CN111667733A - 仿真实验操作中感知容器位置的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿真实验操作中感知容器位置的方法，其特征在于，所述的方法包括：将主容器整体划分为若干子区域；S2：在同一坐标系下，生成每一个子区域的坐标值；在每一个子区域内设置一携带其坐标值的信号发生装置；在副容器内设置信号接收装置；利用主容器向副容器进行倾倒操作；信号接收装置识别信号发生装置，并将该信号发生装置的坐标值传送至后台操作端；后台操作端基于该坐标值建立主、副容器的三维坐标，并生成实时的演示图像。该方法通过主、副容器的位置交互，实现对于容器位置间的精确感知，提升实验操作的仿真度。此外，基于该方法，本申请还提供了相应的实现装置。

Description

仿真实验操作中感知容器位置的方法及装置

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种仿真实验操作中感知容器位置的方法及装置。

背景技术

随着虚拟现实技术的研究，对于虚拟现实技术在仿真实验中的具体应用已经相对成熟，基本上满足虚拟环境下对于实验操作过程的需求，实现对实验操作过程的演示。

现有的仿真实验中，对于虚拟容器的位置感知，大多是基于人手的动作来实现的，其原理是基于人手的握持姿态和移动方向，推导出容器所处的位置，并以此建立实验操作过程的整个轨迹模型。

然而，对于上述的原理来说，由于其容器位置的判断，并不是直接识别容器之间的相对关系，在操作过程中，就无法实现精细化的操作，仅仅是从整体上模拟或建立实验过程。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种仿真实验操作中感知容器位置的方法及装置，通过主、副容器的位置交互，实现对于容器位置间的精确感知，提升实验操作的仿真度。

本发明公开了如下技术方案：

本发明实施例提供了一种仿真实验操作中感知容器位置的方法，所述的方法包括：

S1：将主容器整体划分为若干子区域；

S2：在同一坐标系下，生成每一个子区域的坐标值；

S3：在每一个子区域内设置一携带其坐标值的信号发生装置；

S4：在副容器内设置信号接收装置；

S5：利用主容器向副容器进行倾倒操作；

S6：信号接收装置识别信号发生装置，并将该信号发生装置的坐标值传送至后台操作端；

S7：后台操作端基于该坐标值建立主、副容器的三维坐标，并生成实时的演示图像。

优选的，步骤S1中，子区域的划分过程为：将主容器内壁用母线和垂直于母线的圆环相交，得到若干类似于矩形的区域，再按照母线方向进行均匀分割后，即为划分的子区域。

进一步的，步骤S2中，每一个子区域坐标值的生成过程为：

在主容器器壁上任意确定一条“起始”母线，以此“起始”母线上的一点为坐标原点，测量每个子区域中心位置相对于坐标原点的角度和高度，得到每一个子区域的坐标值。

更进一步的，步骤S2中，每一个子区域坐标值的生成过程还包括：

测得每一个子区域的坐标值后，在每一个子区域内设置一携带其坐标值的信号发生装置，手持一个信号接收装置，逐个接收每一个信号发生装置的坐标值，验证该坐标值是否准确。

进一步的，信号发生装置所携带的坐标值，包括以下两种方式：

一种是步骤S2中该子区域的实际坐标值；

另一种是与坐标值对应的唯一标识码，该标识码可以指示对应的子区域。

进一步的，步骤S6中，在信号接收装置接收信号的同时，测量信号接收装置与信号发生装置之间的位移，并将该位移同步发送至后台操作端。

利用上述的方法，本发明实施例还提供了一种仿真实验操作中感知容器位置的装置，所述的装置包括：

主容器，设置有若干子区域，任一子区域安装一信号发生装置，该信号发生装置均携带对应子区域坐标；

副容器，设置信号接收装置，用于接收信号发生装置的坐标信息并上传至后台操作端；

后台操作端，用于接收坐标信息，建立主、副容器的三维坐标及模拟图像。

进一步的，所述的装置还包括：

位移测量装置，用于在信号接收装置接收信号的同时，测量信号接收装置与信号发生装置之间的位移，并将该位移同步发送至后台操作端。

本发明的有益效果：

相比于现有技术中基于手部形态推导容器位置的方法，本申请将主容器数据化，使组成主容器的每一个子区域均携带坐标数据，且携带的坐标数据能够还原出整个容器的形态，因此，副容器的信号识别装置，仅需要识别一个子区域的有效信息，即可还原出主容器的具体形态，实现对于容器位置的精确感知。

为了更好的实现位置感知，还通过测量信号识别装置和信号发生装置之间的位移，在同一个坐标系下建立主、副容器的三维模型，实现两者空间位置的精确还原。

附图说明

图1为本发明方法实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。

实施例

如图1所示，本发明实施例提供了一种仿真实验操作中感知容器位置的方法，所述的方法包括：

1)将主容器整体划分为若干子区域。该过程的主要目的，在于将主容器的各个位置进行坐标化，达到通过一个坐标还原出整个主容器形态的目的。

对于划分子区域的方法，可以采用普通的网格划分方法，也可以在此基础上设计一个更加方便的划分方法，具体原理为：将烧杯内壁用母线和垂直于母线的圆环相交，得到若干类似于矩形的区域，根据需要设置圆环沿母线上下移动的距离，即可得到均匀分布的子区域。

2)在同一坐标系下，生成每一个子区域的坐标值。该过程的实现原理，在于确立一个基准坐标，测量并记录每一个子区域相对于基准坐标的位移向量。

具体来说，一种生成子区域坐标值的有效方法为：在主容器器壁上任意确定一条“起始”母线，以此“起始”母线上的一点为坐标原点，测量每个子区域中心位置相对于坐标原点的角度和高度，得到每一个子区域的坐标值。

为了保证此时获取的坐标值是准确的，测得每一个子区域的坐标值后，在每一个子区域内设置一携带其坐标值的信号发生装置，手持一个信号接收装置，逐个接收每一个信号发生装置的坐标值，验证该坐标值是否准确，具体的验证标准，可以采用将主容器还原的做法，即利用获取的坐标值还原的主容器，与实际主容器是否一致。

3)在每一个子区域内设置一携带其坐标值的信号发生装置，每一个信号发生装置的设置位置，最好是子区域的中心，从而确保上一步骤测得的坐标值与信号发生装置的位置是一致的。

4)在副容器内设置信号接收装置，该信号接收装置设置在副容器的内部即可，一般来说，设置一个就可以，必要时可以设置多个。

对于信号接收装置而言，也可以参照主容器测量子区域坐标值的方法，测量副容器内信号接收装置的坐标值。

5)利用主容器向副容器进行倾倒操作，需要注意的是，此过程需要在搭建完成的虚拟操作平台上进行，虚拟操作平台主要实现容器的识别和操作的模拟。

6)信号接收装置识别信号发生装置，并将该信号发生装置的坐标值传送至后台操作端。

该过程中，对于识别信号发生装置的方式，可以采用不同的识别模式：

识别模式1，当主、副容器达到相对位置的最终确立后，即倾倒过程持续发生时，信号接收装置识别此时对应的一个信号发生装置，并将该信号发生装置的坐标值传送至后台操作端。

识别模式2，当进行倾倒时，信号识别装置依次识别每一个进入识别范围的信号发生装置，并将识别坐标值按照时间顺序依次传送至后台操作端。

相比于识别模式1，识别模式2能完整还原出整个对于容器的操作姿态和轨迹，反映学生的操作动作是否规范，而识别模式1仅仅能识别倾倒液体的位置和体积。

7)后台操作端基于该坐标值建立主、副容器的三维坐标，并生成实时的演示图像。

该过程的实现原理为：建立一个三维坐标系，然后将获取的主容器坐标值放入对应坐标值处，则此时的坐标原点则等同于主容器的基准点，而主容器其它子区域的坐标值则处于该坐标系的相应坐标值处，将坐标值连线即可得出主容器的三维模型。同理，也看得出副容器的三维模型。

为了更精确的得到主、副容器的相对位置关系，在步骤6)中，在信号接收装置接收信号的同时，测量信号接收装置与信号发生装置之间的位移，并将该位移同步发送至后台操作端即可。

利用上述的方法，本发明实施例还提供了一种仿真实验操作中感知容器位置的装置，所述的装置包括：主容器，设置有若干子区域，任一子区域安装一信号发生装置，该信号发生装置均携带对应子区域坐标；副容器，设置信号接收装置，用于接收信号发生装置的坐标信息并上传至后台操作端；后台操作端，用于接收坐标信息，建立主、副容器的三维坐标及模拟图像。

更进一步的，为了确定主副容器之间的位置关系，本装置还设有位移测量装置，用于在信号接收装置接收信号的同时，测量信号接收装置与信号发生装置之间的位移，并将该位移同步发送至后台操作端。

对于方法和装置中描述的信号发生装置和信号接收装置，可以采用市面上能够实现识别和通讯的一对模块或设备即可，例如，信号发生装置采用光源，信号接收装置采用光敏传感器；信号发生装置采用红外发射器，信号接收装置采用红外接收器或红外传感器；信号发生器采用无线发射模块，信号接收器采用无线接收模块；信号发生器采用吹气装置，信号接收器采用压力传感器等等。

对于上述举例的原理，在实际使用时可能会增加相应设备，以辅助完成整个功能，以光源和光敏传感器的原理为例，其具体实现的结构和方式如下：

将LED光源和光敏传感器分别布置于主、副容器构成光源模块和光敏传感器模块，光源模块和光敏传感器模块分别通过挂钩与模具内壁相连，使得主容器倾倒时，光源始终保持自然下垂。

光源模块内设置LED光源和红外测距传感器，在副容器的光敏传感器模块底部中心均匀涂上荧光粉，使得主容器位于副容器的正上方时，其内的光源可以照射到荧光粉上。

在副容器的光敏传感器模块中，将光敏传感器、纽扣电池、计算与通信模块连成回路；在副容器出口与光敏传感器之间设置遮光板，减少光敏传感器受外界自然光线的干扰。

需要注意的是，上述的举例过程中，实际上还包含了位移测量装置的设置及应用，虽然上述举例中位移测量装置安装在信号发生装置上，但是位移测量装置还可以安装在信号接收装置、主容器、副容器甚至是操作台上，只要能实现位移测量即可。

对于信号发生器采用吹气装置，信号接收器采用压力传感器的结构，其实现原理略有不同，具体原理和功能为：

吹气装置由气吹、按压装置、活动气嘴组成。气吹出气口安装一个活动气嘴，主容器倾斜时活动气嘴自然垂直落下；按压装置贴于气吹的两侧，供用户按压气吹，挤出气体；气吹的尾部进气，头部出气。

用户倾倒时，可按压烧杯壁上的按压装置，当用户按压时，按压装置按入烧杯内，气体由气吹头部吹出，当松开时由于气吹尾部进气会将按压装置自然弹出。

试剂选择装置由一个触摸传感器组成，使用一个触摸传感器选择不同的化学物质；自身感知装置由一个在姿态传感器组成，通过姿态信息获取主容器的倾倒角度和倾倒速度。

在副容器底部设有两个压力感应单元，每个压力感应单元由多个压力传感器组成，用于感知气体压力。中间位置的压力感应单元用于感知烧杯中间的气体压力，右侧的压力感应单元用于感知烧杯壁的气体压力。

此外，对于本技术方案中所描述的主容器和副容器，其主要目的在于区分两个实验设备，并不限于量杯、烧杯等容器，同时，在实际使用时，主、副容器可以合二为一，即同时加装信号呼叫装置和信号接收装置，具备主容器和副容器的功能。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明的具体结构，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管说明书及附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.仿真实验操作中感知容器位置的方法，其特征在于，所述的方法包括：

S1：将主容器整体划分为若干子区域；

S2：在同一坐标系下，生成每一个子区域的坐标值；

S3：在每一个子区域内设置一携带其坐标值的信号发生装置；

S4：在副容器内设置信号接收装置；

S5：利用主容器向副容器进行倾倒操作；

S6：信号接收装置识别信号发生装置，并将该信号发生装置的坐标值传送至后台操作端；

S7：后台操作端基于该坐标值建立主、副容器的三维坐标，并生成实时的演示图像。

2.根据权利要求1所述的仿真实验操作中感知容器位置的方法，其特征在于，步骤S1中，子区域的划分过程为：将主容器内壁用母线和垂直于母线的圆环相交，得到若干类似于矩形的区域，即为划分的子区域。

3.根据权利要求1所述的仿真实验操作中感知容器位置的方法，其特征在于，步骤S2中，每一个子区域坐标值的生成过程为：

在主容器器壁上任意确定一条“起始”母线，以此“起始”母线上的一点为坐标原点，测量每个子区域中心位置相对于坐标原点的角度和高度，得到每一个子区域的坐标值。

4.根据权利要求3所述的仿真实验操作中感知容器位置的方法，其特征在于，步骤S2中，每一个子区域坐标值的生成过程还包括：

测得每一个子区域的坐标值后，在每一个子区域内设置一携带其坐标值的信号发生装置，手持一个信号接收装置，逐个接收每一个信号发生装置的坐标值，验证该坐标值是否准确。

5.根据权利要求1所述的仿真实验操作中感知容器位置的方法，其特征在于，信号发生装置所携带的坐标值是步骤S2中该子区域的实际坐标值；或者是与坐标值对应的唯一标识码，该标识码可以指示对应的子区域。

6.根据权利要求1所述的仿真实验操作中感知容器位置的方法，其特征在于，步骤S6中，在信号接收装置接收信号的同时，测量信号接收装置与信号发生装置之间的位移，并将该位移同步发送至后台操作端。

7.仿真实验操作中感知容器位置的装置，其特征在于，所述的装置包括：

主容器，设置有若干子区域，任一子区域安装一信号发生装置，该信号发生装置均携带对应子区域坐标；

副容器，设置信号接收装置，用于接收信号发生装置的坐标信息并上传至后台操作端；

后台操作端，用于接收坐标信息，建立主、副容器的三维坐标及模拟图像。

8.根据权利要求7所述的仿真实验操作中感知容器位置的装置，其特征在于，所述的装置还包括：

位移测量装置，用于在信号接收装置接收信号的同时，测量信号接收装置与信号发生装置之间的位移，并将该位移同步发送至后台操作端。

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