一种虚拟现实射箭交互装置及其拉弓状态与释放动作检测方法与流程

本发明涉及虚拟现实交互外设，具体为一种虚拟现实射箭交互装置及其拉弓状态与释放动作检测方法。

背景技术：

1、随着虚拟现实技术的普及，用户对沉浸式交互体验的需求日益提高。在vr射箭类游戏中，拉弓、瞄准和放箭是核心交互动作。

2、目前，市面上主流的vr射箭交互方案主要依赖通用vr手柄自带的按钮、扳机或手势识别功能来完成拉弓和放箭操作。例如，用户通过按住手柄按钮模拟拉弓，松开按钮模拟放箭。虽然此类方案成本较低且易于实现，但用户实际握持的仍为通用手柄，缺乏实体弓身的握持手感、张弦的行程反馈以及箭矢滑动的空间一致性，难以营造真实的射箭操作体验。

3、为解决上述问题，部分现有技术尝试在实体弓形外设中集成惯性测量单元（imu）、拉力传感器或霍尔阵列，以检测弓的姿态和拉力变化。然而，在现有vr系统中（如pico、quest等），弓在虚拟空间中的位置和朝向本身可由固定在弓身上的vr手柄高精度提供。若在弓体内部额外增加imu姿态模块，不仅会带来重复追踪、数据标定复杂以及软件融合难度大的问题，还会显著增加硬件成本。

4、此外，现有技术中的拉弓检测方式存在明显缺陷：机械式开关或微动开关只能输出“拉或未拉”的离散信号，无法驱动虚拟弓弦呈现连续的拉伸动画；单纯依靠拉力突变或距离突变来判断放箭，极易受到手部抖动、遮挡或机械结构晃动的影响，导致误触和误判。同时部分方案采用真实弓箭进行改造，在真实弓体上增设传感器。但此类方案中箭矢能够真实飞出，存在伤人或损坏vr头显、显示设备等周边器材的安全风险，不适用于商业vr体验场所和家庭娱乐场景。鉴于此，针对上述问题，深入研究，遂有本案产生。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种虚拟现实射箭交互装置及其拉弓状态与释放动作检测方法，以解决上述背景技术中提出现有技术中vr射箭交互真实感不足、拉弓进度检测不连续、放箭事件判断不可靠以及实体箭矢存在安全隐患等技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种虚拟现实射箭交互装置，包括：

4、弓身，作为整体支撑结构；

5、vr手柄固定座，设置于所述弓身上，用于固定外部的vr手柄。所述vr手柄用于实时获取所述弓身在虚拟现实空间中的位置数据和朝向数据，从而替代在弓身内部设置姿态传感器；弓身的空间定位完全交由vr手柄完成，弓体自身不需要设置姿态传感器，降低了硬件复杂度和数据融合难度。

6、仿真箭，设置于所述弓身上并可相对于所述弓身沿预设方向往复移动，用于模拟真实的拉弓动作；

7、测距传感器，设置于所述弓身上，其检测方向朝向所述仿真箭。该传感器用于实时检测所述仿真箭相对于所述弓身的位移距离并输出连续的距离数据；

8、磁感应检测组件，设置于所述弓身和所述仿真箭上。该组件利用磁体与感应元件（如霍尔传感器）的相对位置变化，用于检测所述仿真箭是否处于复位初始位置或释放后的确认位置，并输出相应的电平检测信号；

9、主控模块，设置于所述弓身上，分别与所述测距传感器和所述磁感应检测组件电连接。所述主控模块用于接收所述距离数据并将其映射为连续的拉弓进度值，同时根据所述检测信号辅助判断当前状态；

10、提示模块，设置于所述弓身上并与所述主控模块电连接，用于在拉满弓时向用户发出声、光或振动反馈；

11、无线通信模块，设置于所述弓身上，与所述主控模块电连接，用于将所述拉弓进度、拉满状态标识以及放箭事件数据通过低功耗蓝牙（ble）或其他无线方式发送至外部的计算设备（如pc主机）。

12、优选的，所述测距传感器采用飞行时间（tof）测距传感器。所述仿真箭的尾部设置有平整、浅色且哑光的目标面，该目标面正对所述tof传感器的检测窗口，以保证稳定的测距精度。

13、优选的，所述磁感应检测组件包括镶嵌于所述仿真箭内部的磁体，以及固定于所述弓身握把区域的霍尔传感器。当所述仿真箭被拉动或释放复位时，磁体随之移动，所述霍尔传感器因感应到的磁场强度变化而输出不同的电平信号。

14、优选的，所述弓身上设置有导向限位结构，所述仿真箭滑动设置于该导向限位结构中。该结构一方面约束所述仿真箭仅能沿箭槽方向前后滑动，另一方面通过限位挡块防止所述仿真箭脱离所述弓身，确保箭矢不会真实飞出。避免了实体箭矢飞出带来的安全风险，同时保证了拉弓动作的物理真实感。

15、优选的，所述弓身的握把内部形成电子仓，所述主控模块、无线通信模块、电池、充电管理模块及稳压模块均可集成设置于该电子仓内，且握把壳体上预留有充电接口和电源开关孔位。

16、一种虚拟现实射箭交互装置的拉弓状态与释放动作检测方法，所述方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

17、步骤s1：通过所述vr手柄实时获取弓身在虚拟空间中的空间位置和朝向数据，该数据用于后续虚拟箭矢的发射方向解算；

18、步骤s2：通过所述测距传感器连续采集所述仿真箭相对于初始位置的距离数据；

19、步骤s3：所述主控模块根据所述距离数据计算拉弓进度。具体地，预先标定未拉弓状态下的第一距离值和满拉弓状态下的第二距离值，将当前采集到的实时距离值在所述第一距离值与所述第二距离值之间进行归一化映射，生成介于0.0至1.0之间的连续拉弓进度值（drawamount）；

20、步骤s4：当所述拉弓进度值达到预设的释放阈值（如0.9）时，所述主控模块判定进入待发状态，并控制所述提示模块发出拉满提示；

21、步骤s5：获取所述磁感应检测组件输出的检测信号。当所述仿真箭被释放并快速复位时，所述磁感应检测组件的输出电平发生变化，同时所述测距传感器的距离值快速回退至初始范围；

22、步骤s6：所述主控模块结合所述磁感应检测组件的电平跳变信号以及所述测距传感器距离值的突变趋势，综合判断是否发生有效的放箭事件。只有当两者均满足预设条件时，才判定放箭成功；

23、步骤s7：所述主控模块通过所述无线通信模块将所述拉弓进度值、拉满状态标识以及放箭事件标识发送至外部计算设备，以驱动vr应用程序执行虚拟弓弦拉伸动画和虚拟箭矢的生成与发射逻辑。

24、优选的，所述方法还包括状态机管理步骤：所述主控模块内置状态机，所述状态机至少包括空闲状态（idle）、拉弓状态（drawing）、待发状态（ready）和释放状态（released）。各状态之间根据所述测距传感器和所述磁感应检测组件的信号变化进行切换，以防止因信号抖动导致的逻辑混乱。

25、优选的，所述vr应用程序在接收到放箭事件后，根据所述vr手柄提供的所述朝向数据确定虚拟箭矢的飞行方向，并根据所述拉弓进度值的大小确定虚拟弓弦的拉伸量以及虚拟箭矢的飞行速度或伤害值。

26、与现有技术相比，该虚拟现实射箭交互装置及其拉弓状态与释放动作检测方法提供一种在不发射真实箭矢的前提下，使用户能够通过实体弓身和仿真箭执行举弓、瞄准、拉弓、拉满提示和松手放箭等完整射箭动作的vr交互方案，并通过vr手柄获取空间位置和朝向、通过测距传感器获取连续拉弓行程、通过磁感应检测组件确认释放状态，实现高真实感、高安全性和高可靠性的vr射箭交互体验。

27、具体有益效果包括：

28、1.降低硬件复杂度和成本：本发明将vr空间定位功能完全交由固定在弓身上的vr手柄完成，弓体内部无需设置imu等昂贵姿态传感器，简化了电路设计和标定流程，降低了物料成本。

29、2.实现平滑连续的拉弓反馈：通过采用测距传感器（tof传感器）检测仿真箭尾部的连续位移，能够向vr应用输出高精度的连续拉弓进度值，从而驱动虚拟弓弦呈现平滑的拉伸或回弹动画，极大提升了视觉与动作的匹配度。

30、3.显著提高放箭检测的可靠性：采用“tof距离突变检测”与“霍尔传感器位置确认”相结合的双重校验机制，有效避免了因手部轻微抖动、外部光线遮挡或机械振动导致的放箭误判，交互逻辑更加稳定可靠。

31、4.消除安全隐患，便于量产维护：仿真箭受限于导向限位结构，仅能前后滑动而不能飞出，杜绝了伤人和损坏设备的风险。同时，主控、电池和充电模块集中集成于握把电子仓内，模块化程度高，便于生产和售后维修。

32、5.数据融合流畅：通过将弓体的拉弓数据与vr手柄的位姿数据在软件层分离获取并逻辑融合，既保证了虚拟弓箭的瞄准精度，又保证了拉弓动作的物理真实感，适配性强（可兼容pico、quest等多种手柄）。