Laboratório de Controle em Rede de Realidade Virtual Online Aplicado no Ensino de Engenharia de Controle

Resumo

Este estudo descreve um sistema de laboratório de realidade virtual (VR) online baseado em WebVR que fornece aos usuários recursos de experimentação imersiva e interativa suportados por dispositivos VR. O sistema proposto não apenas ajuda a aumentar o realismo da participação do usuário em experimentos online, mas também é aplicável a uma ampla gama de estruturas de laboratório online.

Resumo

Os laboratórios online desempenham um papel importante no ensino de engenharia. Este trabalho discute um sistema de laboratório virtual baseado em WebVR. O usuário entra no ambiente de laboratório simulado por meio de um dispositivo de realidade virtual (VR) e interage com o equipamento experimental, semelhante a experimentos práticos em um laboratório físico. Além disso, o sistema proposto permite que os usuários projetem seus próprios algoritmos de controle e observem os efeitos de diferentes parâmetros de controle para melhorar sua compreensão do experimento. Para ilustrar as características do laboratório virtual proposto, um exemplo é fornecido neste artigo, que é um experimento em um sistema de pêndulo duplo invertido. Os resultados experimentais mostram que o sistema proposto permite que os usuários conduzam experimentos de maneira imersiva e interativa e fornece aos usuários um processo experimental completo, desde o projeto principal até a operação experimental. Também é fornecida uma solução para transformar qualquer laboratório virtual em um laboratório virtual baseado em WebVR para educação e treinamento.

Introdução

Com o avanço da Internet e a popularidade dos dispositivos móveis, a demanda por educação online está aumentando¹. Em particular, durante períodos de epidemias generalizadas, as instituições educacionais tradicionais muitas vezes enfrentam desafios para conduzir o ensino presencial de forma eficaz, o que destaca a importância da educação online como uma importante abordagem pedagógica². Os cursos teóricos são relativamente fáceis de transferir para plataformas online. Eles podem ser conduzidos com a ajuda de ferramentas como software de videoconferência remota e cursos on-line abertos massivos (MOOCs)³. No entanto, os cursos práticos enfrentam desafios maiores, pois exigem que os usuários realizem experimentos práticos em laboratórios tradicionais.

Os pesquisadores fizeram contribuições significativas para enfrentar o desafio de disponibilizar equipamentos experimentais online. Nas últimas duas décadas, extensos estudos foram realizados sobre os conceitos e tecnologias dos laboratórios on-line ^4,5. Os laboratórios online geralmente abrangem laboratórios remotos⁶, laboratórios virtuais⁷ e laboratórios híbridos⁸. Essas abordagens de laboratório on-line encontraram ampla aplicação em várias disciplinas de engenharia, incluindo engenharia de controle⁹, engenharia mecânica¹⁰ e engenharia de software¹¹.

Embora tenha havido um progresso significativo em termos de conveniência das operações experimentais em laboratórios on-line¹², os usuários ainda percebem uma falta de realismo e operações práticas semelhantes em comparação com os ambientes de laboratório tradicionais, o que afeta sua experiência geral¹³. Essa discrepância na experiência do usuário motiva mais esforços de pesquisa e desenvolvimento para aumentar o realismo e o envolvimento em ambientes de laboratório online.

Para resolver os problemas acima, a tecnologia de realidade virtual (VR) tem sido aplicada em laboratórios virtuais¹⁴ para melhorar a imersão e a interatividade dos laboratórios virtuais¹⁵. Os laboratórios virtuais baseados em VR fornecem aos usuários uma experiência experimental quase realista. Os usuários podem concluir tarefas em grupo no processo de educação arquitetônica por meio de avatares¹⁶, realizando o processo de levantamento arquitetônico juntos de forma imersiva, assim como fariam em um ambiente de sala de aula tradicional. Além disso, os laboratórios virtuais baseados em RV permitem que os usuários entrem no ambiente imersivo de laboratórios virtuais e interajam com equipamentos experimentais virtuais usando fones de ouvido e alças de RV¹⁷, melhorando as habilidades práticas dos usuários¹⁸. Para diferentes fins educacionais, podemos projetar diferentes ambientes virtuais. Por exemplo, a RV pode ser combinada com a teoria da gamificação para aprimorar a educação em engenharia para o público em geral e melhorar a eficiência da disseminação de conhecimento difícil de entender, como o desenvolvimento sustentável¹⁹.

Semelhante aos laboratórios online, particularmente laboratórios virtuais, os laboratórios virtuais baseados em WebVR têm muitas vantagens. Em primeiro lugar, eles rompem as limitações de tempo e espaço dos laboratórios tradicionais, e os usuários podem realizar experimentos a qualquer hora e em qualquer lugar²⁰. Em segundo lugar, os laboratórios on-line podem fornecer um ambiente experimental mais seguro para evitar possíveis perigos e acidentes em operações experimentais²¹. Em terceiro lugar, os laboratórios virtuais também podem fornecer mais recursos experimentais e situações de simulação para ampliar o escopo e a experiência experimental dos usuários²². Mais importante ainda, os laboratórios virtuais baseados em WebVR podem estimular o interesse e a iniciativa de aprendizagem dos usuários e aprimorar sua experiência e participação experimental²³.

Comparado com outros laboratórios virtuais baseados em VR, o laboratório virtual baseado em WebVR combina perfeitamente os méritos dos laboratórios virtuais baseados em VR com laboratórios online baseados na web. O Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)²⁴ constrói um laboratório remoto eletrônico analógico básico construindo placas de circuito reais. Os usuários podem realizar experimentos simulados na interface da web para concluir experimentos reais de placas de circuito. O Weblab-Deusto⁸ constrói o laboratório Field Programmable Gate Array (FPGA) do tanque de água, onde os usuários podem interagir com o modelo tridimensional (3D) do tanque de água na plataforma web sem depender de outros plug-ins. O sistema proposto neste artigo apresenta a capacidade de integrar perfeitamente o WebVR como um componente modular na infraestrutura de laboratório virtual existente. Essa integração pode ser alcançada sem destruir a estrutura arquitetônica original do laboratório, preservando assim a estrutura básica e a função do laboratório. Essa integração também é aplicável à estrutura de um laboratório online com front-end e back-end separados.

O sistema proposto neste artigo é implementado com base no Networked Control System Laboratory (NCSLab)²⁵, que herda a flexibilidade, interatividade, modularidade e recursos multiplataforma do sistema NCSLab. Os usuários podem realizar experimentos de acordo com diferentes módulos e também podem personalizar algoritmos e interfaces de configuração, fornecendo aos usuários espaço suficiente para auto-realização. Os experimentos online são conduzidos em tempo real de acordo com os algoritmos executados pelo usuário. Os usuários podem interagir com o modelo virtual para alterar as entradas do algoritmo experimental ao conduzir experimentos de RV e podem até alterar os parâmetros do algoritmo de controle por meio dos componentes para que os usuários possam experimentar o princípio do algoritmo de controle de forma mais realista.

Os laboratórios virtuais baseados em WebVR trazem um grande potencial para a educação online. Ele pode fornecer uma experiência experimental imersiva, superar as limitações dos laboratórios tradicionais e promover habilidades práticas e pensamento inovador entre os usuários.

Protocolo

Este estudo atendeu às diretrizes do Comitê de Ética em Pesquisa Humana da Universidade de Wuhan, e o consentimento informado foi obtido para todos os dados experimentais. Neste artigo, as etapas experimentais para o sistema de pêndulo duplo invertido são discutidas e todas as etapas são executadas no NCSLab baseado em WebVR.

1. Acesse o sistema NCSLab baseado em WebVR

1. Abra um navegador da Web compatível com WebVR. Insira o Uniform Resource Locator (URL) do NCSLab baseado em WebVR para acessar o sistema.
2. Clique no botão Iniciar experimento para fazer login no sistema NCSLab. Se for a primeira vez que faz login no sistema, faça um registro de conta.
3. Faça login no sistema NCSLab, selecione experimentos diferentes na barra de menu à esquerda e escolha o experimento de pêndulo invertido duplo neste caso.
4. Acesse a subpágina 3D na página principal.
   NOTA: Existem cinco subpáginas na página principal, começando com a primeira, que é a introdução do modelo do equipamento. Ele contém uma animação de modelo 3D, bem como documentação. Ao visitar esta página, os usuários podem entender o princípio do sistema de pêndulo duplo invertido, permitindo a execução conveniente de experimentos subsequentes.
5. Solicite o controle do experimento clicando no botão Solicitar controle para garantir o uso eficiente dos recursos. Isso concederá aos usuários 30 minutos de tempo de experimento.
   NOTA: Para experimentos virtuais, 500 usuários podem realizar experimentos ao mesmo tempo.
6. Entre na subpágina de informações da planta para obter acesso a detalhes abrangentes sobre o aparato experimental. Isso abrange informações sobre equipamentos que estão em uso no momento, equipamentos que permanecem sem uso e equipamentos relacionados à manutenção.
7. Escolha o algoritmo de controle padrão do sistema para baixar na subpágina Algoritmo experimental . Como alternativa, vá para a subpágina Design do algoritmo para criar um algoritmo diferente.
   1. Para projetar um novo algoritmo de controle, clique no botão Criar novo modelo na subpágina de design do algoritmo para entrar na interface de design.
      NOTA: O processo de design do algoritmo reflete de perto o do MATLAB / Simulink, pelo qual os usuários constroem o diagrama de blocos do algoritmo de controle por meio de uma abordagem intuitiva de arrastar e soltar, empregando vários módulos para criar a lógica de controle desejada.
   2. Construa o diagrama de blocos completo do algoritmo de controle, conforme ilustrado na Figura 1, e siga as etapas descritas abaixo.
   3. Selecione o Módulo de Sistema de Pêndulo Invertido Duplo no modelo do dispositivo à esquerda.
   4. Escolha o Módulo de Ganho para projetar a matriz de feedback para o controlador Linear Quadratic Regulator (LQR).
   5. Selecione o Sinal de passo como entrada e adicione outros módulos. Clique duas vezes no módulo para visualizar informações detalhadas e modificar a configuração do parâmetro. Por exemplo, clique duas vezes no Módulo de Sinal Constante para modificar o valor do sinal constante.
8. Clique no botão Iniciar simulação ao concluir o projeto do algoritmo de controle. Após a conclusão da simulação, observe a eficácia do controle do algoritmo projetado. Se não estiver satisfeito com os resultados da simulação, ajuste os parâmetros dos controladores LQR até que um algoritmo de controle com desempenho aprimorado seja alcançado.
9. Clique no botão Compilar para gerar o algoritmo de controle. Após a compilação, o algoritmo é armazenado na área de algoritmo privado da subpágina do algoritmo experimental e da subpágina de design do algoritmo.
10. Baixe o algoritmo de controle na subpágina do algoritmo experimental clicando no botão Baixar algoritmo localizado no lado direito da seção do algoritmo de controle.
11. Selecione uma configuração experimental e conduza experimentos na subpágina Configuração de monitoramento . O sistema fornece uma configuração predefinida para atender aos requisitos experimentais gerais dos usuários.
    NOTA: Os usuários têm a flexibilidade de clicar no botão Criar novo monitor para criar uma configuração de monitoramento personalizada adaptada às suas demandas experimentais específicas.
12. Personalize a configuração de monitoramento e escolha entre uma variedade de componentes disponíveis na interface de edição da subpágina de configuração de monitoramento, conforme ilustrado na Figura 2. Esses componentes incluem componentes de variáveis de entrada, componentes de exibição de curva variável de saída e componentes de modelo 3D.
13. Para experimentos de RV, selecione o componente de modelo 3D. O componente de modelo 3D permite que os usuários integrem um modelo 3D na configuração de monitoramento.
14. Para facilitar a configuração dos parâmetros, ajuste os parâmetros de cada componente, que estão diretamente ligados às variáveis de parâmetros do sistema. Clique duas vezes em um componente e acesse a janela para selecionar os parâmetros opcionais relevantes dentro do sistema experimental.
15. Os usuários têm a flexibilidade de otimizar o layout da configuração de monitoramento redimensionando componentes. Para fazer isso, arraste as arestas dos respectivos componentes para as dimensões desejadas.
16. Clique no botão Salvar para salvar a configuração de monitoramento projetada para uso futuro em experimentos subsequentes, economizando tempo e esforço para configurar o sistema de monitoramento repetidamente.
    NOTA: A configuração de monitoramento só pode ser realizada após o download correto do algoritmo de controle.
17. Clique no botão Iniciar experimento na janela para iniciar o experimento. Clique no botão VR no canto inferior direito do componente de modelo 3D para iniciar o experimento de VR.
    NOTA: O experimento de RV é incorporado na página da Web. Quando os usuários o usam pela primeira vez, o navegador pode solicitar que eles no canto superior esquerdo permitam que o navegador use a funcionalidade VR, selecione Permitir para continuar.

2. Selecionando o método de acesso

1. Use uma extensão de emulador WebVR. Para se envolver em experimentos usando esse método, instale a extensão do emulador WebVR, que está prontamente disponível para pesquisa e download na loja de extensões do navegador.
   NOTA: A extensão do emulador WebVR ajuda os usuários a executar conteúdo WebVR em um navegador da Web e fornece o headset VR virtual e o ambiente do controlador de alças sem a necessidade de usar o dispositivo VR real.
2. Use dispositivos de RV compatíveis com WebVR. Se os dispositivos VR forem usados pela primeira vez, a configuração básica do ambiente será necessária. Primeiro, ligue o fone de ouvido e o controlador para iniciar o sistema. Configure o programa ROOM inicial no fone de ouvido. Seguindo as dicas visuais exibidas na tela do fone de ouvido, use os controladores de alça para calibrar cuidadosamente os limites e a orientação do ambiente de espaço virtual. Por fim, estabeleça uma conexão de streaming entre o fone de ouvido e o computador.
   NOTA: Este é o segundo método para acessar o sistema proposto. Os dispositivos de RV geralmente incluem um fone de ouvido e um par de controladores de alça. Os dispositivos VR têm lojas integradas onde os usuários podem baixar navegadores habilitados para WebVR. Como alternativa, os usuários podem usar o navegador integrado, que geralmente suporta WebVR. Vale ressaltar que vários dispositivos de RV podem empregar métodos distintos de conectividade.

3. Procedimento experimental

1. Ajuste a perspectiva para encontrar a posição ideal para conduzir o experimento do sistema de pêndulo duplo invertido.
   1. Para usuários que utilizam a extensão do emulador WebVR, abra as Ferramentas do desenvolvedor, localize a extensão WebVR e manipule o dispositivo de VR virtual usando o mouse para ajustar a perspectiva, conforme mostrado na Figura 3.
   2. Para usuários que empregam dispositivos de RV, mergulhe no ambiente experimental virtual e verifique a posição experimental ideal por meio de movimentos físicos.
2. Interaja com o sistema de pêndulo duplo invertido usando o controlador da alça conforme descrito abaixo.
   1. Aproxime a alça do cubo. Pressione o botão Trigger para pegar o cubo e o sistema de pêndulo duplo invertido parará de se mover.
   2. Movendo a alça, controle a posição do cubo. Solte o cubo quando estiver na posição desejada, soltando o botão de gatilho. A posição agora é designada como o ponto de ajuste subsequente para o carrinho, conforme ilustrado na Figura 3.
3. Observe o processo de movimento do sistema de pêndulo duplo invertido. Ao manipular o servo motor de corrente alternada (CA), coloque a correia em movimento. Sob o ímpeto da correia, o pêndulo invertido pode se mover ao longo do trilho-guia, A estrutura do sistema do pêndulo duplo invertido é elucidada na Figura 4. Eventualmente, o pêndulo duplo invertido se estabilizará no ponto de ajuste.
4. Incentive os usuários a manipular iterativamente a posição do cubo, ajustar continuamente o ponto de ajuste do carrinho e observar meticulosamente o comportamento dinâmico do sistema de pêndulo duplo invertido.

Resultados

O sistema de experimentos de RV apresentado fornece aos usuários a capacidade de se envolver em experimentos imersivos usando dispositivos de RV, aumentando assim a interação entre os usuários e o equipamento experimental. Além disso, o sistema é baseado na web, eliminando a necessidade de os usuários configurarem ambientes locais. Esse design permite a escalabilidade do sistema, tornando-o adequado para aplicações em larga escala e fins educacionais e de treinamento.

Em ambientes laboratoriai...

Discussão

O protocolo apresentado descreve um sistema de laboratório virtual que permite aos usuários realizar experimentos de RV online, mas também usa um controlador de PC de baixo custo²⁸, o que é propício para a promoção de aplicativos em larga escala. Os usuários podem obter conhecimento sobre todo o processo experimental, desde princípios e algoritmos até operações experimentais práticas. Este sistema permite que os usuários mergulhem nos experimentos, eliminando a dependência da entrada tradicional d...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

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