基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型是一種基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置，應(yīng)用于石化行業(yè)消防培訓(xùn)。該裝置基于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，由觸發(fā)操控模塊、信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)采集處理模塊、主機(jī)分析顯示模塊和電源模塊組成。其中，觸發(fā)操控模塊提供用戶與虛擬場(chǎng)景交互的外部按鈕、操作桿及指示燈等操作部件；信號(hào)監(jiān)測(cè)單元基于Cortex-M4的多接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)多種控制信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控；信號(hào)采集處理模塊，對(duì)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)采用幀傳輸協(xié)議進(jìn)行處理；主機(jī)分析顯示模塊，可展示用戶對(duì)虛擬消防車的操作；電源模塊，為其他模塊的正常工作提供穩(wěn)定的電壓。本實(shí)用新型能夠解決目前石化行業(yè)培訓(xùn)方式用戶交互性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等問題，在石化行業(yè)培訓(xùn)中具有很好的應(yīng)用前景。
【專利說明】基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，涉及一種基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置，適用于石油化工行業(yè)的消防車操作培訓(xùn)工作。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的安全培訓(xùn)模式，即將實(shí)際的安全培訓(xùn)過程利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)映射到計(jì)算機(jī)上的培訓(xùn)模式，在石油石化行業(yè)興起，打破了傳統(tǒng)工作模式耗時(shí)耗力的弊端，降低了特殊行業(yè)的高危性和不安全性，也大大減少了投入成本。以往進(jìn)行虛擬消防車培訓(xùn)時(shí)，消防車的操作面板都是利用Flash面板模擬制作，但是這種單純的計(jì)算機(jī)界面學(xué)習(xí)方式，僅僅從視覺角度使學(xué)習(xí)者有一個(gè)較為抽象的理解，對(duì)于操作方式的掌握度不能得以保障，而目前的結(jié)合視覺及觸覺的虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)裝置多是從光學(xué)或聲學(xué)傳感角度加以設(shè)計(jì)，技術(shù)復(fù)雜度及成本都較高，不適合行業(yè)大面積投入使用。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的技術(shù)效果能夠克服上述缺陷，提供了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置。裝置模擬消防車的真實(shí)操作面板設(shè)計(jì)，外部為一個(gè)密閉箱體，箱體大小為389*200*200 (mm3)，操作桿、按鈕及指示燈仿照真實(shí)操作面板分布在箱體上方。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:裝置通過與VR主機(jī)進(jìn)行交互通信，實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)VR主機(jī)中虛擬消防車的操作控制。裝置包括觸發(fā)操控模塊、信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)采集處理模塊、主機(jī)分析顯示模塊及高速穩(wěn)壓電源模塊，其中:
[0005](I)觸發(fā)操控模塊，為用戶與虛擬場(chǎng)景交互提供外部按鈕、操作桿及指示燈等部件；
[0006](2)信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)操控模塊產(chǎn)生不同控制信號(hào)的監(jiān)控，也實(shí)現(xiàn)對(duì)VR場(chǎng)景反饋響應(yīng)動(dòng)作信號(hào)的監(jiān)控；
[0007](3)信號(hào)采集處理模塊，用于對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)單元監(jiān)控到的信號(hào)進(jìn)行采集和處理。
[0008](4)主機(jī)分析顯示模塊，可以分析培訓(xùn)裝置對(duì)虛擬消防車的控制，顯示消防車的動(dòng)作執(zhí)行。
[0009](5)高速穩(wěn)壓電源模塊，分別為主控板電路及其他電路提供所需要的電壓。
[0010]本實(shí)用新型中的觸發(fā)操控模塊，主要由操作桿、按鈕及指示燈組成。其中，操作桿的觸發(fā)單元由滑動(dòng)變阻器的組成的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)器構(gòu)成，通過對(duì)操作桿的移動(dòng)，能夠改變滑動(dòng)變阻器的阻值以達(dá)到傳遞精確電信號(hào)的目的；按鈕的觸發(fā)單元選擇開關(guān)元件，按鈕的操作對(duì)應(yīng)兩種指令——按下和復(fù)原，通過按鈕的按下和復(fù)原，能夠啟動(dòng)相關(guān)的電路開關(guān)，進(jìn)而產(chǎn)生了相關(guān)的變化信號(hào)可以被信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到；指示燈負(fù)責(zé)對(duì)相應(yīng)動(dòng)作進(jìn)行反饋，對(duì)按鈕的操作和場(chǎng)景的動(dòng)作響應(yīng)都會(huì)觸發(fā)指示燈的亮滅。
[0011]信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊基于CorteX-M4的多接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，在觸發(fā)操控模塊發(fā)出信號(hào)之后，經(jīng)過一種繼電器組合電路，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)模塊可識(shí)別的信號(hào)。本模塊實(shí)現(xiàn)了一種復(fù)雜接口的實(shí)時(shí)監(jiān)控單元，當(dāng)培訓(xùn)裝置的多種器件同時(shí)觸發(fā)操控時(shí)，該模塊可以實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)精確無誤的識(shí)別和監(jiān)測(cè)；當(dāng)場(chǎng)景中的動(dòng)作執(zhí)行完畢，反饋信號(hào)由主機(jī)返回到裝置，由監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)控后，傳達(dá)到相應(yīng)指示燈的閃滅。
[0012]信號(hào)采集處理模塊將上述信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到的信號(hào)，進(jìn)行采集并處理。該模塊以自主研發(fā)的多通道通信協(xié)議、信號(hào)處理協(xié)議為基礎(chǔ)，采用幀傳輸協(xié)議，在每幀的開頭和結(jié)尾處添加相應(yīng)校驗(yàn)信息，確保信號(hào)可以準(zhǔn)確無誤的傳遞。
[0013]主機(jī)分析顯示模塊，是指通過高速通信串口與培訓(xùn)裝置相連的VR終端。VR主機(jī)接收到幀指令后，對(duì)指令進(jìn)行解析，根據(jù)解析結(jié)果展示培訓(xùn)裝置對(duì)虛擬消防車的動(dòng)作控制。同時(shí)，當(dāng)虛擬消防車的狀態(tài)有所變化時(shí)，該模塊會(huì)將狀態(tài)變化以指令的方式反方向逐級(jí)地傳遞回信息采集處理模塊和信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊，進(jìn)而使觸發(fā)操控模塊中指示燈做出狀態(tài)響應(yīng)。
[0014]高速穩(wěn)壓電源模塊為以上模塊的正常工作提供穩(wěn)定的所需電壓。
[0015]經(jīng)測(cè)試結(jié)果表明，本實(shí)用新型提供了一種便捷實(shí)用、技術(shù)復(fù)雜度低并且成本較低的基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置。本裝置結(jié)構(gòu)易記、操作簡(jiǎn)單；箱體外部預(yù)留了多個(gè)接口，提供高速數(shù)據(jù)傳輸出口，實(shí)現(xiàn)裝置與主機(jī)間實(shí)時(shí)高效的信號(hào)傳遞，同時(shí)提供高速數(shù)據(jù)調(diào)試串口，方便開發(fā)者對(duì)嵌入式開發(fā)板進(jìn)行調(diào)試開發(fā)；箱體內(nèi)部使用基于cortex主控板，集成了自主研發(fā)的高速串口通信協(xié)議、多通道通信協(xié)議、多接口通信協(xié)議和信號(hào)處理協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了快速高效信息傳輸；培訓(xùn)者使用此裝置能夠真實(shí)體驗(yàn)操作面板對(duì)虛擬消防車的即時(shí)控制，具有高度的體驗(yàn)感、交互感和沉浸感，能更快適應(yīng)真實(shí)駕駛操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)框架構(gòu)成圖
[0017]圖2是本實(shí)用新型的觸發(fā)操控模塊俯視圖
[0018]圖3是本實(shí)用新型的信號(hào)傳遞流程圖
[0019]圖4是本實(shí)用新型高速穩(wěn)壓模塊供電圖
[0020]圖中1.操縱桿1，2.操縱桿2，3.操縱桿3，4.操縱桿4，5.操縱桿5，6.手動(dòng)轉(zhuǎn)換桿，7，左側(cè)支腿水平伸展指示燈，8.右側(cè)支腿水平伸展指示燈，9.上下車指示燈，10.啟動(dòng)按鈕，11.熄火按鈕，12.上下車轉(zhuǎn)換開關(guān)，13.電源按鈕，14.照明按鈕，15.應(yīng)急按鈕。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖來說明本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】。
[0022]本實(shí)用新型從總工作流程來講，可劃分為硬件及軟件兩部分。硬件部分為實(shí)用新型裝置箱體部分，箱體外置操作面板，供用戶操作使用，內(nèi)置高速主控板和分布電路，用于將執(zhí)行動(dòng)作轉(zhuǎn)換為電路信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)解析。軟件部分實(shí)為計(jì)算機(jī)內(nèi)VRGIS平臺(tái)，它集成了消防車虛擬場(chǎng)景，配合硬件系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作展示。硬件與計(jì)算機(jī)之間通過RS232高速串口建立通信關(guān)系，外部電源為整個(gè)通信系統(tǒng)供電。本實(shí)用新型各部分之間連接關(guān)系如圖1所示。
[0023]本實(shí)用新型包括觸發(fā)操控模塊、信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)采集處理模塊、主機(jī)分析顯示模塊及高速穩(wěn)壓電源電源模塊，下面分別對(duì)其進(jìn)行說明:
[0024]觸發(fā)操控模塊，如圖2所示，主要由操縱桿、按鈕和指示燈組成，排列分布于箱體上方。用戶按照操作流程操作箱體面板上的相應(yīng)部件時(shí)，對(duì)應(yīng)虛擬消防車就會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作，當(dāng)動(dòng)作執(zhí)行完畢，指示燈同樣會(huì)響應(yīng)狀態(tài)指令。具體觸發(fā)操控方式是:
[0025]用戶在通信連接完畢后，首先按下本實(shí)用新型操作面板的電源開關(guān)(13)，開關(guān)上紅色指示燈亮，將上下車轉(zhuǎn)換開關(guān)(12)旋轉(zhuǎn)至“下車”位置，此時(shí)，下車指示燈變亮(9)。如果上下車轉(zhuǎn)換開關(guān)(12)出現(xiàn)故障時(shí)，可將手動(dòng)轉(zhuǎn)換桿(6)扳至“下車”位置。上下扳動(dòng)操縱桿1(1)可以控制計(jì)算機(jī)中的虛擬消防車4個(gè)支腿的伸收操作，其在中位時(shí)支腿停止運(yùn)動(dòng)。操作桿2 (2)、操作桿3 (3)、操作桿4 (4)、操作桿5 (5)分別控制其對(duì)應(yīng)支腿的伸出方向，操縱桿1(1)與操縱桿2345(2、3、4、5，下同)的聯(lián)合動(dòng)作可以實(shí)現(xiàn)消防車對(duì)應(yīng)支腿的水平或垂直伸收。將2345操縱桿向上扳至水平檔位，將操縱桿1(1)向上扳動(dòng)，4個(gè)支腿水平伸出。當(dāng)支腿完全水平伸出時(shí)，支腿操作面板上對(duì)應(yīng)的綠色指示燈(7、8)常亮，然后將操縱桿I放回中間位置。將2345操縱桿向下扳至垂直檔位，將操縱桿1(1)向上扳動(dòng)，4個(gè)支腿垂直伸出，支腿垂直受力時(shí)，培訓(xùn)裝置面板上的紅色指示燈(7、8)由閃亮變?yōu)槌Ａ?。?dāng)4個(gè)支腿全部受力時(shí)，將操縱桿1(1)放回中間位置。
[0026]當(dāng)消防任務(wù)完成后，消防員將對(duì)消防車進(jìn)行收車操作。先將本實(shí)用新型面板上的上下車轉(zhuǎn)換開關(guān)(12)轉(zhuǎn)向“下車”位置，啟動(dòng)下車操作。最后將操作桿1(1)扳向“垂直”位置，依次將支腿垂直、水平收回。然后關(guān)閉上下車轉(zhuǎn)換開關(guān)(12)，關(guān)閉支腿操作面板上的電源開關(guān)(13)。
[0027]信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控觸發(fā)操控模塊發(fā)出的信號(hào)，此模塊基于C0RTEX-M4的多接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，信號(hào)首先經(jīng)過一種繼電器組合電路，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)模塊可識(shí)別的信號(hào)。通過一種復(fù)雜接口的定時(shí)監(jiān)控單元設(shè)計(jì)，定時(shí)器會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行定時(shí)掃描，通過高低電平的設(shè)置，多種信號(hào)可被精確無誤的識(shí)別和監(jiān)測(cè)。被檢測(cè)到的信號(hào)，轉(zhuǎn)交給信號(hào)采集處理模塊進(jìn)行采集和處理。該模塊集成了多種通信傳輸協(xié)議，在幀頭和幀尾添加校驗(yàn)信息，形成幀指令，再傳達(dá)給主機(jī)分析顯示單元。主機(jī)分析顯示模塊接收到幀指令后，對(duì)指令進(jìn)行解析，根據(jù)解析結(jié)果展示培訓(xùn)裝置對(duì)虛擬消防車的動(dòng)作控制。同時(shí)，當(dāng)虛擬消防車的狀態(tài)有所變化時(shí)，該模塊會(huì)將狀態(tài)變化以指令的方式反方向逐級(jí)地傳遞回信息采集處理模塊和信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊，進(jìn)而使觸發(fā)操控模塊中指示燈做出狀態(tài)響應(yīng)。如圖3所示，表明了幾個(gè)模塊間信號(hào)的傳遞規(guī)律。
[0028]高速穩(wěn)壓電源模塊，為裝置幾大模塊的正常工作提供了穩(wěn)定的電壓支持，如圖4所示，分為兩種供電模式，其中，5V電源接口對(duì)主控板進(jìn)行供電，24V電源接口對(duì)主控板之外電路進(jìn)行供電。當(dāng)信號(hào)端監(jiān)測(cè)到有信號(hào)傳送的時(shí)候，三極管端C、E相連，此時(shí)5V電路接通，進(jìn)而會(huì)吸合24V電路開關(guān)，導(dǎo)致指示燈端的24V電路閉合，此時(shí)指示燈亮。
[0029]通過以上模塊的配合使用，提供了信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)監(jiān)測(cè)、信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)解析、場(chǎng)景相應(yīng)、系統(tǒng)反饋等一套完整的通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了用戶與培訓(xùn)裝置的交互操作，最終實(shí)現(xiàn)了一套基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)系統(tǒng)，適合石化行業(yè)的消防車操作培訓(xùn)工作。
【權(quán)利要求】
1.基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置，其特征在于:本裝置包括觸發(fā)操控模塊、信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)采集處理模塊、主機(jī)分析顯示模塊及高速穩(wěn)壓電源模塊，其中: (1)觸發(fā)操控模塊，設(shè)計(jì)為一密閉箱體，為用戶與虛擬場(chǎng)景交互提供外部按鈕、操作桿及指示燈等部件，而對(duì)部件的操作可產(chǎn)生相應(yīng)指令信號(hào)； (2)信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)操控模塊產(chǎn)生不同控制信號(hào)的監(jiān)控和對(duì)場(chǎng)景狀態(tài)反饋信號(hào)的監(jiān)控； (3)信號(hào)采集處理模塊，用于對(duì)多個(gè)檢測(cè)單元監(jiān)控到的信號(hào)進(jìn)行采集和處理； (4)主機(jī)分析顯示模塊，可以分析培訓(xùn)裝置對(duì)虛擬消防車的控制，顯示消防車的動(dòng)作執(zhí)行； (5)高速穩(wěn)壓電源模塊，提供兩種供電模式，為其他模塊的正常工作提供穩(wěn)定的所需電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置，其特征在于，所述(1)中的密閉箱體，密封箱體大小為389*200*200mm3，操作手柄、按鈕及信號(hào)燈仿照真實(shí)操作面板分布在箱體上方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置，其特征在于，所述(2)中的信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊基于CorteX-M4的多接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜接口的信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置，其特征在于，所述(3)中的信號(hào)采集處理模塊以自主研發(fā)的多通道通信協(xié)議、信號(hào)處理協(xié)議為基礎(chǔ)，采用幀傳輸協(xié)議，在每幀的開頭和結(jié)尾處添加相應(yīng)校驗(yàn)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬消防車培訓(xùn)裝置，其特征在于，所述(4)中的主機(jī)分析顯示模塊，通過高速通信串口與操作裝置進(jìn)行交互通信。
【文檔編號(hào)】G09B9/00GK204087550SQ201420532825
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】任子健, 馬純永, 陳璐, 高佳佳, 陳戈 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)