一种基于VR技术的接触网检修教学平台
技术领域
本发明涉及VR领域，尤其涉及一种基于VR技术的接触网检修教学平台。
背景技术
接触网是电力机车的能量通道，负责将电网上的电能传输到电力机车上进行电能供应。接触网是在电气化铁道中，沿钢轨上空"之"字形架设的，供受电弓取流的高压输电线。接触网是铁路电气化工程的主构架，是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。铁路运输承载着每位乘客的身命财产安全，要保证列车在运行途中不出现任何事故，对铁路系统的各个环节都要严格把关，培养出专业型人才成为了保障铁路运输安全的重要基础。
接触网长期处于室外工作环境需要定期检修，中国铁路总公司在招聘技术人员后需要对他们进行岗前培训，力争每一位技术人员“上得去、下的来”，在接触网不能正常运行时能够第一时间找出问题所在，并采取相应的措施进行抢修。这需要培训老师有较好的专业知识和专业素养，将理论和实际结合起来能让学员们更容易接受。
现有技术中主要采用理论培训，只有在工作人员遇到了相应的接触网事故问题才会将理论知识应用到实践。但是一遇到实际问题时，很多工作人员已经忘记培训过的知识，不知如何应对。对于发生概率特别小故障，即使经验丰富的老员工也较少遇到过，一旦遇到了他们也没有实际经验可参考，其次工作人员没有实际操作经验，而现场环境比理论上复杂得多，导致工作人员无从下手处理接触网故障，不知如何检修接触网出现的故障，严重影响列车的安全运行。此外，在实际检修中，往往需要对检修路段进行封闭，禁止列车通行。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于VR技术的接触网检修教学平台，将一条正常运行的铁路线路的接触网拍摄成VR视频，并模拟接触网运行的环境极其出现的故障情况，在VR视频中设置的每个故障点均有接触网检修标准与之对应，用户进入虚拟世界后，对接触网每个故障点进行虚拟检修，在虚拟检修的同时在VR视频中有对应故障点的处理方法讲解，便于用户进一步的加深理解和记忆，有利于用户在实际工作中遇到相应问题时采用对应的处理方法进行检修，提高工作人员的专业技术水平。
为了实现上述目的，本发明提供的一种基于VR技术的接触网检修教学平台是这样实现的：
一种基于VR技术的接触网检修教学平台，包括人机交互室和一体机头显设备，在人机交互室中设置模拟接触网运行环境的装置，将一条正常运行的铁路线路的接触网拍摄成VR视频，并模拟接触网运行的环境极其出现的故障情况，在VR视频中设置的每个故障点均有接触网检修标准与之对应，用户进入虚拟世界后，对接触网每个故障点进行虚拟检修，在虚拟检修的同时在VR视频中有对应故障点的处理方法讲解，一体机头显设备佩戴在用户的头上，即可看到接触网的虚拟空间，一体机头显设备随着头部的转动位置来切换视频显示的内容。
本发明的人机交互室的天花板上设有喷淋、雪花机、取暖灯，人机交互室的四壁均设有冷风机、热风机，地面上安装有PC机、升降台、万向跑步机、护栏、感应手套、VR手柄，其中万向跑步机安装在升降台上方，万向跑步机边缘上设有护栏，感应手套、VR手柄连接在护栏左上方，喷淋用于模拟下雨场景，雪花机用于模拟下雪场景，取暖灯模拟太阳照射场景，即可模拟用户在不同天气条件下对接触网进行检修的场景，冷风机、热风机分别用于向用户吹冷风和热风，模拟工作人员在冷风和热风环境下工作场景，升降台用于模拟用户检修接触网时升降台将用户升起对接触网进行检修的场景，用户在万向跑步机上行走来模拟升降台沿着接触网行走，护栏用于保护工作人员在万向跑步机上行走时不会掉下来，感应手套用于戴在用户手上，用户通过感应手套模拟手与接触网接触的场景，VR手柄用以模拟工作人员手拿工具的场景，由PC机控制万向跑步机、升降台工作，并向感应手套发送需要感应的信息以及感应手套向PC机反馈信息。
本发明的升降台包括金属铝板、折叠杆、内螺纹环、螺丝杆、步进电机，螺丝杆连接在步进电机的旋转轴上，内螺纹环安装在螺丝杆上，四根相同的折叠杆均匀固定在内螺纹环与金属铝板之间，由PC机控制步进电机正转，进而带动内螺纹环在螺丝杆上向上移动，在内螺纹环的推动下折叠杆伸张，将金属铝板向上推，实现升降台的升高，当由PC机控制步进电机反转时，带动内螺纹环在螺丝杆上向下移动，在内螺纹环的拉动下折叠杆收缩，将金属铝板向上拉，实现升降台的降低。
本发明的一体机头显设备包括弹力松紧带、海绵、塑料壳、第一蓝牙模块、第一控制电路板、超声波传感器、倾角传感器、液晶显示屏、3D液晶眼镜、高清摄像头，弹力松紧带固定在塑料壳的上、左、右三边，海绵安装在塑料壳内侧，第一蓝牙模块、第一控制电路板、超声波传感器、倾角传感器、液晶显示屏、3D液晶眼镜、高清摄像头均安装在塑料壳中，且液晶显示屏安装在3D液晶眼镜正前方，高清摄像头安装在3D液晶眼镜上方，用于识别眼球的位置信息，超声波传感器和倾角传感器用于追踪头部位置信息，第一蓝牙模块用于和PC机建立无线通信，接收PC机上制作好的VR视频，并将接收到的VR视频传输至第一控制电路板，由第一控制电路板控制液晶显示屏显示对应的VR视频，用户透过3D液晶眼镜观看液晶显示屏上显示的VR视频即可看到立体的视频，使用户感觉处于VR视频中的场景中，高清摄像头采集到识别眼球信息后传输给第一控制电路板，在第一控制电路板中进行图像识别，识别出眼球移动的位置。
本发明的超声波传感器与倾角传感器结合起来识别用户头部位置信息，超声波传感器用于测量用户头部与墙面之间的距离，并将检测到距离信息传输给第一控制电路板进行处理，倾角传感器用于检测用户头部倾角信息，并将检测到的信息传输给第一控制电路板，第一控制电路板根据超声波传感器传来的距离信息、倾角传感器传来的倾角信息，即可计算出用户头部与墙面之间的距离和头部倾角，进而确定用户头部所在位置。
本发明的3D液晶眼镜包括3D眼镜、液晶镜片，采用两个相同的液晶镜片安装在3D眼镜的左右镜片上，由第一控制电路板控制液晶镜片的透明与黯淡，当需要左眼观看液晶显示屏上的VR视频时，第一控制电路板控制左液晶镜片透明，控制右液晶镜片黯淡，当需要右眼观看液晶显示屏上的VR视频时，第一控制电路板控制右液晶镜片透明，控制左液晶镜片黯淡。
本发明的感应手套包括手套、电热丝、电击器、第二控制电路板、弹簧丝、拉力传感、第二蓝牙模块，电热丝、电击器、第二控制电路板、弹簧丝、拉力传感、第二蓝牙模块均安装在手套上，由第二控制电路板控制电热丝加热、控制电击器工作，弹簧丝连接在手套与护栏之间，拉力传感安装在弹簧丝上，用于检测弹簧丝被拉伸的力，并将检测到的拉力信息传输给第二控制电路板，由第二控制电路板控制第二蓝牙模块将检测到的拉力信息传输给PC机，通过弹簧丝拉动手套来模拟工作人员拉动接触网的馈电线、承力索、接触线等场景，再根据拉力传感器采集到的拉力值来计算出工作人员手拉弹簧丝的力，进而模拟工作人员手拉接触网的力，PC机根据VR视频中触电场景、接触网过热场景通过第二蓝牙模块发送给第二控制电路板，当用户在虚拟世界中触摸到带电的接触网后，第二控制电路板控制电击器工作，给用户一种触电的感觉，当用户在虚拟世界中触摸到接触网过热时，第二控制电路板控制电热丝加热。
由于本发明采用虚拟现实技术作为接触网检修工作人员提供模拟故障检修培训的结构，从而可以得到以下有益效果：
用户进入具有虚拟接触网的空间后，对接触网每个故障点进行虚拟检修，在虚拟检修的同时在VR视频中有对应故障点的处理方法讲解，便于用户进一步的加深理解和记忆，有利于用户在实际工作中遇到相应问题时采用对应的处理方法进行检修，加深工作人员的理解，提高工作人员的理论结合实践的能力，提高工作人员的专业技术水平。
附图说明
图1为本发明一种基于VR技术的接触网检修教学平台的人机交互室内部安装示意图；
图2为本发明一种基于VR技术的接触网检修教学平台的升降台的结构示意图；
图3为本发明一种基于VR技术的接触网检修教学平台的一体机头显设备结构示意图；
图4为本发明一种基于VR技术的接触网检修教学平台的头部追踪器结构示意图；
图5为本发明一种基于VR技术的接触网检修教学平台的3D液晶眼镜结构示意图；
图6为本发明一种基于VR技术的接触网检修教学平台的感应手套的结构示意图；
图7为本发明一种基于VR技术的接触网检修教学平台的眼球定位流程图；
图8为本发明一种基于VR技术的接触网检修教学平台的方案流程图；
图9为本发明一种基于VR技术的接触网检修教学平台的工作原理图。
主要元件符号说明。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1至图9所示为本发明中的一种基于VR技术的接触网检修教学平台，包括人机交互室1和一体机头显设备2。
所述的人机交互室1中设有模拟接触网运行环境的装置，将一条正常运行的铁路线路的接触网拍摄成VR视频，并模拟接触网运行的环境极其出现的故障情况，在VR视频中设置的每个故障点均有接触网检修标准与之对应，用户进入虚拟世界后，对接触网每个故障点进行虚拟检修，在虚拟检修的同时在VR视频中有对应故障点的处理方法讲解，便于用户进一步的加深理解和记忆，有利于用户在实际工作中遇到相应问题时采用对应的处理方法进行检修，提高用户的专业技术水平，一体机头显设备2佩戴在用户的头上，即可看到接触网的虚拟空间，使用户有身处现场的感觉，一体机头显设备2随着头部的转动位置来切换视频显示的内容。
如图1所示，所述的人机交互室1的天花板上设有喷淋3、雪花机4、取暖灯5，人机交互室1的四壁均设有冷风机6、热风机7，地面上安装有PC机8、升降台9、万向跑步机10、护栏11、感应手套12、VR手柄13，其中万向跑步机10安装在升降台9上方，万向跑步机10边缘上设有护栏11，感应手套12、VR手柄13连接在护栏11左上方，PC机8均与喷淋3、雪花机4、取暖灯5、冷风机6、热风机7、升降台9、万向跑步机10、感应手套12电性连接，喷淋3用于模拟下雨场景，雪花机4用于模拟下雪场景，取暖灯5模拟太阳照射场景，即可模拟用户在不同天气条件下对接触网进行检修的场景，冷风机6、热风机7分别用于向用户吹冷风和热风，模拟工作人员在冷风和热风环境下工作场景，当VR视频中出现出下雨场景时，PC机8便控制喷淋3向用户喷水，当VR视频中出现出下雪场景时，PC机8便控制雪花机4吹雪到用户身上，当VR视频中出现出太阳场景时，PC机8便控制取暖灯5射到用户身上，使用户感觉是被太阳照射一般，当VR视频中出现冷风场景时，PC机8便控制冷风机6吹冷风到用户身上，使用户感觉是被冷风吹拂一般，当VR视频中出现热风场景时，PC机8便控制热风机7吹冷风到用户身上，使用户感觉是被热风吹拂一般。升降台9用于模拟用户检修接触网时升降台9将用户升起对接触网进行检修的场景，用户在万向跑步机10上行走来模拟升降台9沿着接触网行走，护栏11用于保护工作人员在万向跑步机10上行走时不会掉下来，感应手套12用于戴在用户手上，用户通过感应手套12模拟手与接触网接触的场景，VR手柄13用以模拟工作人员手拿工具的场景，由PC机8控制万向跑步机10、升降台9工作，并向感应手套12发送需要感应的信息以及感应手套12向PC机8反馈信息。
如图2所示，所述的升降台9包括金属铝板14、折叠杆15、内螺纹环16、螺丝杆17、步进电机18，螺丝杆17连接在步进电机18的旋转轴上，内螺纹环16安装在螺丝杆17上，四根相同的折叠杆15均匀固定在内螺纹环16与金属铝板14之间，步进电机18与PC机8电性连接，由PC机8控制步进电机18正转，进而带动内螺纹环16在螺丝杆17上向上移动，在内螺纹环16的推动下折叠杆15伸张，将金属铝板14向上推，实现升降台9的升高，当由PC机8控制步进电机18反转时，带动内螺纹环16在螺丝杆17上向下移动，在内螺纹环16的拉动下折叠杆15收缩，将金属铝板14向上拉，实现升降台9的降低，需要模拟工作人员升到空中作业时，PC机8控制步进电机18正转。
如图3所示，所述的一体机头显设备2包括弹力松紧带19、海绵20、塑料壳21、第一蓝牙模块22、第一控制电路板23、超声波传感器24、倾角传感器25、液晶显示屏26、3D液晶眼镜27、高清摄像头28，弹力松紧带19固定在塑料壳21的上、左、右三边，便于用户携带到头上，防止脱落，海绵20安装在塑料壳21内侧，防止塑料壳21对用户皮肤造成伤害，第一蓝牙模块22、第一控制电路板23、超声波传感器24、倾角传感器25、液晶显示屏26、3D液晶眼镜27、高清摄像头28均安装在塑料壳21中，且液晶显示屏26安装在3D液晶眼镜27正前方，高清摄像头28安装在3D液晶眼镜27上方，用于识别眼球的位置信息，超声波传感器24和倾角传感器25用于追踪头部位置信息，使得VR视频中的场景跟随眼球变化位置、头部位置变化信息而变化，超声波传感器24、倾角传感器25、液晶显示屏26、3D液晶眼镜27、高清摄像头28与第一控制电路板23之间电性连接，第一蓝牙模块22用于和PC机8建立无线通信，接收PC机8上制作好的VR视频，并将接收到的VR视频传输至第一控制电路板23，由第一控制电路板23控制液晶显示屏26显示对应的VR视频，用户透过3D液晶眼镜27观看液晶显示屏26上显示的VR视频即可看到立体的视频，使用户感觉处于VR视频中的场景中，高清摄像头28采集到识别眼球信息后传输给第一控制电路板23，在第一控制电路板23中进行图像识别，识别出眼球移动的位置。用户能够看到立体的景物，是由于双眼可以各自独立看东西，左右两眼有间距，造成两眼有些细微的差别，而这样的差别会让左右两个眼球分别看到的景物有一点点位移，将左右两只眼睛所看到液晶显示屏26上的图像独立分开，才能有立体视觉效果，通过控制3D液晶眼镜27使左右眼看到的画面连续互相交替显示，加上人眼视觉暂留的生理特性，就可以看到真正的3D立体图像。
如图4所示，所述的超声波传感器24与倾角传感器25结合起来识别用户头部位置信息，超声波传感器24用于测量用户头部与墙面之间的距离，并将检测到距离信息传输给第一控制电路板23进行处理，倾角传感器25用于检测用户头部倾角信息，并将检测到的信息传输给第一控制电路板23，第一控制电路板23根据超声波传感器24传来的距离信息、倾角传感器25传来的倾角信息，即可计算出用户头部与墙面之间的距离和头部倾角，进而确定用户头部所在位置，以此来追踪用户的头部位置信息。
如图5所示，所述的3D液晶眼镜27包括3D眼镜29、液晶镜片30，采用两个相同的液晶镜片30安装在3D眼镜29的左右镜片上，液晶镜片30与第一控制电路板23之间采用电性连接，由第一控制电路板23控制液晶镜片30的透明与黯淡，当需要左眼观看液晶显示屏26上的VR视频时，第一控制电路板23控制左液晶镜片30透明，控制右液晶镜片30黯淡，当需要右眼观看液晶显示屏26上的VR视频时，第一控制电路板23控制右液晶镜片30透明，控制左液晶镜片30黯淡。通过控制液晶镜片30的透明与黯淡来使左右眼看到的画面连续互相交替显示，加上人眼视觉暂留的生理特性，就可以看到真正的3D立体图像。
如图6所示，所述的感应手套12包括手套31、电热丝32、电击器33、第二控制电路板34、弹簧丝35、拉力传感36、第二蓝牙模块37，电热丝32、电击器33、第二控制电路板34、弹簧丝35、拉力传感36、第二蓝牙模块37均安装在手套31上，由第二控制电路板34控制电热丝32加热、控制电击器33工作，弹簧丝35连接在手套31与护栏11之间，拉力传感36安装在弹簧丝35上，用于检测弹簧丝35被拉伸的力，并将检测到的拉力信息传输给第二控制电路板34，由第二控制电路板34控制第二蓝牙模块37将检测到的拉力信息传输给PC机8，通过弹簧丝35拉动手套31来模拟工作人员拉动接触网的馈电线、承力索、接触线等场景，再根据拉力传感36器采集到的拉力值来计算出工作人员手拉弹簧丝35的力，进而模拟工作人员手拉接触网的力，PC机8根据VR视频中触电场景、接触网过热场景通过第二蓝牙模块37发送给第二控制电路板34，当用户在虚拟世界中触摸到带电的接触网后，第二控制电路板34控制电击器33工作，给用户一种触电的感觉，并在VR视频中提醒用户不要带电作业或者提醒用户检修前断电挂地线操作，当用户在虚拟世界中触摸到接触网过热时，第二控制电路板34控制电热丝32加热，给用户一种触摸到高温的感觉，提醒用户该处接触网出现发热情况。
如图7所示，所述的眼球定位方案为：由高清摄像头28采集用户左眼图像信息，并将采集到的图像信息传输至第一控制电路板23中进行图像识别，先进行图像灰度化处理，得到灰度化后的图像，降低计算复杂度，接着采用二维中值滤波算法对图像进行降噪处理，剔除噪声对图像质量的影响，由于眼球与眼眶之间的颜色存在差异，因此以颜色特征作为区分眼球与眼眶的纹理特征，采用信号处理的方法来提取眼球的纹理特征，该方法是建立在时、频分析与多尺度分析基础之上，对纹理图像中某个区域内实行某种变换后，再提取保持相对平稳的特征值，以此特征值作为特征表示区域内的一致性以及区域间的相异性，且由于一副图像中的每个像素点都可以计算出梯度，而梯度包含了幅值和方向，对于眼部图像而言，越是靠近眼球中心的位置，灰度值就越低，就会有更多的梯度方向的连线交于那个点，所以再通过计算经过纹理特征提取后的图像的灰度值即可计算出眼球所在位置，第一控制电路板23将识别后的结果通过第一蓝牙模块22发送给PC机8，PC机8根据眼球转动的位置来调节VR视频中应该出现的虚拟场景。
如图8所示，所述的接触网检修教学平台方案为：将一条正常运行的铁路线路的接触网拍摄成视频，在PC机8端对拍摄后的视频进行剪辑、配音，在视频中设置接触网会出现的故障点，每个故障点对应添加接触网检修标准，使得用户进入虚拟世界后，对接触网每个故障点进行虚拟检修的同时有对应故障点的处理方法讲解，加深工作人员的理解，提高工作人员的理论结合实践的能力，再加入应有的特效，并使输出视频为全景视频，在PC机8中制作交互动画及VR里的2D界面输出交互png序列，2d界面元素切图，由程序员在电脑中写入相应代码实现交互逻辑输出可交互的VR内容，并进行调试和完善，通过草图表现场景输出场景示意，再根据场景示意建立3D模型进行输出，形成VR视频，由PC机8通过蓝牙发送将制作好的VR视频发送至第一控制电路板23，第一控制电路板23控制液晶显示屏26显示相应的VR视频，第一控制电路板23控制左、右液晶镜片30的透明与黯淡来使左眼、右眼看到的画面连续互相交替显示，加上人眼视觉暂留的生理特性，就可以看到真正的3D立体图像，用于带上一体机头显设备2后，由超声波传感器24与倾角传感器25结合起来识别用户头部位置信息，第一控制电路板23根据超声波传感器24传来的距离信息、倾角传感器25传来的倾角信息，即可计算出用户头部与墙面之间的距离和头部倾角，进而确定用户头部所在位置，实现头部追踪，再控制第一蓝牙模块22将计算好的头部位置信息传输给PC机8，PC机8中根据头部位置自动切换VR视频中的场景，控制VR视频向用户展示用户眼睛需要观看的视频信息，第一控制电路板23根据高清摄像头28采集用户左眼图像信息进行眼球位置识别，第一控制电路板23将识别后的结果通过第一蓝牙模块22发送给PC机8，PC机8根据眼球转动的位置来调节VR视频中应该出现的虚拟场景，根据视频中的场景，PC即控制喷淋3、雪花机4、取暖灯5、冷风机6、热风机7、升降台9、万向跑步机10做出相应的工作状态，使得用户能够体验到VR视频中的虚拟环境，并通过感应手套12模拟手与接触网接触的场景，并向感应手套12发送需要感应的信息以及感应手套12向PC机8反馈信息，用VR手柄13向PC机8输入相应的信号来模拟工作人员手拿工具的场景。
本发明的工作原理与工作过程如下：
如图9所示，第一控制电路板23根据超声波传感器24传来的距离信息、倾角传感器25传来的倾角信息来计算出用户头部所在位置，再控制第一蓝牙模块22将计算好的头部位置信息传输给PC机8，PC机8中根据头部位置自动切换VR视频中的场景，第一控制电路板23根据高清摄像头28采集用户左眼图像信息进行眼球位置识别，第一控制电路板23将识别后的结果通过第一蓝牙模块22发送给PC机8，PC机8根据眼球转动的位置来调节VR视频中应该出现的虚拟场景，由PC机8通过蓝牙发送将制作好的VR视频发送至第一控制电路板23，第一控制电路板23控制液晶显示屏26显示相应的VR视频，第一控制电路板23控制左、右液晶镜片30的透明与黯淡来使左眼、右眼看到的画面连续互相交替显示，加上人眼视觉暂留的生理特性，就可以看到真正的3D立体图像，根据视频中的场景，PC即控制喷淋3、雪花机4、取暖灯5、冷风机6、热风机7、步进电机18、万向跑步机10做出相应的工作状态，用VR手柄13向PC机8输入相应的信号来模拟工作人员手拿工具的场景，拉力传感36检测弹簧丝35被拉伸的力，并将检测到的拉力信息传输给第二控制电路板34，由第二控制电路板34控制第二蓝牙模块37将检测到的拉力信息传输给PC机8，通过弹簧丝35拉动手套31来模拟工作人员拉动接触网的馈电线、承力索、接触线等场景，再根据拉力传感36器采集到的拉力值来计算出工作人员手拉弹簧丝35的力，进而模拟工作人员手拉接触网的力，PC机8根据VR视频中触电场景、接触网过热场景通过第二蓝牙模块37发送给第二控制电路板34，当用户在虚拟世界中触摸到带电的接触网后，第二控制电路板34控制电击器33工作，给用户一种触电的感觉，并在VR视频中提醒用户不要带电作业或者提醒用户检修前断电挂地线操作，当用户在虚拟世界中触摸到接触网过热时，第二控制电路板34控制电热丝32加热，给用户一种触摸到高温的感觉，提醒用户该处接触网出现发热情况。
