一種基于虛擬現實的便攜式模擬教學設備的制作方法

本發明涉及虛擬現實培訓裝置領域，具體是一種基于虛擬現實的便攜式模擬教學設備。

背景技術：

在石油鉆井工程領域，司鉆作為石油鉆機的操作人員，需要熟悉鉆機設備運行，控制流程，熟悉鉆井工藝流程，以完成設定的鉆井工作，處理鉆井工程中的突發事故。大多數情況下，司鉆人員的培養需要理論知識培訓，足夠時間的鉆機操作小時數，但如同飛行員一般，鉆井工程是一項高風險的作業，如果司鉆都使用教學鉆機或者常規鉆井來進行操作練習，這樣不僅成本很高，而且有可能危害人身和設備安全。在工業領域和其他民用復雜設備操作領域，都同樣面臨著類似的風險和高成本問題。

公開號為CN201110038853.0的中國專利公開了一種鉆車司機操作技能培訓系統，是一種基于虛擬現實技術的液壓鉆車司機技能培訓系統，該系統由控制按鈕模塊、操作桿模塊、控制模塊、顯示模塊以及控制臺五部分構成。根據液壓鉆機操作標準，把液壓鉆車的啟動、運行、停機等操作的每一步，通過在控制臺上面的按鈕和操作桿將指令傳輸給控制模塊，從而在顯示模塊顯示鉆車操作的效果畫面，實現鉆車司機不用在井下就能夠很方便地學習駕駛整個鉆車的技能。該系統結構簡單、操作可靠、可操作性強，節省培訓時間和成本。具有重要的實踐意義和廣闊的應用前景。與本發明相比，雖然都是基于虛擬現實技術，但與本申請的實現方法不同，并且未實現本申請中的便攜式效果。

公開號為CN201210394725.4的中國專利公開了一種加油站虛擬培訓系統，其包括：三維驅動引擎模塊、場景數據庫模塊、數據手套驅動模塊、頭盔顯示器驅動模塊、事故三維渲染模塊和考試評估模塊。本發明的基于硬件交互的加油站虛擬培訓系統，利用數據手套、位置跟蹤器等虛擬現實硬件設備和三維驅動引擎模塊，生成逼真的加油站虛擬場景和典型事故場景，受訓者可以真實地完成標準化操作模擬和事故應急虛擬演練，以提高加油站員工虛擬培訓的真實性和培訓效果。但與本發明相比，應用領域與實現方法均不同，并且不能達到本申請大大節約成本的效果。

公開號為CN104504956A的中國專利公開了一種基于虛擬現實的鐵路電務訓練系統，包括：環境層，用于提供基于虛擬現實的網絡環境和硬件設備；數據層，用于提供鐵路電務訓練系統運行所需的數據；平臺層，用于鐵路電務訓練系統的各功能模塊提供基礎技術支撐；應用層，用于基于虛擬現實技術和所述鐵路供電訓練系統的各功能模塊進行虛擬訓練；以及交互層，用于實現鐵路電務訓練系統與用戶的交互。本發明所述的鐵路電務訓練系統的建立和投入使用，可切實保證鐵路系統電務作業組織訓練的常態化開展，確保鐵路運輸生產安全運行。該專利所述的基于虛擬現實的鐵路電務訓練系統培訓成本高，不利于推廣使用。

現有的培訓系統成本高、攜帶不方便。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于虛擬現實的便攜式模擬教學設備，便攜式模擬教學設備作為一個通用平臺，通過安裝不同的模擬培訓軟件實現多種培訓方式的轉換，能夠為各機構單位提供完美的便攜式模擬培訓解決方案，以至少實現降低培訓成本、方便易攜帶的效果。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：它包括第一手柄、設備箱體、第一襯板、觸摸顯示器、VR頭顯、主機面板、HDMI外置接口、電源接口、計算機、第二襯板和第二手柄；所述第一手柄與計算機的第一控制輸入端連接，所述第二手柄與計算機的第二控制輸入端連接，所述VR頭顯的輸入輸出端與所述計算機的輸入輸出端連接，所述計算機的視頻信號接口與HDMI外置接口連接，通過所述HDMI外置接口外接大型顯示屏；所述計算機用于構建虛擬場景，所述VR頭顯用于輸出所述計算機的場景構建數據，操作人員佩戴所述VR頭顯以后，模擬操作界面，通過手勢識別實現虛擬交互控制；所述觸摸顯示器用于顯示操作界面，所述計算機通過HDMI外置接口實現外接大型顯示屏。

所述的基于虛擬現實的便攜式石油鉆機司鉆模擬教學設備還包括設備箱體、第一襯板、主機面板、電源接口和第二襯板，所述第一襯板固定所述觸摸顯示器，所述第二襯板固定所述計算機，所述主機面板用于安裝所述計算機；所述電源接口外接電源線，所述設備箱體用于安裝所述第一手柄、第一襯板、觸摸顯示器、VR頭顯、主機面板、HDMI外置接口、電源接口、計算機、第二襯板和第二手柄。

所述的計算機為根據所述設備箱體的安裝尺寸定制的計算機。

所述的VR頭顯為Oculus或HTCvive虛擬現實增強頭盔。

所述的VR頭顯與所述計算機通過HDMI視頻通信協議連接。

所述的虛擬場景包括實物座椅，實物顯示屏和觸摸操作屏。

所述的設備箱體為帶拉桿的便攜式防塵、防水、防撞的安全箱體。

本發明的有益效果是：本發明采用虛擬現實、手勢識別技術，將傳統模擬器需要的實物座椅、實物顯示屏和觸摸操作屏等使用虛擬化技術進行替代，整套設備安裝在一個旅行箱內，縮小了培訓裝置設備的體積，僅需培訓教師一人便能自由移動到任何地點和場合，開展培訓。與傳統的模擬培訓裝置相比，本發明應用到石油鉆井工程中可以部分替代教學鉆機，幫助司鉆人員熟悉設備操作，練習鉆井工程流程的設備和軟件系統，能夠降低鉆井工程作業實地培訓的風險和鉆機設備運行維護成本；本發明應用到軌道交通領域，可以對交通與信號專業等領域進行教學模擬培訓，實現熟悉軌道交通的轉轍機、信號燈等設備的故障處理，還可以模擬培訓不同類型列車的駕駛和控制操作。本發明通過安裝不同的模擬培訓軟件來實現多種培訓方式的轉換，可以在不同的領域實現便攜、低成本和高效率的培訓解決方案。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明的手勢控制流程圖；

圖3為本發明的擴展應用示意圖；

圖中，1-第一手柄，2-設備箱體，3-第一襯板，4-觸摸顯示器，5-VR頭顯，6-主機面板，7-HDMI外置接口，8-電源接口，9-計算機，10-第二襯板，11-第二手柄。

具體實施方式

下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護范圍不局限于以下所述。

如圖1所示，一種基于虛擬現實的便攜式模擬教學設備，它包括第一手柄(1)、設備箱體(2)、第一襯板(3)、觸摸顯示器(4)、VR頭顯(5)、主機面板(6)、HDMI外置接口(7)、電源接口(8)、計算機(9)、第二襯板(10)和第二手柄(11)；所述第一手柄(1)與計算機(9)的第一控制輸入端連接，所述第二手柄（10）與計算機(9)的第二控制輸入端連接，所述VR頭顯(5)的輸入輸出端與所述計算機（9）的輸入輸出端連接，所述計算機（9）的視頻信號接口與HDMI外置接口(7)連接，通過所述HDMI外置接口(7)外接大型顯示屏；所述計算機用于構建虛擬場景，所述VR頭顯(5)用于輸出所述計算機（9）的場景構建數據，操作人員佩戴所述VR頭顯（5）以后，模擬操作界面，通過手勢識別實現虛擬交互控制，所述觸摸顯示器(4)用于顯示操作界面，所述計算機（9）通過HDMI外置接口(7)擴展外置多媒體設備實現外接大型顯示屏。

所述的基于虛擬現實的便攜式模擬教學設備還包括設備箱體(2)、第一襯板(3)、主機面板(6)、電源接口(8)和第二襯板(10)，所述第一襯板(3)固定所述觸摸顯示器(4)，所述第二襯板(10)固定所述計算機（9），所述主機面板(6)用于安裝所述計算機（9）；所述電源接口(8)外接電源線，所述設備箱體(2)用于安裝所述第一手柄(1)、第一襯板(3)、觸摸顯示器(4)、VR頭顯(5)、主機面板(6)、HDMI外置接口(7)、電源接口(8)、計算機(9)、第二襯板(10)和第二手柄(11)。

所述的計算機(9)為根據所述設備箱體(2)的安裝尺寸定制的計算機。

所述的VR頭顯為Oculus或HTCvive虛擬現實增強頭盔。

所述的VR頭顯與所述計算機通過HDMI視頻通信協議連接。

所述的虛擬場景包括實物座椅，實物顯示屏和觸摸操作屏。

所述的設備箱體（2）為帶拉桿的便攜式防塵、防水、防撞的安全箱體。

如圖2所示，作為本發明的實施例之一，在石油鉆井領域，可以對新司鉆人員通過模擬操作鉆機，熟悉石油鉆機的設備控制方式和操作流程，達到成為合格司鉆的目的。計算機（9）將通過鉆井模擬器構建的虛擬場景數據導入到虛擬頭盔顯示器，可以在虛擬現實頭盔中展示出與真實井場環境一致的虛擬現實環境，包括井場內設備、物品。操作人員只需要佩戴帶有手勢識別功能的虛擬現實頭盔，通過虛擬現實頭盔上的左眼攝像頭組件、右眼攝像頭組件可以采集佩戴人員的手勢動作信號，并且通過虛擬現實頭盔的處理器進行實時手勢分析將攝像頭傳感器采集的手勢信息進行三維重建，在佩戴了頭盔顯示器的操作人員視野中，虛擬出設備操作界面，并利用觸摸顯示器（4）顯示手勢操作信息或者通過HDMI外置接口(7)外接大型顯示屏實現擴展顯示效果，方便教學。虛擬現實頭盔處理后的手勢動作信號數據傳輸到計算機（9），通過計算機（9）將手勢動作映射為對鉆機模擬設備的控制，操作人員在虛擬出的設備操作界面上進行點擊、滑動等手勢動作對虛擬鉆井工程場景進行相關操作、切換實際觸摸顯示器（4）菜單、調用設備信息、調用爆炸圖效果和虛擬視角控制等。作為可選的操作控制信號輸入方式，本發明配置了第一手柄（1）和第二手柄（11），操作者也可以通過第一手柄（1）和第二手柄（11）進行模擬鉆井工程操作，實現更加豐富的功能。

如圖3所示，作為本發明的實施例之二，在軌道交通領域，本發明可以對交通與信號專業等領域教學進行模擬培訓，實現熟悉軌道交通的轉轍機、信號燈等設備的故障處理，還可以模擬培訓不同類型列車的駕駛和控制操作。計算機（9）將通過安裝運行不同的模擬系統軟件比如火車操作模擬，將構建的虛擬場景數據導入到虛擬頭盔顯示器，可以在虛擬現實頭盔中展示出與真實環境一致的虛擬現實環境，包括設備、物品。操作人員只需要佩戴帶有手勢識別功能的虛擬現實頭盔，通過虛擬現實頭盔上的左眼攝像頭組件、右眼攝像頭組件可以采集佩戴人員的手勢動作信號，并且通過虛擬現實頭盔的處理器進行實時手勢分析將攝像頭傳感器采集的手勢信息進行三維重建，在佩戴了頭盔顯示器的操作人員視野中，虛擬出設備操作界面，并利用觸摸顯示器（4）顯示手勢操作信息或者通過HDMI外置接口(7)外接大型顯示屏實現擴展顯示效果，方便教學。虛擬現實頭盔處理后的手勢動作信號數據傳輸到計算機（9），通過計算機（9）將手勢動作映射為對列車駕駛臺設備的控制，或者鐵路交通信號調度臺的控制，或者工廠中央調度室模擬控制等，操作人員在虛擬出的設備操作界面上進行點擊、滑動等手勢動作對虛擬工程場景進行相關操作、切換實際觸摸顯示器（4）菜單、調用設備信息、調用爆炸圖效果和虛擬視角控制等。作為可選的操作控制信號輸入方式，本發明配置了第一手柄（1）和第二手柄（11），操作者也可以通過第一手柄（1）和第二手柄（11）進行模擬列車駕駛、其它工程機械操作，實現更加豐富的功能。

本發明實質是一種便攜式虛擬現實培訓裝置，可以用于替代傳統的實物教學培訓裝置，顯著降低了高端行業的培訓成本、實現輕便易攜帶，提高了培訓的靈活性和效率。例如傳統的培訓受制于設備不能移動，大量受訓人員需要從不同地方去到專門的培訓中心，得益于本發明的旅行箱式設計，可以將培訓中心搬到大量受訓人員所在地，極大地減少了司鉆培訓成本、人員差旅成本和時間成本，尤其是對于復雜、高端型操作人才的培訓，例如石油鉆井新司鉆、軌道交通駕駛員、航空航天飛行員等領域，可以顯著降低培訓成本，提高培訓效率。

以上內容描述了本發明的基本原理和主要特點。本行業的技術人員應該了解到，在不脫離本發明所附權利要求書所限定的精神和范圍內，從形式上和細節上對本發明所做出的變化，均在本發明權利要求所保護范圍內。