应用于控制工程教育的在线虚拟现实网络化控制实验室

摘要

本研究介绍了一种基于WebVR的在线虚拟现实（VR）实验室系统，该系统通过VR设备为用户提供沉浸式和交互式的实验功能。该系统不仅有助于增强用户参与在线实验的真实感，还可广泛适用于多种在线实验室框架。

摘要

在线实验室在工程教育中发挥着重要作用。本文讨论了一种基于WebVR的虚拟实验室系统。用户通过虚拟现实（VR）设备进入模拟的实验环境，并与实验设备进行交互，其体验类似于在实体实验室中进行的实际操作实验。此外，该系统允许用户设计自己的控制算法，并观察不同控制参数的影响，从而加深对实验的理解。为展示所提出虚拟实验室的功能，本文提供了一个双倒立摆系统的实验示例。实验结果表明，该系统能够使用户以沉浸式和交互式的方式开展实验，并为用户提供从原理设计到实验操作的完整实验流程。本文还提出了一种解决方案，可将任意虚拟实验室改造为基于WebVR的虚拟实验室，用于教学与培训。

引言

随着互联网的发展和移动设备的普及，在线教育的需求日益增长¹。特别是在大规模流行病期间，传统教育机构往往难以有效开展面对面教学，这凸显了在线教育作为一种重要教学方法的重要性²。理论课程相对容易转移到在线平台上，可通过远程视频会议软件和大规模开放在线课程（MOOCs）等工具实现³。然而，实践类课程面临更大挑战，因其要求学习者在传统实验室中进行动手实验。

研究人员在解决将实验设备在线化这一挑战方面做出了重要贡献。在过去二十年中，针对在线实验室的概念与技术已开展了大量研究^4,5。在线实验室通常包括远程实验室⁶、虚拟实验室⁷和混合型实验室⁸。这些在线实验室方法已在多个工程学科中得到广泛应用，包括控制工程⁹、机械工程¹⁰和软件工程¹¹。

尽管在线实验室在实验操作的便捷性方面已取得显著进展¹²，但与传统实验室环境相比，用户仍感觉其真实感不足，且缺乏类似的动手实践操作，这影响了他们的整体体验¹³。这种用户体验上的差异促使研究人员进一步开展探索与开发工作，以提升在线实验室环境中的真实感和参与度。

为了解决上述问题，虚拟现实（VR）技术已被应用于虚拟实验室¹⁴，以提升虚拟实验室的沉浸感与交互性¹⁵。基于VR的虚拟实验室为用户提供接近真实环境的实验体验。在建筑学教育过程中，用户可通过虚拟化身完成小组任务¹⁶，共同沉浸式地进行建筑测绘过程，如同在传统课堂环境中一样。此外，基于VR的虚拟实验室允许用户佩戴VR头显和手柄，进入虚拟实验室的沉浸式环境，并与虚拟实验设备进行交互¹⁷，从而提升用户的动手能力¹⁸。针对不同的教学目标，我们可以设计不同的虚拟环境。例如，可将VR与游戏化理论相结合，以增强面向公众的工程教育，并提高可持续发展等难以理解的知识的传播效率¹⁹。

与在线实验室尤其是虚拟实验室类似，基于 WebVR 的虚拟实验室具有诸多优势。首先，它们突破了传统实验室在时间和空间上的限制，用户可以随时随地进行实验²⁰。其次，在线实验室能够提供更安全的实验环境，避免实验操作中可能发生的危险和事故²¹。第三，虚拟实验室还能提供更丰富的实验资源和模拟场景，拓展用户的实验范围与体验²²。最重要的是，基于 WebVR 的虚拟实验室能够激发用户的学习兴趣与主动性，增强其实验体验与参与度²³。

与其他基于虚拟现实（VR）的虚拟实验室相比，基于WebVR的虚拟实验室无缝结合了VR虚拟实验室与基于网络的在线实验室的优势。现实中的虚拟仪器系统（Virtual Instrument Systems in Reality, VISIR）²⁴通过构建真实的电路板，建立了一个基础的模拟电子远程实验室。用户可通过网页界面进行仿真操作，以完成对真实电路板的实验。Weblab-Deusto⁸构建了水箱现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）实验室，用户可在网络平台上与水箱的三维（3D）模型进行交互，且无需依赖其他插件。本文提出的系统具备将WebVR作为模块化组件无缝集成到现有虚拟实验室基础设施中的能力。这种集成可在不破坏实验室原有架构框架的前提下实现，从而保留实验室的基本结构与功能。该集成方法同样适用于前后端分离架构的在线实验室。

本文提出的系统基于网络化控制系统实验室（NCSLab）²⁵实现，继承了NCSLab系统在灵活性、交互性、模块化和跨平台方面的特点。用户可根据不同模块开展实验，也可自定义算法和配置界面，从而获得充分的自主实现空间。在线实验根据用户运行的算法实时驱动。在进行虚拟现实（VR）实验时，用户可与虚拟模型交互，改变实验算法的输入，甚至可通过组件修改控制算法的参数，使用户能够更加真实地体验控制算法的原理。

基于WebVR的虚拟实验室为在线教育带来了巨大潜力。它能够提供沉浸式的实验体验，突破传统实验室的局限，促进用户动手实践能力和创新思维的发展。

方案

本研究符合武汉大学人类研究伦理委员会的指导方针，并已获得所有实验数据的知情同意。本文讨论了双倒立摆系统的实验步骤，所有步骤均在基于WebVR的NCSLab中完成。

1. 访问基于 WebVR 的 NCSLab 系统

1. 打开支持 WebVR 的网页浏览器，输入基于 WebVR 的 NCSLab 的统一资源定位符（URL），以访问该系统。
2. 点击 开始实验 按钮登录 NCSLab 系统。如果是首次登录系统，请先进行账户注册。
3. 登录 NCSLab 系统后，从左侧菜单栏中选择不同的实验，此处选择双倒立摆实验。
4. 进入主页面上的 3D 子页面。
   注意：主页面包含五个子页面，第一个为设备模型介绍页面，其中包含 3D 模型动画及相关文档。通过访问该页面，用户可掌握双倒立摆系统的工作原理，便于后续实验的顺利开展。
5. 点击“请求控制”按钮申请实验控制权限，以确保资源的高效利用。此操作将为用户提供 30 分钟的实验时间。
   注意：对于虚拟实验，系统最多可支持 500 名用户同时进行实验。
6. 进入“装置信息”子页面，获取有关实验设备的详细信息，包括当前正在使用的设备、未使用的设备以及与维护相关的设备信息。
7. 在 实验算法 子页面选择系统默认的控制算法进行下载；或者进入 算法设计 子页面，自行设计其他控制算法。
   1. 如需设计新的控制算法，请在算法设计子页面点击 创建新模型按钮 ，进入算法设计界面。
      注意：算法设计流程与 MATLAB/Simulink 类似，用户可通过直观的拖拽方式，使用多种功能模块构建所需的控制逻辑，完成控制算法框图的设计。
   2. 按照下述步骤，构建如 图 1 所示的完整控制算法框图。
   3. 从左侧的设备模型中选择 双倒立摆系统模块。
   4. 选择 增益模块，用于设计线性二次型调节器（LQR）控制器的反馈矩阵。
   5. 选择 阶跃信号 作为输入信号，并添加其他所需模块。双击模块可查看详细信息并修改参数配置。例如，双击 常值信号模块 以修改常值信号的数值。
8. 完成控制算法设计后，点击 开始仿真 按钮。仿真结束后，观察所设计算法的控制效果。若对仿真结果不满意，可进一步调整 LQR 控制器的参数，直至获得性能更优的控制算法。
9. 点击 编译 按钮生成控制算法。编译完成后，该算法将被存储在实验算法子页面和算法设计子页面的私有算法区域中。
10. 在实验算法子页面的控制算法部分右侧，点击 下载算法 按钮，将控制算法下载至系统。
11. 在 监控配置 子页面选择实验配置并开展实验。系统提供预设配置，以满足用户的常规实验需求。
    注意：用户可灵活点击 创建新监控 按钮，根据自身特定实验需求自定义监控配置。
12. 在监控配置子页面的编辑界面中，根据 图 2 所示，自定义监控配置，并从多种可用组件中进行选择，包括输入变量组件、输出变量曲线显示组件以及 3D 模型组件。
13. 对于 VR 实验，请选择 3D 模型组件。该组件允许用户将 3D 模型集成到监控配置中。
14. 为便于参数配置，可调整各组件的参数，这些参数直接关联系统的参数变量。双击组件后，在弹出窗口中选择实验系统内可用的相关参数。
15. 用户可通过拖动组件边缘，调整其大小，从而灵活优化监控配置的布局，以满足个性化需求。
16. 点击 保存按钮 ，将设计好的监控配置保存，以便在后续实验中重复使用，避免重复设置监控系统，节省时间和精力。
    注意：只有在控制算法成功下载后，方可进行监控配置。
17. 在窗口中点击 开始实验 按钮以启动实验。在 3D 模型组件的右下角点击 VR 按钮，启动 VR 实验。
    注意：VR 实验嵌入于网页中。用户首次使用时，浏览器可能在左上角提示是否允许使用 VR 功能，请选择 允许 以继续操作。

2. 选择通路方法

1. 使用 WebVR 模拟器扩展程序。要通过此方法进行实验，请安装 WebVR 模拟器扩展程序，该扩展程序可直接在浏览器的扩展商店中搜索并下载。
   注意：WebVR 模拟器扩展程序可帮助用户在网页浏览器中运行 WebVR 内容，并提供虚拟的 VR 头显和手柄控制器环境，无需使用真实的 VR 设备。
2. 使用支持 WebVR 的 VR 设备。若首次使用 VR 设备，需进行基本环境配置。首先，打开头显和控制器的电源以启动系统。在头显中设置初始 ROOM 程序。根据头显屏幕上的视觉提示，使用手柄控制器仔细校准虚拟空间环境的边界和方向。最后，建立头显与计算机之间的流式传输连接。
   注意：这是访问所提出系统的第二种方法。VR 设备通常包括一个头显和一对手柄控制器。VR 设备内置应用商店，用户可在其中下载支持 WebVR 的浏览器。或者，用户也可使用通常支持 WebVR 的内置浏览器。需要注意的是，不同的 VR 设备可能采用不同的连接方式。

3. 实验步骤

1. 调整视角，找到进行二级倒立摆系统实验的最佳位置。
   1. 对于使用 WebVR 模拟器扩展程序的用户，请打开 开发者工具，找到 WebVR 扩展程序，并使用鼠标操作虚拟 VR 设备以调整视角，如 图 3 所示。
   2. 对于使用 VR 设备的用户，请进入虚拟实验环境，并通过身体移动确定最佳实验位置。
2. 使用手柄控制器与二级倒立摆系统进行交互，具体操作如下。
   1. 将手柄移近立方体，按下 扳机 按钮以抓取立方体，此时二级倒立摆系统将停止运动。
   2. 通过移动手柄控制立方体的位置。当立方体到达目标位置后，松开扳机按钮释放立方体。该位置即被设定为小车的下一个设定点，如 图 3 所示。
3. 观察二级倒立摆系统的运动过程。通过控制交流（AC）伺服电机，使皮带运动。在皮带的驱动下，倒立摆可沿导轨移动。二级倒立摆的系统结构如 图 4 所示。最终，二级倒立摆将在设定点处稳定下来。
4. 鼓励用户反复调整立方体的位置，持续改变小车的设定点，并仔细观察二级倒立摆系统的动态行为。

结果

所介绍的虚拟现实（VR）实验系统使用户能够使用VR设备开展沉浸式实验，从而增强用户与实验设备之间的交互性。此外，该系统基于网络运行，用户无需配置本地环境。此设计使系统具备良好的可扩展性，适用于大规模应用以及培训和教学目的。

在传统的实验环境中，用户需要亲自配置和安装软件及硬件设备，这可能会消耗大量时间和资源²⁶。然而，虚拟实验室利用云计算和虚拟化技术，将实验环境迁移至云端。用户只需通过网络浏览器访问相应网站，即可使用实验室提供的功能和资源。

图3表明，用户可以通过不同的方式参与WebVR实验。对于没有现成VR设备的用户，可通过浏览器扩展快速开展实验；而拥有VR设备的用户则可沉浸于实验环境中，直接与实验装置进行交互，从而在探索实验过程时获得更强的真实感。这两种不同的WebVR实验方式为用户提供了更多选择，使更广泛的用户群体能够使用该系统。

双倒立摆示例表明，所提出的基于WebVR的虚拟实验室可以直接在网页浏览器中运行，无需额外的软件安装或配置。这种方法不仅减少了用户的不便，还显著提高了系统的可扩展性。此外，用户可以选择使用VR设备与实验设备进行沉浸式交互。通过使用手柄控制器调节系统参数，用户不仅能够增强动手体验，还能提升理论知识和实践技能。

共有21名学生参与了本实验，通过问卷调查进一步验证了所提出系统的适用性与有效性。参与学生均具有自动化与控制工程背景，且此前均参与过NCSLab中的虚拟实验，具备一定的虚拟实验基础知识，但均未参与过基于WebVR的NCSLab中的虚拟现实（VR）实验。通过采用匿名统计方式，我们在学生填写问卷时保障了其隐私与安全，从而确保了问卷数据的可靠性。

问卷调查结果如图5所示，数据表明，本文提出的系统在真实感和与设备的交互性方面表现良好，相较于传统的鼠标-键盘虚拟实验具有显著提升。此外，参与者反馈显示，该系统不仅提高了学生在学习过程中的兴趣和实验技能，还有助于他们更好地理解实验内容，从而增强了学习效果。

值得注意的是，大多数学生认为，这种实验不仅适用于当前的课程和实验，还有潜力应用于其他课程和实验中。

本文提出的系统采用3DS Max软件对实验设备进行建模，并利用Unity引擎软件渲染实验场景²⁷ 并允许用户使用VR设备与实验设备进行交互。最后，将实验场景打包为网络图形库（WebGL）格式，并以模块化组件的形式无缝集成到在线实验室系统中，从而构建基于WebVR的虚拟实验室系统。

图1：双倒立摆系统的控制算法设计。 用户可以从左侧的模块库中选择不同的模块，构建双倒立摆系统的控制算法。模块的选择与连接方式类似于 MATLAB/Simulink 中的操作。在双倒立摆系统领域，存在多种多样的控制方法。针对当前系统，所采用的策略是线性二次型调节器（LQR）控制方法，图中展示了根据 LQR 控制器设计的反馈矩阵。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：用于监测双倒立摆系统的配置设计。 用户可从上方的组件库中选择组件，以设计监测配置。若需进行虚拟现实（VR）实验，必须选择“三维模型”组件。用户还可灵活选择“图表”组件，以直观跟踪双倒立摆的角度变化和位置变化，或选择“输入”组件来调整控制器参数。双击组件可允许用户建立系统变量之间的关联，以完成参数配置。在双倒立摆系统中，图表的参数被设置为同时包含小车的设定位置与实际位置，以及一阶和二阶倒立摆的角度。完成监测配置设计后，用户应首先点击 开始实验 按钮启动实验，随后可点击三维模型组件右下角的 VR 按钮来启动虚拟现实实验。请点击此处查看该图的放大版本。

图3：使用VR头显和WebVR模拟器扩展进行双倒立摆系统实验。 用户可通过VR设备或WebVR模拟器扩展开展WebVR实验。通过手柄控制立方体，以设定双倒立摆的设定点。一旦立方体位置确定，双倒立摆将稳定地向设定点方向移动，直至最终稳定在设定位置。在3D模型右侧有一个图表，记录小车位置以及一阶和二阶摆的角度。该图表还可用于观察系统关键参数变化的趋势。请点击此处查看此图的放大版本。

图4：二级倒立摆系统的结构。 基座上方有一个立方体，该立方体的位置即为小车的设定点。用户可抓握把手拿起立方体并调节其位置。当交流（AC）伺服电机驱动皮带旋转时，小车将在皮带的带动下沿导轨运动。伴随该运动，一级摆杆和二级摆杆也将发生相应的位移与转动。请点击此处查看该图的放大版本。

图5：调查问卷的数据结果。 问卷共包含六个问题，每个问题在此处均有详细说明。每个问题设有五个选项，大致含义分别为“强烈不同意”、“不同意”、“中立”、“同意”和“强烈同意”，评分采用1至5分制。共收集到21份有效回答。根据这些评分计算出平均值和标准差，并以图形方式呈现，以便清晰解读。 请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

本方案介绍了一种虚拟实验室系统，该系统不仅支持用户在线开展虚拟现实（VR）实验，还采用低成本的PC控制器²⁸，有利于大规模推广应用。用户可全面了解从实验原理、算法到实际操作的整个实验流程。该系统使用户能够完全沉浸于实验环境中，摆脱对传统鼠标和键盘输入的依赖，为观察实验过程及动手操作实验设备提供了沉浸式体验。

该系统超越了传统界面，为用户提供了一种更直观且更具参与感的方式来操作实验设备。与在实体实验室中进行动手实验类似，该虚拟实验室力求尽可能真实地还原实验操作过程。这种在线访问方式使虚拟实验室具备以下优势。

灵活性与便利性：用户可通过网络浏览器随时随地访问虚拟实验室，不受特定物理实验室位置和时间安排的限制。这种方法极大地提升了远程学习的便利性²。

可扩展性与成本效益：虚拟实验室能够轻松扩展，提供额外的计算资源和实验设备，以满足大规模应用的需求。用户无需自行购买和维护昂贵的硬件设备，即可利用基于网络的资源开展实验，从而降低其成本投入³。

安全性：虚拟实验室可以提供增强的安全措施。用户无需担心因实验过程中操作不当而导致的事故，这在一定程度上有助于保障其安全²⁹。

通过利用虚拟现实（VR）技术，用户可以进入一个模拟的实验环境，在其中通过手柄与物体进行交互，并开展实验，其操作方式类似于真实的物理实验室。如图3所示，用户可使用手柄抓取并移动立方体，以设定二级倒立摆系统中小车的设定点。这种交互形式不仅为虚拟实验室体验增添了更高水平的真实感与互动性，同时也增强了用户对实验的理解。

此外，该系统为用户提供了探索实验的机会。用户可以设计自己的控制算法，并观察不同控制参数的影响，从而加深对实验原理的理解³⁰。这有助于培养用户的参与感和主动学习意识。

目前，虚拟现实（VR）实验室主要针对特定场景进行设计和使用，缺乏适用于大规模应用的框架。用户通常只能按照预设步骤进行实验，很少有机会实现自己的想法。相比之下，基于WebVR的虚拟实验室将实验内容以组件模块的形式无缝集成到虚拟实验环境中。这种方法不仅具有广泛的适用性，可融入多种应用框架，还能使用户根据自身偏好和需求与实验设备进行交互，开展定制化的实验。

然而，某些问题仍需关注并加以解决。这些问题包括需要建立更广泛的虚拟资源库，以及在模拟虚拟设备的动态行为时，相较于实际设备，需进一步提高模拟精度。我们计划与不同领域的主题专家合作，以扩展我们的虚拟资源库，确保涵盖从自然科学到工程学等多个领域的实验内容，满足不同用户的需求。此外，我们鼓励用户积极参与系统的建设。除了为资源库提供改进建议外，我们还计划在未来开展用户调查和访谈，以更深入地了解用户期望的资源类型和领域。为应对虚拟设备动态行为模拟的精度挑战，将采用先进的建模技术，例如基于机器学习的方法或更复杂的数学模型，以提升虚拟设备表征的精确性。此外，现实世界系统通常具有不确定性，这种特性需要在保持准确性的前提下融入虚拟设备模拟方法中，从而实现对真实世界更逼真的呈现。

综上所述，所提出的虚拟实验室系统能够使用户以沉浸式和交互式的方式参与虚拟现实（VR）实验。通过提供尽可能逼真的实验体验，该系统增强了用户对实验过程的理解，涵盖从实验原理与设计到具体操作的各个环节。系统的在线可访问性还提供了一个灵活、便捷且安全的实验环境，使其成为大规模开展科学研究与教育培训的一种颇具前景的解决方案。

材料

本文使用的材料清单

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