Methodenartikel

Online Virtual Reality Genetwerkt Controlelaboratorium dat in het Onderwijs van de Controletechniek wordt toegepast

DOI:

10.3791/66432

⸱

23 februari 2024

 ,  ,  , 
1Department of Artificial Intelligence and Automation, Wuhan University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie beschrijft een op WebVR gebaseerd online virtual reality (VR) laboratoriumsysteem dat gebruikers meeslepende en interactieve experimenteermogelijkheden biedt die worden ondersteund door VR-apparaten. Het voorgestelde systeem helpt niet alleen om het realisme van gebruikersparticipatie aan online experimenten te vergroten, maar is ook toepasbaar op een breed scala aan online laboratoriumframeworks.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Online laboratoria spelen een belangrijke rol in het technisch onderwijs. Dit werk bespreekt een op WebVR gebaseerd virtueel laboratoriumsysteem. De gebruiker betreedt de gesimuleerde laboratoriumomgeving via een virtual reality (VR)-apparaat en interageert met de experimentele apparatuur, vergelijkbaar met hands-on experimenten in een fysiek laboratorium. Bovendien stelt het voorgestelde systeem gebruikers in staat om hun eigen controlealgoritmen te ontwerpen en de effecten van verschillende controleparameters te observeren om hun begrip van het experiment te vergroten. Om de kenmerken van het voorgestelde virtuele laboratorium te illustreren, wordt in dit artikel een voorbeeld gegeven, namelijk een experiment met een dubbel omgekeerd slingersysteem. De experimentele resultaten tonen aan dat het voorgestelde systeem gebruikers in staat stelt experimenten uit te voeren op een meeslepende en interactieve manier en gebruikers een volledig experimenteel proces biedt, van hoofdontwerp tot experimentele werking. Er wordt ook een oplossing geboden om elk virtueel laboratorium te veranderen in een op WebVR gebaseerd virtueel laboratorium voor onderwijs en training.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Met de opmars van internet en de populariteit van mobiele apparaten neemt de vraag naar online onderwijs toe1. Met name tijdens perioden van wijdverbreide epidemieën worden traditionele onderwijsinstellingen vaak geconfronteerd met uitdagingen bij het effectief geven van persoonlijk onderwijs, wat het belang van online onderwijs als een belangrijke pedagogische benadering benadrukt2. Theoretische cursussen zijn relatief eenvoudig over te zetten naar online platforms. Ze kunnen worden uitgevoerd met behulp van hulpmiddelen zoals software voor videoconferenties op afstand en open onlinecursussen voor een groot publiek (MOOC's)3. Praktijkcursussen staan echter voor grotere uitdagingen, omdat gebruikers hands-on experimenten moeten uitvoeren in traditionele laboratoria.

Onderzoekers hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan het aanpakken van de uitdaging om experimentele apparatuur online beschikbaar te maken. In de afgelopen twee decennia zijn er uitgebreide onderzoeken uitgevoerd naar de concepten en technologieën van online laboratoria 4,5. Online laboratoria omvatten doorgaans externe laboratoria6, virtuele laboratoria7 en hybride laboratoria8. Deze online laboratoriumbenaderingen hebben een wijdverbreide toepassing gevonden in verschillende technische disciplines, waaronder regeltechniek9, werktuigbouwkunde10 en software-engineering11.

Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt op het gebied van het gemak van experimentele operaties in online laboratoria12, ervaren gebruikers nog steeds een gebrek aan realisme en vergelijkbare hands-on praktische operaties in vergelijking met traditionele laboratoriumomgevingen, wat van invloed is op hun algehele ervaring13. Deze discrepantie in gebruikerservaring motiveert verdere onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen om het realisme en de betrokkenheid in online laboratoriumomgevingen te verbeteren.

Om de bovenstaande problemen op te lossen, is virtual reality (VR)-technologie toegepast in virtuele laboratoria14 om de immersiviteit en interactiviteit van virtuele laboratoriate verbeteren 15. Op VR gebaseerde virtuele laboratoria bieden gebruikers een bijna realistische experimentele ervaring. Gebruikers kunnen via avatars16 groepsopdrachten voltooien in het architectuuronderwijsproces, waarbij ze het architectuurmeetproces samen meeslepend uitvoeren, net zoals ze dat zouden doen in een traditionele klasomgeving. Bovendien stellen de op VR gebaseerde virtuele laboratoria gebruikers in staat om de meeslepende omgeving van virtuele laboratoria te betreden en te interageren met virtuele experimentele apparatuur door VR-headsets en handvattente dragen 17, waardoor de praktische vaardigheden van gebruikers worden verbeterd18. Voor verschillende educatieve doeleinden kunnen we verschillende virtuele omgevingen ontwerpen. VR kan bijvoorbeeld worden gecombineerd met de gamification-theorie om het ingenieursonderwijs voor het grote publiek te verbeteren en om de efficiëntie van het verspreiden van moeilijk te begrijpen kennis, zoals duurzame ontwikkeling, te verbeteren19.

Net als online laboratoria, met name virtuele laboratoria, hebben op WebVR gebaseerde virtuele laboratoria veel voordelen. Ten eerste doorbreken ze de tijd- en ruimtebeperkingen van traditionele laboratoria en kunnen gebruikers altijd en overal experimenten uitvoeren20. Ten tweede kunnen online laboratoria een veiligere experimentele omgeving bieden om mogelijke gevaren en ongevallen bij experimentele operaties te voorkomen21. Ten derde kunnen virtuele laboratoria ook meer experimentele middelen en simulatiesituaties bieden om de experimentele reikwijdte en ervaring van gebruikers uit te breiden22. Het belangrijkste is dat op WebVR gebaseerde virtuele laboratoria de leerinteresse en het initiatief van gebruikers kunnen stimuleren en hun experimentele ervaring en deelname kunnen verbeteren23.

Vergeleken met andere op VR gebaseerde virtuele laboratoria, combineert een op WebVR gebaseerd virtueel laboratorium naadloos de voordelen van op VR gebaseerde virtuele laboratoria met webgebaseerde online laboratoria. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)24 bouwt een eenvoudig analoog elektronisch laboratorium op afstand door echte printplaten te bouwen. Gebruikers kunnen gesimuleerde experimenten uitvoeren op de webinterface om echte printplaatexperimenten te voltooien. Weblab-Deusto8 bouwt het Field Programmable Gate Array (FPGA) laboratorium voor watertanks, waar gebruikers kunnen communiceren met het driedimensionale (3D) model van de watertank in het webplatform zonder afhankelijk te zijn van andere plug-ins. Het systeem dat in dit document wordt voorgesteld, introduceert de mogelijkheid om WebVR naadloos te integreren als een modulaire component in de bestaande virtuele laboratoriuminfrastructuur. Deze integratie kan worden bereikt zonder het oorspronkelijke architecturale kader van het laboratorium te vernietigen, waardoor de basisstructuur en -functie van het laboratorium behouden blijven. Deze integratie is ook van toepassing op het raamwerk van een online laboratorium met aparte front-end en back-end.

Het systeem dat in dit document wordt voorgesteld, is geïmplementeerd op basis van het Networked Control System Laboratory (NCSLab)25, dat de flexibiliteit, interactiviteit, modulariteit en platformonafhankelijke functies van het NCSLab-systeem overneemt. Gebruikers kunnen experimenten uitvoeren volgens verschillende modules en kunnen ook algoritmen en configuratie-interfaces aanpassen, waardoor gebruikers voldoende ruimte hebben voor zelfrealisatie. Online experimenten worden in real-time aangestuurd volgens de algoritmen die door de gebruiker worden uitgevoerd. Gebruikers kunnen communiceren met het virtuele model om de invoer van het experimentele algoritme te wijzigen bij het uitvoeren van VR-experimenten en kunnen zelfs de parameters van het besturingsalgoritme wijzigen via de componenten, zodat gebruikers het principe van het besturingsalgoritme realistischer kunnen ervaren.

Op WebVR gebaseerde virtuele laboratoria bieden een groot potentieel voor online onderwijs. Het kan een meeslepende experimentele ervaring bieden, de beperkingen van traditionele laboratoria overwinnen en praktische praktische vaardigheden en innovatief denken bij gebruikers bevorderen.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie voldeed aan de richtlijnen van de Human Research Ethics Committee van de Universiteit van Wuhan en er werd geïnformeerde toestemming verkregen voor alle experimentele gegevens. In dit artikel worden de experimentele stappen voor het dubbel-omgekeerde slingersysteem besproken en worden alle stappen uitgevoerd in het op WebVR gebaseerde NCSLab.

1. Toegang tot het op WebVR gebaseerde NCSLab-systeem

  1. Open een webbrowser die WebVR ondersteunt. Voer de Uniform Resource Locator (URL) van het op WebVR gebaseerde NCSLab in om toegang te krijgen tot het systeem.
  2. Klik op de knop Experiment starten om u aan te melden bij het NCSLab-systeem. Als het de eerste keer is dat u inlogt op het systeem, doe dan een accountregistratie.
  3. Log in op het NCSLab-systeem, selecteer verschillende experimenten in de linkermenubalk en kies in dit geval het dubbele omgekeerde slingerexperiment.
  4. Open de 3D-subpagina op de hoofdpagina.
    OPMERKING: Er zijn vijf subpagina's op de hoofdpagina, te beginnen met de eerste, namelijk de introductie van het uitrustingsmodel. Het bevat een 3D-modelanimatie en documentatie. Door deze pagina te bezoeken, kunnen gebruikers het principe van het dubbele omgekeerde slingersysteem begrijpen, waardoor volgende experimenten gemakkelijk kunnen worden uitgevoerd.
  5. Meld u aan voor experimentbeheer door op de knop Aanvraagbeheer aan te vragen om een efficiënt gebruik van resources te garanderen. Dit geeft gebruikers 30 minuten experimenteertijd.
    OPMERKING: Voor virtuele experimenten kunnen 500 gebruikers tegelijkertijd experimenten uitvoeren.
  6. Ga naar de subpagina met plantinformatie om toegang te krijgen tot uitgebreide details over het experimentele apparaat. Dit omvat informatie over apparatuur die momenteel in gebruik is, apparatuur die ongebruikt blijft en onderhoudsgerelateerde apparatuur.
  7. Kies het standaard besturingsalgoritme van het systeem dat u wilt downloaden op de subpagina Experimenteel algoritme . U kunt ook doorgaan naar de subpagina Algoritmeontwerp om een ander algoritme te ontwerpen.
    1. Als u een nieuw besturingsalgoritme wilt ontwerpen, klikt u op de knop Nieuw model maken op de subpagina voor algoritmeontwerp om de ontwerpinterface te openen.
      OPMERKING: Het proces van algoritmeontwerp lijkt nauw op dat van MATLAB/Simulink, waarbij gebruikers het blokdiagram van het besturingsalgoritme construeren door middel van een intuïtieve drag-and-drop-benadering, waarbij verschillende modules worden gebruikt om de gewenste besturingslogica te creëren.
    2. Bouw het volledige blokdiagram van het besturingsalgoritme, zoals weergegeven in afbeelding 1, en volg de onderstaande stappen.
    3. Selecteer de Dubbele omgekeerde slingersysteemmodule uit het apparaatmodel aan de linkerkant.
    4. Kies de Gain Module om de feedbackmatrix voor de Linear Quadratic Regulator (LQR) controller te ontwerpen.
    5. Selecteer het Stappensignaal als ingang en voeg andere modules toe. Dubbelklik op de module om gedetailleerde informatie weer te geven en de parameterconfiguratie te wijzigen. Dubbelklik bijvoorbeeld op de module voor constant signaal om de waarde van het constante signaal te wijzigen.
  8. Klik op de knop Simulatie starten na voltooiing van het ontwerp van het besturingsalgoritme. Observeer na voltooiing van de simulatie de controle-effectiviteit van het ontworpen algoritme. Als u niet tevreden bent met de simulatieresultaten, verfijn dan de parameters van de LQR-controllers totdat een besturingsalgoritme met verbeterde prestaties is bereikt.
  9. Klik op de knop Compileren om het besturingsalgoritme te genereren. Na compilatie wordt het algoritme opgeslagen in het privé-algoritmegebied van de subpagina van het experimentele algoritme en de subpagina van het algoritmeontwerp.
  10. Download het besturingsalgoritme op de subpagina van het experimentele algoritme door op de knop Algoritme downloaden aan de rechterkant van het gedeelte over het besturingsalgoritme te klikken.
  11. Selecteer een experimentele configuratie en voer experimenten uit op de subpagina Configuratie bewaken . Het systeem biedt een vooraf gedefinieerde configuratie om te voldoen aan de algemene experimentele vereisten van gebruikers.
    OPMERKING: Gebruikers hebben de flexibiliteit om op de knop Nieuwe monitor maken te klikken om een aangepaste bewakingsopstelling te maken die is afgestemd op hun specifieke experimentele eisen.
  12. Pas de bewakingsconfiguratie aan en kies uit een verscheidenheid aan componenten die beschikbaar zijn in de bewerkingsinterface van de subpagina van de bewakingsconfiguratie, zoals weergegeven in afbeelding 2. Deze componenten omvatten componenten voor invoervariabelen, weergavecomponenten voor uitvoervariabele curves en 3D-modelcomponenten.
  13. Voor VR-experimenten selecteert u het onderdeel 3D-model. Met de 3D-modelcomponent kunnen gebruikers een 3D-model integreren in de bewakingsconfiguratie.
  14. Om de parameterconfiguratie te vergemakkelijken, past u de parameters voor elk onderdeel aan, die rechtstreeks zijn gekoppeld aan systeemparametervariabelen. Dubbelklik op een component en open het venster om de relevante optionele parameters binnen het experimentele systeem te selecteren.
  15. Gebruikers hebben de flexibiliteit om de lay-out van de bewakingsconfiguratie te optimaliseren door de grootte van componenten te wijzigen. Sleep hiervoor de randen van de respectievelijke componenten naar de gewenste afmetingen.
  16. Klik op de knop Opslaan om de ontworpen bewakingsconfiguratie op te slaan voor toekomstig gebruik in volgende experimenten, waardoor u tijd en moeite bespaart bij het herhaaldelijk instellen van het bewakingssysteem.
    OPMERKING: De bewakingsconfiguratie kan alleen worden uitgevoerd nadat het besturingsalgoritme correct is gedownload.
  17. Klik op de knop Experiment starten in het venster om het experiment te starten. Klik op de VR-knop in de rechterbenedenhoek van het 3D-modelonderdeel om het VR-experiment te starten.
    OPMERKING: Het VR-experiment is ingesloten op de webpagina. Wanneer gebruikers het voor de eerste keer gebruiken, kan de browser hen in de linkerbovenhoek vragen om de browser toe te staan VR-functionaliteit te gebruiken, selecteer Toestaan om door te gaan.

2. De toegangsmethode selecteren

  1. Gebruik een WebVR-emulatorextensie. Om met deze methode te experimenteren, installeert u de WebVR-emulatorextensie, die direct beschikbaar is om te zoeken en te downloaden in de extensiewinkel van de browser.
    OPMERKING: De WebVR-emulatorextensie helpt gebruikers om WebVR-inhoud in een webbrowser uit te voeren en biedt de virtuele VR-headset en de controlleromgeving zonder dat het echte VR-apparaat hoeft te worden gebruikt.
  2. Gebruik VR-apparaten die WebVR ondersteunen. Als VR-apparaten voor het eerst worden gebruikt, is de configuratie van de basisomgeving nodig. Schakel eerst de stroom van de headset en controller in om het systeem te starten. Stel het eerste ROOM-programma in de headset in. Volg de visuele aanwijzingen die op het scherm van de headset worden weergegeven en gebruik de handgreepcontrollers om de grenzen en oriëntatie van de virtuele ruimteomgeving zorgvuldig te kalibreren. Breng ten slotte een streamingverbinding tot stand tussen de headset en de computer.
    OPMERKING: Dit is de tweede methode om toegang te krijgen tot het voorgestelde systeem. VR-apparaten bevatten over het algemeen een headset en een paar handvatcontrollers. VR-apparaten hebben ingebouwde winkels waar gebruikers WebVR-compatibele browsers kunnen downloaden. Als alternatief kunnen gebruikers de ingebouwde browser gebruiken, die over het algemeen WebVR ondersteunt. Het is opmerkelijk dat verschillende VR-apparaten verschillende methoden voor connectiviteit kunnen gebruiken.

3. Experimentele procedure

  1. Pas het perspectief aan om de optimale positie te vinden voor het uitvoeren van het experiment met het dubbele omgekeerde slingersysteem.
    1. Voor gebruikers die de WebVR-emulatorextensie gebruiken, opent u de Developer Tools, zoekt u de WebVR-extensie en manipuleert u het virtuele VR-apparaat met de muis om het perspectief aan te passen, zoals weergegeven in afbeelding 3.
    2. Voor gebruikers die VR-apparaten gebruiken, dompel je onder in de virtuele experimentele omgeving en bepaal je de optimale experimentele positie door middel van fysieke bewegingen.
  2. Communiceer met het dubbele omgekeerde slingersysteem met behulp van de handgreepcontroller zoals hieronder beschreven.
    1. Beweeg het handvat dichter naar de kubus. Druk op de triggerknop om de kubus op te pakken en het dubbel omgekeerde slingersysteem stopt met bewegen.
    2. Door de hendel te bewegen, regelt u de positie van de kubus. Laat de kubus los zodra deze zich in de gewenste positie bevindt door de triggerknop los te laten. De positie wordt nu aangeduid als het volgende instelpunt voor de wagen, zoals weergegeven in afbeelding 3.
  3. Let op het bewegingsproces van het dubbele omgekeerde slingersysteem. Door de wisselstroom (AC) servomotor te manipuleren, zet u de riem in beweging. Onder impuls van de riem kan de omgekeerde slinger langs de geleiderail bewegen, De systeemstructuur van de dubbele omgekeerde slinger wordt toegelicht in figuur 4. Uiteindelijk zal de dubbele omgekeerde slinger stabiliseren op het setpoint.
  4. Moedig gebruikers aan om de positie van de kubus iteratief te manipuleren, het instelpunt van de kar continu aan te passen en het dynamische gedrag van het dubbele omgekeerde slingersysteem nauwgezet te observeren.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het gepresenteerde VR-experimentsysteem biedt gebruikers de mogelijkheid om deel te nemen aan meeslepende experimenten met behulp van VR-apparaten, waardoor de interactie tussen gebruikers en de experimentele apparatuur wordt verbeterd. Bovendien is het systeem webgebaseerd, waardoor gebruikers geen lokale omgevingen hoeven te configureren. Dit ontwerp zorgt voor de schaalbaarheid van het systeem, waardoor het geschikt is voor grootschalige toepassingen en trainings- en onderwijsdoeleinden.

In traditionele laboratoriumomgevingen moeten gebruikers zelf software- en hardwareapparaten configureren en installeren, wat een aanzienlijke hoeveelheid tijd en middelen kan kosten26. Virtuele laboratoria maken echter gebruik van cloud computing- en virtualisatietechnologieën om de laboratoriumomgevingen naar de cloud te verplaatsen. Gebruikers hebben eenvoudig toegang tot de bijbehorende website via een webbrowser om gebruik te maken van de functionaliteiten en bronnen die door de laboratoria worden aangeboden.

Figuur 3 laat zien dat gebruikers WebVR-experimenten kunnen uitvoeren met behulp van verschillende benaderingen. Gebruikers die niet over direct beschikbare VR-apparaten beschikken, kunnen snel experimenten uitvoeren via browserextensies. Gebruikers die toegang hebben tot VR-apparaten kunnen zich onderdompelen in de experimenten en rechtstreeks communiceren met de experimentele apparatuur, waardoor het realisme wordt verbeterd bij het verkennen van het experimentele proces. Deze twee verschillende manieren om WebVR-experimenten uit te voeren, bieden gebruikers meer opties en stellen een breder scala aan gebruikers in staat om het voorgestelde systeem te gebruiken.

De voorbeelden van dubbele omgekeerde slinger tonen aan dat het voorgestelde op WebVR gebaseerde virtuele laboratorium rechtstreeks in een webbrowser kan worden uitgevoerd zonder dat er extra software-installaties of configuraties nodig zijn. Deze aanpak vermindert niet alleen het ongemak voor de gebruiker, maar verbetert ook de schaalbaarheid van het systeem aanzienlijk. Bovendien hebben gebruikers de mogelijkheid om VR-apparaten te gebruiken voor meeslepende interactie met de experimentele apparatuur. Door handgreepcontrollers te gebruiken om systeemparameters aan te passen, verbeteren gebruikers niet alleen hun praktijkervaring, maar verbeteren ze ook hun theoretische kennis en praktische vaardigheden.

In totaal namen 21 studenten deel aan het experiment, waarbij een vragenlijst werd afgenomen om de toepasbaarheid en effectiviteit van het voorgestelde systeem verder te valideren. We hebben studenten opgenomen met een achtergrond in automatisering en regeltechniek, en al deze studenten hadden eerder deelgenomen aan virtuele experimenten in NCSLab en hadden enige basiskennis van virtuele experimenten, maar hadden niet deelgenomen aan VR-experimenten in op WebVR gebaseerde NCSLab. Door gebruik te maken van anonieme statistische gegevens garanderen wij de privacy en veiligheid van de deelnemers bij het invullen van de vragenlijst, waardoor de betrouwbaarheid van de vragenlijstgegevens wordt gewaarborgd.

De resultaten van de vragenlijst worden weergegeven in figuur 5 en de gegevens geven aan dat het in dit document voorgestelde systeem goed presteert op het gebied van realisme en interactie met het apparaat en een aanzienlijke verbetering behaalt in vergelijking met het traditionele virtuele muis-toetsenbordexperiment. Bovendien bleek uit de feedback van de deelnemers dat het systeem niet alleen de interesse en experimentele vaardigheden van studenten in leren verhoogde, maar hen ook hielp de experimentele inhoud beter te begrijpen, waardoor de leerresultaten werden verbeterd.

Het is vermeldenswaard dat de meeste studenten van mening waren dat dit soort experimenten niet alleen van toepassing is op de huidige cursus en het experiment, maar ook het potentieel heeft om te worden toegepast in andere cursussen en experimenten.

Het systeem dat in dit document wordt voorgesteld, maakt gebruik van 3DS Max-software voor het modelleren van de experimentele apparatuur, die de experimentele scènes weergeeft met behulp van Unity-enginesoftware27 en gebruikers in staat stelt om met de apparatuur te communiceren met behulp van VR-apparaten. Ten slotte worden de experimentele scènes verpakt in Web Graphics Library (WebGL)-formaat en naadloos geïntegreerd in het online laboratoriumsysteem in de vorm van modulaire componenten om een op WebVR gebaseerd virtueel laboratoriumsysteem te bouwen.

figure-results-1
Figuur 1: Ontwerp van het besturingsalgoritme voor het dubbele omgekeerde slingersysteem. Gebruikers kunnen verschillende modules selecteren uit de modulebibliotheek aan de linkerkant om het besturingsalgoritme voor het dubbelomgekeerde slingersysteem te bouwen. De selectie en aansluiting van modules zijn vergelijkbaar met die in MATLAB/Simulink. Op het gebied van dubbel-omgekeerde slingersystemen is er een overvloed aan controlemethoden in overvloed. Voor het huidige systeem is de gekozen strategie de Linear Quadratic Regulator (LQR) controlebenadering, en de figuur illustreert de feedbackmatrix die is gevormd in overeenstemming met de LQR-controller. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2: Configuratieontwerp voor het bewaken van het dubbel-omgekeerde slingersysteem. Gebruikers kunnen componenten selecteren uit de bovenstaande componentenbibliotheek om de bewakingsconfiguratie te ontwerpen. Als een VR-experiment gewenst is, moet het onderdeel 3D-model worden geselecteerd. Gebruikers hebben de flexibiliteit om te kiezen voor de Chart-component om veranderingen in de hoekoriëntatie en positie van de dubbele omgekeerde slinger visueel te volgen of de invoercomponent voor het maken van aanpassingen aan controllerparameters. Door op de component te dubbelklikken, kunnen gebruikers associaties tussen systeemvariabelen tot stand brengen voor parameterconfiguratie. Binnen het dubbelzijdige slingersysteem zijn de parameters van de kaart geconfigureerd om zowel de ingestelde als de werkelijke posities van de wagen te omvatten, samen met de hoeken van de eerste orde en dubbele slingers. Nadat het ontwerp van de bewakingsconfiguratie is voltooid, moeten gebruikers het experiment eerst activeren door op de knop Experiment starten te klikken. Hierna kunnen ze het VR-experiment starten door op de VR-knop in de rechterbenedenhoek van het 3D-modelonderdeel te klikken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Afbeelding 3: Uitvoering van het experiment met het dubbele omgekeerde slingersysteem met behulp van een VR-headset en de WebVR-emulatorextensie. Gebruikers kunnen WebVR-experimenten uitvoeren via VR-apparaten of de WebVR-emulatorextensie. De kubus wordt bestuurd om het setpoint voor de dubbele omgekeerde slinger in te stellen met behulp van een handvat. Zodra de positie van de kubus is bepaald, zal de dubbele omgekeerde slinger gestaag in de richting van het instelpunt bewegen totdat deze uiteindelijk stabiliseert op de ingestelde positie. Aan de rechterkant van het 3D-model bevindt zich een kaart die de wagenpositie en de hoeken van de eerste orde en dubbele slingers vastlegt. De grafiek maakt het ook mogelijk om de trend van veranderingen in de belangrijkste systeemparameters te observeren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-4
Figuur 4: Structuur van het dubbele omgekeerde slingersysteem. Er is een kubus boven de basis en de positie van de kubus is het setpoint van de kar. Gebruikers kunnen de kubus oppakken en de positie aanpassen aan het handvat. Zodra de wisselstroom (AC) servomotor de riem in rotatie brengt, zal de wagen onder impuls van de riem langs de geleiderail rijden. In overeenstemming met deze beweging zullen de slinger van de eerste orde en de dubbele slinger ook de overeenkomstige verplaatsing en rotatie ondergaan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-5
Figuur 5: Gegevensresultaten van de enquêtevragenlijst. De vragenlijst bestond uit zes vragen, die hier elk minutieus werden beschreven. Elke vraag had vijf opties, wat ruwweg betekent helemaal mee oneens, niet mee eens, neutraal, mee eens en helemaal mee eens, op een schaal van 1 tot 5. In totaal werden 21 geldige antwoorden verzameld. De gemiddelde waarden en standaarddeviatie werden berekend op basis van deze scores en grafisch weergegeven in de figuur voor duidelijkheid en interpretatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het gepresenteerde protocol beschrijft een virtueel laboratoriumsysteem dat gebruikers in staat stelt VR-experimenten online uit te voeren, maar maakt ook gebruik van een goedkope pc-controller28, wat bevorderlijk is voor grootschalige promotie van toepassingen. Gebruikers kunnen kennis opdoen over het hele experimentele proces, van principes en algoritmen tot praktische experimentele operaties. Dit systeem stelt gebruikers in staat om zich onder te dompelen in de experimenten, waardoor ze niet meer afhankelijk zijn van traditionele muis- en toetsenbordinvoer. Dit systeem biedt een meeslepende ervaring voor het observeren van het experimentele proces en hands-on manipulatie van experimentele apparaten.

Dit systeem gaat verder dan traditionele interfaces en biedt gebruikers een meer intuïtieve en boeiende manier om te communiceren met experimentele apparatuur. Net als bij hands-on experimenten in een fysiek laboratorium, streeft dit virtuele laboratorium ernaar om de experimentele operaties zo getrouw mogelijk na te bootsen. Deze aanpak van online toegang biedt virtuele laboratoria de volgende voordelen.

Flexibiliteit en gemak: Gebruikers hebben altijd en overal toegang tot virtuele laboratoria via een webbrowser zonder beperkt te zijn tot specifieke fysieke laboratoriumlocaties en -schema's. Deze aanpak vergroot het gemak van leren op afstand aanzienlijk2.

Schaalbaarheid en kosteneffectiviteit: Virtuele laboratoria kunnen gemakkelijk worden geschaald en extra computerbronnen en experimentele apparatuur leveren om te voldoen aan de eisen van grootschalige toepassingen. Gebruikers hoeven zelf geen dure hardwareapparaten aan te schaffen en te onderhouden, maar kunnen experimenten uitvoeren met behulp van webgebaseerde bronnen, waardoor hun kosteninvesteringen worden verlaagd3.

Beveiliging: Virtuele laboratoria kunnen verbeterde beveiligingsmaatregelen bieden. Gebruikers hoeven zich geen zorgen te maken over ongelukken als gevolg van verkeerd gebruik tijdens experimenten, wat tot op zekere hoogte helpt om hun veiligheid te waarborgen29.

Door gebruik te maken van VR-technologie kunnen gebruikers een gesimuleerde laboratoriumomgeving betreden waar ze met objecten kunnen communiceren en experimenten kunnen uitvoeren met behulp van het handvat, vergelijkbaar met een fysiek laboratorium. Zoals weergegeven in afbeelding 3, kunnen gebruikers het handvat gebruiken om de kubus op te pakken en te verplaatsen om het instelpunt voor de wagen in te stellen in het dubbele omgekeerde slingersysteem. Deze vorm van interactie voegt niet alleen een nieuw niveau van realisme en interactiviteit toe aan de virtuele laboratoriumervaring, maar verbetert ook het begrip van de gebruiker van het experiment.

Bovendien biedt dit systeem gebruikers de mogelijkheid om experimenten te verkennen. Ze kunnen hun eigen controlealgoritmen ontwerpen en de effecten van verschillende controleparameters observeren, wat hen helpt een beter begrip te krijgen van de experimentele principes30. Het cultiveert een gevoel van participatie en actief leren bij gebruikers.

Momenteel worden VR-laboratoria voornamelijk ontworpen en gebruikt voor specifieke scenario's, zonder een raamwerk voor grootschalige toepassingen. Gebruikers zijn vaak beperkt tot het uitvoeren van experimenten volgens vooraf gedefinieerde stappen, met beperkte mogelijkheden om hun eigen ideeën te implementeren. Een op WebVR gebaseerd virtueel laboratorium daarentegen integreert experimentele inhoud naadloos als componentmodules in het virtuele laboratorium. Deze aanpak is niet alleen veelzijdig en past in een breed scala aan toepassingskaders, maar stelt gebruikers ook in staat om te communiceren met experimentele apparatuur en op maat gemaakte experimenten uit te voeren op basis van hun voorkeuren en behoeften.

Desalniettemin verdienen bepaalde kwesties aandacht en een oplossing. Deze omvatten de behoefte aan een uitgebreidere opslagplaats van virtuele bronnen, evenals de vereiste voor verbeterde precisie bij het simuleren van het dynamische gedrag van virtuele apparaten in vergelijking met hun fysieke tegenhangers. We zijn van plan om onze Virtual Resource Repository uit te breiden door samen te werken met materiedeskundigen op verschillende gebieden, wat ervoor zal zorgen dat we een breed scala aan experimentele inhoud bestrijken, van natuurwetenschappen tot techniek, om aan de behoeften van verschillende gebruikers te voldoen. Daarnaast stimuleren we gebruikers om actief mee te bouwen aan ons systeem. Naast het geven van suggesties voor de repository, zijn we ook van plan om in de toekomst gebruikersenquêtes en interviews uit te voeren om een beter inzicht te krijgen in de soorten en gebieden van bronnen die gebruikers verwachten. Om de precisie-uitdaging van het simuleren van dynamisch gedrag aan te pakken, worden geavanceerde modelleringstechnieken, zoals op machine learning gebaseerde methoden of complexere wiskundige modellen, gebruikt om de precisie van de representaties van virtuele apparaten te verbeteren. Bovendien worden systemen in de echte wereld vaak gekenmerkt door onzekerheid, die moet worden opgenomen in de benadering van simulatie van virtuele apparaten met behoud van nauwkeurigheid, waardoor een realistischere weergave van de echte wereld mogelijk wordt.

Samenvattend stelt het voorgestelde virtuele laboratoriumsysteem gebruikers in staat om op een meeslepende en interactieve manier deel te nemen aan VR-experimenten. Door een experimentele ervaring te bieden die zo realistisch mogelijk is, verbetert het het begrip van gebruikers van het experimentele proces, van principes en ontwerp tot experimentele operaties. De online toegankelijkheid van het systeem biedt ook een flexibele, handige en veilige experimentele omgeving, waardoor het een veelbelovende oplossing is voor wetenschappelijk onderzoek en educatieve training op grote schaal.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder Grant 62103308 en Grant 62073247, deels door de Fundamental Research Funds for the Central Universities onder Grant 2042023kf0095, deels door de China Postdoctoral Science Foundation onder Grant 2022T150496, en deels door Wuhan University Experiment Technology Project Funding onder Grant WHU-2022-SYJS-10.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3DS MaxAutodesk3ds Max professionele 3D-modellerings-, render- en animatiesoftware stelt je in staat om uitgebreide werelden en eersteklas ontwerpen te maken.
https://www.autodesk.com/ca-en/products/3ds-max/overview
Meta Quest 2Meta Platforms10036728220341meta quest 2 is een standalone virtual reality-headset waarmee gebruikers WebVR-inhoud kunnen ervaren.
https://www.meta.com/it/quest/products/quest-2/
UnityUnity TechnologiesUnity is de platform voor realtime 3D interactieve contentcreatie en -exploitatie.
Alle creatievelingen, waaronder game-ontwikkelaars, kunstenaars, architecten, automobielontwerpers, film en televisie, gebruiken Unity om hun ideeën tot leven te brengen.
Het Unity-platform biedt een complete reeks software-oplossingen voor het maken, exploiteren en realiseren van alle realtime interactieve 2D- en 3D-content
op mobiele telefoons, tablets, pc's, gameconsoles, augmented reality- en virtual reality-apparaten.
https://unity.com/cn

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Martin, F., Sun, T., Westine, C. D. A systematic review of research on online teaching and learning from 2009 to 2018. Comput Educ. 159, 104009(2020).
  2. Al-Nsour, R., Alkhasawneh, R., Alqudah, S. Online engineering education: Laboratories during the pandemic - A case study. 2022 Intermountain Eng, Tech Comp. , 1-4 (2022).
  3. Chirikov, I., Semenova, T., Maloshonok, N., Bettinger, E., Kizilcec, R. F. Online education platforms scale college stem instruction with equivalent learning outcomes at lower cost. Sci Adv. 6 (15), (2020).
  4. Gamage, K. A. A., et al. Online delivery of teaching and laboratory practices: continuity of university programmes during covid-19 pandemic. Educ Sci. 10 (10), Basel. 291(2020).
  5. Kefalis, C., Drigas, A. Web based and online applications in stem education. Int J Eng Pedagogy. 9 (4), 76-85 (2019).
  6. Maiti, A., et al. A framework for analyzing and evaluating architectures and control strategies in distributed remote laboratories. IEEE Trans Learn Technol. 11 (4), 441-455 (2018).
  7. Liang, Y., Liu, G. Design of large scale virtual equipment for interactive hil control system laboratories. IEEE Trans Learn Technol. 11 (3), 376-388 (2018).
  8. Rodriguez-Gil, L., Garcia-Zubia, J., Orduna, P., Lopez-De-Ipina, D. Towards new multiplatform hybrid online laboratory models. IEEE Trans Learn Technol. 10 (3), 318-330 (2017).
  9. Chevalier, A., Copot, C., Ionescu, C., De Keyser, R. A three-year feedback study of a remote laboratory used in control engineering studies. IEEE Trans Educ. 60 (2), 127-133 (2017).
  10. Wang, N., et al. A novel wiki-based remote laboratory platform for engineering education. IEEE Trans Learn Technol. 10 (3), 331-341 (2017).
  11. Cruz-Benito, J., et al. Usalpharma: a software architecture to support learning in virtual worlds. IEEE Revista Iberoamericana De Tecnologias Del Aprendizaje. 11 (3), 194-204 (2016).
  12. Letowski, B., Lavayssière, C., Larroque, B., Schröder, M., Luthon, F. A fully open source remote laboratory for practical learning. Electronics. 9 (11), 1832(2020).
  13. Potkonjak, V., et al. Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: a review. Comput Educ. 95, 309-327 (2016).
  14. Rukangu, A., Tuttle, A., Johnsen, K. Virtual reality for remote controlled robotics in engineering education. IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces Abstracts and Workshops (VRW). , 751-752 (2021).
  15. Sermet, Y., Demir, I. Geospatialvr: a web-based virtual reality framework for collaborative environmental simulations. Comput Geosci. 159, 105010(2022).
  16. zacar, K., Ortakcı, Y., Küçükkara, M. Y. VRArchEducation: Redesigning building survey process in architectural education using collaborative virtual reality. Comp Graph. 113, 1-9 (2023).
  17. Li, Y., Lei, Z., He, Y., Liu, Z. A virtual simulation experiment of mechanics: material deformation and failure based on scanning electron microscopy. J Vis Exp. (191), e64521(2023).
  18. Alsaleh, S., Tepljakov, A., Kose, A., Belikov, J., Petlenkov, E. Reimagine lab: bridging the gap between hands-on, virtual and remote control engineering laboratories using digital twins and extended reality. IEEE Access. 10, 89924-89943 (2022).
  19. Han, B., Weeks, D. J., Leite, F. Virtual reality-facilitated engineering education: A case study on sustainable systems knowledge. Comput Appl Eng Educ. 31 (5), 1174-1189 (2023).
  20. Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Concurrent experimentation in ncslab: a scalable approach for online laboratories. Fut Gen Comp Sys. (148), 139-149 (2023).
  21. Li, W., Huang, H., Solomon, T., Esmaeili, B., Yu, L. Synthesizing personalized construction safety training scenarios for vr training. IEEE Trans Vis Comput Graph. 28 (5), 1993-2002 (2022).
  22. Zhang, Y., et al. Virtual simulation system of paste filling for green mining of metallic mine. 2020 International Conference on Virtual Reality and Visualization. , 256-257 (2020).
  23. Callaghan, M. J., Mccusker, K., Losada, J. L., Harkin, J., Wilson, S. Using game-based learning in virtual worlds to teach electronic and electrical engineering. IEEE Trans Industr Inform. 9 (1), 575-584 (2013).
  24. Garcia-Zubia, J., et al. Empirical analysis of the use of the VISIR remote lab in teaching analog electronics. IEEE T EDUC. 60 (2), 149-156 (2017).
  25. Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Unified and flexible online experimental framework for control engineering education. IEEE T Ind Electron. 69 (1), 835-844 (2022).
  26. Galan, D., Chaos, D., de la Torre, L., Aranda-Escolastico, E., Heradio, R. Customized online laboratory experiments: a general tool and its application to the furuta inverted pendulum [focus on education. IEEE Cont Sys. 39 (5), 75-87 (2019).
  27. Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G., Guan, S. Web-based digital twin communication system of power systems for training and education. IEEE T Pow Syst. , (2023).
  28. Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Controller effect in online laboratories-An overview. IEEE Trans. Learn. Technol. 17, 1-12 (2024).
  29. Liu, Y., et al. Virtual reality system for industrial training. 2020 International Conference on Virtual Reality and Visualization. , 338-339 (2020).
  30. Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. J Vis Exp. (177), e63342(2021).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Virtual Reality LaboratoryWebVR ExperimentsOnline Laboratory SystemDouble Inverted PendulumControl Algorithm DesignDigital Twin TechnologyImmersive ExperimentationRemote Control TechnologyFeedback Matrix Design

Gerelateerde artikelen