在线虚拟现实网络化控制实验室在控制工程教育中的应用

摘要

本研究描述了一种基于 WebVR 的在线虚拟现实 （VR） 实验室系统，该系统为用户提供了由 VR 设备支持的沉浸式和交互式实验功能。所提出的系统不仅有助于提高用户在线实验参与的真实感，而且适用于广泛的在线实验室框架。

摘要

在线实验室在工程教育中发挥着重要作用。这项工作讨论了一个基于WebVR的虚拟实验室系统。用户通过虚拟现实（VR）设备进入模拟实验室环境，并与实验设备进行交互，类似于物理实验室中的动手实验。此外，所提出的系统允许用户设计自己的控制算法，并观察不同控制参数的影响，以增强他们对实验的理解。为了说明所提出的虚拟实验室的特点，本文提供了一个例子，即在双倒摆系统上的实验。实验结果表明，所提系统允许用户以沉浸式和交互的方式进行实验，为用户提供了从主体设计到实验操作的完整实验过程。此外，还提供了一种解决方案，可以将任何虚拟实验室转变为基于WebVR的虚拟实验室，以进行教育和培训。

引言

随着互联网的进步和移动设备的普及，对在线教育的需求越来越大¹.特别是在疫情肆虐的时期，传统教育机构在有效开展面对面教学方面往往面临挑战，这凸显了在线教育作为一种重要的教学方法的重要性².理论课程相对容易转移到在线平台。这些课程可以借助远程视频会议软件和大规模开放在线课程 （MOOC）³ 等工具进行。然而，实践课程面临着更大的挑战，因为它们要求用户在传统实验室中进行动手实验。

研究人员在解决在线提供实验设备的挑战方面做出了重大贡献。在过去的二十年中，对在线实验室的概念和技术进行了广泛的研究 ^4,5.在线实验室通常包括远程实验室⁶、虚拟实验室⁷ 和混合实验室⁸。这些在线实验室方法已在各种工程学科中得到广泛应用，包括控制工程⁹、机械工程¹⁰ 和软件工程¹¹。

虽然在在线实验室实验操作的便....

研究方案

本研究符合武汉大学人类研究伦理委员会的指导，所有实验数据均获得知情同意。本文讨论了双倒摆系统的实验步骤，所有步骤均在基于WebVR的NCSLab中进行。

1. 接入基于WebVR的NCSLab系统

1. 打开支持 WebVR 的 Web 浏览器。输入基于WebVR的NCSLab的统一资源定位符（URL）以访问系统。
2. 点击 Start Experiment 按钮，登录 NCSLab 系统。如果是第一次登录系统，请进行帐户注册。
3. 登录 NCSLab 系统，从左侧菜单栏选择不同的实验，本例中选择双倒摆实验。
4. 访问主页上的 3D 子页面。
   注意：主页上有五个子页面，从第一个开始，这是设备模型的介绍。它包含一个3D模型动画以及文档。通过访问此页面，用户可以掌握双倒摆系统的原理，从而方便地执行后续实验。
5. 点击“请求控制”按钮申请实验控制，确保资源的高效利用。这将为用户提供 30 分钟的实验时间。
   注意：对于虚拟实验，可以允许 500 个用户同时进行实验。
6. 进入植物信息子页面，获取有关实验设备的全面详细信息。这包括有关当前正在使用的设备、未使用的设备以及与维护相关的设备的信息。
7. 选择要在 “实验算法 ”子页面上下载的系统默认控制算法。或者，继续访....

讨论

所提出的协议描述了一种虚拟实验室系统，该系统使用户能够在线进行VR实验，而且还使用低成本的PC控制器²⁸，这有利于大规模应用推广。用户可以获得关于整个实验过程的知识，从原理和算法到实际的实验操作。该系统允许用户沉浸在实验中，消除了对传统鼠标和键盘输入的依赖。该系统为观察实验过程和动手操作实验设备提供了身临其境的体验。

该系?.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
3DS Max	Autodesk		3ds Max professional 3D modeling, rendering, and animation software enables you to create expansive worlds and premium designs. https://www.autodesk.com/ca-en/products/3ds-max/overview
Meta Quest 2	Meta Platforms	10036728220341	meta quest 2 is a standalone virtual reality headset that allows users to experience WebVR content. https://www.meta.com/it/quest/products/quest-2/
Unity	Unity Technologies		Unity is the platform for real-time 3D interactive content creation and operation. All creators, including game developers, artists, architects, automotive designers, film and television, use Unity to bring their ideas to life. The Unity platform offers a complete suite of software solutions for creating, operating, and realizing any real-time interactive 2D and 3D content on cell phones, tablets, PCs, game consoles, augmented reality, and virtual reality devices. https://unity.com/cn