Name: Internetowe laboratorium sterowania w sieci wirtualnej rzeczywistości stosowane w edukacji w zakresie inżynierii sterowania (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-02-23T14:50:00.000+00:00
Duration: 4 min 15 s
Description: Poznaj system WebVR do immersyjnych eksperymentów online w edukacji inżynierskiej. Technologia wirtualnej rzeczywistości zwiększa zaangażowanie użytkowników i poprawia interakcję ze sprzętem laboratoryjnym w przeglądarce.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była częściowo wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin w ramach Grantu 62103308 i Grantu 62073247, częściowo przez Fundusze Badań Podstawowych dla Uniwersytetów Centralnych w ramach Grantu 2042023kf0095, częściowo przez Chińską Fundację Nauki Podoktorskiej w ramach Grantu 2022T150496, a częściowo przez Finansowanie Projektu Technologii Eksperymentalnej Uniwersytetu Wuhan w ramach Grantu WHU-2022-SYJS-10.

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
<ol>
	<li>Otwórz przeglądarkę internetową obsługującą WebVR. Wprowadź adres URL (Uniform Resource Locator) NCSLab opartego na WebVR, aby uzyskać dostęp do systemu.</li>
	<li>Kliknij przycisk Rozpocznij eksperyment, aby zalogować się do systemu NCSLab. Jeśli logujesz się do systemu po raz pierwszy, dokonaj rejestracji konta.</li>
	<li>Zaloguj się do systemu NCSLab, wybierz różne eksperymenty z lewego paska menu, a następnie wybierz eksperyment z podwójnym odwróconym wahadłem w tym przypadku.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wybierz domyślny algorytm sterowania systemu do pobrania na podstronie Algorytm eksperymentalny. Możesz też przejść do podstrony Projektowanie algorytmów, aby zaprojektować inny algorytm.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Zbuduj kompletny schemat blokowy algorytmu sterowania, jak pokazano w Rysunek 1, a następnie wykonaj czynności opisane poniżej.</li>
		<li>Wybierz moduł systemu podwójnie odwróconego wahadła z modelu urządzenia po lewej stronie.</li>
		<li>Wybierz moduł wzmocnienia, aby zaprojektować matrycę sprzężenia zwrotnego dla sterownika liniowego regulatora kwadratowego (LQR).</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Pobierz algorytm sterowania na podstronie algorytmu eksperymentalnego, klikając przycisk Pobierz algorytm znajdujący się po prawej stronie sekcji algorytmu sterowania.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>W przypadku eksperymentów VR wybierz komponent Model 3D. Komponent Model 3D umożliwia użytkownikom zintegrowanie modelu 3D z konfiguracją monitorowania.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Użytkownicy mają możliwość elastycznej optymalizacji układu konfiguracji monitorowania poprzez zmianę rozmiaru komponentów. W tym celu należy przeciągnąć krawędzie odpowiednich komponentów do żądanych wymiarów.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Wybór metody dostępu
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
3. Procedura eksperymentalna
<ol>
	<li>Dostosuj perspektywę, aby znaleźć optymalną pozycję do przeprowadzenia eksperymentu z podwójnym odwróconym układem wahadła.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Użytkownicy korzystający z urządzeń VR mogą zanurzyć się w wirtualnym środowisku eksperymentalnym i ustalić optymalną pozycję eksperymentalną poprzez ruchy fizyczne.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wejdź w interakcję z systemem podwójnie odwróconego wahadła za pomocą kontrolera uchwytu, jak opisano poniżej.
	<ol>
		<li>Przysuń uchwyt bliżej sześcianu. Naciśnij przycisk Trigger, aby podnieść kostkę, a system wahadła z podwójnie odwróconym wahadłem przestanie się poruszać.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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 <silna klasa = "xfig" >Rysunek 4. W końcu podwójnie odwrócone wahadło ustabilizuje się w punkcie zadanym.</li>
	<li>Zachęcaj użytkowników do iteracyjnego manipulowania pozycją sześcianu, ciągłego dostosowywania wartości zadanej wózka i skrupulatnej obserwacji dynamicznego zachowania systemu podwójnie odwróconego wahadła.</li>
</ol>

WebVR-Based Virtual Reality Laboratory System for Immersive Online Experiments

<ol><li>Martin, F., Sun, T., Westine, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+systematic+review+of+research+on+online+teaching+and+learning+from+2009+to+2018%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Educ%22%5BJournal%5D)">A systematic review of research on online teaching and learning from 2009 to 2018.</a> Comput Educ. 159, 104009(2020).</li>
<li>Al-Nsour, R., Alkhasawneh, R., Alqudah, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Online+engineering+education%3A+Laboratories+during+the+pandemic+-+A+case+study%5BTitle%5D)+AND+%222022+Intermountain+Eng%2C+Tech+Comp%22%5BJournal%5D)">Online engineering education: Laboratories during the pandemic - A case study.</a> 2022 Intermountain Eng, Tech Comp. , 1-4 (2022).</li>
<li>Chirikov, I., Semenova, T., Maloshonok, N., Bettinger, E., Kizilcec, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Online+education+platforms+scale+college+stem+instruction+with+equivalent+learning+outcomes+at+lower+cost%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Adv%22%5BJournal%5D)">Online education platforms scale college stem instruction with equivalent learning outcomes at lower cost.</a> Sci Adv. 6 (15), (2020).</li>
<li>Gamage, K. A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Online+delivery+of+teaching+and+laboratory+practices%3A+continuity+of+university+programmes+during+covid-19+pandemic%5BTitle%5D)+AND+%22Educ+Sci%22%5BJournal%5D)">Online delivery of teaching and laboratory practices: continuity of university programmes during covid-19 pandemic.</a> Educ Sci. 10 (10), Basel. 291(2020).</li>
<li>Kefalis, C., Drigas, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Web+based+and+online+applications+in+stem+education%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Eng+Pedagogy%22%5BJournal%5D)">Web based and online applications in stem education.</a> Int J Eng Pedagogy. 9 (4), 76-85 (2019).</li>
<li>Maiti, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+framework+for+analyzing+and+evaluating+architectures+and+control+strategies+in+distributed+remote+laboratories%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Learn+Technol%22%5BJournal%5D)">A framework for analyzing and evaluating architectures and control strategies in distributed remote laboratories.</a> IEEE Trans Learn Technol. 11 (4), 441-455 (2018).</li>
<li>Liang, Y., Liu, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+large+scale+virtual+equipment+for+interactive+hil+control+system+laboratories%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Learn+Technol%22%5BJournal%5D)">Design of large scale virtual equipment for interactive hil control system laboratories.</a> IEEE Trans Learn Technol. 11 (3), 376-388 (2018).</li>
<li>Rodriguez-Gil, L., Garcia-Zubia, J., Orduna, P., Lopez-De-Ipina, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Towards+new+multiplatform+hybrid+online+laboratory+models%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Learn+Technol%22%5BJournal%5D)">Towards new multiplatform hybrid online laboratory models.</a> IEEE Trans Learn Technol. 10 (3), 318-330 (2017).</li>
<li>Chevalier, A., Copot, C., Ionescu, C., De Keyser, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+three-year+feedback+study+of+a+remote+laboratory+used+in+control+engineering+studies%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Educ%22%5BJournal%5D)">A three-year feedback study of a remote laboratory used in control engineering studies.</a> IEEE Trans Educ. 60 (2), 127-133 (2017).</li>
<li>Wang, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+wiki-based+remote+laboratory+platform+for+engineering+education%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Learn+Technol%22%5BJournal%5D)">A novel wiki-based remote laboratory platform for engineering education.</a> IEEE Trans Learn Technol. 10 (3), 331-341 (2017).</li>
<li>Cruz-Benito, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Usalpharma%3A+a+software+architecture+to+support+learning+in+virtual+worlds%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Revista+Iberoamericana+De+Tecnologias+Del+Aprendizaje%22%5BJournal%5D)">Usalpharma: a software architecture to support learning in virtual worlds.</a> IEEE Revista Iberoamericana De Tecnologias Del Aprendizaje. 11 (3), 194-204 (2016).</li>
<li>Letowski, B., Lavayssière, C., Larroque, B., Schröder, M., Luthon, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fully+open+source+remote+laboratory+for+practical+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Electronics%22%5BJournal%5D)">A fully open source remote laboratory for practical learning.</a> Electronics. 9 (11), 1832(2020).</li>
<li>Potkonjak, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+laboratories+for+education+in+science%2C+technology%2C+and+engineering%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Educ%22%5BJournal%5D)">Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: a review.</a> Comput Educ. 95, 309-327 (2016).</li>
<li>Rukangu, A., Tuttle, A., Johnsen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+reality+for+remote+controlled+robotics+in+engineering+education%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Conference+on+Virtual+Reality+and+3D+User+Interfaces+Abstracts+and+Workshops+%28VRW%29%22%5BJournal%5D)">Virtual reality for remote controlled robotics in engineering education.</a> IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces Abstracts and Workshops (VRW). , 751-752 (2021).</li>
<li>Sermet, Y., Demir, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geospatialvr%3A+a+web-based+virtual+reality+framework+for+collaborative+environmental+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Geosci%22%5BJournal%5D)">Geospatialvr: a web-based virtual reality framework for collaborative environmental simulations.</a> Comput Geosci. 159, 105010(2022).</li>
<li>zacar, K., Ortakcı, Y., Küçükkara, M. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((VRArchEducation%3A+Redesigning+building+survey+process+in+architectural+education+using+collaborative+virtual+reality%5BTitle%5D)+AND+%22Comp+Graph%22%5BJournal%5D)">VRArchEducation: Redesigning building survey process in architectural education using collaborative virtual reality.</a> Comp Graph. 113, 1-9 (2023).</li>
<li>Li, Y., Lei, Z., He, Y., Liu, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+virtual+simulation+experiment+of+mechanics%3A+material+deformation+and+failure+based+on+scanning+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">A virtual simulation experiment of mechanics: material deformation and failure based on scanning electron microscopy.</a> J Vis Exp. (191), e64521(2023).</li>
<li>Alsaleh, S., Tepljakov, A., Kose, A., Belikov, J., Petlenkov, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reimagine+lab%3A+bridging+the+gap+between+hands-on%2C+virtual+and+remote+control+engineering+laboratories+using+digital+twins+and+extended+reality%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Access%22%5BJournal%5D)">Reimagine lab: bridging the gap between hands-on, virtual and remote control engineering laboratories using digital twins and extended reality.</a> IEEE Access. 10, 89924-89943 (2022).</li>
<li>Han, B., Weeks, D. J., Leite, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+reality-facilitated+engineering+education%3A+A+case+study+on+sustainable+systems+knowledge%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Appl+Eng+Educ%22%5BJournal%5D)">Virtual reality-facilitated engineering education: A case study on sustainable systems knowledge.</a> Comput Appl Eng Educ. 31 (5), 1174-1189 (2023).</li>
<li>Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Concurrent+experimentation+in+ncslab%3A+a+scalable+approach+for+online+laboratories%5BTitle%5D)+AND+%22Fut+Gen+Comp+Sys%22%5BJournal%5D)">Concurrent experimentation in ncslab: a scalable approach for online laboratories.</a> Fut Gen Comp Sys. (148), 139-149 (2023).</li>
<li>Li, W., Huang, H., Solomon, T., Esmaeili, B., Yu, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesizing+personalized+construction+safety+training+scenarios+for+vr+training%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Vis+Comput+Graph%22%5BJournal%5D)">Synthesizing personalized construction safety training scenarios for vr training.</a> IEEE Trans Vis Comput Graph. 28 (5), 1993-2002 (2022).</li>
<li>Zhang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+simulation+system+of+paste+filling+for+green+mining+of+metallic+mine%5BTitle%5D)+AND+%222020+International+Conference+on+Virtual+Reality+and+Visualization%22%5BJournal%5D)">Virtual simulation system of paste filling for green mining of metallic mine.</a> 2020 International Conference on Virtual Reality and Visualization. , 256-257 (2020).</li>
<li>Callaghan, M. J., Mccusker, K., Losada, J. L., Harkin, J., Wilson, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+game-based+learning+in+virtual+worlds+to+teach+electronic+and+electrical+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Industr+Inform%22%5BJournal%5D)">Using game-based learning in virtual worlds to teach electronic and electrical engineering.</a> IEEE Trans Industr Inform. 9 (1), 575-584 (2013).</li>
<li>Garcia-Zubia, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Empirical+analysis+of+the+use+of+the+VISIR+remote+lab+in+teaching+analog+electronics%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+T+EDUC%22%5BJournal%5D)">Empirical analysis of the use of the VISIR remote lab in teaching analog electronics.</a> IEEE T EDUC. 60 (2), 149-156 (2017).</li>
<li>Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unified+and+flexible+online+experimental+framework+for+control+engineering+education%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+T+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">Unified and flexible online experimental framework for control engineering education.</a> IEEE T Ind Electron. 69 (1), 835-844 (2022).</li>
<li>Galan, D., Chaos, D., de la Torre, L., Aranda-Escolastico, E., Heradio, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Customized+online+laboratory+experiments%3A+a+general+tool+and+its+application+to+the+furuta+inverted+pendulum+%5Bfocus+on+education%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Cont+Sys%22%5BJournal%5D)">Customized online laboratory experiments: a general tool and its application to the furuta inverted pendulum [focus on education.</a> IEEE Cont Sys. 39 (5), 75-87 (2019).</li>
<li>Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G., Guan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Web-based+digital+twin+communication+system+of+power+systems+for+training+and+education%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+T+Pow+Syst%22%5BJournal%5D)">Web-based digital twin communication system of power systems for training and education.</a> IEEE T Pow Syst. , (2023).</li>
<li>Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controller+effect+in+online+laboratories-An+overview%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Learn.+Technol%22%5BJournal%5D)">Controller effect in online laboratories-An overview.</a> IEEE Trans. Learn. Technol. 17, 1-12 (2024).</li>
<li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+reality+system+for+industrial+training%5BTitle%5D)+AND+%222020+International+Conference+on+Virtual+Reality+and+Visualization%22%5BJournal%5D)">Virtual reality system for industrial training.</a> 2020 International Conference on Virtual Reality and Visualization. , 338-339 (2020).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interactive+and+visualized+online+experimentation+system+for+engineering+education+and+research%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research.</a> J Vis Exp. (177), e63342(2021).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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.

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 internetowych4,5. 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.

<table><tbody><tr><td>3DS Max</td><td>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</td><td></td> Meta Quest 2 Meta Platforms 10036728220341 Meta Quest 2 to samodzielny zestaw słuchawkowy do rzeczywistości wirtualnej, który umożliwia użytkownikom korzystanie z treści WebVR. <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> https://www.meta.com/it/quest/products/quest-2/</td></tr> <tr><td>Unity</td><td>Unity Technologies</td><td></td><td>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</td></tr></tbody></table>

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

Online Virtual Reality Networked Control Laboratory Applied in Control Engineering Education

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.

Przedstawiony system eksperymentów VR umożliwia użytkownikom przeprowadzanie immersyjnych doświadczeń przy użyciu urządzeń VR, co zwiększa interakcję między użytkownikami a sprzętem eksperymentalnym. Co więcej, system opiera się na przeglądarce internetowej, co eliminuje konieczność konfigurowania środowisk lokalnych przez użytkowników. Taka konstrukcja zapewnia skalowalność systemu, sprawiając, że jest on odpowiedni do zastosowań na szeroką skalę oraz do celów szkoleniowych i edukacyjnych.
W tradycyjnych środowiskach laboratoryjnych użytkownicy są zobligowani do osobistej konfiguracji i instalacji oprogramowania oraz urządzeń sprzętowych, co może pochłaniać znaczną ilość czasu i zasobów26. Jednak laboratoria wirtualne wykorzystują obliczenia w chmurze oraz technologie wirtualizacji, aby przenieść środowiska laboratoryjne do chmury. Użytkownicy mogą po prostu uzyskać dostęp do odpowiedniej strony internetowej za pomocą przeglądarki sieciowej, aby korzystać z funkcjonalności i zasobów oferowanych przez laboratoria.
Rycina 3 pokazuje, że użytkownicy mogą uczestniczyć w eksperymentach WebVR, korzystając z różnych podejść. Użytkownicy, którzy nie mają pod ręką urządzeń VR, mogą szybko przeprowadzić eksperymenty za pomocą rozszerzeń przeglądarki. Użytkownicy mający dostęp do urządzeń VR mogą w pełni zanurzyć się w eksperymentach i wchodzić w bezpośrednie interakcje z urządzeniami badawczymi, co zwiększa realizm podczas zgłębiania procesu eksperymentalnego. Te dwa różne sposoby przeprowadzania eksperymentów WebVR zapewniają użytkownikom większy wybór i umożliwiają korzystanie z proponowanego systemu szerszej grupie odbiorców.
Przykłady podwójnego wahadła odwróconego wykazują, że zaproponowane wirtualne laboratorium oparte na WebVR może działać bezpośrednio w przeglądarce internetowej, bez konieczności instalacji lub konfiguracji dodatkowego oprogramowania. Takie podejście nie tylko zmniejsza niedogodności dla użytkownika, ale także znacznie zwiększa skalowalność systemu. Ponadto użytkownicy mają możliwość korzystania z urządzeń VR w celu immersyjnej interakcji z wyposażeniem eksperymentalnym. Dzięki zastosowaniu kontrolerów do regulacji parametrów systemu, użytkownicy nie tylko wzbogacają swoje praktyczne doświadczenia, ale również pogłębiają wiedzę teoretyczną oraz umiejętności praktyczne.
W eksperymencie wzięło udział łącznie 21 studentów, którym przeprowadzono ankietę w celu dalszej walidacji przydatności i skuteczności proponowanego systemu. W badaniu uwzględniono studentów z wykształceniem w zakresie automatyki i robotyki; wszyscy oni uczestniczyli wcześniej w eksperymentach wirtualnych w NCSLab i posiadali podstawową wiedzę na ich temat, lecz nie brali udziału w eksperymentach VR w NCSLab opartym na WebVR. Poprzez zastosowanie anonimowych danych statystycznych zagwarantowano prywatność i bezpieczeństwo uczestników podczas wypełniania ankiety, zapewniając tym samym rzetelność uzyskanych danych.
Wyniki kwestionariusza przedstawiono na Rysunku 5, a dane wskazują, że system zaproponowany w niniejszej pracy wykazuje wysoki poziom realizmu oraz interakcji z urządzeniem i pozwala na osiągnięcie znaczącej poprawy w porównaniu z tradycyjnym wirtualnym eksperymentem z wykorzystaniem myszki i klawiatury. Ponadto opinie uczestników wykazały, że system nie tylko zwiększył zainteresowanie studentów i ich umiejętności eksperymentalne w procesie nauki, ale także pomógł im lepiej zrozumieć treść eksperymentu, zwiększając tym samym efekty kształcenia.
Warto zauważyć, że większość studentów uważała, iż tego typu eksperymentowanie jest możliwe do zastosowania nie tylko w ramach obecnego kursu i doświadczenia, ale ma również potencjał do wykorzystania w innych kursach i eksperymentach.
System zaproponowany w niniejszej pracy wykorzystuje oprogramowanie 3DS Max do modelowania aparatury eksperymentalnej, która jest renderowana przy użyciu silnika Unity27, co pozwala użytkownikom na interakcję z urządzeniami za pomocą urządzeń VR. Ostatecznie sceny eksperymentalne są pakowane do formatu Web Graphics Library (WebGL) i płynnie integrowane z systemem laboratorium online w formie zmodułowanych komponentów, aby zbudować system wirtualnego laboratorium oparty na technologii WebVR.
<img alt="Schemat kontrolera LQR z modelem systemu i pętlami sprzężenia zwrotnego dla projektu algorytmu sterowania." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66432/66432fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Projekt algorytmu sterowania dla systemu podwójnego odwróconego wahadła. Użytkownicy mogą wybierać różne moduły z biblioteki modułów po lewej stronie, aby zbudować algorytm sterowania dla systemu podwójnego odwróconego wahadła. Wybór i łączenie modułów są analogiczne do tych w środowisku MATLAB/Simulink. W przypadku systemów podwójnego odwróconego wahadła istnieje wiele metod sterowania. Dla obecnego systemu wybraną strategią jest podejście sterowania za pomocą Liniowego Regulatora Kwadratowego (LQR), a rycina przedstawia macierz sprzężenia zwrotnego sformułowaną zgodnie z kontrolerem LQR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66432/66432fig01large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Układ równowagi statycznej; schemat z modelem 3D, konfiguracją parametrów, przyciskami VR/eksperymentu oraz wykresem wyników." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66432/66432fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Projekt konfiguracji do monitorowania systemu podwójnego wahadła odwróconego. Użytkownicy mogą wybierać komponenty z powyższej biblioteki komponentów, aby zaprojektować konfigurację monitorowania. Jeśli pożądany jest eksperyment VR, należy wybrać komponent Model 3D. Użytkownicy mają możliwość wybrania komponentu Wykres, aby wizualnie śledzić zmiany orientacji kątowej i pozycji podwójnego wahadła odwróconego, lub komponentu wejściowego w celu dokonywania korekt parametrów sterownika. Dwukrotne kliknięcie komponentu pozwala użytkownikom na ustanowienie powiązań między zmiennymi systemu w celu konfiguracji parametrów. W systemie podwójnego wahadła odwróconego parametry wykresu są skonfigurowane tak, aby obejmować zarówno pozycję zadaną, jak i rzeczywistą wózka, a także kąty pierwszego i drugiego wahadła. Po zakończeniu projektowania konfiguracji monitorowania użytkownicy powinni najpierw aktywować eksperyment, klikając przycisk Start Experiment. Następnie mogą rozpocząć eksperyment VR, klikając przycisk VR znajdujący się w prawym dolnym rogu komponentu Model 3D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66432/66432fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat konfiguracji WebVR z rozszerzeniem emulatora, goglami VR, wykresami procesów i interfejsem sterowania." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66432/66432fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Przeprowadzanie eksperymentu z systemem podwójnego wahadła odwróconego przy użyciu gogli VR i rozszerzenia emulatora WebVR. Użytkownicy mogą przeprowadzać eksperymenty WebVR za pomocą urządzeń VR lub rozszerzenia emulatora WebVR. Sześcian jest sterowany za pomocą uchwytu w celu ustalenia wartości zadanej dla podwójnego wahadła odwróconego. Po określeniu położenia sześcianu, podwójne wahadło odwrócone będzie stabilnie poruszać się w kierunku wartości zadanej, aż ostatecznie ustabilizuje się w wyznaczonej pozycji. Po prawej stronie modelu 3D znajduje się wykres rejestrujący pozycję wózka oraz kąty pierwszego i drugiego wahadła. Wykres umożliwia również obserwację trendów zmian kluczowych parametrów systemu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66432/66432fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat systemu wahadła odwróconego; serwomotor prądu przemiennego, wózek na prowadnicy, badanie równowagi dynamicznej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66432/66432fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Budowa systemu podwójnego wahadła odwróconego. Nad podstawą znajduje się kostka, której pozycja stanowi wartość zadaną dla wózka. Użytkownik może podnieść kostkę i dostosować jej położenie za pomocą uchwytu. Gdy serwomotor prądu przemiennego (AC) wprawi pasek w ruch obrotowy, wózek zacznie poruszać się wzdłuż prowadnicy pod wpływem napędu paska. Równolegle do tego ruchu, wahadło pierwszego rzędu oraz podwójne wahadło będą ulegać odpowiadającemu przesunięciu i obrotowi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66432/66432fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres słupkowy porównujący odpowiedzi w ankiecie z eksperymentu VR; wyniki mieszczą się w zakresie od 4,10 do 4,62 z słupkami błędów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66432/66432fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Wyniki danych z kwestionariusza ankiety. Kwestionariusz składał się z sześciu pytań, z których każde zostało tutaj szczegółowo opisane. Każde pytanie miało pięć opcji, oznaczających odpowiednio: zdecydowanie się nie zgadzam, nie zgadzam się, neutralnie, zgadzam się i zdecydowanie się zgadzam, w skali od 1 do 5. Zebrano łącznie 21 prawidłowych odpowiedzi. Wartości średnie oraz odchylenie standardowe zostały obliczone na podstawie tych wyników i przedstawione graficznie na rysunku w celu zwiększenia przejrzystości i ułatwienia interpretacji. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66432/66432fig05large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

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.

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

Online laboratories play an important role in engineering education. This work discusses a WebVR-based virtual laboratory system. The user enters the ...

Zakres niniejszego artykułu koncentruje się na zastosowaniu laboratoriów internetowych opartych na WebVR w edukacji inżynierskiej. Pytanie, na które stara się odpowiedzieć ten artykuł, dotyczy tego, czy proponowany system może pozwolić użytkownikom na przeprowadzanie eksperymentów internetowych za pośrednictwem urządzeń VR, zwiększając immersję i całość działań eksperymentów online. Obecnie wykorzystywane są technologie ułatwiające ten kierunek studiów, w tym rzeczywistość wirtualna, rzeczywistość rozszerzona, cyfrowy bliźniak i technologia zdalnego sterowania.System zaproponowany w tym artykule zapewnia użytkownikom możliwość angażowania się w immersyjne eksperymenty internetowe z wykorzystaniem urządzeń VR, zwiększając w ten sposób interakcję między użytkownikami a sprzętem eksperymentalnym. W przyszłości skupimy się na laboratoriach internetowych opartych na cyfrowych bliźniakach opartych na VR. Naszym celem jest wykorzystanie urządzeń VR do sterowania sprzętem fizycznym poprzez działanie sprzętu wirtualnego.Aby rozpocząć, otwórz przeglądarkę internetową obsługującą WebVR i wprowadź adres URL NCSLab opartego na WebVR, aby uzyskać dostęp do systemu. Kliknij przycisk Rozpocznij eksperyment, aby zalogować się do systemu NCSLab. Z lewego paska menu wybierz eksperyment z podwójnym odwróconym wahadłem.Na stronie głównej przejdź do trójwymiarowej podstrony. Następnie należy wybrać domyślny systemowy Algorytm Sterowania do pobrania na podstronie Algorytm Eksperymentalny. Alternatywnie przejdź do podstrony Projektowanie algorytmów i kliknij przycisk Utwórz nowy model, aby przejść do interfejsu projektowania i zbudować kompletny schemat blokowy algorytmu sterowania.Z modelu urządzenia po lewej stronie wybierz moduł System Podwójnego Odwróconego Wahadła. Następnie wybierz moduł wzmocnienia, aby zaprojektować matrycę sprzężenia zwrotnego dla liniowego sterownika regulatora kwadratowego. Wybierz sygnał krokowy jako wejście i dodaj inne moduły, aby zakończyć projektowanie algorytmu sterowania.Kliknij przycisk Rozpocznij symulację. Po zakończeniu symulacji obserwuj skuteczność sterowania zaprojektowanego algorytmu. Kliknij przycisk Kompiluj, aby wygenerować algorytm sterowania.Skompilowany algorytm przechowywany jest w obszarze algorytmu prywatnego na podstronie Algorytm eksperymentalny oraz podstronie Projektowanie algorytmów. Następnie po prawej stronie sekcji algorytmu sterowania kliknij przycisk Pobierz algorytm. Na podstronie Konfiguracja monitorowania wybierz konfigurację eksperymentalną i przeprowadź eksperymenty.Dostosuj konfigurację monitorowania i wybierz spośród wielu komponentów dostępnych w interfejsie edycji podstrony Konfiguracja monitorowania. W przypadku eksperymentów VR wybierz komponent Model 3D. Kliknij przycisk Rozpocznij eksperyment.Następnie kliknij przycisk VR w prawym dolnym rogu komponentu modelu 3D, aby uruchomić eksperyment VR. Użyj rozszerzenia emulatora WebVR i urządzeń VR obsługujących immersyjną interakcję WebVR, aby wybrać metodę dostępu. Wejdź w interakcję z systemem podwójnie odwróconego wahadła za pomocą kontrolera uchwytu.Aby włączyć się w system podwójnego odwróconego wahadła, przesuń uchwyt bliżej sześcianu. Naciśnij przycisk Trigger, aby podnieść kostkę, a system podwójnego odwróconego wahadła przestanie się poruszać. Przesuń uchwyt, aby kontrolować położenie sześcianu.Zwolnij kostkę, gdy znajdzie się w żądanej pozycji, zwalniając przycisk spustu.

online-virtual-reality-networked-control-laboratory-applied-control

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ten artykuł opisuje metodę przeprowadzania eksperymentów dla wielu użytkowników w zakresie podejmowania decyzji i nawigacji za pomocą sieciowego laboratorium komputerowego.

Sieciowy pulpit wirtualnej rzeczywistości do eksperymentów z nauką o decyzjach i nawigacji z wieloma uczestnikami

Ta praca opisuje system eksperymentów online, który zapewnia wizualizację eksperymentów, w tym wizualizację teorii, koncepcji i formuł, wizualizację procesu eksperymentalnego za pomocą trójwymiarowych (3D) wirtualnych stanowisk testowych oraz wizualizację systemu kontroli i monitorowania za pomocą widżetów, takich jak wykresy i kamery.

Interaktywny i zwizualizowany system eksperymentów online dla edukacji i badań inżynierskich

W tej pracy opracowano system rzeczywistości mieszanej o nazwie MRE, aby pomóc studentom w rozwijaniu praktyk laboratoryjnych uzupełniających zajęcia online. Eksperyment przeprowadzono z udziałem 30 studentów; 10 uczniów nie korzystało z MRE, 10 używało MRE, a 10 kolejnych używało MRE z informacją zwrotną od nauczyciela.

Wdrożenie i wyniki Mixed Reality for Education (MRE) na zajęciach online dla inżynierów

Tutaj wytwarzamy 3D polimerowe mikro/nano struktury, w których zarówno kształt, jak i wyrównanie molekularne mogą być zaprojektowane z dokładnością do skali nanometrowej za pomocą bezpośredniego pisma laserowego. Indukowane światłem odkształcenia kilku typów mikrostruktur elastomerów ciekłokrystalicznych mogą być kontrolowane w skali mikroskopowej.

Siłowniki do oświetlenia o dowolnym kształcie -- Wytwarzanie i sterowanie uruchamianiem w skali mikroskopowej

Proponujemy metodę rozszerzenia odpowiedniej częstotliwości za pomocą techniki pre-emfazy. Metoda ta kompensuje redukcję wzmocnienia zwierciadła galwanometru w śledzeniu ścieżki fali sinusoidalnej za pomocą sterowania proporcjonalno-całkowo-różnicowego.

Metodologia kompensacji wzmocnienia dla sinusoidalnego skanowania zwierciadła galwanometru w regulacji proporcjonalno-całkowo-różnicowej z wykorzystaniem technik preemfazy

Zjawisko pękania syfonu zostało zbadane eksperymentalnie i zaproponowano model teoretyczny. Opracowano program symulacyjny oparty na modelu teoretycznym, a wyniki programu symulacyjnego porównano z wynikami eksperymentalnymi. Stwierdzono, że wyniki programu symulacyjnego dobrze pokrywają się z wynikami eksperymentalnymi.

Badanie eksperymentu i symulacji łamacza syfonów dla reaktora badawczego

Tutaj prezentujemy protokół do kontrolowania liczby nośników w ciałach stałych za pomocą elektrolitu.

Sterowanie polem elektrycznym stanów elektronowych w nanourządzeniach WS2 za pomocą bramkowania elektrolitu

Przedstawiono protokół do praktycznego generowania i spójnego manipulowania wysokowymiarowymi splątanymi stanami fotonów w bin częstotliwości przy użyciu zintegrowanych mikrownęk i standardowych komponentów telekomunikacyjnych.

Generowanie i koherentne sterowanie pulsacyjnymi kwantowymi grzebieniami częstotliwości

Rektyfikacja ścieżek transportu jonów jest skuteczną metodą generowania jednokierunkowych przepływów elektrohydrodynamicznych ciągniętych jonami. Poprzez ustawienie membrany jonowymiennej w kanale przepływowym, generowany jest stan spolaryzowany elektrycznie, który powoduje napędzanie przepływu cieczy, gdy pole elektryczne jest przyłożone na zewnątrz.

Wytwarzanie i sterowanie przepływami elektrohydrodynamicznymi w wodnych roztworach elektrolitów

Tutaj prezentujemy protokół hodowli nanocząstek LSMO i folii (Gd) BCO na podłożach monokrystalicznych (001) SrTiO3 (STO) metodą rozpylania radiowego (RF).

Rozpylanie magnetronowe o częstotliwości radiowej GdBa2Cu3O7−δ/ La0,67Sr0,33MnO3 Quasi-dwuwarstwowe folie na podłożach monokrystalicznych SrTiO3 (STO)

Poznaj system WebVR do immersyjnych eksperymentów online w edukacji inżynierskiej. Technologia wirtualnej rzeczywistości zwiększa zaangażowanie użytkowników i poprawia interakcję ze sprzętem laboratoryjnym w przeglądarce.

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

Przeglądaj więcej filmów