CN208284105U - 基于虚拟现实和空间定位的分布式协同装填训练模拟*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于虚拟现实和空间定位的分布式协同装填训练模拟***，有效解决了现有***中只有单人操作或者协同训练难以实质性开展、效果不佳的问题。本实用新型起重机遥控器连接于数据采集控制设备，所述数据采集控制设备连接于训练控制主机，所述空间定位装置经扫描设备虚拟现实头显，从而获得位置和方向信息，所述无线虚拟现实头显将其方向、位置和姿态信息经无线头显数传装置传递给训练控制主机，所述训练控制主机将视频信号经无线头显数传装置传递给无线虚拟现实头显；所述双基站激光定位装置有两组，每组有两个呈对角放置的激光定位装置，两组激光定位装置分别构成两个模拟训练空间。

Description

基于虚拟现实和空间定位的分布式协同装填训练模拟***

技术领域

本实用新型涉及特种车辆驾驶训练、运动平台测量和视景仿真应用领域，特别是一种基于虚拟现实和空间定位的分布式协同装填训练模拟***。

背景技术

大型机械设备装填操作在军事和民用领域都有着极为广泛的应用，但是却存在装填操作手培养难、成本高的难题，人才供应成为瓶颈。在协同装填训练过程中，存在着一定的危险性，尤其是刚刚开始接受训练的操作人员，相互配合不默契，对设备及操作不熟悉，容易出现操作时控制不当导致速度过快，启停过急的情况，甚至出现误操作，有可能造成严重后果。

目前大型设备协同装填训练多采用半实物仿真协同装填训练模拟器和实物协同装填训练模拟器的方法，半实物仿真协同装填训练模拟器往往通过采集起重机遥控器的信号，驱动虚拟场景内的模型运动，并自动完成其余人员的操作，主操作人员通过观察屏幕显示，获取操作反馈。该方法由于参训人员看到的是二维的图像，沉浸感差，并且观察的视角相对固定，与实际操作时情况不符，所以训练效果受到很大制约，同时只是单人操作，对协同训练效果不佳。实物协同装填训练模拟器多数采用和实车装填接近一致的操作座舱、控制设备、装填设备、操作遥控手柄，甚至是实物装填对象的方法达到装填技能培养的目的，具有和实车操控环境、操控手感接近训练效果好的优点，但是存在成本高、磨损大、装填设备制造要求高、效费比低下的缺点。

实用新型内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型提供一种基于虚拟现实和空间定位的分布式协同装填训练模拟***，有效解决了现有***中只有单人操作或者协同训练难以实质性开展、效果不佳的问题。

本实用新型包括起重机遥控器、数据采集控制设备、无线虚拟现实头显、无线头显数传装置、双基站激光定位装置和训练控制主机，其特征在于，所述起重机遥控器连接于数据采集控制设备，所述数据采集控制设备连接于训练控制主机，

所述空间定位装置经扫描设备虚拟现实头显，从而获得位置和方向信息，所述无线虚拟现实头显将其方向、位置和姿态信息经无线头显数传装置传递给训练控制主机，所述训练控制主机将视频信号经无线头显数传装置传递给无线虚拟现实头显；

所述双基站激光定位装置有两组，每组有两个呈对角放置的激光定位装置，两组激光定位装置分别构成两个模拟训练空间；

所述激光定位装置下方设有底盘，所述底盘上固定有内部中空的立柱，所述立柱上端同轴固定有套筒，所述套筒内旋拧有螺杆，所述螺杆上固定有旋转把手，所述螺杆上端阻尼转动连接有固定板，所述激光定位装置固定在固定板上，所述激光定位装置后部设有可以改变激光定位装置作用角两个遮光板。

两个所述遮光板分别经阻尼转轴转动连接在固定板上。

所述空间定位装置为双基站激光定位装置。

所述数据采集控制设备与虚拟现实头盔和起重机遥控器之间均经无线装置传输数据。

本实用新型利用空间定位装置获取无线虚拟现实头显的空间位置及方向，利用数据采集控制设备获取起重机遥控器的操作动作信号，将无线虚拟现实头显的信息、起重机遥控器的操作信息传输给训练控制主机，训练控制主机通过处理后驱动虚拟场景内的模型，并将虚拟场景的三维图像及音频信号通过无线头显数传装置传输给无线虚拟现实头显，受训人员通过无线虚拟现实头显获取虚拟场景的视觉信息和声音信息。本装置***信号传输延迟小，操作手感与实际一致，沉浸感强。可以进行多人协同训练。

附图说明

图1为本实用新型电路原理图。

图2为本实用新型两组双基站激光定位装置分布图。

图3为本实用新型激光定位装置下方的支撑结构。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

本实用新型的技术方案是，包括起重机遥控器1、数据采集控制设备2、无线虚拟现实头显3、无线头显数传装置4、双基站激光定位装置5和训练控制主机6，其特征在于，所述起重机遥控器1连接于数据采集控制设备2，所述数据采集控制设备2连接于训练控制主机6，

所述空间定位装置经扫描无线虚拟现实头显3，从而获得位置和方向信息，所述无线虚拟现实头显3将其方向、位置和姿态信息经无线头显数传装置4传递给训练控制主机6，所述训练控制主机6将视频信号经无线头显数传装置4传递给无线虚拟现实头显3，所述双基站激光定位装置5有两组，每组有两个呈对角放置的激光定位装置7，两组激光定位装置7分别构成两个模拟训练空间；

所述激光定位装置7下方设有底盘8，所述底盘8上固定有内部中空的立柱9，所述立柱9上端同轴固定有套筒10，所述套筒10内旋拧有螺杆11，所述螺杆11上固定有旋转把手12，所述螺杆11上端阻尼转动连接有固定板13，所述激光定位装置7固定在固定板13上，所述激光定位装置7后部设有可以改变激光定位装置7作用角两个遮光板14。旋转把手12为两个对称固定在螺杆上的垂直于螺杆的直杆。

两个所述遮光板14分别经阻尼转轴15转动连接在固定板13上。两个遮光板14也可以固定在固定板13上，当确定两个遮光板14之间的夹角后，其可以按照需要的夹角固定在固定板13上。当需要调节激光定位装置7发射激光的作用角度时，旋转两个遮光板14，使得两个遮光板14之间的夹角符合需要的激光作用角即可。在使用的时候，当需要调节激光定位装置7的高度时，只需要手持旋转把手12，让螺杆11在套筒10的内螺纹内旋转，使得螺杆11上升，此时如果不想影响激光定位装置的角度，则可以另一个人双手扶着固定板13，即可保证激光定位装置7不转动。当需要转动激光定位装置7，来调节激光定位装置7的朝向时，只需要转动固定板13即可，固定板13下端固定有转轴，在螺杆11上端固定有阻尼套筒，转轴连接在阻尼套筒内即可构成阻尼转动连接，由于是阻尼转动连接，因此，固定板13的角度可以实时定位。当需要调节激光定位装置7的作用角时，只需要转动两个遮光板14，两个遮光板14的延长面交叉线至于激光定位装置7后部中心，当两个遮光板14构成的角度小于激光定位装置本身的作用角度时，此时遮光板的夹角就是激光地位装置实际的作用角。

在协同训练的过程中，由于需要两组双基站激光定位装置，而有时候房间的空间较小，现有的双基站激光定位装置的作用范围一般是五米乘于五米，多人协作时需要两组双基站激光定位装置，由于双基站定位装置的作用角度较大，因此两组激光定位装置协同作用容易造成激光扫描的交叉，激光扫描的交叉容易造成定位不准确的问题。因此本实用新型设计角度、高度和朝向可调节的装置，用来调节激光定位装置的作用角度、高度和方向，以适应多人协作的训练。两组双基站激光定位装置构成两组模拟训练空间，受训人员分别处于两个模拟训练空间内进行训练即可。

所述空间定位装置为双基站激光定位装置5。

所述数据采集控制设备与虚拟现实头盔和起重机遥控器之间均经无线装置传输数据。起重机遥控器线连数据采集控制设备，无线虚拟现实头显线连无线头显数传装置。

（一）起重机遥控器

起重机遥控器采用实装实车遥控器，加装数据采集控制设备后连接训练控制台，模拟和实装完全一致的操作手感和操作体验，用于对起重机操作的模拟和操作动作的数据产生。

（二）数据采集控制设备

根据选用的起重机遥控器型号，采用适配的采集控制设备，用于对起重机遥控器输出的信号进行采集与传输，并将训练控制主机产生的控制信号传输给起重机遥控器。

（三）无线虚拟现实头显

通过无线头显数传装置接收训练控制主机产生的虚拟场景三维视听信息，并把头盔的位置姿态信息通过无线头显数传装置传输给训练控制主机。

无线虚拟现实头显采用32颗光电传感器与***，360°全方位移动，准确带消费者进入真实的虚拟世界；110°接近人眼的大视角，高清2160*1200分辨率；90Hz高屏幕刷新率、可调节的镜头距离、可调整的瞳孔距离，亚毫秒级精准定位。每个红外传感器对应位置都由小的红外滤光片，这些红外窗口能够使红外信号更加清晰，定位更加精准。有线/无线双模准确定位追踪，每秒100帧的速率高速扫描定位区域内头显，360度移动追踪；低于20MS延迟的立体空间定位；简单带来同步的动作反馈；两个只需插上电源即可完成同步。简单易用，直观交互。24颗光电传感器与***，多功能触摸板、扳机、紧握按钮、轻松操控虚拟世界的一切；亲肤材质，超真实的力学反馈***；

无线虚拟现实头显上的畅听智能头带能使穿脱头盔更为容易、让头显重量分布平衡，并内建衬垫与一体式耳机。采用硬壳材料搭配操作简单的头显尺寸调节旋钮，可调整高度及角度的内建一体式耳机，优化头显重量分配及线缆收纳，更舒适，更方便。头带后方的调节旋钮使头盔与头部更服贴，内部衬垫及优化的重量分配让配戴更加舒适，享受更加沉浸的VR虚拟现实体验。优质声效随心所欲，声音对于沉浸的体验至关重要。畅听智能头带内建一体式耳机，方便您更便利地走入VR虚拟现实。耳机可以调整高度和角度，贴合您的耳朵，拆装也很容易；

（四）无线头显数传装置

用于与无线虚拟现实头盔进行双向数据传输，实现装填操作人员装填训练的无线化，减少有线电缆的羁绊。

采用Lighthouse双基站激光扫描定位模式对活动区域进行全方位激光扫描，通过墙上（悬空放置的）的两颗激光传感器识别头显上的位置追踪传感器，从而获得位置和方向信息；

采用60GHz 802.11ad高速毫米波传输技术将训练控制主机渲染的视频信号不用数据编码压缩直接无线传输，从而实现对1920*1080@90fps的数据进行近距离20米以内的无线传输，满足无线虚拟现实头显传输延迟低（低于2ms）、传输带宽高（5-7Gbps）、传输可靠性高的基本要求。无线传输延时<2ms，整体延时控制在20ms以内，传输范围>5m。无线套件具有深度优化的天线阵列和超大带宽，保证了显示体验与有线时完全一致，即采用无限传输方案也可保证画面无延时；

训练控制主机渲染的视频信号不用数据编码压缩直接无线传输，接收头显端惯性传感器信息；

无线头显数传装置将接收到的高质量视频数据进行近似实时的画面渲染输出给无线虚拟现实头显，同时以最短延时获取头显惯性传感器信息以无线形式发送出去，为训练控制主机视频渲染提供惯性姿态数据。头显根据惯性传感器计算当前视角输出当前视角的全景图像，用户可以看到稳定无延时的视口图像，就好像图像在头盔本地生成。此时后台的编码视频流以<20ms的延时通过wifi不断填充到头盔，以完成相对高延时的位置计算；

（五）空间定位装置

为无线虚拟现实头显提供定位信号，确定无线虚拟现实头显在空间的位置和方向信息。

双基站激光定位模块采用SteamVR称霸世界的追踪技术进行空间定位，拥有低延迟、亚毫米级精确度与360度覆盖等特色。无论是站着、坐着，或是以在空间中走动的方式探索虚拟世界，VR虚拟现实永远将你至于世界的中心。Lighthouse由两个基站构成：每个基站里有一个红外LED阵列，两个转轴互相垂直的旋转的红外激光发射器。转速为10ms一圈。基站的工作状态是这样的：20ms为一个循环，在循环开始的时候红外LED闪光，10ms内X轴的旋转激光扫过整个空间，Y轴不发光；下10ms内Y轴的旋转激光扫过整个空间，X轴不发光。在基站的LED闪光之后就会同步信号，然后光敏传感器可以测量出X轴激光和Y轴激光分别到达传感器的时间。这个时间就正好是X轴和Y轴激光转到这个特定的，点亮传感器的角度的时间，于是传感器相对于基站的X轴和Y轴角度也就已知了；分布在头显和控制器上的光敏传感器的位置也是已知的，于是通过各个传感器的位置差，就可以计算出头显的位置和运动轨迹；

虚拟现实头显上有超过70个光敏传感器。激光扫过的同时，头显开始计数，传感器接收到激光后，利用传感器位置和接收激光时间的关系，计算相对于激光发射器的准确位置。同一时间内激光束击中的光敏传感器足够多，就能形成一个3D的模型。不仅能探测出头盔的位置，还可以捕捉到头盔的方向；

激光定位技术的优势，一是成本低，相对昂贵的红外动作捕捉摄像机，利用激光光塔进行动作捕捉的成本就相对低廉很多了。二是定位精度高，在VR领域，超高的定位精度意味着卓越的沉浸感。激光定位方案的精度可以达到毫米级别，也就成就了虚拟现实体验的震撼效果。

（六）训练控制主机

用于处理起重机遥控器的操作信息，并驱动虚拟场景，将虚拟场景的信息传输给无线虚拟现实头显、数据采集控制设备。训练控制主机控制多个设备之间的协同训练。为了增加运算速度，也可以每一个训练者配一套训练控制主机，训练主机，然后再增加一个分布式协同***，用于协调处理、同步各训练控制主机的虚拟场景信息。

本发明不仅仅局限于提到的特定虚拟现实头显和空间定位装置，还可以使用其他具有类似性能的虚拟现实头显和定位装置。空间定位装置还可以采用增大定位光源作用范围的方式得以有效解决，这样可以简化***，仅仅采用一套定位装置即可以解决协同训练光源定位范围不足的问题。

Claims (2)

1.基于虚拟现实和空间定位的分布式协同装填训练模拟***，包括起重机遥控器（1）、数据采集控制设备（2）、无线虚拟现实头显（3）、无线头显数传装置（4）、双基站激光定位装置（5）和训练控制主机（6），其特征在于，还包括空间定位装置，所述起重机遥控器（1）连接于数据采集控制设备（2），所述数据采集控制设备（2）连接于训练控制主机（6），

所述空间定位装置经扫描无线虚拟现实头显（3），从而获得位置和方向信息，所述无线虚拟现实头显（3）将其方向、位置和姿态信息经无线头显数传装置（4）传递给训练控制主机（6），所述训练控制主机（6）将视频信号经无线头显数传装置（4）传递给无线虚拟现实头显（3），所述双基站激光定位装置（5）有两组，每组有两个呈对角放置的激光定位装置（7），两组激光定位装置（7）分别构成两个模拟训练空间；

所述激光定位装置（7）下方设有底盘（8），所述底盘（8）上固定有内部中空的立柱（9），所述立柱（9）上端同轴固定有套筒（10），所述套筒（10）内旋拧有螺杆（11），所述螺杆（11）上固定有旋转把手（12），所述螺杆（11）上端阻尼转动连接有固定板（13），所述激光定位装置（7）固定在固定板（13）上，所述激光定位装置（7）后部设有可以改变激光定位装置（7）作用角的两个遮光板（14）。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实和空间定位的分布式协同装填训练模拟***，其特征在于，两个所述遮光板（14）分别经阻尼转轴（15）转动连接在固定板（13）上。