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现实技术对采矿工程实验课的作用

2013/09/24 阅读:

1增强现实技术在采矿工程的应用需求

采矿工程是一门理论与实践紧密结合的学科,随着煤炭工业的迅速发展,各大矿业集团对采矿人才的技术水平和实践能力要求越来越高,实践则是加深对理论理解和增强能力的重要手段。然而在采矿实习中由于面临着实验室模拟与现场出入大、直观认识不足,现场培训成本高、周期长、危险因素多、对生产影响大、联系实习地点较难、同学积极性不高等缺点,往往导致实习内容和过程达不到要求。在现实的实验教学环节,由于实验室仪器组数受场地、经费和利用率等问题的限制,同学众多和师资配备不足等原因,同学们缺乏锻炼机会,对于一些实际操作很难了解,这就导致同学走出校门工作后,短时间内对矿井环境很难适应。增强现实显示技术具有平面投影不具有的优点,不仅具有很好的沉浸感和交互感,还具有较强的立体感,能够增强对矿井环境以及仪器使用的认知,深化同学对井下作业环境及工作流程的认识,把握矿井的整体状况,减小教学实验与现场工作的差距,增强学生对矿井下的适应能力。

2增强现实的实现方法

2.1增强现实的显示技术

增强现实系统设计最基本的问题就是实现虚拟信息和现实世界的融合。显示技术是增强现实系统的基本技术之一。一般而言,可以把增强现实的显示技术分为以下几类:①头盔显示器显示(Head-mounteddisplay,HMD);②投影式显示(projectiondisplay);③手持式显示器显示(HandHeldDisplay,HHD);④普通显示器显示(Monitor-basedDisplay)。投影式显示是将虚拟的信息直接投影到要增强的物体上,从而实现增强。一种是将增强信息直接投影对象表面,这种方法不需要戴眼睛。日本大学研究出的PARTNER增强现实系统可以用于人员训练。另外一种投影式显示方式是采用放在头上的投影机(Head-MountedProjectiveDisplay,HMPD)来进行投影,系统根据使用者的视线方向将增强信息直接投影到真实世界中的对象上。美国伊利诺斯州立大学和密歇根州立大学的一些研究人员研究出一种HMPD的原型系统,该系统由一个戴在头上的显示器和一个双面自反射屏幕组成的微型投影镜头,计算机生成虚拟物体通过投影镜头投影实现了虚拟物体与真实环境的重叠。

2.2增强现实的注册技术

注册技术是增强显示技术的关键技术之一,注册技术就是将虚拟物体与真实环境的对齐的过程。增强现实系统通过实时的检测出真实场景的位置和方位角,计算机通过监测信息确定所要添加虚拟物体的映射方位,并将这些信息实时、准确的融合到真实环境中。注册可以分为动态注册和静态注册。摄像机与真实环境相对运动的情况下确定两者的相对位置的方法称为动态注册。静态注册是在摄像机与真实环境相对静止的情况下确定两者的相对位置。

3增强现实在采矿工程实验中的实现

采矿工程实验室中有各种巷道模型,可以进行各种实验,如锚杆力学性能测试、单体液压支柱性能测试、岩层变形与位移测量等。在实际生产过程中,这些实验往往是在巷道中进行的,然而实验室中,巷道实验平台和相关测试实验是相互独立的。增强现实投影技术则利用投影仪将计算机模拟的实验流程投影到巷道模型上,利用虚拟环境对现实的补充,将实验与实际工作环境结合起来从而达到增强现实的目的,提高对实验的认知水平,其基本思路如图1所示。

4以井巷认知及矿山压力实测教学

随着计算机技术的发展,多媒体技术在教学中的应用已经十分普遍,传统的教学手段主要是板书,图片,图纸模型,但形式流于平面化,很难产生立体模型。

多媒体技术改变了这种教学方法,配合幻灯片、音频资料、视频资料以及3D模型等,大大丰富教学内容,生动直观。然而,这两种教学方法仍然局限于平面基础上的感知和认识,对学生的空间想象能力要求较高,同时,学生不能在教学中互动,教学效果,尤其是矿山认识与感知实践教学方面的效果十分欠缺。“井巷认知及矿山压力实测”是采矿工程实验教学中的重要内容,传统的教学中,多媒体教学主要通过幻灯片、音频资料及3D模型等进行讲授,实验室教学主要以独立的实验室基础操作为主,但是实验效果有所欠缺,学生不能体会现实的作业流程。基于此特点,我们开发了用于“井巷认知及矿山压力实测”教学的AR教学工具,作为AR技术应用的实例。

4.1井巷认知及矿山压力实测教学系统的实现

井巷认知及矿山压力实测教学系统的搭建通过虚拟增强现实的原理结合投影技术、计算机技术等、矿山压力实验技术等结合起来达到增强现实的目的,提高了对矿井下实验的认知,其基本思路见图2。本平台包括实物模型、矿压测试仪器、控制装置、虚拟现实软件、投影设备、计算机、摄像机等装置。使用Maya和Virtools作为现代化矿井系统的开发软件。Maya是目前世界上最为优秀的三维动画的制作软件之一,它最早是由美国的Alias/Wavefront公司在1998年推出的三维制作软件。Virtools是一套整合软件,可以将现有常用的档案格式整合在一起,如3D的模型、2D图形或是音效等。在实验室搭建巷道模型,在巷道周围进行标定,通过摄像机对标定进行识别,然后通过计算机及投影装置利用虚拟现实技术通过三维立体投影等,将虚拟景象投影到巷道中,构造出一种虚实结合的新环境,进而完成对增强现实巷道的构造。通过在模拟巷道中的走动并伴随着视觉、听觉、触觉等感受观察到随着采矿工序的一步步进行真实采矿过程,如巷道的向前推进,顶板的支护,采掘机的掘进,煤炭的运输等,从而达到一种身临其境的感觉,扩展对真实采矿环境的认识。在巷道模型中人可以进行井下漫游,对矿井进行认知,可以对巷道的整体布局有一个系统的认知,提升对井下整体布局的思想。井下漫游的同时,利用钻孔多点位移计、顶板离层指示仪等实验仪器进行矿井压力实测实验,将围岩中实验仪器的变化情况真实的展现在眼前,同时可以在巷道中利用虚拟软件增强围岩的变化,拓展学生的感知。

4.2实验效果及分析

图3为井巷认知及矿山压力实测教学平台的巷道模型,提供了动手测量的实训平台。可进行顶板离监测、围岩收敛测量、锚杆拉拔测试、锚杆变形测量、围岩钻孔成像等实践教学与技能培训。顶板离层监测精度通过图像监测技术得以大大提升,实验人员可以观测到顶板离层的全部过程。图4、图5为井巷认知及矿山压力实测教学平台虚实结合的操作效果,实验者通过计算机进行矿井下漫游及矿山压力试验。通过巷道漫游系统可以了解巷道掌握巷道的整体布局,拓宽了学生的思维,在认知全局的基础上,在设计时更好的考虑全局。用这种方式进行教学,有助于学生直观认知井巷布置,了解围岩变化发生过程及规律。

5结语

增强现实作为近年来快速发展的一种新技术,为采矿工程实践认知提供了新的方法,同时解决矿山生产认知多时空问题;由于采矿工业发展迅速,新的采矿技术不断运用于生产实践中采用该平台,通过软件编程等可以模拟新的开采工艺,实现与新技术同步,可以很好地弥补在教学实践环节中由于采矿技术落后导致同学对新技术认识不足;将增强现实用于实验教学,加深同学对实际工程问题的了解,促进实验的开放。AR技术应用于采矿工程实验教学仅是一个开端,还有很多的方面需要我们去努力,增强现实技术在手持式设备中与采矿工程领域的结合将给矿井的救援带来一次新的革命。

作者:徐剑坤杨乾龙杨乾霞单位:中国矿业大学矿业工程学院

现实技术对采矿工程实验课的作用

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