CN113011723A - 一种基于增强现实的远程装备维保系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于增强现实的远程装备维保系统，涉及增强现实技术领域。本发明提出的基于增强现实的远程装备维保系统，支持维修训练和辅助维修两种模式，提高了维保系统的利用率。远程辅助维修，有效利用专家库知识，降低了对维保操作人员的技术要求。远程方案推送使得基于增强现实的装备维保训练系统能应用于更多的场景，而非系统预先定制的有限场景。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，具体涉及一种基于增强现实的远程装备维保系统。
背景技术
增强现实技术是借助计算机图形技术和可视化技术产生真实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟物体准确“放置”到真实环境中，借助显示设备将虚拟物体与真实环境融为一体，并呈现给用户一个感官效果真实的新环境。
近年来，随着增强现实技术的兴起，人们逐渐尝试将增强现实技术应用于装备维保训练系统中。有研发人员利用AR技术构建虚拟的装备维修场景，并提供装备模型供操作学员反复进行操作训练。
国家发明专利“一种电网增强现实培训系统”(公开号CN109410683A)，提出了电子培训设备技术领域的一种电网增强现实培训系统，给学员提供身临其境的爬杆训练体验，该发明专利主要应用与电网系统的维修训练场景。
国家发明专利“基于增强现实技术的教学辅助系统”(公开号CN107705645A)，提出了一种教学辅助系统，属于智慧校园技术领域，目的是提供一种教育成本低、教学效果好的教学辅助系统，不适用于装备维保的应用场景。
国家发明专利“增强现实版交互式电子技术手册、内容构建及辅助维修/辅助操作流程的构建”(公开号CN106096857A)，提供一种增强现实版交互式电子技术手册，以头戴式增强现实设备为载体，以解决传统的交互式电子技术手册沉浸感不强、使用效率低问题。但该专利的主要作用是提供辅助维修/辅助操作流程的构建，及增强现实版交互式电子技术手册的内容构建，应用场景取决于系统读取的场景文件，有较大局限性。
国家发明专利“基于可以远程更新的增强现实模拟的用于焊接培训的装置”公开号(CN104471629B)，提出一种基于增强现实模拟的用于焊接培训的装置，可以远程更新焊接类型，适用于焊接培训场景。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种远程装备维保系统，支持维修训练和辅助维修两种模式，提高维保系统的利用率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于增强现实的远程装备维保系统，包括：场景还原建模模块、装备维保模块、远程通信模块；
所述场景还原建模模块用于在系统启动后，进行现实环境的扫描和建模，完成装备模型加载过程，实现虚拟信息与现实场景的交互；
所述装备维保模块用于在完成装备模型加载过程后，实现装备维保。
优选地，所述场景还原建模模块包括相机跟踪子模块、场景重建子模块和环境特征识别子模块；
所述相机跟踪子模块，用于通过增强现实眼镜所配备的相机和传感器，在系统运行过程中完成相机跟踪注册，实时判断AR眼镜姿态信息，基于眼镜姿态信息实时调整系统虚拟场景的渲染相机姿态，提高混合现实沉浸感；
所述场景重建子模块，用于在相机跟踪的同时，传感器采集现实环境深度信息，并根据深度信息完成对操作者所处现实环境的等比例还原建模，得到现实场景模型；
所述环境特征识别子模块，用于在场景重建过程得到现实场景模型的基础上，对模型进行网格简化处理和分类分析，识别出场景中的具有典型特征的现实物体；并以具有简化平面和不同材质的扁平立方体替换原有场景中的原始重建模型，实现虚拟场景中对于现实场景特征的识别和标识。
优选地，所述装备维保模块包括装备故障数据库、故障诊断模块、模拟维修训练模块和实物设备辅助维修模块；
所述装备故障数据库中集成装备的预设常见故障及通用维修流程的数据库信息，包括零部件模型、音频信息、辅助显示模型、维修注意事项，并支持用户的自定义故障类型及解决方案扩展；
所述故障诊断模块，是在开始设备维修流程前预先运行的，用于根据设备故障现象描述和用户的输入交互，基于常见装备故障数据库自动判断当前故障类型，选择并启动对应的装备维修流程；
所述模拟维保训练模块，用于实现不具备实际装备的条件下进行维修过程技能训练的模拟培训，故障诊断阶段完成后，即将装备的等比例虚拟模型渲染显示在现实场景中，基于集成的装备故障数据库提供的维修流程信息，通过用户的交互操作完全模拟装备维修的完整流程；
所述实物设备辅助维修模块，用于在有实物设备的装备的实际维修作业场景中，完成全过程辅助维修。
优选地，所述实物设备辅助维修模块的具体实现过程为：
在故障诊断模块完成后，通过特征识别的方法获取现实装备的位置和姿态；
然后将虚拟的装备模型信息自动移动到指定位置并调整姿态与现实装备对齐；
完成对齐后，即隐藏虚拟的装备模型，避免模型与现实装备的重合导致的视觉效果混乱；
随后按照故障数据库中提供的维修流程方案渲染显示辅助维修操作信息辅助后续的整个维修流程，以保证原本显示在虚拟装备模型一侧的辅助维修信息可直接显示在现实装备的相同位置。
优选地，所述模拟维保训练模块与辅助维保模块可并行执行。
优选地，该系统还包括远程通信模块，所述远程通信模块包括视频通话子模块、远程解决方案推送子模块，所述视频通话子模块，用于基于通用视频通话框架实现AR眼镜端与远端的视频通话；所述远程解决方案推送子模块，用于根据需要远程传送图片形式的解决方案给现场操作者，并实时渲染显示到操作者所看到的虚实融合场景中，以及用于推送指定零部件及其它3D模型文件到现场操作者端，并实时渲染显示到AR眼镜的场景中。
优选地，所述视频通话子模块的具体实现流程为：
佩戴AR眼镜正在进行维修作业的操作者在遇到现有系统未集成解决方案的维修问题时，在视频通话模块中查找在线专家，并在线专家列表中选择专家请求视频通话；
远端专家在接受视频请求后，通过与操作者同视角的视频画面远程判断故障现象，并通过实时与操作者交互，帮助其完成维修任务，同时远程视频画面内容支持AR眼镜相机采集到的现实画面与AR眼镜渲染的虚拟场景信息的叠加融合显示，增加专家端的AR场景沉浸感。
本发明还提供了一种利用所述的系统实现远程装备维修保障的方法。
优选地，该方法中，在完成场景重建和特征识别后，关闭场景重建子模块和环境特征识别子模块，同时基于建模和识别的数据，自动将虚拟的装备模型加载到识别到的桌面或其他指定现实场景的位置，调整设备模型姿态，以适应维修保障过程的应用需要。
优选地，所述具有典型特征的现实物体，包括桌面、墙面、地板、天花板、椅子。
(三)有益效果
本发明提出一种基于增强现实的远程装备维保系统，根据装备三维模型、电子维修手册资源信息生成三维图像和动画、维修方法提示、维修注意事项诱导信息，并将其以虚实叠加的增强信息显示方式呈现在维修人员的视场中，在维修人员注意力集中的“维修区域”叠加显示各类图形文字信息，形成伴随式的诱导维修信息，同时加入语音、手势等实时人机交换功能来控制远程实时维修系统，并在C/S网络结构模式下，通过增强现实头戴显示器自带的摄像头和麦克风分别采集视频与语音数据信息，利用多种网络传输协议实现图片传输、语音数据交互和视频网络传输，建立现场与后方控制中心实时交互的环境，此外加入知识库、维修诊断库模块，形成一种基于增强现实的远程维保系统。本发明提出的基于增强现实的远程装备维保系统，支持维修训练和辅助维修两种模式，提高了维保系统的利用率。远程辅助维修，有效利用专家库知识，降低了对维保操作人员的技术要求。远程方案推送使得基于增强现实的装备维保训练系统能应用于更多的场景，而非系统预先定制的有限场景。
附图说明
图1是本发明的系统总体框架图；
图2是本发明中场景重建示例图；
图3是本发明的故障数据库示例图；
图4是本发明的辅助维保示例图；
图5是本发明的视频通话模块示例图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供的是一种基于增强现实的装备维修保障系统，图1是本发明基于增强现实的装备维保训练系统框架图，本系统主要包括场景还原建模模块、装备维保模块、远程通信模块等3个模块，具体实施过程如下：
(1)场景还原建模模块
系统启动后，首先进行现实环境的扫描和建模，用于实现虚拟信息与现实场景的交互，该过程主要包括相机跟踪子模块、场景重建子模块和环境特征识别子模块三个子功能模块。
相机跟踪子模块：通过增强现实眼镜所配备的相机和传感器，在系统运行过程中完成相机跟踪注册，实时判断AR眼镜姿态信息，基于眼镜姿态信息实时调整系统虚拟场景的渲染相机姿态，提高混合现实沉浸感；
场景重建子模块：在相机跟踪的同时，传感器采集现实环境深度信息，并根据深度信息完成对操作者所处现实环境的等比例还原建模，得到现实场景模型，如图2所示。
场景重建为虚拟场景与现实场景的交互做准备，通过与还原重建的现实场景模型的交互，达到与现实场景交互的效果，同时为后续的环境特征识别提供基础；
环境特征识别子模块：在场景重建(环境建模)过程得到现实场景模型的基础上，对模型进行网格简化处理和分类分析，识别出场景中的具有典型特征的现实物体，如桌面、墙面、地板、天花板、椅子等。并以具有简化平面和不同材质的扁平立方体替换原有场景中的原始重建模型，实现虚拟场景中对于现实场景特征的识别和标识。
在完成场景重建和特征识别后，系统关闭场景重建子模块和环境特征识别子模块，同时基于建模和识别的数据，自动将虚拟的装备模型加载到识别到的桌面或其他指定现实场景的位置，调整设备模型姿态，以适应维修保障过程的应用需要。
(2)装备维保模块
在完成前述装备模型加载过程后，即进入装备维保模块，装备维保模块集成“装备故障数据库”、“故障诊断模块”、“模拟维修训练模块”和“实物设备辅助维修模块”四个部分。
装备故障数据库：为适应装备不同维修场景的需求，系统集成了装备的常见故障及通用维修流程的数据库信息，包括零部件模型、音频信息、辅助显示模型、维修注意事项等，并支持用户的自定义故障类型及解决方案扩展，为装备维修保障过程提供数据基础，如图3所示。
故障诊断模块：在开始设备维修流程前，会预先运行设备故障诊断模块，根据设备故障现象描述和用户的输入交互，基于常见装备故障数据库自动判断当前故障类型，选择并启动对应的装备维修流程。
模拟维保训练模块：本系统支持在不具备实际装备的条件下进行维修过程技能训练的模拟培训，故障诊断阶段完成后，即将装备的等比例虚拟模型渲染显示在现实场景中，基于集成的装备故障数据库提供的维修流程信息，通过用户的交互操作完全模拟装备维修的完整流程，从而可以达到维修流程模拟训练的效果。该模拟维修流程的功能突破传统维修培训中的场地和实物装备限制，可以随时随地多次操作，极大的提高培训效率。
实物设备辅助维修模块：在有实物设备的装备的实际维修作业场景中，该系统支持完成全过程辅助维修，如图4所示。具体过程为：
y在故障诊断模块完成后，系统通过特征识别的方法获取现实装备的位置和姿态；
y然后将虚拟的装备模型信息自动移动到指定位置并调整姿态与现实装备对齐；
y完成对齐后，即隐藏虚拟的装备模型，避免模型与现实装备的重合导致的视觉效果混乱；
y随后即可按照故障数据库中提供的维修流程方案渲染显示辅助维修操作信息辅助后续的整个维修流程，由于虚拟装备模型在隐藏之前与现实装备是严格对齐的，故可以保证原本显示在虚拟装备模型一侧的辅助维修信息可以直接显示在现实装备的相同位置，从而达到更为直观的辅助维修效果；
y用户可根据辅助提示信息，操作维修现实装备，保证即使维保技能不熟练的维修人员也能准确完成维修任务。
y模拟维保训练模块与辅助维保模块可并行执行。
(3)远程通信模块
前述维修过程主要根据系统集成的维修故障数据库所提供的故障现象和标准维修流程为装备维修保障过程提供支撑，针对装备故障数据库之外的其它现场故障，本发明提供了一种基于远程通信方式的辅助维修模块，即远程通信模块。具体包括视频通话子模块、远程解决方案推送子模块两个子模块。其中“装备故障数据库之外”指的是一般情况下，系统通过集成的装备故障数据库针对常见设备故障进行辅助维修，但如果待维修装备的故障类型不在已经集成的数据库中，可能是一个新的未见过的故障，或者是一个通用故障但原有的数据库没有及时更新而把它包含进来，则可以采用远程辅助为维修的方法，提供技术支持。视频通话子模块：基于通用视频通话框架实现了AR眼镜端与远端的视频通话，远端包括但不限于网页端、PC端、移动设备端等。通过视频通话模块，眼镜端的维保操作人员与远端的专家建立联系，如图5所示。
具体流程为：
佩戴AR眼镜正在进行维修作业的操作者在遇到现有系统未集成解决方案的维修问题时，在视频通话模块中查找在线专家，并在线专家列表中选择专家请求视频通话；
远端专家在接受视频请求后，通过与操作者同视角的视频画面远程判断故障现象，并通过实时与操作者交互，帮助其完成维修任务。同时远程视频画面内容支持AR眼镜相机采集到的现实画面与AR眼镜渲染的虚拟场景信息的叠加融合显示，增加专家端的AR场景沉浸感。
远程解决方案推送子模块：除视频通话功能外，远程专家端可根据需要远程传送图片形式的解决方案给现场操作者，并实时渲染显示到操作者所看到的虚实融合场景中；此外系统还支持专家端推送指定零部件及其它3D模型文件到现场操作者端，并实时渲染显示到AR眼镜的场景中，提供更加具象化的解决方案。
可以看出，本发明同时支持模拟训练和辅助维修，兼具增强现实培训系统和基于增强现实维保系统的点。另外本发明提出的基于增强现实的装备维保训练系统支持远程辅助维修、远程方案推送，使得维保训练系统更贴近实际应用，降低了维保操作人员技术要求，有效利用专家库知识。远程方案推送使得基于增强现实的装备维保训练系统能应用于更多的场景，而非系统预先定制的有限场景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于增强现实的远程装备维保系统，其特征在于，包括：场景还原建模模块、装备维保模块；
所述场景还原建模模块用于在系统启动后，进行现实环境的扫描和建模，完成装备模型加载过程，实现虚拟信息与现实场景的交互；
所述装备维保模块用于在完成装备模型加载过程后，实现装备维保。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述场景还原建模模块包括相机跟踪子模块、场景重建子模块和环境特征识别子模块；
所述相机跟踪子模块，用于通过增强现实眼镜所配备的相机和传感器，在系统运行过程中完成相机跟踪注册，实时判断AR眼镜姿态信息，基于眼镜姿态信息实时调整系统虚拟场景的渲染相机姿态，提高混合现实沉浸感；
所述场景重建子模块，用于在相机跟踪的同时，传感器采集现实环境深度信息，并根据深度信息完成对操作者所处现实环境的等比例还原建模，得到现实场景模型；
所述环境特征识别子模块，用于在场景重建过程得到现实场景模型的基础上，对模型进行网格简化处理和分类分析，识别出场景中的具有典型特征的现实物体；并以具有简化平面和不同材质的扁平立方体替换原有场景中的原始重建模型，实现虚拟场景中对于现实场景特征的识别和标识。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述装备维保模块包括装备故障数据库、故障诊断模块、模拟维修训练模块和实物设备辅助维修模块；
所述装备故障数据库中集成装备的预设常见故障及通用维修流程的数据库信息，并支持用户的自定义故障类型及解决方案扩展；
所述故障诊断模块，是在开始设备维修流程前预先运行的，用于根据设备故障现象描述和用户的输入交互，基于常见装备故障数据库自动判断当前故障类型，选择并启动对应的装备维修流程；
所述模拟维保训练模块，用于实现不具备实际装备的条件下进行维修过程技能训练的模拟培训，故障诊断阶段完成后，即将装备的等比例虚拟模型渲染显示在现实场景中，基于集成的装备故障数据库提供的维修流程信息，通过用户的交互操作完全模拟装备维修的完整流程；
所述实物设备辅助维修模块，用于在有实物设备的装备的实际维修作业场景中，完成全过程辅助维修。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述实物设备辅助维修模块的具体实现过程为：
在故障诊断模块完成后，通过特征识别的方法获取现实装备的位置和姿态；
然后将虚拟的装备模型信息自动移动到指定位置并调整姿态与现实装备对齐；
完成对齐后，即隐藏虚拟的装备模型，避免模型与现实装备的重合导致的视觉效果混乱；
随后按照故障数据库中提供的维修流程方案渲染显示辅助维修操作信息辅助后续的整个维修流程，以保证原本显示在虚拟装备模型一侧的辅助维修信息可直接显示在现实装备的相同位置。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述模拟维保训练模块与辅助维保模块可并行执行。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，该系统还包括远程通信模块，所述远程通信模块包括视频通话子模块、远程解决方案推送子模块，所述视频通话子模块，用于基于通用视频通话框架实现AR眼镜端与远端的视频通话；所述远程解决方案推送子模块，用于根据需要远程传送图片形式的解决方案给现场操作者，并实时渲染显示到操作者所看到的虚实融合场景中，以及用于推送指定零部件及其它3D模型文件到现场操作者端，并实时渲染显示到AR眼镜的场景中。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述视频通话子模块的具体实现流程为：
佩戴AR眼镜正在进行维修作业的操作者在遇到现有系统未集成解决方案的维修问题时，在视频通话模块中查找在线专家，并在线专家列表中选择专家请求视频通话；
远端专家在接受视频请求后，通过与操作者同视角的视频画面远程判断故障现象，并通过实时与操作者交互，帮助其完成维修任务，同时远程视频画面内容支持AR眼镜相机采集到的现实画面与AR眼镜渲染的虚拟场景信息的叠加融合显示，增加专家端的AR场景沉浸感。
8.一种利用权利要求1至8中任一项所述的系统实现远程装备维修保障的方法。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法中，在完成场景重建和特征识别后，关闭场景重建子模块和环境特征识别子模块，同时基于建模和识别的数据，自动将虚拟的装备模型加载到识别到的桌面或其他指定现实场景的位置，调整设备模型姿态，以适应维修保障过程的应用需要。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述具有典型特征的现实物体，包括桌面、墙面、地板、天花板、椅子。
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