六自由度游戲模擬器的制作方法

本發(fā)明涉及一種六自由度游戲模擬器，其可以用于模擬類似于汽車、快艇、飛機(jī)等駕駛類游戲，或者用于訓(xùn)練相應(yīng)的駕駛員，屬于模擬駕駛技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

六自由度游戲模擬器主要用于各種車輛、工程機(jī)械、飛行器等駕駛員的基礎(chǔ)培訓(xùn)以及娛樂行業(yè)的賽車、飛行等提供身臨其境的體感?，F(xiàn)有技術(shù)的駕駛模擬平臺一般是三自由度，不能真實模擬現(xiàn)實的姿態(tài)；少量六自由度只是在常規(guī)的六自由平臺上裝上控制操作裝置，人的重心不能處在平臺的中位上，穩(wěn)定性差，體感差。此外，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實vr(virtualreality)技術(shù),是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。在現(xiàn)有的六自由度游戲模擬器中，還沒有和vr技術(shù)完美結(jié)合的先例。

此外，現(xiàn)有的用于控制六自由度平臺的動力系統(tǒng)存在一些缺陷。現(xiàn)有的用于控制六自由度平臺的動力系統(tǒng)通常包括一個用于產(chǎn)生動力的動力單元，動力單元產(chǎn)生的動力直接傳遞給液壓缸，但是六自由度平臺由于各種游戲或訓(xùn)練場景的不同，可能需要存在驅(qū)動力的多種驅(qū)動檔位，但是一般的液壓系統(tǒng)不能提供與之對應(yīng)的可調(diào)整的多級壓力，如果一直使用一種級別的壓力，在不同的情況下，有可能浪費功率，或者有可能對元件造成液壓沖擊，導(dǎo)致元件的損壞。

因此，為解決上述技術(shù)問題，有必要提供一種六自由度游戲模擬器用于模擬駕駛，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的所述缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中的上述空白，本發(fā)明研發(fā)一種基于vr技術(shù)的六自由度游戲模擬器，該游戲模擬器采用vr與實裝模擬部件相結(jié)合，利用駕駛艙環(huán)境特效和環(huán)境特效，以3d視覺感受配以聽覺、觸覺和嗅覺等同步表現(xiàn)，以仿真的場景與特別的機(jī)關(guān)設(shè)置來仿真駕駛行進(jìn)過程中車輛的顛簸、震動和噪音；以及路邊環(huán)境所產(chǎn)生的聲、光、震動、煙霧和氣味，使駕駛員能感受到如同實際駕駛一樣的環(huán)境，給予人以貼近真實的駕駛體驗，可以有效提高駕駛員對于行駛設(shè)備的熟練程度，克服緊張和恐懼的情緒，模擬實際情況，達(dá)到更優(yōu)的游戲或者訓(xùn)練效果。此外，還帶有心理監(jiān)測系統(tǒng)，其可實時記錄及監(jiān)測參訓(xùn)人員的心率、血壓等變化，為分析駕駛員的心里感受提供依據(jù)，并可輔助制定個性化的游戲或者訓(xùn)練方案。

本發(fā)明提供了一種六自由度游戲模擬器，所述游戲模擬器包括將游戲模擬器牢固地固定的底座、平臺、方向盤、大型全景顯示屏、聲音播放設(shè)備、駕駛艙、萬向鉸接機(jī)構(gòu)和保護(hù)性支柱；

其中底座承載平臺，平臺由底座和支架支撐，支架連接保護(hù)性支柱；保護(hù)性支柱與支架平時是通過可承重的鋼索連接，在正常情況下不提供支撐力，只有當(dāng)液壓缸失效時才支撐支架；

方向盤用于在游戲或訓(xùn)練中控制方向，駕駛艙可以讓游戲者或訓(xùn)練者安坐或固定的其上并提供相應(yīng)的保護(hù)；所述游戲模擬器還包括離合器踏板、油門踏板和剎車踏板；

液壓缸和底座及支架支架通過萬向鉸接機(jī)構(gòu)連接，以使得相應(yīng)的動作通過液壓缸自如地傳遞到平臺上；

該六自由度游戲模擬器在正常運行時由六個液壓缸支撐，六個液壓缸協(xié)調(diào)動作，以產(chǎn)生六自由度的運動，配合大型全景顯示屏播放的錄像和聲音播放設(shè)備播放出的聲音；

其特征在于：

所述游戲模擬器的控制系統(tǒng)主要包括錄像聲音控制系統(tǒng)、設(shè)備硬件控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件、聲音播放系統(tǒng)和錄像播放系統(tǒng)；

其中，錄像播放系統(tǒng)、游戲或訓(xùn)練錄像和聲音播放系統(tǒng)與控制軟件交換數(shù)據(jù)并且受控制軟件的控制，控制軟件通過通訊協(xié)議與設(shè)備硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，設(shè)備硬件控制系統(tǒng)與執(zhí)行元件交換數(shù)據(jù)并且控制執(zhí)行元件的動作；

其中，游戲或者訓(xùn)練錄像為所拍攝的各段游戲或訓(xùn)練片段；

其中，安裝在操作電腦上的控制軟件，負(fù)責(zé)錄像信息的處理，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到對應(yīng)的設(shè)備；

其中，設(shè)備硬件控制系統(tǒng)為安裝在六自由度游戲平臺上的控制板以及控制元件，負(fù)責(zé)進(jìn)行六自由度游戲平臺以及周邊環(huán)境特效設(shè)備的各種動作控制；

其中，執(zhí)行元件包括六自由度游戲平臺的液壓缸以及周圍的各種環(huán)境特效設(shè)備；

其中，聲音播放系統(tǒng)為環(huán)繞立體聲音響環(huán)境，錄像聲音控制系統(tǒng)在讀取錄像部分信息并播放的同時，也將聲音部分的信息讀取出來，解析出聲音各個方位的聲音，分別輸出到各個聲音播放設(shè)備以進(jìn)行聲音播放；

其中，錄像播放系統(tǒng)為立體錄像播放系統(tǒng)，錄像聲音控制系統(tǒng)讀取游戲或者訓(xùn)練錄像信息，將游戲或者訓(xùn)練錄像的錄像部分輸出到錄像播放系統(tǒng)，將游戲或者訓(xùn)練錄像的聲音部分輸出到聲音播放系統(tǒng)，同時將游戲或者訓(xùn)練錄像與播放時間對應(yīng)的動作通過通訊協(xié)議發(fā)送到設(shè)備硬件控制系統(tǒng)，設(shè)備硬件控制系統(tǒng)將通訊協(xié)議發(fā)送過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成各個執(zhí)行元件應(yīng)當(dāng)隨錄像播放時間配合動作的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成控制輸出，控制執(zhí)行元件進(jìn)行相應(yīng)的動作。

根據(jù)本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，其中通過事先編制好的安裝在電腦上的軟件，對錄像、聲音進(jìn)行處理，然后將其發(fā)送到相應(yīng)的播放設(shè)備上；

進(jìn)一步地，對于錄像部分信息的控制，還包括3d轉(zhuǎn)換，將其分解成左眼視頻和右眼視頻，分離出的左右錄像分別發(fā)送到相關(guān)的錄像播放設(shè)備，通過對錄像的高質(zhì)量處理，保證錄像的3d立體效果。

根據(jù)本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，其中當(dāng)進(jìn)行游戲或者訓(xùn)練時，軟件控制系統(tǒng)在分解出錄像信息和聲音信息的同時，將每個錄像和聲音對應(yīng)時間段應(yīng)當(dāng)進(jìn)行的執(zhí)行元件的動作抽取出來，經(jīng)過軟件編碼和加密后，發(fā)送到通訊協(xié)議發(fā)送裝備，傳送到設(shè)備硬件控制系統(tǒng)中，在錄像播放的每個時間段，提取出錄像所應(yīng)當(dāng)對應(yīng)的動作數(shù)據(jù)，并經(jīng)過軟件編碼和加密計算后，發(fā)送到通訊協(xié)議設(shè)備，經(jīng)由通訊協(xié)議設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備硬件控制系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，其中所述游戲模擬器控制調(diào)試手柄，即可以由外部操作員通過該手柄對模擬器進(jìn)行調(diào)整；其中：設(shè)備硬件控制系統(tǒng)采集手柄的按鍵信息，編碼后，錄像播放切換操作的錄像聲音控制系統(tǒng)，通過通訊協(xié)議設(shè)備發(fā)送到錄像聲音控制系統(tǒng)，錄像聲音控制系統(tǒng)判斷按鍵的按下時間、按下的按鍵編號以及錄像的播放進(jìn)度，判斷按鍵是否有效，來控制錄像的播放，例如繼續(xù)播放、停止、快進(jìn)或者切換錄像；當(dāng)播放錄像時，將錄像數(shù)據(jù)傳遞到錄像播放設(shè)備。

根據(jù)本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，通過設(shè)備硬件控制系統(tǒng)讀取通訊協(xié)議設(shè)備發(fā)送過來的錄像動作數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)分解出對應(yīng)六自由度游戲平臺液壓缸的動作數(shù)據(jù)文件以及對應(yīng)周圍環(huán)境特效設(shè)備的環(huán)境特效動作文件。同時將駕駛艙動作數(shù)據(jù)及環(huán)境特效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成液壓缸和環(huán)境特效設(shè)備的控制輸出，控制液壓缸和環(huán)境特效設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動作。

根據(jù)本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，通過時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的控制方式進(jìn)行控制，系統(tǒng)根據(jù)各個進(jìn)程執(zhí)行時間的不同以及各個執(zhí)行元件的響應(yīng)速度不同，分配不同的時間片長度，從而保證每一條被發(fā)送過來的動作數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的六自由度液壓缸和環(huán)境特效設(shè)備的動作能夠被立刻迅速的執(zhí)行，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，縮短響應(yīng)時間。

根據(jù)本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，將游戲和訓(xùn)練手柄上的信息進(jìn)行采集，經(jīng)過編碼后，發(fā)送回錄像聲音控制系統(tǒng)；

此外，輸出的硬件控制電路達(dá)到10路，輸入輸出電路都配有保護(hù)電路；

同時，增加緊急制動按鈕；

硬件電源變換部分采用高品質(zhì)開關(guān)電源。

根據(jù)本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，其中環(huán)境特效設(shè)備包括：

氣流模擬裝置：采用大功率氣墻式風(fēng)機(jī)，將高速氣流集中到一個窄幅氣面上，以猛烈地速度噴出，增強(qiáng)氣流拍打面孔的感覺，從而模擬前進(jìn)過程中所帶來的空氣流動；

氣味模擬裝置：采用電子控制的氣體噴壓氣，將實現(xiàn)儲存好的氣體噴壓出來。用以模擬行駛過程中所產(chǎn)生的汽油等氣體味道；

燈光模擬裝置：采用led技術(shù)，在增加亮度的同時，大幅度延長了設(shè)備壽命。而且可以模擬白天或者夜晚行車時遇到的各種燈光效果；

煙霧模擬裝置：采用霧化液體噴霧，煙霧稠密細(xì)膩，同時又沒有任何燃燒后尾氣產(chǎn)生，高效更環(huán)保。煙霧模擬器用于模擬突發(fā)狀態(tài)時發(fā)生火災(zāi)或者穿過煙霧范圍時的煙霧效果。

根據(jù)本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，其中六自由度游戲模擬器是由六個液壓缸支撐，通過液壓缸和上、下各六只萬向鉸接機(jī)構(gòu)的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)；其中，通過主控計算機(jī)借助六自由度數(shù)學(xué)模型對空間狀態(tài)進(jìn)行時時解算，將需要的空間狀態(tài)和運動軌跡輸入到主控計算機(jī)，通過空間狀態(tài)解算程序完成對六個液壓缸的運動位移和速度的計算，然后將解算結(jié)果送到控制卡，控制卡控制液壓系統(tǒng)給液壓缸提供動力，帶動液壓缸推動平臺運動，實現(xiàn)平臺的空間運動狀態(tài)。

根據(jù)本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，該游戲模擬器帶有用于控制六自由度平臺的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述動力系統(tǒng)包括：

液壓系統(tǒng)的主泵、液壓系統(tǒng)的主溢流閥、蓄能器、連接在驅(qū)動泵和蓄能器之間的單向閥、連接在蓄能器下游的系統(tǒng)主減壓閥，用于控制液壓缸的伺服閥，和用于調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力的壓力設(shè)置模塊。該壓力設(shè)置模塊包括小型泵，系統(tǒng)壓力設(shè)置閥，壓力轉(zhuǎn)換閥，輔助溢流閥，比例節(jié)流閥，系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧，壓力轉(zhuǎn)換彈簧，輔助溢流閥的溢流輔助彈簧，壓力轉(zhuǎn)換閥的驅(qū)動元件，和壓力輸入端口；

驅(qū)動泵輸出液壓動力，驅(qū)動泵的泵出口連接有主溢流閥，該主溢流閥起保護(hù)作用，一定場合下，也可以用于設(shè)定驅(qū)動泵出口級的壓力。主泵出口后設(shè)置有單向閥，單向閥后設(shè)置有蓄能器，蓄能器一側(cè)的管路上連接有液壓主回路，該液壓主回路上設(shè)置有主減壓閥、伺服閥、液壓缸。蓄能器另一側(cè)的管路上設(shè)置有壓力設(shè)置模塊，蓄能器一側(cè)和另一側(cè)的管線是流體連通的；該壓力設(shè)置模塊主要包括小型泵、系統(tǒng)壓力設(shè)置閥、壓力轉(zhuǎn)換閥、輔助溢流閥、比例節(jié)流閥、系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧、壓力轉(zhuǎn)換彈簧、溢流輔助彈簧、壓力轉(zhuǎn)換閥的驅(qū)動元件和壓力輸入端口；

在壓力設(shè)置組件中，系統(tǒng)壓力設(shè)置閥的閥體上帶有系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧，系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧向系統(tǒng)壓力設(shè)置閥的閥體施加彈簧力，促使系統(tǒng)壓力設(shè)置閥關(guān)閉，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧可以確定系統(tǒng)壓力設(shè)置閥的開啟壓力，該開啟壓力即為蓄能器供給的系統(tǒng)第一壓力；

進(jìn)一步地，為了對應(yīng)不同的游戲或者訓(xùn)練情況下的壓力設(shè)置需求，在系統(tǒng)壓力設(shè)置閥的閥體上還設(shè)置了壓力輸入端口，該壓力輸入端口可以設(shè)置為系統(tǒng)壓力設(shè)置閥的閥體上可以施加力的一個區(qū)域的形式；這樣系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧施加的彈簧力和通過壓力輸入端口施加的液壓力可以作用在閥體上，使得閥體向著關(guān)閉的方向移動，為了控制通過壓力輸入端口施加的液壓力以控制系統(tǒng)壓力設(shè)置閥的開啟壓力，即系統(tǒng)第二壓力，還設(shè)置了壓力轉(zhuǎn)換閥，系統(tǒng)第二壓力比系統(tǒng)第一壓力大；

壓力轉(zhuǎn)換閥的閥體上設(shè)置有壓力轉(zhuǎn)換彈簧，壓力轉(zhuǎn)換彈簧向著使得壓力轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉的方向施加偏壓力；

小型泵向壓力轉(zhuǎn)換閥供給壓力油，該壓力油通過壓力轉(zhuǎn)換閥作用到系統(tǒng)壓力設(shè)置閥的閥體上，帶動系統(tǒng)壓力設(shè)置閥向著關(guān)閉方向移動；壓力轉(zhuǎn)換閥上還設(shè)置有壓力轉(zhuǎn)換閥的驅(qū)動元件，可以通過其他方式來控制壓力轉(zhuǎn)換閥；

在壓力轉(zhuǎn)換閥和壓力輸入端口之間的管線上設(shè)置有比例節(jié)流閥，其主要用于控制來自壓力轉(zhuǎn)換閥的流量，避免對壓力輸入端口產(chǎn)生過大的沖擊。

輔助溢流閥用作安全閥，輔助溢流閥的工作壓力由溢流輔助彈簧來設(shè)定。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明獲得了以下的優(yōu)點：

1．運用多維虛擬技術(shù)與模擬實裝部件結(jié)合，研制了由駕駛艙特效、環(huán)境特效、錄像聲音環(huán)境特效、軟件控制、訓(xùn)練效果測評等分系統(tǒng)組成的駕駛艙游戲或訓(xùn)練設(shè)備，實現(xiàn)了駕駛艙的環(huán)境視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等的綜合仿真，解決了乘員游戲或者訓(xùn)練中對真實環(huán)境身心適應(yīng)性訓(xùn)練的難題。

2．將駕駛員的操作，動作、裝備運行狀態(tài)與3d視覺和其他仿真環(huán)境實時同步呈現(xiàn)，首次實現(xiàn)了游戲交互條件下的多維環(huán)境構(gòu)設(shè)。

3．運用vr技術(shù)模擬了復(fù)雜環(huán)境，融合了游戲或訓(xùn)練內(nèi)容，提高了游戲或訓(xùn)練的實際效果。

4.本發(fā)明的六自由度游戲模擬器的動力系統(tǒng)提供了多種驅(qū)動檔位，即采用了多級調(diào)壓系統(tǒng)，能夠為六自由度平臺提供不同的輸出壓力級，即不會浪費功率，又可以避免在液壓系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生沖擊，保證了液壓系統(tǒng)及液壓元件的安全。

附圖說明

圖1：本發(fā)明的六自由度游戲模擬器的整體框架示意圖；

圖2：本發(fā)明的六自由度游戲模擬器的控制軟件和設(shè)備硬件控制的示意圖；

圖3：本發(fā)明的六自由度游戲模擬器的錄像聲音控制系統(tǒng)的示意性的框圖；

圖4：本發(fā)明的六自由度游戲模擬器的左右分離示意圖；

圖5：本發(fā)明的六自由度游戲模擬器的動作數(shù)據(jù)處理的工作流程示意圖；

圖6：本發(fā)明的六自由度游戲模擬器的控制調(diào)試手柄的工作流程示意圖；

圖7：本發(fā)明的六自由度游戲模擬器的執(zhí)行元件動作分解示意圖；

圖8：時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的控制方式和非時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的控制方式的示意圖；

圖9：本發(fā)明的六自由度游戲模擬器的動力系統(tǒng)的液壓原理示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種六自由度游戲模擬器，所述游戲模擬器的控制系統(tǒng)主要包括錄像聲音控制系統(tǒng)、設(shè)備硬件控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件、聲音播放系統(tǒng)和錄像播放系統(tǒng)；

該六自由度游戲模擬器的整體框架示意圖如圖1所示，其中：

1、底座；2、平臺；3、支架；4、液壓缸；5、方向盤；6、大型全景顯示屏；7、聲音播放設(shè)備；8、駕駛艙；9、鉸接機(jī)構(gòu)；10、保護(hù)性支柱

本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器包括將游戲模擬器牢固地固定的底座1、平臺2、方向盤5、大型全景顯示屏6、聲音播放設(shè)備7、駕駛艙8、鉸接機(jī)構(gòu)9和保護(hù)性支柱10。底座1，也是六自由度游戲模擬器的下部平臺，其承載平臺2（六自由度游戲模擬器的上部平臺），平臺2由底座和支架3支撐，支架3連接保護(hù)性支柱10。保護(hù)性支柱10與支架3平時是通過可承重的鋼索（未示出）連接，在正常情況下不提供支撐力，只有當(dāng)液壓缸4失效等意外情況發(fā)生時才支撐支架3，對該模擬器和人員進(jìn)行保護(hù)性支撐，避免發(fā)生損壞或傷害。方向盤5用于在游戲或訓(xùn)練中控制方向，駕駛艙8可以讓游戲者或訓(xùn)練者安坐或固定于其上并提供相應(yīng)的保護(hù)，例如通過安全帶等措施。該模擬器還包括離合器踏板、油門踏板和剎車踏板等。液壓缸4和底座1及支架3通過鉸接機(jī)構(gòu)9連接，以使得相應(yīng)的動作通過液壓缸4自如地傳遞到平臺2上。本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器在正常運行時由六個液壓缸4支撐，六個液壓缸4協(xié)調(diào)動作，以產(chǎn)生六自由度的運動，配合大型全景顯示屏6播放的錄像和聲音播放設(shè)備7播放出的聲音，這將在下文中做詳細(xì)地描述。

為了使得六自由度游戲模擬器的錄像、聲音和動作系統(tǒng)協(xié)作，本發(fā)明的六自由度游戲模擬器包括控制軟件和設(shè)備硬件控制系統(tǒng)，具體請參考圖2，其中：

錄像播放系統(tǒng)、游戲或訓(xùn)練錄像和聲音播放系統(tǒng)與控制軟件交換數(shù)據(jù)并且受控制軟件的控制，控制軟件通過通訊協(xié)議與設(shè)備硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，設(shè)備硬件控制系統(tǒng)與執(zhí)行元件交換數(shù)據(jù)并且控制執(zhí)行元件的動作。具體而言：游戲或者訓(xùn)練錄像為所拍攝的各段游戲或訓(xùn)練片段；安裝在操作電腦上的控制軟件，負(fù)責(zé)錄像信息的處理，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到對應(yīng)的設(shè)備；設(shè)備硬件控制系統(tǒng)為安裝在六自由度游戲平臺上的控制板以及控制元件，負(fù)責(zé)進(jìn)行六自由度游戲平臺以及周邊環(huán)境特效設(shè)備的各種動作控制；執(zhí)行元件包括六自由度游戲平臺的液壓缸以及周圍的各種環(huán)境特效，例如風(fēng)、頻閃、氣味等的環(huán)境特效；聲音播放系統(tǒng)為環(huán)繞立體聲音響環(huán)境，控制軟件在讀取錄像部分信息并播放的同時，也將聲音部分的信息讀取出來，解析出聲音各個方位的聲音，分別輸出到各個聲音播放設(shè)備以進(jìn)行聲音播放，例如利用圖1中的環(huán)繞駕駛艙8布置的多個聲音播放設(shè)備7；錄像播放系統(tǒng)為立體錄像播放系統(tǒng)，錄像聲音控制系統(tǒng)讀取游戲或者訓(xùn)練錄像信息，將游戲或者訓(xùn)練錄像的錄像部分輸出到錄像播放系統(tǒng)，將游戲或者訓(xùn)練錄像的聲音部分輸出到聲音播放系統(tǒng)，同時將游戲或者訓(xùn)練錄像與播放時間對應(yīng)的動作通過通訊協(xié)議發(fā)送到設(shè)備硬件控制系統(tǒng)；設(shè)備硬件控制系統(tǒng)將通訊協(xié)議發(fā)送過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成各個執(zhí)行元件應(yīng)當(dāng)隨錄像播放時間配合動作的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成控制輸出，以便控制執(zhí)行元件進(jìn)行相應(yīng)的動作。

本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，對聲音的控制如圖3的錄像聲音控制系統(tǒng)的示意性的框圖所示，通過事先編制好的安裝在電腦上的軟件，對錄像、聲音進(jìn)行處理，然后將其發(fā)送到相應(yīng)的播放設(shè)備上。

本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，對于錄像部分信息的控制，還包括3d轉(zhuǎn)換，將其分解成左眼視頻和右眼視頻，參考圖4的左右分離示意圖，分離出的左右錄像分別發(fā)送到相關(guān)的錄像播放設(shè)備。通過對錄像的高質(zhì)量處理，保證錄像的3d立體效果，使游戲者帶上眼鏡后觀看，能夠感受到一種身臨其境的體驗效果，達(dá)到娛樂目的。

本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，當(dāng)進(jìn)行游戲或者訓(xùn)練時，其動作數(shù)據(jù)處理的工作流程圖如圖5所示，控制軟件在分解出錄像信息和聲音信息的同時，將每個錄像和聲音對應(yīng)時間段應(yīng)當(dāng)進(jìn)行的執(zhí)行元件的動作抽取出來，經(jīng)過軟件編碼和加密后，發(fā)送到通訊協(xié)議發(fā)送裝備，傳送到設(shè)備硬件控制系統(tǒng)中。其工作流程如圖5所示。在錄像播放的每個時間段，提取出錄像所應(yīng)當(dāng)對應(yīng)的動作數(shù)據(jù)，并經(jīng)過軟件編碼和加密計算后，發(fā)送到通訊協(xié)議設(shè)備，經(jīng)由通訊協(xié)議設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備硬件控制系統(tǒng)。

本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，可以包括控制調(diào)試手柄，即可以由外部操作員通過該手柄對模擬器進(jìn)行調(diào)整，具體過程如圖6所示，其中：設(shè)備硬件控制系統(tǒng)采集手柄的按鍵信息，編碼后，錄像播放切換操作的錄像聲音控制系統(tǒng)，通過通訊協(xié)議設(shè)備發(fā)送到錄像聲音控制系統(tǒng)，錄像聲音控制系統(tǒng)判斷按鍵的按下時間、按下的按鍵編號以及錄像的播放進(jìn)度，判斷按鍵是否有效，來控制錄像的播放，例如繼續(xù)播放、停止、快進(jìn)或者切換錄像。當(dāng)播放錄像時，將錄像數(shù)據(jù)傳遞到錄像播放設(shè)備，例如圖1中的大型全景顯示屏。

本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，通過設(shè)備硬件控制系統(tǒng)讀取通訊協(xié)議設(shè)備發(fā)送過來的錄像動作數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)分解出對應(yīng)六自由度游戲平臺液壓缸的動作數(shù)據(jù)文件以及對應(yīng)周圍環(huán)境特效設(shè)備的環(huán)境特效動作文件。同時將駕駛艙動作數(shù)據(jù)及環(huán)境特效數(shù)轉(zhuǎn)換成液壓缸和環(huán)境特效設(shè)備的控制輸出，控制液壓缸和環(huán)境特效設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動作。具體是示意圖可以參考圖7的執(zhí)行元件動作分解示意圖。

本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，可以通過時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的控制方式或者非時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的控制方式的進(jìn)行控制。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度是一種最古老，最簡單，最公平且使用最廣的算法，如圖8中的上半部分所示。每個進(jìn)程被分配一個時間段，例如圖8中的t1,t2,t3……，稱作它的時間片，即該進(jìn)程允許運行的時間。如果在時間片結(jié)束時進(jìn)程還在運行，則cpu將被剝奪并分配給另一個進(jìn)程。如果進(jìn)程在時間片結(jié)束前阻塞或結(jié)束，則cpu當(dāng)即進(jìn)行切換。調(diào)度程序所要做的就是維護(hù)一張就緒進(jìn)程列表，當(dāng)進(jìn)程用完它的時間片后，它被移到隊列的末尾。非時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的控制方式，例如圖8的下半部分所示，通過對比可發(fā)現(xiàn)，時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度各線程的執(zhí)行率相比非時間片的調(diào)度方式，執(zhí)行效率會高很多，同時縮短了控制時間，更好的提高了控制的實時性。

系統(tǒng)根據(jù)各個進(jìn)程執(zhí)行時間的不同以及各個執(zhí)行元件的響應(yīng)速度不同，分配不同的時間片長度，從而保證每一條被發(fā)送過來的動作數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的六自由度液壓缸和環(huán)境特效設(shè)備的動作能夠被立刻迅速的執(zhí)行，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，縮短響應(yīng)時間。

系統(tǒng)的響應(yīng)快，則六自由度游戲平臺的動作執(zhí)行、環(huán)境特效設(shè)備的環(huán)境特效效果與錄像播放配合的好，增加了游戲或訓(xùn)練的真實感，提高了游戲的樂趣，也增加了訓(xùn)練的效果。

本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，將游戲和訓(xùn)練手柄上的信息進(jìn)行采集，經(jīng)過編碼后，發(fā)送回錄像聲音控制系統(tǒng)。

本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，輸出的硬件控制電路達(dá)到10路，能夠充分滿足系統(tǒng)所需要的液壓缸控制、環(huán)境特效控制以及后期的其他擴(kuò)展需求。輸入輸出電路都配有保護(hù)電路，保護(hù)設(shè)備的穩(wěn)定性，提高訓(xùn)練設(shè)備的可靠性。

同時增加緊急制動按鈕。當(dāng)游戲過程中出現(xiàn)危險情況時，能夠通過緊急制動按鈕及時停止設(shè)備，保護(hù)游戲者的人身安全。

硬件電源變換部分采用高品質(zhì)開關(guān)電源，提高電源的輸出效果以及平滑度，保證系統(tǒng)的平穩(wěn)安全的運行。

（三）執(zhí)行元件

1、環(huán)境特效設(shè)備

氣流模擬：

氣流模擬器采用大功率氣墻式風(fēng)機(jī)，將高速氣流集中到一個窄幅氣面上，以猛烈地速度噴出，增強(qiáng)氣流拍打面孔的感覺，從而模擬前進(jìn)過程中所帶來的空氣流動。

氣味模擬：

采用電子控制的氣體噴壓器，將實現(xiàn)儲存好的氣體噴壓出來。用以模擬行駛過程中所產(chǎn)生的汽油等氣體味道。

燈光模擬：

采用led技術(shù)，在增加亮度的同時，大幅度延長了設(shè)備壽命。而且可以模擬白天或者夜晚行車時遇到的各種燈光效果。

煙霧模擬：

采用霧化液體噴霧，煙霧稠密細(xì)膩，同時又沒有任何燃燒后尾氣產(chǎn)生，高效更環(huán)保。煙霧模擬器用于模擬突發(fā)狀態(tài)時發(fā)生火災(zāi)或者穿過煙霧范圍時的煙霧效果。

通過上述各種環(huán)境特效設(shè)備模擬游戲過程中的現(xiàn)場效果，提高游戲者的模擬感官，增加游戲的娛樂效果。

2、多自由度運動控制設(shè)計：

多自由度控制系統(tǒng)中，自由度最多為六自由度，并且六自由度運動控制難度最大，設(shè)備及系統(tǒng)最復(fù)雜，下面主要介紹申請人設(shè)計、生產(chǎn)的六自由度游戲平臺。

六自由度游戲平臺是由六支液壓缸，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個平臺組成，下平臺是固定的，借助六只液壓缸（執(zhí)行器，也可以采用伺服電動缸）的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（x，y，z，α，β，γ）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種游戲模擬器中。

其中液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、做直線往復(fù)運動（或擺動運動）的液壓執(zhí)行元件。它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。用它來實現(xiàn)往復(fù)運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。液壓缸輸出力和活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比；液壓缸基本上由液壓缸筒和液壓缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。緩沖裝置與排氣裝置視具體應(yīng)用場合而定，其他裝置則必不可少。

液壓缸六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算：

1．順向解：即已知六根液壓缸的長度，求解平臺姿態(tài)，到目前為止，還沒有直接中的正解方程式，只能采用疊代方法，利用計算機(jī)快速運算的特點和上鉸鏈的結(jié)構(gòu)條件約束來逼近求解平臺姿態(tài)。此為順解，

2．逆向解（反解）：描述一個剛體在空間旋轉(zhuǎn)的姿勢，最常使用的方法是定義三個歐拉角來表達(dá)，當(dāng)剛體旋轉(zhuǎn)至某一姿勢下，此三個歐拉角即組成唯一的旋轉(zhuǎn)矩陣，并借由旋轉(zhuǎn)矩陣作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，便可求得剛體的絕對位置。

六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制

當(dāng)給定空間狀態(tài)后，可以分別算出六只液壓缸的不同長度，為了讓平臺上的液壓缸在同一時間運動到新的位置，六只液壓缸的運動速度是不相同的，這個問題的解決有兩種方法，一是采用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)聯(lián)控制器，該控制器需將液壓缸的運動長度數(shù)值送入，控制器能按所要求的時間，自動分配六只液壓缸的運動速度，同時到達(dá)終點。第二種方法是自己編制運動速度方程，采用長度的最小公倍數(shù)方法分配速度，也可達(dá)到同樣目的。

六自由度平臺優(yōu)勢：

六自由度平臺，根據(jù)應(yīng)用不同需要涉及機(jī)械、液壓、電器、控制、計算機(jī)、傳感器、空間運動數(shù)學(xué)模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列領(lǐng)域。

（四）動力系統(tǒng)

根據(jù)本發(fā)明所述的六自由度游戲模擬器，該游戲模擬器帶有用于控制六自由度平臺的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述動力系統(tǒng)包括：

液壓系統(tǒng)的主泵34、液壓系統(tǒng)的主溢流閥35、蓄能器37、連接在驅(qū)動泵34和蓄能器37之間的單向閥36、連接在蓄能器37下游的系統(tǒng)主減壓閥38，用于控制液壓缸的伺服閥39，和用于調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力的壓力設(shè)置模塊。該壓力設(shè)置模塊包括小型泵52，系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53，壓力轉(zhuǎn)換閥54，輔助溢流閥55，比例節(jié)流閥51，系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧56，壓力轉(zhuǎn)換彈簧57，輔助溢流閥55的溢流輔助彈簧58，壓力轉(zhuǎn)換閥54的驅(qū)動元件59，和壓力輸入端口60。

驅(qū)動泵34輸出液壓動力，驅(qū)動泵的泵出口連接有主溢流閥35，該主溢流閥35起保護(hù)作用，一定場合下，也可以用于設(shè)定驅(qū)動泵出口級的壓力。主泵34出口后設(shè)置有單向閥36，單向閥36后設(shè)置有蓄能器37，蓄能器一側(cè)的管路上連接有液壓主回路，該液壓主回路上設(shè)置有主減壓閥38、伺服閥39、液壓缸。蓄能器37另一側(cè)的管路上設(shè)置有壓力設(shè)置模塊，蓄能器一側(cè)和另一側(cè)的管線是流體連通的。該壓力設(shè)置模塊主要包括小型泵52、系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53、壓力轉(zhuǎn)換閥54、輔助溢流閥55、比例節(jié)流閥51、系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧56、壓力轉(zhuǎn)換彈簧57、溢流輔助彈簧58、壓力轉(zhuǎn)換閥54的驅(qū)動元件59和壓力輸入端口60；

在壓力設(shè)置組件中，系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53的閥體上帶有系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧56，系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧56向系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53的閥體施加彈簧力，促使系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53關(guān)閉，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧56可以確定系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53的開啟壓力，該開啟壓力即為蓄能器37供給的系統(tǒng)第一壓力；

進(jìn)一步地，為了對應(yīng)不同的游戲或者訓(xùn)練情況下的壓力設(shè)置需求，在系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53的閥體上還設(shè)置了壓力輸入端口60，該壓力輸入端口60可以設(shè)置為系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53的閥體上可以施加力的一個區(qū)域的形式；這樣系統(tǒng)壓力設(shè)置彈簧56施加的彈簧力和通過壓力輸入端口60施加的液壓力可以作用在閥體上，使得閥體向著關(guān)閉的方向移動，為了控制通過壓力輸入端口60施加的液壓力以控制系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53的開啟壓力，即系統(tǒng)第二壓力，還設(shè)置了壓力轉(zhuǎn)換閥54，系統(tǒng)第二壓力比系統(tǒng)第一壓力大。

壓力轉(zhuǎn)換閥54的閥體上設(shè)置有壓力轉(zhuǎn)換彈簧57，壓力轉(zhuǎn)換彈簧57向著使得壓力轉(zhuǎn)換閥54關(guān)閉的方向施加偏壓力；

小型泵52向壓力轉(zhuǎn)換閥54供給壓力油，該壓力油通過壓力轉(zhuǎn)換閥54作用到系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53的閥體上，帶動系統(tǒng)壓力設(shè)置閥53向著關(guān)閉方向移動；壓力轉(zhuǎn)換閥54上還設(shè)置有壓力轉(zhuǎn)換閥54的驅(qū)動元件59，可以通過其他方式來控制壓力轉(zhuǎn)換閥54；

在壓力轉(zhuǎn)換閥54和壓力輸入端口60之間的管線上設(shè)置有比例節(jié)流閥51，其主要用于控制來自壓力轉(zhuǎn)換閥54的流量，避免對壓力輸入端口60產(chǎn)生過大的沖擊。

輔助溢流閥55用作安全閥，輔助溢流閥55的工作壓力由溢流輔助彈簧58來設(shè)定。

本申請的游戲模擬系統(tǒng)的六自由度游戲平臺特點：

1、該平臺由集成控制與為液壓缸提供動力的液壓泵站組成，六自由度游戲平臺能夠上、下、左、右、前后左右平移方向運動。

2、載重量在50-2400kg，運行穩(wěn)定，動作可柔可鋼。

3、液壓缸選用優(yōu)質(zhì)材料，牢固耐用。

4、數(shù)字化閉環(huán)伺服控制，專業(yè)運動控制卡保證運動的平滑過渡以及高仿真性，減少動感漂移和失真。

5、系統(tǒng)高響應(yīng)時間及高加速度及低噪音。

6、可視性友好人機(jī)界面，操作簡單。

7、內(nèi)置傳感器檢測運動異常，及時進(jìn)行提醒。

具體設(shè)計方案如下：

六自由度游戲平臺配合模擬駕駛艙的駕駛艙和擋板設(shè)計，就構(gòu)成駕駛艙模擬器的核心部分。該部分可以巧妙的模擬駕駛艙駕駛中的顛簸和晃動，配合控制部分，實現(xiàn)實時的信息處理和反饋，達(dá)到視-體合一的體驗。

模擬器的上部平臺是一個模擬駕駛艙，駕駛艙型號、鈑金形態(tài)、電子設(shè)備采用與實物相仿的模型。手柄上的電路集成鳴笛、燈光、開窗等功能。操作者可通過連接聲控卡的耳機(jī)，接受外部指令，并執(zhí)行相應(yīng)操作。同時，設(shè)備根據(jù)操作者的指令進(jìn)行相應(yīng)的角度調(diào)整，并觸發(fā)相應(yīng)環(huán)境特效。

除了運動模擬部分以外，該產(chǎn)品還集合了投影屏幕、立體聲效模擬設(shè)備、風(fēng)幕模擬設(shè)備、控制室等等部分，對駕駛艙駕駛中的聲、光、體等感受進(jìn)行全方位的模擬，搭配靈活的控制系統(tǒng)，對駕駛員的操作進(jìn)行及時、有效的反饋，起到了使得游戲者能夠感受與實際駕駛相應(yīng)的行駛設(shè)備的樂趣和對駕駛員進(jìn)行駕駛訓(xùn)練的目的。

模擬器采用角鋼作為支撐骨架，角鋼之間通過滿焊連接。內(nèi)外兩層鋼板通過鉚焊與骨架相連接，側(cè)邊內(nèi)外兩側(cè)鋼板折彎，中間填充環(huán)保免漆板，內(nèi)側(cè)貼有阻燃吸音棉。在保證較高強(qiáng)度的同時，兼顧保溫性和隔音性。廂體四角裝有吊環(huán)，便于設(shè)備的整體安裝和起吊。

此外，還可以采用全數(shù)字控制的六自由度平臺

全數(shù)字控制取消了傳統(tǒng)控制中的伺服閥、傳感器、a/d轉(zhuǎn)換和d/a轉(zhuǎn)換等諸多環(huán)節(jié)，它是將傳感器、數(shù)字閥等全部做到液壓缸內(nèi)部，形成自動位置反饋和速度反饋。數(shù)字液壓缸可以直接接受計算機(jī)發(fā)出的數(shù)字脈沖信號進(jìn)行可靠的工作。脈沖頻率代表數(shù)字液壓缸運動速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字液壓缸運動行程，一一對應(yīng)，將復(fù)雜的閉環(huán)控制變成了簡單的開環(huán)控制。

數(shù)字液壓技術(shù)的出現(xiàn)為液壓技術(shù)增添了新的活力，數(shù)字液壓缸與專門配套研制的數(shù)字控制器相配合，幾乎取消了傳統(tǒng)液壓控制中的所有液壓閥件和控制元件，它拋棄了傳統(tǒng)的閥口控制，而是直接采用數(shù)字脈沖控制，把現(xiàn)場調(diào)試搬到了辦公室，幾乎做到了即裝即用液壓缸，對于模擬器領(lǐng)域的六自由度平臺的控制，也取得了十分理想的效果。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明獲得了以下的優(yōu)點：

1．運用多維虛擬技術(shù)與模擬實裝部件結(jié)合，研制了由訓(xùn)練方艙艙體、駕駛艙環(huán)境特效、環(huán)境特效、錄像聲音環(huán)境特效、軟件控制、訓(xùn)練效果測評等分系統(tǒng)組成的駕駛艙游戲或訓(xùn)練設(shè)備，實現(xiàn)了駕駛艙的環(huán)境視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等的綜合仿真，解決了乘員游戲或者訓(xùn)練中對真實環(huán)境身心適應(yīng)性訓(xùn)練的難題。

2．運用flash結(jié)合actionscitp的對象和流媒體控制技術(shù)，將駕駛員的操作，動作、裝備運行狀態(tài)與3d視覺和其他仿真環(huán)境實時同步呈現(xiàn)，首次實現(xiàn)了游戲交互條件下的多維環(huán)境構(gòu)設(shè)。

3．運用vr技術(shù)模擬了復(fù)雜環(huán)境，融合了游戲或訓(xùn)練內(nèi)容，提高了游戲或訓(xùn)練的實際效果。

4．采用了多級調(diào)壓系統(tǒng)，能夠為六自由度平臺提供不同的輸出壓力級，即不會浪費功率，又可以避免在液壓系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生沖擊，保證了液壓系統(tǒng)及液壓元件的安全。

以上的具體實施方式僅為本創(chuàng)作的不同和較佳的實施例，并不用以限制本創(chuàng)作，凡在本發(fā)明的精神及原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。