CN110428684A - 虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统及工作方法，其中，物理实验仿真智能引擎系统包括用户虚拟操作模块、设备管理模块、虚拟电路逻辑模块和考试控制模块。其中，用户虚拟操作模块向用户提供一个虚拟物理实验环境，使得用户能自由拼装、组合实验器材并根据器材的状态向用户呈现不同的现象；而设备管理模块，则根据即时用户在电路中选择的设备类型及连接关系，将电路抽象成一张无向图并借助虚拟电路逻辑模块进行电流计算，实时更新设备的状态，从而能迅速准确地模拟出实验现象和实验数据。考试控制模块根据以上的现象和数据，给予用户一个客观准确的评价。

Description

虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统及工作方法

技术领域

本发明涉及虚拟仿真技术领域，具体涉及一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统及工作方法。

背景技术

虚拟仿真技术以信息技术应用为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等感官方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。与传统物理操作实验相比，虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统具有三大优势：无地点约束、安全、低成本。无地点约束，即进行该引擎系统不需要实验室等固定场所，不受地点的限制，任何有计算机和网络的地方都可以进行虚拟实验操作。安全，即进行虚拟实验过程中，用户不需要接触高压、危险系数较高的物理仪器，可以直接通过该引擎系统来对实验进行操作。低成本，即进行虚拟实验不需要再购买昂贵的实验设备。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，并正确还原物理电学的实验效果，本发明提供一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统及工作方法，该物理仿真智能引擎系统使用户能自由拼装、组合各种电学实验器材，完成上万种搭配，正确模拟出上万种实验现象。同时，该系统也使得用户对实验的原理、反应以及仪器的结构更为了解，能够极大地提升学生的设计思考能力和动手操作能力。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，所述的物理实验仿真智能引擎系统包括用户虚拟操作模块、设备管理模块、虚拟电路逻辑模块和考试控制模块，其中，

所述的用户虚拟操作模块，对用户的操作进行界面显示。将用户的操作信息转化为一条条指令，并传递给设备管理模块，进而建立一个虚拟物理实验环境，使得用户能够自由拼装、组合实验设备；同时，该模块还能根据电路中设备的变化情况，向用户展现不同的实验现象。

所述的事件信息指的是指的是监听到的元件之间的组合、组合后经过元件的电流的变化以及组合后元件之间所产生的实验现象这三种信息；

所述的设备管理模块，根据用户虚拟操作模块中所转化的指令信息，呼叫虚拟电路逻辑信息来进行设备模型的构建；同时将设备信息、设备连线操作信息以及设备事件信息发送给虚拟电路逻辑模块进行处理，进而更新实验设备的状态。

进一步地，所述的虚拟电路逻辑模块包括物理电路管理模块和抽象电路管理模块，其中，所述的物理电路管理模块，接收设备管理模块的信息，对现实存在的设备模型进行子图预定义，同时，创建或增删其设备模型所需要的节点，随后结合子图和节点，完成设备模型的构建。构建完设备模型后，本模块再将其设备信息、节点信息传递给抽象电路管理设备进行电路计算。

其中的节点，指的是元件的连接点(即支路与支路的交接点)。

所述的抽象电路管理模块，接收物理电路管理模块的设备信息和节点信息，进而绘制、修改抽象电路图；同时，计算电路中所有元件的电流，并判断电路中元件的串并联信息。

所述的考试控制模块用于实时监听设备管理模块的进程，并依照触发的虚拟设备事件匹配的结果进行评分。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统的工作方法，所述的工作方法包括以下步骤：

S1、用户对实验进行虚拟操作，用户虚拟操作模块将其操作信息转化为一条条指令发送给设备管理模块；

S2、设备管理模块接收用户虚拟操作模块所转化的指令信息，首先呼叫虚拟电路逻辑模块构建设备模型，并将设备信息、设备连线信息以及设备事件信息传递给虚拟电路逻辑模块；

S3、虚拟电路逻辑模块则根据其接收的信息，命令物理电路管理模块进行设备模型的构建，并创建或增删其设备所需的节点；同时，也命令抽象电路管理模块进行绘制、修改抽象电路图，并计算电路中元件的电流和判断电路中元件的串并联关系；

所述的电路计算，其工作原理如下：

给定一个闭合电路，假设电路有m个设备元件，其中某个节点D(节点指的是支路与支路的交接点)，有n条支路跟这个节点D相连，同时假设流入这个节点D的电流为正值，流出这个节点D的电流为负值，则流入和流出这个节点S的所有电流的代数和则等于0，即电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和，以方程表达，对于电路的任意节点满足如下公式：

同理，在一个闭合回路中，沿着闭合回路的所有电动势的代数和等于所有电压降的代数和，以方程表达，对于电路的任意闭合回路有：

其中，I代表电流，U代表电压，I_k是第k个流进入或离开这个节点的第k个电流值，是流过与这个节点相连接的第k个支路的电流，m是此闭合回路中元件数目，U_a是元件两端的电压。

S4、虚拟电路逻辑模块将其计算的电流结果反馈给设备管理模块，同时，将其串并联信息传递给考试控制模块；

S5、设备管理模块，根据反馈的电流结果，更新设备的状态信息，并将变化后的设备信息反馈给用户虚拟操作模块进行实验现象展现。

S6、考试控制模块通过设备管理模块的信息以及电路逻辑模块的串并联信息，对实验内容进行阶段性匹配，进而评分。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明中主要通过直接调用函数的方式来使用引擎，这样做的优势在于，引擎能及时收到用户虚拟操作模块提供的原始数据即用户的元器件选择及其摆放位置(电路中的相对位置)，并通过算法计算出每个元件的电流和电流方向返回给用户虚拟操作模块，用户虚拟操作模块再把计算结果通过可视化的方式呈现给用户达到智能判断的效果。

2、该发明中元件的位置可以自由变换。该物理仿真智能引擎通过对电路中所有元件串并联关系进行判断，判断方式为两两对比，假如某个电路有n个元件，则需要对比n+(n-1)+(n-2)+…+(n-n)次，并把判断结果通过二维数组储存起来，这个数组内元素顺序随机，可以用来做电路对比，正确性判断，并且支持等效电路元器件自由变换。

3、通过本发明提出的虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，为学校的课程考试带来便利，不仅可以节省纸张和印刷的费用，还可以减轻教学人员的工作压力，提高工作效率。更主要的是，本发明使学生能够自由拼装、组合各种电学实验器材，并模拟出上万种实验现象。

附图说明

图1是本发明中公开的虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统的组成结构图；

图2是本发明中公开的虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统工作方法的流程示意图；

图3是本发明中用户虚拟操作模块与设备管理模块的关系示意。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，如图1所示，该物理实验仿真智能引擎系统包括用户虚拟操作模块、设备管理模块、虚拟电路逻辑模块和考试控制模块，其中，

所述的用户虚拟操作模块，对用户的操作进行界面显示。将用户的操作信息转化为一条条指令，并传递给设备管理模块，进而建立一个虚拟物理实验环境，使得用户能够自由拼装、组合实验设备；同时，该模块还能根据电路中设备的变化情况，向用户展现不同的实验现象。

所述的事件信息指的是指的是监听到的元件之间的组合、组合后经过元件的电流的变化以及组合后元件之间所产生的实验现象这三种信息；

所述的设备管理模块，根据用户虚拟操作模块中所转化的指令信息，呼叫虚拟电路逻辑信息来进行设备模型的构建；同时将设备信息、设备连线操作信息以及设备事件信息发送给虚拟电路逻辑模块进行处理，进而更新实验设备的状态。

进一步地，所述的虚拟电路逻辑模块包括物理电路管理模块和抽象电路管理模块，其中，所述的物理电路管理模块，接收设备管理模块的信息，对现实存在的设备模型进行子图预定义，同时，创建或增删其设备模型所需要的节点，随后结合子图和节点，完成设备模型的构建。构建完设备模型后，本模块再将其设备信息、节点信息传递给抽象电路管理设备进行电路计算。

其中的节点，指的是元件的连接点(即支路与支路的交接点)。

所述的抽象电路管理模块，接收物理电路管理模块的设备信息和节点信息，进而绘制、修改抽象电路图；同时，计算电路中所有元件的电流，并判断电路中元件的串并联信息。

所述的电路计算，其工作原理如下：

给定一个闭合电路，假设电路有m个设备元件，其中某个节点D(节点指的是支路与支路的交接点)，有n条支路跟这个节点D相连，同时假设流入这个节点D的电流为正值，流出这个节点D的电流为负值，则流入和流出这个节点S的所有电流的代数和则等于0，即电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和，以方程表达，对于电路的任意节点满足如下公式：

同理，在一个闭合回路中，沿着闭合回路的所有电动势的代数和等于所有电压降的代数和，以方程表达，对于电路的任意闭合回路有：

其中，I代表电流，U代表电压，I_k是第k个流进入或离开这个节点的第k个电流值，是流过与这个节点相连接的第k个支路的电流，m是此闭合回路中元件数目，U_a是元件两端的电压。

所述的考试控制模块用于实时监听设备管理模块的进程，并依照触发的虚拟设备事件匹配的结果进行评分。

实施例二

本实施例公开了一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统的工作方法。其中，图2是本实施例中的虚拟现实的物理仿真智能引擎系统的实现方法的流程结构图，图3是本实例中用户虚拟操作模块与设备管理模块间的关系图。其工作方法的技术步骤如下：

S1、首先，用户对实验进行虚拟操作，对设备进行选择，并在设备与设备之间进行连线；

S1-1、用户虚拟操作模块，根据用户的操作，调用与被选择的设备绑定的脚本，将用户的操作转化为<操作，设备id>的指令传递给设备管理模块；

其中，设备的可操作性主要通过以下步骤实现。首先给定一个设备实例，对它执行以下操作：

①确定该操作适用于该设备类型，否则拒绝该操作。

②根据操作，修改实例中某元件的属性。

③计算电流，并根据上述方法汇报所有的元件的电流信息。

S2、设备管理模块的接口接收到用户虚拟操作模块所转化的指令信息，首先根据其设备的id值，调用其对应的函数，进而呼叫虚拟电路逻辑模块构建设备模型；

S2-1、同时，将设备信息、设备连线信息以及设备的事件信息传递给虚拟电路逻辑模块进行处理；

S3、虚拟电路逻辑模块则根据其接收的信息，命令物理电路管理模块进行设备模型的构建，并创建或增删该设备模型所需的节点；

S3-1、抽象电路管理模块，则进行绘制、修改抽象电路图的操作；

S3-2、完成了抽象电路图的绘制和修改后，则对电路中元件的电流及元件的串并联关系进行计算和判断；

S4、虚拟电路逻辑模块将其计算的电流结果反馈给设备管理模块，同时，将其串并联信息传递给考试控制模块；

S5、设备管理模块，根据反馈的电流结果，更新设备的状态信息，并将变化后的设备信息以<设备id，事件>的形式反馈给用户虚拟操作模块进行实验现象展现。

S6、考试控制模块通过设备管理模块的信息以及电路逻辑模块的串并联信息，对实验内容进行阶段性匹配，进而评分。

实施例三

本实施例公开了一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统的工作方法。其中，抽象电路管理模块的电路计算和串并联关系判断，其过程如下:

假设电路为纯电阻电路，可以将其视为一个图结构G(V,E),任意e_i∈E是一个纯电阻元件(规定边的两顶点为左、右节点)，节点v_j∈V是元件的连接点。对于每一个元件e_i，还具有以下额外属性：电动势U_i、电阻R_i、电流I_i(正负表示电流的方向)。

首先，对电路进行简化(即支路化)：

根据物理基本概念：串联的元件视它为一条支路s,支路具有以下属性：

①元件集合:ESet_k其中包含的元件集合，其中的各元件相互串联；

②电阻R_k：为其中所有元件的电阻之和；

③电流I_k：支路电流，与其中任意一个元件的电流的绝对值相等。

④电动势U_k：支路电动势

⑤左右节点：支路两端的节点。接着，将所有元件E归入其中一个支路，执行以下循环遍历所有元件：

①如果当前元件其中一个度数为1：必然不联通，直接令其电流为0，移出计算。

②如果当前元件存在度数为2的节点，且该节点的另一端的元件已经归入一个支路，那么将本元件归于同一个支路，并调整支路的节点和电动势。(如果节点对于支路和元件为一左一右，电动势相加，否则为支路电动势减去元件的)

③新建一个支路，将本元件归入该支路中，支路的左右节点等于该元件的左右节点。执行完毕后得到支路集S。

最后，联立矩阵并计算：

假设有n个支路，那么建立一个n x n的矩阵A以及一个n x 1的子矩阵b。

根据所有进入某节点的电流的总和等于所有离开这节点的电流的总和这一原理，联立矩阵A的行。

对于每一个节点v_j：

如果一个支路s_k的左节点是v_j,当前行的第k个位置的值加1；

如果一个支路s_k的右节点是v_j,当前行的第k个位置的值减1。

然后，测试该行是否与已有的行独立，如果独立则保留该行。

根据沿着闭合回路所有元件两端的电势差(电压)的代数和等于零，继续联立矩阵A的行。

首先，根据支路，找出所有的环，并为这个环随机选择一个电流方向。

对于每一个环R：

①如果一个支路s_k属于这个环，且电流方向相同，那么当前行的第k个位置的值设为支路的电阻R_k,b矩阵当前行的值加上支路的电动势U_k。

②如果一个支路s_k属于这个环，且电流方向相反，那么当前行的第k个位置的值设为支路的电阻R_k,b矩阵当前行的值减去上支路的电动势U_k。

然后，测试该行是否与已有的行独立，如果独立则保留该行。

因为求解k个未知值，A矩阵应当满秩，求解Ax＝b可以得到所有支路的电流，支路电流等于其中元件的电流，元件电流得解。

对于任意两个元件e_a,e_b∈E的串并联关系判断：

(1)如果两个元件属于同一个支路，串联。

(2)如果两个元件都是各自支路的唯一元件，且存在一个环仅含有这两个支路，并联。

(3)剩下的不属于任何一种关系。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于，所述的物理实验仿真智能引擎系统包括用户虚拟操作模块、设备管理模块、虚拟电路逻辑模块和考试控制模块，其中，

所述的用户虚拟操作模块，对用户的物理实验虚拟仿真操作进行界面显示，即将用户的操作信息转化为一条条指令信息，并传递给设备管理模块进行处理，同时，根据设备的不同状态向用户呈现不同的实验现象；

所述的设备管理模块，用于呼叫虚拟电路逻辑模块创建、增删设备模型和修改设备的参数；同时，实时更新设备模型的状态信息；

所述的虚拟电路逻辑模块，根据抽象电路图和物理公式，来对电流进行计算；

所述的考试控制模块用于实时监听设备管理模块的进程，并依照触发的虚拟设备事件匹配的结果进行评分。

2.根据权利要求1所述的虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于，所述的用户虚拟操作模块中的指令信息，指的是用户虚拟操作模块调用设备管理模块中相对应的设备id值以及与该设备绑定的脚本信息。

3.根据权利要求1所述的虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于，所述的设备管理模块，其功能包括：

(1)根据用户虚拟操作模块所转化的指令信息，来呼叫虚拟电路逻辑模块创建、增删设备模型和修改设备的参数，所述的设备模型，是一定的元件和节点的组合体，所述的修改设备的参数是指修改元件的属性信息；

(2)根据虚拟逻辑电路中的信息，更新设备模型的状态信息，并反馈给用户虚拟操作模块进行实验现象显现。

4.根据权利要求3所述的虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于，

所述的元件，是一种具有固定电阻、电动势的物件，其两端各指向一个节点，具有以下四个属性：两端连接、电动势E、电阻R、电流I；

所述的节点，指的是元件的连接点，即支路与支路的交接点，用v_j表示。

5.根据权利要求1所述的虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于，所述的虚拟电路逻辑模块包括物理电路管理模块和抽象电路管理模块，其中，

所述的物理电路管理模块，根据设备管理模块的要求，创建、修改或删除设备及其节点，同时，将其节点的信息和设备信息传递给抽象电路管理模块；

所述的抽象电路管理模块，用于关注物理电路管理模块中节点的增删以及连线，进而对抽象电路图进行绘制、修改，随后根据电路图来计算所有元件的电流。

6.一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统的工作方法，其特征在于，所述的工作方法步骤如下：

S1、用户对实验进行虚拟操作，用户虚拟操作模块将其操作信息转化为一条条指令信息，并传递给设备管理模块进行处理；

S2、设备管理模块接收用户虚拟操作模块中的指令信息，即设备id和与设备绑定的脚本信息，首先根据其脚本信息调用相对应的函数，呼叫虚拟电路逻辑模块对设备模型进行创建、移动或删除；

S3、虚拟电路逻辑模块中的物理电路管理模块根据设备管理模块所要求的设备，对实验设备进行子图预定义，创建或增删该设备所需的节点，结合子图和节点，对设备模型进行构建，最后将其节点和设备信息传递给抽象电路管理模块；

S4、抽象电路管理模块，根据物理电路管理模块所传递的信息，绘制、修改抽象电路图，并进行电路计算，同时，对电路的串并联信息进行判断；

S5、考试控制模块通过设备管理模块的信息以及虚拟电路逻辑模块的数据信息，对实验内容进行阶段性匹配，进而评分。

7.根据权利要求6所述的虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统的工作方法，其特征在于，所述的步骤S1的操作信息包括绘制电路图、设备选择以及设备连线。

8.根据权利要求6所述的虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统的工作方法，其特征在于，所述的步骤S4中的电路计算，其过程如下：

给定一个闭合电路，假设电路有m个设备元件，其中某个节点D，有n条支路跟这个节点D相连，同时假设流入这个节点D的电流为正值，流出这个节点D的电流为负值，则流入和流出这个节点S的所有电流的代数和则等于0，即电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和，以方程表达，对于电路的任意节点满足如下公式：

同理，在一个闭合回路中，沿着闭合回路的所有电动势的代数和等于所有电压降的代数和，以方程表达，对于电路的任意闭合回路有：

其中，I代表电流，U代表电压，I_k是第k个流进入或离开这个节点的第k个电流值，是流过与这个节点相连接的第k个支路的电流，m是此闭合回路中元件数目，U_a是元件两端的电压。