一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统及其控制方法

1.本技术属于勘探培训领域，具体涉及一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着勘探技术的不断进步，勘探设备的种类和型号不断增多，在勘探过程中，对操作员的操作技能很高要求。因此，如何提升操作员的操作技能，是非常重要的技术问题。
3.目前针对勘探设备操作人员的技能培训多基于教员现场培训和多媒体培训方式，这种具备培训内容标准化，重复利用性能高，并能支撑大量学员同时开展培训等特点，但在逼真度、真实感方面和物理设备仍存在一定的差距，学员通过鼠标和键盘操作繁琐，交互体验不佳，降低了培训的效率；而且在现实中，为了保证操作人员的生命安全，无法模拟出设备出现故障的情形，而虚拟交互则可以完美的解决这些培训过程中存在的不足。


技术实现要素：

4.本技术旨在解决现有技术的不足，提出一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统及其控制方法，通过对真实勘探设备进行模型构建，以及对学员的操作在模型上进行实时仿真模拟，具有高度真实感和直观的交互体验。
5.为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
6.一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统，包括：模型构建模块、故障模拟模块、交互模块和评价模块；
7.所述模型构建模块用于构建勘探设备的设备3d模型；
8.所述故障模拟模块用于基于设备故障类型在所述设备3d模型上构建故障情形；
9.所述交互模块用于学员基于所述设备3d模型进行模拟操作；
10.所述评价模块用于基于所述模拟操作进行操作评价。
11.优选的，所述模型构建模块包括：零件构建子系统、零件定位子系统、模型整合子系统和第一处理装置；
12.所述零件构建子系统用于收集所述勘探设备的各零件的零件扫描数据，并基于所述零件扫描数据构建零件模型；
13.所述零件定位子系统用于基于所述勘探设备结构对所述零件模型进行定位，得到零件位置信息；
14.所述模型整合子系统用于基于所述零件位置信息对所述零件模型进行组合，得到所述设备3d模型；
15.所述第一处理装置用于将所述设备3d模型转换为数字信号传输至所述故障模拟模块和所述交互模块。
16.优选的，所述故障模拟模块包括：故障信息库、硬件故障模拟子系统和软件故障模拟子系统；
17.所述故障信息库用于储存所述勘探设备的硬件故障信息和软件故障信息；
18.所述硬件故障模拟子系统基于所述数字信号拆解所述设备3d模型，并基于所述硬件故障信息对所述零件模型生成硬件故障事件；
19.所述软件故障模拟子系统用于基于所述软件故障信息生成软件故障事件。
20.优选的，所述交互模块包括：外显装置、穿戴式动作捕捉装置和第二处理装置；
21.所述外显装置用于基于所述数字信号、所述硬件故障事件和所述软件故障事件生成相应的可交互虚拟模型；
22.所述穿戴式动作捕捉装置用于捕捉学员操作动作，并生成所述模拟操作过程数据；
23.所述第二处理装置用于接收所述模拟操作过程数据，并基于所述模拟操作过程数据，生成模型改变指令，并将所述模型改变指令传输至所述外显子系统。
24.优选的，所述评价模块包括：监控子系统和评估子系统；
25.所述监控子系统用于接收并储存所述模拟操作过程数据；
26.所述评估子系统用于基于所述模拟操作过程数据进行实时动作正确性判断，得到判断结果，并基于所述判断结果输出评估结果；
27.所述评估子系统还基于所述判断结果发出惩罚指令，并将所述惩罚指令传输至所述穿戴式动作捕捉子系统。
28.本技术还提供了一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统的控制方法，用于对上述的培训系统进行控制，包括以下步骤：
29.构建勘探设备的设备3d模型；
30.基于设备故障类型在所述设备3d模型上构建故障情形；
31.学员基于所述设备3d模型进行模拟操作；
32.基于所述模拟操作进行操作评价。
33.优选的，所述设备3d模型的构建方法包括：
34.收集所述勘探设备的各零件的零件扫描数据，并基于所述零件扫描数据构建零件模型；
35.基于所述勘探设备结构对所述零件模型进行定位，得到零件位置信息；
36.基于所述零件位置信息对所述零件模型进行组合，得到所述设备3d模型。
37.优选的，所述故障情形的构建方法包括：
38.提取所述勘探设备的硬件故障信息和软件故障信息；
39.拆解所述设备3d模型，基于所述硬件故障信息对所述零件模型生成硬件故障事件；
40.基于所述软件故障信息生成软件故障事件。
41.优选的，所述操作评价的方法包括：
42.接收并储存所述模拟操作过程数据；
43.基于所述模拟操作过程数据进行实时动作正确性判断，得到判断结果，并基于所述判断结果输出评估结果；
44.基于所述判断结果发出惩罚指令，并将所述惩罚指令传输至所述穿戴式动作捕捉子系统。
45.与现有技术相比，本技术的有益效果为：
46.利用本技术的培训系统，使培训过程更加直观生动，仿真度高，操作员易于掌握，提高了操作技能的水平；操作模拟的成本更低，易于推广；操作模拟的数据可以用于查看和评估，帮助各勘探单位进行员工培训，提高队伍的整体素质。
附图说明
47.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1为本技术实施例的系统结构示意图；
49.图2为本技术实施例的控制方法流程示意图。
具体实施方式
50.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
51.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
52.实施例一
53.在本实施例中，如图1所示，一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统，包括：模型构建模块、故障模拟模块、交互模块和评价模块。
54.模型构建模块与故障模拟模块和交互模块连接，用于构建勘探设备的设备3d模型。
55.模型构建模块包括：零件构建子系统、零件定位子系统、模型整合子系统和第一处理装置。零件构建子系统与零件定位子系统连接，用于收集勘探设备的各零件的零件扫描数据，并基于零件扫描数据构建零件模型；零件定位子系统还与模型整合子系统连接，用于基于勘探设备结构对零件模型进行定位，得到零件位置信息；模型整合子系统还与第一处理装置连接，用于基于零件位置信息对零件模型进行组合，得到设备3d模型；第一处理装置用于将设备3d模型转换为数字信号传输至故障模拟模块和交互模块。
56.故障模拟模块还与交互模块连接，用于基于设备故障类型在设备3d模型上构建故障情形。
57.故障模拟模块包括：故障信息库、硬件故障模拟子系统和软件故障模拟子系统。故障信息库分别与硬件故障模拟子系统和软件故障模拟子系统连接，用于储存勘探设备的硬件故障信息和软件故障信息；硬件故障模拟子系统基于数字信号拆解设备3d模型，并基于硬件故障信息对零件模型生成硬件故障事件；软件故障模拟子系统用于基于软件故障信息生成软件故障事件。本实施例中，硬件故障模拟子系统和软件故障模拟子系统分别与交互模块连接，将生成的硬件故障事件和软件故障事件发送至交互模块中。
58.交互模块还与评价模块连接，用于学员基于设备3d模型进行模拟操作。
59.交互模块包括：外显装置、穿戴式动作捕捉装置和第二处理装置。外显装置分别与模型构建模块和故障模拟模块连接，用于基于数字信号、硬件故障事件和软件故障事件生成相应的可交互的对象设备虚拟模型；穿戴式动作捕捉装置与外显装置连接，用于捕捉学员操作动作，并生成模拟操作过程数据；第二处理装置与穿戴式动作捕捉子系统连接，用于接收模拟操作过程数据，并基于模拟操作过程数据，生成模型改变指令，并将模型改变指令传输至外显子系统。
60.评价模块用于基于模拟操作进行操作评价。
61.评价模块包括：监控子系统和评估子系统。监控子系统分别与交互模块和评估子系统连接，用于接收并储存模拟操作过程数据；评估子系统用于基于模拟操作过程数据进行实时动作正确性判断，得到判断结果，并基于判断结果输出评估结果；评估子系统还可以基于判断结果发出惩罚指令，并将惩罚指令传输至穿戴式动作捕捉子系统。
62.在本实施例中，还提供了上述培训系统的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
63.s1.构建勘探设备的设备3d模型。
64.设备3d模型的构建方法包括：收集勘探设备的各零件的零件扫描数据，并基于零件扫描数据构建零件模型；基于勘探设备结构对零件模型进行定位，得到零件位置信息；基于零件位置信息对零件模型进行组合，得到设备3d模型。
65.s2.基于设备故障类型在设备3d模型上构建故障情形。
66.故障情形的构建方法包括：提取勘探设备的硬件故障信息和软件故障信息；拆解设备3d模型，基于硬件故障信息对零件模型生成硬件故障事件；基于软件故障信息生成软件故障事件。
67.s3.学员基于设备3d模型进行模拟操作。
68.s4.基于模拟操作进行操作评价。
69.操作评价的方法包括：接收并储存模拟操作过程数据；基于模拟操作过程数据进行实时动作正确性判断，得到判断结果，并基于判断结果输出评估结果；基于判断结果发出惩罚指令，并将惩罚指令传输至穿戴式动作捕捉子系统。
70.实施例二
71.在本实施例中，以勘探钻机为例，详细介绍本技术基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统的工作方法：
72.首先由零件构建子系统将勘探钻机的各零件进行3d建模，得到若干独立的零件模型，再由零件定位子系统根据勘探钻机的设计图和安装图对零件模型进行定位，得到零件位置信息；基于零件位置信息对零件模型进行组合，得到各零件相互独立的设备3d模型，并将设备3d模型转换为数字信号传输至故障模拟模块和交互模块。
73.下一步，操作学员穿戴好外显装置和动作捕捉装置，根据教员的要求进行模拟操作，动作捕捉装置会根据操作学员的动作生成模拟操作过程数据，并将模拟操作过程数据传输至第二处理装置，第二处理装置会根据模拟操作过程数据生成模型改变指令，以控制勘探钻机模型依据学员操作进行改变；同时，模拟操作过程数据还会传输至评价模块进行正确性判断并生成判断结果，随后将判断结果传输到第二处理装置，当判断结果为操作错误时，第二处理装置会发出惩罚指令，并将惩罚指令传输至穿戴式动作捕捉装置，动作捕捉装置会根据惩罚指令发出振动警示。
74.另一方面，本技术还可以模拟勘探钻机出现故障时的情况：以勘探钻机的钻头损坏为例，提取故障信息库中关于钻头损坏的故障信息，同时将勘探钻机模型按照独立的零件进行拆解，并将正常钻头模型替换为损坏后的钻头模型，再基于故障信息对其他零件模型进行适应性调整，最后将调整完成后的零件模型重新拼接，得到故障勘探钻机模型。上述步骤完成后，操作学员可以通过外显装置和动作捕捉装置，在教员提示下进行模拟故障处理操作。
75.在培训过程中，监控子系统接收并储存学员的模拟操作过程数据，评估子系统基于模拟操作过程数据进行实时动作正确性判断，得到判断结果，并基于判断结果输出评估结果。另一方面，还可以基于判断结果发出惩罚指令，并将惩罚指令传输至交互模块中。
76.以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统，其特征在于，包括：模型构建模块、故障模拟模块、交互模块和评价模块；所述模型构建模块用于构建勘探设备的设备3d模型；所述故障模拟模块用于基于设备故障类型在所述设备3d模型上构建故障情形；所述交互模块用于学员基于所述设备3d模型进行模拟操作；所述评价模块用于基于所述模拟操作进行操作评价。2.根据权利要求1所述一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统，其特征在于，所述模型构建模块包括：零件构建子系统、零件定位子系统、模型整合子系统和第一处理装置；所述零件构建子系统用于收集所述勘探设备的各零件的零件扫描数据，并基于所述零件扫描数据构建零件模型；所述零件定位子系统用于基于所述勘探设备结构对所述零件模型进行定位，得到零件位置信息；所述模型整合子系统用于基于所述零件位置信息对所述零件模型进行组合，得到所述设备3d模型；所述第一处理装置用于将所述设备3d模型转换为数字信号传输至所述故障模拟模块和所述交互模块。3.根据权利要求2所述一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统，其特征在于，所述故障模拟模块包括：故障信息库、硬件故障模拟子系统和软件故障模拟子系统；所述故障信息库用于储存所述勘探设备的硬件故障信息和软件故障信息；所述硬件故障模拟子系统基于所述数字信号拆解所述设备3d模型，并基于所述硬件故障信息对所述零件模型生成硬件故障事件；所述软件故障模拟子系统用于基于所述软件故障信息生成软件故障事件。4.根据权利要求3所述一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统，其特征在于，所述交互模块包括：外显装置、穿戴式动作捕捉装置和第二处理装置；所述外显装置用于基于所述数字信号、所述硬件故障事件和所述软件故障事件生成相应的可交互虚拟模型；所述穿戴式动作捕捉装置用于捕捉学员操作动作，并生成所述模拟操作过程数据；所述第二处理装置用于接收所述模拟操作过程数据，并基于所述模拟操作过程数据，生成模型改变指令，并将所述模型改变指令传输至所述外显子系统。5.根据权利要求4所述一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统，其特征在于，所述评价模块包括：监控子系统和评估子系统；所述监控子系统用于接收并储存所述模拟操作过程数据；所述评估子系统用于基于所述模拟操作过程数据进行实时动作正确性判断，得到判断结果，并基于所述判断结果输出评估结果；所述评估子系统还基于所述判断结果发出惩罚指令，并将所述惩罚指令传输至所述穿戴式动作捕捉子系统。6.一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统的控制方法，用于对权利要求1-5任一项的培训系统进行控制，其特征在于，包括以下步骤：构建勘探设备的设备3d模型；
基于设备故障类型在所述设备3d模型上构建故障情形；学员基于所述设备3d模型进行模拟操作；基于所述模拟操作进行操作评价。7.根据权利要求6所述一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统的控制方法，其特征在于，所述设备3d模型的构建方法包括：收集所述勘探设备的各零件的零件扫描数据，并基于所述零件扫描数据构建零件模型；基于所述勘探设备结构对所述零件模型进行定位，得到零件位置信息；基于所述零件位置信息对所述零件模型进行组合，得到所述设备3d模型。8.根据权利要求6所述一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统的控制方法，其特征在于，所述故障情形的构建方法包括：提取所述勘探设备的硬件故障信息和软件故障信息；拆解所述设备3d模型，基于所述硬件故障信息对所述零件模型生成硬件故障事件；基于所述软件故障信息生成软件故障事件。9.根据权利要求6所述一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统的控制方法，其特征在于，所述操作评价的方法包括：接收并储存所述模拟操作过程数据；基于所述模拟操作过程数据进行实时动作正确性判断，得到判断结果，并基于所述判断结果输出评估结果；基于所述判断结果发出惩罚指令，并将所述惩罚指令传输至所述穿戴式动作捕捉子系统。

技术总结
本申请公开了一种基于虚拟交互的勘探设备操作培训系统及其控制方法，其中系统包括：模型构建模块、故障模拟模块、交互模块和评价模块；所述模型构建模块用于构建勘探设备的设备3D模型；所述故障模拟模块用于基于设备故障类型在所述设备3D模型上构建故障情形；所述交互模块用于学员基于所述设备3D模型进行模拟操作；所述评价模块用于基于所述模拟操作进行操作评价。利用本申请的培训系统，使培训过程更加直观生动，仿真度高，操作员易于掌握，提高了操作技能的水平；操作模拟的成本更低，易于推广；操作模拟的数据可以用于查看和评估，帮助各勘探单位进行员工培训，提高队伍的整体素质。质。质。


技术研发人员：唐华风 卞海越 黄玉龙 边伟华 高有峰 张艳 王璞珺
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/14