带有交互方式的模拟消防训练仿真水枪装置、系统及方法与流程

本发明涉及仿真消防水枪技术领域，尤其涉及一种带有交互方式的模拟消防训练仿真水枪装置、系统及方法

背景技术：

随着社会经济的高速发展，灾害发生的形势日趋多样化、复杂化，加强消防部队的专业化训练，采取基地化模拟训练是大势所趋。近些年，消防部队利用多种手段通过新建的消防综合训练设施，并开展了基于虚拟现实技术的仿真模拟训练模式，模拟场景更加逼真，参与性更强。但是，目前的模拟消防中，在交互设备方面存在以下缺陷：(1)仿真交互水枪采用定向无线发射器，与固定着火点对应，只能进行固定位置的灭火模拟。(2)仿真交互水枪功能单一，不具备真实水枪的操作体验，通信和供电使用的线缆妨碍交互操作，大大降低了训练体验。(3)仿真水枪交互方式单一，对虚拟消防场景的自由观察和漫游需要借助其他输入设备。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种带有交互方式的模拟消防训练仿真水枪装置。

本发明的一种带有交互方式的模拟消防训练仿真水枪装置，包括枪体，所述枪体内设置有集成传感器模块、电位器、声效模块和控制器；所述集成传感器模块用于获取水枪初始位置信息传送至控制器内作为水枪位置静态参考点；所述集成传感器模块还用于实时获取水枪口相对位移量并传送至控制器来实时更新水枪的位置信息；

所述枪体上还设置有模拟水流控制开关，所述模拟水流控制开关与电位器相连，所述模拟水流控制开关用于调整电位器的阻值；

所述集成传感器模块还用于获取电位器的阻值变化量并传送至控制器；所述控制器根据预设的水流量大小控制信号与电位器阻值的对应关系，输出相应的水流量大小控制信号至声效模块；所述声效模块用于根据接收的水流量大小控制信号来模拟相应水流量大小的声音。

进一步地，控制器与服务器相连，所述服务器内存储有虚拟消防训练场景信息，所述服务器将虚拟消防训练场景信息传送至立体投影仪，虚拟消防训练场景信息由立体投影仪投射至屏幕中。

本发明利用控制器与服务器之间的交互作用，使得服务器接收控制器的指令，进一步调整服务器输出的虚拟消防训练场景信息，从而满足用户对于虚拟场景的要求，提高仿真的视觉效果。

进一步地，仿真水枪装置还包括视角调整输入模块，所述视角调整输入模块与控制器相连；所述视角调整输入模块用于接收用户视角调整信号并传送至控制器，再由控制器传送至服务器；所述服务器接收用户视角调整信号后，输出相应的用户视角调整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。

本发明通过控制器将用户视角调整信号输出至服务器，达到及时调整虚拟消防训练场景信息，提高仿真的效率和真实度。

进一步地，仿真水枪装置还包括位置调整输入模块，所述位置调整输入模块与控制器相连；所述位置调整输入模块用于接收仿真水枪位置调整信号并传送至控制器，再由控制器传送至服务器；所述服务器接收仿真水枪位置调整信号后，输出相应的调仿真水枪位置整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。

本发明通过控制器将位置调整指令输出至服务器，达到及时调整仿真水枪装置在虚拟消防训练场景内的位置信息，从而实现用户在虚拟消防训练场景的位置转换，使得用户在虚拟消防训练场景内产生更加真实的视觉效果。

进一步地，集成传感器模块由陀螺仪传感器、加速度传感器和磁传感器三者集成于一体而构成。本发明采用陀螺仪传感器、加速度传感器和磁传感器分别用来获取水枪初始位置信息、水枪口相对位移量和电位器的阻值变化量，为仿真水枪装置位置的定位以及仿真水流量大小，提供精确的数据支持。其中，磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。

本发明的仿真水枪装置没有电源线约束的仿真水枪，仿真水枪装置上安装集成传感器模块，利用集成传感器模块来实时获取水枪口相对位移量并传送至控制器，进而达到实时更新水枪的位置信息的目的；该装置还包括视角调整输入模块和位置调整输入模块，视角调整输入模块和位置调整输入模块分别输出用户视角调整信号和仿真水枪位置调整信号至控制器内，再由控制器传送至服务器；服务器接收后输出相应的用户视角和仿真水枪位置调整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。该装置能够在虚拟场景中自由灭火、自由移动及视角转换，训练人员可以感受到消防灭火带来的逼真体验，该水枪还仿真了喷水流量控制操作，通过多种交互输入方式，让训练人员模拟真实消防过程中的行进路线和水枪操作。

本发明的第二目的是提供一种带有交互方式的模拟消防训练仿真系统。

本发明的一种带有交互方式的模拟消防训练仿真系统，包括：至少一个所述的模拟消防训练仿真水枪装置；

服务器，所述服务器内存储有虚拟消防训练场景信息；所述服务器与所述模拟消防训练仿真水枪装置的控制器相连，服务器将虚拟消防训练场景信息传送至立体投影仪，虚拟消防训练场景信息由立体投影仪投射至屏幕中。

本发明的模拟消防训练仿真系统支持至一个或多个训练人员同时使用，且每位训练人员手持仿真水枪装置，通过仿真水枪装置的控制器与服务器相互通信，来实现服务器内的虚拟消防训练场景信息的改变而实现训练人员在虚拟场景中自由灭火、自由移动及视角转换，训练人员可以感受到消防灭火带来的逼真体验，该水枪还仿真了喷水流量控制操作，通过视角调整输入模块和位置调整输入模块这些交互输入方式，让训练人员模拟真实消防过程中的行进路线和水枪操作。

本发明的第三目的是提供一种带有交互方式的模拟消防训练仿真系统的工作方法。

本发明的一种带有交互方式的模拟消防训练仿真系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤一：模拟消防训练仿真水枪装置的控制器通信连接至服务器，在控制器内预设仿真水枪装置的ID以及初始化仿真水枪装置中各个模块的初始值；

步骤二：将仿真水枪装置的ID以及仿真水枪装置中各个模块的初始值传送给服务器；

步骤三：集成传感器模块将实时采集水枪口相对位移量和取电位器的阻值变化量传送至控制器，控制器将接收到的数据汇总并进行封装后发送至服务器；

步骤四：服务器接收到控制器封装发送来的数据，分别调整虚拟消防训练场景信息并传送至立体投影仪，由立体投影仪投射至屏幕。

进一步地，该方法还包括：服务器接收用户视角调整信号后，输出相应的用户视角调整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。这样能够达到及时调整虚拟消防训练场景信息，提高仿真的效率和真实度。

进一步地，该方法还包括：服务器接收仿真水枪位置调整信号后，输出相应的调仿真水枪位置整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。

这样能够达到及时调整仿真水枪装置在虚拟消防训练场景内的位置信息，从而实现用户在虚拟消防训练场景的位置转换，使得用户在虚拟消防训练场景内产生更加真实的视觉效果。

进一步地，在所述步骤三中，控制器将接收到的数据汇总后，封装在一个数据帧内发送至服务器。这样提高了数据传输的速度且保证了数据传输的完整性。

本发明的带有交互方式的模拟消防训练仿真系统的工作方法，利用控制器与服务器之间的交互，以及集成传感器模块、视角调整输入模块和位置调整输入模块这些交互输入方式，让训练人员模拟真实消防过程中的行进路线和水枪操作。

本发明的有益效果：

(1)本发明所设计的仿真水枪没有电源线的约束，用户可在可通信区域内自由移动，使得模拟训练体验更加真实、自然，具有更好的沉浸式体验；本发明所设计的仿真水枪无需校正操作，使用方便，避免了仿真水枪的校正带来的繁琐操作；该系统提供的交互行为只需要用户借助仿真水枪完成，操作简便，无需借助其他输入设备，无须进行额外的学习训练；该系统支持多人，强调团队协同配合，增加了模拟训练互动性，锻炼了团队合作意识，具有一定的实际意义；该系统可以模拟真实消防环境中的自由观察与漫游、模拟真实消防水枪水流量控制，增强了代入感、体验感。

(2)本发明的无线仿真消防水枪没有电源线约束的仿真水枪，仿真水枪上安装集成传感器模块，利用集成传感器模块来实时获取水枪口相对位移量并传送至控制器，进而达到实时更新水枪的位置信息的目的；该装置还包括视角调整输入模块和位置调整输入模块，视角调整输入模块和位置调整输入模块分别输出用户视角调整信号和仿真水枪位置调整信号至控制器内，再由控制器传送至服务器；服务器接收后输出相应的用户视角和仿真水枪位置调整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。该装置能够在虚拟场景中自由灭火、自由移动及视角转换，训练人员可以感受到消防灭火带来的逼真体验，该水枪还仿真了喷水流量控制操作，通过多种交互输入方式，让训练人员模拟真实消防过程中的行进路线和水枪操作。

(3)本发明的模拟消防训练仿真系统支持至一个或多个训练人员同时使用，且每位训练人员手持仿真水枪装置，通过仿真水枪装置的控制器与服务器相互通信，来实现服务器内的虚拟消防训练场景信息的改变而实现训练人员在虚拟场景中自由灭火、自由移动及视角转换，训练人员可以感受到消防灭火带来的逼真体验，该水枪还仿真了喷水流量控制操作，通过视角调整输入模块和位置调整输入模块这些交互输入方式，让训练人员模拟真实消防过程中的行进路线和水枪操作。

附图说明

图1是带有交互方式的模拟消防训练仿真水枪装置的枪体内电路结构实施例一；

图2是带有交互方式的模拟消防训练仿真水枪装置的枪体内电路结构实施例二；

图3带有交互方式的模拟消防训练仿真水枪装置的枪体内电路结构实施例三；

图4是本发明的一种带有交互方式的模拟消防训练仿真系统的工作方法流程图。

其中，1、控制器；2、动力电池；3、声效模块、4、集成传感器模块；5、电位器；6、模拟水流控制开关；7、控制杆；8、视角调整模块；9、2.4G无线模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明的一种带有交互方式的模拟消防训练仿真水枪装置，包括枪体，枪体内电路的一种实施例结构，如图1所示。枪体内的电路包括控制器1、集成传感器模块4、模拟水流控制开关6、电位器5和声效模块3。

本发明所涉及的枪体为现有结构。

集成传感器模块4由陀螺仪传感器、加速度传感器和磁传感器三者集成于一体而构成。

集成传感器模块4用于获取水枪初始位置信息传送至控制器1内作为水枪位置静态参考点；集成传感器模块4还用于实时获取水枪口相对位移量并传送至控制器1来实时更新水枪的位置信息。

其中，陀螺仪传感器和加速度传感器分别用于采集水枪初始位置信息和水枪口相对位移量。

其中，控制器1可以采用单片机或FPGA芯片予以实现。

模拟水流控制开关6与电位器5相连，模拟水流控制开关6用于调整电位器5的阻值；集成传感器模块4还用于获取电位器5的阻值变化量并传送至控制器1。

控制器1根据预设的水流量大小控制信号与电位器5阻值的对应关系，输出相应的水流量大小控制信号至声效模块3；声效模块3用于根据接收的水流量大小控制信号来模拟相应水流量大小的声音。

其中，声效模块3可采用喇叭或扬声器来实现。

仿真水枪装置的控制器与服务器相互通信，服务器内存储有虚拟消防训练场景信息，服务器将虚拟消防训练场景信息传送至立体投影仪，虚拟消防训练场景信息由立体投影仪投射至屏幕中。

其中，虚拟模拟消防场景基于Unity引擎采用现有技术编写制作并存于服务器，通过立体投影仪投射到大屏幕，用户佩戴快门式立体眼镜进行观看，体验沉浸式立体效果。

其中，控制器1可采用无线通信方式与服务器相互通信，例如：控制器1连接2.4G无线通信模块9，控制器1通过2.4G无线通信模块9将数据发送给服务器，服务器还连接有2.4GHzUSB接收器，仿真水枪与服务器模块通信。

无线通信模块以及USB接收器也可以采用其他频率。

控制器1也可采用有线通信方式与服务器。

在另一实施例中，如图2所示，在图1的基础上，仿真水枪装置还包括视角调整输入模块8，视角调整输入模块8与控制器1相连。视角调整输入模块8用于输出用户视角调整信号至控制器1，再由控制器1传送至服务器，服务器接收用户视角调整信号后，输出相应的用户视角调整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。

其中，视角调整输入模块8可采用按键阵列或触摸屏来实现。

视角调整输入模块8以采用按键阵列为例：

视角调整输入模块8由一个上部和三个下部共四个微动开关组成，用于调整虚拟场景内用户人物视角。

在另一实施例中，在图2的基础上，如图3所示的仿真水枪装置还包括位置调整输入模块，位置调整输入模块与控制器1相连；位置调整输入模块用于接收仿真水枪位置调整信号并传送至控制器，再由控制器1传送至服务器，服务器接收仿真水枪位置调整信号后，输出相应的调仿真水枪位置整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。

具体地，如图3所示，仿真水枪装置内的电路结构中：

控制器1用于对各个模块进行控制；

动力电池2用于给控制器供电；

声效模块3为喇叭，用于发出相应音效；

集成传感器模块4，用于获取水枪初始位置信息传送至控制器1内作为水枪位置静态参考点；集成传感器模块4还用于实时获取水枪口相对位移量并传送至控制器1来实时更新水枪的位置信息。

模拟水流控制开关6与电位器5相连，模拟水流控制开关6用于调整电位器的阻值；集成传感器模块4还用于获取电位器5的阻值变化量并传送至。电位器5的阻值产生规律性变化，控制器1输出转化为水流控制信号。

视角调整输入模块与控制器1相连。视角调整输入模块用于接收用户视角调整信号并传送至控制器1，再由控制器1传送至服务器，服务器接收用户视角调整信号后，输出相应的用户视角调整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。

位置调整输入模块可采用控制杆7以及用于检测控制杆偏移量的传感器构成，用于检测控制杆偏移量的传感器将检测到信息传送至控制器1内。

位置调整输入模块也可以采用按键阵列来实现。

其中，控制器可采用无线通信方式与服务器相互通信，例如：控制器连接2.4G无线通信模块9，控制器1通过2.4G无线通信模块9将数据发送给服务器，服务器还连接有2.4GHz USB接收器，仿真水枪与服务器模块通信。

本实施例的仿真水枪装置没有电源线约束的仿真水枪，仿真水枪装置上安装集成传感器模块，利用集成传感器模块来实时获取水枪口相对位移量并传送至控制器，进而达到实时更新水枪的位置信息的目的；该装置还包括视角调整输入模块和位置调整输入模块，视角调整输入模块和位置调整输入模块分别输出用户视角调整信号和仿真水枪位置调整信号至控制器内，再由控制器传送至服务器；服务器接收后输出相应的用户视角和仿真水枪位置调整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。该装置能够在虚拟场景中自由灭火、自由移动及视角转换，训练人员可以感受到消防灭火带来的逼真体验，该水枪还仿真了喷水流量控制操作，通过多种交互输入方式，让训练人员模拟真实消防过程中的行进路线和水枪操作。

本发明的带有交互方式的模拟消防训练仿真系统结构示意图。以一个模拟消防训练仿真水枪装置与服务器相连为例：

带有交互方式的模拟消防训练仿真系统，包括一个所述的模拟消防训练仿真水枪装置；

服务器，服务器内存储有虚拟消防训练场景信息；服务器与所述模拟消防训练仿真水枪装置的控制器相连，服务器将虚拟消防训练场景信息传送至立体投影仪，虚拟消防训练场景信息由立体投影仪投射至屏幕中。

其中，模拟消防训练仿真水枪装置的结构如图1-3所示，此处将不再累述。

本实施例的模拟消防训练仿真系统支持至一个或多个训练人员同时使用，且每位训练人员手持仿真水枪装置，通过仿真水枪装置的控制器与服务器相互通信，来实现服务器内的虚拟消防训练场景信息的改变而实现训练人员在虚拟场景中自由灭火、自由移动及视角转换，训练人员可以感受到消防灭火带来的逼真体验，该水枪还仿真了喷水流量控制操作，通过视角调整输入模块和位置调整输入模块这些交互输入方式，让训练人员模拟真实消防过程中的行进路线和水枪操作。

图4是本发明的一种带有交互方式的模拟消防训练仿真系统的工作方法流程图。

如图4所示的带有交互方式的模拟消防训练仿真系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤一：模拟消防训练仿真水枪装置的控制器通信连接至服务器，在控制器内预设仿真水枪装置的ID以及初始化仿真水枪装置中各个模块的初始值。

例如：完成控制器与2.4GHz USB接收器的绑定，记录集成传感器中陀螺仪X，Y，Z轴的初始值作为静态参考点，记录加速度传感器Z轴的初始值作为静态参考点；

将仿真水枪装置ID发送给服务器。；

以仿真水枪装置可调节5个档位的流量变化为例，水流量和喷射状态预先写入控制器，对于不同枪型的仿真水枪，水流量和喷射状态不同。

步骤二：将仿真水枪装置的ID以及仿真水枪装置中各个模块的初始值传送给服务器。

步骤三：集成传感器模块将实时采集水枪口相对位移量和取电位器的阻值变化量传送至控制器，控制器将接收到的数据汇总并进行封装后发送至服务器。

在该步骤中，利用集成传感器模块检测用户当前是否后拉模拟水流控制开关，如果用户后拉模拟水流控制开关，则控制声效模块根据不同后拉幅度获得的数据发出对应水流喷射音效；

利用集成传感器模块检测用户当前是否有视角控制操作，如果用户按下视角调整模块，则产生调整虚拟人物视角的信息数据；

利用集成传感器模块检测用户当前是否操作位置调整模块，如果用户操作了位置调整模块，则产生调整仿真水枪装置位置的信息数据，也就是调整了持仿真水枪装置的用户的位置。

步骤四：服务器接收到控制器封装发送来的数据，分别调整虚拟消防训练场景信息并传送至立体投影仪，由立体投影仪投射至屏幕。

进一步地，该方法还包括：服务器接收用户视角调整信号后，输出相应的用户视角调整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。

进一步地，该方法还包括：服务器接收仿真水枪位置调整信号后，输出相应的调仿真水枪位置整后的虚拟消防训练场景信息至立体投影仪，并投射至屏幕中。

进一步地，在所述步骤三中，控制器将接收到的数据汇总后，封装在一个数据帧内发送至服务器。例如：数据帧内的数据包括水枪姿态X，Y，Z，类型为Double；

仿真水枪ID为Int类型

模拟水流控制开关状态为Double类型；

视角调整模块以按键阵列为例，为Boolean类型；

以位置调整输入模块采用控制杆以及用于检测控制杆偏移量的传感器构成为例，控制杆X轴状态、Y轴状态均为Double类型。

本发明的带有交互方式的模拟消防训练仿真系统的工作方法，利用控制器与服务器之间的交互，以及集成传感器模块、视角调整输入模块和位置调整输入模块这些交互输入方式，让训练人员模拟真实消防过程中的行进路线和水枪操作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。