CN110264818B - 一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法,包括以下步骤：先在unity3d平台中建立训练所需的模型和动作动画，得A品，再通过HoloLens头盔采集机组进水阀安装现场的环境信息并建立相应的三维空间模型，使HoloLens头盔能够对实际场景进行空间识别，得B品；然后根据A品和B品建立基于Unity3d的机组进水阀拆装训练平台，并对该训练平台的交互界面进行UI布局，得C训练平台；再由操作人员佩戴HoloLens头盔后通过C训练平台完成对机组进水阀的拆装训练。本发明能够使操作人员熟练掌握机组进水阀的拆卸流程，并具有安全性高、训练效果好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种水电站进水阀的拆装训练方法，特别是一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法。
背景技术
由于水电站的维护和技改时间跨度较大，如机组进水阀检修密封、检修旁阀等设备自从投运后20年内未曾进行拆装和维护，导致水电厂中的新员工既不能直观的观察实体设备的内部构成，又无法对机组进水阀等设备进行实操拆装训练，从而使目前的新员工培训只能依赖于课堂传授，通过讲解图片或录像的方式进行学习，学习效果大大受限。并且由于这种培训方式无法让员工进行实际操练，导致一旦出现机组进水阀等设备因故障需要拆装或更换的情况时，操作人员无法熟练的完成其更换流程，并存在一定的安全隐患。因此，需要一种能够使操作人员熟练掌握机组进水阀拆卸流程的训练方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法。它能够使操作人员熟练掌握机组进水阀的拆卸流程，并具有安全性高、训练效果好的特点。
本发明的技术方案：一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法，包括以下步骤：
①在unity3d平台中建立训练所需的模型和动作动画，得A品；
②通过HoloLens头盔采集机组进水阀安装现场的环境信息并建立相应的三维空间模型，使HoloLens头盔能够对实际场景进行空间识别，得B品；
③根据A品和B品建立基于Unity3d的机组进水阀拆装训练平台，并对该训练平台的交互界面进行UI布局，得C训练平台；
④操作人员佩戴HoloLens头盔后通过C训练平台完成对机组进水阀的拆装训练。
前述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法中，所述步骤①中训练所需的模型和动作动画的具体建立方法包括以下步骤：
1.1通过三维软件建立机组进水阀和拆卸设备的虚拟模型和拆卸动画，然后根据HoloLens硬件的特性将该模型和动画导入3dsMax中进行减面优化和重新拓扑，并对带有拆卸动画的机组进水阀模型进行骨骼绑定，得A1模型；
1.2在3dsMax中建立操作人员的虚拟模型，然后对该虚拟模型进行骨骼绑定，得A2模型；
1.3将A1模型和A2模型依次导入至unity3d平台中，然后调整A1模型中机组进水阀模型在unity3d中的空间位置，得A3模型；
1.4根据机组进水阀和拆卸设备的外形制作纹理贴图并导入至unity3d中，然后通过编写shader调整A3模型的显示效果，得A品。
前述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法中，所述步骤1.1中机组进水阀和拆卸设备在建模时通过手动模式进行UV的展开和映射。
前述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法中，所述步骤1.1中机组进水阀模型的具体骨骼绑定方法为：通过Bones骨骼类型对机组进水阀模型的接力器活塞杆、接力器活塞筒、配重块和阀芯进行蒙皮绑定。
前述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法中，所述步骤1.3中机组进水阀模型的具体调整方法为：所述步骤1.3中机组进水阀模型的具体调整方法为：在unity3d平台中选定坐标的空间原点，再根据现场机组进水阀的结构和3dsMax中机组进水阀模型的空间坐标位置计算出机组进水阀模型在unity3d平台中的相对坐标，然后使用unity3d平台中的坐标辅助工具调整机组进水阀模型的空间坐标，使机组进水阀模型与真实环境中的机组进水阀保持位置一致。
前述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法中，所述步骤④中操作人员的具体训练方法包括以下步骤：
4.1操作人员佩戴HoloLens头盔后进入机组进水阀拆装现场，使HoloLens头盔能够对现场进行识别，并显示出与实际场景对应的虚拟模型；
4.2操作人员通过训练平台的交互界面进入操作，然后通过手势触发模型和动作动画，完成对机组进水阀的拆装训练。
前述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法中，所述步骤4.1中的虚拟模型在显示后叠加在真实的物理空间上；当操作人员在旋转头盔或离开现场时，该虚拟模型与实际场景中的设备保持相对静止。
前述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法中，所述步骤4.2中操作人员在训练时，HoloLens头盔识别当前模型的动画效果，并在交互界面上显示下一步的拆卸动画，指导操作人员进行拆卸。
前述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法中，所述步骤②的具体步骤为：使用HoloLens扫描机组进水阀的安装现场，然后对扫描得到的深度图进行实时分析，得到深度图；再利用VSLAM对深度图进行分析，然后根据分析结果对安装现场进行三维重建，得到三维场景特征；再根据重建后的三维场景特征与A品中的机组进水阀模型进行特征比对，实现对实际场景进行空间识别，得B品。
前述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法中，所述步骤③中交互界面在UI布局时以实际场景中检测到的机组进水阀模型作为UI坐标参考系。
与现有技术相比，本发明通过在unity3d平台上建立的机组进水阀拆装训练平台，使操作人员能够利用HoloLens头盔对机组进水阀的虚拟模型进行拆装训练，从而使训练人员能够熟练掌握机组进水阀的拆装流程，训练效果较好；由于操作人员的拆装流程均通过虚拟模型完成，无需接触实体设备，从而有效提高了该训练流程的安全性，避免因操作失误造成的无谓损伤；通过在实际场景的基础上进行识别显示出虚拟模型的外观，使操作人员能够更加直观的感受到在机组进水阀安装现场完成拆装流程的场景，提高本发明的实际体验和训练效果；并且这种环境识别的展现方式还可以使模型均能够出现在正确的位置上，不会随操作人员的位置或朝向出现变化；而当操作人员中途离开拆装现场再返回后，所有拆装模型也能够处于相同位置，提高了本训练方法的真实性和感官体验。
此外，本发明在建立虚拟模型时通过手动模式进行UV的展开和映射，可以有效提升虚拟模型的光影效果，使模型和拆卸动画的效果更加真实立体；通过将实际场景中的机组进水阀模型作为UI坐标参考系，可以有效减少操作人员在拆装训练时出现UI穿透模型的问题，进一步提高本训练方法的感官体验；操作人员在拆装训练中还可以通过交互界面观看下一步的拆装动画，从而进一步提高操作人员的训练效果和操作熟练度。所以，本发明能够使使操作人员熟练掌握机组进水阀的拆卸流程，并具有安全性高、训练效果好的特点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法，包括以下步骤：
①在unity3d平台中建立训练所需的模型和动作动画，得A品；
②通过HoloLens头盔采集机组进水阀安装现场的环境信息并建立相应的三维空间模型，使HoloLens头盔能够对实际场景进行空间识别，得B品；
③根据A品和B品建立基于Unity3d的机组进水阀拆装训练平台，并对该训练平台的交互界面进行UI布局，得C训练平台；
④操作人员佩戴HoloLens头盔后通过C训练平台完成对机组进水阀的拆装训练。
所述步骤①中训练所需的模型和动作动画的具体建立方法包括以下步骤：
1.1通过三维软件建立机组进水阀和拆卸设备的虚拟模型和拆卸动画，然后根据HoloLens硬件的特性将该模型和动画导入3dsMax中进行减面优化和重新拓扑，并对带有拆卸动画的机组进水阀模型进行骨骼绑定，得A1模型；
1.2在3dsMax中建立操作人员的虚拟模型，然后对该虚拟模型进行骨骼绑定，得A2模型；
1.3将A1模型和A2模型依次导入至unity3d平台中，然后调整A1模型中机组进水阀模型在unity3d中的空间位置，得A3模型；
1.4根据机组进水阀和拆卸设备的外形制作纹理贴图并导入至unity3d中，然后通过编写shader调整A3模型的显示效果，得A品。
所述步骤1.1中机组进水阀和拆卸设备在建模时通过手动模式进行UV的展开和映射，UV具体分为2个通道展开，UV1通道在展开后得到模型表面的真实纹理信息，UV2通道在展开后得到模型在场景中接受到的光照信息。
所述步骤1.1中机组进水阀模型的具体骨骼绑定方法为：通过Bones骨骼类型对机组进水阀模型的接力器活塞杆、接力器活塞筒、配重块和阀芯进行蒙皮绑定。
所述步骤1.3中机组进水阀模型的具体调整方法为：所述步骤1.3中机组进水阀模型的具体调整方法为：在unity3d平台中选定坐标的空间原点，再根据现场机组进水阀的结构、机组进水阀的图纸结构和3dsMax中机组进水阀模型的空间坐标位置计算出机组进水阀模型中各子件在unity3d平台中的相对坐标，然后使用unity3d平台中的坐标辅助工具调整机组进水阀模型中各子件在unity3d平台中的空间坐标，使机组进水阀模型与真实环境中的机组进水阀保持位置一致。
所述步骤④中操作人员的具体训练方法包括以下步骤：
4.1操作人员佩戴HoloLens头盔后进入机组进水阀拆装现场，使HoloLens头盔能够对现场进行识别，并显示出与实际场景对应的虚拟模型；
4.2操作人员通过训练平台的交互界面进入操作，然后通过手势触发模型和动作动画，完成对机组进水阀的拆装训练。
所述步骤4.1中的虚拟模型在显示后叠加在真实的物理空间上；当操作人员在旋转头盔或离开现场时，该虚拟模型与实际场景中的设备保持相对静止。
所述步骤4.2中操作人员在训练时，HoloLens头盔识别当前模型的动画效果，并在交互界面上显示下一步的拆卸动画，指导操作人员进行拆卸。
所述步骤②的具体步骤为：使用HoloLens扫描机组进水阀的安装现场，然后对扫描得到的深度图进行实时分析，得到深度图；再利用VSLAM对深度图进行分析，然后根据分析结果对安装现场进行三维重建，得到三维场景特征；再根据重建后的三维场景特征与导入到平台数据库中的A品中的机组进水阀模型进行特征比对，实现对实际场景进行空间识别(在实现场景中检测到机组进水阀模型的特征时，即为识别成功)，得B品。
所述步骤③中交互界面在UI布局时以实际场景中检测到的机组进水阀模型作为UI坐标参考系。
本发明的工作原理：本发明在使用时，用户先佩戴HoloLens头盔进入unity3d训练平台，并通过交互界面进入操作。进入操作后，HoloLens头盔通过自带的摄像头扫描安装现场，识别出安装现场中与数据库模型对应的机组进水阀和拆卸设备，并将虚拟模型的图像叠加在真实设备上。操作人员可以通过手势点击虚拟模型触发相应的拆装动画，从而实现对机组进水阀的拆装训练。操作人员在操作时，HoloLens头盔可以识别当前模型的拆装状态，然后在交互界面显示出下一步的模型拆卸动画，从而指导操作人员完成后续的机组进水阀拆装步骤。
Claims (4)
1.一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法，其特征在于，包括以下步骤：
①在unity3d平台中建立训练所需的模型和动作动画，得A品；
②通过HoloLens头盔采集机组进水阀安装现场的环境信息并建立相应的三维空间模型，使HoloLens头盔能够对实际场景进行空间识别，得B品；
③根据A品和B品建立基于Unity3d的机组进水阀拆装训练平台，并对该训练平台的交互界面进行UI布局，得C训练平台；
④操作人员佩戴HoloLens头盔后通过C训练平台完成对机组进水阀的拆装训练；
所述步骤①中训练所需的模型和动作动画的具体建立方法包括以下步骤：
1.1通过三维软件建立机组进水阀和拆卸设备的虚拟模型和拆卸动画，然后根据HoloLens硬件的特性将该模型和动画导入3dsMax中进行减面优化和重新拓扑，并对带有拆卸动画的机组进水阀模型进行骨骼绑定，得A1模型；
1.2在3dsMax中建立操作人员的虚拟模型，然后对该虚拟模型进行骨骼绑定，得A2模型；
1.3将A1模型和A2模型依次导入至unity3d平台中，然后调整A1模型中机组进水阀模型在unity3d中的空间位置，得A3模型；
1.4根据机组进水阀和拆卸设备的外形制作纹理贴图并导入至unity3d中，然后通过编写shader调整A3模型的显示效果，得A品；
所述步骤1.3中机组进水阀模型的具体调整方法为：在unity3d平台中选定坐标的空间原点，再根据现场机组进水阀的结构和3dsMax中机组进水阀模型的空间坐标位置计算出机组进水阀模型在unity3d平台中的相对坐标，然后使用unity3d平台中的坐标辅助工具调整机组进水阀模型的空间坐标，使机组进水阀模型与真实环境中的机组进水阀保持位置一致；
所述步骤④中操作人员的具体训练方法包括以下步骤：
4.1操作人员佩戴HoloLens头盔后进入机组进水阀拆装现场，使HoloLens头盔能够对现场进行识别，并显示出与实际场景对应的虚拟模型；
4.2操作人员通过训练平台的交互界面进入操作，然后通过手势触发模型和动作动画，完成对机组进水阀的拆装训练；
所述步骤4.1中的虚拟模型在显示后叠加在真实的物理空间上；当操作人员在旋转头盔或离开现场时，该虚拟模型与实际场景中的设备保持相对静止；
所述步骤②的具体步骤为：使用HoloLens扫描机组进水阀的安装现场，然后对扫描得到的深度图进行实时分析，得到深度图；再利用VSLAM对深度图进行分析，然后根据分析结果对安装现场进行三维重建，得到三维场景特征；再根据重建后的三维场景特征与A品中的机组进水阀模型进行特征比对，实现对实际场景进行空间识别，得B品；
所述步骤③中交互界面在UI布局时以实际场景中检测到的机组进水阀模型作为UI坐标参考系。
2.根据权利要求1所述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法，其特征在于：所述步骤1.1中机组进水阀和拆卸设备在建模时通过手动模式进行UV的展开和映射。
3.根据权利要求1所述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法，其特征在于，所述步骤1.1中机组进水阀模型的具体骨骼绑定方法为：通过Bones骨骼类型对机组进水阀模型的接力器活塞杆、接力器活塞筒、配重块和阀芯进行蒙皮绑定。
4.根据权利要求1所述的一种基于增强现实的机组进水阀拆装训练方法，其特征在于，所述步骤4.2中操作人员在训练时，HoloLens头盔识别当前模型的动画效果，并在交互界面上显示下一步的拆卸动画，指导操作人员进行拆卸。
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