Internetowe laboratorium sterowania w sieci wirtualnej rzeczywistości stosowane w edukacji w zakresie inżynierii sterowania

Podsumowanie

To badanie opisuje internetowy system laboratoryjny wirtualnej rzeczywistości (VR) oparty na WebVR, który zapewnia użytkownikom wciągające i interaktywne możliwości eksperymentowania wspierane przez urządzenia VR. Proponowany system nie tylko pomaga zwiększyć realizm udziału użytkowników w eksperymentach online, ale ma również zastosowanie w szerokim zakresie ram laboratoriów online.

Streszczenie

Laboratoria online odgrywają ważną rolę w edukacji inżynierskiej. W niniejszej pracy omówiono system wirtualnego laboratorium oparty na WebVR. Użytkownik wchodzi do symulowanego środowiska laboratoryjnego za pośrednictwem urządzenia rzeczywistości wirtualnej (VR) i wchodzi w interakcję ze sprzętem eksperymentalnym, podobnie jak w przypadku praktycznych eksperymentów w laboratorium fizycznym. Ponadto proponowany system pozwala użytkownikom na projektowanie własnych algorytmów sterowania i obserwowanie skutków różnych parametrów kontrolnych w celu lepszego zrozumienia eksperymentu. Aby zilustrować cechy proponowanego wirtualnego laboratorium, w niniejszym artykule podano przykład, który jest eksperymentem na podwójnym systemie odwróconego wahadła. Wyniki eksperymentów pokazują, że proponowany system pozwala użytkownikom na przeprowadzanie eksperymentów w sposób immersyjny i interaktywny oraz zapewnia użytkownikom kompletny proces eksperymentalny od głównego projektu do eksperymentalnej operacji. Zapewniono również rozwiązanie, które pozwala przekształcić dowolne wirtualne laboratorium w wirtualne laboratorium oparte na WebVR do celów edukacyjnych i szkoleniowych.

Wprowadzenie

Wraz z rozwojem Internetu i popularnością urządzeń mobilnych, zapotrzebowanie na edukację online rośnie¹. W szczególności w okresach powszechnych epidemii tradycyjne instytucje edukacyjne często stają przed wyzwaniami związanymi z efektywnym prowadzeniem nauczania osobistego, co podkreśla znaczenie edukacji online jako ważnego podejścia pedagogicznego². Kursy teoretyczne są stosunkowo łatwe do przeniesienia na platformy internetowe. Można je przeprowadzić za pomocą narzędzi, takich jak oprogramowanie do zdalnych wideokonferencji i masowe otwarte kursy online (MOOC)³. Jednak kursy praktyczne stoją przed większymi wyzwaniami, ponieważ wymagają od użytkowników przeprowadzania praktycznych eksperymentów w tradycyjnych laboratoriach.

Badacze wnieśli znaczący wkład w rozwiązanie problemu udostępnienia eksperymentalnego sprzętu online. W ciągu ostatnich dwóch dekad przeprowadzono szeroko zakrojone badania nad koncepcjami i technologiami laboratoriów internetowych^4,5. Laboratoria online zazwyczaj obejmują laboratoria zdalne⁶, laboratoria wirtualne⁷ i laboratoria hybrydowe⁸. Te internetowe podejścia laboratoryjne znalazły szerokie zastosowanie w różnych dyscyplinach inżynierii, w tym w inżynierii sterowania⁹, inżynierii mechanicznej¹⁰ i inżynierii oprogramowania¹¹.

Chociaż poczyniono znaczne postępy w zakresie wygody operacji eksperymentalnych w laboratoriach online¹², użytkownicy nadal dostrzegają brak realizmu i podobnych praktycznych operacji w porównaniu z tradycyjnymi środowiskami laboratoryjnymi, co wpływa na ich ogólne doświadczenie¹³. Ta rozbieżność w doświadczeniach użytkowników motywuje do dalszych prac badawczo-rozwojowych mających na celu zwiększenie realizmu i zaangażowania w środowiskach laboratoryjnych online.

Aby rozwiązać powyższe problemy, technologia wirtualnej rzeczywistości (VR) została zastosowana w wirtualnych laboratoriach¹⁴ w celu poprawy immersyjności i interaktywności wirtualnych laboratoriów¹⁵. Wirtualne laboratoria oparte na VR zapewniają użytkownikom niemal realistyczne doświadczenie eksperymentalne. Użytkownicy mogą wykonywać zadania grupowe w procesie edukacji architektonicznej za pomocą avatars¹⁶, wykonując proces pomiarów architektonicznych razem w sposób wciągający, tak jak w tradycyjnym środowisku klasowym. Co więcej, wirtualne laboratoria oparte na VR pozwalają użytkownikom wejść w wciągające środowisko wirtualnych laboratoriów i wchodzić w interakcję z wirtualnym sprzętem eksperymentalnym poprzez noszenie zestawów słuchawkowych i uchwytów VR¹⁷, poprawiając praktyczne umiejętności użytkowników¹⁸. Dla różnych celów edukacyjnych możemy projektować różne środowiska wirtualne. Na przykład VR można połączyć z teorią grywalizacji, aby poprawić edukację inżynierską dla ogółu społeczeństwa i poprawić efektywność rozpowszechniania trudnej do zrozumienia wiedzy, takiej jak zrównoważony rozwój¹⁹.

Podobnie jak laboratoria online, szczególnie laboratoria wirtualne, wirtualne laboratoria oparte na WebVR mają wiele zalet. Po pierwsze, przełamują ograniczenia czasowe i przestrzenne tradycyjnych laboratoriów, a użytkownicy mogą przeprowadzać eksperymenty w dowolnym miejscu i czasie²⁰. Po drugie, laboratoria online mogą zapewnić bezpieczniejsze środowisko eksperymentalne, aby uniknąć możliwych zagrożeń i wypadków podczas operacji eksperymentalnych²¹. Po trzecie, wirtualne laboratoria mogą również zapewnić więcej zasobów eksperymentalnych i sytuacji symulacyjnych, aby rozszerzyć zakres eksperymentów i doświadczenie użytkowników²². Co najważniejsze, wirtualne laboratoria oparte na WebVR mogą stymulować zainteresowanie i inicjatywę użytkowników w nauce oraz zwiększać ich doświadczenie eksperymentalne i uczestnictwo²³.

W porównaniu z innymi wirtualnymi laboratoriami opartymi na VR, wirtualne laboratorium oparte na WebVR płynnie łączy zalety wirtualnych laboratoriów opartych na VR z internetowymi laboratoriami internetowymi. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)²⁴ buduje podstawowe analogowe elektroniczne zdalne laboratorium, konstruując rzeczywiste płytki drukowane. Użytkownicy mogą przeprowadzać symulowane eksperymenty w interfejsie internetowym, aby ukończyć rzeczywiste eksperymenty na płytkach drukowanych. Weblab-Deusto⁸ buduje laboratorium FPGA (Field Programmable Gate Array) zbiornika na wodę, w którym użytkownicy mogą wchodzić w interakcje z trójwymiarowym (3D) modelem zbiornika na wodę na platformie internetowej bez polegania na innych wtyczkach. System zaproponowany w tym artykule wprowadza możliwość bezproblemowej integracji WebVR jako komponentu modułowego z istniejącą infrastrukturą wirtualnego laboratorium. Integracja ta może być osiągnięta bez niszczenia oryginalnych ram architektonicznych laboratorium, zachowując w ten sposób podstawową strukturę i funkcję laboratorium. Ta integracja ma również zastosowanie do struktury laboratorium online z oddzielnym front-endem i back-endem.

System proponowany w tym artykule jest zaimplementowany w oparciu o Laboratorium Sieciowego Systemu Sterowania (NCSLab)²⁵, który dziedziczy elastyczność, interaktywność, modułowość i cechy międzyplatformowe systemu NCSLab. Użytkownicy mogą przeprowadzać eksperymenty według różnych modułów, a także dostosowywać algorytmy i interfejsy konfiguracyjne, zapewniając użytkownikom wystarczająco dużo miejsca na samorealizację. Eksperymenty online są prowadzone w czasie rzeczywistym zgodnie z algorytmami uruchamianymi przez użytkownika. Użytkownicy mogą wchodzić w interakcje z modelem wirtualnym, aby zmieniać dane wejściowe algorytmu eksperymentalnego podczas przeprowadzania eksperymentów VR, a nawet mogą zmieniać parametry algorytmu sterującego za pomocą komponentów, dzięki czemu użytkownicy mogą bardziej realistycznie doświadczyć zasady działania algorytmu sterowania.

Wirtualne laboratoria oparte na WebVR mają ogromny potencjał dla edukacji online. Może zapewnić wciągające doświadczenie eksperymentalne, przezwyciężyć ograniczenia tradycyjnych laboratoriów oraz promować praktyczne umiejętności praktyczne i innowacyjne myślenie wśród użytkowników.

Protokół

To badanie spełniło wytyczne Komitetu Etyki Badań Naukowych na Uniwersytecie w Wuhan i uzyskano świadomą zgodę na wszystkie dane eksperymentalne. W tym artykule omówiono etapy eksperymentalne dla systemu podwójnie odwróconego wahadła, a wszystkie kroki są wykonywane w NCSLab opartym na WebVR.

1. Dostęp do systemu NCSLab opartego na WebVR

1. Otwórz przeglądarkę internetową obsługującą WebVR. Wprowadź adres URL (Uniform Resource Locator) NCSLab opartego na WebVR, aby uzyskać dostęp do systemu.
2. Kliknij przycisk Rozpocznij eksperyment, aby zalogować się do systemu NCSLab. Jeśli logujesz się do systemu po raz pierwszy, dokonaj rejestracji konta.
3. Zaloguj się do systemu NCSLab, wybierz różne eksperymenty z lewego paska menu, a następnie wybierz eksperyment z podwójnym odwróconym wahadłem w tym przypadku.
4. Wejdź na podstronę 3D na stronie głównej.
   UWAGA: Na stronie głównej znajduje się pięć podstron, zaczynając od pierwszej, czyli wprowadzenia modelu wyposażenia. Zawiera animację modelu 3D, a także dokumentację. Odwiedzając tę stronę, użytkownicy mogą zrozumieć zasadę działania systemu podwójnie odwróconego wahadła, umożliwiając wygodne wykonywanie kolejnych eksperymentów.
5. Złóż wniosek o kontrolę eksperymentu, klikając przycisk Zażądaj kontroli, aby zapewnić efektywne wykorzystanie zasobów. Dzięki temu użytkownicy będą mieli 30 minut czasu na eksperyment.
   UWAGA: W przypadku eksperymentów wirtualnych 500 użytkowników może być dopuszczonych do przeprowadzania eksperymentów w tym samym czasie.
6. Wejdź na podstronę z informacjami o roślinie, aby uzyskać dostęp do szczegółowych informacji na temat aparatury doświadczalnej. Obejmuje to informacje o sprzęcie, który jest obecnie używany, sprzęcie, który pozostaje nieużywany, oraz sprzęcie związanym z konserwacją.
7. Wybierz domyślny algorytm sterowania systemu do pobrania na podstronie Algorytm eksperymentalny. Możesz też przejść do podstrony Projektowanie algorytmów, aby zaprojektować inny algorytm.
   1. Aby zaprojektować nowy algorytm sterowania, kliknij przycisk Utwórz nowy model na podstronie projektowania algorytmu, aby przejść do interfejsu projektowania.
      UWAGA: Proces projektowania algorytmów ściśle odzwierciedla proces MATLAB/Simulink, w którym użytkownicy konstruują schemat blokowy algorytmu sterowania za pomocą intuicyjnego podejścia "przeciągnij i upuść", wykorzystując różne moduły do stworzenia pożądanej logiki sterowania.
   2. Zbuduj kompletny schemat blokowy algorytmu sterowania, jak pokazano w Rysunek 1, a następnie wykonaj czynności opisane poniżej.
   3. Wybierz moduł systemu podwójnie odwróconego wahadła z modelu urządzenia po lewej stronie.
   4. Wybierz moduł wzmocnienia, aby zaprojektować matrycę sprzężenia zwrotnego dla sterownika liniowego regulatora kwadratowego (LQR).
   5. Wybierz sygnał krokowy jako wejście i dodaj inne moduły. Kliknij dwukrotnie moduł, aby wyświetlić szczegółowe informacje i zmodyfikować konfigurację parametrów. Na przykład kliknij dwukrotnie moduł sygnału stałego, aby zmodyfikować wartość sygnału stałego.
8. Kliknij przycisk Rozpocznij symulację po zakończeniu projektowania algorytmu sterowania. Po zakończeniu symulacji obserwuj skuteczność sterowania zaprojektowanego algorytmu. Jeśli wyniki symulacji nie są zadowalające, należy dostroić parametry sterowników LQR, aż do uzyskania algorytmu sterowania o zwiększonej wydajności.
9. Kliknij przycisk Kompiluj, aby wygenerować algorytm sterowania. Po kompilacji algorytm jest przechowywany w prywatnym obszarze algorytmu na podstronie algorytmu eksperymentalnego oraz na podstronie projektowania algorytmu.
10. Pobierz algorytm sterowania na podstronie algorytmu eksperymentalnego, klikając przycisk Pobierz algorytm znajdujący się po prawej stronie sekcji algorytmu sterowania.
11. Wybierz konfigurację eksperymentalną i przeprowadź eksperymenty na podstronie Konfiguracja monitorowania. System zapewnia wstępnie zdefiniowaną konfigurację, aby spełnić ogólne wymagania eksperymentalne użytkowników.
    UWAGA: Użytkownicy mogą kliknąć przycisk Utwórz nowy monitor, aby utworzyć niestandardową konfigurację monitorowania dostosowaną do ich konkretnych wymagań eksperymentalnych.
12. Dostosuj konfigurację monitorowania i wybierz spośród wielu komponentów dostępnych w interfejsie edycji podstrony konfiguracji monitorowania, jak pokazano na Rysunek 2. Komponenty te obejmują komponenty zmiennych wejściowych, komponenty wyświetlania krzywej zmiennej wyjściowej i komponenty modelu 3D.
13. W przypadku eksperymentów VR wybierz komponent Model 3D. Komponent Model 3D umożliwia użytkownikom zintegrowanie modelu 3D z konfiguracją monitorowania.
14. Aby ułatwić konfigurację parametrów, dostosuj parametry dla każdego komponentu, które są bezpośrednio powiązane ze zmiennymi parametrów systemu. Kliknij dwukrotnie komponent i uzyskaj dostęp do okna, aby wybrać odpowiednie opcjonalne parametry w systemie eksperymentalnym.
15. Użytkownicy mają możliwość elastycznej optymalizacji układu konfiguracji monitorowania poprzez zmianę rozmiaru komponentów. W tym celu należy przeciągnąć krawędzie odpowiednich komponentów do żądanych wymiarów.
16. Kliknij przycisk Zapisz, aby zapisać zaprojektowaną konfigurację monitorowania do wykorzystania w przyszłości w kolejnych eksperymentach, oszczędzając czas i wysiłek związany z wielokrotnym ustawianiem systemu monitorowania.
    UWAGA: Konfigurację monitorowania można przeprowadzić dopiero po prawidłowym pobraniu algorytmu sterowania.
17. Kliknij przycisk Rozpocznij eksperyment w oknie, aby rozpocząć eksperyment. Kliknij przycisk VR w prawym dolnym rogu komponentu modelu 3D, aby uruchomić eksperyment VR.
    UWAGA: Eksperyment VR jest osadzony na stronie internetowej. Gdy użytkownicy używają go po raz pierwszy, przeglądarka może wyświetlić monit w lewym górnym rogu, aby zezwolić przeglądarce na korzystanie z funkcji VR, wybierz Zezwól, aby kontynuować.

2. Wybór metody dostępu

1. Użyj rozszerzenia emulatora WebVR. Aby przeprowadzić eksperymenty przy użyciu tej metody, zainstaluj rozszerzenie emulatora WebVR, które jest łatwo dostępne do wyszukiwania i pobrania ze sklepu z rozszerzeniami przeglądarki.
   UWAGA: Rozszerzenie emulatora WebVR pomaga użytkownikom uruchamiać treści WebVR w przeglądarce internetowej i zapewnia wirtualne gogle VR oraz środowisko kontrolera uchwytów bez konieczności korzystania z prawdziwego urządzenia VR.
2. Korzystaj z urządzeń VR obsługujących WebVR. Jeśli urządzenia VR są używane po raz pierwszy, wymagana jest podstawowa konfiguracja środowiska. Najpierw włącz zasilanie zestawu słuchawkowego i kontrolera, aby uruchomić system. Skonfiguruj początkowy program ROOM w zestawie słuchawkowym. Postępując zgodnie ze wskazówkami wizualnymi wyświetlanymi na ekranie zestawu słuchawkowego, użyj kontrolerów uchwytów, aby dokładnie skalibrować granice i orientację środowiska przestrzeni wirtualnej. Na koniec nawiąż połączenie przesyłania strumieniowego między zestawem słuchawkowym a komputerem.
   UWAGA: Jest to druga metoda uzyskania dostępu do proponowanego systemu. Urządzenia VR zazwyczaj zawierają zestaw słuchawkowy i parę kontrolerów uchwytów. Urządzenia VR mają wbudowane sklepy, z których użytkownicy mogą pobrać przeglądarki obsługujące WebVR. Alternatywnie użytkownicy mogą korzystać z wbudowanej przeglądarki, która zazwyczaj obsługuje WebVR. Warto zauważyć, że różne urządzenia VR mogą wykorzystywać różne metody łączności.

3. Procedura eksperymentalna

1. Dostosuj perspektywę, aby znaleźć optymalną pozycję do przeprowadzenia eksperymentu z podwójnym odwróconym układem wahadła.
   1. W przypadku użytkowników korzystających z rozszerzenia emulatora WebVR otwórz Narzędzia programistyczne, zlokalizuj rozszerzenie WebVR i manipuluj wirtualnym urządzeniem VR za pomocą myszy, aby dostosować perspektywę, jak pokazano na Rysunek 3.
   2. Użytkownicy korzystający z urządzeń VR mogą zanurzyć się w wirtualnym środowisku eksperymentalnym i ustalić optymalną pozycję eksperymentalną poprzez ruchy fizyczne.
2. Wejdź w interakcję z systemem podwójnie odwróconego wahadła za pomocą kontrolera uchwytu, jak opisano poniżej.
   1. Przysuń uchwyt bliżej sześcianu. Naciśnij przycisk Trigger, aby podnieść kostkę, a system wahadła z podwójnie odwróconym wahadłem przestanie się poruszać.
   2. Przesuwając uchwyt, kontroluj położenie kostki. Zwolnij kostkę, gdy znajdzie się w żądanej pozycji, zwalniając przycisk spustu. Pozycja jest teraz wyznaczona jako kolejna wartość zadana dla koszyka, jak pokazano na Rysunek 3.
3. Obserwuj proces ruchu systemu podwójnie odwróconego wahadła. Manipulując serwomotorem prądu przemiennego (AC), wprawij pasek w ruch. Pod wpływem impulsu pasa odwrócone wahadło może poruszać się wzdłuż szyny prowadzącej, struktura systemu podwójnie odwróconego wahadła jest wyjaśniona w Rysunek 4. W końcu podwójnie odwrócone wahadło ustabilizuje się w punkcie zadanym.
4. Zachęcaj użytkowników do iteracyjnego manipulowania pozycją sześcianu, ciągłego dostosowywania wartości zadanej wózka i skrupulatnej obserwacji dynamicznego zachowania systemu podwójnie odwróconego wahadła.

Wyniki

Prezentowany system eksperymentów VR daje użytkownikom możliwość angażowania się w immersyjne eksperymenty za pomocą urządzeń VR, zwiększając w ten sposób interakcję między użytkownikami a sprzętem eksperymentalnym. Ponadto system jest oparty na przeglądarce internetowej, co eliminuje konieczność konfigurowania środowisk lokalnych przez użytkowników. Taka konstrukcja pozwala na skalowalność systemu, dzięki czemu nadaje się on do zastosowań na dużą skalę oraz do celów szkoleniowych i edukacyjnych.

W tradycyjnych środowiskach laboratoryjnych użytkownicy są zobowiązani do osobistego konfigurowania i instalowania oprogramowania oraz urządzeń sprzętowych, co może pochłaniać znaczną ilość czasu i zasobów²⁶. Jednak wirtualne laboratoria wykorzystują technologie przetwarzania w chmurze i wirtualizacji, aby przenieść środowiska laboratoryjne do chmury. Użytkownicy mogą po prostu uzyskać dostęp do odpowiedniej strony internetowej za pośrednictwem przeglądarki internetowej, aby korzystać z funkcji i zasobów oferowanych przez laboratoria.

Rysunek 3 pokazuje, że użytkownicy mogą angażować się w eksperymenty WebVR przy użyciu różnych podejść. Użytkownicy, którzy nie mają łatwo dostępnych urządzeń VR, mogą szybko przeprowadzać eksperymenty za pomocą rozszerzeń przeglądarki. Użytkownicy, którzy mają dostęp do urządzeń VR, mogą zanurzyć się w eksperymentach i wchodzić w bezpośrednią interakcję ze sprzętem eksperymentalnym, zwiększając realizm podczas eksploracji procesu eksperymentalnego. Te dwa różne sposoby przeprowadzania eksperymentów WebVR zapewniają użytkownikom więcej opcji i umożliwiają szerszemu gronu użytkowników korzystanie z proponowanego systemu.

Przykłady podwójnego odwróconego wahadła pokazują, że proponowane wirtualne laboratorium oparte na WebVR może działać bezpośrednio w przeglądarce internetowej, bez potrzeby instalacji dodatkowego oprogramowania czy konfiguracji. Takie podejście nie tylko zmniejsza niedogodności użytkownika, ale także znacznie zwiększa skalowalność systemu. Dodatkowo użytkownicy mają możliwość korzystania z urządzeń VR do wciągającej interakcji ze sprzętem eksperymentalnym. Wykorzystując kontrolery uchwytów do regulacji parametrów systemu, użytkownicy nie tylko zwiększają swoje praktyczne doświadczenie, ale także poszerzają swoją wiedzę teoretyczną i umiejętności praktyczne.

Łącznie 21 studentów wzięło udział w eksperymencie, w którym przeprowadzono ankietę w celu dalszego sprawdzenia możliwości zastosowania i skuteczności proponowanego systemu. Uwzględniliśmy studentów z doświadczeniem w automatyce i inżynierii sterowania, a wszyscy ci studenci wcześniej uczestniczyli w wirtualnych eksperymentach w NCSLab i mieli podstawową wiedzę na temat wirtualnych eksperymentów, ale nie brali udziału w eksperymentach VR w NCSLab opartym na WebVR. Przyjmując anonimowe dane statystyczne, gwarantujemy prywatność i bezpieczeństwo uczestników podczas wypełniania kwestionariusza, zapewniając w ten sposób wiarygodność danych kwestionariuszowych.

Wyniki kwestionariusza są pokazane w Rysunek 5, a dane wskazują, że system zaproponowany w tym artykule działa dobrze pod względem realizmu i interakcji z urządzeniem oraz osiąga znaczną poprawę w porównaniu z tradycyjnym wirtualnym eksperymentem z użyciem myszy i klawiatury. Ponadto informacje zwrotne od uczestników wykazały, że system nie tylko zwiększył zainteresowanie uczniów i umiejętności eksperymentalne w zakresie uczenia się, ale także pomógł im lepiej zrozumieć treści eksperymentalne, poprawiając w ten sposób wyniki uczenia się.

Warto zauważyć, że większość studentów uważała, że ten rodzaj eksperymentowania nie tylko ma zastosowanie w obecnym kursie i eksperymencie, ale ma również potencjał do zastosowania w innych kursach i eksperymentach.

System proponowany w tym artykule wykorzystuje oprogramowanie 3DS Max do modelowania eksperymentalnego sprzętu, które renderuje sceny eksperymentalne za pomocą oprogramowania silnika Unity²⁷ i pozwala użytkownikom na interakcję ze sprzętem za pomocą urządzeń VR. Na koniec sceny eksperymentalne są pakowane w format Web Graphics Library (WebGL) i bezproblemowo integrowane z systemem laboratoryjnym online w postaci modułowych komponentów w celu zbudowania wirtualnego systemu laboratoryjnego opartego na WebVR.

Rysunek 1: Projekt algorytmu sterowania dla systemu podwójnie odwróconego wahadła. Użytkownicy mogą wybierać różne moduły z biblioteki modułów po lewej stronie, aby zbudować algorytm sterowania dla systemu podwójnie odwróconego wahadła. Dobór i łączenie modułów są podobne jak w MATLAB/Simulink. W dziedzinie podwójnie odwróconych układów wahadłowych istnieje mnóstwo metod sterowania. Dla obecnego systemu wybraną strategią jest podejście sterowania liniowym regulatorem kwadratowym (LQR), a rysunek ilustruje matrycę sprzężenia zwrotnego ukształtowaną zgodnie ze sterownikiem LQR. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Projekt konfiguracji do monitorowania systemu podwójnie odwróconego wahadła. Użytkownicy mogą wybrać komponenty z powyższej biblioteki komponentów, aby zaprojektować konfigurację monitorowania. Jeśli pożądany jest eksperyment VR, należy wybrać komponent Model 3D. Użytkownicy mogą zdecydować się na komponent Wykres do wizualnego śledzenia zmian w orientacji kątowej i położeniu podwójnie odwróconego wahadła lub komponent wejściowy do wprowadzania zmian parametrów sterownika. Dwukrotne kliknięcie komponentu pozwala użytkownikom na ustanowienie powiązań między zmiennymi systemowymi w celu konfiguracji parametrów. W systemie podwójnie odwróconego wahadła parametry wykresu są skonfigurowane tak, aby obejmowały zarówno ustawione, jak i rzeczywiste pozycje wózka, wraz z kątami wahadła pierwszego rzędu i podwójnego. Po zakończeniu projektowania konfiguracji monitorowania użytkownicy powinni najpierw aktywować eksperyment, klikając przycisk Rozpocznij eksperyment. Następnie mogą zainicjować eksperyment VR, klikając przycisk VR znajdujący się w prawym dolnym rogu komponentu Model 3D. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Przeprowadzanie eksperymentu z systemem podwójnie odwróconego wahadła przy użyciu gogli VR i rozszerzenia emulatora WebVR. Użytkownicy mogą przeprowadzać eksperymenty WebVR za pośrednictwem urządzeń VR lub rozszerzenia emulatora WebVR. Kostka jest sterowana w celu ustawienia wartości zadanej dla podwójnego odwróconego wahadła za pomocą uchwytu. Po ustaleniu pozycji sześcianu, podwójnie odwrócone wahadło będzie się stopniowo przesuwać w kierunku wartości zadanej, aż w końcu ustabilizuje się w ustawionej pozycji. Po prawej stronie modelu 3D znajduje się wykres, na którym zapisana jest pozycja wózka oraz kąty pierwszego rzędu i podwójnych wahadeł. Wykres pozwala również na obserwację trendu zmian kluczowych parametrów systemu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Struktura systemu podwójnego odwróconego wahadła. Nad podstawą znajduje się sześcian, a pozycja kostki jest wartością zadaną wózka. Użytkownicy mogą podnieść kostkę i dostosować pozycję za pomocą uchwytu. Gdy serwomotor prądu przemiennego (AC) wprawi taśmę w ruch obrotowy, wózek będzie poruszał się po szynie prowadzącej pod wpływem impulsu pasa. W połączeniu z tym ruchem, wahadło pierwszego rzędu i wahadło podwójne również ulegną odpowiedniemu przemieszczeniu i obrotowi. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Wyniki ankiety z danymi przeprowadzonymi w ankiecie. Kwestionariusz składał się z sześciu pytań, z których każde zostało tutaj skrupulatnie szczegółowe. Każde pytanie miało pięć opcji, co w przybliżeniu oznacza zdecydowanie się nie zgadzam, nie zgadzam się, neutralnie, zgadzam się i zdecydowanie się zgadzam, w skali od 1 do 5. Łącznie zebrano 21 ważnych odpowiedzi. Średnie wartości i odchylenie standardowe zostały obliczone na podstawie tych wyników i przedstawione graficznie na rysunku dla jasności i interpretacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Prezentowany protokół opisuje system wirtualnego laboratorium, który umożliwia użytkownikom przeprowadzanie eksperymentów VR online, ale wykorzystuje również tani kontroler PC²⁸, co sprzyja promocji aplikacji na dużą skalę. Użytkownicy mogą zdobyć wiedzę na temat całego procesu eksperymentalnego, od zasad i algorytmów po praktyczne operacje eksperymentalne. System ten pozwala użytkownikom zanurzyć się w eksperymentach, eliminując zależność od tradycyjnego wprowadzania danych za pomocą myszy i klawiatury. System ten zapewnia wciągające doświadczenie obserwacji procesu eksperymentalnego i praktycznej manipulacji urządzeniami eksperymentalnymi.

System ten wykracza poza tradycyjne interfejsy i zapewnia użytkownikom bardziej intuicyjny i angażujący sposób interakcji ze sprzętem eksperymentalnym. Podobnie jak w przypadku eksperymentów praktycznych w laboratorium fizycznym, to wirtualne laboratorium stara się jak najwierniej odtworzyć operacje eksperymentalne. Takie podejście do dostępu online zapewnia wirtualnym laboratoriom następujące korzyści.

Elastyczność i wygoda: Użytkownicy mogą uzyskać dostęp do wirtualnych laboratoriów w dowolnym miejscu i czasie za pośrednictwem przeglądarki internetowej, bez ograniczeń do określonych lokalizacji i harmonogramów laboratoriów fizycznych. Takie podejście znacznie zwiększa wygodę nauki zdalnej².

Skalowalność i opłacalność: Wirtualne laboratoria mogą łatwo skalować się i zapewniać dodatkowe zasoby obliczeniowe oraz sprzęt eksperymentalny, aby sprostać wymaganiom aplikacji na dużą skalę. Użytkownicy nie muszą sami kupować i konserwować drogich urządzeń sprzętowych, ale mogą przeprowadzać eksperymenty przy użyciu zasobów internetowych, co zmniejsza koszty inwestycji³.

Bezpieczeństwo: Wirtualne laboratoria mogą oferować ulepszone środki bezpieczeństwa. Użytkownicy nie muszą się martwić o wypadki wynikające z niewłaściwej obsługi podczas eksperymentów, co pomaga w pewnym stopniu zapewnić im bezpieczeństwo²⁹.

Wykorzystując technologię VR, użytkownicy mogą wejść do symulowanego środowiska laboratoryjnego, w którym mogą wchodzić w interakcje z obiektami i przeprowadzać eksperymenty za pomocą uchwytu, podobnie jak w fizycznym laboratorium. Jak pokazano na rysunku 3, użytkownicy mogą używać uchwytu do podnoszenia i przesuwania kostki, aby ustawić wartość zadaną wózka w systemie podwójnego odwróconego wahadła. Ta forma interakcji nie tylko dodaje nowy poziom realizmu i interaktywności do wirtualnego laboratorium, ale także zwiększa zrozumienie eksperymentu przez użytkowników.

Dodatkowo system ten daje użytkownikom możliwość eksplorowania eksperymentów. Mogą projektować własne algorytmy sterowania i obserwować efekty różnych parametrów kontrolnych, co pomaga im lepiej zrozumieć zasady eksperymentu³⁰. Pielęgnuje poczucie uczestnictwa i aktywnego uczenia się wśród użytkowników.

Obecnie laboratoria VR są przede wszystkim projektowane i wykorzystywane do konkretnych scenariuszy, brakuje im ram do zastosowań na dużą skalę. Użytkownicy często ograniczają się do przeprowadzania eksperymentów według wcześniej zdefiniowanych kroków, z ograniczonymi możliwościami realizacji własnych pomysłów. Z kolei wirtualne laboratorium oparte na WebVR bezproblemowo integruje treści eksperymentalne jako moduły składowe z wirtualnym laboratorium. Takie podejście jest nie tylko wszechstronne, wpasowując się w szeroką gamę ram aplikacji, ale także umożliwia użytkownikom interakcję ze sprzętem eksperymentalnym i przeprowadzanie eksperymentów dostosowanych do ich preferencji i potrzeb.

Niemniej jednak pewne kwestie zasługują na uwagę i rozwiązanie. Należą do nich potrzeba bardziej rozbudowanego repozytorium zasobów wirtualnych, a także wymóg zwiększonej precyzji w symulacji dynamicznego zachowania urządzeń wirtualnych w porównaniu z ich fizycznymi odpowiednikami. Planujemy rozszerzyć nasze Repozytorium Zasobów Wirtualnych poprzez współpracę z ekspertami w różnych dziedzinach, co zapewni, że obejmiemy szeroki zakres treści eksperymentalnych, od nauk przyrodniczych po inżynierię, aby zaspokoić potrzeby różnych użytkowników. Ponadto zachęcamy użytkowników do aktywnego udziału w budowie naszego systemu. Oprócz dostarczania sugestii dotyczących repozytorium, planujemy również przeprowadzić w przyszłości ankiety i wywiady z użytkownikami, aby lepiej zrozumieć typy i obszary zasobów, których oczekują użytkownicy. Aby sprostać wyzwaniu precyzji symulacji zachowań dynamicznych, stosuje się zaawansowane techniki modelowania, takie jak metody oparte na uczeniu maszynowym lub bardziej złożone modele matematyczne, w celu poprawy precyzji reprezentacji urządzeń wirtualnych. Ponadto systemy świata rzeczywistego często charakteryzują się niepewnością, która musi zostać uwzględniona w podejściu do symulacji urządzeń wirtualnych, zachowując dokładność, co pozwala na bardziej realistyczne odwzorowanie świata rzeczywistego.

Podsumowując, proponowany system wirtualnego laboratorium umożliwia użytkownikom uczestnictwo w eksperymentach VR w sposób immersyjny i interaktywny. Zapewniając doświadczenie eksperymentalne, które jest tak realistyczne, jak to tylko możliwe, zwiększa zrozumienie procesu eksperymentalnego przez użytkowników, od zasad i projektu po operacje eksperymentalne. Dostępność online systemu zapewnia również elastyczne, wygodne i bezpieczne środowisko eksperymentalne, co czyni go obiecującym rozwiązaniem dla badań naukowych i szkoleń edukacyjnych na dużą skalę.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
3DS Max	Profesjonalne oprogramowanie do modelowania, renderowania i animacji 3DS Max Autodesk 3ds Max umożliwia tworzenie rozległych światów i projektów premium. https://www.autodesk.com/ca-en/products/3ds-max/overview
			https://www.meta.com/it/quest/products/quest-2/
Unity	Unity Technologies		Unity to platforma do tworzenia i obsługi interaktywnych treści 3D w czasie rzeczywistym. Wszyscy twórcy, w tym twórcy gier, artyści, architekci, projektanci samochodów, film i telewizja, używają Unity, aby wcielać swoje pomysły w życie. Platforma Unity oferuje kompletny zestaw rozwiązań programowych do tworzenia, obsługi i realizacji dowolnych interaktywnych 2D w czasie rzeczywistym oraz treści 3D na telefonach komórkowych, tabletach, komputerach PC, konsolach do gier, urządzeniach rzeczywistości rozszerzonej i rzeczywistości wirtualnej. https://unity.com/cn