Online Virtual Reality Vernetztes Regelungslabor für die Ausbildung in der Regelungstechnik

Zusammenfassung

Diese Studie beschreibt ein WebVR-basiertes Online-Virtual-Reality-Laborsystem (VR), das den Nutzern immersive und interaktive Experimentiermöglichkeiten bietet, die von VR-Geräten unterstützt werden. Das vorgeschlagene System trägt nicht nur dazu bei, die Beteiligung der Nutzer an Online-Experimenten realistischer zu gestalten, sondern ist auch auf eine Vielzahl von Online-Labor-Frameworks anwendbar.

Zusammenfassung

Online-Labore spielen eine wichtige Rolle in der ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung. In dieser Arbeit wird ein WebVR-basiertes virtuelles Laborsystem diskutiert. Der Benutzer betritt die simulierte Laborumgebung über ein Virtual-Reality-Gerät (VR) und interagiert mit den experimentellen Geräten, ähnlich wie bei praktischen Experimenten in einem physischen Labor. Darüber hinaus ermöglicht das vorgeschlagene System den Benutzern, ihre eigenen Steuerungsalgorithmen zu entwerfen und die Auswirkungen verschiedener Steuerungsparameter zu beobachten, um ihr Verständnis des Experiments zu verbessern. Um die Merkmale des vorgeschlagenen virtuellen Labors zu veranschaulichen, wird in dieser Arbeit ein Beispiel gegeben, bei dem es sich um ein Experiment mit einem doppelten umgekehrten Pendelsystem handelt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene System es den Benutzern ermöglicht, Experimente auf immersive und interaktive Weise durchzuführen und den Benutzern einen vollständigen experimentellen Prozess von der Hauptplanung bis zum experimentellen Betrieb bietet. Es wird auch eine Lösung bereitgestellt, um jedes virtuelle Labor in ein WebVR-basiertes virtuelles Labor für die Aus- und Weiterbildung umzuwandeln.

Einleitung

Mit der Weiterentwicklung des Internets und der Popularität mobiler Geräte steigt die Nachfrage nach Online-Bildung¹. Insbesondere in Zeiten weit verbreiteter Epidemien stehen traditionelle Bildungseinrichtungen oft vor Herausforderungen, wenn es darum geht, den Präsenzunterricht effektiv durchzuführen, was die Bedeutung der Online-Bildung als wichtigen pädagogischen Ansatz unterstreicht². Theoretische Kurse lassen sich relativ einfach auf Online-Plattformen übertragen. Sie können mit Hilfe von Tools wie Remote-Videokonferenzsoftware und Massive Open Online Courses (MOOCs)³ durchgeführt werden. Praktika stehen jedoch vor größeren Herausforderungen, da sie von den Benutzern die Durchführung praktischer Experimente in traditionellen Laboren erfordern.

Die Forscher haben maßgeblich dazu beigetragen, die Herausforderung zu bewältigen, experimentelle Geräte online verfügbar zu machen. In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurden umfangreiche Studien zu den Konzepten und Technologien von Online-Laboren durchgeführt ^4,5. Online-Labore umfassen in der Regel Remote-Labore⁶, virtuelle Labore⁷ und Hybridlabore⁸. Diese Online-Laboransätze haben in verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen breite Anwendung gefunden, darunter Regelungstechnik⁹, Maschinenbau¹⁰ und Software Engineering¹¹.

Obwohl in Bezug auf die Bequemlichkeit des experimentellen Betriebs in Online-Laboren erhebliche Fortschritte erzielt wurden¹², empfinden die Nutzer im Vergleich zu herkömmlichen Laborumgebungen immer noch einen Mangel an Realismus und ähnlichen praktischen Abläufen, was sich auf ihre Gesamterfahrung auswirkt¹³. Diese Diskrepanz in der Benutzererfahrung motiviert zu weiteren Forschungs- und Entwicklungsbemühungen, um den Realismus und das Engagement in Online-Laborumgebungen zu verbessern.

Um die oben genannten Probleme zu lösen, wurde die Virtual-Reality-Technologie (VR) in virtuellen Laboren¹⁴ eingesetzt, um die Immersivität und Interaktivität virtueller Labore¹⁵ zu verbessern. VR-basierte virtuelle Labore bieten den Nutzern ein nahezu realitätsnahes experimentelles Erlebnis. Benutzer können Gruppenaufgaben im Architekturausbildungsprozess durch Avatare¹⁶ erledigen und den Prozess der architektonischen Vermessung gemeinsam immersiv durchführen, genau wie sie es in einer traditionellen Klassenzimmerumgebung tun würden. Darüber hinaus ermöglichen die VR-basierten virtuellen Labore den Benutzern, die immersive Umgebung virtueller Labore zu betreten und mit virtuellen Experimentiergeräten zu interagieren, indem sie VR-Headsets und -Griffe^{tragen 17}, wodurch die praktischen Fähigkeiten der Benutzer^{verbessert werden 18}. Für unterschiedliche Bildungszwecke können wir verschiedene virtuelle Umgebungen entwerfen. So kann VR beispielsweise mit der Gamification-Theorie kombiniert werden, um die Ingenieurausbildung für die breite Öffentlichkeit zu verbessern und die Effizienz der Verbreitung von schwer verständlichem Wissen wie nachhaltiger Entwicklung^{zu verbessern 19}.

Ähnlich wie Online-Labore, insbesondere virtuelle Labore, haben WebVR-basierte virtuelle Labore viele Vorteile. Erstens durchbrechen sie die zeitlichen und räumlichen Beschränkungen traditioneller Labore, und die Benutzer können jederzeit und überall Experimente durchführen²⁰. Zweitens können Online-Labore eine sicherere Versuchsumgebung bieten, um mögliche Gefahren und Unfälle im Versuchsbetrieb zu vermeiden²¹. Drittens können virtuelle Labore auch mehr experimentelle Ressourcen und Simulationssituationen bereitstellen, um den experimentellen Umfang und die Erfahrung der Nutzer zu erweitern²². Am wichtigsten ist, dass WebVR-basierte virtuelle Labore das Lerninteresse und die Initiative der Nutzer stimulieren und ihre experimentelle Erfahrung und Teilnahme verbessern können²³.

Im Vergleich zu anderen VR-basierten virtuellen Laboren kombiniert das WebVR-basierte virtuelle Labor nahtlos die Vorzüge von VR-basierten virtuellen Laboren mit webbasierten Online-Laboren. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)²⁴ baut ein grundlegendes analog-elektronisches Remote-Labor auf, indem reale Leiterplatten konstruiert werden. Benutzer können simulierte Experimente auf der Weboberfläche durchführen, um reale Leiterplattenexperimente durchzuführen. Weblab-Deusto⁸ baut das Field Programmable Gate Array (FPGA)-Labor für Wassertanks, in dem Benutzer mit dem dreidimensionalen (3D) Modell des Wassertanks auf der Webplattform interagieren können, ohne auf andere Plug-ins angewiesen zu sein. Das in diesem Beitrag vorgeschlagene System bietet die Möglichkeit, WebVR als modulare Komponente nahtlos in die bestehende virtuelle Laborinfrastruktur zu integrieren. Diese Integration kann erreicht werden, ohne den ursprünglichen architektonischen Rahmen des Labors zu zerstören, wodurch die Grundstruktur und Funktion des Labors erhalten bleiben. Diese Integration ist auch auf den Rahmen eines Online-Labors mit getrenntem Frontend und Backend anwendbar.

Das in diesem Beitrag vorgeschlagene System basiert auf dem Networked Control System Laboratory (NCSLab)²⁵, das die Flexibilität, Interaktivität, Modularität und plattformübergreifenden Funktionen des NCSLab-Systems übernimmt. Benutzer können Experimente nach verschiedenen Modulen durchführen und auch Algorithmen und Konfigurationsoberflächen anpassen, um den Benutzern genügend Raum für die Selbstverwirklichung zu bieten. Online-Experimente werden in Echtzeit nach den vom Benutzer ausgeführten Algorithmen gesteuert. Benutzer können mit dem virtuellen Modell interagieren, um die Eingaben des experimentellen Algorithmus bei der Durchführung von VR-Experimenten zu ändern, und sie können sogar die Parameter des Steuerungsalgorithmus durch die Komponenten ändern, so dass die Benutzer das Prinzip des Steuerungsalgorithmus realistischer erleben können.

WebVR-basierte virtuelle Labore bringen großes Potenzial für die Online-Bildung mit sich. Es kann ein immersives experimentelles Erlebnis bieten, die Grenzen traditioneller Labore überwinden und praktische Fähigkeiten und innovatives Denken bei den Nutzern fördern.

Protokoll

Diese Studie entsprach den Richtlinien des Ethikkomitees für die Humanforschung an der Universität Wuhan, und für alle experimentellen Daten wurde eine Einverständniserklärung eingeholt. In diesem Artikel werden die experimentellen Schritte für das doppelt invertierte Pendelsystem diskutiert, und alle Schritte werden im WebVR-basierten NCSLab ausgeführt.

1. Greifen Sie auf das WebVR-basierte NCSLab-System zu

1. Öffnen Sie einen Webbrowser, der WebVR unterstützt. Geben Sie den Uniform Resource Locator (URL) des WebVR-basierten NCSLab ein, um auf das System zuzugreifen.
2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment starten , um sich beim NCSLab-System anzumelden. Wenn Sie sich zum ersten Mal beim System anmelden, führen Sie eine Kontoregistrierung durch.
3. Loggen Sie sich in das NCSLab-System ein, wählen Sie in der linken Menüleiste verschiedene Experimente aus und wählen Sie in diesem Fall das Doppelpendelexperiment.
4. Rufen Sie die 3D-Unterseite auf der Hauptseite auf.
   HINWEIS: Es gibt fünf Unterseiten auf der Hauptseite, beginnend mit der ersten, die die Einführung des Ausrüstungsmodells darstellt. Es enthält eine 3D-Modellanimation sowie eine Dokumentation. Durch den Besuch dieser Seite können Benutzer das Prinzip des Doppelpendelsystems verstehen, das eine bequeme Durchführung nachfolgender Experimente ermöglicht.
5. Beantragen Sie die Experimentsteuerung, indem Sie auf die Schaltfläche Anforderungssteuerung klicken, um eine effiziente Nutzung der Ressourcen sicherzustellen. Dadurch erhalten Benutzer 30 Minuten Testzeit.
   HINWEIS: Bei virtuellen Experimenten können 500 Benutzer gleichzeitig Experimente durchführen dürfen.
6. Rufen Sie die Unterseite "Anlageninformationen" auf, um Zugang zu umfassenden Details zu den Versuchsgeräten zu erhalten. Dazu gehören Informationen über Geräte, die derzeit in Gebrauch sind, Geräte, die unbenutzt bleiben, und wartungsbezogene Geräte.
7. Wählen Sie den Standardsteuerungsalgorithmus des Systems aus, der auf der Unterseite Experimenteller Algorithmus heruntergeladen werden soll. Alternativ können Sie mit der Unterseite Algorithmus-Design fortfahren, um einen anderen Algorithmus zu entwerfen.
   1. Um einen neuen Steuerungsalgorithmus zu entwerfen, klicken Sie auf der Unterseite für den Algorithmusentwurf auf die Schaltfläche Neues Modell erstellen , um die Designschnittstelle aufzurufen.
      HINWEIS: Der Prozess des Algorithmusentwurfs ähnelt weitgehend dem von MATLAB/Simulink, wobei Benutzer das Blockdiagramm des Steuerungsalgorithmus durch einen intuitiven Drag-and-Drop-Ansatz erstellen und verschiedene Module verwenden, um die gewünschte Steuerungslogik zu erstellen.
   2. Erstellen Sie das vollständige Blockdiagramm des Steuerungsalgorithmus, wie in Abbildung 1 dargestellt, und führen Sie die unten beschriebenen Schritte aus.
   3. Wählen Sie das Doppel-Umkehrpendel-Systemmodul aus dem Gerätemodell auf der linken Seite aus.
   4. Wählen Sie das Gain-Modul , um die Feedback-Matrix für den LQR-Controller (Linear Quadratic Regulator) zu entwerfen.
   5. Wählen Sie das Schrittsignal als Eingang und fügen Sie weitere Module hinzu. Doppelklicken Sie auf das Modul, um detaillierte Informationen anzuzeigen und die Parameterkonfiguration zu ändern. Doppelklicken Sie z. B. auf das Modul Konstantes Signal, um den Wert des konstanten Signals zu ändern.
8. Klicken Sie auf die Schaltfläche Simulation starten , nachdem Sie den Entwurf des Steuerungsalgorithmus abgeschlossen haben. Beobachten Sie nach Abschluss der Simulation die Wirksamkeit der Steuerung des entworfenen Algorithmus. Wenn Sie mit den Simulationsergebnissen nicht zufrieden sind, passen Sie die Parameter der LQR-Regler an, bis ein Regelungsalgorithmus mit verbesserter Leistung erreicht ist.
9. Klicken Sie auf die Schaltfläche Kompilieren , um den Steuerungsalgorithmus zu generieren. Nach der Kompilierung wird der Algorithmus im privaten Algorithmusbereich der Unterseite des experimentellen Algorithmus und der Unterseite Algorithmus-Design gespeichert.
10. Laden Sie den Steueralgorithmus auf der Unterseite des experimentellen Algorithmus herunter, indem Sie auf die Schaltfläche Algorithmus herunterladen klicken, die sich auf der rechten Seite des Abschnitts Steuerungsalgorithmus befindet.
11. Wählen Sie eine experimentelle Konfiguration aus, und führen Sie Experimente auf der Unterseite Überwachungskonfiguration durch. Das System bietet eine vordefinierte Konfiguration, um die allgemeinen experimentellen Anforderungen der Benutzer zu erfüllen.
    HINWEIS: Benutzer haben die Flexibilität, auf die Schaltfläche "Neuen Monitor erstellen " zu klicken, um ein individuelles Monitoring-Setup zu erstellen, das auf ihre spezifischen experimentellen Anforderungen zugeschnitten ist.
12. Passen Sie die Überwachungskonfiguration an, und wählen Sie aus einer Vielzahl von Komponenten aus, die in der Bearbeitungsoberfläche der Unterseite für die Überwachungskonfiguration verfügbar sind, wie in Abbildung 2 dargestellt. Zu diesen Komponenten gehören Eingabevariablenkomponenten, Komponenten für die Anzeige variabler Ausgabekurven und 3D-Modellkomponenten.
13. Wählen Sie für VR-Experimente die Komponente 3D-Modell aus. Die 3D-Modellkomponente ermöglicht es dem Benutzer, ein 3D-Modell in die Überwachungskonfiguration zu integrieren.
14. Um die Parameterkonfiguration zu erleichtern, passen Sie die Parameter für jede Komponente an, die direkt mit den Systemparametervariablen verknüpft sind. Doppelklicken Sie auf eine Komponente und rufen Sie das Fenster auf, in dem Sie die relevanten optionalen Parameter innerhalb des experimentellen Systems auswählen können.
15. Benutzer haben die Flexibilität, das Layout der Überwachungskonfiguration zu optimieren, indem sie die Größe der Komponenten ändern. Ziehen Sie dazu die Kanten der jeweiligen Komponenten auf die gewünschten Maße.
16. Klicken Sie auf die Schaltfläche Speichern , um die entworfene Überwachungskonfiguration für die zukünftige Verwendung in nachfolgenden Experimenten zu speichern, wodurch Zeit und Mühe für die wiederholte Einrichtung des Überwachungssystems gespart werden.
    HINWEIS: Die Überwachungskonfiguration kann erst durchgeführt werden, nachdem der Steuerungsalgorithmus korrekt heruntergeladen wurde.
17. Klicken Sie im Fenster auf die Schaltfläche Experiment starten , um das Experiment zu starten. Klicken Sie auf die VR-Schaltfläche in der unteren rechten Ecke der 3D-Modellkomponente, um das VR-Experiment zu starten.
    HINWEIS: Das VR-Experiment ist auf der Webseite eingebettet. Wenn Benutzer es zum ersten Mal verwenden, werden sie vom Browser in der oberen linken Ecke möglicherweise aufgefordert, dem Browser die Verwendung der VR-Funktionalität zu erlauben, und wählen Sie Zulassen aus, um fortzufahren.

2. Auswahl der Zugriffsmethode

1. Verwenden Sie eine WebVR-Emulatorerweiterung. Wenn Sie mit dieser Methode experimentieren möchten, installieren Sie die WebVR-Emulatorerweiterung, die im Erweiterungsspeicher des Browsers zum Suchen und Herunterladen zur Verfügung steht.
   HINWEIS: Die WebVR-Emulatorerweiterung unterstützt Benutzer beim Ausführen von WebVR-Inhalten in einem Webbrowser und stellt die virtuelle VR-Kopfhörer und die Controller-Umgebung bereit, ohne dass das reale VR-Gerät verwendet werden muss.
2. Verwenden Sie VR-Geräte, die WebVR unterstützen. Wenn VR-Geräte zum ersten Mal verwendet werden, wird die grundlegende Umgebungskonfiguration benötigt. Schalten Sie zuerst das Kopfhörer und den Controller ein, um das System zu starten. Richten Sie das anfängliche ROOM-Programm im Kopfhörer ein. Befolgen Sie die visuellen Hinweise, die auf dem Kopfhörer Bildschirm angezeigt werden, und verwenden Sie die Handle-Controller, um die Grenzen und die Ausrichtung der virtuellen Raumumgebung sorgfältig zu kalibrieren. Stellen Sie abschließend eine Streaming-Verbindung zwischen dem Kopfhörer und dem Computer her.
   HINWEIS: Dies ist die zweite Methode, um auf das vorgeschlagene System zuzugreifen. VR-Geräte enthalten in der Regel einen Kopfhörer und ein Paar Griff-Controller. VR-Geräte verfügen über integrierte Stores, in denen Benutzer WebVR-fähige Browser herunterladen können. Alternativ können Benutzer den integrierten Browser verwenden, der WebVR in der Regel unterstützt. Es ist bemerkenswert, dass verschiedene VR-Geräte unterschiedliche Methoden für die Konnektivität verwenden können.

3. Experimentelles Vorgehen

1. Passen Sie die Perspektive an, um die optimale Position für die Durchführung des Experiments mit dem Doppelpendelsystem zu finden.
   1. Für Benutzer, die die WebVR-Emulatorerweiterung verwenden, öffnen Sie die Entwicklertools, suchen Sie die WebVR-Erweiterung, und bearbeiten Sie das virtuelle VR-Gerät mit der Maus, um die Perspektive anzupassen, wie in Abbildung 3 dargestellt.
   2. Für Nutzer, die VR-Geräte einsetzen, tauchen Sie in die virtuelle Experimentierumgebung ein und ermitteln Sie durch körperliche Bewegungen die optimale Experimentierposition.
2. Interagieren Sie mit dem doppelten umgekehrten Pendelsystem mithilfe des Griffreglers, wie unten beschrieben.
   1. Bewegen Sie den Griff näher an den Würfel. Drücken Sie die Trigger-Taste , um den Würfel aufzunehmen, und das doppelt umgekehrte Pendelsystem hört auf, sich zu bewegen.
   2. Durch Verschieben des Griffs können Sie die Position des Würfels steuern. Lassen Sie den Würfel los, sobald er sich in der gewünschten Position befindet, indem Sie die Auslösetaste loslassen. Die Position wird nun als nachfolgender Sollwert für den Wagen bezeichnet, wie in Abbildung 3 dargestellt.
3. Beobachten Sie den Bewegungsverlauf des doppelten umgekehrten Pendelsystems. Durch Manipulieren des Wechselstrom-Servomotors (AC) setzen Sie den Riemen in Bewegung. Unter dem Impuls des Gurtes kann sich das umgekehrte Pendel entlang der Führungsschiene bewegen. Der Systemaufbau des doppelten umgekehrten Pendels ist in Abbildung 4 erläutert. Schließlich stabilisiert sich das doppelte umgekehrte Pendel auf dem Sollwert.
4. Ermutigen Sie die Benutzer, die Position des Würfels iterativ zu manipulieren, den Sollwert des Wagens kontinuierlich anzupassen und das dynamische Verhalten des doppelten umgekehrten Pendelsystems akribisch zu beobachten.

Ergebnisse

Das vorgestellte VR-Experimentiersystem bietet den Nutzern die Möglichkeit, sich an immersiven Experimenten mit VR-Geräten zu beteiligen und so die Interaktion zwischen den Nutzern und den Experimentiergeräten zu verbessern. Darüber hinaus ist das System webbasiert, sodass Benutzer keine lokalen Umgebungen konfigurieren müssen. Dieses Design ermöglicht die Skalierbarkeit des Systems und eignet sich somit für groß angelegte Anwendungen sowie Schulungs- und Bildungszwecke.

In herkömmlic...

Diskussion

Das vorgestellte Protokoll beschreibt ein virtuelles Laborsystem, das es Benutzern ermöglicht, VR-Experimente online durchzuführen, aber auch einen kostengünstigen PC-Controller²⁸ verwendet, der für die Förderung von Anwendungen in großem Maßstab förderlich ist. Die Nutzer können sich Wissen über den gesamten experimentellen Prozess aneignen, von Prinzipien und Algorithmen bis hin zum praktischen experimentellen Betrieb. Dieses System ermöglicht es den Benutzern, in die Experimente einz...

Materialien

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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