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基于虚拟现实技术的太空实验台的制作方法

2022-09-04 04:44:35 来源:中国专利 TAG:


1.本发明涉及虚拟现实技术领域,具体涉及一种基于虚拟现实技术的太空实验台。


背景技术:

2.目前,虚拟现实技术在商业上的应用较多,在教育中的应用也有一定的地位,但并没有在教育行业中得到普及。在2021年12月9日,中国空间站首次进行了太空授课,效果拔群。但并非每个人都能近距离体验到太空中的乐趣,现有的虚拟现实技术主要应用在娱乐中,在教育中的应用比较少,主要原因包括:设备较为脆弱昂贵,太过于虚拟,缺少与现实的互动。目前虚拟现实技术的建模主要是通过vrml与其他编程语言结合,将建模好的3d模型导入到虚拟现实接口软件中,然后通过接口软件与外部设备建立沟通。但目前虚拟现实面临着被增强现实淘汰的风险,可是增强现实的成本却很高,无法大批量应用到教育场景,本发明旨在通过软硬结合的方式,弥补虚拟现实的缺点,将增强现实的优点带入到虚拟现实中。


技术实现要素:

3.本发明要解决的技术问题是提供一种基于虚拟现实技术的太空实验台,通过与现实设备的结合,将实体感觉真正的传递给使用者,同时又将视觉体验,通过虚拟现实眼镜传递给使用者。
4.为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:设计一种基于虚拟现实技术的太空实验台,包括台面,vr眼镜,定位手套以及模拟实验道具;在所述台面的三个侧边设置有竖向挡板,在竖向挡板的顶部四角处分别设有用于对台面环境进行初始化的定位图形;在台面上放置有模拟实验道具;所述vr眼镜为前侧带有红外摄像头的vr眼镜;所述定位手套的手背上设有用于对手套进行初始化的识别图形,在定位手套的手背上以及食指和无名指顶端分别设有用于识别手部动作的陀螺仪传感器;所述模拟实验道具包括试管、试剂包、小球、斜台;所述试管为塑料材质,在试管的管口处和底端分别设有识别图形;试剂包内部填充有柔性材料,在试剂包的外表面设有识别图形;在小球的表面中部圆周设置有识别图形;所述斜台一侧为斜面,在斜台上表面四角处和侧面四角处均设有识别图形;在试管、小球、试剂包的内部均设置有6轴陀螺仪、蓝牙模块、锂电池;在试剂包内还设置有压力传感器;在斜台内部设有3轴陀螺仪传感器。
5.优选的,所述小球和试剂包的表面为防刺防火布料,内部填充的柔性材料为防火棉。
6.优选的,所述定位手套手背上的识别图形为黑白相间的格子图形;所述台面上的
定位图形为不同灰度的格子图形;竖向挡板的顶部四角处的定位图形为黑色圆点形状。所述试管管口处的识别图形为黑色环形形状,试管底部的识别图形为黑色圆点形状;所述小球表面的识别图形为黑色环形形状;试剂包表面的识别图形为黑色环形形状;所述斜台上表面和侧面四角处的识别图形均为黑色圆点形状。
7.优选的,所述模拟实验道具还包括培育箱、花盆、种子盒以及放置在种子盒内的种子替代物;所述培育箱包括中空的箱体,在箱体一侧侧壁上设有箱门,在箱体顶部四角处分别设有识别图形;在箱体内部设置有蓝牙模块,采用电源线供电;在箱门的把手内设有3轴陀螺仪;所述花盆的顶面圆周上设有识别图形;种子盒的顶部四角处设有识别图形;所述种子替代物为球形颗粒,在球形颗粒的表面设有识别图形。
8.优选的,花盆顶面圆周上的识别图形为黑色圆环形状;种子盒顶部四角处的识别图形为黑色圆点形状;种子替代物表面为不同灰度的颜色。
9.优选的,所述定位手套手背上的陀螺仪传感器为6轴陀螺仪传感器,所述定位手套的食指和无名指顶端的陀螺仪传感器为3轴陀螺仪传感器。
10.优选的,所述竖向挡板为透明亚克力材质。
11.优选的,在所述台面上设有用于放置试管和试剂包的放置架,在放置架的四角处分别设置有黑色圆点形状的识别图形。
12.优选的,所述模拟实验道具还包括道具棍,道具棍的表面设有定位图形,该定位图形为黑色圆环形状;在道具棍内部设有6轴陀螺仪、蓝牙模块、锂电池。
13.本发明还涉及一种采用上述基于虚拟现实技术的太空实验台的实验方法,包括下列步骤:(1)使用者佩戴好vr眼镜和定位手套,vr眼镜与电脑对应连接,根据提示看向实验台,对台面上的物品及台面大小、高度信息进行初始化,之后伸出双手放在眼前,对手部位置进行初始化;(2)初始化完成后,播放相应实验的科普动画,使用者通过vr眼镜观看动画,然后进入问答环节,回答问题完毕后将进行实验操作;(3)使用者根据实验内容拿起对应的模拟实验道具,进行相应的操作,通过vr眼镜上的红外摄像头来识别使用者手部和对应的模拟实验道具的位置,通过定位手套和实验道具内的陀螺仪传感器来识别手部的动作和道具的姿态;(4)根据使用者的操作,在vr眼镜中展现对应太空环境下会产生的实验效果,让使用者直观感受到太空实验的场景。
14.本发明的有益效果在于:本发明通过应用虚拟现实技术,将太空的环境通过建模、算法加持、实体实验设备的配套、课程的配套等手段带入到课堂中,通过与模拟实验道具的结合,将视觉体验通过虚拟现实眼镜传递给使用者。使用者通过动手操作来看到对应的太空环境下的实验效果,能够增加使用者的直观感受,有利于提高使用者的学习兴趣,对相关的知识留下更深刻的印象。
附图说明
15.图1是本发明基于虚拟现实技术的太空实验台的台面结构示意图;图2是本发明基于虚拟现实技术的太空实验台的台面布局示意图;图3是vr眼镜的示意图;图4是定位手套的示意图;图5是模拟实验道具的示意图;图6是小球实验的模拟实验的示意图;图7是太空育种实验的模拟实验的示意图;图中标号:1台面,2vr眼镜,3定位手套,4竖向挡板,5红外摄像头;7识别图形,8试管、9试剂包、10小球、11斜台;12培育箱、13花盆、14种子盒,15种子替代物,16放置架,17道具棍。
具体实施方式
16.下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式,但以下实施例只是用来详细说明本发明,并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明,均为常规设备元件。
17.实施例1:一种基于虚拟现实技术的太空实验台,参见图1-图7,包括台面1,vr眼镜2,定位手套3以及模拟实验道具。
18.在台面1的三个侧边设置有竖向挡板4,使用者站在空缺的一边进行实验操作;在竖向挡板4的顶部四角处分别设有用于对台面环境进行初始化的定位图形;在台面1上放置有模拟实验道具。竖向挡板4为透明亚克力材质。
19.vr眼镜2为前侧带有红外摄像头5的vr眼镜;定位手套3的手背上设有用于对手套进行初始化的识别图形7,在定位手套3的手背上以及食指和无名指顶端分别设有用于识别手部动作的陀螺仪传感器。定位手套3手背上的陀螺仪传感器为6轴陀螺仪传感器,定位手套3的食指和无名指顶端的陀螺仪传感器为3轴陀螺仪传感器。
20.模拟实验道具包括试管8、试剂包9、小球10、斜台11;试管8为塑料材质,在试管8的管口处和底端分别设有识别图形;试剂包9内部填充有柔性材料,在试剂包9的外表面设有识别图形;在小球10的表面中部圆周设置有识别图形;斜台11一侧为斜面,在斜台11上表面四角处和侧面四角处均设有识别图形;在试管8、小球10、试剂包9的内部均设置有6轴陀螺仪、蓝牙模块、锂电池;在试剂包9内还设置有压力传感器;在斜台11内部设有3轴陀螺仪传感器。小球10和试剂包9的表面为防刺防火布料,内部填充的柔性材料为防火棉。
21.定位手套3手背上的识别图形为黑白相间的格子图形;台面1上的定位图形为不同灰度的格子图形;竖向挡板4的顶部四角处的定位图形为黑色圆点形状。试管管口处的识别图形为黑色环形形状,试管底部的识别图形为黑色圆点形状;小球10表面的识别图形为黑色环形形状;试剂包9表面的识别图形为黑色环形形状;斜台11上表面和侧面四角处的识别图形均为黑色圆点形状。
22.在台面1上设有用于放置试管8和试剂包9的放置架,在放置架的四角处分别设置有黑色圆点形状的识别图形。
23.模拟实验道具还包括培育箱12、花盆13、种子盒14以及放置在种子盒14内的种子
替代物15;培育箱12包括中空的箱体,在箱体一侧侧壁上设有箱门,在箱体顶部四角处分别设有识别图形;在箱体内部设置有蓝牙模块,采用电源线供电;在箱门的把手内设有3轴陀螺仪;花盆13的顶面圆周上设有识别图形;种子盒14的顶部四角处设有识别图形;种子替代物15为球形颗粒。
24.花盆13顶面圆周上的识别图形为黑色圆环形状;种子盒14顶部四角处的识别图形为黑色圆点形状;不同种子替代物15表面为不同灰度的颜色。
25.模拟实验道具还包括道具棍17,道具棍17的表面设有定位图形,该定位图形为黑色圆环形状;在道具棍17内部设有6轴陀螺仪、蓝牙模块、锂电池。
26.本发明中,模拟实验道具内的蓝牙模块可采用型号为nrf52832的蓝牙模块;3轴陀螺仪传感器可采用型号为mpu2050的陀螺仪传感器,具体的元件也可根据需要进行选择。
27.在本发明的技术方案中,针对实验设备与头部位置的定位需求,使用带有红外摄像头的vr眼镜,采用红外摄像头成像的方式确定物体的位置。比如:台面上设置不同灰度的方格,根据vr眼镜上面的红外摄像头,可以为设备的识别提供大致的方位:假如根据图像识别,发现某块反射回来的红外线与其他地方完全不同,则根据图像的大致轮廓,确定设备的类别,进行分类。
28.针对设备姿态的识别,通过陀螺仪传感器与电脑的数据传输,确定该设备正在工作中:假如确定该设备正在工作中,那么会进行更精确的识别。例如:如果根据第一轮的图像识别,认定在某个(或多个)位置有一个试管(或多个),那么,当某个试管的陀螺仪传感器检测到大幅度的运动时(代表被使用了)那么图像识别就主要对待选目标进行精确的位置识别(设备上都有多个黑点,更能够吸收红外线,可以作为标志点)。这些位置信息、姿态信息,都会被传送到上位机,也就是运行软件的计算机内,然后计算机根据位置信息,调整3d模型的姿态、位置,然后呈现给vr眼镜。
29.手部定位也采用识别标识与传感器结合的方式,定位手套的手背上方及食指、无名指带有陀螺仪传感器,在使用刚开始的时候,需要软件引导,将手套进行初始化,之后手套动作的识别都根据陀螺仪传感器进行判断,识别图形作为距离识别的辅助,如若陀螺仪得出的空间位置与红外检测到的差距较大,则提示用户进行新的初始化。
30.实验一、水在太空中的状态:(1)使用者佩戴好vr眼镜和定位手套,vr眼镜与电脑对应连接,根据提示看向实验台,对台面上的物品及台面大小、高度信息进行初始化,之后伸出双手放在眼前,对手部位置进行初始化;(2)初始化完成后,播放相应实验的科普动画,使用者通过vr眼镜观看动画,然后进入问答环节,回答问题完毕后将进行实验操作;(3)使用者需要拿起在放置架上的试管和一个试剂包(在这里电脑会将化学试剂包识别为试剂包),经过初始化,电脑已经大致识别到物品所在的位置,根据所选的实验,电脑主要会去监视试管、试剂包的具体位置与姿态。
31.(4)当试剂包或试管的陀螺仪检测到运动后,图像识别将再次根据试剂包、试管上面的黑点的面积、图形,结合物体的姿态进行识别(例如将一片黑色的圆形纸片,倾斜放置,或者从侧面看的时候,实际看到的面积与形状均不同)。当位置、姿态发生变化时,软件内部的3d模型也会发生相应的变化,呈现在使用者的视野里面。
32.手部的动作主要是根据食指与无名指的动作进行改变,定位手套将三个陀螺仪的数据传送到软件,软件会根据姿态对3d世界里面的手进行姿态的调整。之后使用者需要根据软件的引导,将试剂包里面的水倒入到试管中,这时实时物理引擎启动,实时计算水的状态,使用者需要对准试管口才能够将水准确倒入,不然水会在实验舱内到处飞溅。在挤压试剂包的过程中,试剂包里面的压力传感器起作用,同时三轴陀螺仪也将用来检测试剂包的姿态。
33.(5)一个场景结束后,使用者可以选择下一个场景进行实验:如地球、月球、火星(重力不同)等。
34.实验二、伽利略的斜面实验:与第一个实验相同,当完成初始化之后,使用者可以移动斜台、小球到试验台的中间。此时小球检测到运动,根据小球上识别图形的形状、面积及内部的陀螺仪确定具体位置。
35.当斜台移动到试验台中间的时候,软件提示使用者拿起小球,放在斜台顶面上。当检测到小球高度信息稳定后,提示使用者推动小球,当检测到小球滚动后,根据不同的重力环境,在软件中模拟出不同的运动情况,无重力环境下小球会直接飞出去,有重力时,会滚下去,重力不同滚落的速度不同。
36.当需要重新实验时,假如所处的无重力环境,当小球飞出试验台后,在视野内的小球恢复到真实位置(可能是在斜面的某个地方)。
37.实验三、冰雪实验:初始化过程,与设备位置、姿态识别与上述相同。首先是科普小视频,通过vr眼镜让使用者耿沉浸在视频中。
38.之后进行实验,使用者通过动手,拿出不同的材料然后进行实验,如:使用试剂包将无水醋酸钠挤出(将模拟实验道具中的试剂包识别为装有无水醋酸钠的试剂包,试剂包内实际上并无化学试剂),根据试剂包内的压力传感器检测使用者挤压试剂包的动作,在使用者看到的场景中模拟出挤出的试剂,之后使用道具棍触碰挤出的无水醋酸钠,就可以看到小水珠变成了小冰球。
39.实验四、辐射下的植物培育:主要以视频科普为主,同时让使用者参与到实验的过程中。展示具体植物在辐射下的变异情况。
40.实验道具包括种子替代物,花盆及培育箱。使用者需要将种子放到花盆内,之后打开培育箱的箱门,将花盆放到培育箱内。在操作的过程中,种子将会在无重力的情况下进行运动,使用者需要小心执行。对于放置种子到花盆的动作,则是根据定位手套的姿态识别进行的,如检测到食指位置与(种子)位置重合,且手部动作保持抓取,然后根据位置识别,识别到了手部放入到了花盆中,那么认定为种子放入到了花盆中。完成种子的放置之后,使用者需要打开培育箱的门,将花盆放到培育箱内部。之后将培育箱门关闭,然后选择培育环境。经过一段时间后(具体时间将被加速),软件会呈现出育种结果及植物的变异情况。
41.本发明中所述的vr眼镜、定位手套可以采用现有的产品,也可以根据需要向厂家定制;陀螺仪传感器、蓝牙模块、锂电池、压力传感器等均为本领域技术人员可选择的现有设备元件,其安装方式、线路连接方式、信号传输方式、设置方式、控制方式均为现有技术可
以实现的,在此不再赘述。本发明中所述的动作捕捉、姿态识别、图形定位和虚拟现实场景的展现可使用现有的软件,也可在开源软件的基础上进行适应性修改,以实现本发明中的相应功能。软件及控制部分不是本发明要保护的内容,本领域技术人员可以根据实际需求选择合适的软件及现有的控制元件来实现相应的功能。
42.上面结合实施例对本发明作了详细的说明,但是所属技术领域的技术人员能够理解,在不脱离本发明宗旨的前提下,还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更,形成多个具体的实施例,均为本发明的常见变化范围,在此不再一一详述。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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