基于VR的液压虚拟实验室的设计及研究

发布时间：2020-05-09 09:30

【摘要】：随着信息化技术和虚拟现实技术的蓬勃发展,教学模式逐渐向着与VR和信息化技术相结合的方向转变。优质教育资源的共享共用和逼真的3D虚拟教学演示,推动了该教育模式的研究与发展。在此背景下,本文从液压元件及系统的课程教学和实验教学需求出发,研究并开发了一款液压虚拟实验室教学应用软件,为液压课程教学提供一个自主共享的3D虚拟学习平台。通过对虚拟现实开发工具的调查研究,本文首先确定以Unity 3D作为虚拟环境开发工具。然后查阅大量VR和信息化技术应用于教学及相关领域方面的文献,明确了液压虚拟实验室教学平台开发的整体方向和教学内容的展现形式,并在此基础之上,构建了基于Unity 3D、Solidworks和MySQL的液压虚拟实验室教学平台设计的整体框架。随后,从液压虚拟实验室教学平台的整体框架出发,将该教学平台分为三大模块:液压元件教学模块、液压实验教学模块以及评测系统模块。根据三大模块各自的需求和特点提出与之相对应的设计流程方案,并完成液压虚拟实验室的场景结构设计。最后在此基础上完成三大模块的设计工作。具体如下:1)液压元件教学模块设计分为结构展示设计、工作原理展示设计和自主装配设计。针对液压元件内部油液运动过程展示困难的问题,本文以粒子系统模拟油液微团在液压元件内部的运动。针对Unity 3D下液压元件自主装配中基准装配方法的缺陷及难点问题,本文提出了一种新颖的拖拽式装配方案;2)液压实验教学模块设计过程中,本文搭建了该模块的物理模型和数学模型,针对液压实验教学模块中管路连接难点问题,本文提出了基于Bezier曲线和三维空间圆参数方程的管路连接方案。按照实际实验操作步骤完成教学内容的设计工作;3)评测系统模块设计过程中,搭建了基于Unity 3D和MySQL的整体设计结构并在此基础上完成具体功能的设计,包括:评测试题上传、评测试题展示和评测结果展示。提出了一种在Unity 3D场景中简单可行的绘制直方图的方案。通过该教学平台学生能进行以下内容的学习:在3D虚拟环境下观察并了解部分典型液压元件的三维结构及工作原理,并能对感兴趣的液压元件进行自主拆装;能进行部分与课程实验教学相关的虚拟仿真实验,包括泵的性能实验和节流调速回路实验;能通过评测模块来检验自己的学习成果。同时,学生的评测结果为教师教学提供有用的参考信息。本文的研究内容和方法对虚拟仿真教学领域的研究与应用有一定的参考价值。
【图文】：

布加勒斯特,罗马尼亚,理工大学,远程控制

开虚拟现实技术。就虚拟现实技术应用于教育领域而言，从之前的探索阶段到现在已经取得不错的成绩，现将部分优秀范例列举如下：图 1.1 为罗马尼亚布加勒斯特理工大学设计的远程控制实验室，该实验室将物联网和实验室硬件设备相结合。学生不仅能在本地进行实验，而且能在相对应的学生软件界面远程上传控制算法，控制算法通过 TCP/IP 协议能传输到本地服务器，本地的应用控制程序加载控制算法后控制水泵的运转来调节容器的液面高度，液面高度数据通过超声波传感器测量后，在数据采集卡中转换成相应的输出信号，然后通过服务器传输到用户端显示在用户界面上。为了增加实验的交互性，实验另外搭载了一台摄像机

史蒂文斯,虚拟实验室,理工学院

图 1.2 史蒂文斯理工学院虚拟实验室筑波大学和日本融合科技研究所共同开发的交专用 SENT 网络连接在一起，同时通过云端完作，实现教学资源和实验数据的共享。因此该用户不仅可以远程访问其他学校和单位的教学双边实验协作，专用的网络线路和改进的 TCP
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.9;TH137

【参考文献】