1.本发明涉及数字化模拟领域，特别是涉及多感官一体化的沉浸式模拟系统及其模拟方法。


背景技术：

2.虚拟现实技术是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，通过与计算机生成一种交互式的三维动态视景，使用户沉浸到虚拟的环境中，实现听觉与触觉的双重体验。随着虚拟现实技术的兴起，新的设备和解决方案层出不穷。
3.现有的虚拟现实交互系统通常需要辅以较大空间的活动场地，以便用户在操作过程移动并实现推门等触觉效果，提高体验的真实性。如申请号为cn202110249181.1、名称为《一种vr虚拟现实拓展训练系统》的专利中则公开了一种虚拟现实系统，该系统包括第一真实区域以及第二真实区域，所述第一真实区域与所述第二真实区域由围墙分隔形成两个互不连通的独立空间；所述围墙上形成有可控开启的至少一扇通道门，所述通道门用于使所述第一真实区域与所述第二真实区域连通。然而，尽管该专利已经大大减少了使用者的活动范围，降低了系统的占地面积，但仍然需要划分出一块固定的场地进行体验，无法在家中进行游戏体验，且对游戏商家而言仍需要承担较高的游戏场地成本。对此，目前市场上出现了可实现在极小的空间进行虚拟现实体验的设备，如申请号为us16/813428、名称为《locomotion system and apparatus》的专利中则公开了一种能为用户提供自由行走的感觉，但同时将用户限制在特定位置的系统，使用户进行物理行走的同时不受物理空间的限制。然而当用户在体验狭小走道等场景的时候，由于虚拟场景中的墙体等结构在现实中不存在，用户在触摸的时候没有触觉反馈，使得场景体验的真实感下降。


技术实现要素：

4.基于此，本发明的目的在于，提供多感官一体化的沉浸式模拟系统及其模拟方法，其具有占地面积小、触觉真实、灵活、应用场景多样化、应用端范围广、成本低、安装时间短的优点。
5.多感官一体化的沉浸式模拟系统，包括万向跑步机和至少两个活动板单元，所述万向跑步机用于将体验者限制在体验区域内，所述活动板单元包括调节装置和板体，所述调节装置用于驱动所述板体靠近或远离所述体验者。
6.本发明所述的多感官一体化的沉浸式模拟系统，通过板体移动替代传统的人体移动模式，在保证体验者有真实触摸感的同时，大大减少了系统的占地面积，降低场地成本。
7.进一步地，所述活动板单元有四个并分别位于所述体验区域的前侧、后侧、左侧和右侧四个方位。所述四个方位的活动板单元保证体验者在各个方向上都能有触觉。
8.进一步地，所述调节装置包括水平调节组件，所述水平调节组件包括滑轨、滑块、滑座、丝杆和电机，所述滑轨水平设置并向所述万向跑步机延伸，所述滑轨上滑动设置有滑块，所述滑块上固定安装有滑座，所述板体设置在所述滑座上，所述滑座上设置有丝杆螺
母，所述丝杆螺母中配合设置有丝杆，所述丝杆与所述滑轨平行，所述丝杆由电机驱动。所述水平调节组件驱动板体在水平方向上移动，当体验者在虚拟场景中体验走廊等狭小空间时，板体移动将体验者夹在中间，使体验者的感觉更加真实。
9.进一步地，所述系统还包括环境模拟单元，所述环境模拟单元包括加热风扇和喷雾装置，所述加热风扇设置在所述万向跑步机的外侧并朝向所述体验者，所述喷雾装置设置在所述体验区域的上侧。当虚拟场景为沙漠等特殊环境或下雨等特殊气候时，通过环境模拟单元对其进行模拟，提升体验者体感的真实性。
10.进一步地，所述调节装置还包括高度调节组件，所述高度调节组件设置在所述滑座上，所述高度调节组件包括滑动架和升降驱动缸，所述滑动架由升降驱动缸驱动，所述滑动架上设置有所述板体。所述高度调节组件可对板体高度进行调节，从而适应如围栏等仅部分区域有实体的结构，使模拟的场景更加多样化。
11.进一步地，所述高度调节组件还包括支撑架，所述支撑架包括两根立柱，所述立柱设置在所述滑座上并沿竖直方向设有滑动槽，所述滑动槽中滑动设置有滑动架。所述支撑架保证滑动架滑动的平稳性，对其进行限位。
12.进一步地，所述板体底部和万向跑步机边缘之间设置有伸缩式防护罩。所述伸缩式防护罩将体验者和机械部件隔开，在体验者活动出界时仍能保证人员的安全。
13.进一步地，所述系统还包括感应单元和控制器，所述感应单元与所述控制器电连接，所述感应单元包括人体监测传感器和墙体距离传感器，所述人体检测传感器设置在所述体验区域中，所述墙体距离传感器设置在所述滑座上并朝向所述万向跑步机，当人体监测传感器监测到所述体验者超出所述体验区域或所述墙体距离传感器检测到距离过近时，则所述控制器输出报警信号。所述感应单元和控制器对人体进行检测，以便进行板体活动的控制，同时提高系统的安全性。
14.本发明还公开了多感官一体化的沉浸式模拟系统的模拟方法，用于如上所述的多感官一体化的沉浸式模拟系统，所述控制方法包括：
15.步骤s1、根据当前体验者和沉浸式模拟系统的状态，获取手部位置点和板体位置点；
16.步骤s2、投影所述手部位置点和板体位置点至虚拟场景中，得到手部虚拟位置点和板体虚拟位置点；
17.步骤s3、获取手部虚拟位置点至虚拟场景中障碍物的距离；
18.步骤s4、当距离小于阈值时，根据所述障碍物所处的方位判断其对应的所述板体，启动所述调节装置，驱动所述板体移动，使所述板体的板体虚拟位置点与所述障碍物重合；当距离大于阈值时，启动所述调节装置，驱动所述板体反向移动，避免体验者触碰到所述板体。
19.所述方法实现板体根据虚拟场景和人体活动进行移动，使体验者在虚拟场景中，仍能通过触摸板体与实体之间发生互动，充分调动体验者的触觉感知，提升体验过程中的真实感。
20.进一步地，当所述板体高度不可调节时，所述板体位置点为位于所述板体中心的中点；
21.当所述板体高度可调节时，所述板体位置点包括分别位于所述侧面上下边界的上
边界点和下边界点，若所述障碍物需考虑上边界，则使所述上边界点与所述障碍物重合，若所述障碍物需考虑下边界，则使所述下边界点与所述障碍物重合，若所述障碍物无需考虑高度上的边界，则使手部位置点位于所述上边界点和下边界点之间。
22.所述方法还能实现板体根据虚拟场景和人体活动对板体高度进行调节，使板体能模拟出多种场景的实体场景，提升系统与体验者的互动效果，充分调动体验者的触觉感知，增强体验过程中的真实感。
23.为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
24.图1为实施例1中所述系统的俯视结构图；
25.图2为实施例1中所述调节装置的结构图；
26.图3为所述环境模拟单元的结构图；
27.图4为实施例2中所述系统的俯视结构图；
28.图5为实施例2中所述调节装置的结构图；
29.附图标记说明：1、万向跑步机；11、升降平台；2、活动板单元；211、水平调节组件；2111、滑轨；2112、滑块；2113、滑座；2114、丝杆；2115、电机；212、高度调节组件；2121、滑动架；2122、升降驱动缸；2123、支撑架；22、板体；3、环境模拟单元；31、加热风扇；32、喷雾装置。
具体实施方式
30.实施例1
31.请参阅图1-3，图1为实施例1中所述系统的俯视结构图；图2为实施例1中所述调节装置的结构图；图3为所述环境模拟单元的结构图。本发明所述的多感官一体化的沉浸式模拟系统，包括万向跑步机1、至少两个活动板单元2、环境模拟单元3、感应单元(图未示)和控制器(图未示)。所述万向跑步机1用于将体验者限制在体验区域内，所述万向跑步机1设置在升降平台11上，所述升降平台11在高度方向上作往返运动，所述升降平台11通过往返运动可模拟电梯上升等场景。所述活动板单元2包括调节装置和板体22，所述调节装置用于驱动所述板体22靠近或远离所述体验者。所述板体22底部和万向跑步机1边缘之间设置有伸缩式防护罩。
32.所述活动板单元2可有多种组合形式，如活动板单元2设置有两个并对称设置在所述体验区域两侧，或设置有三个以上并均匀环绕在所述体验区域外侧。所述活动板单元2也可根据实际虚拟场景的需要进行非对称、非均匀的排布。作为优选地，所述活动板单元2有四个并分别位于所述体验区域的前侧、后侧、左侧和右侧四个方位。
33.所述调节装置包括水平调节组件211，所述水平调节组件211包括滑轨2111、滑块2112、滑座2113、丝杆2114和电机2115，所述滑轨2111水平设置并向所述万向跑步机1延伸，所述滑轨2111上滑动设置有滑块2112，所述滑块2112上固定安装有滑座2113，所述板体22设置在所述滑座2113上，所述滑座2113上设置有丝杆螺母，所述丝杆螺母中配合设置有丝杆2114，所述丝杆2114与所述滑轨2111平行，所述丝杆2114由电机2115驱动。
34.所述环境模拟单元3包括加热风扇31和喷雾装置32，所述加热风扇31设置在所述
万向跑步机1的外侧并朝向所述体验者，所述喷雾装置32设置在所述体验区域的上侧。所述加热风扇31可实现沙漠等高温环境的模拟，使高温气流从下往上吹向体验者，提高其感官的真实性。所述喷雾装置32可模拟雨林、雨天或瀑布等场景，通过水雾提高体验者的感官真实性。
35.所述感应单元与所述控制器电连接，所述感应单元包括人体监测传感器和墙体距离传感器，所述人体检测传感器设置在所述体验区域中，所述墙体距离传感器设置在所述滑座2113上并朝向所述万向跑步机1，当人体监测传感器监测到所述体验者超出所述体验区域或所述墙体距离传感器检测到距离过近时，则所述控制器输出报警信号。所诉感应单元可保证体验者的安全性。
36.除此之外，为提高模拟效果，还可以在本发明的基础上增设嗅觉、味觉等感官体验模拟设备，如对所述体验区域内进行某种气味的喷洒等，进一步提高体验者的感官体验。
37.其具体模拟方法包括以下步骤：
38.步骤s1、根据当前体验者和沉浸式模拟系统的状态，获取手部位置点和板体位置点；所述板体位置点为位于所述板体中心的中点；
39.步骤s2、投影所述手部位置点和板体位置点至虚拟场景中，得到手部虚拟位置点和板体虚拟位置点；
40.步骤s3、获取手部虚拟位置点至虚拟场景中障碍物的距离；
41.步骤s4、当距离小于阈值时，根据所述障碍物所处的方位判断其对应的所述板体，启动所述调节装置，驱动所述板体移动，使所述板体的板体虚拟位置点与所述障碍物重合；当距离大于阈值时，启动所述调节装置，驱动所述板体反向移动，避免体验者触碰到所述板体。
42.实施例2
43.请参阅图4-5，图4为实施例2中所述系统的俯视结构图；图5为实施例2中所述调节装置的结构图。本实施例与实施例1基本相同，其区别在于，所述调节装置还包括高度调节组件212，所述高度调节组件212设置在所述滑座2113上，所述高度调节组件212包括滑动架2121和升降驱动缸2122，所述滑动架2121由升降驱动缸2122驱动，所述滑动架2121上设置有所述板体22。所述高度调节组件212还包括支撑架2123，所述支撑架2123包括两根立柱，所述立柱设置在所述滑座2113上并沿竖直方向设有滑动槽，所述滑动槽中滑动设置有滑动架2121。
44.其具体模拟方法包括以下步骤：
45.步骤s1、根据当前体验者和沉浸式模拟系统的状态，获取手部位置点和板体位置点；所述板体位置点包括分别位于所述侧面上下边界的上边界点和下边界点；
46.步骤s2、投影所述手部位置点和板体位置点至虚拟场景中，得到手部虚拟位置点和板体虚拟位置点；
47.步骤s3、获取手部虚拟位置点至虚拟场景中障碍物的距离；
48.步骤s4、当距离小于阈值时，根据所述障碍物所处的方位判断其对应的所述板体，启动所述调节装置，驱动所述板体移动，使所述板体的板体虚拟位置点与所述障碍物重合；当距离大于阈值时，启动所述调节装置，驱动所述板体反向移动，避免体验者触碰到所述板体。若所述障碍物需考虑上边界，则使所述上边界点与所述障碍物重合，若所述障碍物需考
虑下边界，则使所述下边界点与所述障碍物重合，若所述障碍物无需考虑高度上的边界，则使手部位置点位于所述上边界点和下边界点之间。
49.例如，一些虚拟场景中设有围栏或防弹屏障，此时，可将板体下降，使其顶部与围栏高度一致，体验者由于看见的使虚拟场景中的景象，在触摸过程中，会将板体当作真实存在的围栏或防弹屏障，提升体验者沉浸体验的真实感。
50.根据需要，也可在板体顶部或底部设置按钮、拉环、屏幕、锁等交互道具，从而增加互动性。
51.本发明所述的多感官一体化的沉浸式模拟系统及其模拟方法，通过板体移动替代传统的人体移动模式，在保证体验者有真实触摸感的同时，大大减少了系统的占地面积，降低场地成本，提高了系统的安装效率。本发明在原有视觉、听觉的基础上大大提高了体验者的触觉体验，可进入家庭端、b端或c端，可应用于数字化虚拟场景、虚拟现实等场景的体验活动，其应用范围扩大，应用端范围更广，可适应更加灵活多变的使用环境。
52.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。