基于新型电子信息仿真技术的带电作业仿真培训系统

摘要

本发明提出了基于新型电子信息仿真技术的带电作业仿真培训系统，此系统使用基于递推算法的延迟补偿方法，提高了逼真感和沉浸感，并且采用事件驱动和反向动力学解析方法，实现了虚拟人物在仿真场景中的自然控制。此系统不但使用户有身临其境的沉浸感，而且可以贴近实际操作体验，体验更为真实的带电作业流程，可有效提高电网运行生产人员专业技能培训效率，缩短培训周期，提高培训质量。

说明书

技术领域

本发明涉及仿真培训系统领域，具体而言，涉及基于新型电子信息仿真技术的带电作业仿真培训系统。

背景技术

众所周知，带电作业是一项专业性强、技术含量高、安全措施严格、作业工况复杂的工作，因此，从事带电作业的人员必须经过系统、全面、有效的培训，才能胜任所承担的带电作业工作任务。现有带电作业仿真培训系统都使用虚拟现实头盔，虚拟现实头盔的图像显示过程先是传感器测得某时刻头部运动的空间位置，然后得到视觉感知的范围，接着进行虚拟场景的生成计算，最后渲染显示在显示屏上，由于上述环节均有时间开销，若延时较长将会造成图像闪烁、跳动等现象，再加上头盔本身因头部运动而产生的机动性，使滞后问题更为突出，并且由于目前多数虚拟现实设备只提供交互手柄和头戴式眼镜，无法直接获得肩部、肘部的位姿数据，所以动作仿真比较困难，不能对学员的体态动作实时追踪。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供基于新型电子信息仿真技术的带电作业仿真培训系统。

本发明的实施例是这样实现的：

基于新型电子信息仿真技术的带电作业仿真培训系统，包括：

采集模块，实时采集学员虚拟带电作业的动作数据；生成模块，对学员的动作数据进行实时处理生成虚拟动作，并通过以下方法实时显示：设置公式：P＝P0+V0τ+1(Aτ2)/2(1)其中，τ为延时时差；P0为t0时刻的位置向量；V0为t0时刻的速度向量；A为t0时刻的加速度向量；P为t0+τ时刻的位置向量；在显示成像中，根据学员的眼睛在虚拟空间的位置坐标和视线的矢量，确定位置参数(x，y，z)和角度参数(ψ，θ，γ)，即：P＝(x，y，z，ψ，θ，γ)T(2)；式(1)中的速度和加速度将由式(2)所示的离散形式获得：

其中，t±i表示在t时刻前第i时刻(-i)和t时刻后第i时刻(+i)；带时标的变量对应此时刻该变量的值；△t为传感器采样步长；评价模块，监视学员的虚拟动作画面，对比正确动作数据，并进行评价。

在本发明的一些实施例中，上述动作数据通过以下方法采集：

获取学员眼睛中心、重心、肩部、肘部、手部节点位置；设τ为延时时差，Pv为眼睛中心节点，Pn为重心节点，Pn-1为肩部节点，Pn-2为肘部节点，P0为手部节点，求解中间节点Pn-1、Pn-2和Pn的新位置Pn-1′、Pn-2′和Pn′及对应的旋转变量；令di为PiPi+1的长度，无论末端P0位于哪一点，其关节的长度保持不变，通过此关节移动的特点分析推导中间关节的位置和它们对应的旋转变量，对Pv换算获得Pn′位姿数据；待求的Pn-1′在以Pn′为球心、dn-1为半径的球面上连接Pn-1与Pn′的连线，单位化该连线向量，并求出Pn-1′；n＝(P

则Pn-1′的旋转变量可以表示为：Q＝(qx，qy，qz，qw)；其中qx＝sin(θ/2)ex；qy＝sin(θ/2)ey；qz＝sin(θ/2)ez；qw＝sin(θ/2)ew；已知Pn-1′的位置，计算得出Pn-2′的位置和方向。

在本发明的一些实施例中，包括存储模块，上述存储模块用于存储配网各电压等级带电作业项目操作实例、配网各类电器元件的缺陷和学员的基本信息、培训记录、考核成绩。

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

这样的系统通过以下算法解决了由于虚拟现实头盔物理延时所造成的图像滞后现象：

设置公式：P＝P0+V0τ+1(Aτ2)/2(1)，其中τ为延时时差；P0为t0时刻的位置向量；V0为t0时刻的速度向量；A为t0时刻的加速度向量；P为t0+τ时刻的位置向量；在显示成像中，根据学员的眼睛在虚拟空间的位置坐标和视线的矢量，确定位置参数(x，y，z)和角度参数(ψ，θ，γ)，即：P＝(x，y，z，ψ，θ，γ)T(2)；式(1)中的速度和加速度将由式(2)所示的离散形式获得：

其中，t±i表示在t时刻前第i时刻(-i)和t时刻后第i时刻(+i)；带时标的变量对应此时刻该变量的值；△t为传感器采样步长；

这样的系统基于反向动力学原理，通过以下方法对学员的体态动作实时追踪，实现虚拟人的带电作业操作模拟和展示：

获取学员眼睛中心、重心、肩部、肘部、手部节点位置；设τ为延时时差，Pv为眼睛中心节点，Pn为重心节点，Pn-1为肩部节点，Pn-2为肘部节点，P0为手部节点，求解中间节点Pn-1、Pn-2和Pn的新位置Pn-1′、Pn-2′和Pn′及对应的旋转变量；令di为PiPi+1的长度，无论末端P0位于哪一点，其关节的长度保持不变，通过此关节移动的特点分析推导中间关节的位置和它们对应的旋转变量，对Pv换算获得Pn′位姿数据；待求的Pn-1′在以Pn′为球心、dn-1为半径的球面上，连接Pn-1与Pn′的连线，单位化该连线向量，并求出Pn-1′；n＝(P

则Pn-1′的旋转变量可以表示为：Q＝(qx，qy，qz，qw)；其中qx＝sin(θ/2)ex；qy＝sin(θ/2)ey；qz＝sin(θ/2)ez；qw＝sin(θ/2)ew；已知Pn-1′的位置，计算得出Pn-2′的位置和方向，从而得到所有中间节点的位姿数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明基于新型电子信息仿真技术的带电作业仿真培训系统一实施例流程图；

图2为本发明基于新型电子信息仿真技术的带电作业仿真培训系统一实施例流程图；

图3为本发明基于新型电子信息仿真技术的带电作业仿真培训系统一实施例示意图。

图标：1、采集模块；2、生成模块；3、评价模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例

请参照图1，本发明实施例提供基于新型电子信息仿真技术的带电作业仿真培训系统，其包括采集模块1、生成模块2和评价模块3；采集模块1实时采集学员虚拟带电作业的动作数据，生产模块对动作数据实时处理生成虚拟动作，并通过虚拟现实头盔实时显示，从而进行虚拟带电作业操作，评价模块3记录学员的虚拟带电作业操作过程，并进行评价。

考虑到虚拟现实头盔的图像显示过程先是传感器测得某时刻头部运动的空间位置，然后得到视觉感知的范围，接着进行虚拟场景的生成计算，最后渲染显示在显示屏上，由于上述环节均有时间开销，若延时较长将会造成图像闪烁、跳动等现象，再加上头盔本身因头部运动而产生的机动性，使滞后问题更为突出，为此本系统提出了一种基于递推算法的补偿方法：

设置公式：

P＝P0+V0τ+1(Aτ2)/2 (1)

其中，τ为延时时差；P0为t0时刻的位置向量；V0为t0时刻的速度向量；A为t0时刻的加速度向量；P为t0+τ时刻的位置向量；

在显示成像中，根据学员的眼睛在虚拟空间的位置坐标和视线的矢量，确定位置参数(x，y，z)和角度参数(ψ，θ，γ)，即：

P＝(x，y，z，ψ，θ，γ)T (2)

在实际应用中，式(1)中的速度和加速度将由式(2)所示的离散形式获得：

其中，t±i表示在t时刻前第i时刻(-i)和t时刻后第i时刻(+i)；带时标的变量对应此时刻该变量的值；△t为传感器采样步长；

通过以上算法解决了由于虚拟现实头盔物理延时所造成的影响。

考虑到配网带电作业仿真培训需要受训人员控制虚拟角色在作业场景进行大量模拟操作，但由于受当前虚拟现实交互设备的硬件设计限制，虚拟人物在场景中的交互并不能靠人的实际动作来同步驱动，因此，本系统提出了一种沉浸式仿真交互技术，通过使用事件驱动和反向动力学解析方法，对学员的体态动作实时追踪，很好地实现了虚拟人的带电作业操作模拟和展示，如手部的抓、松、握，放和肘臂的移动、弯曲。

在针对手部动作的模拟中，首先获取交互设备空间定位数据，对受训人员的触发事件进行分析后，解析成驱动虚拟人物手的指令，从而显示虚拟手部动作。请参照表1，当虚拟手部位置与虚拟物体不重合时，紧扳按键，虚拟手部便握拳；当虚拟手部位置与虚拟物体不重合时，松开按键，虚拟手部便松拳；当虚拟手部位置与虚拟物体重合时，紧扳按键，虚拟手部便抓住虚拟物体；当虚拟手部位置与虚拟物体重合时，松开按键，虚拟手部便放开虚拟物体。

表1事件与动作映射关系表

在针对肘臂动作的模拟中，由于目前多数虚拟现实设备只提供交互手柄和头戴式眼镜，无法直接获得肩部、肘部的位姿数据，所以动作仿真比较困难，因此本系统基于反向动力学原理，通过己知末端关节的位置信息，利用解析法求解中间节点对应的新位置及对应的旋转变量，最终实现虚拟人动作与受训人员的同步和复杂运动轨迹的仿真，上述解析法求解方式如下：

通过虚拟现实设备获取学员眼睛中心、重心、肩部、肘部、手部节点位置；

请参照图2和图3，设τ为延时时差，Pv为眼睛中心节点，Pn为重心节点，Pn-1为肩部节点，Pn-2为肘部节点，P0为手部节点，求解中间节点Pn-1、Pn-2和Pn的新位置Pn-1′、Pn-2′和Pn′及对应的旋转变量；

令di为PiPi+1的长度，无论末端P0位于哪一点，其关节的长度保持不变，通过此关节移动的特点分析推导中间关节的位置和它们对应的旋转变量，考虑到头部与重心存在一定的关联性，为简化计算过程，对Pv换算获得Pn′位姿数据；

待求的Pn-1′在以Pn′为球心、dn-1为半径的球面上连接Pn-1与Pn′的连线，单位化该连线向量，并求出Pn-1′；

n＝(P

Pn-1′＝Pn′+dn-1n

计算节点P0到Pn-1′的距离d，如果

对向量Pn-1Pn，Pn-1′Pn′作单位化处理，如下：

n

n

分别求得向量n1旋转到向量n2的角度θ和单位旋转轴e：

e＝(n

则Pn-1′的旋转变量可以表示为：

Q＝(qx，qy，qz，qw)

其中qx＝sin(θ/2)ex；qy＝sin(θ/2)ey；qz＝sin(θ/2)ez；qw＝sin(θ/2)ew；

已知Pn-1′的位置，计算得出Pn-2′的位置和方向，至此，所有中间节点的位姿数据都已明确，从而获得肩部、肘部的位姿数据，最终实现虚拟人动作与学院的同步。

在本发明的一些实施例中，包括存储模块，所述存储模块用于存储配网各电压等级带电作业项目操作实例、配网各类电器元件的缺陷和学员的基本信息、培训记录、考核成绩。

上述配网各电压等级带电作业项目操作实例，涵盖绝缘杆、绝缘手套、旁路三种作业方法，如带电更换绝缘子、横担、带电断、接引流线等，通过对工作过程的步骤分解，实现标准化流程的数字化、规范化描述；配网各类电器元件的缺陷，包含配网各类电器元件的常见缺陷，如导线断股、横担锈蚀、金具变形等，使学员掌握电器元件缺陷知识；事故库包含触电、高坠、误操作、物体打击、机械伤害等各类事故现象及相应处理措施，使学员学习处理事故措施知识；存储模块还包括学员基本信息、培训记录、考核成绩，这些培训记录和考核成绩资料可以很好的了解学员的培训情况，并可根据此数据资料对学员安排相应的学习计划。

综上，本发明的实施例提供的基于新型电子信息仿真技术的带电作业仿真培训系统，此系统使用基于递推算法的延迟补偿方法，提高了逼真感和沉浸感，并且采用事件驱动和反向动力学解析方法，实现了虚拟人物在仿真场景中的自然控制。此系统不但使用户有身临其境的沉浸感，而且可以贴近实际操作体验，体验更为真实的带电作业流程，可有效提高电网运行生产人员专业技能培训效率，缩短培训周期，提高培训质量。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。