CN107862920A - 一种基于vr环境下的过程控制实验教学的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于VR环境下的过程控制实验教学的方法及系统，该方法包括：在预定区域内，通过控制手柄进行虚拟的实验操作；信号连接设备获取实验操作中的实验信息，并将实验信息发送给算法集成模拟设备；根据实验信息模拟计算实验结果，判断实验结果是否在预设值范围内，若是，则显示实验结果；若否，则反馈对应的控制信号给控制器，以便控制用户调整相应的实验操作；还涉及一种系统，该系统包括：VR输入控制设备、信号连接设备、算法集成模拟设备和显示设备。通过本发明在VR环境下设备搭建、管路手动阀等可灵活安排，操作方便，节约了实验时间，同时节约了场地、各类原材料和设施，大大降低了实验成本。

Description

一种基于VR环境下的过程控制实验教学的方法及系统

技术领域

本发明属于实验教学领域，尤其涉及一种基于VR环境的实验教学的方法及系统。

背景技术

目前，过程控制实验装置种类繁多，各种锅炉，换热器，精馏器等等，有按实际对象打造的，有简化结构打造的，实验较为直观，但是存在着以下几个缺点:第一，和真正的工业过程相比，存在着实验效果单一，缺乏动态特征的问题，第二，即使是简化实验装置也需要耗费实验材料，才能完成实地操作，成本较高，并且反应流程时间长，不利于现场教学。而如果使用水作为介质的话，它的动态特性少，满足不了各类新兴学科的教学与科学研究的需要。第三，完全打造出一个实验装置，价格高投资大，结构复杂，且占地面积大，只能供一到两名学生使用，若有多套装置的实验室就显得很拥挤。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的实验室空间有限，难以满足大量的实验操作，且实际实验的成本高。

为解决上面的技术问题，本发明提供了一种基于VR环境的实验教学的方法，

预先在VR头戴仪中存储真实的实验室的场景以及实验室内的各种实验设备的图像信息，所述图像信息用于模拟所述实验室的场景，该方法包括：

S1，根据实验要求、所述VR头戴仪中展示的实验室场景和实验设备，通过控制手柄在所述实验室的场景中预定区域内进行虚拟的实验操作；

S2，信号连接设备通过感知用户在所述实验操作中的运动信息来获取所述实验操作中的实验信息，并将所述实验信息发送给算法集成模拟设备；

S3，所述算法集成模拟设备根据所述实验信息模拟计算实验结果，判断所述实验结果是否在预设值范围内，若是，则执行步骤S4；若否，则根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据所述控制信号提示用户调整相应的所述实验操作，并执行步骤S2-S3；

S4，将所述实验结果发送给显示设备，以显示所述实验结果。

本发明的有益效果：在VR环境下，设备搭建、管路手动阀等可灵活安排，操作方便，简化实验的流路；另外根据实验需要可准确、灵活地进行调换与调整，节约了实验时间，同时由于实验节约了场地、各类原材料和设施，大大降低了实验成本。

进一步地，通过控制手柄进行虚拟的实验操作具体包括：

通过控制手柄进行实验设备搭建、物料添加和门阀控制的实验操作。

进一步地，所述实验信息包括：搭建的流程模型信息、流体的参数信息、物料添加的配制信息、门阀控制转动的信息。

上述进一步地有益效果：既可以让用户体会到实际实验操作中的进行实验流程步骤，让用户清楚地了解实验的细节，同时在虚拟的环境中可以节约实验材料的实际成本，节约实验的器材和实验的空间，同样在虚拟的空间中进行实验操作也可以避免用户由于实验错误出现误伤的情况，极大地提高了安全性能。

进一步地，根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据所述控制信号提示用户调整相应的所述实验操作包括：

根据所述实验结果反馈对应的语音控制信号给所述VR头戴仪中的语音控制器，以便语音控制器根据所述语音控制信号控制用户调整相应的所述实验操作。

进一步地，所述运动信息包括：姿势体感信息和位置变化信息。

本发明还涉及一种基于VR环境下控制实验教学装置的系统，

该系统包括：VR输入控制设备、信号连接设备、算法集成模拟设备和显示设备；所述VR输入控制设备包括：VR头戴仪和控制手柄，所述VR头戴仪中预先存储真实的实验室的场景以及实验室内的各种实验设备的图像信息，用于模拟所述实验室的场景；

所述VR输入控制设备，用于根据实验要求、所述VR头戴仪中展示的真实实验室场景和实验设备，通过控制手柄在所述实验室的场景中预定区域内进行虚拟的实验操作；

所述信号连接设备，用于通过感知用户在所述实验操作中的运动信息来获取所述实验操作中的实验信息，并将所述实验信息发送给算法集成模拟设备；

所述算法集成模拟设备，用于根据所述实验信息模拟计算实验结果，判断所述实验结果是否在预设值范围内，若是，将所述实验结果发送给所述显示设备；若否，则根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据所述控制信号提示用户调整相应的所述实验操作；

所述显示设备，用于显示所述实验结果。

本发明的有益效果：在VR环境下，设备搭建、管路手动阀等可灵活安排，操作方便，简化实验的流路；另外根据实验需要可准确、灵活地进行调换与调整，节约了实验时间，同时由于实验节约了场地、各类原材料和设施，大大降低了实验成本。

进一步地，所述VR输入控制设备具体用于通过控制手柄进行实验设备搭建、物料添加和门阀控制的实验操作。

进一步地，所述实验信息包括：搭建的流程模型信息、流体的参数信息、物料添加的配制信息、门阀控制转动的信息。

上述进一步地有益效果：既可以让用户体会到实际实验操作中的进行实验流程步骤，让用户清楚地了解实验的细节，同时在虚拟的环境中可以节约实验材料的实际成本，节约实验的器材和实验的空间，同样在虚拟的空间中进行实验操作也可以避免用户由于实验错误出现误伤的情况，极大地提高了安全性能。

进一步地，所述控制器包括：语音控制器，所述语音控制器，用于根据所述实验结果反馈对应的所述语音控制信号提示用户调整相应的所述实验操作。

进一步地，所述运动信息包括：姿势体感信息和位置变化信息。

附图说明

图1为本发明的一种基于VR环境下的过程控制实验教学的方法的流程图；

图2为本发明的一种基于VR环境下的过程控制实验教学的系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图2为本发明的在VR环境下的实验教学系统的架构示意图。

如图1所示，本实施例是一种基于VR环境下的过程控制实验教学的方法，

预先在VR头戴仪中存储真实的实验室的场景以及实验室内的各种实验设备的图像信息，所述图像信息用于模拟所述实验室的场景，该方法包括：

S1，根据实验要求、所述VR头戴仪中展示的实验室场景和实验设备，通过控制手柄在所述实验室的场景中预定区域内进行虚拟的实验操作；

S2，信号连接设备通过感知用户在所述实验操作中的运动信息来获取所述实验操作中的实验信息，并将所述实验信息发送给算法集成模拟设备；

S3，所述算法集成模拟设备根据所述实验信息模拟计算实验结果，判断所述实验结果是否在预设值范围内，若是，则执行步骤S4；若否，则根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据所述控制信号提示用户调整相应的所述实验操作，并执行步骤S2-S3；

S4，将所述实验结果发送给显示设备，以显示所述实验结果。

需要说明的是，本实施例是结合VR技术的一种控制实验教学装置的一种技术，在本实施例中采用现有的VR技术，模拟现场的实验教学，在VR头戴仪中预先存储了需要进行实验室的场景以及实验室内的各种实验设备的图像信息，这样戴上VR头戴仪就可以模拟真实实验室的场景，在虚拟的场景中进行实验以及教学，这样采用VR的实验技术不但可以节省实验空间，还可以设备搭建、管路手动阀等可灵活安排，操作方便，简化实验的流路；另外根据实验需要可准确、灵活地进行调换与调整，节约了实验时间，同时由于实验节约了场地、各类原材料和设施，大大降低了实验成本。

其中具体的方法是，用户先带上VR头戴仪，进入一预定的区域，VR输入控制系统通过头戴式显示器展示环境的视觉体验，VR环境下，用户可以在流程控制输入场景下进行交互，用户通过控制手柄，在设定区域内，进行流程搭建，物料添加，和阀门控制等操作，这样能够使得用户身临其境，也使得根据不同的用户的操作会得到不同的实验结果，另外，信号连接设备感知所述实验操作中的信息，并将所述实验操作中的信息发送给算法集成模拟设备。

然后算法集成模拟设备根据所述实验操作中的信息模拟计算实验结果，判断所述实验结果是否在预设值范围内，若是，表示该实验的操作是属于正确的操作，则将所述实验结果发送给显示设备，以显示所述实验结果；若否，表示该实验操作是不正确的操作，则根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据该控制信号来提示用户调整相应的所述实验操作，并执行步骤S2-S3。

可选地，在另一实施例中通过控制手柄进行虚拟的实验操作具体包括：

通过控制手柄进行实验设备搭建、物料添加和门阀控制的实验操作。

需要说明的是，在本实施例中通过控制手柄进行虚拟的实验操作，该虚拟的实验操作包括：在虚拟空间中，用户可以通过手中的控制手柄进行实验设备搭建、物料添加和门阀控制的实验操作，还可以根据实际的需要自行搭建，例如可以进行从1层到5层的水槽搭建，水槽可为正方体或圆柱体，自行设置节流孔，变送器，螺纹盖，阀门，水泵等设备，并组成的流体输入系统。

可选地，在另一实施例中所述实验信息包括：搭建的流程模型信息、流体的参数信息、物料添加的配制信息、门阀控制转动的信息。

需要说明的是，在本实施例中上述提及到的实验操作中的信息包括：搭建的流程模型信息、流体的参数信息、物料添加的配制信息、门阀控制转动的信息。除此之外，还在VR环境下，实验操作中的实验材料也可随意搭配，例如但不限于不同的流体/流体混合物，纯净水、盐水或其他种类的溶液、油、凝胶、浆状物或泡沫可用于提供不同的浮力/压力，以用于例如但不仅限于模拟不同实验情况的目的。流阻大小可根据需要调换，容量系数大小可调整。集成度可以从两个配置到很多个。例如用多个水槽进行串联和并联，构成不同类型、不同数目的多输入—多输出的被控对象。

通过上述的方法，在本实施例中既可以让用户体会到实际实验操作中的进行实验流程步骤，让用户清楚地了解实验的细节，同时在虚拟的环境中可以节约实验材料的实际成本，节约实验的器材和实验的空间，同样在虚拟的空间中进行实验操作也可以避免用户由于实验错误出现误伤的情况，极大地提高了安全性能。

可选地，在另一实施例中根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据所述控制信号控制用户调整相应的所述实验操作包括：

根据所述实验结果反馈对应的语音控制信号给所述VR头戴仪中的语音控制器，以便语音控制器根据所述语音控制信号提示用户调整相应的所述实验操作。

需要说明的是，在本实施例中还可以通过振动的方式告知用户进行实验的操作。

可选地，在另一实施例中所述运动信息包括：姿势体感信息和位置变化信息。

实施例2

本实施例中是一种基于VR环境下的过程控制实验教学的系统，

该系统包括：VR输入控制设备、信号连接设备、算法集成模拟设备和显示设备；所述VR输入控制设备包括：VR头戴仪和控制手柄，所述VR头戴仪中预先存储真实的实验室的场景以及实验室内的各种实验设备的图像信息，用于模拟所述实验室的场景；

所述VR输入控制设备，用于根据实验要求、所述VR头戴仪中展示的真实实验室场景和实验设备，通过控制手柄在所述实验室的场景中预定区域内进行虚拟的实验操作；

所述信号连接设备，用于通过感知用户在所述实验操作中的运动信息来获取所述实验操作中的实验信息，并将所述实验信息发送给算法集成模拟设备；

所述算法集成模拟设备，用于根据所述实验信息模拟计算实验结果，判断所述实验结果是否在预设值范围内，若是，将所述实验结果发送给所述显示设备；若否，则根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据所述控制信号提示用户调整相应的所述实验操作；

所述显示设备，用于显示所述实验结果。

需要说明的是，需要说明的是，本实施例是结合VR技术的一种控制实验教学装置的一种技术，在本实施例中采用现有的VR技术，模拟现场的实验教学，在VR头戴仪中预先存储了需要进行实验室的场景以及实验室内的各种实验设备的图像信息，这样戴上VR头戴仪就可以虚拟真实实验室的场景，在模拟的场景中进行实验以及教学，这样采用VR的实验技术不但可以节省实验空间，还可以设备搭建、管路手动阀等可灵活安排，操作方便，简化实验的流路；另外根据实验需要可准确、灵活地进行调换与调整，节约了实验时间，同时由于实验节约了场地、各类原材料和设施，大大降低了实验成本。

其中具体的方法是，用户先带上VR头戴仪，进入一预定的区域，VR输入控制系统通过头戴式显示器展示环境的视觉体验，VR环境下，用户可以在流程控制输入场景下进行交互，用户通过控制手柄，在设定区域内，进行流程搭建，物料添加，和阀门控制等操作，这样能够使得用户身临其境，也使得根据不同的用户的操作会得到不同的实验结果，另外，信号连接设备感知所述实验操作中的信息，并将所述实验操作中的信息发送给算法集成模拟设备。

然后算法集成模拟设备根据所述实验操作中的信息模拟计算实验结果，判断所述实验结果是否在预设值范围内，若是，表示该实验的操作是属于正确的操作，则将所述实验结果发送给显示设备，以显示所述实验结果；若否，表示该实验操作是不正确的操作，则根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据所述控制信号来提示用户调整相应的所述实验操作。

可选地，在另一实施例中所述VR输入控制设备具体用于通过控制手柄进行实验设备搭建、物料添加和门阀控制的实验操作。

需要说明的是，本实施例中通过控制手柄进行虚拟的实验操作，该虚拟的实验操作包括：在虚拟空间中，用户可以通过手中的控制手柄进行实验设备搭建、物料添加和门阀控制的实验操作，还可以根据实际的需要自行搭建，例如可以进行从1层到5层的水槽搭建，水槽可为正方体或圆柱体，自行设置节流孔，变送器，螺纹盖，阀门，水泵等设备，并组成的流体输入系统。

可选地，在另一实施例中所述实验信息包括：搭建的流程模型信息、流体的参数信息、物料添加的配制信息、门阀控制转动的信息。

需要说明的是，在本实施例中上述提及到的实验操作中的信息包括：搭建的流程模型信息、流体的参数信息、物料添加的配制信息、门阀控制转动的信息。除此之外，还在VR环境下，实验操作中的实验材料也可随意搭配，例如但不限于不同的流体/流体混合物，纯净水、盐水或其他种类的溶液、油、凝胶、浆状物或泡沫可用于提供不同的浮力/压力，以用于例如但不仅限于模拟不同实验情况的目的。流阻大小可根据需要调换，容量系数大小可调整。集成度可以从两个配置到很多个。例如用多个水槽进行串联和并联，构成不同类型、不同数目的多输入—多输出的被控对象。

通过上述的系统，在本实施例中既可以让用户体会到实际实验操作中的进行实验流程步骤，让用户清楚地了解实验的细节，同时在虚拟的环境中可以节约实验材料的实际成本，节约实验的器材和实验的空间，同样在虚拟的空间中进行实验操作也可以避免用户由于实验错误出现误伤的情况，极大地提高了安全性能。

可选地，在另一实施例中所述控制器包括：语音控制器，所述语音控制器，用于根据所述实验结果反馈对应的所述语音控制信号提示用户调整相应的所述实验操作。

需要说明的是，在本实施例中还涉及到通过振动的方式告知用户进行实验的操作。

可选地，在另一实施例中，所述运动信息包括：姿势体感信息和位置变化信息。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于VR环境下的过程控制实验教学的方法，其特征在于，预先在VR头戴仪中存储真实的实验室的场景以及实验室内的各种实验设备的图像信息，所述图像信息用于模拟所述实验室的场景，该方法包括：

S1，根据实验要求、所述VR头戴仪中展示的实验室场景和实验设备，通过控制手柄在所述实验室的场景中预定区域内进行虚拟的实验操作；

S2，信号连接设备通过感知用户在所述实验操作中的运动信息来获取所述实验操作中的实验信息，并将所述实验信息发送给算法集成模拟设备；

S3，所述算法集成模拟设备根据所述实验信息模拟计算实验结果，判断所述实验结果是否在预设值范围内，若是，则执行步骤S4；若否，则根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据所述控制信号提示用户调整相应的所述实验操作，并执行步骤S2-S3；

S4，将所述实验结果发送给显示设备，以显示所述实验结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过控制手柄进行虚拟的实验操作具体包括：

通过控制手柄进行实验设备搭建、物料添加和门阀控制的实验操作。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述实验信息包括：搭建的流程模型信息、流体的参数信息、物料添加的配制信息、门阀控制转动的信息。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据所述控制信号控制用户调整相应的所述实验操作包括：

根据所述实验结果反馈对应的语音控制信号给所述VR头戴仪中的语音控制器，以便语音控制器根据所述语音控制信号提示用户调整相应的所述实验操作。

5.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述运动信息包括：姿势体感信息和位置变化信息。

6.一种基于VR环境下的过程控制实验教学的系统，其特征在于，该系统包括：VR输入控制设备、信号连接设备、算法集成模拟设备和显示设备；所述VR输入控制设备包括：VR头戴仪和控制手柄，所述VR头戴仪中预先存储真实的实验室的场景以及实验室内的各种实验设备的图像信息，用于模拟所述实验室的场景；

所述VR输入控制设备，用于根据实验要求、所述VR头戴仪中展示的真实实验室场景和实验设备，通过控制手柄在所述实验室的场景中预定区域内进行虚拟的实验操作；

所述信号连接设备，用于通过感知用户在所述实验操作中的运动信息来获取所述实验操作中的实验信息，并将所述实验信息发送给算法集成模拟设备；

所述算法集成模拟设备，用于根据所述实验信息模拟计算实验结果，判断所述实验结果是否在预设值范围内，若是，将所述实验结果发送给所述显示设备；若否，则根据所述实验结果反馈对应的控制信号给所述VR头戴仪中的控制器，以便所述控制器根据所述控制信号提示用户调整相应的所述实验操作；

所述显示设备，用于显示所述实验结果。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述VR输入控制设备具体用于通过控制手柄进行实验设备搭建、物料添加和门阀控制的实验操作。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述实验信息包括：搭建的流程模型信息、流体的参数信息、物料添加的配制信息、门阀控制转动的信息。

9.根据权利要求6-8任一所述的系统，其特征在于，所述控制器包括：语音控制器，所述语音控制器，用于根据所述实验结果反馈对应的所述语音控制信号提示用户调整相应的所述实验操作。

10.根据权利要求6-8任一所述的系统，其特征在于，所述运动信息包括：姿势体感信息和位置变化信息。