CN113129678A - 基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模拟操作设备技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统，包括力反馈系统、视觉反馈系统、听觉反馈系统、运动感觉反馈系统和操作者支撑组件。通过改变虚拟场地和构建不同虚拟操作对象，可实现对不同操作对象的模拟训练。可针对不同行业、不同领域各种机械设备进行操作训练模拟，这些操作对象包括不同类型的车辆、轮船、飞机、大型工程机械设备等。
Description
技术领域
本发明涉及模拟操作设备技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统。
背景技术
现有的基于虚拟现实的操作模拟训练系统，大多采用半实物仿真的结构形式。半实物仿真结构形式是系统具有实物性的驾驶座舱或操作台，以提供人机交互设备，如操纵机构、按钮开关等，作为听觉、操作感觉的模拟；为了得到训练过程中的视景图像，通常还具有显示设备，如显示屏或投影幕，作为视觉显示的模拟；为了获取训练过程中的运动和位姿，驾驶座舱或操作台一般与多自由度动感平台配合使用，根据系统运算运算结果实现操作人员体感运动姿态等，作为运动感觉的模拟。
半实物化的模拟训练系统设备只能根据特定的训练对象制造，制造完成后，其所具有的操纵机构和按钮开关等无法改变，严重限制了模拟训练的通用性。如针对某型大型运输车辆制造的驾驶操作模拟训练系统，只能进行操作相似的同类车辆的模拟训练，既不能进行其它类型运输车辆的模拟训练，又不能适用于装卸搬运、农业、商用、工程等车辆的模拟训练，更不可能应用于飞机、轮船等跨行业设备的模拟训练。
目前，多种类型车辆或者机械协同作业已在农场、港口、军事训练等领域成为常态，车辆或者机械的更新换代也时有发生，因此，依赖半实物仿真结构形式的操作模拟训练系统功能单一，如果大量配备，不仅初始硬件成本高，维护更新也不经济。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统，其特征在于：包括力反馈系统、视觉反馈系统、听觉反馈系统、运动感觉反馈系统和操作者支撑组件；
其中，所述力反馈系统包括运动解析系统、力反馈分析系统和力反馈执行系统；所述运动解析系统用于追踪和识别操作者的身体位姿和特定部位的动作，为力反馈分析系统提供相关信息的输入；所述力反馈分析系统根据运动解析系统提供的相关信息，使用操作者身体位姿和特定部位的动作等信息控制虚拟操作对象，结合虚拟场景得出操作者的操作意图，并根据触碰物体的物理属性和操作者动作的路径和速度，运算出接触力度；所述力反馈执行系统和操作者身体特定部位相接触，并能够根据力反馈分析系统的接触力度输出相应的结果，将力反馈至现实操作者身体某部位，使操作者相应部位产生接触感觉、或者感受到助力或者阻力；
所述视觉反馈系统包括视觉追踪分析系统、场景反馈分析系统和虚拟场景显示系统；所述视觉追踪分析系统用于追踪、识别操作者头部位姿或眼部位置和动作，为场景反馈分析系统提供操作者头部位姿、眼部位置和动作相关信息的输入；场景反馈分析系统能够根据视觉追踪分析系统的输入，使用操作者头部位姿和眼部动作等信息控制虚拟操作对象，结合虚拟场景构建和生成用于反馈的场景图像；所述虚拟场景显示系统接收场景反馈分析系统的反馈场景图像输出结果；
所述听觉反馈系统包括听觉追踪系统、声音反馈分析系统和声音输出设备；所述听觉追踪系统追踪操作者双耳位置和声音输出设备位置，为声音反馈分析系统提供操作者的双耳位置和声音输出设备位置等相关信息的输入；所述声音反馈分析系统结合力反馈分析系统的碰撞检测运算，分析出产生声音的运动，再结合虚拟场景中物体、虚拟操作对象等的运行动作，运算或者调出相关声音信息，并根据听觉追踪系统提供的操作者双耳位置和声音输出设备位置，对声音信息进行合成处理；声音输出设备接受声音反馈系统生成的声音信息，进一步对声音信息进行相关处理，并输出为操作者提供可听到的声效；
所述运动感觉反馈系统包括多自由度平台控制系统和/或连续运动模拟平台控制系统；所述多自由度平台控制系统接受力反馈系统中虚拟对象操作的相关信息，并根据虚拟场景中物体的属性、虚拟操作对象在相关虚拟操作下的运行规则，运算和分析得出操作者所需感受的运动信息，将这些运动信息输出至多自由度平台，并控制平台产生相应的运动姿态；所述连续运动模拟平台控制系统接受力反馈系统中虚拟对象操作的相关信息和操作者的动作信息，运算和分析得出操作者所需产生的整体移动，并将操作者的运动信息输出至连续运动模拟平台，使其与操作者的接触组件产生相应的运动。
优选地，所述接触力度在触碰物体时进行运算或者在判断出接触意图时进行运算。
优选地，所述力反馈执行系统采用外骨骼形式的机械结构，或采用数据衣和数据手套。
优选地，所述虚拟场景显示系统的显示设备为操作者双眼可穿戴形式，或者可投影至操作者眼睛可视的区域。
优选地，所述声音输出设备采用操作者双耳可穿戴形式，并和听觉追踪系统成为一体。
优选地，所述多自由度平台为六自由度平台。
本发明的有益效果是:通过改变虚拟场地和构建不同虚拟操作对象，可实现对不同操作对象的模拟训练。可针对不同行业、不同领域各种机械设备进行操作训练模拟，这些操作对象包括不同类型的车辆、轮船、飞机、大型工程机械设备等。
附图说明
图1是本发明的原理图。
具体实施方式
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
如图1所示，一种基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统，主要由力反馈系统、视觉反馈系统、听觉反馈系统、运动感觉反馈系统、操作者支撑组件等组成，也可以是上述系统和组件的任意组合。
(1)力反馈系统主要包括运动解析系统、力反馈分析系统、力反馈执行系统组成。
(1.1)运动解析系统能够追踪和识别操作者的身体位姿和特定部位的动作，为力反馈分析系统提供相关信息的输入；
(1.2)力反馈分析系统能够根据运动解析系统提供的相关信息，使用操作者身体位姿和特定部位的动作等信息控制虚拟操作对象，结合虚拟场景得出操作者的操作意图。根据触碰物体的物理属性和操作者动作的路径和速度等，运算出接触力度(这里可以查一查有什么更好的用词)。接触力度可在触碰物体时进行运算，也可在判断出接触意图时进行运算，后者可提高仿真的实时性。在接触发生过程中，将持续分析运算接触意图和接触时间，并运算出接触力度。接触力度与接触物体属性、操作者动作(包括路径、速度、接触方式等)、空间位置、接触时长、执行机构结构及其力学特性等相关。
(1.3)力反馈执行系统能够和操作者身体特定部位如手指、足部等相接触，并能够根据力反馈分析系统的接触力度输出相应的结果，将力反馈至现实操作者身体某部位，使操作者相应部位产生接触感觉、或者感受到助力或者阻力等。一般地，虚拟操作者身体与虚拟物体接触的部位和现实中执行机构对操作者施加的力反馈的身体部位相对应。力反馈执行系统可以采用外骨骼形式的机械结构，也可采用数据衣、数据手套等设备。
(2)视觉反馈系统主要包括视觉追踪分析系统，场景反馈分析系统，虚拟场景显示系统等组成。
(2.1)视觉追踪分析系统追踪、识别操作者头部位姿或眼部位置和动作，为场景反馈分析系统提供操作者头部位姿、眼部位置和动作等相关信息的输入；
(2.2)场景反馈分析系统能够根据视觉追踪分析系统的输入，使用操作者头部位姿和眼部动作等信息控制虚拟操作对象，结合虚拟场景构建和生成用于反馈的场景图像。反馈的场景图像可以是虚拟场景中物体、虚拟操作对象，也可以是虚拟操作者的身体等。
(2.3)虚拟场景显示系统接收场景反馈分析系统的反馈场景图像输出结果，可使用相关显示设备进行显示，也可通过几何、色彩、亮度校正等进行图像拼接，为操作者呈现可视的场景信息；
(2.4)一般地，虚拟场景显示系统的显示设备可为操作者双眼可穿戴形式，或者可投影至操作者眼睛可视的区域。
(3)听觉反馈系统主要包括听觉追踪系统、声音反馈分析系统、声音输出设备等组成。
(3.1)听觉追踪系统追踪操作者双耳位置和声音输出设备位置，为声音反馈分析系统提供操作者的双耳位置和声音输出设备位置等相关信息的输入；
(3.2)声音反馈分析系统结合力反馈分析系统的碰撞检测运算，分析出产生声音的运动，再结合虚拟场景中物体、虚拟操作对象等的运行动作，运算或者调出相关声音信息，并根据听觉追踪系统提供的操作者双耳位置和声音输出设备位置，对声音信息进行合成处理等。
(3.3)声音输出设备接受声音反馈系统生成的声音信息，进一步对声音信息进行相关处理，并输出为操作者提供可听到的声效。
(3.4)一般地，声音输出设备可采用操作者双耳可穿戴形式，如耳机、头盔等，并和听觉追踪系统成为一体，以方便耳部和音响位置的追踪。
(4)运动感觉反馈系统可包括多自由度平台及其控制系统、连续运动模拟平台及其控制系统等。根据需要，运动感觉反馈系统可仅包含多自由度平台及其控制系统，或者仅包含连续运动模拟平台及其控制系统。
(4.1)多自由度平台控制系统接受力反馈系统中虚拟对象操作的相关信息，并根据虚拟场景中物体的属性、虚拟操作对象在相关虚拟操作下的运行规则等，运算和分析得出操作者所需感受的运动信息，如多个方向的振动、加减速和倾斜等，将这些运动信息输出至多自由度平台，并控制平台产生相应的运动姿态。一般地，多自由度平台为六自由度平台；
(4.2)连续运动模拟平台安装在地面或者多自由度平台上，和操作者身体相接触，典型地，如与操作者足部相接触，用于提供操作者沿多个方向的持续移动。原理是通过平衡抵消操作者的相关运动，使操作者在运动时整体位置相对于地面或者多自由度平台的位置基本保持不变。一般地，连续运动模拟平台具有三个自由度，主要输出为平面运动，即沿平面两个正交方向的移动和绕平面法向的旋转，可以实现操作者在平面上有限区域范围内的持续运动，具体的如VR跑步机等；
(4.3)连续运动模拟平台控制系统接受力反馈系统中虚拟对象操作的相关信息和操作者的动作信息，运算和分析得出操作者所需产生的整体移动，如走、跑等，并将操作者的运动信息输出至连续运动模拟平台，使其与操作者的接触组件产生相应的运动；
(4.4)运动感觉反馈系统根据操作者的动作和姿态，为操作者提供运动感觉，同时使操作者位置保持在有限的区域范围内(相对于模拟训练系统或者地面)。
(5)操作者支撑组件安装在地面或者连续运动模拟平台或者多自由度平台上，用于为操作者提供辅助的支撑或者助力，典型的结构如座椅、助力外骨骼等，并可提供一定的运动限位，具有保护操作者的作用。操作者支撑组件可以是力反馈执行系统的一部分，也可以是独立的组件。
(6)通用操作模拟训练系统的软件部分主要包括：虚拟现实实时运算分析系统、操作输入运算分析系统、反馈输出运算分析系统。
(6.1)虚拟现实实时运算分析系统主要包括力反馈分析系统、场景反馈分析系统、声音反馈分析系统等，为通用操作模拟训练系统的核心软件部分。
(6.2)操作输入运算分析系统主要包括运动解析系统的相关模块、视觉追踪分析系统的相关模块、听觉追踪系统的相关模块等；
(6.3)反馈输出运算分析系统主要包括力反馈执行系统的相关模块、虚拟场景显示系统的相关模块、声音输出设备的相关模块、多自由度平台控制系统的相关模块以及连续运动模拟平台控制系统的相关模块、操作者支撑组件的相关模块等。
(7)通用操作模拟训练系统的软件部分还包括一系列数据和函数库，主要有：虚拟操作者数据和函数库，虚拟场景数据和函数库，虚拟操作对象数据和函数库。这些数据和函数库用于构建虚拟操作者、虚拟场景、虚拟物体等，并赋予相应物理属性，这些属性可用于力反馈、视觉信息反馈和运动感觉反馈等的运算。
(8)通用操作模拟训练系统的工作原理：
(8.1)构建虚拟场地和虚拟操作对象，并赋予虚拟场地中道路、建筑物、植被、人文标志等及虚拟操作对象相关属性；
(8.2)运动解析系统、视觉追踪分析系统和听觉追踪分析系统感知和接受操作者位姿和动作等，经过操作输入运算分析系统的分析或运算，传递至虚拟现实交互运算分析系统，在虚拟场地中驱动虚拟操作者的相应位姿和动作等；
(8.3)虚拟现实交互运算分析系统通过对虚拟场地、虚拟操作对象和虚拟操作者之间交互的分析运算，将反馈的力觉信息、反馈的视景信息、反馈的声音信息、反馈的运动信息等输出至反馈输出运算分析系统；
(8.4)反馈输出运算分析系统对反馈的力觉信息、反馈的视场信息、反馈的声音信息、反馈的运动信息进行分析、运算或渲染等，协同控制力反馈执行系统、虚拟场景显示系统、声音输出设备、多自由度平台、连续运动模拟平台等为操作者提供力觉和触觉反馈、视觉反馈、听觉反馈和运动感觉反馈等，同时可指导或控制操作者支撑组件对操作者进行支撑、助力或保护等。
(8.5)在操作者进行模拟操作过程中，8.2至8.4以循环迭代等方式持续进行。
(8.6)力觉反馈系统、视觉反馈系统、听觉反馈系统和运动感觉反馈系统协同工作，实时处理操作者的动作和姿态，为操作者提供高沉浸感操作体验。
(8.7)通过改变虚拟场地和构建不同虚拟操作对象，可实现对不同操作对象的模拟训练。即该通用操作模拟训练系统只需选取虚拟场地和虚拟操作对象模型，就可适用于不同的机械设备操作模拟训练。这些改动主要体现在软件中的模型部分，硬件部分和关键算法等均无变化。
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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统，其特征在于：包括力反馈系统、视觉反馈系统、听觉反馈系统、运动感觉反馈系统和操作者支撑组件；
其中，所述力反馈系统包括运动解析系统、力反馈分析系统和力反馈执行系统；所述运动解析系统用于追踪和识别操作者的身体位姿和特定部位的动作，为力反馈分析系统提供相关信息的输入；所述力反馈分析系统根据运动解析系统提供的相关信息，使用操作者身体位姿和特定部位的动作等信息控制虚拟操作对象，结合虚拟场景得出操作者的操作意图，并根据触碰物体的物理属性和操作者动作的路径和速度，运算出接触力度；所述力反馈执行系统和操作者身体特定部位相接触，并能够根据力反馈分析系统的接触力度输出相应的结果，将力反馈至现实操作者身体某部位，使操作者相应部位产生接触感觉、或者感受到助力或者阻力；
所述视觉反馈系统包括视觉追踪分析系统、场景反馈分析系统和虚拟场景显示系统；所述视觉追踪分析系统用于追踪、识别操作者头部位姿或眼部位置和动作，为场景反馈分析系统提供操作者头部位姿、眼部位置和动作相关信息的输入；场景反馈分析系统能够根据视觉追踪分析系统的输入，使用操作者头部位姿和眼部动作等信息控制虚拟操作对象，结合虚拟场景构建和生成用于反馈的场景图像；所述虚拟场景显示系统接收场景反馈分析系统的反馈场景图像输出结果；
所述听觉反馈系统包括听觉追踪系统、声音反馈分析系统和声音输出设备；所述听觉追踪系统追踪操作者双耳位置和声音输出设备位置，为声音反馈分析系统提供操作者的双耳位置和声音输出设备位置等相关信息的输入；所述声音反馈分析系统结合力反馈分析系统的碰撞检测运算，分析出产生声音的运动，再结合虚拟场景中物体、虚拟操作对象等的运行动作，运算或者调出相关声音信息，并根据听觉追踪系统提供的操作者双耳位置和声音输出设备位置，对声音信息进行合成处理；声音输出设备接受声音反馈系统生成的声音信息，进一步对声音信息进行相关处理，并输出为操作者提供可听到的声效；
所述运动感觉反馈系统包括多自由度平台控制系统和/或连续运动模拟平台控制系统；所述多自由度平台控制系统接受力反馈系统中虚拟对象操作的相关信息，并根据虚拟场景中物体的属性、虚拟操作对象在相关虚拟操作下的运行规则，运算和分析得出操作者所需感受的运动信息，将这些运动信息输出至多自由度平台，并控制平台产生相应的运动姿态；所述连续运动模拟平台控制系统接受力反馈系统中虚拟对象操作的相关信息和操作者的动作信息，运算和分析得出操作者所需产生的整体移动，并将操作者的运动信息输出至连续运动模拟平台，使其与操作者的接触组件产生相应的运动。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统，其特征在于：所述接触力度在触碰物体时进行运算或者在判断出接触意图时进行运算。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统，其特征在于：所述力反馈执行系统采用外骨骼形式的机械结构，或采用数据衣和数据手套。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统，其特征在于：所述虚拟场景显示系统的显示设备为操作者双眼可穿戴形式，或者可投影至操作者眼睛可视的区域。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统，其特征在于：所述声音输出设备采用操作者双耳可穿戴形式，并和听觉追踪系统成为一体。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的通用操作模拟训练系统，其特征在于：所述多自由度平台为六自由度平台。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210716 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |