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摘要:MR技术以其沉浸式、交互的特点在教育领域以及工程类数字化环境中有着广阔的发展空间。本论文主要IEEE的VR AR MR产业的标准化要求进行探讨。在机器人工程学专业实践中,利用MR技术建立虚拟仿真试验平台,该系统可以对倒立摆和机械臂系统进行更接近于真实工况下的仿真实操,学生在实践学习中不受制于时间和地点的限制,安全性较高,实验建设成本较低,与此同时,还可以通过互联网实现师生互动,提高学生学习的积极性和主动性。
MR技术以其沉浸式、交互的特点在教育领域以及工程类数字化环境中有着广阔的发展空间。本论文主要IEEE的VR AR MR产业的标准化要求进行探讨。在机器人工程学专业实践中,利用MR技术建立虚拟仿真试验平台,该系统可以对倒立摆和机械臂系统进行更接近于真实工况下的仿真实操,学生在实践学习中不受制于时间和地点的限制,安全性较高,实验建设成本较低,与此同时,还可以通过互联网实现师生互动,提高学生学习的积极性和主动性。
1、混合现实技术简析
虚拟现实技术(MR)是增强现实技术以及虚拟现实技术的一种延伸,可以在现实世界和虚拟世界中构建信息回路,从而增加使用者的现实体验和真实感。这项技术在工业生产、军事和文化领域都有着广泛的应用,在医药等方面用途也很多。MR技术因其沉浸式、交互等特点,在教学中有着较大的发展空间,能够实现虚拟课堂、虚拟实验室等功能。在新工科背景下,机械工程学的发展势头迅猛。机器人技术是一种具有较强实用性和跨越式发展的新型交叉学科,许多大学都在积极探讨如何提高机器人教育的素质。与普通工程类的实验对象相比,机械臂实验具有较大的风险,投资大。此外,由于传统的实习教学方法,学生的学习范围基本都围绕在老师的理论教学中,仅仅接受了教师的“教学”,这样就使得学生一方面只局限在理论知识上,没有实际的操作经验,另一方面,由于课程设计范围广,学生很难对各个细节有更深印象,对教学的内容产生厌倦心态,缺乏主动探索的学习热情。在HoloLens公司研制的虚拟仿真试验平台上,对倒立摆和机器人手臂进行仿真操作,使实验时间和地点不受限制,安全可靠,降低实验室的投资,增强学生的自学能力。
2、开发平台
2.1硬件介绍
微软HoloLens系统是微软公司2015年1月22日发布的一种MR头显(混合现实头戴模式的显示设备),该设备的原理是将某些计算机生成的效果叠加于现实世界之上,用户仍然可以行走自如,随意与人交谈,各种传感器可以追踪人在室内的移动,然后,透过层叠的彩色镜片创建出可以从不同角度交互的对象。它具有单独的运算能力,可以在实际场景中与虚拟图像进行互动,而无须连接线缆。
2.2软件介绍
系统主要依托Unity3D软件(实时3D互动内容创作和运营)开发平台。Unity3D是一款能够在三维游戏中进行建模、实时三维动画和3D游戏的综合应用。该软件向开发人员们提供了一套功能强劲的实体发动机,其中包含大量的实体仿真部件。开发者应用已预先设定好的API(Application Programming Interface,应用程序接口)创建一个有实体现实效应且复杂的虚拟环境。同时Unity3D还能实现跨平台的开发,使得开发者可以在不同的平台上自由地发表自己的作品,从而使开发过程更为方便。
2.3系统功能介绍
采用Unity3D技术建立。机器人的倒立摆和机器人手臂应用Unity3D互动内容创作软件建立驱动程序,并将其对接在HoloLens系统中,应用HoloLens实现人机互动。该系统采用内环和外环PID参数,使其保持在预定的状态,从而达到摇臂的角度和姿态的控制。在机器人手臂上,为实现对目标的定位和姿态的调整,采用逆运动法求出各个关节的位置,产生相应的预报运动路径,最后将机器人手臂按预定的方向运动,完成对机器人进行虚拟操作。
3、IEEE与IEEE标准协会
电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers)联合IEEE标准化协会组织发布了8个关于虚拟现实和加强现实技术的国际标准。该计划将在IEEE的虚拟现实及加强实境工作组中进行,其中包括设备制造商、内容供应商、服务供应商、技术研发和政府部门等,与超过200个世界范围内的公司和组织一起IEEE将就VR/AR/MR标准问题进行协商。
IEEE P2048主要工作内容:IEEE共制定了12个P2048标准,分别是:IEEE P2048.1,设备类别和定义标准;2.沉浸式影像分级与品质标准,定义了浸入影像的类别及品质标准;IEEE P2048.3,浸入式的影像档案与流式档案,并提供相关功能与互动;IEEF P2048.4-4定义虚拟现实中的个人识别的要求和方法;IEEE P2048.5,Electric详细列出对其所应有的设备和工作环境给出了建议,其所包含的设备主要有AR、VR、MR和其他数字化虚拟系统相关的设备,TEEE P2048.6;沉浸式用户接口,其运行原理是在VR可视化软件平台上接入用户的个性化接口、条件和接入方式,沉浸式用户接口的功能和交互;IEEE P2048.7,现实中的虚拟物体映像,明确了AR/MR APP的使用条件、系统和使用模式,通过探测和验证方法来建立和利用它在现实中的虚拟物体地图;IEEE P2048.8,“虚拟物体与真实物体的交互作用”,它定义了使用条件、系统、使用方法、探测和验证方法;EEP2048.9,浸入式声音分级与品质标准,定义了浸入式声音的类别及品质标准;EEP2048.10,浸入式的声音档案和流档,说明了浸入式的声音档案与流的形式,并提供其所支援的特性与互动;IEEE P2048.11,汽车强化实境,为辅助交通工具中的司机和/或旅客提供了一个完整的AR系统的整体架构;IEEE P2048.12,内容分级和描述器,规定了VR和MR的内容分级和说明。
IEEE标准协会针对VR、AR的8个IEEE标准项目由IEEE虚拟现实和增强现实工作组负责,其参与者包括设备制造商、内容提供商、技术开发人员以及相关的机构等,IEEE虚拟现实和增强现实工作组将致力于在VR/AR标准化方面达成共识。
4、系统设计
4.1倒立摆系统的设计
倒立摆设计的物理模型如图1所示。
图1倒立摆物理模型
该系统采用双闭环控制,将小车位置作为外环,摆动角度为内环,从而达到对汽车的定位控制,使摇臂不会跌落。双闭环PID倒立摆的控制系统的基本原理和基本原理,说明了PID的基本原理。双闭环PID倒立摆控制系统结构框图如图2所示。
图2倒立摆控制系统结构框图
4.2虚拟实验系统的HoloLens实现
(1)倒立摆系统。图3显示了一个倒立摆控制器的示范效应。通过试验,该系统能够对摇臂的倾斜角和推车的定位进行实时的调整,可以通过调整PID参数实验来测试系统各种PID参数。
图3倒立摆控制系统效果演示
(2)机械臂系统。虚拟机器臂的演示效果如图4所示,其各个方向动作指向精准,反应速度灵敏。实验表明,该机器人在各种情况下都有较好的性能。在实验中,能够清楚地看到机器人手臂与周边的互动。机器人手臂撞击的方式与周边环境发生明显的撞击,机器人的每一次动作都能在预定的误差区间内完成,需要满足。
图4机械臂系统效果演示
5、结语
虚拟实验室可使用虚拟现实、增强现实、混合现实等现代化虚拟仿真技术,可让教师不需要在实际的设备下快速地模拟实验场景,对设备相关课程进行实践教学,学生也可在虚拟教学中切身体会到实际操作的真实感,能进一步提升教学的有效性,且可按照实验需求和程序进行组合,形成一个整体的试验系统。本项目能够利用互联网进行师生互动,增强师生的学习积极性。在虚拟技术日益成熟和流行的今天,基于虚拟技术的虚拟现实技术将会在人机互动中得到充分应用。
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文章来源:刘翠莲.MR在智能制造专业教学中的应用探讨[J].中国设备工程,2023(10):31-33.
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2023-08-09我要评论
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