关键词:
虚拟现实
液压传动
实验教学
HTC VIVE
摘要:
随着信息化技术和虚拟现实技术的飞速发展,教学模式逐步向VR和信息化技术结合的方向转变。在传统的液压实验教学中,学生一般都是被要求直接在实验台上进行操作,然而,这种模式往往伴随着不容忽视的安全隐患。除此之外,还存在一些传统实验教学普遍面临的问题,例如教学设备数量有限、学生实验次数受限,以及实验过程常受到场地空间的制约。在此背景下,针对《液压传动》实验教学存在的问题,本文在分析国内外虚拟现实技术在实验教学中运用的基础上,使用HTC VIVE作为交互设备,设计了一套沉浸式虚拟液压实验系统,并对虚拟液压元件装配序列规划、碰撞检测算法、虚拟空间位置传送、液压回路数学模型等关键技术展开了研究,本文主要工作如下:
(1)确定了虚拟液压实验系统总体设计方案。在对虚拟液压实验系统进行功能需求分析和性能需求分析的基础上,采用分实验模块设计的方法,每个模块针对特定功能进行独立设计,并给出了虚拟液压实验系统的开发流程和各个模块的功能结构框架。
(2)针对液压元件的拆卸与组装实验和液压节流调速回路实验,本文在虚拟液压实验系统的基础上进行了关键技术研究:构建了用于虚拟空间物体传送的数学模型;开发了融合Oriented Bounding Box层次包围盒和Mesh包围盒的碰撞检测算法,提高了虚拟环境中碰撞检测的精确度;设计了一种基于优先级图法的虚拟液压元件拆装实验方案;建立了液压回路的可视化数学模型。
(3)在对系统关键技术研究的基础上,完成了虚拟液压实验系统的功能设计。首先,完成了虚拟场景的搭建和三维模型的建立与优化;其次,设计实现了液压传动基本知识学习功能,包括空间界面交互设计、音视频播放等功能;接着,使用规划好的装配序列,完成了液压元件虚拟拆卸与装配实验的设计,实现了在虚拟拆装实验中对液压元件的抓取和认知,从拆装预习、拆装训练、拆装考核三个模块进行虚拟拆装实验设计;最后,使用碰撞检测技术实现了液压回路的搭建,模拟粒子发射器工作原理实现了油液流体流动功能,完成了实验结果可视化显示和数据分析功能。
(4)完成了虚拟液压实验系统的测试。搭建好测试场景后,操作者可以使用HTC VIVE设备进行液压基本知识学习,然后进入液压元件拆装实验室进行液压元件拆卸与装配实验,最后可以完成液压回路实验。最终通过实验测试完成了各个模块的功能验证和系统的性能测试,验证了系统的可行性。