎn)之間進(jìn)行校時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)各定位錨點(diǎn)之間的時(shí)間同步；服務(wù)器設(shè)置有無(wú)限訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)，各定位錨節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)后，具有如下有益效果：

1.動(dòng)作捕捉模塊體積小、重量輕、續(xù)航能力強(qiáng)，綁定在人身上的時(shí)候不影響人體運(yùn)動(dòng)，采樣頻率高，對(duì)復(fù)雜、高速運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行采集；動(dòng)作捕捉模塊配置靈活，可以對(duì)局部動(dòng)作，全身的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕捉；動(dòng)作捕捉不受場(chǎng)地限制，捕捉效果不受真實(shí)環(huán)境中的物體遮擋影響；運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的成本相對(duì)較低。

2.采用室內(nèi)定位裝置，能夠結(jié)合融合算法，將絕對(duì)坐標(biāo)位置與動(dòng)捕中的坐標(biāo)融合，糾正動(dòng)作捕捉裝置中陀螺儀積分的累積誤差，從而給用戶一個(gè)更加真實(shí)的位置效果。

3.采用數(shù)據(jù)手套裝置，將手指狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至處理器中，人機(jī)互動(dòng)更加真實(shí)，增加用戶的虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)度。

4.采用電子仿真槍裝置，將手持裝備的電子槍的姿態(tài)、開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)等狀態(tài)傳至處理器，加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)交互、人機(jī)互動(dòng)，增加虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲、訓(xùn)練的體驗(yàn)感。

綜上所述，，本發(fā)明因?yàn)槟軌驅(qū)崟r(shí)的把現(xiàn)實(shí)世界的人體(包括軀干，四肢，手持道具等)以及動(dòng)作引入到虛擬世界，并映射與相應(yīng)的角色上，并通過(guò)恰當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)時(shí)的把虛擬環(huán)境對(duì)角色的作用反饋到現(xiàn)實(shí)世界用戶的感知上，從而大大提高了虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸度，同時(shí)增加了角色與虛擬環(huán)境的交互性，使人能夠得到更加真實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚的說(shuō)明本發(fā)明實(shí)時(shí)案例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要的使用的附圖作簡(jiǎn)單介紹。

圖1顯示了本發(fā)明一種基于動(dòng)作捕捉的虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)的示意圖。

圖2顯示了本發(fā)明一種融合室內(nèi)定位數(shù)據(jù)與動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)的方法的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體較佳實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于動(dòng)作捕捉的虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)，包括慣性動(dòng)作捕捉裝置、室內(nèi)定位裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)裝置、數(shù)據(jù)手套裝置、電子仿真槍裝置和背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置。慣性動(dòng)作捕捉裝置、室內(nèi)定位裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)裝置、數(shù)據(jù)手套裝置和電子仿真槍裝置均與背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置無(wú)線連接。無(wú)線連接通訊方式包括但不限于藍(lán)牙、Zegibee、WIFI、2.4Ghz通訊。

慣性動(dòng)作捕捉裝置包括若干個(gè)均能固定在人體上的動(dòng)作捕捉模塊。動(dòng)作捕捉模塊的個(gè)數(shù)可以根據(jù)情況，任意選擇，可以為3個(gè)、6個(gè)、9個(gè)、11個(gè)、15個(gè)、或17個(gè)等。

當(dāng)動(dòng)作捕捉模塊的個(gè)數(shù)為3個(gè)時(shí)，3個(gè)動(dòng)作捕捉模塊分別通過(guò)綁帶或者專用動(dòng)捕服裝固定在用戶的三個(gè)不同部位，三個(gè)不同部位優(yōu)選為：1.頭部、軀干以及臀部；2.頭部、雙上臂(左上臂及右上臂)之一，以及雙前臂(左前臂以及右前臂)之一。

當(dāng)動(dòng)作捕捉模塊的個(gè)數(shù)為6個(gè)時(shí)，6個(gè)運(yùn)動(dòng)捕捉模塊優(yōu)選分別通過(guò)綁帶或者專業(yè)動(dòng)作捕捉服裝固定在頭部、軀干、臀部、雙大腿、雙小腿、雙腳(左腳以及右腳)、雙上臂之一以及雙前臂之一，或者分別固定在頭部、軀干、臀部、雙上臂之一、雙前臂之一以及雙手(左手及右手)之一。

當(dāng)動(dòng)作捕捉模塊的個(gè)數(shù)為9個(gè)時(shí)，9個(gè)動(dòng)作捕捉模塊優(yōu)選分別通過(guò)綁帶或者專業(yè)動(dòng)作捕捉服裝固定在頭部、軀干、臀部、雙大腿、雙小腿、雙上臂之一以及雙前臂之一，或者分別固定在頭部、軀干、臀部、雙大腿、雙小腿、雙上臂以及雙前臂。

當(dāng)動(dòng)作捕捉模塊的個(gè)數(shù)為11個(gè)時(shí)，11個(gè)動(dòng)作捕捉模塊優(yōu)選通過(guò)綁帶或者專業(yè)動(dòng)作捕捉服裝固定在頭部、軀干、臀部、雙大腿、雙小腿、雙腳之一、雙上臂之一及雙前臂之一，或者分別固定在頭部、軀干、臀部、雙大腿、雙小腿、雙上臂以及雙前臂。

當(dāng)動(dòng)作捕捉模塊的個(gè)數(shù)為15個(gè)時(shí)，優(yōu)選分別固定在頭部、軀干、臀部、雙大腿、雙小腿、雙腳、雙上臂、雙前臂以及雙手。

當(dāng)動(dòng)作捕捉模塊的個(gè)數(shù)為17個(gè)時(shí)，優(yōu)選分別固定在頭部、軀干、臀部、雙大腿、雙小腿、雙腳、雙上臂、雙前臂、雙手及雙肩。

每個(gè)上述動(dòng)作捕捉模塊均包括動(dòng)作捕捉傳感器。

動(dòng)作捕捉傳感器包括三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器(又稱為陀螺儀傳感器)、三軸MEMS磁力計(jì)(又叫電子羅盤(pán)傳感器)、數(shù)據(jù)濾波傳感器和微處理器。

三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器和三軸MEMS磁力計(jì)分別用于測(cè)量加速度信號(hào)、角速度信號(hào)和地磁信號(hào)。

三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器和三軸MEMS磁力計(jì)均與數(shù)據(jù)濾波傳感器相連接，數(shù)據(jù)濾波傳感器還與微處理器相連接。

數(shù)據(jù)濾波傳感器能將三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器和三軸MEMS磁力計(jì)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)濾波后傳送給微處理器，每個(gè)微處理器中均內(nèi)置有卡爾曼濾波器二。

微處理器包括但不限于MCU、DSP或者FPGA，型號(hào)優(yōu)選為NXP-LPC13xx。微處理器NXP-LPC13xx與三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器和三軸MEMS磁力計(jì)分別通過(guò)SPI(串行外圍設(shè)備接口)、IIC(兩線式串行總線)、USART(串口)等通訊方式相通訊。

動(dòng)作捕捉傳感器能采集人體接觸部位的骨骼姿態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的骨骼姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行位移糾偏。

動(dòng)作捕捉傳感器的工作過(guò)程如下：

三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器和三軸MEMS磁力計(jì)分別對(duì)人體接觸部位的加速度、角速度和地磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行采集。

數(shù)據(jù)濾波傳感器將采集的加速度、角速度和地磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)濾波處理，然后將處于正常范圍內(nèi)的加速度、角速度和地磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給微處理器。

微處理器NXP-LPC13xx接收到加速度信號(hào)、角速度信號(hào)以及地磁強(qiáng)度信號(hào)，生成四元數(shù)或者歐拉角，微處理器中內(nèi)置的卡爾曼濾波器采用卡爾曼濾波算法將接收到的加速度、角速度和地磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次濾波與融合，并處理成用戶身體姿態(tài)信息。

深層次濾波與融合的同時(shí)，微處理器還分析地磁傳感器的各種誤差來(lái)源，并建立完整形式的地磁傳感器橢球誤差模型，通過(guò)最小二乘估計(jì)法擬合得到橢球模型系數(shù)，利用橢球模型系數(shù)推導(dǎo)出地磁傳感器誤差矩陣和偏移矢量，最后對(duì)地磁傳感器磁環(huán)境下輸出的骨骼姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行位移糾偏與校正。

最后，微處理器將骨骼姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏與校正后的用戶身體姿態(tài)信息(包括方位信息、歐拉角、四元數(shù)信息等)通過(guò)無(wú)線或者有線的方式傳遞給背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置。

上述卡爾曼濾波算法是一種遞歸自回歸數(shù)據(jù)處理算法，為一種較為成熟的現(xiàn)有技術(shù)，通過(guò)5個(gè)常用公式實(shí)現(xiàn)。卡爾曼濾波算法通過(guò)反饋控制的方法估算過(guò)程狀態(tài)，對(duì)每次輸出的狀態(tài)結(jié)果進(jìn)行循環(huán)修正，直至得到最優(yōu)的狀態(tài)過(guò)程數(shù)據(jù)?？柭鼮V波算法可分成兩個(gè)循環(huán)過(guò)程：時(shí)間更新和測(cè)量更新過(guò)程，前者負(fù)責(zé)及時(shí)向前推算當(dāng)前狀態(tài)變量和誤差協(xié)方差的估算值以構(gòu)造下一個(gè)時(shí)間狀態(tài)的先驗(yàn)估計(jì)；后者將先驗(yàn)估計(jì)和測(cè)量變量結(jié)合以構(gòu)造改進(jìn)的后驗(yàn)估計(jì)；時(shí)間更新過(guò)程可視為預(yù)估過(guò)程，測(cè)量更新過(guò)程可視為校正過(guò)程，整個(gè)估計(jì)算法實(shí)質(zhì)上是一種數(shù)值解的預(yù)估—校正算法。

通過(guò)上述卡爾曼濾波算法和數(shù)據(jù)過(guò)程處理，可以在一定范圍的鐵質(zhì)、弱磁場(chǎng)環(huán)境中使用，當(dāng)手機(jī)等帶弱磁場(chǎng)的物體靠近傳感器時(shí)，不影響地磁傳感器的信號(hào)采集，姿態(tài)數(shù)據(jù)可以正常使用。

本發(fā)明的動(dòng)作捕捉模塊體積小、重量輕、續(xù)航能力強(qiáng)，綁定在人身上的時(shí)候不影響人體運(yùn)動(dòng)，采樣頻率高，對(duì)復(fù)雜、高速運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行采集；動(dòng)作捕捉模塊配置靈活，可以對(duì)局部動(dòng)作，全身的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕捉；動(dòng)作捕捉不受場(chǎng)地限制，捕捉效果不受真實(shí)環(huán)境中的物體遮擋影響；運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的成本相對(duì)較低。

數(shù)據(jù)手套裝置包括手套本體和設(shè)置在手套本體中的若干個(gè)手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器。

手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器的個(gè)數(shù)，能根據(jù)情況任意選擇，可以為6個(gè)，10個(gè)或15個(gè)等。

在一實(shí)施例中，關(guān)節(jié)傳感器的個(gè)數(shù)為6個(gè)，分別通過(guò)手套固定在手背上1個(gè)，5個(gè)手指各一個(gè)。

在一實(shí)施例中，關(guān)節(jié)傳感器的個(gè)數(shù)為10個(gè)，分別通過(guò)手套固定在手背上1個(gè)，大拇指1個(gè)，其余四個(gè)手指分別固定2個(gè)傳感器。

在一實(shí)施例中，關(guān)節(jié)傳感器的個(gè)數(shù)為15個(gè)，分別通過(guò)手套固定在手背上1個(gè)，大拇指2個(gè)，其余四個(gè)手指分別固定3個(gè)傳感器。

手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器也包括三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器、三軸MEMS磁力計(jì)、數(shù)據(jù)濾波傳感器和微處理器。手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器中各組成部件與動(dòng)作捕捉傳感器相同，組成部件之間的連接關(guān)系和工作過(guò)程也基本相似，這里將不再詳細(xì)闡述。

電子仿真槍裝置均包括電子仿真槍、均內(nèi)置在電子仿真槍中的電子仿真槍數(shù)據(jù)采集傳感器、無(wú)線通訊模塊和電源等。

電子仿真槍的個(gè)數(shù)根據(jù)用戶數(shù)量，可以設(shè)置為1個(gè)，2個(gè)或3個(gè)等，一個(gè)用戶佩戴一個(gè)電子仿真槍，在空曠空間內(nèi)模擬槍的換彈、上膛、射擊等動(dòng)作。

電子仿真槍優(yōu)選按照真實(shí)槍械1:1比例制作，外形、重量、操作方式完全按照實(shí)裝設(shè)計(jì)，體驗(yàn)度高。

電子仿真槍數(shù)據(jù)采集傳感器包括電子槍姿態(tài)傳感器和電子槍操作傳感器。

上述電子槍操作傳感器為射擊傳感器、彈夾傳感器、上膛傳感器和保險(xiǎn)等中的一種或多種的組合。

電子槍姿態(tài)傳感器也包括三軸MEMS加速度傳感器、三軸MEMS角速度傳感器、三軸MEMS磁力計(jì)、數(shù)據(jù)濾波傳感器和微處理器。電子槍姿態(tài)傳感器中各組成部件與動(dòng)作捕捉傳感器相同，組成部件之間的連接關(guān)系和工作過(guò)程也基本相似，這里將不再詳細(xì)闡述。

但是，電子槍姿態(tài)傳感器中的微處理器還與電子槍操作傳感器相連接。

通過(guò)電子槍姿態(tài)傳感器測(cè)量加速度、角速度、地磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)電子槍操作傳感器采集槍的狀態(tài)，將數(shù)據(jù)輸入到微處理器中進(jìn)行處理，輸出各節(jié)點(diǎn)的四元數(shù)或者歐拉角，通過(guò)數(shù)據(jù)解析還原算法，信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)有線或者無(wú)線的方式傳送至背負(fù)式計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)接口連接至虛擬現(xiàn)實(shí)裝置中，實(shí)時(shí)還原狀態(tài)。

用戶手持、背帶持電子仿真槍，通過(guò)操作扳機(jī)、上膛或彈夾等模擬實(shí)裝槍的上膛、換彈、射擊等操作。射擊傳感器、彈夾傳感器、上膛傳感器和保險(xiǎn)等能實(shí)時(shí)檢測(cè)射擊、換彈、上膛、保險(xiǎn)等操作狀態(tài)，并將操作狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給微處理器，微處理器通過(guò)無(wú)線發(fā)送至背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在虛擬現(xiàn)實(shí)裝置中映射出虛擬世界中的槍的狀態(tài)。

上述虛擬現(xiàn)實(shí)裝置包括VR佩戴裝置和環(huán)境反饋器件。

其中，VR佩戴裝置為VR頭盔或VR眼鏡等。

環(huán)境反饋器件為音效系統(tǒng)、可控跑步機(jī)、電極刺激貼片和力反饋上衣/鞋子等中的一種或多種的組合。其中，音效系統(tǒng)為用于將音頻信號(hào)反饋到人耳的音響；力反饋上衣/鞋子通過(guò)一定的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生一定的作用施加到人體的某些部位，也即用于將力反饋信號(hào)反饋到人體；電極刺激貼片是電極貼片，把電極貼片貼到皮膚上，然后在電機(jī)貼片之間施加電壓，則會(huì)對(duì)兩個(gè)電極貼片之間的神經(jīng)或者肌肉產(chǎn)生刺激作用，也即用于將觸覺(jué)信號(hào)反饋到人體。

環(huán)境反饋器件佩戴于目標(biāo)用戶身上，通過(guò)綁帶或者頭盔模式佩戴固定，優(yōu)選通過(guò)無(wú)線連接至背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置，生成一個(gè)針對(duì)用戶的3D虛擬環(huán)境以及虛擬角色，并把接收到的位置信息、身體姿態(tài)信息、手指姿態(tài)信息、電子仿真槍狀態(tài)信息映射到虛擬角色和環(huán)境中，同時(shí)根據(jù)虛擬角色與環(huán)境相互作用，把對(duì)應(yīng)的視頻、音頻信號(hào)通過(guò)不同的信號(hào)接口發(fā)送給虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡裝置的視頻、音頻、壓力等裝置。

室內(nèi)定位裝置為UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)。UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，具體見(jiàn)申請(qǐng)人之前申報(bào)的申請(qǐng)?zhí)枮镃N201520817538.1的專利。

UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)包括若干個(gè)定位錨節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)移動(dòng)標(biāo)簽、同步器和服務(wù)器；定位錨節(jié)點(diǎn)布固定設(shè)置在室內(nèi)，移動(dòng)標(biāo)簽佩戴在每個(gè)目標(biāo)用戶上，移動(dòng)標(biāo)簽與定位錨節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)UWB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同步器與各定位錨點(diǎn)之間進(jìn)行校時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)各定位錨點(diǎn)之間的時(shí)間同步；服務(wù)器設(shè)置有無(wú)限訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)，各定位錨節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

具體實(shí)施時(shí)，可以根據(jù)具體的場(chǎng)地面積，布置多個(gè)定位錨節(jié)點(diǎn)，用戶佩戴移動(dòng)標(biāo)簽。移動(dòng)標(biāo)簽的個(gè)數(shù)可以為1個(gè)，2個(gè)或3個(gè)等，優(yōu)選通過(guò)綁帶或者專業(yè)綁定服裝綁定在用戶的頭部、胸部、腕部等部位，在定位錨節(jié)點(diǎn)布置的場(chǎng)地中行走，活動(dòng)。

本專利利用UWB技術(shù)時(shí)間目標(biāo)用戶在室內(nèi)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)精度定位，系統(tǒng)功耗低，復(fù)雜度低的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更易于操作，無(wú)需布線，提高應(yīng)用效率，裝置輸出目標(biāo)用戶的位置信息。

上述UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位特點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間使用不會(huì)產(chǎn)生累積誤差。但是，其本身有一定的定位誤差范圍，其誤差范圍是±20cm，在實(shí)時(shí)使用過(guò)程中屬于小范圍定位，位移不夠平滑，不能直接用于動(dòng)作捕捉姿態(tài)中位移數(shù)據(jù)的替換，而且直接替換會(huì)產(chǎn)生姿態(tài)與位移不匹配的情況。

正如背景技術(shù)中所述，本發(fā)明中所涉及的三軸MEMS角速度傳感器，也即陀螺儀，在對(duì)角速度進(jìn)行時(shí)間積分時(shí)，雖然采用了數(shù)據(jù)濾波傳感器進(jìn)行初步濾波，以及微處理器中卡爾曼濾波器一進(jìn)行了深層次濾波，然而，積分的累積誤差仍會(huì)隨時(shí)間推移而逐漸增加，測(cè)量的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)仍有一定偏差。

本發(fā)明采用如下方法進(jìn)一步克服了測(cè)量的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)的偏差問(wèn)題。

1.姿態(tài)重組：

上述UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)以及背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置中卡爾曼濾波器二的使用，卡爾曼濾波器二能將UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)中的定位數(shù)據(jù)與慣性動(dòng)作捕捉傳感器(包括手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器及電子槍姿態(tài)傳感器)等測(cè)量的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，也即將絕對(duì)坐標(biāo)位置與動(dòng)捕中的坐標(biāo)相融合，糾正動(dòng)作捕捉裝置中陀螺儀積分的累積誤差，從而給用戶一個(gè)更加真實(shí)的位置效果。

一種融合室內(nèi)定位數(shù)據(jù)與動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)的方法，包括如下步驟：

步驟1，動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)采集：通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)中的動(dòng)作捕捉傳感器獲得人體的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)；虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)中設(shè)置有慣性動(dòng)作捕捉裝置，慣性動(dòng)作捕捉裝置包括若干個(gè)均能固定在人體上的動(dòng)作捕捉傳感器，動(dòng)作捕捉傳感器將能自動(dòng)捕捉與采集人體接觸部位的動(dòng)作數(shù)據(jù)，也即骨骼姿態(tài)數(shù)據(jù)。

步驟2，室內(nèi)定位數(shù)據(jù)采集：通過(guò)UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)獲得室內(nèi)定位數(shù)據(jù)。

步驟3，獲取融合位移：采用卡爾曼濾波算法將步驟1采集的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)與步驟2采集的室內(nèi)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲得融合位移。

假設(shè)驟1采集的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與步驟2采集的室內(nèi)定位數(shù)據(jù)均是一個(gè)二維坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)的集合，其中，x和y分別表示該點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，則融合位移的具體獲取方法包括如下步驟：

步驟31，狀態(tài)方程建立：將步驟1采集的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)的位移增量作為狀態(tài)量，建立如下所示的狀態(tài)方程：

上式中，向量為k時(shí)刻動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)的先驗(yàn)估計(jì)，A取單位矩陣為k-1時(shí)刻動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)的后驗(yàn)估計(jì)，為步驟1采集的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)的位移增量，w_k為過(guò)程噪聲的協(xié)方差矩陣，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，為可調(diào)參數(shù)，其優(yōu)選矩陣為矩陣參數(shù)范圍0～500。

步驟32，觀測(cè)方程建立：將步驟2采集的室內(nèi)定位數(shù)據(jù)作為觀測(cè)量，建立如下所示的觀測(cè)方程：

上式中，向量為k時(shí)刻室內(nèi)定位數(shù)據(jù)的后驗(yàn)估計(jì)，C為觀測(cè)矩陣，優(yōu)選取單位矩陣表示UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的輸入坐標(biāo)數(shù)據(jù)；r_k為觀測(cè)噪聲矩陣，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，為可調(diào)參數(shù)，優(yōu)選矩陣為矩陣參數(shù)范圍0～100。

步驟33，計(jì)算融合位移：通過(guò)步驟31建立的狀態(tài)方程與步驟32建立的觀測(cè)方程進(jìn)行求解，獲得融合位移。

步驟4，位移糾偏：解析虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)中各個(gè)動(dòng)作捕捉傳感器所捕捉的各個(gè)骨骼姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)骨骼相對(duì)位移坐標(biāo)；根據(jù)步驟3獲取的融合位移與骨骼相對(duì)位移坐標(biāo)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)中各個(gè)動(dòng)作捕捉傳感器進(jìn)行位移糾偏，形成姿態(tài)重組位移。

位移糾偏時(shí)，為使步驟3中獲取的融合位移與原有骨骼姿態(tài)相匹配，以人體是否有著地點(diǎn)為依據(jù)進(jìn)行判斷；在人體有著地的情況下，以著地點(diǎn)為原點(diǎn)計(jì)算全身各骨骼位置；如果糾偏過(guò)程中沒(méi)有新的著地點(diǎn)產(chǎn)生，則保持原點(diǎn)不變；如果糾偏過(guò)程中產(chǎn)生新的著地點(diǎn)，原點(diǎn)變?yōu)楫?dāng)前時(shí)刻的融合位移。

在人體有著地的情況下，以著地點(diǎn)為原點(diǎn)，采用位姿矩陣來(lái)計(jì)算全身各骨骼位置；其中，位姿矩陣T表示如下：

其中，O＝[0 0 0]，I＝1

上式中，T表示位姿矩陣，n表示法線矢量，o表示方向矢量，a表示接近矢量，p表示平移矢量，R表示旋轉(zhuǎn)矩陣，P表示位置矩陣，O表示透視矩陣，I表示比例變換；x,y,z表示三個(gè)坐標(biāo)軸方向。

上述R表示的旋轉(zhuǎn)矩陣由動(dòng)作捕捉傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)得出。

動(dòng)作捕捉傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)為四元數(shù)：q＝(w,x,y,z)

四元數(shù)與旋轉(zhuǎn)矩陣的轉(zhuǎn)換公式為：

P表示的位置矩陣初始為后可通過(guò)位姿矩陣T與骨骼參數(shù)矩陣(例如右大腿骨骼參數(shù)矩陣骨骼參數(shù)矩陣為固定參數(shù))相乘后得出。

O矩陣與I矩陣為固定參數(shù)矩陣。

步驟5，形成最終輸出位移：步驟3獲取的融合位移與步驟4形成的姿態(tài)重組位移構(gòu)成初步輸出位移，將該初步輸出位移進(jìn)行卡爾曼濾波，去除位移糾偏過(guò)程中產(chǎn)生的閃跳點(diǎn)，形成平滑的各個(gè)動(dòng)作捕捉傳感器的最終輸出位移。

將初步輸出位移進(jìn)行卡爾曼濾波時(shí)，卡爾曼濾波狀態(tài)方程為：

上式中，為k時(shí)刻初步輸出位移的狀態(tài)量；為的一階導(dǎo)數(shù)；為狀態(tài)矩陣；t_s表示動(dòng)作捕捉傳感器的采樣頻率，為固定參數(shù)；為k-1時(shí)刻初步輸出位移的狀態(tài)量。

卡爾曼濾波觀測(cè)方程：

上式中，為初步輸出位移的后驗(yàn)估計(jì)，為的一階導(dǎo)數(shù)；C為觀測(cè)矩陣，取為觀測(cè)量。

本系統(tǒng)解析動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的各個(gè)骨骼姿態(tài)數(shù)據(jù)(包括動(dòng)作捕捉傳感器、手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器及電子槍姿態(tài)傳感器采集數(shù)據(jù))，計(jì)算各個(gè)骨骼相對(duì)位移坐標(biāo)。通過(guò)融合室內(nèi)定位移與骨骼相對(duì)坐標(biāo)對(duì)動(dòng)捕系統(tǒng)進(jìn)行位移糾偏。

2.輸出濾波：

輸出的位移由姿態(tài)重組的位移與卡爾曼融合的位移組成，由于姿態(tài)重組的位移與卡爾曼融合的位移存在偏差(兩套不相干系統(tǒng)必然存在偏差)，所以在著地點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)，卡爾曼融合位移替換新原點(diǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)閃跳點(diǎn)。閃跳點(diǎn)的存在會(huì)使最終的效果出現(xiàn)人物閃跳的現(xiàn)象，要消除或者進(jìn)行平滑處理。輸出的卡爾曼濾波就是對(duì)閃跳點(diǎn)的平滑處理。

背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置包括計(jì)算機(jī)裝置、綁帶、背包、加固帶、減震裝置和緩沖裝置等。

計(jì)算機(jī)裝置包括：計(jì)算機(jī)主機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)視頻接口、標(biāo)準(zhǔn)音頻接口、標(biāo)準(zhǔn)USB3.0接口、無(wú)線通訊模塊、電池供電系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)以及電壓轉(zhuǎn)換電路。

背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置中內(nèi)置有卡爾曼濾波器一和仿真軟件系統(tǒng)。背負(fù)式計(jì)算機(jī)優(yōu)選通過(guò)無(wú)線與上述所有微處理器相連接。

仿真軟件系統(tǒng)為一個(gè)成熟的軟件系統(tǒng)，能直接購(gòu)買(mǎi)使用，本申請(qǐng)不再詳細(xì)闡述。

背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置優(yōu)選通過(guò)無(wú)線連接上述慣性動(dòng)作捕捉裝置、室內(nèi)定位裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡裝置、數(shù)據(jù)手套裝置、電子仿真槍裝置，將上述各裝置的信號(hào)輸入至背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置，卡爾曼濾波器一采用具有遞歸自回歸濾波功能的數(shù)據(jù)融合算法，將動(dòng)作捕捉的姿態(tài)輸出數(shù)據(jù)與定位的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，姿態(tài)還原算法，將上述裝置中的慣性動(dòng)作捕捉裝置、室內(nèi)定位裝置、數(shù)據(jù)手套裝置、電子仿真槍裝置的各種信號(hào)在背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置中生成一個(gè)對(duì)于用戶的3D虛擬環(huán)境以及虛擬角色，在虛擬現(xiàn)實(shí)裝置做反饋、顯示、實(shí)現(xiàn)。3D虛擬環(huán)境包括一個(gè)虛擬場(chǎng)景，一個(gè)或者多用戶對(duì)應(yīng)的角色以及一系列的虛擬對(duì)象。三者之間可以進(jìn)行互動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界一樣的效果，這效果符合客觀規(guī)律。

本系統(tǒng)采用慣性傳感器技術(shù)，將慣性傳感器模塊佩戴在身體上，來(lái)實(shí)時(shí)捕捉人體動(dòng)作姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將姿態(tài)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)中，實(shí)時(shí)還原人體姿態(tài)，同時(shí)集合背負(fù)式計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)、電子仿真槍技術(shù)、數(shù)據(jù)手套技術(shù)、人體工程學(xué)技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、地磁抗干擾技術(shù)融合一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能最大限度的實(shí)時(shí)還原人體姿態(tài)，加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)效果。

下面結(jié)合具體的例子詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明虛擬綜合系統(tǒng)。

假設(shè)本實(shí)施例中用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行單兵作戰(zhàn)訓(xùn)練、或者單兵戰(zhàn)術(shù)協(xié)同作戰(zhàn)。用戶全身綁定17個(gè)動(dòng)作捕捉模塊，綁定位置為頭部、胸部、臀部、雙肩、雙大臂、雙小臂、雙手、雙大腿、雙小腿、雙腳。UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的移動(dòng)標(biāo)簽佩戴于戰(zhàn)術(shù)頭盔上；雙手佩戴數(shù)據(jù)手套裝置；手持電子仿真槍，頭上佩戴裝有翻斗VR眼鏡的戰(zhàn)術(shù)頭盔。

每個(gè)動(dòng)作捕捉模塊、手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器和電子槍姿態(tài)傳感器，均通過(guò)對(duì)角速度的積分得到各個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)傳感器的方位信息，同時(shí)通過(guò)地磁以及重力加速的測(cè)量，得到模塊對(duì)于重力方向以及地磁方向的方位。各個(gè)模塊傳感器把加速度、角速度、地磁信息傳至微處理器，微處理器對(duì)加速度進(jìn)行二次積分得到各部位的位移信息，并根據(jù)生物力學(xué)約束以及外界的接觸結(jié)束判定，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行積分誤差進(jìn)行修正。微處理器通過(guò)有線或者無(wú)線方式，將各個(gè)模塊傳感器的加速度、角速度、地磁信息、位移信息、方位信息等信息通過(guò)無(wú)線或者有線方式傳至背負(fù)式計(jì)算機(jī)中。

UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的移動(dòng)標(biāo)簽佩戴于用戶的戰(zhàn)術(shù)頭盔處，用戶在布設(shè)完定位錨節(jié)點(diǎn)、同步器的場(chǎng)所內(nèi)移動(dòng)。佩戴于人體上的移動(dòng)標(biāo)簽和定位錨節(jié)點(diǎn)之間基于UWB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同步器與各錨點(diǎn)之間進(jìn)行校時(shí)通信，各錨點(diǎn)通過(guò)無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。服務(wù)器通過(guò)計(jì)算標(biāo)簽與各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差，通過(guò)室內(nèi)定位算法，輸出移動(dòng)標(biāo)簽在該空間位置中的絕對(duì)坐標(biāo)。服務(wù)器通過(guò)有線或者無(wú)線的方式，將移動(dòng)標(biāo)簽的位置信息發(fā)送至背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置。

虛擬現(xiàn)實(shí)裝置包括頭盔式翻斗VR眼鏡、音響系統(tǒng)和用戶身上的多個(gè)電極貼片。穿戴頭盔式翻斗VR眼鏡可以顯示三維虛擬空間畫(huà)面；音響系統(tǒng)反饋虛擬環(huán)境中的各種聲音，電極貼片反饋虛擬環(huán)境對(duì)用戶的各種刺激。該虛擬現(xiàn)實(shí)裝置由背負(fù)式計(jì)算機(jī)裝置對(duì)收集到的慣性動(dòng)作捕捉裝置、室內(nèi)定位裝置、數(shù)據(jù)手套裝置、電子仿真槍裝置的各種信息，經(jīng)過(guò)算法融合慣性動(dòng)捕與室內(nèi)定位信息、數(shù)據(jù)手套信息、電子仿真槍信息，通過(guò)仿真軟件輸出信號(hào)與虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，驅(qū)動(dòng)頭盔式翻斗VR眼鏡、音響系統(tǒng)、電極貼片作用于用戶，產(chǎn)生一個(gè)深度沉浸感、逼真的虛擬環(huán)境。

背負(fù)式計(jì)算機(jī)運(yùn)行仿真軟件，虛擬現(xiàn)實(shí)裝置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用于用戶的三維虛擬空間，三維虛擬空間會(huì)有一些現(xiàn)實(shí)世界中不存在物體或者小概率發(fā)生的事件。比如，單兵模擬訓(xùn)練中遇到的特殊軍情，突發(fā)武裝沖突時(shí)的戰(zhàn)術(shù)配合，從而完成對(duì)平息沖突的任務(wù)。在虛擬環(huán)境中，用戶可以用手中的電子仿真槍對(duì)虛擬環(huán)境中的武裝人員進(jìn)行射擊、制服等操作，虛擬中的角色也可以對(duì)用戶進(jìn)行攻擊或者其他用戶對(duì)該用戶的攻擊傷害。面對(duì)虛擬環(huán)境中的武裝人員，用戶可以進(jìn)行躲閃、奔跑、跳躍、匍匐、跪姿等動(dòng)作，同時(shí)可以用手中的電子仿真槍對(duì)虛擬的武裝分子進(jìn)行消滅、平息。多用戶之間可以數(shù)據(jù)手套將進(jìn)行手語(yǔ)、戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的操作、交流，也可以通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)方式進(jìn)行交流通信。若用戶被其他用戶、虛擬環(huán)境中的武裝分子集中，虛擬現(xiàn)實(shí)裝置中的電極貼片會(huì)在相對(duì)部位上產(chǎn)生于攻擊強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的刺激信號(hào)，使用戶產(chǎn)生真的被擊中的感覺(jué)。

根據(jù)上述例子，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)，闡述一下本法的基于動(dòng)作捕捉的虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)與普通的3D扮演類游戲的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)。

相同點(diǎn)：兩者都是用戶操縱虛擬角色在一個(gè)虛擬3D世界環(huán)境中進(jìn)行一定的活動(dòng)與體驗(yàn)。不同點(diǎn)：本發(fā)明是操縱沉浸式的3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，依靠用戶的四肢動(dòng)作、手指動(dòng)作、模擬仿真槍動(dòng)作以及語(yǔ)言來(lái)對(duì)虛擬角色進(jìn)行控制，就如通用現(xiàn)實(shí)世界的人對(duì)自身操作一樣，而普通的3D扮演類游戲用鼠標(biāo)鍵盤(pán)對(duì)角色進(jìn)行控制；同時(shí)，普通3D角色扮演類游戲智能看到顯示器上的一個(gè)平面圖像，而且只能看到自己扮演的角色與環(huán)境中的作用，卻不能用其他的感官去體驗(yàn)游戲中角色與周圍環(huán)境的互動(dòng)，在采用了本發(fā)明的虛擬現(xiàn)實(shí)綜合系統(tǒng)時(shí)，則可以根據(jù)虛擬環(huán)境中角色的變化，提供相應(yīng)的3D虛擬環(huán)境的三維視鏡，提高真實(shí)感，讓用戶感覺(jué)身臨其境一般，同時(shí)，通過(guò)環(huán)境反饋器件，用戶能夠通過(guò)身體的其他部位體驗(yàn)到虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)角色的交互。

綜上所述，本發(fā)明的動(dòng)作捕捉模塊、手關(guān)節(jié)姿態(tài)傳感器、電子槍姿態(tài)傳感器體積小、重量輕、佩戴方便，綁定到人身上時(shí)不影響運(yùn)動(dòng)，采樣速度高，可以對(duì)復(fù)雜、高速運(yùn)動(dòng)新型采樣；佩戴靈活，可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求選擇合適的佩戴組合方式；動(dòng)作捕捉不受場(chǎng)地限制，動(dòng)作捕捉效果不受真實(shí)物體遮擋影響；動(dòng)作捕捉的成本相對(duì)較低。室內(nèi)定位裝置，能實(shí)時(shí)的捕捉定位多名用戶在部署定位裝置的空間內(nèi)的實(shí)時(shí)位置，輸出用戶的絕對(duì)坐標(biāo)；室內(nèi)定位裝置，采用UWB定位技術(shù)，采樣頻率高，可以對(duì)用戶實(shí)時(shí)位置定位，快速定位用戶的快速動(dòng)作；佩戴靈活，標(biāo)簽可以佩戴于頭部、胸部、腕部，可根據(jù)具體需求進(jìn)行佩戴；部署簡(jiǎn)便，只需要在需要定位的空間內(nèi)，部署若干錨節(jié)點(diǎn)、同步器以及少量輔助電源等設(shè)備，就可以完成定位部署；定位不受環(huán)境，光纖影響，亦可以在室外空曠場(chǎng)地進(jìn)行部署定位，不受光線影響；UWB室內(nèi)定位成本相對(duì)要低。數(shù)據(jù)手套佩戴方便，模塊小巧，只需要穿上專用的數(shù)據(jù)手套載具，連接上背負(fù)式計(jì)算機(jī)就可以工作，使用方便；配置靈活，可以根據(jù)具體的需求對(duì)不同的關(guān)節(jié)進(jìn)行配置，以最適合的配置方式完成虛擬體驗(yàn)；不受光線環(huán)境的影響，可以在陽(yáng)光直射下進(jìn)行虛擬體驗(yàn)；采樣頻率高，可以對(duì)復(fù)雜、快速動(dòng)進(jìn)行捕捉采樣。

另外，電子仿真槍、虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡、背負(fù)式計(jì)算機(jī)技術(shù)，解決了佩戴式，姿態(tài)、游戲狀態(tài)實(shí)時(shí)還原問(wèn)題，提高用戶體驗(yàn)度。數(shù)據(jù)手套技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡、背負(fù)式計(jì)算機(jī)技術(shù)，解決了佩戴式四肢、手指實(shí)時(shí)還原顯示問(wèn)題，提供用戶體驗(yàn)度。數(shù)據(jù)融合、地磁抗干擾技術(shù)，降低復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)于電子羅盤(pán)傳感器的干擾，提高了體統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)度和用戶體驗(yàn)度。

本發(fā)明因?yàn)槟軌驅(qū)崟r(shí)把現(xiàn)實(shí)世界的人體動(dòng)作姿態(tài)以及外設(shè)的手持道具的狀態(tài)引入到虛擬現(xiàn)實(shí)，并映射與相應(yīng)的角色上，并且通過(guò)恰當(dāng)?shù)姆绞?，?shí)時(shí)地把虛擬環(huán)境對(duì)角色的作用反饋到現(xiàn)實(shí)世界人的感知上，因而大大提高了虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感，同時(shí)增加了角色與虛擬環(huán)境的交互性，使用戶的體驗(yàn)更加真切、真實(shí)。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。