文档介绍：基于虚拟现实技术的体能训练动作模拟系统设计
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摘 要: 为解决传统体能训练动作模拟系统存在体能训练动作还原度较低的问题,设计一种基于虚拟现实技术的体能训计
主控制器设计
采用STM32控制器[2],该控制器具有高性能、低成本、低功耗的优势。STM32控制器中STM32F103系列产品外设丰富,最高频率可达72 MHz,片上集成32~512 KB的FLASH处理器,6~64 KB的SRAM存储器,内嵌2个12位的数字转换器,每个转换器多达16个外部通道,能够满足体能训练动作模拟系统中训练数据输出与采集需求[3]。
调试模式为串行调试和JTAG接口,高达112个快速I/O端口。所有端口都能够映射到16个外部中断向量。同时具有11个定时器、4个定位器,每个定时器有4个IC/IO/PWM或者脉冲计数器,两个看门狗定时器,采用ECOPACK封装形式。
处理器设计
该处理器为体能训练动作模拟系统的核心模块,主要协调系统中各个节点的工作。采用三星公司基于ARM9内核处理器SC2410作为系统的核心处理器,该处理器内的指令是独立的,其大小为16 KB,支持TFI的LCD控制器,包含3路UART接口、4路DMA通道、实时时钟单元RTC,8路10位ADC通道[4]。 USB接口和以太网设计
SC2410片内集成USB主机接口和USB主从复用接口,主从复用接口通过跳帽进行选择,其中一个接口作为主机接口,另一个用来连接U盘等存储设备,以提高系统的存储容量。USB接口电路如图1所示。
以太网采用通信协议标准,由于SC2410内部不具有以太网控制模块,因此选择控制芯片,以实现系统的通信功能。本文选择CC2420芯片,该芯片采用IEEE ,包括MAC层和物理层的相关协议,该芯片具有4线SPI接口,满足系统的通信需求[5]。
2 体能训练动作模拟系统软件设计
在模拟系统硬件设计的基础上,设计软件。体能训练动作模拟流程如图2所示。
首先,建立人体运动数学模型。采用虚拟现实技术对人体动作进行设计,需要满足运动符合相关的力学要求,采用齐次变换矩阵的方式对人体运动情况描述[6]。具体流程如下:构建基于虚拟现实技术的人体动作空间坐标系,假设人体体能训练动作中肢体[A]在空间坐标系[x,y,z]中的坐标为[xA,yA,zA],若该关节围绕中心点[A]在空间中的旋转角度分别为[α],[β],[δ],通过旋转矩阵变化得到人体运动的肢体动作[B]在坐标系[A]中的齐次方阵。则关节[B]在世界坐标系中的齐次变换矩阵为:
式中:[F]代表体能训练动作;[i=1sa]代表体能训练动作的肢体信息;[f]代表关节在世界坐标系中的线速度。
通过上述过程,描述基于虚拟现实技术的人体运动轨迹,在此基础上,采用虚拟现实技术中的立体显示技术,模拟体能训练场景。为使体能训练动作更加真实,需要得到符合三维特征的虚拟立体图像树[7],由于基于虚拟现实技术的体能训练场景中图像相关性强,因此通过该特征完成立体片快速算法[8]。假设体能训练动作场景左右片对中[Kx,y,z]成像是[Px1,y