CN108958466A - 基于虚拟现实技术的挖掘培训方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于虚拟现实技术的挖掘培训方法,其包括:在利用图形引擎构建的3D户外环境中模拟定位;模拟调用该定位位置附近的三维市政管网;根据手柄操作,模拟挖掘工具的姿态;基于所述三维市政管网计算所述挖掘工具与地下管网的相对位置。
Description
技术领域
本发明属于城镇化建设领域,具体涉及一种基于虚拟现实技术的挖掘培训方法。
背景技术
城市建设不可避免的涉及土石工作,但是在密布市政管网的区域进行施工挖掘,非常容易因为误伤地下管线,造成区域性事故。另一方面,当地下管网需要维修时,由于很多市政部门(水、电、气、热)地下管道***错综复杂,在地下作业施工过程中,城市地下管线的定位对施工单位、工人而言是一个巨大的挑战,即使部分管线经过测绘,并存在图纸,仍旧不便于观察和理解,即便知晓管道的位置,但在操作挖掘机械时,如何能够精确控制机械也是一个问题。
增强现实技术简称AR,是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息,通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验,真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。这种技术不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来,两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中,用户利用头盔显示器,把真实世界与电脑图形多重合成在一起,便可以看到真实的世界围绕着它。增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段,这种技术随着随身电子产品运算能力的提升,增强现实的用途越来越广。
发明人开发了基于增强现实技术的挖掘辅助方法及辅助***(另案申请)。利用AR技术对现场挖掘进行辅助,让操作者在操作挖掘机械时“看”到地下的管线,从而避免挖掘机械误伤管线。
然而,在培训使用者使用该AR挖掘辅助***时,考虑到时间、成本以及场地的要求,不可能每次都到真正的现场进行培训。
发明内容
有鉴于此,发明人又开发了基于虚拟现实的挖掘培训方法,以便使用者在去现场培训之前熟悉AR挖掘辅助***。
根据本发明的第一个方面,本发明提供一种基于虚拟现实技术的挖掘培训方法,其包括:
在利用图形引擎构建的3D户外环境中模拟定位;
模拟调用该定位位置附近的三维市政管网;
根据手柄操作,模拟挖掘工具的姿态;
基于所述三维市政管网计算所述挖掘工具与地下管网的相对位置。
优选地,所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下与地面碰触后,会留下痕迹。
优选地,所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下挖地时,地面出现的相应坑洞。
优选地,所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下运输挖出的土石方,可堆积到另外的位置。
优选地,所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下挖掘到管线存在位置时,虚拟现实显示装置显示所述管线。
优选地,所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下挖掘导致管线破损时,虚拟现实显示装置显示对破损的市政管线的危险提示。
优选地,所述图形引擎包括Unity3D。
在本发明的一些实施方式中,在所述基于三维市政管网上叠加挖掘工具操作空间数据。
所述操作空间数据包括挖坑大小、当前操作设备所处深度、挖掘头尖端位置。
优选地,在显示界面具有跟随主视角移动的半透明数据显示面板,用于模拟放置于眼前的AR显示屏。
所述市政管网包括但不限于电力、电信、网络、通讯、热力、燃气、雨水排水、污水排水管线中的一种或多种。
附图说明
通过阅读参考一下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是示意地表示本发明的一些实施方式的方法的原理图。
图2是示意地表示本发明的一些具体实施方式的显示界面示意图。
图3是示意地表示本发明的一些实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
在下文的描述中,给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而,对于本领域技术人员来说显而易见的是,本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中,为了避免与本发明发生混淆,对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
在本发明中,术语“混合跟踪技术”是指利用多种传感器进行定位的技术,所述多种传感器包括但不限于机械、超声波、电磁***、全球定位***(Global positioningsystem,GPS)、数字罗盘、视觉摄像机或惯性***。
术语“GIS***”GIS属于信息***的一类,不同在于它能运作和处理地理参照数据。地理参照数据描述地球表面(包括大气层和较浅的地表下空间)空间要素的位置和属性,在GIS中的两种地理数据成分:空间数据,与空间要素几何特性有关;属性数据,提供空间要素的信息。
地理信息***(GIS)与全球定位***(GPS)、遥感(RS)合称3S。一个地理信息***是一种具有信息***空间专业形式的数据管理***。在严格的意义上,这是一个具有集中、存储、操作、和显示地理参考信息的计算机***。
GIS数据以数字数据的形式表现了现实世界客观对象(公路、土地利用、海拔)。现实世界客观对象可被划分为二个抽象概念:离散对象(如房屋)和连续的对象领域(如降雨量或海拔)。这二种抽象体在GIS***中存储数据主要的二种方法为:栅格(网格)和矢量。
栅格(网格)数据由存放唯一值存储单元的行和列组成。它与栅格(网格)图像是类似的,除了使用合适的颜色之外,各个单元记录的数值也可能是一个分类组(例如土地使用状况)、一个连续的值(例如降雨量)或是当数据不是可用时记录的一个空值。栅格数据集的分辨率取决于地面单位的网格宽度。通常存储单元代表地面的方形区域,但也可以用来代表其它形状。栅格数据既可以用来代表一块区域,也可以用来表示一个实物。
矢量数据利用了几何图形例如点、线(一系列点坐标),或是面(形状决定于线)来表现客观对象。例如,在住房细分中以多边形来代表物产边界,以点来精确表示位置。矢量同样可以用来表示具有连续变化性的领域。利用等高线和不规则三角形格网(TIN)来表示海拔或其他连续变化的值。TIN的记录对于这些连接成一个由三角形构成的不规则网格的点进行评估。三角形所在的面代表地形表面。
除了以几何向量坐标或是栅格单元位置来表达的空间数据外,另外的非空间数据也可以被存储。在矢量数据中,这些附加数据为客观对象的属性。例如,一个森林资源的多边形可能包含一个标识符值及有关树木种类的信息。在栅格数据中单元值可存储属性信息,但同样可以作为与其他表格中记录相关的标识符。
在本发明中,所涉及的数据信息包括管网的GIS信息、管网完整性信息、管线属性信息等。所述管线属性信息包括但不限于:管径、长度、壁厚、焊口、埋深、缺陷、部署日期、维护信息等等。这些信息可以被辅助绘制成为三维管线,从而形成可视化的效果。
在本发明中,术语“CORS”是指连续运行(卫星定位服务)参考站(ContinuouslyOperating Reference Stations),缩写为CORS)。其利用多基站网络RTK技术建立,是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物。CORS***由基准站网、数据处理中心、数据传输***、定位导航数据播发***、用户应用***五个部分组成,各基准站与监控分析中心间通过数据传输***连接成一体,形成专用网络。
术语“Inside-out”是一种光学跟踪***,光源发射装置安装在被跟踪目标上,获取光源信号的传感器/标记点固定在使用环境中,其原理都是以三角定位算法为基础,测量目标反射或者是主动发射的光线,并经过计算机特殊的视觉算法可转换成目标的空间位置数据,从而实现对目标的位置跟踪。其无需依靠外部的传感器配件,仅依靠设备本身,就可以实现虚拟场景内的空间定位、人机交互等。具体到VR设备,则主要通过在VR头盔上安装摄像头,并让VR头盔可自己检测外部环境变化,借助计算机或算法芯片计算VR头盔的空间位置。对于AR设备,如微软HoloLens,就是通过机器搭载的颗深度摄像头、环境感知摄像头等带来了优秀的用户体验。
本发明中的基于增强现实技术的市政管网通过如下方式自动建模而成:
S110获取精确定位信息、朝向信息、高度信息、以及获取设备运动状态及偏转角度。
通过GPS、北斗、或CORS站获取当前精确定位信息;通过陀螺仪、电子罗盘获取精确的朝向信息;通过压力传感器,结合GPS定位数据与海拔参照数据库,获取当前高度信息;通过陀螺仪,获取设备的运动状态以及偏转角度。
在附近设置相对定位点,在定位信息不够精确时,使用相对定位方案。例如,可以根据地面标记物对增强现实内容中对应的AR标记物进行校准。
所述地面标记物包括但不限于:井盖、地钉、电线杆、标志建筑物、闸井、阀门、标记中的一种或多种。优选地,所述地面标记物为市政地面设施。
可以根据至少两个地面标记物对增强现实内容中对应的AR标记物进行校准。优选至少三个地面标记物对增强现实内容中对应的AR标记物进行校准。
在所述地面标记物正上方,调整AR中的x、y、z轴,使所述地面标记物与增强现实内容中对应的AR标记物重合。
S120根据定位信息调取市政管线数据库的管网信息;
市政管线数据库存储有关管网的GIS信息、管网完整性信息及管线属性信息。所述管线属性信息包括但不限于:管径、长度、壁厚、焊口、埋深、缺陷、部署日期、维护信息。
根据定位信息,调取定位点附近的管网信息。所述“附近”可以通过AR设备人为调节,也可根据使用习惯预先设置。
S130根据设定的范围参数绘制管网三维模型;
通过绘制参考平面,形成正确的地面透视相对关系。
S140根据朝向信息、高度信息和偏转角度对三维模型的位置进行修正。
本发明中的AR显示设备包括但不限于AR眼镜、AR头戴显示设备、智能手机、平板电脑等。
通过无线通讯模块与卫星、网络或移动基站联络,获得定位信息,进行数据传输。
由此可以通过定位获得定位位置附近的三维市政管网。
本发明的基于虚拟现实技术的挖掘培训方法,如图3所示,其包括:
S210在利用图形引擎构建的3D户外环境中模拟定位;
所述模拟定位可以是真实定位,或是虚拟定位。但是在AR挖掘辅助***中,使用者看到的是真实环境影像,而在本发明的VR挖掘培训***中,使用者看到的是利用图形引擎构建的3D户外环境。然而定位并不一定需要虚拟,例如在培训大楼内,地下也有管线,可以利用真实的坐标定位。当然,也可以虚拟坐标。
S220模拟调用该定位位置附近的三维市政管网;
三维市政管线数据库存储有关管网的GIS信息、管网完整性信息及管线属性信息。所述管线属性信息包括但不限于:管径、长度、壁厚、焊口、埋深、缺陷、部署日期、维护信息。
根据定位信息,调取定位点附近的管网信息。所述“附近”可以通过虚拟现实设备人为调节,也可根据使用习惯预先设置。
所述模拟调用,可以是以真实定位位置调取真实的管网数据,也可以利用虚拟的定位位置调取真实的管网数据,更可以利用虚拟的定位位置调取虚拟的管网数据,还可以利用虚拟的定位位置调取真实的官网数据。
S230根据手柄操作,模拟挖掘工具的姿态;
在AR挖掘辅助***中,在挖掘设备上安装惯性传感器,从而了解采集挖掘设备的运动姿态。
在VR挖掘培训***中,以手柄代表操作杆,操作杆与挖掘工具的姿态对应,从而可以根据手柄的操作,模拟挖掘工具的姿态。
S240基于所述三维市政管网计算所述挖掘工具与地下管网的相对位置。
在AR三维管线中显示基于姿态、定位等数据所形成的叠加三维数据,包括挖坑大小、当前操作设备所处深度、挖掘头尖端位置。
在VR三维管线中上述数据均可模拟。尤其是,在显示界面具有跟随主视角移动的半透明数据显示面板,用于模拟放置于眼前的AR显示屏。
本发明的3D场景通过图形引擎构建,特别是Unity3D。本领域技术人员也可以使用其他类似工具构建3D场景。
本发明用于培训需要而构建的3D场景包括但不限于:
所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下与地面碰触后,会留下痕迹。
所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下挖地时,地面出现的相应坑洞。
所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下运输挖出的土石方,可堆积到另外的位置。
所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下挖掘到管线存在位置时,虚拟现实显示装置显示所述管线。
所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下挖掘导致管线破损时,虚拟现实显示装置显示对破损的市政管线的危险提示。
实施例1
(1)模拟定位自身位置,在VR设备中显示三维市政管网。
(2)根据手柄的姿态和设置,模拟当前挖掘工具的悬臂所在的位置。
(3)计算挖掘工具尖端的相对位置。
在AR挖掘辅助***中,悬臂上配置传感器用于采集悬臂的动作姿态。悬臂开始***时,每个关节点都可能出现6向运动。当发生位移时,通过持续追踪每个节点的6向运动信息,可以绘制出节点的运动轨迹,从而计算出各个节点(包括挖掘机)的实时位移。偏移量传递给***,而***依据各个关节的偏移量计算整个悬臂的姿态,最终计算出挖头的位置、高度信息。在AR挖掘辅助实施例中,挖掘机终端的位置可通过最后一个节点的位置与终端长度以及最后一个节点的向下弯折程度(Pitch)确定。
在本发明的VR挖掘培训***中,手柄模拟操作杆,利用保存手柄同一姿态下的时间,对应悬臂在某一操作下持续的时间,从而计算悬臂的运动轨迹。
例如,模拟让悬臂提升3米,对应操作杆提升操作维持5秒,即为手柄在某一位置维持5秒。
(4)在VR三维管线中显示基于上述结果所形成的叠加三维数据,包括挖坑大小、当前操作设备所处深度、挖掘头尖端位置。
***将挖头的位置、高度信息与三维管线数据进行比较,作为操作和报警的依据。
(5)当挖掘尖端接近管线位于预设阈值范围内时,提供报警信息。
本发明不限于上述实施方式,在本发明思想的范围内可以进行各种变更。本发明已通过上述实施例进行了说明,但应当理解的是,上述实施例只是用于举例和说明的目的,而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是,本发明并不局限于上述实施例,根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改,这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (10)
1.一种基于虚拟现实技术的挖掘培训方法,其包括:
在利用图形引擎构建的3D户外环境中模拟定位;
模拟调用该定位位置附近的三维市政管网;
根据手柄操作,模拟挖掘工具的姿态;
基于所述三维市政管网计算所述挖掘工具与地下管网的相对位置。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下与地面碰触后,会留下痕迹。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下挖地时,地面出现的相应坑洞。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下运输挖出的土石方,可堆积到另外的位置。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下挖掘到管线存在位置时,虚拟现实显示装置显示所述管线。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述挖掘工具在利用图形引擎构建的场景下挖掘导致管线破损时,虚拟现实显示装置显示对破损的市政管线的危险提示。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的方法,其中所述图形引擎包括Unity3D。
8.根据权利要求7所述的方法,其中在所述三维市政管网上叠加挖掘工具操作空间数据。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述操作空间数据包括挖坑大小、当前操作设备所处深度、挖掘头尖端位置。
10.根据权利要求1所述的方法,其中显示界面具有跟随主视角移动的半透明数据显示面板,用于模拟放置于眼前的AR显示屏。
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