基于柔性表面的磁性微粒阵列XR运动平台控制方法及系统与流程

本发明涉及扩展现实xr人机交互与运动仿真控制，尤其涉及基于柔性表面的磁性微粒阵列xr运动平台控制方法及系统。

背景技术：

1、扩展现实xr运动平台用于在虚拟场景中为用户提供行走、转向、上坡、下坡、踏冰、踏沙等运动交互体验。现有xr运动平台多采用万向跑台、限位束缚装置、刚性升降平台或多块刚性承载单元组合，通过机械滑动、升降、震动或预设场景指令实现运动反馈。该类方案能够满足基本原地行走或简单动感模拟需求，但平台表面通常为刚性结构，难以连续重构柔性地形，也难以针对不同地面材质形成细粒度、可编程的足底阻力反馈。

2、现有控制方法还存在感知维度单一、控制链路割裂和实时性不足的问题。一方面，部分系统主要依赖惯性测量单元、光学动捕数据或场景脚本驱动平台动作，缺少对磁性微粒单元压力、双足惯性测量数据、光学动捕姿态和鞋底磁力反馈数据的统一融合，导致用户运动意图识别精度不足，在动捕遮挡、惯性漂移或足底接触状态快速变化时稳定性较差。另一方面，地形仿真、阻力反馈和位移补偿通常由不同模块独立控制，各控制目标之间缺少统一约束和联合优化，容易出现支撑高度变化、磁力阻力输出和位移补偿方向不协调的问题。

3、此外，现有xr运动平台对虚拟地形语义和材质差异的利用不足，通常难以根据局部地形高度图、材质标签图和用户实时步态状态自动生成平台目标形态和阻力参数。当虚拟场景在冰面、沙地、泥地、石块、台阶或坡面之间切换时，平台反馈容易出现延迟、突变或与用户足底感知不一致，降低沉浸感和安全性。因此，本发明提出了基于柔性表面的磁性微粒阵列xr运动平台控制方法及系统。

4、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可能包含不属于本领域普通技术人员公知常识的现有技术信息。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供基于柔性表面的磁性微粒阵列xr运动平台控制方法及系统，解决上述背景技术中所提到的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于柔性表面的磁性微粒阵列xr运动平台控制方法，包括如下步骤：

4、s1、采集磁性微粒单元压力、双足惯性测量数据、光学动捕姿态和鞋底磁力反馈数据，对各路数据进行时间同步、坐标转换、异常校验和可信度赋权，生成统一感知数据流；

5、s2、根据统一感知数据流中的压力数据建立连续化压力场，计算足底压力重心、双足压力比率、足底接触面积和峰值压力，并解析得到步态状态和步态特征向量；

6、s3、根据统一感知数据流和步态特征向量，采用扩展卡尔曼滤波估计用户水平位置、用户速度估计向量、用户步速标量、用户运动方向估计值和用户位移趋势向量，生成运动意图参数；

7、s4、根据运动意图参数读取xr场景中的局部地形高度图和材质标签图，完成虚拟坐标与平台中心坐标之间的映射，生成目标地形高度场、平滑目标高度集合和目标阻力参数向量；

8、s5、根据运动意图参数和目标形态数据，构建地形仿真、阻力反馈和位移补偿的联合优化问题，在行程、电流、安全力和变化率约束下求解可升降支撑单元高度指令及磁性微粒单元电流、磁极方向控制向量；

9、s6、基于实时操作系统对平台执行指令进行分层闭环调度，执行磁场更新、支撑高度控制、安全监控、异常降级和急停保护，并输出执行反馈数据；

10、s7、根据步态特征向量、运动意图参数、目标形态数据、执行反馈数据和用户反馈评分，更新个性化参数集合，并将个性化参数集合反馈至目标形态生成和联合优化控制过程。

11、s1具体包括：以平台柔性表面几何中心建立平台中心坐标系，分别采集磁性微粒单元压力、双足惯性测量数据、光学动捕姿态和鞋底磁力反馈数据；基于硬件时间戳将各路数据对齐至统一时间轴，并通过旋转矩阵和平移向量将各路数据转换至平台中心坐标系；对时间戳、压力跳变、惯性测量异常、动捕遮挡和磁力反馈异常进行校验，并根据异常误差计算传感器可信度权重，生成统一感知数据流。

12、s2具体包括：根据磁性微粒单元的压力输出值和几何位置进行双线性插值，建立连续化压力场；根据连续化压力场计算足底压力重心、左足压力总和、右足压力总和、双足压力比率、足底接触面积和峰值压力；根据双足压力比率、足底接触面积、峰值压力和压力变化速度，识别右足支撑状态、左足支撑状态、双足支撑状态、抬足状态和落足状态，并生成步态特征向量。

13、s3具体包括：以用户水平位置、用户水平速度向量、用户前进方向角和惯性测量单元加速度偏置构建扩展卡尔曼滤波状态向量；将压力重心位移观测、光学动捕髋关节位置观测和惯性测量短时积分位移观测构成联合观测向量；根据传感器可信度权重和步态状态调整观测噪声协方差及过程噪声协方差，输出用户速度估计向量、用户步速标量、用户运动方向估计值和用户位移趋势向量，形成运动意图参数。

14、s4具体包括：通过xr场景接口读取局部地形高度图、材质标签图和场景语义标签；根据虚实比例系数和旋转对齐矩阵建立xr虚拟坐标与平台中心坐标之间的映射关系；根据用户水平位置、用户运动方向估计值和用户步速标量截取当前足底接触区域及预测落足区域对应的局部虚拟地形，并对各可升降支撑单元生成平滑目标高度；根据足底接触区域的材质标签查询材质、阻力映射表，生成目标阻力参数向量。

15、s5具体包括：根据目标地形高度场和可升降支撑单元高度指令构建平台实际高度场；根据磁性微粒单元的电流指令、磁极方向控制向量、磁力增益系数和足底作用区域位置计算实际磁力输出；根据目标阻力参数向量、用户法向足底力和用户速度估计向量计算期望磁力反馈；以地形仿真误差、阻力反馈偏差、位移补偿误差、高度变化平滑项和电流变化平滑项构建联合优化目标，并在行程、电流、安全力、高度变化率和电流变化率约束下求解平台执行指令。

16、s6具体包括：基于实时操作系统设置1000hz实时层、500hz控制层、100hz策略层和10hz学习层；通过1000hz实时层执行磁场指令更新、安全监控和急停保护，通过500hz控制层执行压力场采样、步态状态更新和扩展卡尔曼滤波状态更新，通过100hz策略层执行虚拟地形解析、联合优化求解和xr场景引擎数据同步，通过10hz学习层执行个性化参数评价；当出现电流超限、磁力异常、跌倒风险或控制链路异常时，执行磁场衰减、支撑高度安全回退和xr场景暂停。

17、s7具体包括：将步态特征向量、运动意图参数、目标形态数据、执行反馈数据和用户反馈评分构成在线学习状态向量；以地形仿真误差、阻力反馈误差、位移补偿误差、步态自然度评分和用户舒适度评分构建奖励函数；输出地形仿真误差权重、阻力反馈偏差权重、位移补偿误差权重、位移补偿系数和材质、阻力映射表的参数调整量；对候选参数进行安全边界检查和劣化回滚后，形成个性化参数集合并反馈至目标形态生成和联合优化控制过程。

18、基于柔性表面的磁性微粒阵列xr运动平台控制系统包括：多源异构感知数据采集与时空同步模块、压力场域建模与步态解析模块、运动意图估计模块、虚拟地形解析与目标形态生成模块、联合优化控制模块、高频闭环调度与安全保护模块以及在线学习与个性化自适应优化模块。

19、本发明的有益效果在于：

20、本发明通过统一融合磁性微粒单元压力、双足惯性测量数据、光学动捕姿态和鞋底磁力反馈数据，能够在动捕遮挡、惯性漂移或足底接触状态变化时保持运动意图估计的稳定性，提高xr运动平台对用户行走、转向和落足动作的识别精度。

21、本发明通过基于连续化压力场解析足底压力重心、双足压力比率、足底接触面积和步态状态，使平台控制能够跟随用户真实足底受力变化生成反馈，减少仅依赖场景脚本或单一传感器造成的反馈滞后和误判。根据局部地形高度图和材质标签图生成平滑目标高度集合和目标阻力参数向量，能够在冰面、沙地、泥地、石块、台阶和坡面等虚拟场景中提供差异化地形支撑和足底阻力反馈，提高虚拟地形体验的一致性。

22、本发明通过将地形仿真、阻力反馈和位移补偿统一为带安全约束的联合优化问题，能够协调可升降支撑单元高度指令与磁性微粒单元电流—磁极方向控制向量，避免多个控制目标独立执行造成的指令冲突。通过分层闭环调度、安全监控、异常降级和个性化参数更新，使xr运动平台在满足实时控制要求的同时，根据用户步态习惯和反馈评分持续修正控制参数，提高长期使用的安全性、舒适性和适配性。