CN109697913A - 一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，包括：操作装置、主机服务器装置及显示装置，主机服务器装置与操作装置及显示装置分别通讯连接；主机服务器装置对凿岩台车及施工现场进行虚拟化建模得到虚拟化设备及虚拟工作场景；当学员通过操作装置输入操作指令时，主机服务器装置接收学员通过操作装置输入的操作指令，在虚拟工作场景中对应操作所述虚拟化设备；显示装置显示虚拟化设备在虚拟工作场景中的操作过程及操作结果。学员通过本发明提供的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统进行凿岩台车培训时，可以达到和实物操作几乎一样的培训效果，具有使用成本低、危险性小、真实感强、教学效果好的优点。

Description

一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统

技术领域

本申请涉及仿真技术领域，特别涉及一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统。

背景技术

在隧道工程领域中，凿岩台车是钻孔爆破岩石的主要设备之一，具有转场灵活、作业高效、爆破种类多样化的特点。而凿岩台车作业是一项专业性很强、作业工况复杂的工作，作业人员必须经过系统、全面的培训，才能满足实际作业需要。

目前，针对凿岩台车的培训主要还是以书本学习和实物操作训练为主。书本学习只能停留在理论阶段，培训质量差；实物操作则成本高，培训次数有限制，而且新手学员在实物操作时容易紧张，造成安全事故。

因此，如何提供一种成本低、教学效果好的凿岩台车培训系统，是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，培训成本低，教学效果好。

本申请提供的技术方案如下：

本发明提供一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，包括：

操作装置、主机服务器装置及显示装置，所述主机服务器装置与所述操作装置及所述显示装置分别通讯连接；

所述主机服务器装置对所述凿岩台车及施工现场进行虚拟化建模得到虚拟化设备及虚拟工作场景；

当学员通过所述操作装置输入操作指令时，所述主机服务器装置接收所述学员通过所述操作装置输入的操作指令，在所述虚拟工作场景中对应操作所述虚拟化设备；

所述显示装置显示所述虚拟化设备在所述虚拟工作场景中的操作过程及操作结果。

优选地，所述主机服务器装置包括仿真模块和处理模块；

所述仿真模块用于通过三维建模对所述凿岩台车及施工现场进行虚拟化建模，得到虚拟化设备及虚拟工作场景；

所述处理模块用于接收所述学员通过所述操作装置输入的操作指令，并对接收的所述操作指令进行处理，在所述虚拟工作场景中对应操作所述虚拟化设备。

优选地，所述主机服务器装置还包括设备模拟模块，所述设备模拟模块用于模拟演示所述凿岩台车的内部结构及工作原理。

优选地，所述主机服务器装置还包括操作模拟模块，所述操作模拟模块用于模拟演示所述凿岩台车的规范操作动作。

优选地，所述主机服务器装置还包括考核模块，所述考核模块用于考核学员对所述虚拟化设备的操作过程。

优选地，所述主机服务器装置还包括信息管理模块，所述信息管理模块用于管理学员的权限限制及保存学员的考核数据。

优选地，所述操作装置为设置在模拟驾驶室内的操作台，所述模拟驾驶室用于模拟所述凿岩台车的驾驶室。

优选地，所述模拟驾驶室与所述操作台采用1:1实物模拟。

优选地，所述显示装置包括多台投影仪和环形投影屏幕，所述环形投影屏幕设置在所述模拟驾驶室的外壁上。

优选地，所述环形投影屏幕由所述模拟驾驶室的前方挡风玻璃、左侧挡风玻璃、右侧挡风玻璃以及安装在所述模拟驾驶室后侧的液晶显示屏组成。

本发明提供的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，通过主机服务器对凿岩台车及施工现场进行虚拟化建模，得到虚拟化设备及虚拟工作场景，当学员通过操作装置输入操作指令时，主机服务器接收学员输入的操作指令，可以在虚拟工作场景中对应操作虚拟化设备，操作过程和操作结果通过显示装置显示出来。因此，学员通过本发明提供的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统进行凿岩台车培训时，可以达到和实物操作几乎一样的培训效果，具有使用成本低、危险性小、真实感强、教学效果好的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统的系统框图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统的系统框图；

图3为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统的培训流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统的系统框图。该仿真培训系统包括：

操作装置1、主机服务器装置2及显示装置3，主机服务器装置2与操作装置1及显示装置2分别通讯连接；

主机服务器装置2对凿岩台车及施工现场进行虚拟化建模得到虚拟化设备及虚拟工作场景；

当学员通过操作装置1输入操作指令时，主机服务器装置2接收学员通过操作装置1输入的操作指令，在虚拟工作场景中对应操作虚拟化设备；

显示装置3显示虚拟化设备在虚拟工作场景中的操作过程及操作结果。

本发明实施例提供的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，主机服务器3将凿岩台车及施工现场进行虚拟化建模，得到虚拟化设备及虚拟工作场景；当学员通过操作装置1输入各种操作指令时，主机服务器3接收学员输入的操作指令，使学员可以在虚拟工作场景中对应操作虚拟化设备，而操作过程和操作结果会通过显示装置3显示出来。因此，学员通过本发明提供的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统进行凿岩台车培训时，可以达到和实物操作几乎一样的培训效果，具有使用成本低、危险性小、真实感强、教学效果好的优点。

具体的，本发明实施例中，主机服务器2与操作台1通过工业现场总线通讯连接，通讯协议可以采用CAN2.0总线协议。

本发明实施例中，主机服务器3可以采用3D图形渲染引擎，将虚拟化设备及虚拟工作场景渲染成屏幕上显示的逼真画面，让操作人员获得逼真的操作体验。具体来说，可以选用基于VR-Platform的3D图形渲染引擎，不仅支持多种天气效果的模拟如晴天、雨天、雾天等，用以训练多种天气状况下的设备操作和安装；还支持角色骨骼系统，学员可以以一个虚拟角色的身份在虚拟工作场景中进行虚拟化设备的操作，或者是多人的协作；另外还支持实时动态阴影和多种画面特效等，可以模拟出逼真的现场环境和生成多种风格的画面效果。

本发明实施例中，主机服务器3在3D图形渲染引擎的基础上，还可以引入物理引擎，让虚拟化设备拥有物理属性如重量、速度、碰撞、刚体连接和摩擦力等等，使虚拟化设备的操作更加符合实际操作体验。具体来说，可以选用VRP-PHYSICS物理引擎，在虚拟工作场景中模拟虚拟化设备的受力效果、碰撞检测，以及进行工况模拟、设备作业模拟等，例如可以模拟出凿岩台车路面行驶、隧道行驶、打孔作业，或者模拟出泥土、岩石粉碎后通过传送设备传送的情况等。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统的系统框图。具体的，本发明实施例中，主机服务器3包括仿真模块和处理模块，其中仿真模块用于通过三维建模对凿岩台车及施工现场进行虚拟化建模，得到虚拟化设备及虚拟工作场景，处理模块用于接收学员通过操作装置输入的操作指令，并对接收的操作指令进行处理，在虚拟工作场景中对应操作虚拟化设备。

本发明实施例中，主机服务器还包括设备模拟模块，用于模拟演示凿岩台车的内部结构及工作原理。具体的，设备模拟模块可以包括设备拆装模拟子模块、设备调试模拟子模块、液压原理模拟子模块和电气控制线路模拟子模块。其中，设备拆装模拟子模块可以模拟演示拆装凿岩台车，展示重要部件的内部结构，如凿岩台车的行走部件、掘进机土压平衡盾构刀盘、硬岩隧道掘进机下刀盘安装等关键部位的虚拟装配；设备调试模拟子模块可以根据操作人员的控制指令，对虚拟化设备进行对应的操作，模拟调试凿岩台车的关键性能指标；液压原理模拟子模块和电气控制线路模拟子模块分别模拟凿岩台车的液压元件、电气控制线路元件在设备中的位置、作用、工作原理以及各工况工作时液压、电气系统的走向、状态和监测方法。可以让操作人员对凿岩台车的内部结构和运行原理等有更深入的了解，对学会操作凿岩台车更有帮助。

本发明实施例中，主机服务器3还可以包括操作模拟模块，用于模拟演示凿岩台车的规范操作动作。如模拟演示电缆在行进过程中的收放、左右支腿的伸缩与升降，在动作模式下模拟演示大臂的摆动、升降、伸缩与推进梁的摆动、升降、伸缩、旋转以及锚杆油缸的俯仰，在钻孔模式下模拟演示凿岩机前进、后退、回转及冲击+水、冲击、钻领孔以及正常钻进、停止、退回，在加杆模式下模拟演示钻杆锁开关、夹杆伸缩、夹杆爪开关、夹杆爪释放、夹杆旋转、推进梁夹杆开关、及凿岩机回转以及凿岩机前进后退、冲击+水、冲击等。使学员能够掌握凿岩台车的基本操作规范和注意事项。

本发明实施例中，主机服务器3还可以包括考核模块，用于考核学员对所述虚拟化设备的操作过程。具体来说，考核模块可以包括行驶操作考核子模块、停车操作考核子模块、定位操作考核子模块和钻进操作考核子模块。其中，行驶操作考核子模块考核操作人员的行驶操作，如发动机启动点火钥匙的4种状态、解除驻车制动、挂挡操作顺序、方向盘的使用、行驶中的加减速等；停车操作考核子模块考核操作人员的停车操作，如距掌子面距离，以及支腿缩放时整车的平衡度等；定位操作考核子模块考核操作人员的定位操作，如手柄使用的熟练度和定位过程是否准确等；钻进操作考核子模块考核操作人员的钻进操作，如电机，水泵，空压机等等设备是否开启，各种钻孔模式设置的准确性，对眼的速度与位置，对欠挖的掌子面开孔处理，钻杆是否笔直等。系统对操作人员的操作过程进行考核评分，帮助操作人员了解自己的操作问题。

进一步的，本发明实施例中，主机服务器3还包括信息管理模块，用于管理操作人员的权限限制和保存操作人员的培训考核数据。具体来说，针对培训教师和受训学员，可以设置不同的使用权限，同时系统自动保存登入人员的个人信息、操作人员的培训数据和考核结果。受训学员可以将自己的历史操作调取出来回放，也可以单独导出数据到终端设备中。

同时，培训教师可以在主机服务器内预设故障现象及相应的解决方案，受训学员在不能预先查看解决方案的情况下模拟维修或者参考解决方案进行演示学习，让受训学员掌握一定的凿岩台车故障处理能力。受训学员的操作过程会自动记录到数据库信息管理系统中，用于回放与总结。

请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统的结构示意图。具体的，本发明实施例中，操作装置1为设置在模拟驾驶室5内的操作台6，其中模拟驾驶室5用于模拟凿岩台车的驾驶室。设计人员根据实际的凿岩台车在模拟驾驶室5内设置操作台6，在操作台6上可以设计工控触摸电脑、方向盘、左右操作手柄、各种按钮、油门踏板和刹车踏板等。系统运行时，学员可以通过操作台6上的操作手柄和按钮等输入操作指令，主机服务器装置2根据输入的操作指令，在虚拟工作场景中对应操作虚拟化设备；操作台6上的工控触摸屏上显示主机服务器反馈的状态参数信息，如转速、当前工作机械臂幅度等。另外还可以在模拟驾驶室5内设置座椅、门窗和玻璃等，尽量模拟出实际的凿岩台车驾驶室。

进一步的，本发明实施例中，模拟驾驶室5与操作台6均采用1:1实物模拟。在本发明实施例中，模拟驾驶室5和操作台6不仅布局和实物凿岩台车一样，而且操作台6上设计的操作手柄、按钮等的大小和尺寸均与实物完全相同，使学员在模拟驾驶室5内培训就可以获得与操作实物凿岩台车一样的操作体验。

本发明实施例中，显示装置3包括多台投影仪和环形投影屏幕，其中环形投影屏幕设置在模拟驾驶室5的外壁上。学员在虚拟工作场景中操作虚拟化设备的操作过程及操作结果，通过多台投影仪投影在设置在模拟驾驶室5外壁的环形投影屏幕上，显示更为立体，使操作人员在模拟驾驶室5内培训就可以达到和实物操作几乎一样的培训效果，

具体的，本发明实施例中，环形投影屏幕由模拟驾驶室5的前方挡风玻璃、左侧挡风玻璃、右侧挡风玻璃以及安装在模拟驾驶室5后侧的液晶显示屏组成。投影仪设计为3台，均与主机服务器2通讯连接，3台投影仪将视频影像分别投影至模拟驾驶室5的前方挡风玻璃、左侧挡风玻璃、右侧挡风玻璃上。安装在模拟驾驶室5后侧的液晶显示屏直接与主机服务器通讯。学员在模拟驾驶室5内操作培训时，前方挡风玻璃、左侧挡风玻璃、右侧挡风玻璃以及后侧的液晶显示屏分别显示虚拟化设备在虚拟工作场景中前、左、右及后方的场景，真实模拟操作实物凿岩台车时的工作场景。

本发明实施例中，基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统还可以包括音响设备4。将实物凿岩台车的电机动力音效、报警音效等各种音效进行录制，经过加工处理后录入主机服务器2中，在模拟过程中，根据模拟结果调用出对应的音效，通过音响设备4播放出来，使得模拟更具真实感。同时，还可以录制实物凿岩台车的车灯、指示灯等灯光特效，加工处理后录入主机服务器2中，在模拟过程中播放出来。

学员具体的培训流程请参阅图4，图4为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统的培训流程示意图。启动仿真培训系统后，学员先学习凿岩台车的理论知识以及观看凿岩台车的规范操作演示和讲解，然后通过操作台操作虚拟化设备，系统会对操作过程纠错、提示和评分，结束后对操作过程进行回放和总结，最后由系统进行培训考核的记录、统计与存档。

本发明实施例提供的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，包括操作装置1、主机服务器2、显示装置3、音响设备4；其中，操作装置1为设置在模拟驾驶室5内的操作台6；主机服务器2通过工业现场总线与操作台6通讯连接，其中主机服务器2包括仿真模块、处理模块、设备模拟模块、操作模拟模块、考核模块及信息管理模块；具体的，设备模拟模块包括设备拆装模拟子模块、设备调试模拟子模块、液压原理模拟子模块和电气控制线路模拟子模块；考核模块包括行驶操作考核子模块、停车操作考核子模块、定位操作考核子模块和钻进操作考核子模块；显示装置3包括投影仪和环形投影屏幕；其中投影仪为3台，环形投影屏幕由模拟驾驶室5的前方挡风玻璃、左侧挡风玻璃、右侧挡风玻璃以及安装在模拟驾驶室5后侧的液晶显示屏组成。仿真培训系统运行时，主机服务器2内的仿真模块通过三维建模对凿岩台车及施工现场进行虚拟化建模，得到虚拟化设备及虚拟工作场景；学员在模拟驾驶室5内，通过操作台6输入操作指令，主机服务器2内的处理模块处理来自操作台6的操作指令，在虚拟工作场景中对应操作虚拟化设备；通过主机服务器2内的设备模拟模块模拟演示拆装凿岩台车、模拟调试凿岩台车的关键性能指标、模拟凿岩台车的液压元件及电气控制线路元件在设备中的位置、作用、工作原理以及各工况工作时液压、电气系统的走向、状态和监测方法；通过主机服务器2内的操作模拟模块，模拟演示凿岩台车的规范操作动作；学员可以查看和学习凿岩台车的理论知识；通过主机服务器2内的考核模块考核学员对虚拟化设备的行驶操作、停车操作、定位操作和钻进过程等，系统对操作过程进行考核，从而检验培训效果，考核数据通过主机服务器2内的信息管理模块保存；操作过程及操作结果通过投影仪投影至模拟驾驶室5的前方挡风玻璃、左侧挡风玻璃、右侧挡风玻璃以及安装在模拟驾驶室5后侧的液晶显示屏上，真实模拟操作实物凿岩台车时前、左、右和后方的工作场景，同时主机服务器2内录制有实物凿岩台车的电机动力音效、报警音效等各种音效，在模拟过程中，根据模拟结果调用出对应的音效通过音响设备4播放，使得模拟更具真实感，学员在模拟驾驶室内培训就可以达到和实物操作几乎一样的培训效果，具有使用成本低、危险性小、真实感强、教学效果好的优点。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，其特征在于，包括：

操作装置、主机服务器装置及显示装置，所述主机服务器装置与所述操作装置及所述显示装置分别通讯连接；

所述主机服务器装置对所述凿岩台车及施工现场进行虚拟化建模得到虚拟化设备及虚拟工作场景；

当学员通过所述操作装置输入操作指令时，所述主机服务器装置接收所述学员通过所述操作装置输入的操作指令，在所述虚拟工作场景中对应操作所述虚拟化设备；

所述显示装置显示所述虚拟化设备在所述虚拟工作场景中的操作过程及操作结果。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，其特征在于，所述主机服务器装置包括仿真模块和处理模块；

所述仿真模块用于通过三维建模对所述凿岩台车及施工现场进行虚拟化建模，得到虚拟化设备及虚拟工作场景；

所述处理模块用于接收所述学员通过所述操作装置输入的操作指令，并对接收的所述操作指令进行处理，在所述虚拟工作场景中对应操作所述虚拟化设备。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，其特征在于，所述主机服务器装置还包括设备模拟模块，所述设备模拟模块用于模拟演示所述凿岩台车的内部结构及工作原理。

4.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，其特征在于，所述主机服务器装置还包括操作模拟模块，所述操作模拟模块用于模拟演示所述凿岩台车的规范操作动作。

5.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，其特征在于，所述主机服务器装置还包括考核模块，所述考核模块用于考核学员对所述虚拟化设备的操作过程。

6.根据权利要求5所述的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，其特征在于，所述主机服务器装置还包括信息管理模块，所述信息管理模块用于管理学员的权限限制及保存学员的考核数据。

7.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，其特征在于，所述操作装置为设置在模拟驾驶室内的操作台，所述模拟驾驶室用于模拟所述凿岩台车的驾驶室。

8.根据权利要求7所述的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，其特征在于，所述模拟驾驶室与所述操作台采用1:1实物模拟。

9.根据权利要求7所述的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，其特征在于，所述显示装置包括多台投影仪和环形投影屏幕，所述环形投影屏幕设置在所述模拟驾驶室的外壁上。

10.根据权利要求9所述的基于虚拟现实的凿岩台车仿真培训系统，其特征在于，所述环形投影屏幕由所述模拟驾驶室的前方挡风玻璃、左侧挡风玻璃、右侧挡风玻璃以及安装在所述模拟驾驶室后侧的液晶显示屏组成。