CN109967145B - 基于虚实融合实验的倾倒容器套件及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了基于虚实融合实验的倾倒容器套件及其使用方法，套件包括倾倒容器、压感传感器和倾斜传感器；所述压感传感器设置在倾倒容器瓶口，用于感知倾倒液体时，倾倒容器瓶口与接收器的接触状态；所述倾斜传感器设置在倾倒容器侧壁，用于感知倾倒的角度和速度。通过本发明的倾倒容器套件，在AR化学实验中，AR系统能够实时获取到倾倒是的倾斜角度和倾倒速度以及是否倾倒容器瓶口是否贴近接收器，在实时感知倾倒操作的同时，对于不符合倾倒规范的操作给出提醒，避免实验过程中造成危险，且保证实验结果的精确性。

Description

基于虚实融合实验的倾倒容器套件及其使用方法

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域,具体地说是基于虚实融合实验的倾倒容器套件及其使用方法。

背景技术

在化学实验中经常会进行液体的倾倒操作，例如稀释浓硫酸实验中，需要将浓硫酸导入水中，倾倒过程不能太快，且需要倾倒容器瓶口贴近烧杯。当进行AR(AugmentedReality，增强现实)化学实验时，AR化学实验系统无法感知用户是否进行贴近烧杯，无法获知倾倒速度，从而无法判断用户的操作是否合乎化学实验操作标准。

现有技术进行AR化学实验时，还缺少对液体倾倒操作过程的感知，AR系统无法实现对搅拌操作的人机交互。

发明内容

本发明实施例中提供了基于虚实融合实验的倾倒容器套件及其使用方法，以解决现有AR实验中缺少对倾倒操作感知及监控的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明第一方面提供了基于虚实融合实验的倾倒容器套件，包括倾倒容器，所述套件还包括压感传感器和倾斜传感器；所述压感传感器设置在倾倒容器瓶口，用于感知倾倒液体时，倾倒容器瓶口与接收器的接触状态；所述倾斜传感器设置在倾倒容器侧壁，用于感知倾倒的角度和速度。

进一步地，所述倾倒容器侧壁为双层遮光壁，所述倾斜传感器包括设置在内外壁之间的第一弹簧、滑块和若干光敏电阻；所述第一弹簧的一端固定连接在倾倒容器底部，另一端固定连接滑块，所述光敏电阻沿内壁等距竖直分布，所述滑块靠近内壁的侧面上设置光源。

进一步地，所述倾斜传感器还包括固定在内外壁之间的通光滑道，所述通光滑道为凹槽状，通光滑道凹槽的大小与滑块相匹配；所述光敏电阻设置在通光滑道的背面。

进一步地，所述滑块上设置凹槽，所述光源镶嵌在凹槽内。

进一步地，所述压感传感器包括第二弹簧、触块和触点，所述第二弹簧的一端固定连接倾倒容器瓶口的外沿，另一端固定连接所述触块，所述触点固定在倾倒容器瓶口的内沿，在第二弹簧自由状态下，触块与触点不接触。

本发明第二方面提供了基于虚实融合实验的倾倒容器套件的使用方法，包括以下步骤：

根据套件中各部件的物理信息，设置光敏电阻的个数及相邻光敏电阻的间距，计算各光敏电阻对应的倾斜角度，并保存至AR系统数据库；

将倾倒容器套件靠近接收器，进行倾倒操作；

获取倾斜传感器的信号，判断倾斜角度，并计算倾倒速度；

根据倾斜角度、倾倒速度及压感传感器的信号，判断倾倒过程是否合理；

根据对传感器信号的判断结果，获知当前操作是否符合规范，并在不符合规范时，给出提示。

进一步地，所述各光敏电阻对应的倾斜角度具体为：

式中，θ为倾斜角度，K为第一弹簧的弹力系数，L为倾倒容器内壁的长度，X_min为第一弹簧的最短长度，N为光敏电阻的个数，P_nature为第一弹簧自然状态下触发的光敏电阻的位置，μ为通光滑道的摩擦系数，P_j为T_j时刻触发的光敏电阻的位置，P_min为第一弹簧的最小压缩长度下触发的光敏电阻的位置，P_max为第一弹簧的最大拉伸长度下触发的光敏电阻的位置；W_m＝P_j-P_nature。

进一步地，所述根据倾斜角度及压感传感器的信号，判断倾倒过程是否合理的具体过程为：

在倾斜角度不等于零时，判断压感传感器是否有信号；

若有，则认为倾倒过程合理，若无，则认为倾倒过程不合理。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

通过本发明实施例的倾倒容器套件，在AR化学实验中，AR系统能够实时获取到倾倒时的倾斜角度和倾倒速度以及是否倾倒容器瓶口是否贴近接收器，在实时感知倾倒操作的同时，对于不符合倾倒规范的操作给出提醒，避免实验过程中造成危险，且保证实验结果的精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明所述套件的结构示意图；

图2是本发明所述倾斜传感器的结构示意图；

图3是本发明所述倾斜传感器的通光滑道与滑块、光敏电阻的结构示意图；

图4是本发明所述压感传感器的结构示意图；

图5是本发明所述方法的流程示意图；

图中，1倾倒容器、11外壁、12内壁、2倾斜传感器、21第一弹簧、22滑块、23凹槽、24光源、25通光滑道、26光敏电阻、3压感传感器、31第二弹簧、32触块、33触点。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明的倾倒容器套件包括倾倒容器1、设置在倾倒容器1侧壁的倾斜传感器2和设置在倾倒容器1瓶口的压感传感器3。倾斜传感器2用于感知倾倒液体时，倾倒的角度和速度，压感传感器3用于感知倾倒容器瓶口与接收器的接触状态。接收器包括烧杯、试剂瓶或玻璃棒。

如图2、3所示，倾倒容器侧壁包括外壁11和内壁12，为双层遮光壁，倾斜传感器2包括设置在内外壁之间的第一弹簧21、滑块22和若干光敏电阻26；第一弹簧21的一端固定连接在倾倒容器1底部，另一端固定连接滑块22，光敏电阻26沿内壁12等距竖直分布，滑块22靠近内壁的侧面上设置光源24。为使光源24发出近似直光，在滑块22靠近光敏电阻26的一面设置凹槽23，光源24置于凹槽23内。光源24为LED灯。

倾斜传感器2还包括固定在内外壁之间的通光滑道25，通光滑道25为凹槽状，通光滑道凹槽的大小与滑块相匹配，在进行倾倒操作时，滑块22在通光滑道内滑动；光敏电阻26设置在通光滑道的背面。

进行倾倒操作时，滑块22受力的作用进行运动，随着倾斜角度的增大，滑块拉着第一弹簧21在通光滑道25上做滑动，光源24通过通光滑道25直射到光敏电阻26上，光敏电阻26感受到红外激光从而触发信号的形成。按照一定的时间间隔取值T_j，将触发的位置的光敏电阻的位置信号无线传输至远程计算机中，从而可以得到容器倾斜的角度和速度。

如图4所示，压感传感器3包括第二弹簧31、触块32和触点33，第二弹簧31的一端固定连接倾倒容器1瓶口的外沿，另一端固定连接触块32，触点33固定在倾倒容器1瓶口的内沿，第二弹簧31在自由状态下，触块32与触点33不接触。当容器瓶口靠在其他物体上时，会使得触块32接触触点33，从而触发电信号。将该电信号无线传输给远程计算机，AR系统感知进行“贴近”操作。

触块32连接电源正极和处理器的接地端，触点33连接处理器的信号输入管脚。触块32与触点33接触时，处理器接收到电信号。处理器选用单片机。

如图5所示，对倾倒容器套件的使用方法包括以下步骤：

S1，根据套件中各部件的物理信息，设置光敏电阻的个数及相邻光敏电阻的间距，计算各光敏电阻对应的倾斜角度，并保存至AR系统数据库；

S2，将倾倒容器套件靠近接收器，进行倾倒操作；

S3，获取倾斜传感器的信号，判断倾斜角度，并计算倾倒速度；

S4，根据倾斜角度、倾倒速度及压感传感器的信号，判断倾倒过程是否合理；

S5，根据对传感器信号的判断结果，获知当前操作是否符合规范，并在不符合规范时，给出提示。

步骤S1中，套件中部件的物理信息包括第一弹簧的自然长度为X₀，其弹力系数为K。滑块G(包含LED灯)的质量，使得当第一弹簧悬挂该滑块时的弹簧长度为容器壁的长度L(此时激光灯恰好到达最后一个光敏电阻，即第N个光敏电阻)，该长度定义为弹簧的最大长度X_max，当滑块竖直放在弹簧上的长度为弹簧的最短长度X_min，光敏电阻的个数N，每个光敏电阻之间的距离d满足：

倾斜角θ为倾倒容器与竖直面的夹角，设定滑块从下向上移动为正方向，即倾斜角θ增大为正方向，在远程计算机端接收信号，比较信号之间发生的变化。为求出弹簧的形变量，设弹簧最小压缩长度、弹簧自然长度、弹簧最大拉伸长度时光源所达到的光敏电阻的位置分别为P_min，P_nature，P_max，按照时刻T_j采集所触发的感光信号位置P_j，与P_nature相比，得到该时刻的形变距离

Δx＝d*(P_r-P_nature) (2)

令W_m＝P_j-P_nature当W_m＜0时，0°＜θ＜90°；当W_m＞0时，90°＜θ＜180°。由此可以判断倾斜角θ的范围。

在倾倒过程中有三个状态点，以竖直方向为参考轴，第一个是正立竖直时，θ＝0°；第二个状态点是将容器旋转到水平的时候，θ＝90°；第三个状态点是将容器完全倒转，θ＝180°。由这三个状态点将0到180度划分为两个阶段，即0°＜θ＜90°和90°＜θ＜180°，分别为阶段一和阶段二。

设弹簧在T_j时刻的长度变化量为Δx(与自然长度X₀相比)，且弹力系数为K，通光滑道的摩擦系数为μ，受力分析，得：

1).当θ＝0°时，F_弹＝G＝mg，此，K*Δx＝mg，此时滑块处于出点“0”的位置，记为X_min。

2).当0°＜θ＜90°时，

得

3).当θ＝90°时，F_弹＝0；弹簧处于自然长度，记为X₀；

4).当90°＜θ＜180°时，

得

5).当θ＝180°时，F_弹＝G＝mg，因此，K*Δx＝mg，此时滑块处于出点“8”的位置，为容器侧壁最长长度，记为X_max。

求得的T_j时刻的角度θ整理如下：

由公式(1)和(2)求得(4)，

将(4)带入上式(3)中，得(5)：

基于上述计算过程，得到每个光敏电阻对应的倾斜角度，并将其保存至AR数据库中。

步骤S3中，根据倾斜传感器获取到的光敏电阻的信号，判断出倾斜角度，在时间间隔T_j-T_(j-1)内，变化速度V如公式(6)：

步骤S4中，在倾倒传感器接收到信号后，判断压感传感器是否有信号；若有，则认为倾倒过程合理，若无，则认为倾倒过程不合理。

步骤S5中，结合倾倒速度，综合判断当前操作是否符合规范，并在不符合规范时，通过AR系统给出提示。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于虚实融合实验的倾倒容器套件的使用方法，所述倾倒容器套件包括倾倒容器、压感传感器和倾斜传感器；所述压感传感器设置在倾倒容器瓶口，用于感知倾倒液体时，倾倒容器瓶口与接收器的接触状态；所述倾斜传感器设置在倾倒容器侧壁，用于感知倾倒的角度和速度；所述倾倒容器侧壁为双层遮光壁，所述倾斜传感器包括设置在内外壁之间的第一弹簧、滑块和若干光敏电阻；所述第一弹簧的一端固定连接在倾倒容器底部，另一端固定连接滑块，所述光敏电阻沿内壁等距竖直分布，所述滑块靠近内壁的侧面上设置光源，其特征是，包括以下步骤：

根据套件中各部件的物理信息，设置光敏电阻的个数及相邻光敏电阻的间距，计算各光敏电阻对应的倾斜角度，并保存至AR系统数据库，所述各部件的物理信息包括第一弹簧的自然长度、最大长度、最短长度、弹力系数以及容器壁的长度；

将倾倒容器套件靠近接收器，进行倾倒操作；

获取倾斜传感器的信号，判断倾斜角度，并计算倾倒速度；

根据倾斜角度、倾倒速度及压感传感器的信号，判断倾倒过程是否合理；

根据对传感器信号的判断结果，获知当前操作是否符合规范，并在不符合规范时，给出提示。

2.根据权利要求1所述的基于虚实融合实验的倾倒容器套件的使用方法，其特征是，所述各光敏电阻对应的倾斜角度具体为：

式中，θ为倾斜角度，K为第一弹簧的弹力系数，L为倾倒容器内壁的长度，X_min为第一弹簧的最短长度，N为光敏电阻的个数，P_nature为第一弹簧自然状态下触发的光敏电阻的位置，μ为通光滑道的摩擦系数，P_j为T_j时刻触发的光敏电阻的位置，P_min为第一弹簧的最小压缩长度下触发的光敏电阻的位置，P_max为第一弹簧的最大拉伸长度下触发的光敏电阻的位置。

3.基于权利要求1所述的基于虚实融合实验的倾倒容器套件的使用方法，其特征是，所述根据倾斜角度及压感传感器的信号，判断倾倒过程是否合理的具体过程为：

在倾斜角度不等于零时，判断压感传感器是否有信号；

若有，则认为倾倒过程合理，若无，则认为倾倒过程不合理。

Images