XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Самодельный шлем виртуальной реальности

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рогачев Р.А. 1

---

1Мобильный технопарк Кванториум "РМЦ Приморского края"

Шукалюк О.И. 1

---

1Мобильный технопарк Кванториум "РМЦ Приморского края"

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

С развитием IT технологий все больше людей интересуются новыми приложениями, сервисами и оборудованием. Я на осенних каникулах в 2022 году увидел телепередачу «НТВ», в которой рассказывали о технологии VR. На следующий день я отправился в электронные магазины, чтобы изучить аналоги VR шлемов и у них цена варьировалась от 39 599 рублей до 149 999 рублей, тогда я понял, что купить такое устройство мне не по карману. Анализируя разные источники информации и статьи по VR, я загорелся идеей создания шлема.

Появились проблемные вопросы: Как создать шлем или его прототип самостоятельно? Какие технологии используются при создании таких шлемов? Можно ли разработать такой шлем дешевле, чем в магазине?

Проблема проекта: у меня нет шлема VR, но так хочется его получить.

Цель: Создать VR шлем своими руками

Задачи:

1. Изучить статьи Интернета и учебную литературу по проектированию шлемов VR.

2. Собрать материал о технологии и истории создания шлема VR

3. Разработать свой прототип VR шлема

4. Выполнить расчет стоимости созданного шлема VR

5. Произвести тестирование прототипа и внести необходимые изменения

6. Поделиться информацией с друзьями и одноклассниками

План работы над проектом:

1. Найти статьи истории первых шлемов VR

2. Изучить технологии создания и сборки шлема VR

3. Купить необходимые комплектующие для прототипа

4. Разработать свой прототип VR шлема

5. Провести тестирование прототипа и внести необходимые изменения

6. Поделиться информацией о готовом VR шлеме с друзьями, одноклассниками, родственниками и знакомыми

Данный проект будет интересен молодому поколению от 10 и более лет, которые следят за развитием новых технологий. Созданный шлем в рамках проекта можно использовать для домашних целей, а так же в школе для демонстрации инженерных навыков в области математики, физики и информатики. В настоящее время изучаю VR программы для создания собственного приложения.

Глава 1. История первых концептов шлемов VR

В 1935-м году был написан рассказ американского фантаста Стэнли Вейнбаума «Очки Пигмалиона». В произведении главный герой знакомится с профессором, который изобрел очки, позволяющие создать оптическую, слуховую, вкусовую, кинестетическую и обонятельную иллюзию реальности. Таким образом, появилось, пожалуй, первое, концептуальное представление о виртуальной реальности.

Первая известная система имитации реальности была сделана кинематографистом Мортоном Хейлитом в 1956-м году, в 1962-м на нее был получен патент. Система виртуальной реальности из 50-х представляла собой достаточно вместительную будку, в которую были интегрированы кинопроекторы, воспроизводящие кино на стереоскопическом экране, стереозвук, виброкресло для имитации вибрации (например, тонущего корабля или обвала в горах), установка для имитации различных запахов и эмулятор атмосферных явлений, например, ветер и дождь.

Но сама система была громоздкой и слишком дорогой, что лишило Sensorama каких-либо шансов на серьезное инвестирование и масштабирование.

Другой ранней системой имитации виртуальной реальности стала Telesphere Mask, которая уже приобрела форму шлема, можно сказать, что именно эта система была первым прообразом VR-шлемов. Шлем был оснащён стереозвуком и позволял транслировать стереоскопическое изображение через две небольшие электроннолучевые трубки. VR-шлем не был оснащен системой отслеживания движения пользователя. Устройство было экспериментальным и использовалось для просмотра видеоматериала и телевизионных программ.

В 1963-м году появляются серийные очки-телевизор, разработанные писателем и изобретателем Хьюго Ге́рнсбека. Они всё еще не отслеживают движения головы, не предназначены для работы с компьютерами. Очки позволяют принимать телепередачи и воспроизводить телевизионные программы на двух небольших кинескопах. Торчащие из устройства антенны для приёма, у покупателей в 60-е вызывали стойкие ощущения с космической и даже инопланетной тематикой, но в отличие от предыдущих устройств, очки-телевизор выпускались серийно.

В 1968 году Сазерленд вместе со своим учеником и коллегой Бобом Спроуллом создали первый компьютерный шлем виртуальной реальности. Его назвали «Дамоклов меч», в связи с характерными особенностями стационарного крепления. Устройство, по нынешним меркам, было достаточно простым и отображает на экране только примитивные 3D-модели в виде объемных геометрических форм.

«Дамоклов меч» был оснащен отслеживанием движений головы, в зависимости от которых менялась перспектива на экране. Устройство было исключительно лабораторным, в первую очередь из-за своей высокой массы, которая требовала крепление к потолку.

Сазерленд завершил первый этап развития VR, до появления полноценных серийных систем оставалось ещё полтора десятилетия военных разработок и лабораторных изысканий. Между тем, именно он и его предшественники определили направления развития VR.

Глава 2. Технология создания VR шлема

Для начала сборки VR шлема потребуется: 1 микроконтроллер, 1 гироскоп, 1-а плата Arduino, 1 дисплей и 1 корпус, а также два контроллера PS MOVE, модуль Bluetooth (для соединения контроллеров с компьютером) и 2 камеры PS EYE.

Микроконтроллер будет нужен для подключения дисплея с компьютером. Ардуино пригодится для отправки данных с гироскопа на компьютер, а также Ардуино будет определяться компьютером, как шлем VR, чтобы было удобнее подключаться к системе SteamVR. Камеры PS EYE будут нужны для отслеживания контроллеров в пространстве, чем больше камер, тем будет лучше для отслеживания контроллеров, но камер должно быть минимум 4 штуки для полного обзора на 360 градусов. Корпус нужен для использования всей сборки и будет хранить в себе дисплей, гироскоп, Ардуино и микроконтроллер.

Для начала сборки прошиваем Ардуино в специальной программе «Arduino IDE» (см. Приложение №2 «Создание и тестирование VR»).

После прошивки Arduino соединяем гироскоп и Arduino проводами (см. Приложение №2 «Создание и тестирование VR»), затем прошиваем гироскоп для получения нужной информации о вращении гироскопа.

Затем следует подключить микроконтроллер к дисплею, а микроконтроллер подключаем к питанию, и присоединяем его к компьютеру с помощью кабеля HDMI (см. Приложение №2 «Создание и тестирование VR»).

После всего выше выполненного проверяем гироскоп и дисплей на работоспособность. Если всё работает нормально, то собираем в корпус и подключаем к компьютеру. В компьютере нужно установить несколько программ для распознавания платы Ардуино как шлем VR, чтобы можно было подключать её к системе SteamVR.

Далее делаем сопряжение контроллеров в специальной программе с модулем Bluetooth, в этой же программе настраиваем камеры, чтобы они отслеживали движения контроллеров. И для завершения сборки нам потребуется программа «Driver4VR», чтобы контроллеры определялись в системе SteamVR.

Глава 3. Разработка и создание шлема

3.1 Комплектующие шлема

Для данного проекта в онлайн магазине я заказал все нужные комплектующие. Состав комплектующих: 2 камеры PS EYE, 2 контроллера PS MOVE, 1 микроконтроллер, 1 жк-дисплей, корпус, 1 гироскоп и 1 ардуино (см. Приложение № 1 «Комплектующие проекта»)

3.2 Программирование и прошивка Ардуино и Гироскопа

Прошивка - замена программного обеспечения (ПО) на каком-либо электронном устройстве.

На первой фотографии слева идёт прошивка платы Ардуино, мне нужно было поменять программное обеспечение для распознавания данной платы, как шлем VR, чтобы было легче подключаться к системе SteamVR.

А на второй фотографии справа происходит загрузка кода на гироскоп, чтобы получать от него данные к компьютеру для определения вращения объекта в пространстве.

3.3 Сборка шлема

Первым делом я создал прототип шлема (см. Приложение № 2 «Создание и тестирование VR»). Сам шлем представлял собой коробку с линзами для телефона. С этим прототипом уже можно было подключаться к разным играм, а для того, чтобы всё работало мне нужно было подключать свой телефон к компьютеру по специальной программе и после чего я уже мог играть в VR игры, но без погружения в VR.

3.4 Экономическая составляющая проекта

Доставка 520 рублей.

На покупку и заказ комплектующих для прототипа VR шлема я потратил вместе с доставкой 9 281 рубль, в несколько раз дешевле, чем покупка в магазине.

3.5 Улучшение прототипа до полноценного рабочего шлема

Главной моей задачей было улучшение качества VR, чтобы чувствовать погружение в VR пространстве и уже 17 января я получил всем комплектующие, после я начал разбираться с дисплеем шлема, я подключил его к микроконтроллеру, а микроконтроллер к питанию и к компьютеру, но к несчастью дисплей не показал картинку, поэтому пришлось воспользоваться телефоном, чтобы заменить дисплей. А вот с Ардуино и гироскопом к счастью всё было успешнее, чем с дисплеем и микроконтроллером, так как припаять нужные контакты и написать код для гироскопа не стало сверхъестественной задачей. Когда всё заработало я настроил два PS MOVE контроллера, они достаточно легко настроились и мне не пришлось тратить очень много времени на это, как на дисплей и микроконтроллер. После всех настроек я достал недавно купленный готовый корпус и закрепил телефон, гироскоп и Ардуино на него. Сам шлем мне понравился, так как у него есть регулировка линз под ваши глаза - это очень удобно! Мой VR шлем готов! (см. Приложение № 2 «Создание и тестирование VR»)

Заключение

В течение 5 месяцев я работал над данным проектом. Проблема «У меня нет шлема VR» решена. Создан самостоятельно прототип шлема VR, сейчас ведется улучшение продукта и разработка собственного приложения VR.

Работая над проектом, я изучил технику спаивания проводов, разобрался в прошивке плат, научился правильно настраивать код для гироскопа. Оплатить комплектующие мне помогли родственники. Стоимость данного проекта составила - 9 281 рубль, что в 5-17 раз дешевле, чем купить сегодня в магазине.

Я считаю, что данный проект может мотивировать юных исследователей и инженеров на создание подобных интересных вещей у себя дома. Шлем VR можно использовать, например, для работы в фирмах, где требуется смоделировать объект; для отдыха, чтобы расслабиться в виртуальном игровом пространстве; для учебы, чтобы школьники могли в виртуальной среде программировать роботов, а также данное устройство может помочь людям научиться управлять самолётами, вертолётами или квадрокоптерами в виртуальном пространстве не тратя много денег на дорогое оборудование. Мой созданный шлем в рамках проекта можно использовать для демонстрации инженерных навыков в области математики, физики и информатики. Базовые знания этих предметов помогли в разработке данного проекта.

Список использованной литературы и источников

1. Инструкция по сбору шлема VR «Как сделать контроллеры для VR своими руками: схема чипа RTD2660 очков ВР для ПК, прошивка и тестирование самодельного гироскопа»:

URL: https://mysku.club/blog/aliexpress/50884.html (дата посещения: 29.01.2023)

2. Видео инструкция по настройке контроллеров «Полноценный VR из подручных средств // PSVR(PS Move, PS Eye), Driver4VR»:

URL: https://www.youtube.com/watch?v=5KYOBpM3Hr0 (дата посещения: 29.01.2023)

3. Истории первых концепций VR «Краткая история VR: часть первая — ранние концепции и первые шаги от 1930-х до 1960-х / Хабр»:

URL: https://habr.com/ru/company/pult/blog/517050/ (дата посещения:29.01.2023)

4. Прошивка Ардуино «Как прошить Arduino PRO Micro 32u4. Обзор платы»:

URL: https://kolotushkin.com/article.php?id=24(дата посещения: 29.01.2023)

5. Подключение гироскопа к Ардуино «Gy 521 как подключить к Аrduino»:

URL: https://domoticzfaq.ru/gy-521-kak-podklyuchit-k-arduino/(дата посещения: 29.01.2023)

6. Распиновка контактов 30 pin, 40 pin, 50 pin матрицы «Распиновка матриц 30 pin CCFL, 40 pin LED и 50 pin LED»:

URL: https://reservice.pro/faq/kompyutery/135/(дата посещения: 29.01.2023)

7. Интересное видео по истории самых ранних концепций ВР «ЭПОХА VR. ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ»:

8. URL: https://www.youtube.com/watch?v=8RbG8VOB288&t=1259s(дата посещения: 29.01.2023)

Приложение №1

«Комплектующие проекта»

Приложение №2

«Создание и тестирование VR»