現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)采礦工程實(shí)驗(yàn)課的作用范文

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1增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦工程的應(yīng)用需求

采礦工程是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的學(xué)科，隨著煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，各大礦業(yè)集團(tuán)對(duì)采礦人才的技術(shù)水平和實(shí)踐能力要求越來(lái)越高，實(shí)踐則是加深對(duì)理論理解和增強(qiáng)能力的重要手段。然而在采礦實(shí)習(xí)中由于面臨著實(shí)驗(yàn)室模擬與現(xiàn)場(chǎng)出入大、直觀認(rèn)識(shí)不足，現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)成本高、周期長(zhǎng)、危險(xiǎn)因素多、對(duì)生產(chǎn)影響大、聯(lián)系實(shí)習(xí)地點(diǎn)較難、同學(xué)積極性不高等缺點(diǎn)，往往導(dǎo)致實(shí)習(xí)內(nèi)容和過(guò)程達(dá)不到要求。在現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，由于實(shí)驗(yàn)室儀器組數(shù)受場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)和利用率等問(wèn)題的限制，同學(xué)眾多和師資配備不足等原因，同學(xué)們?nèi)狈﹀憻挋C(jī)會(huì)，對(duì)于一些實(shí)際操作很難了解，這就導(dǎo)致同學(xué)走出校門工作后，短時(shí)間內(nèi)對(duì)礦井環(huán)境很難適應(yīng)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)具有平面投影不具有的優(yōu)點(diǎn)，不僅具有很好的沉浸感和交互感，還具有較強(qiáng)的立體感，能夠增強(qiáng)對(duì)礦井環(huán)境以及儀器使用的認(rèn)知，深化同學(xué)對(duì)井下作業(yè)環(huán)境及工作流程的認(rèn)識(shí)，把握礦井的整體狀況，減小教學(xué)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工作的差距，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)礦井下的適應(yīng)能力。

2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)方法

2．1增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最基本的問(wèn)題就是實(shí)現(xiàn)虛擬信息和現(xiàn)實(shí)世界的融合。顯示技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本技術(shù)之一。一般而言，可以把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示技術(shù)分為以下幾類:①頭盔顯示器顯示(Head-mounteddisplay，HMD);②投影式顯示(projectiondisplay);③手持式顯示器顯示(HandHeldDisplay，HHD);④普通顯示器顯示(Monitor-basedDisplay)。投影式顯示是將虛擬的信息直接投影到要增強(qiáng)的物體上，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)。一種是將增強(qiáng)信息直接投影對(duì)象表面，這種方法不需要戴眼睛。日本大學(xué)研究出的PARTNER增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以用于人員訓(xùn)練。另外一種投影式顯示方式是采用放在頭上的投影機(jī)(Head-MountedProjectiveDisplay，HMPD)來(lái)進(jìn)行投影，系統(tǒng)根據(jù)使用者的視線方向?qū)⒃鰪?qiáng)信息直接投影到真實(shí)世界中的對(duì)象上。美國(guó)伊利諾斯州立大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的一些研究人員研究出一種HMPD的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)戴在頭上的顯示器和一個(gè)雙面自反射屏幕組成的微型投影鏡頭，計(jì)算機(jī)生成虛擬物體通過(guò)投影鏡頭投影實(shí)現(xiàn)了虛擬物體與真實(shí)環(huán)境的重疊。

2．2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的注冊(cè)技術(shù)

注冊(cè)技術(shù)是增強(qiáng)顯示技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，注冊(cè)技術(shù)就是將虛擬物體與真實(shí)環(huán)境的對(duì)齊的過(guò)程。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)的檢測(cè)出真實(shí)場(chǎng)景的位置和方位角，計(jì)算機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)信息確定所要添加虛擬物體的映射方位，并將這些信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的融合到真實(shí)環(huán)境中。注冊(cè)可以分為動(dòng)態(tài)注冊(cè)和靜態(tài)注冊(cè)。攝像機(jī)與真實(shí)環(huán)境相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下確定兩者的相對(duì)位置的方法稱為動(dòng)態(tài)注冊(cè)。靜態(tài)注冊(cè)是在攝像機(jī)與真實(shí)環(huán)境相對(duì)靜止的情況下確定兩者的相對(duì)位置。

3增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在采礦工程實(shí)驗(yàn)中的實(shí)現(xiàn)

采礦工程實(shí)驗(yàn)室中有各種巷道模型，可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，如錨桿力學(xué)性能測(cè)試、單體液壓支柱性能測(cè)試、巖層變形與位移測(cè)量等。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，這些實(shí)驗(yàn)往往是在巷道中進(jìn)行的，然而實(shí)驗(yàn)室中，巷道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)是相互獨(dú)立的。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)投影技術(shù)則利用投影儀將計(jì)算機(jī)模擬的實(shí)驗(yàn)流程投影到巷道模型上，利用虛擬環(huán)境對(duì)現(xiàn)實(shí)的補(bǔ)充，將實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工作環(huán)境結(jié)合起來(lái)從而達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的目的，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知水平，其基本思路如圖1所示。

4以井巷認(rèn)知及礦山壓力實(shí)測(cè)教學(xué)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，傳統(tǒng)的教學(xué)手段主要是板書，圖片，圖紙模型，但形式流于平面化，很難產(chǎn)生立體模型。

多媒體技術(shù)改變了這種教學(xué)方法，配合幻燈片、音頻資料、視頻資料以及3D模型等，大大豐富教學(xué)內(nèi)容，生動(dòng)直觀。然而，這兩種教學(xué)方法仍然局限于平面基礎(chǔ)上的感知和認(rèn)識(shí)，對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求較高，同時(shí)，學(xué)生不能在教學(xué)中互動(dòng)，教學(xué)效果，尤其是礦山認(rèn)識(shí)與感知實(shí)踐教學(xué)方面的效果十分欠缺。“井巷認(rèn)知及礦山壓力實(shí)測(cè)”是采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)中，多媒體教學(xué)主要通過(guò)幻燈片、音頻資料及3D模型等進(jìn)行講授，實(shí)驗(yàn)室教學(xué)主要以獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)操作為主，但是實(shí)驗(yàn)效果有所欠缺，學(xué)生不能體會(huì)現(xiàn)實(shí)的作業(yè)流程。基于此特點(diǎn)，我們開發(fā)了用于“井巷認(rèn)知及礦山壓力實(shí)測(cè)”教學(xué)的AR教學(xué)工具，作為AR技術(shù)應(yīng)用的實(shí)例。

4．1井巷認(rèn)知及礦山壓力實(shí)測(cè)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

井巷認(rèn)知及礦山壓力實(shí)測(cè)教學(xué)系統(tǒng)的搭建通過(guò)虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的原理結(jié)合投影技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等、礦山壓力實(shí)驗(yàn)技術(shù)等結(jié)合起來(lái)達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的目的，提高了對(duì)礦井下實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知，其基本思路見(jiàn)圖2。本平臺(tái)包括實(shí)物模型、礦壓測(cè)試儀器、控制裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、投影設(shè)備、計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)等裝置。使用Maya和Virtools作為現(xiàn)代化礦井系統(tǒng)的開發(fā)軟件。Maya是目前世界上最為優(yōu)秀的三維動(dòng)畫的制作軟件之一，它最早是由美國(guó)的Alias/Wavefront公司在1998年推出的三維制作軟件。Virtools是一套整合軟件，可以將現(xiàn)有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等。在實(shí)驗(yàn)室搭建巷道模型，在巷道周圍進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)攝像機(jī)對(duì)標(biāo)定進(jìn)行識(shí)別，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)及投影裝置利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)三維立體投影等，將虛擬景象投影到巷道中，構(gòu)造出一種虛實(shí)結(jié)合的新環(huán)境，進(jìn)而完成對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)巷道的構(gòu)造。通過(guò)在模擬巷道中的走動(dòng)并伴隨著視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等感受觀察到隨著采礦工序的一步步進(jìn)行真實(shí)采礦過(guò)程，如巷道的向前推進(jìn)，頂板的支護(hù)，采掘機(jī)的掘進(jìn)，煤炭的運(yùn)輸?shù)龋瑥亩_(dá)到一種身臨其境的感覺(jué)，擴(kuò)展對(duì)真實(shí)采礦環(huán)境的認(rèn)識(shí)。在巷道模型中人可以進(jìn)行井下漫游，對(duì)礦井進(jìn)行認(rèn)知，可以對(duì)巷道的整體布局有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)知，提升對(duì)井下整體布局的思想。井下漫游的同時(shí)，利用鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)、頂板離層指示儀等實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行礦井壓力實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，將圍巖中實(shí)驗(yàn)儀器的變化情況真實(shí)的展現(xiàn)在眼前，同時(shí)可以在巷道中利用虛擬軟件增強(qiáng)圍巖的變化，拓展學(xué)生的感知。

4．2實(shí)驗(yàn)效果及分析

圖3為井巷認(rèn)知及礦山壓力實(shí)測(cè)教學(xué)平臺(tái)的巷道模型，提供了動(dòng)手測(cè)量的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。可進(jìn)行頂板離監(jiān)測(cè)、圍巖收斂測(cè)量、錨桿拉拔測(cè)試、錨桿變形測(cè)量、圍巖鉆孔成像等實(shí)踐教學(xué)與技能培訓(xùn)。頂板離層監(jiān)測(cè)精度通過(guò)圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)得以大大提升，實(shí)驗(yàn)人員可以觀測(cè)到頂板離層的全部過(guò)程。圖4、圖5為井巷認(rèn)知及礦山壓力實(shí)測(cè)教學(xué)平臺(tái)虛實(shí)結(jié)合的操作效果，實(shí)驗(yàn)者通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行礦井下漫游及礦山壓力試驗(yàn)。通過(guò)巷道漫游系統(tǒng)可以了解巷道掌握巷道的整體布局，拓寬了學(xué)生的思維，在認(rèn)知全局的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)時(shí)更好的考慮全局。用這種方式進(jìn)行教學(xué)，有助于學(xué)生直觀認(rèn)知井巷布置，了解圍巖變化發(fā)生過(guò)程及規(guī)律。

5結(jié)語(yǔ)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為近年來(lái)快速發(fā)展的一種新技術(shù)，為采礦工程實(shí)踐認(rèn)知提供了新的方法，同時(shí)解決礦山生產(chǎn)認(rèn)知多時(shí)空問(wèn)題;由于采礦工業(yè)發(fā)展迅速，新的采礦技術(shù)不斷運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐中采用該平臺(tái)，通過(guò)軟件編程等可以模擬新的開采工藝，實(shí)現(xiàn)與新技術(shù)同步，可以很好地彌補(bǔ)在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中由于采礦技術(shù)落后導(dǎo)致同學(xué)對(duì)新技術(shù)認(rèn)識(shí)不足;將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加深同學(xué)對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的了解，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)的開放。AR技術(shù)應(yīng)用于采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅是一個(gè)開端，還有很多的方面需要我們?nèi)ヅΓ鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手持式設(shè)備中與采礦工程領(lǐng)域的結(jié)合將給礦井的救援帶來(lái)一次新的革命。

作者：徐劍坤楊乾龍楊乾霞單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院