一种基于VR技术的电工登杆作业仿真训练系统及方法与流程

一种基于vr技术的电工登杆作业仿真训练系统及方法
技术领域
1.本发明涉及电网输电线路维修技术领域，具体涉及一种基于vr技术的电工登杆作业仿真训练系统及方法。

背景技术：

2.电力一线基层员工存在安全意识薄弱，安全操作技能训练不足的问题，现场作业时易发生安全事故，新入职员工也需要培训安全实操技能，老员工的安全实操技能需要进一步规范提高。以往的培训手段停留在白纸黑字阶段，培训形式呆板，培训效果不佳，培训成本高，因此有必要采取全新培训手段。
3.在不发生安全事故、确保受训员工安全的前提下，针对电力企业作业中风险较为突出的登高作业，带负荷拉(合)刀闸、带电挂接地线、触电危害、倒杆、高空坠落、电弧烧伤、线路过载、设备漏电等典型风险事故案例，通过模拟典型风险作业现场及操作过程，让学员在观摩学习、亲身体验中真实感受违章操作的严重后果、直观认知危险及诱因、掌握标准规范的作业方法，使学员从感性上加强安全防范意识、在实践中提升安全防护技能，防止或减少生产安全事故的发生。新的培训技术手段同时要体积小，成本低，易于携带部署，从而能够推广使用。

技术实现要素：

4.为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于vr技术的电工登杆作业仿真训练系统及方法，以解决现有技术中电工登杆作业实训系统投入大、占地广，不易于携带部署的问题。
5.为此，本发明提出了一种基于vr技术的电工登杆作业仿真训练系统，包括：
6.图像显示模块，用于通过虚拟现实头戴显示器显示电工登杆作业过程中电杆、主保险带、副保险带的模型及登杆互动动作；还用于播放教学视频、高光文字提示登高过程的操作步骤提示和作业注意事项；
7.动作捕捉模块，用于通过动作捕捉手柄依次模拟登杆、穿上主保险带、主保险带向上挪动、套副保险带、解开主保险带、解开副保险带等动作；
8.语音提示模块，用于语音播放登杆过程中的作业注意事项和报警提示；
9.交互模块，用于将动作捕捉模块捕捉到的动作经过数据处理模块处理，再将其传递到图像显示模块，形成登杆模拟动画，使培训人员获得沉浸式登杆动作体验。
10.优选地，所述图像显示模块为oculus虚拟现实头戴显示器，所述动作捕捉模块为与oculus虚拟现实头戴显示器相配套的动作捕捉手柄。
11.本发明还提出了一种基于vr显示和动作捕捉的电工登杆作业仿真训练方法，包括如下步骤：
12.s1：通过语音播报模块语音播放作业注意事项，同时图像显示模块提示作业注意事项，播放教学视频；通过图像显示模块显示电工登杆作业过程中电杆、主保险带、副保险
带的模型；
13.s2：根据图像显示模块的箭头提示和语音播报模块的语言提示，通过手柄交互模块模拟登杆动作，身体抬高，然后模拟主保险带向上挪动操作过程；
14.s3：图像显示模块虚拟的ui模拟显示电杆上设有水平设置的槽钢，挡住主保险带向上挪动，然后图像显示模块文字提示先套副保险带，语音播报模块同时产生语言提示，通过手柄交互模块模拟先套副保险带，再解开主保险带动作；
15.s4：通过手柄交互模块模拟培训人员向上攀爬一小段距离、再穿上主保险带、解开副保险带、以及继续登杆动作，并通过图像显示模块显示在培训人员眼前；
16.s5：图像显示模块虚拟的ui显示培训人员到达杆子合适高度，并提示将副保险带挂到合适位置，通过手柄交互模块模拟将副保险带挂到电杆牢固构件上；
17.s6：根据图像显示模块的箭头提示和语音播报模块的语言提示下杆，下杆前图像显示模块模拟的ui提示解除副保险带；
18.s7：下杆遇到槽钢，通过手柄交互模块模拟先套副保险带，解开主保险带，爬到槽钢下方后，再穿上主保险带，解开副保险带等动作；
19.s8：下到地面时，图像显示模块和语音播报模块分别提示点击解除脚扣和安全带，完成电工登杆作业仿真训练。
20.本发明提供的基于vr技术的电工登杆作业仿真训练系统及方法，采用vr显示和动作捕捉技术开发安全实训系统，沉浸仿真效果好，交互体验自然，相比市场同类产品，具有体积小，建设成本低，易于携带部署，培训成本低，培训效率高等优点，从而易于推广使用。
21.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
22.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
23.图1为本发明的基于vr显示和动作捕捉的电工登杆作业仿真训练方法流程图；
具体实施方式
24.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
25.本发明的基于vr技术的电工登杆作业仿真训练系统，包括：图像显示模块，用于通过虚拟现实头戴显示器显示电工登杆作业过程中电杆、主保险带、副保险带的模型及登杆互动动作；还用于播放教学视频、高光文字提示登高过程的操作步骤提示和作业注意事项；动作捕捉模块，用于通过动作捕捉手柄依次模拟登杆、穿上主保险带、主保险带向上挪动、套副保险带、解开主保险带、解开副保险带等动作；语音提示模块，用于语音播放登杆过程中的作业注意事项和报警提示；交互模块，用于将动作捕捉模块捕捉到的动作经过数据处理模块处理，再将其传递到图像显示模块，形成登杆模拟动画，使培训人员获得沉浸式登杆动作体验。
26.该电工登杆作业仿真训练系统基于oculus quest2.0系统开发，通过手势识别技
术和rift立体成像系统，借助unity3d.vc++，3dmax等开发工具，实现电工登高作业的场景配置和基于手势交互的训练任务驱动，采用立体渲染技术实现作业场景的立体显示和视觉跟踪，最后构建了基于vr显示和动作捕捉技术的电工登高作业沉浸式实训平台。
27.其中，基于vr技术，我们需要建立电线杆、主保险带、副保险带仿真模型、以及其他场景模型，真实模拟主保险带向上挪动、以及主保险带和副保险带的套设和解开动作，通过vr头显及手持设备操控保险带模型进行套设、解开保险带动作，以实现电工登高作业沉浸式实训目的。
28.基于上述的电工登杆作业仿真训练系统需要实现以下功能：首先，学员登陆进入虚拟作业场景，系统弹窗提示作业注意事项，播放教学视频；然后，登杆前安全设备(安全帽，保险带，脚扣)的外观检查，强度检查，安全校验期检查，确认合格后依次完成设备穿戴。
29.再然后，进行登杆作业：1)通过箭头指示和语音播报，手柄交互登杆动作，身体抬高；2)主保险带向上挪动操作过程；3)遇到槽钢，ui和语音提示先套副保险带，解开主保险带，向上攀爬一小段距离后，提示再穿上主保险带，解开副保险带，继续登杆；4)登杆过程进行注意事项提示(以语音或弹窗的形式)；5)到达杆子合适高度(指定位置)，ui提示挂上副保险带挂到合适位置(牢固构件上)。
30.最后，进行下杆作业：1)高处作业完成过后，提示下杆，下杆前ui提示解除副保险带；2)下杆遇到槽钢时，先套副保险带，解开主保险带，爬到槽钢下方后，再穿上主保险带，解开副保险带。3)下到地面时提示点击解除脚扣和安全带。
31.其中，相比12米电杆场景，18米电杆在场景构建时增加悬空感和摇晃感，营造学员惊恐体验。
32.结合上述电工登杆作业仿真训练系统需要实现以下功能，本技术的电工登杆作业仿真训练方法，包括如下步骤：
33.s1：通过语音播报模块语音播放作业注意事项，同时图像显示模块提示作业注意事项，播放教学视频；通过图像显示模块显示电工登杆作业过程中电杆、主保险带、副保险带的模型；
34.s2：根据图像显示模块的箭头提示和语音播报模块的语言提示，通过手柄交互模块模拟登杆动作，身体抬高，然后模拟主保险带向上挪动操作过程；
35.s3：图像显示模块虚拟的ui显示电杆上设有水平设置的槽钢，挡住主保险带向上挪动，然后图像显示模块文字提示先套副保险带，语音播报模块同时产生语言提示，通过手柄交互模块模拟先套副保险带，再解开主保险带动作；
36.s4：通过手柄交互模块模拟培训人员向上攀爬一小段距离、再穿上主保险带、解开副保险带、以及继续登杆动作，并通过图像显示模块显示在培训人员眼前；
37.s5：图像显示模块虚拟的ui显示培训人员到达杆子合适高度，并提示将副保险带挂到合适位置，通过手柄交互模块模拟将副保险带挂到电杆牢固构件上；
38.s6：根据图像显示模块的箭头提示和语音播报模块的语言提示下杆，下杆前图像显示模块模拟的ui提示解除副保险带；
39.s7：下杆遇到槽钢，通过手柄交互模块模拟先套副保险带，解开主保险带，爬到槽钢下方后，再穿上主保险带，解开副保险带等动作；
40.s8：下到地面时，图像显示模块和语音播报模块分别提示点击解除脚扣和安全带，
完成电工登杆作业仿真训练。
41.下面具体介绍本发明电工登杆作业仿真训练系统的详细训练过程：
42.1、进入开始界面，再进入主场景
43.按照实训场景比例显示1:1模型(根据客户场地要求，评估一下场景中电线杆的高度与人物比例，电线杆分为12米带变压器电线杆和18米电线杆)。
44.2、系统介绍与学习
45.进入虚拟场景，设置在柱子下面合适位置或旁观位置，可以原地或交互观察(第一人称)，点击继续弹窗显示电工爬杆具体注意事项。
46.3、安全设备学习与穿戴
47.学习电力登高安全设备的注意事项。主要包括：a.安全帽b.安全带c.脚扣。在系统介绍与学习的基础上点击继续提示用户爬杆前需要先全部检查安全设备是否合格(外观检查和使用期限检查，使用弹窗提示相应检查标准)，合格设备再进行穿戴(播放视频)，不合格者则跳出“不合格，请重新选择安全设备”弹窗，重新选择，按照顺序穿戴安全设备穿戴完毕，语音提示可以开始爬杆。
48.4、登高上爬交互操作
49.在电杆下方合适位置开始攀爬作业(箭头提示使用手柄部分)
50.a.先挂脚扣到合适位置；
51.b.套杆主保险带，挣保险带，并检查主保险带强度是否足够；
52.c.通过箭头指示和语音播报，手柄交互登杆动作，身体抬高；
53.d.登杆过程增加主保险带向上挪动操作过程(将手柄与主保险带连接，两只手柄同上同下)；
54.e.登杆过程遇到槽钢，先套副保险带，解开主保险带，再穿上主保险带，解开副保险带，继续登杆。(遇到槽钢，ui和语音提示先套副保险带，解开主保险带，点击“继续”按钮后手柄变成副保险带的尼龙扣，箭头指示挂到合适位置后，箭头提示解开主保险带，向上攀爬一小段距离后，提示再穿上主保险带，解开副保险带，继续登杆)；
55.f.登杆过程进行到不同高度，随着杆子变细提示调整脚扣大小。(弹窗和语音提示，上爬下杆都要有提示，弹出3～5秒后自动消失)；
56.g.到达杆子合适高度(指定位置)，ui提示挂上副保险带挂到合适位置(牢固构件上)；提示登高结束，可以开始作业，完成登高。
57.5、登高下杆交互操作
58.a.高处作业完成过后，提示下杆，下杆前ui提示解除副保险带(根据上杆过程反向重现)；
59.b.下杆过程ui及语音提示注意事项，弹窗自动弹出3～5秒后消失；
60.c.下杆遇到槽钢时，先套副保险带，解开主保险带，爬到槽钢下方后，再穿上主保险带，解开副保险带(与上杆的步骤基本相同)；
61.d.爬到地面时提示点击解除脚扣和安全带，落地注意安全(提供实际演示视频，演示下杆到地面时解除脚扣和安全带的全部过程)；
62.e.登杆过程进行到不同高度，随着杆子变细提示调整脚扣大小；
63.f.登杆过程进行注意事项提示(以语音或弹窗的形式，根据现场视频，提取登高注
意事项，以文字或语音的方式做出提示，弹窗弹出3～5秒后自动消失)落地后，提示完成工作任务。
64.通过上述的训练步骤和方法介绍，本技术的基于vr技术的电工登杆作业仿真训练系统除了上述有益效果，还具有以下优点：
65.1)高仿真性：沉浸体验，触控交互体验良好，能准确反应手部动作；
66.2)低延迟：无眩晕感，可长时间观看；
67.3)安装方便：只需单人佩带好头显和数据手柄；
68.4)扩展性强：可对课件内容升级开发，可对培训内容自由裁减组合；
69.5)算法精准：支持手势识别；
70.6)模型丰富：覆盖电工登高作业需要培训业务场景；
71.7)功耗低：新版设备休眠后8毫安，长期出差也不用担心没电；
72.8)稳定安全：无须搭建模拟场景，不会给受训员工带来伤害；
73.9)定位快速、精准。
74.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于vr技术的电工登杆作业仿真训练系统，其特征在于，包括：图像显示模块，用于通过虚拟现实头戴显示器显示电工登杆作业过程中电杆、主保险带、副保险带的模型及登杆互动动作；还用于播放教学视频、高光文字提示登高过程的操作步骤提示和作业注意事项；动作捕捉模块，用于通过动作捕捉手柄依次模拟登杆、穿上主保险带、主保险带向上挪动、套副保险带、解开主保险带、解开副保险带等动作；语音提示模块，用于语音播放登杆过程中的作业注意事项和报警提示；交互模块，用于将动作捕捉模块捕捉到的动作经过数据处理模块处理，再将其传递到图像显示模块，形成登杆模拟动画，使培训人员获得沉浸式登杆动作体验。2.根据权利要求1所述的基于vr技术的电工登杆作业仿真训练系统，其特征在于，所述图像显示模块为oculus虚拟现实头戴显示器。3.根据权利要求1所述的基于vr技术的电工登杆作业仿真训练系统，其特征在于，所述动作捕捉模块为与oculus虚拟现实头戴显示器相配套的动作捕捉手柄。4.一种应用如权利要求1所述的电工登杆作业仿真训练系统的电工登杆作业仿真训练方法，其特征在于，所述电工登杆作业仿真训练方法包括如下步骤：s1：通过语音播报模块和图像显示模块提示作业注意事项、显示登杆作业的模型；s2：根据提示通过手柄交互模块模拟身体抬高和主保险带向上挪动的登杆动作；s3：图像显示模块模拟电杆上设有槽钢，挡住主保险带向上挪动，然后根据提示通过手柄交互模块模拟先套副保险带，再解开主保险带动作；s4：通过手柄交互模块模拟培训人员向上攀爬一小段距离、再穿上主保险带、解开副保险带、以及继续登杆动作，并通过图像显示模块显示在培训人员眼前；s5：图像显示模块虚拟的ui显示培训人员到达杆子合适高度，并提示将副保险带挂到合适位置，通过手柄交互模块模拟将副保险带挂到电杆牢固构件上；s6：根据图像显示模块的箭头提示和语音播报模块的语言提示下杆，下杆前图像显示模块模拟的ui提示解除副保险带；s7：下杆遇到槽钢，通过手柄交互模块模拟先套副保险带，解开主保险带，爬到槽钢下方后，再穿上主保险带，解开副保险带等动作；s8：下到地面时，图像显示模块和语音播报模块分别提示点击解除脚扣和安全带，完成电工登杆作业仿真训练。

技术总结

本发明公开了一种基于VR技术的电工登杆作业仿真训练系统及方法，仿真训练系统包括图像显示模块，用于显示电工登杆作业过程中的模型及登杆互动动作；动作捕捉模块，用于通过动作捕捉手柄模拟登杆动作；语音提示模块，用于语音播放登杆过程中的作业注意事项和报警提示；交互模块，用于将动作捕捉模块捕捉到的动作经过数据处理模块处理，再将其传递到图像显示模块，形成登杆模拟动画，使培训人员获得沉浸式登杆动作体验。该电工登杆作业仿真训练系统采用VR显示和动作捕捉技术开发安全实训系统，沉浸仿真效果好，交互体验自然，相比市场同类产品，具有体积小，建设成本低，易于携带部署，培训成本低，培训效率高等优点，从而易于推广使用。广使用。广使用。