Mixed reality fire extinguisher simulator

Abstract

Feuerlöschen ist eine wichtige Fähigkeit im Alltag. Ein plötzlich ausbrechender Brand kann enorme Schäden an der Umwelt verursachen und sogar zu Todesfällen führen. Die meisten Menschen haben jedoch noch nie in ihrem Leben einen Feuerlöscher benutzt, was in kritischen Situationen zu falschen Entscheidungen führen kann. Herkömmliche Feuerlöschertrainings zielen darauf ab, dieses Problem zu beheben, erfordern jedoch einen erheblichen organisatorischen Aufwand und finanzielle Kosten. Eine vielversprechende Alternative, die wiederholbare, sichere und kostengünstige Trainingsszenarien ermöglicht, bietet die virtuelle Realität (VR).Bestehende VR-Simulatoren simulieren bereits gut die Struktur herkömmlicher Trainings, aber den meisten fehlt es an Realismus, wenn es um physisches Feedback geht. Aufbauend auf diesen Ansätzen wurde in dieser Diplomarbeit ein Mixed Reality (MR) Feuerlöschersimulator entwickelt, der einen realen, getrackten Feuerlöscher in die virtuelle Umgebung integriert und zusätzlich durch haptisches Feedback erweitert. Zwei zentrale Hardware-Mechanismen wurden dabei umgesetzt: ein Gewichtsbalance-System, um den Masseverlust während des Löschvorgangs zu simulieren, sowie eine Rückstoßsimulation, um die auftretenden Kräfte beim Sprühen nachzustellen.Um den Ablauf realer Feuerlöschertrainings möglichst genau nachzubilden, wurde der Simulator in drei verschiedene Lernszenarien unterteilt: Präsentation, Übung und Test. In Kombination mit dem gleichzeitigen Tracking von Händen und Controllern sowie der Implementierung grundlegender Löschmechaniken erschafft dieses System ein intuitives und immersives Trainingserlebnis.Durch einen Expertentest und eine User Study mit 29 Teilnehmern wurde die Applikation bewertet, wobei die Ergebnisse überwiegend sehr positives Feedback hinsichtlich Bedienbarkeit und Trainingsrelevanz zeigen. Trotz bestehender Einschränkungen, insbesondere in Bezug auf die Erzeugung von Stress und Realismus, hat der entwickelte Prototyp ein hohes Potenzial als ergänzende Alternative zu konventionellen Feuerlöschertrainings.

Fire extinguishing is an essential skill in everyday life. The sudden outbreak of a fire can cause huge damage to the environment and even lead to fatalities. However, most people have never used a fire extinguisher in their whole lives, which can lead to wrong decisions in critical situations. Conventional fire extinguisher training aims to address this issue, but it requires significant organizational effort and financial costs. A promising alternative, by enabling repeatable, safe, and cost-efficient training scenarios, is offeredby Virtual Reality (VR).Existing VR simulators already simulate the structure of conventional training well,but most of them lack realism when it comes to physical feedback. Building on these approaches, this thesis developed a mixed reality (MR) fire extinguisher simulator that integrates a real, tracked fire extinguisher into the virtual environment and additionally enhances it with haptic feedback. Two major hardware constructions were implemented: a weight balance system to simulate mass loss during usage and a recoil simulation to represent the forces experienced while spraying.To closely resemble conventional training, three different scenarios were integrated: presentation, exercise, and test. Combined with simultaneous tracking of hands and controllers, and the implementation of basic fire extinguishing functionalities, the system provides an intuitive and immersive training experience.In an expert test and a user study with 29 participants, the application was evaluated and received great feedback regarding usability and training relevance through questionnaire answers. Although the system had limitations in terms of stress creation and realism, it demonstrates strong potential as a complementary addition to conventional fire extinguisher training.