專利名稱：一種交互式玩具陀螺模擬方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到剛體運動仿真與模擬技術(shù)領(lǐng)域，特指一種涉及到玩具陀螺的計算機(jī)模擬方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
“抽陀螺”是一個歷史悠久、且在世界各國均具有廣泛基礎(chǔ)的游戲，也是許多人小時候經(jīng)常玩的一個游戲。這個游戲設(shè)備簡單，只需要一個“下尖上圓”的玩具陀螺和一個鞭子即可；利用鞭子不斷抽打陀螺，讓其越轉(zhuǎn)越快，越轉(zhuǎn)越穩(wěn)。這是一個具有廣泛群眾基礎(chǔ)的益智游戲。隨著計算機(jī)系統(tǒng)中用戶輸入手段和設(shè)備的增加，比如鼠標(biāo)輸入、觸摸屏輸入、運動感知輸入、攝像頭感知輸入等，將傳統(tǒng)的抽陀螺游戲轉(zhuǎn)換為一個在計算機(jī)上運行的，具有良好用戶體驗的休閑游戲，可以讓這個傳統(tǒng)游戲在現(xiàn)代社會重新煥發(fā)青春。現(xiàn)有的在計算機(jī)上運行的玩具陀螺游戲，均將重點放在了對傳統(tǒng)玩具陀螺定軸轉(zhuǎn)動的模擬上，主要是表現(xiàn)玩具陀螺的運動特性，未見到對傳統(tǒng)抽陀螺游戲中，游戲者用鞭子抽打玩具陀螺這一作用過程以及陀螺運動由此發(fā)生變化的動力學(xué)過程的模擬，因此已有游戲均缺乏人的參與和互動。到目前為止，還沒有一種完整的解決方案，能夠既模擬陀螺的運動，又模擬人用鞭子抽陀螺這一作用過程，同時還模擬陀螺運動由此發(fā)生變化的過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種原理簡單、操作簡便、既表現(xiàn)了玩具陀螺的運動特性，又可以簡單直觀模擬人用鞭子抽陀螺這一作用動作以及陀螺運動由此發(fā)生變化過程的交互式玩具陀螺模擬方法及系統(tǒng)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種交互式玩具陀螺模擬方法，其步驟為:( I)用戶輸入用來控制玩具陀螺的信號；(2)對用戶輸入設(shè)備上的輸入進(jìn)行監(jiān)測和讀取，計算玩具陀螺所受總力矩，并以玩具陀螺所受總力矩作為輸入，計算并更新玩具陀螺的運動狀態(tài)；(3)在用戶顯示設(shè)備上以與實體玩具陀螺類似的形態(tài)動態(tài)顯示玩具陀螺及其運動參數(shù)；即指以類似于實體玩具陀螺的形態(tài)，在顯示設(shè)備上顯示玩具陀螺，并在該形態(tài)上，表征其旋轉(zhuǎn)軸的朝向，旋轉(zhuǎn)的速率等運動參數(shù)。作為本發(fā)明模擬方法的進(jìn)一步改進(jìn):在上述步驟(2)中，需計算用戶輸入力矩；首先將讀取的輸入進(jìn)行分類，如果屬于特定模式的輸入，則根據(jù)輸入，計算用戶施加在玩具陀螺上的力矩；如果不屬于特定模式的輸入，則用戶輸入力矩為零；所述特定模式的輸入是指可以被輸入設(shè)備識別、被處理單元采集、在輸出設(shè)備上表現(xiàn)為一條虛擬曲線的一個空間上的連續(xù)輸入，所述連續(xù)輸入可以表示成一個離散時間序列上的單個簡單輸入的集合。在上述步驟(2)中，計算玩具陀螺所受總力矩的流程為:
(2.1.1)計算用戶作用的力;設(shè)ti時刻玩具陀螺顯示輸出區(qū)域為G2i，G2i為一個顯示輸出位置的集合，集合內(nèi)每個顯示輸出位置表示為g2j=[x2j y2J]T, j=l....!，與集合內(nèi)每個顯示輸出位置對應(yīng)的，是從視點看過去的三維玩具陀螺模型表面上的一個點，其在陀螺體坐標(biāo)系中的位置記為g3j=[x3jy3J z3j]T,其構(gòu)成集合G3i;設(shè)滿足特定模式的輸入U，其由離散時間序列上的簡單輸入集合Ui, =1...Ι構(gòu)成，簡單輸入七作用的顯示輸出位置為p2i=[x2i y2i]T，其對應(yīng)的采樣時間為ti，則輸入U對應(yīng)的顯示位置集合可以表示為P2，P2集合構(gòu)成了輸入U作用在輸出設(shè)備上的曲線；對于與在\時刻對應(yīng)的簡單輸入Ui,其作用力為/,，則有:如果Ui作用的顯示輸出位置為p2i，包含在該時刻玩具陀螺顯示輸出位置區(qū)域G2i內(nèi)，即有P2i=g2k，k e P"J，與g2k對應(yīng)的三維玩具陀螺模型表面上的點在陀螺體坐標(biāo)系中的位置為g3k，則認(rèn)為在\時刻輸入Ui作用在三維玩具陀螺的g3k點上。設(shè)整個輸入U作用在三維玩具陀螺上的點g3k的集合為G3k，則G3k構(gòu)成一個空間上的曲線，它是G3i，i=l-1的子
集。貝1J力Fi的方向為G3k曲線經(jīng)過匕時的切線方向，力月的大小與經(jīng)過點g3k的速度成正
t匕。或者若輸入Ui作用的顯示輸出位置p2i為一個顯示輸出位置的集合，則力的大小可以與集合內(nèi)位置點的個數(shù)，也即集合對應(yīng)的面積成正比；若簡單輸入Ui作用的顯示輸出位置p2i，沒有包含在該時刻玩具陀螺顯示輸出位置區(qū)域G2i內(nèi)，則力戶為O;(2.1.2)計算用戶作用的力矩；設(shè)玩具陀螺支點到點g3k的矢量記為f，則該時刻輸入作用在玩具陀螺上的力矩Mu為:Mt! PxF(I)這里，X表示叉乘；(2.1.3)陀螺所受總力矩M為:M=Mg+Mu+M0 (2)其中，力矩Mg為玩具陀螺轉(zhuǎn)動時所受的重力力矩，為:Mg.=/ X(/7 ^)(3)這里:m為玩具陀螺的質(zhì)量，蒼為重力加速度矢量，Γ為玩具陀螺支點到重心的矢量。M。為摩擦力矩，其與玩具陀螺支點接觸面的摩擦系數(shù)、空氣阻力相關(guān)；在上述步驟(2)中，以玩具陀螺所受總力矩作為輸入，計算并更新玩具陀螺運動狀態(tài)的詳細(xì)步驟為:(2.2.1)計算在玩具陀螺體坐標(biāo)系上的旋轉(zhuǎn)角速度；以與玩具陀螺本體固定連結(jié)的主軸坐標(biāo)系O-XbYbZb為體坐標(biāo)系，設(shè)玩具陀螺的主慣性矩分別為Jx，Jy, Jz，則根據(jù)動量矩定理，有歐拉方程:
權(quán)利要求
1.一種交互式玩具陀螺模擬方法，其特征在于，步驟為: (1)用戶輸入用來控制玩具陀螺的信號； (2)對用戶輸入設(shè)備上的輸入進(jìn)行監(jiān)測和讀取，計算玩具陀螺所受總力矩，并以玩具陀螺所受總力矩作為輸入，計算并更新玩具陀螺的運動狀態(tài)； (3)在用戶顯示設(shè)備上以與實體玩具陀螺類似的形態(tài)動態(tài)顯示玩具陀螺及其運動參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交互式玩具陀螺模擬方法，其特征在于，在上述步驟(2)中，需計算用戶輸入力矩；首先將讀取的輸入進(jìn)行分類，如果屬于特定模式的輸入，則根據(jù)輸入計算用戶施加在玩具陀螺上的力矩；如果不屬于特定模式的輸入，則用戶輸入力矩為零；所述特定模式的輸入是指可以被輸入設(shè)備識別、被處理單元采集、在輸出設(shè)備上表現(xiàn)為一條虛擬曲線的一個空間上的連續(xù)輸入，該連續(xù)輸入可以表示成一個離散時間序列上的單個簡單輸入的集合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的交互式玩具陀螺模擬方法，其特征在于，在上述步驟(2)中，計算玩具陀螺所受總力矩的流程為: (2.1.1)計算用戶作用的力； 設(shè)\時刻玩具陀螺的顯示輸出區(qū)域為G2i，G2i為一個顯示輸出位置的集合，集合內(nèi)每個顯示輸出位置表示為g2j=[x2j y2J]T, j=l....!，與集合內(nèi)每個顯示輸出位置對應(yīng)的，是從視點看過去的三維玩具陀螺模型表面上的一個點，其在陀螺體坐標(biāo)系中的位置記為g3j=[x3j y3Jz3j]T，其構(gòu)成集合G3i; 設(shè)滿足特定模式的輸入U，其由離散時間序列上的簡單輸入集合Ui， =1...Ι構(gòu)成，簡單輸入Ui作用的顯示輸出位置為p2i= [x2i y2i]T,其對應(yīng)的采樣時間為ti;則輸入U作用的顯示位置集合可以表示為P2，P2集合構(gòu)成了輸入U作用在輸出設(shè)備上的曲線； 對于與\時刻對應(yīng)的簡單輸入Ui,其作用力為/^則有: 如果Ui作用的顯示輸出位置為p2i，包含在該時刻玩具陀螺顯示輸出位置區(qū)域G2i內(nèi)，即有P2i=ga，k e P"J，與g2k對應(yīng)的三維玩具陀螺模型表面上的點在陀螺體坐標(biāo)系中的位置為g3k，則認(rèn)為在\時刻輸入Ui作用在三維玩具陀螺的g3k點上；設(shè)整個輸入U作用在三維玩具陀螺上的點g3k的集合為G3k，則G3k構(gòu)成一個空間上的曲線，它是G3i, =1...Ι的子集；則力月的方向為Ga曲線經(jīng)過&k時的切線方向，力月的大小與經(jīng)過點g3k的速度成正比；或者，若輸入Ui作用的顯示輸出位置p2i為一個顯示輸出位置的集合，則力月的大小可以與集合內(nèi)位置點的個數(shù)，也即集合對應(yīng)的面積成正比； 若簡單輸入Ui作用的顯示輸出位置p2i，沒有包含在該時刻玩具陀螺顯示輸出位置區(qū)域G21內(nèi)，則力/,為O ; (2.1.2)計算用戶作用的力矩； 設(shè)玩具陀螺支點到點g3k的矢量記為,，則該時刻輸入作用在玩具陀螺上的力矩Mu為:M Pxf]⑴ 這里，X表示叉乘； (2.1.3)陀螺所受總力矩M為:
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的交互式玩具陀螺模擬方法，其特征在于，在上述步驟(2)中，以玩具陀螺所受總力矩作為輸入，計算并更新玩具陀螺運動狀態(tài)的詳細(xì)步驟為: (2.2.1)計算在玩具陀螺體坐標(biāo)系上的旋轉(zhuǎn)角速度； 以與玩具陀螺本體固定連結(jié)的主軸坐標(biāo)系O-XbYbZb為體坐標(biāo)系，設(shè)玩具陀螺的主慣性矩分別為Jx，Jy, Jz，則根據(jù)動量矩定理，有歐拉方程:
5.一種玩具陀螺模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括: 用戶輸入設(shè)備，用于為用戶控制玩具陀螺提供輸入手段； 數(shù)據(jù)處理單元，用于監(jiān)測和讀取用戶的輸入，計算玩具陀螺的運動參數(shù)，并驅(qū)動顯示輸出設(shè)備顯示； 顯示輸出設(shè)備，用于為用戶提供顯示輸出，動態(tài)顯示玩具陀螺的及其運動狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的玩具陀螺模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元包括玩具陀螺顯示模塊、玩具陀螺驅(qū)動模塊、玩具陀螺計算模塊；所述玩具陀螺顯示模塊，用于驅(qū)動顯示輸出設(shè)備，在顯示設(shè)備上以與實體玩具陀螺類似的形態(tài)動態(tài)顯示玩具陀螺及其運動參數(shù)；所述玩具陀螺驅(qū)動模塊，用于檢測和讀取用戶在輸入設(shè)備上的輸入；所述玩具陀螺計算模塊，用于根據(jù)讀取的輸入計算用戶施加在玩具陀螺上的力矩，計算玩具陀螺所受總力矩，計算玩具陀螺的運 動狀態(tài)。
全文摘要
一種交互式玩具陀螺模擬方法及系統(tǒng)，該方法的步驟為(1)用戶輸入用來控制玩具陀螺的信號；(2)對用戶輸入設(shè)備上的輸入進(jìn)行監(jiān)測和讀取，計算玩具陀螺所受總力矩，并以玩具陀螺所受總力矩作為輸入，計算并更新玩具陀螺的運動狀態(tài)；(3)在用戶顯示設(shè)備上以與實體玩具陀螺類似的形態(tài)動態(tài)顯示玩具陀螺及其運動參數(shù)；即指以類似于實體玩具陀螺的形態(tài)，在顯示設(shè)備上顯示玩具陀螺，并在該形態(tài)上，表征其旋轉(zhuǎn)軸的朝向，旋轉(zhuǎn)的速率等運動參數(shù)。該系統(tǒng)用來執(zhí)行上述方法。本發(fā)明原理簡單、操作簡便，既表現(xiàn)了玩具陀螺的運動特性，又可以簡單直觀地模擬人用鞭子抽陀螺這一作用動作以及陀螺運動由此發(fā)生變化的過程。
文檔編號G06F19/00GK103198233SQ20131014823
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者李援朝, 李濤 申請人:李援朝, 李濤