CN114495627B - 一种基于混合现实技术的机车操作实训系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于混合现实技术的机车操作实训系统，属于机车模拟实训技术领域，该系统包括操作台和MR头戴设备，操作台包括柜体，柜体上安装有可拆卸的操作台面板，柜体中设置有用于采集数据的工控主机，通过MR头戴设备生成虚拟的三维图像，利用混合现实技术，与真实的操作台进行叠加得到最终的虚实叠加画面，从而实现机车操作实训。本发明的机车操作实训系统，不再完全模拟真实的机车操作台，仅仅模拟真实的机车操作台面板，在操作台柜体中设置必要的工控主机。并且，本发明的机车操作实训系统适用多种机车型号的操作台培训，只需要更换操作台面板，工控主机就能自动识别实训机型，操作方便，节省成本，节约设备的占空空间。

Description

一种基于混合现实技术的机车操作实训系统

技术领域

本发明属于机车模拟实训技术领域，具体涉及一种基于混合现实技术的机车操作实训系统。

背景技术

现有技术中，如图1所示的用于进行乘务员实训的机车驾驶仿真模拟操作台，包括柜体1、机车显示装置2、机车运行前视景的显示器3，其中柜体1和机车显示装置2完全对某一种固定型号机车进行模仿，相当于一台设备对应一种真实的机车型号，若想让学员多进行几种型号设备的培训，则需要购置多种类型的培训设备，既占空间，又大大增加了培训院校的经济负担。而实际上，考虑到经济成本有限的问题，用于培训乘务员的铁职院校往往只购置一种或两种型号的培训设备，使得学员只能对个别型号的机车进行模拟操作培训，而学员在成为乘务员后实际驾驶机车的型号却很可能是其他类型，与之前培训的机车型号不同，导致培训效果差，无法提升学员的实际操作能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于混合现实技术的机车操作实训系统，用于解决现有机车操作实训台仅能实现一种机车型号的培训，导致学员的实际操作能力有限的问题。

基于上述目的，一种基于混合现实技术的机车操作实训系统的技术方案如下：

包括操作台和MR头戴装置，其中，操作台包括柜体，柜体上安装有可拆卸的操作台面板，所述的每一个型号的操作台面板模仿对应型号的真实机车操作台面板上的手动操作器件及器件布局，且该操作台面板中集成有第一信号采集模块，用于采集操作台面板上手动操作器件的开关量信号；

还包括安装在所述柜体中的工控主机，工控主机通过第二信号采集模块连接柜体的脚踏开关，用于收集脚踏开关信号；该工控主机还用于通过连接线连接所述的第一信号采集模块，用于收集操作台面板上的各开关量信号，并根据这些信号自动识别进行实训的机车型号；或者设置拨码开关进行实训机车型号的切换；

所述的工控主机与所述的MR头戴装置通信连接，用于将所述的各开关量信号和机车型号传输给MR头戴装置，由MR头戴装置根据开关量信号和机车型号进行计算，生成虚拟的机车显示装置和机车运行前视景的三维图像，或者由工控主机将接收到的各开关量和机车型号计算处理，生成虚拟的机车显示装置和机车运行前视景三维图像，再通过网络传输给MR头戴装置进行显示；所述虚拟的机车显示装置的三维图像包括虚拟的机车操作台各显示屏，以及显示屏上的机车运行状态显示画面，还包括仪表盘和指示灯，用于模仿真实机车操作台上的仪表盘和指示灯；利用混合现实技术，将虚拟的三维图像和真实的操作台叠加起来，得到虚实叠加画面，并根据手动操作器件的电信号的变化情况，更新虚实叠加画面，从而实现对用户的机车操作实训。

上述技术方案的有益效果是：

本发明的机车操作实训系统，不再完全模拟真实的机车操作台，仅仅模拟真实的机车操作台面板，在操作台柜体中设置必要的工控主机，用于数据的收集，判断实训机型，最终通过MR头戴装置进行数据的计算，根据计算的数据，生成虚拟的三维图像，利用混合现实技术，与真实的操作台进行叠加得到最终的虚实叠加画面，从而实现机车操作实训。既能达到很好的实训效果，又能化简硬件设备。并且，本发明的机车操作实训系统适用多种机车型号的操作台培训，学员通过一个机车操作台就能够实现多种型号机车的操作台实训，能够大大提高学员的实际操作能力。切换实训机型时，只需要更换操作台面板，工控主机就能自动识别实训机型，更换操作方便，节省成本，节约设备的占空空间。

进一步的，当操作台面板上手动操作器件的电信号状态改变时，所述机车运行状态显示画面中反映操作台面板上手动操作器件的电信号状态的部分画面也相应变化。让实训学员能够清晰的看到自己手动操作后产生的画面变化，提高培训效果。

进一步的，虚拟的机车运行前视景的三维图像，根据操作台面板上调速器的电信号的变化进行动态显示。使前方视景图像根据机车的调速而动态显示，相当于实训学员操作模驾台，使机车匀速行驶时，前方视景匀速变化；当机车加速时，前方视景加速变化；相反，当机车减速时，前方视景减速变化。

进一步的，所述的工控主机连接有信号转换模块，该信号转换模块分别连接所述的第二信号采集模块和所述的连接线，该信号转换模块用于将接收的信号进行转换，再发送给工控主机。

进一步的，所述的工控主机与所述的MR头戴装置之间通过无线通信模块进行连接，使工控主机与MR头戴装置之间采用无线的传输方式，进行数据传输。

附图说明

图1是本现有技术中的机车驾驶仿真模拟操作台示意图；

图2是本发明的基于混合现实技术的机车操作实训系统示意图；

图中的标号说明如下：

1，柜体；2，机车显示装置；3，显示器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本实施例提出一种基于混合现实技术的机车操作实训系统，包括一个操作台和一个MR(混合现实)头戴装置，其中，操作台包括一个工控主机，该工控主机安装在操作台下柜体中，柜体上安装有可拆卸的操作台面板，该操作台面板中集成有一个信号采集模块(第一信号采集模块)，用于采集连接操作台面板上各种开关及其他手动操作器件，实现各开关量/模拟量信号的采集。

工控主机采集连接操作台下柜体设置的脚踏开关，用于收集脚踏开关信号；该工控主机还通过连接线连接操作台面板中的第一信号采集模块，用于收集操作台面板上的各开关量/模拟量信号，并根据这些收集的信号判断进行实训的是哪个型号的机车。在需要切换机车信号时，通过在操作台下柜体的合适位置设置拨码开关，进行实训机车型号的切换，工控主机采集连接该拨码开关，以获取机车切换的型号。

上述的工控主机还通信连接MR头戴装置，工控主机和MR头戴装置中分别设置有通信模块，优选为无线通信模块，工控主机用于将这些开关量/模拟量信号和判断出的机车信号通过通信模块传输给MR头戴装置，由MR头戴装置中的处理器，利用这些信号和机车信号进行计算，计算机车操作台各显示屏上的显示数据，以及机车的运行前视景数据，根据接收的数据，生成虚拟的机车显示装置和机车运行前视景的三维图像，然后利用混合现实技术，将虚拟的机车显示装置、机车运行前视景图像，和真实的操作台叠加起来，得到虚实叠加画面，并根据手动操作器件的开关量和/或模拟量信号(均为电信号)的变化情况，更新虚实叠加画面，使学员戴上MR眼镜(即MR头戴装置)在操作台面板上进行操作后，看到的虚实叠加画面与真实驾驶机车进行操作后看到的画面一样，提高进行机车操作实训的真实感，提升实训效果。

上述的机车操作实训系统，设置多种型号的操作台面板，操作台面板为模拟某一种型号机车的操作台面板，每一型号的操作台面板上，包括操作台面、台面上的手柄、按键、旋钮等，与真实机车型号对应的关键组件一致，为用户增加真实体验。

且本实施例的操作台面板，采用整体替换模式，因而做成可拆卸式的，当切换为另一种型号机车的培训任务时，只需要将当前操作台面板拆卸下来，将另一种操作台面板安装到柜体上去，通过连接线连接至柜体中的工控主机即可。

本实施例中，采用航空插头、插座，作为用于连接工控主机和操作台面板中的信号采集模块的连接线。通过操作台面板引出连接线，连接线采用485或CAN通信方式，连接操作台面板中的信号采集模块，连接线的另一端设置航空插头，如图2所示；在操作台柜体上设置航空插座，航空插座通过设置的连接线，采用485或CAN通信方式，通信连接设置在柜体中的信号采集模块。

柜体中的第二信号采集模块连接有信号转换模块，信号转换模块的信号输入端通过USB线连接工控主机，并且，该信号转换模块的信号输入端还连接连接线，信号转换模块的主要作用是将第一信号采集模块和第二信号采集模块采集的信号进行转换，将485信号或CAN信号转换为USB信号，传输给工控主机。

作为其他实施方式，若工控主机具有485/CAN数据的传输端口，则航空插座的连接线可以直接连接至工控主机，第二信号采集模块也可以直接连接工控主机，而不需要信号转换模块。

本实施例中，虚拟的机车显示装置的三维图像包括虚拟的机车操作台各显示屏，以及显示屏上的机车运行状态显示画面，当操作台面板上手动操作器件的电信号状态改变时，所述机车运行状态显示画面中反映操作台面板上手动操作器件的电信号状态的部分画面也相应变化。

并且，本实施例中，生成的虚拟机车显示装置完全模仿某一种型号机车的操作台上的显示装置，包括LCDM/HMI/DMI显示屏、仪表盘、指示灯等，采用混合现实(MR)技术模拟各个显示装置的状态。工控主机用于根据学员在操作台面板上的各种操纵动作，结合对应的地面数据参数、列车运行参数，实时进行列车运行逻辑和系统控制逻辑的计算，计算结果通过信号转换，由MR头戴装置中的处理器进行混合现实技术处理，将这些结果(如车速、压管信息等)显示在虚拟的LCDM/HMI/DMI、仪表、指示灯等。且结果数据和前方视景都能动态实时展现，所反映情景与真实操作场景相一致。

例如，显示屏上的机车运行状态显示画面包括机车运行速度，实训学员控制操作台面板上的调速器，使机车加速，那么，将调速后的车速数据在虚拟的显示屏中显示画面进行动态显示，并且，根据机车的加速情况，使虚拟的机车运行前视景图像动态加速，模仿机车加速时真实的机车运行前视景的变化，使学员感觉到在操作一台真实的机车一样，提高学员的培训效果。

又如，虚拟仪表盘上对机车操作台柜体内的当前管路压力的显示。该压力在操作停放制动按钮时，根据真实机车操作台柜体内的停放制动管路压力变化过程进行动态显示。

本实施例中，机车运行前视景的三维图像，为基于MR技术和CGI技术的全虚拟环境，虚拟展现前方视景，包括机车、轨道、轨旁设备、信号机、车站等，还有机车速度、异常天气等环境的动态变化过程，即前方视景根据机车的调速而动态显示，为学员了解整个机车运作原理提供理论验证，更有助于学习。

例如，实训学员操作模驾台，使机车匀速行驶时，前方视景匀速变化；当机车加速时，前方视景加速变化；相反，当机车减速时，前方视景减速变化。例如，前方视景包括机车、轨道、轨旁设备、信号机、车站，以及环境信息，如天空和天气气象(雨雪雷电等)。

本实施例的操作台可配合其他实训系统联合实训，适用于轨道交通多个工种的实训演练(乘务员、信号工、维修工等)，包括机车司机室、计算机联锁设备、行车安全装备、出退勤派班室全场景的演练，同时可以多工种联合实训演练。

本实施例中，采用了虚拟的机车运行前视景，作为其他实施方式，操作台还可以包括显示器，显示器与工控主机连接，采用真实的显示器显示机车运行前视景，该显示器如图1所示。

本实施例中的机车操作实训系统，具有以下特点：

(1)不再完全模拟真实的机车操作台，化简硬件设备，降低成本。

也就是，操作台面板上按钮、旋钮、手柄等控件种类、功能、大小、布局方式，与原型机车操作台上的设备完全一致。但不模仿与原型机车操作台柜体中的各种复杂部件、管路等，只需要在操作台柜体中设置必要的工控主机，用于对操作台面板上的操作数据以及脚踏开关的操作数据进行处理，将学员操作产生的结果，通过MR头戴设备显示到虚拟的显示屏和前视景图像中，既能达到很好的实训效果，又能够降低成本。

(2)系统能够克服传统培训方式的弊端，采用虚实画面融合，既具有强烈的沉浸感，又具有逼真的互动操作性，提高学员的学习兴趣，培训效果良好。

(3)适用多种机车型号的操作台培训，只需要更换操作台面板，工控主机就能自动识别实训机型，操作方便，节省成本，节约设备的占空空间。

综上所述，本发明的机车操作实训系统进行了较大改变，具有显著的实用性和经济效益，非常适合进行市场应用。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于混合现实技术的机车操作实训系统，其特征在于，包括操作台和MR头戴装置，其中，操作台包括柜体，柜体上安装有可拆卸的操作台面板，每一个型号的操作台面板模仿对应型号的真实机车操作台面板上的手动操作器件及器件布局，且该操作台面板中集成有第一信号采集模块，用于采集操作台面板上手动操作器件的开关量信号；

还包括安装在所述柜体中的工控主机，工控主机通过第二信号采集模块连接柜体的脚踏开关，用于收集脚踏开关信号；该工控主机还用于通过连接线连接所述的第一信号采集模块，用于收集操作台面板上的各开关量信号，并根据这些信号自动识别进行实训的机车型号；或者设置拨码开关进行实训机车型号的切换；

所述的工控主机与MR头戴装置通信连接，用于将所述的各开关量信号和机车型号传输给MR头戴装置，由MR头戴装置根据开关量信号和机车型号进行计算，生成虚拟的机车显示装置和机车运行前视景的三维图像，或者由工控主机将接收到的各开关量和机车型号计算处理，生成虚拟的机车显示装置和机车运行前视景三维图像，再通过网络传输给MR头戴装置进行显示；所述虚拟的机车显示装置的三维图像包括虚拟的机车操作台各显示屏，以及显示屏上的机车运行状态显示画面，还包括仪表盘和指示灯，用于模仿真实机车操作台上的仪表盘和指示灯；利用混合现实技术，将虚拟的三维图像和真实的操作台叠加起来，得到虚实叠加画面，并根据手动操作器件的电信号的变化情况，更新虚实叠加画面，从而实现对用户的机车操作实训。

2.根据权利要求1所述的基于混合现实技术的机车操作实训系统，其特征在于，当操作台面板上手动操作器件的电信号状态改变时，所述机车运行状态显示画面中反映操作台面板上手动操作器件的电信号状态的部分画面也相应变化。

3.根据权利要求1所述的基于混合现实技术的机车操作实训系统，其特征在于，虚拟的机车运行前视景的三维图像，根据操作台面板上调速器的电信号的变化进行动态显示。

4.根据权利要求1所述的基于混合现实技术的机车操作实训系统，其特征在于，所述的工控主机连接有信号转换模块，该信号转换模块分别连接所述的第二信号采集模块和所述的连接线，该信号转换模块用于将接收的信号进行转换，再发送给工控主机。

5.根据权利要求1所述的基于混合现实技术的机车操作实训系统，其特征在于，所述的工控主机与所述的MR头戴装置之间通过无线通信模块进行连接。