CN113934292A - 一种消防水枪虚拟仿真力反馈实物交互外设 - Google Patents
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Abstract
本专利由消防水枪空间定位装置和力反馈引擎等组成，用于模拟室内外消防水枪在虚拟环境下的仿真作业，消防栓内部水压改为气压，利用高压风机提供气动力，设置流量传感器提供水流计算模拟装置，动作捕捉设备提供六自由度空间定位，限压阀确保系统安全和提供压力值给计算机、消防栓阀门集成开关用于控制系统的开闭，阀门开启后通过气流喷来射模拟真实使用中水流的反作用力，并将以上数据输入到计算机和三维虚拟场景中，用于具备力反馈能力的消防人员虚拟仿真训练。
Description
技术领域
虚拟现实技术领域，针对利用虚拟现实技术进行消防水枪力反馈仿真训练的应用外设。
背景技术
消防工作属于高危职业，对于从事消防应急救援工作者，日常训练的好坏直接决定消防人员的专业能力、直接决定消防人员的人身安全、火灾事故中直接决定人民生命财产安全是否能够得到及时有效的技术保障。而传统的训练方式受制于场地、成本、安全性等条件约束，无法模拟大型复杂火灾事故、不能达到预期训练效果，虚拟现实技术的应用为消防人员的训练提供了新的技术手段，虚拟现实目前主要是通过显示及音箱设备提供视听觉的仿真，力反馈仿真是未来虚拟现实仿真应用急需解决的问题，基于以上背景我们研发了具有力反馈能力的一种消防水枪虚拟仿真力反馈实物交互外设。
虚拟现实技术是利用计算机模拟的虚拟场景（设想中的火灾事故场景、火灾历史事故再现、消防预案设计）结合视觉仿真（投影、小间距LED、VR头盔等立体成像设备）、听觉仿真（音箱设备）、触觉仿真（数据手套等）、力反馈设备（力反馈手套、手柄）、味觉仿真（气味发生器）、感觉仿真（风、雨、雪）等技术应用的综合体；虚拟现实技术主要特点是沉浸感（视觉仿真）和可交互性（触觉仿真、力反馈等外设）。本专利要解决的问题是：基于虚拟现实技术特点开发一种，应用于消防训练仿真中的《一种消防水枪虚拟仿真力反馈实物交互外设》。借助该外设可以有效解决仿真训练中虚拟消防水枪与实际消防作业中外形不符、重量差别大、无力反馈等弊病，相对于水气体不会对电子设备造成损坏，本外设与消防训练和日常消防作业中所使用的消防水枪高度接近。使用方式完全一样，区别在于消防作业所使用的消防水枪是通过喷射高压水柱达到消防目的，本专利设备是利用高压气体模拟高压水柱所产生的力反馈，反馈力度高度接近实际消防作业所使用的消防水枪，并且具备空间定位和虚拟场景交互能力，从而提升消防人员训练效果。
发明内容
本专利由消防水枪空间定位装置和力反馈引擎组成，采用室内外消防水枪、室内外消防栓为基础，消防栓内部水压改为气压，利用高压风机提供气动力，设置流量传感器提供水流计算模拟装置，动作捕捉设备提供空间定位能力，限压阀确保系统安全和提供压力值给计算机、消防栓阀门集成开关用于控制系统的工况。
气流喷射可高度接近水流喷射的力量反馈，使用《消防水枪虚拟仿真力反馈实物交互外设》，操作者可感受到气流喷射模拟的反作用力，且对虚拟仿真环境中的电子设备无伤害，原则上消防栓压力不高于0.5Mpa，可根据需要调整高压风机功率与数量达到与消防水枪同等压力值。
消防水枪空间定位装置主要通过在消防水枪前端设置定位捕捉区域，并绑定空间位置六自由度捕捉设备来实现空间定位与虚拟交互能力。消防水枪设计与日常消防作业水枪外形无差别，水枪前端设计空间定位区域，可根据需要分别绑定红外光学空间六自由度位置捕捉设备、激光空间六自由度位置捕捉设备、惯性空间六自由度位置捕捉设备，通过以上装置来实现消防水枪在虚拟场景中的具体位置、角度位置捕捉，完成虚拟消防作业中的交互仿真，消防水枪水流量可通过设置在水枪上的阀门调整，压风管上的压力传感器可以给虚拟场景下的水枪流量提供仿真计算依据，回风管上的限压阀可提供风压值用于水压仿真计算。
力反馈引擎采用高压风机、气体单向阀、外接储气罐、空气流量计、压风管、消防栓、阀门集成开关、回风管、限压阀、空气过滤器、隔音层、外壳、底座、外置水带、消防水枪、光学定位装置组成；高压风机与消防栓采用两根高压金属管连接,分别为压风管与回风管，压风管承受压力≥1.6Mpa(根据压力要求调整)，压风管自高压风机起始分别设置：
1.高压风机
用途：提供高压气体
2.气体单向止回阀
用途：单向止回阀用于防止气体泄压
3.外接储气罐（承受压力≥1.6Mpa可根据压力要求调整）
用途：用于储存高压气体为初始开启阀门提供瞬时压力给高压风机提供缓冲时间
4.空气流量计
用途：为VR场景下的水流量模拟提供计算依据
5.压风管
用途：传输高压气体
6.阀门集成开关
用途：1.用于测压及控制高压风机启停2.控制阀门的开闭
7.消防栓
用途：用于固定消防水带，接入压风管与回风管
8.回风管
用途：用于传输限压阀泄出的压力
9.限压阀
用途1回风管设置限压阀，当压力传感器采集到的压力数据超过允许压力最大值（0.5Mpa-5.0Mpa）则开启回风泄压；
用途2传输压力值给计算机用以计算仿真水压值
10空气过滤器
用途：用于过滤进入高压风机的气体
11.隔音层
用途：用以隔离高压风机产生的噪音
12外壳
用途：用于保护隔音层不被破坏
13底座
用途：用于固定高压风机、储气罐等装置
14外置水带
用途：用于传输气体给消防水枪
15消防水枪
用途：用于定位消防水枪在空间站的位置，同时用于控制气体开关和流量
16光学定位装置
用途：用于确定消防水枪在空间中的位置和方向。
为了提升控制和操作方式的高度仿真能力，消防栓和消防水枪采用空气压力开关和电开关两种控制方式，采用空气压力开关时即真空压力达到设定值后自动关闭高压风机，阀门打开后压力值降低空气压力开关打开高压风机提供气动源；采用电开关时，将阀门开关处设计为电磁开关或限位开关、旋钮开关均可。
设计图:详见说明书附图图1(图1是一种消防水枪虚拟仿真力反馈实物交互外设设计图)。
Claims (4)
1.权利要求1. 采用气压模拟水压，实现消防水枪力反馈的功能。
2.权利要求2.采用空间定位装置实现消防水枪在虚拟场景中的空间定位功能。
3.权利要求3.通过消防栓上的集成开关控制力反馈引擎的启停与消防水枪力反馈的开启。
4.权利要求4.力反馈引擎组成与功能设计、涵盖流量监测仿真、压力监测仿真、隔音降噪、进排气设计。
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2021
- 2021-07-27 CN CN202110853536.8A patent/CN113934292A/zh active Pending
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