CN109331461B - 高速坠落模拟装置与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高速坠落模拟装置与控制方法，包括框架、模拟平台、模拟坠落机构、VR眼镜以及控制装置，模拟平台被设置用于提供体验用户的站立平台，控制装置用于控制模拟坠落机构的运行，模拟坠落机构被设置成与所述模拟平台的底部连接、并驱动所述模拟平台在所述框架内高速坠落。本发明可提供一种身临其境的模拟方式，提高对高空安全教育的有效性和现实体验性。

Description

高速坠落模拟装置与控制方法
技术领域
本发明涉及仿真场景模拟领域，具体而言涉及一种高速坠落模拟装置与控制方法。
背景技术
当前，游戏在设备仿真、模拟场景等多种领域中取得了很大的突破，从原先的二维、三维发展到现在的现实空间虚拟游戏，而且还使用多种自由度仿真运动平台以为了实现各种游戏动作。但如何可以让公众了解和掌握高处作业的防护重要性，提高在高处作业时的安全意识和自我保护、应急逃生能力，还有所欠缺。
现有的安全教育培训主要以说教、宣传式为主。说教式安全教育培训主要有面授知识、组织观看教育片和突发事件应急演练等方式，这些比较传统的教育方式受讲课人员水平、教育硬件设备及演练物资等诸多因素影响，教育效果参差不齐，无法使安全防范意识和安全知识深入每一个接受教育的施工人员心里。传统宣传多以展板、视频的被动式宣讲为主，宣传对象参与性不高，互动性不强，体验不直接，宣传效果不理想。
发明内容
本发明目的在于提供一种高速坠落模拟装置与控制方法，提供一种身临其境的模拟方式，提高对高空安全教育的有效性和现实体验性。
为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高速坠落模拟装置，包括框架、模拟平台、模拟坠落机构、VR眼镜以及控制装置，模拟平台被设置用于提供用户的站立平台，控制装置用于控制模拟坠落机构的运行，模拟坠落机构被设置成与所述模拟平台的底部连接、并驱动所述模拟平台在所述框架内高速坠落，其中：
所述框架为立方体结构，具有从中间分隔的上框架和下框架，模拟平台构造成板式结构并位于上框架内，模拟坠落机构位于下框架内；所述上框架的相对的侧框上设置有竖直方向的导轨，模拟平台的边缘上在与导轨配合的位置固定有滑块，并且滑块套设在对应的导轨上并可沿着导轨上下滑动；
所述VR眼镜，用以供体验用户佩戴以在模拟坠落过程中观看虚拟现实场景以增强现实体验；
所述模拟坠落机构包括电动缸以及伺服电机，电动缸的顶部与所述模拟平台的底部固定，所述控制装置具有一伺服控制系统，控制伺服电机通过旋转力输出以驱动电动缸的运动以带动模拟平台高速坠落运动；
所述模拟平台上还设置有摄像装置以及重量传感器，摄像装置用以采集模拟平台上的体验用户的人脸图像，重量传感器用于检测模拟平台上的体验用户的体重；
所述控制装置还包括微处理器，用于根据设定条件以及监测到的体重控制以默认模式、修正模式以及增强模式控制所述模拟坠落机构进行模拟坠落运行，其中：在默认模式下，以标准重力加速度模拟自由落体运动；在修正模式下，以修正的重力加速度为基准模拟自由落体运动；在增强模式下，在体验用户佩戴的VR眼镜内播放模拟坠落的虚拟现实场景并以标准重力加速度模拟自由落体运动。
进一步地，所述模拟平台包括四边形的表层花纹板、中间缓冲层以及底层支撑板，所述表层花纹板表面形成有周期性的凹凸状机构，中间缓冲层为硬质橡胶缓冲层，底层支撑板的底部固定有金属连接件，金属连接件与电动缸固定连接并保持同步升降。
进一步地，所述重量传感器设置有4个，分别安装在模拟平台的四个角位置，采集体重数据并发送给微处理器，微处理器取平均值作为体重检测值。
进一步地，所述高速坠落模拟装置还设置有一控制面板，位于框架外部，被触控以确定运行模式。
进一步地，所述高速坠落模拟装置根据VR眼镜的佩戴状态来决定进入增强模式，在VR眼镜没有被佩戴时，控制自动进入默认模式运行，否则进入增强模式。
进一步地，在所述增强模式下，所述微处理器根据所采集的人脸图象以及体重检测值，与预先设置的3D人体模型进行融合，使得模型中的人脸以及体型得以实际采集的人脸和体重进行替换，在通过3D引擎生成模拟坠落的视频，通过微处理器控制传输至所述VR眼镜进行播放，并且在播放的同时，通过所述伺服控制系统控制电动缸运动模拟真实的坠落感觉。
进一步地，在所述修正模式下，所述修正的重力加速度按照下述方式进行修正：
gs＝g0*|(1-(W1-W0)/W0)|
其中，gs表示修正的重力加速度，g0表示标准重力加速度，W0表示设定的标准体重，W1表示体重检测值，| |表示绝对值运算符。
进一步地，在模拟坠落过程中，所述摄像装置还被设置实时采集体验用户的人脸表情以及通过语音采集尖叫信号，所述微处理器控制与采集的人脸图像进行关联，生成以人脸图象为基准存储的模拟数据并存储。
根据本发明还提出一种高速坠落模拟控制方法，该方法包括：
步骤1、检测模拟平台上的体验用户的体重并采集人脸图象；
步骤2、检测是否佩戴VR眼镜；
步骤3、响应佩戴状态，如果佩戴VR眼镜，则控制进入增强模式进行模拟坠落；如果未佩戴VR眼镜，则不允许进入增强模式，进入步骤4；
步骤4、进一步判断是否收到进入修正模式的信号，如果收到修正模式信号，则根据体重数据生成模拟坠落体验参数，该参数为修正的重力加速度，并控制以修正的重力加速度进行模拟坠落；如果没有收到修正模式信号，则进入步骤5；
步骤5、控制以标准重力加速度进行模拟坠落；
步骤6、在模拟坠落过程中，实时采集体验用户的人脸表情以及通过语音采集尖叫信号，得到的人脸表情以及尖叫信号与采集的人脸图像进行关联，生成以人脸图象为基准存储的模拟数据并存储。
进一步地，在所述增强模式下，根据所采集的人脸图象以及体重检测值，与预先设置的3D人体模型进行融合，使得模型中的人脸以及体型得以实际采集的人脸和体重进行替换，在通过3D引擎生成模拟坠落的视频，通过VR眼镜进行播放，并且在播放的同时，通过伺服控制系统控制电动缸运动模拟真实的坠落感觉。
进一步地，在所述修正模式下，所述修正的重力加速度按照下述方式进行修正：
gs＝g0*|(1-(W1-W0)/W0)|
其中，gs表示修正的重力加速度，g0表示标准重力加速度，W0表示设定的标准体重，W1表示体重检测值，| |表示绝对值运算符。
本发明的高速坠落模拟装置与控制方法，与现有技术相比，显著的有益效果在于：
1、提出了一种新型的模拟坠落架构，设计全新的坠落平台以及通过伺服系统和电动缸的配合，实现高速坠落模拟的多种可能性实现；
2、坠落模拟平台上，通过多种设计保护模拟用户，例如通过表面凹凸纹路实现防滑，通过中间硬质橡胶层实现高速坠落时的极短程缓冲以保护人体肢干收到的冲击，同时通过硬质材料的使用减少可能发生的倾倒危险；底部的金属层起到加强整个平台的目的，避免平台高速运动的损害带来的人员损伤；
3、在模拟运行过程中，通过不同的模式设定，提高安全性和现实性：通过增强模式设计，增强参与感，模拟真实的坠落感觉；在默认模式下，以标准的重力加速度来模拟自由落体运动，并且可接受外部干预，例如设定补偿模式，可通过自动设定的加速度幅值或者根据系统确定的补偿来修正加速度，根据用户的体重来提供趋于真实的模拟；
4、区别于以往个案的体验，本发明在每个体验用户的基础上，还生成每个体验数据进行历史数据的存储，一方面可在后期进行处理形成有意义的视频回访，另一方面形成了坠落模拟的数据库，利于后期的模拟改善和提高体验真实性的回溯。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是根据本发明的高速坠落模拟装置的整体示意图。
图2是根据本发明的高速坠落模拟装置的侧视图，沿着导轨所在方向，定义为左右方向。
图3是是根据本发明的高速坠落模拟装置的主视图，定义为左右方向。
图4是根据本发明的高速坠落模拟装置的控制原理示意图。
图5是本发明的高速坠落模拟控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1-图5所示，本发明公开示例的高速坠落模拟装置，具有框架100、模拟平台200、模拟坠落机构300、VR眼镜1300(如图4)以及控制装置。模拟平台100被设置用于提供体验用户的站立平台，控制装置用于控制模拟坠落机构300的运行。
VR眼镜1300，用以供体验用户佩戴以在模拟坠落过程中观看虚拟现实场景以增强现实体验。VR眼镜可挂载到框架的外部，例如设置的挂钩或者搁置平台。在需要佩戴时，拿取佩戴即可。
模拟坠落机构300被设置成与模拟平台200的底部连接、并驱动模拟平台200在框架100所限定的范围内部进行高速坠落运动。
结合图1、图4所示，控制装置在一些可选的示例中包括微处理器1100和伺服控制系统1200，通过一上位机1000进行协调控制，通过数据总线与上位机1000之间进行数据通信和数据交换。上位机1000还具有一显示器1400。
伺服控制系统1200用以控制和驱动模拟坠落机构300的运行。
结合图1，框架100为立方体结构，具有从中间分隔的上框架110和下框架120。可选的，框架100为铝合金框架，通过角件和螺栓搭接而成，组成一个平台总体框架。
在一些例子中，框架100还可以是钢结构焊接形成的整体立方框架，在其中央位置焊接交织的钢条形成中间层，从而分隔出上框架110和下框架120。
模拟平台200构造成板式结构并位于上框架110内，模拟坠落机构300位于下框架120内。
结合图1、图2，上框架110的相对的侧框上设置有竖直方向的导轨410，模拟平台200的边缘上在与导轨410配合的位置固定有滑块420，并且滑块420套设在对应的导轨410上并可沿着导轨上下滑动。
优选的例子中，导轨410为圆柱形导轨。滑块420为环形滑块。
如图2，导轨410通过圆导轨固定座430固定到上框架110上。
结合图1-图3，模拟平台200包括四边形的表层花纹板210、中间缓冲层220以及底层支撑板230，表层花纹板210表面形成有周期性的凹凸状纹路，中间缓冲层为硬质橡胶缓冲层，底层支撑板230的底部固定有金属连接件240。
前述的滑块420与底层支撑板230的四个边角位置固定。
模拟坠落机构300包括伺服电机301以及电动缸302，伺服电机301以及电动缸302安装在电动缸安装转接板310上，通过螺栓固定。电动缸安装转接板310设置在地板上。
电动缸302的顶部(即缸头)与模拟平台的底部固定。可选的，模拟平台200底部的金属连接件240与电动缸302固定连接，并保持同步升降。
伺服控制系统1200，通过上位机1000控制，控制伺服电机301通过旋转力输出以驱动电动缸302的运动以带动模拟平台200高速坠落运动，沿着所述导轨410和滑块420所限定的竖直方向和空间内运动。
在可选的例子中，微处理器模块包括LPC176X系列Cortex-M3控制芯片。
伺服控制系统1200包括ULN2003D控制芯片，ULN2003D控制芯片作为电动缸驱动的专业芯片，根据ULN2003D控制芯片的输出信号控制伺服电机运行以调整电动缸的自身伸缩的运动状态，带动模拟平台的坠落状态。
为了进一步保护整个伺服控制系统，伺服控制系统1200还设置了保护模块，作为其中一个实施例，该保护模块包括TLE7230R芯片，该芯片具有过载、短路、过热、过压保护功能。
结合图1，模拟平台200上还设置有摄像装置130以及重量传感器140，摄像装置130用以采集模拟平台上的体验用户的人脸图像，重量传感器140用于检测模拟平台上的体验用户的体重。
如图1，重量传感器140设置有4个，分别安装在模拟平台的四个角位置，采集体重数据并发送给微处理器1100，微处理器取平均值作为体重检测值。
微处理器1100被设置用于根据设定条件以及监测到的体重控制以默认模式、修正模式以及增强模式控制所述模拟坠落机构进行模拟坠落运行。
本发明示例性实施例中，在默认模式下，以标准重力加速度模拟自由落体运动；在修正模式下，以修正的重力加速度为基准模拟自由落体运动；在增强模式下，在体验用户佩戴的VR眼镜内播放模拟坠落的虚拟现实场景并以标准重力加速度模拟自由落体运动。
在进一步可选的实施例中，高速坠落模拟装置还设置有一控制面板(未标示出)，位于框架外部，用以供用户或者管制人员触控以确定运行模式，例如手动控制进入默认模式、修正模式以及增强模式中的一种。
本发明的实现过程中，根据VR眼镜1300的佩戴状态来决定进入增强模式，在VR眼镜没有被佩戴时，控制自动进入默认模式运行，否则进入增强模式。
在增强模式下，微处理器1100根据所采集的人脸图象以及体重检测值，与预先设置的3D人体模型进行融合，使得模型中的人脸以及体型得以实际采集的人脸和体重进行替换，在通过3D引擎生成模拟坠落的视频，通过微处理器控制传输至所述VR眼镜进行播放，并且在播放的同时，通过伺服控制系统1300控制电动缸运动模拟真实的坠落感觉。
通过如此场景下的坠落模拟，更加身临其境的感受坠落，增强现实感和真实性体验。
值得一提的是，前述人体模型可以采用现有技术中人体模型，任选一个对应的男性、女性即可，或者根据需要选择特定地区的具有某些共性特征的人体。模型的数据替换融合可以采用现有技术中的模型算法即可，前述的3D引擎可以采用OGRE引擎或者Nebula引擎。
进一步地，在修正模式下，所述修正的重力加速度按照下述方式进行修正：
gs＝g0*|(1-(W1-W0)/W0)|
其中，gs表示修正的重力加速度，g0表示标准重力加速度，取值为9.8m/2；W0表示设定的标准体重，W1表示体重检测值，| |表示绝对值运算符。
在模拟坠落过程中，摄像装置130还被设置实时采集体验用户的人脸表情以及通过语音采集尖叫信号，微处理器1100控制与采集的人脸图像进行关联，生成以人脸图象为基准存储的模拟数据并存储，如此，一方面可在后期进行处理形成有意义的视频回访，另一方面形成了坠落模拟的数据库，利于后期的模拟改善和提高体验真实性的回溯。
在一些可选的例子中，还可以通过摄像装置采集用户在失重状态下(自由落体运动)的表情、肢体动作以及形态等。
结合图1以及图5，一种高速坠落模拟控制方法，该方法包括：
步骤1、检测模拟平台上的体验用户的体重并采集人脸图象；
步骤2、检测是否佩戴VR眼镜；
步骤3、响应佩戴状态，如果佩戴VR眼镜，则控制进入增强模式进行模拟坠落；如果未佩戴VR眼镜，则不允许进入增强模式，进入步骤4；
步骤4、进一步判断是否收到进入修正模式的信号，如果收到修正模式信号，则根据体重数据生成模拟坠落体验参数，该参数为修正的重力加速度，并控制以修正的重力加速度进行模拟坠落；如果没有收到修正模式信号，则进入步骤5；
步骤5、控制以标准重力加速度进行模拟坠落；
步骤6、在模拟坠落过程中，实时采集体验用户的人脸表情以及通过语音采集尖叫信号，得到的人脸表情以及尖叫信号与采集的人脸图像进行关联，生成以人脸图象为基准存储的模拟数据并存储。
在前述描述的实施例中，检测是否佩戴VR眼镜可通过采集的人脸图象确定，例如判断采集图象范围内的人脸上方是否有VR眼镜图象。
在另外的实施例中，还可以通过其他方式，例如电磁位置检测或者光电检测。
在增强模式下，根据所采集的人脸图象以及体重检测值，与预先设置的3D人体模型进行融合，使得模型中的人脸以及体型得以实际采集的人脸和体重进行替换，在通过3D引擎生成模拟坠落的视频，通过VR眼镜进行播放，并且在播放的同时，通过伺服控制系统控制电动缸运动模拟真实的坠落感觉。
在一些示例中，在修正模式下，修正的重力加速度按照下述方式进行修正：
gs＝g0*|(1-(W1-W0)/W0)|
其中，gs表示修正的重力加速度，g0表示标准重力加速度，W0表示设定的标准体重，W1表示体重检测值，| |表示绝对值运算符。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种高速坠落模拟装置，其特征在于，包括框架、模拟平台、模拟坠落机构、VR眼镜以及控制装置，模拟平台被设置用于提供体验用户的站立平台，控制装置用于控制模拟坠落机构的运行，模拟坠落机构被设置成与所述模拟平台的底部连接、并驱动所述模拟平台在所述框架内高速坠落，其中：
所述框架为立方体结构，具有从中间分隔的上框架和下框架，模拟平台构造成板式结构并位于上框架内，模拟坠落机构位于下框架内；所述上框架的相对的侧框上设置有竖直方向的导轨，模拟平台的边缘上在与导轨配合的位置固定有滑块，并且滑块套设在对应的导轨上并可沿着导轨上下滑动；
所述VR眼镜，用以供体验用户佩戴以在模拟坠落过程中观看虚拟现实场景以增强现实体验；
所述模拟坠落机构包括电动缸以及伺服电机，电动缸的顶部与所述模拟平台的底部固定，所述控制装置具有一伺服控制系统，控制伺服电机通过旋转力输出以驱动电动缸的运动以带动模拟平台高速坠落运动；
所述模拟平台上还设置有摄像装置以及重量传感器，摄像装置用以采集模拟平台上的体验用户的人脸图像，重量传感器用于检测模拟平台上的体验用户的体重；
所述控制装置还包括微处理器，用于根据设定条件以及监测到的体重控制以默认模式、修正模式以及增强模式控制所述模拟坠落机构进行模拟坠落运行，其中：在默认模式下，以标准重力加速度模拟自由落体运动；在修正模式下，以修正的重力加速度为基准模拟自由落体运动；在增强模式下，在体验用户佩戴的VR眼镜内播放模拟坠落的虚拟现实场景并以标准重力加速度模拟自由落体运动。
2.根据权利要求1所述的高速坠落模拟装置，其特征在于，所述模拟平台包括四边形的表层花纹板、中间缓冲层以及底层支撑板，所述表层花纹板表面形成有周期性的凹凸状纹路，中间缓冲层为硬质橡胶缓冲层，底层支撑板的底部固定有金属连接件，金属连接件与电动缸固定连接并保持同步升降。
3.根据权利要求1所述的高速坠落模拟装置，其特征在于，所述重量传感器设置有4个，分别安装在模拟平台的四个角位置，采集体重数据并发送给微处理器，微处理器取平均值作为体重检测值。
4.根据权利要求1所述的高速坠落模拟装置，其特征在于，所述高速坠落模拟装置还设置有一控制面板，位于框架外部，被触控以确定运行模式。
5.根据权利要求1所述的高速坠落模拟装置，其特征在于，所述高速坠落模拟装置根据VR眼镜的佩戴状态来决定进入增强模式，在VR眼镜没有被佩戴时，控制自动进入默认模式运行，否则进入增强模式。
6.根据权利要求1所述的高速坠落模拟装置，其特征在于，在所述增强模式下，所述微处理器根据所采集的人脸图像以及体重检测值，与预先设置的3D人体模型进行融合，使得模型中的人脸以及体型得以实际采集的人脸和体重进行替换，在通过3D引擎生成模拟坠落的视频，通过微处理器控制传输至所述VR眼镜进行播放，并且在播放的同时，通过所述伺服控制系统控制电动缸运动模拟真实的坠落感觉。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的高速坠落模拟装置，其特征在于，在所述修正模式下，所述修正的重力加速度按照下述方式进行修正：
gs= g0*|1-(W1-W0)/W0|
其中，gs表示修正的重力加速度，g0表示标准重力加速度，W0表示设定的标准体重，W1表示体重检测值，||表示绝对值运算符。
8.根据权利要求1-6中任意一项所述的高速坠落模拟装置，其特征在于，在模拟坠落过程中，所述摄像装置还被设置实时采集体验用户的人脸表情以及通过语音采集尖叫信号，所述微处理器控制与采集的人脸图像进行关联，生成以人脸图像为基准存储的模拟数据并存储。
9.一种根据权利要求1所述的高速坠落模拟装置的高速坠落模拟控制方法，其特征在于，所述高速坠落模拟控制方法包括：
步骤1、检测模拟平台上的体验用户的体重并采集人脸图像；
步骤2、检测是否佩戴VR眼镜；
步骤3、响应佩戴状态，如果佩戴VR眼镜，则控制进入增强模式进行模拟坠落；如果未佩戴VR眼镜，则不允许进入增强模式，进入步骤4；
步骤4、进一步判断是否收到进入修正模式的信号，如果收到修正模式信号，则根据体重数据生成模拟坠落体验参数，该参数为修正的重力加速度，并控制以修正的重力加速度进行模拟坠落；如果没有收到修正模式信号，则进入步骤5；
步骤5、控制以标准重力加速度进行模拟坠落；
步骤6、在模拟坠落过程中，实时采集体验用户的人脸表情以及通过语音采集尖叫信号，得到的人脸表情以及尖叫信号与采集的人脸图像进行关联，生成以人脸图像为基准存储的模拟数据并存储。
10.根据权利要求9所述的高速坠落模拟控制方法，其特征在于，在所述增强模式下，根据所采集的人脸图像以及体重检测值，与预先设置的3D人体模型进行融合，使得模型中的人脸以及体型得以实际采集的人脸和体重进行替换，在通过3D引擎生成模拟坠落的视频，通过VR眼镜进行播放，并且在播放的同时，通过伺服控制系统控制电动缸运动模拟真实的坠落感觉。
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Denomination of invention: High speed fall simulation device and control methods

Effective date of registration: 20231218

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Pledgee: Bank of Nanjing Co.,Ltd. Nanjing Chengnan sub branch

Pledgor: NANJING ALLCONTROLLER TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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