Laboratoire de contrôle en réseau de réalité virtuelle en ligne appliqué à l’enseignement de l’ingénierie de contrôle

Résumé

Cette étude décrit un système de laboratoire de réalité virtuelle (RV) en ligne basé sur WebVR qui offre aux utilisateurs des capacités d’expérimentation immersives et interactives prises en charge par des appareils de RV. Le système proposé contribue non seulement à améliorer le réalisme de la participation des utilisateurs aux expériences en ligne, mais il est également applicable à un large éventail de cadres de laboratoire en ligne.

Résumé

Les laboratoires en ligne jouent un rôle important dans l’enseignement de l’ingénierie. Ce travail traite d’un système de laboratoire virtuel basé sur WebVR. L’utilisateur pénètre dans l’environnement de laboratoire simulé par le biais d’un dispositif de réalité virtuelle (RV) et interagit avec l’équipement expérimental, de la même manière que lors d’expériences pratiques dans un laboratoire physique. De plus, le système proposé permet aux utilisateurs de concevoir leurs propres algorithmes de contrôle et d’observer les effets de différents paramètres de contrôle afin d’améliorer leur compréhension de l’expérience. Pour illustrer les caractéristiques du laboratoire virtuel proposé, un exemple est fourni dans cet article, qui est une expérience sur un système de pendule à double inversé. Les résultats expérimentaux montrent que le système proposé permet aux utilisateurs de mener des expériences de manière immersive et interactive et fournit aux utilisateurs un processus expérimental complet, de la conception principale à l’exploitation expérimentale. Une solution est également fournie pour transformer n’importe quel laboratoire virtuel en un laboratoire virtuel basé sur WebVR pour l’éducation et la formation.

Introduction

Avec les progrès d’Internet et la popularité des appareils mobiles, la demande d’éducation en ligne augmente¹. En particulier, pendant les périodes d’épidémies généralisées, les établissements d’enseignement traditionnels sont souvent confrontés à des difficultés pour dispenser efficacement un enseignement en personne, ce qui souligne l’importance de l’éducation en ligne en tant qu’approche pédagogique importante². Les cours théoriques sont relativement faciles à transférer sur les plateformes en ligne. Elles peuvent être menées à l’aide d’outils tels que les logiciels de vidéoconférence à distance et les cours en ligne ouverts à tous (MOOC)³. Cependant, les cours pratiques sont confrontés à des défis plus importants car ils obligent les utilisateurs à effectuer des expériences pratiques dans des laboratoires traditionnels.

Les chercheurs ont apporté des contributions importantes pour relever le défi de rendre l’équipement expérimental disponible en ligne. Au cours des deux dernières décennies, des études approfondies ont été menées sur les concepts et les technologies des laboratoires en ligne ^4,5. Les laboratoires en ligne englobent généralement les laboratoires distants⁶, les laboratoires virtuels⁷ et les laboratoires hybrides⁸. Ces approches de laboratoire en ligne ont trouvé une large application dans diverses disciplines d’ingénierie, notamment l’ingénierie de contrôle⁹, l’ingénierie mécanique¹⁰ et l’ingénierie logicielle¹¹.

Bien que des progrès significatifs aient été réalisés en termes de commodité des opérations expérimentales dans les laboratoires en ligne¹², les utilisateurs perçoivent toujours un manque de réalisme et des opérations pratiques similaires par rapport aux environnements de laboratoire traditionnels, ce qui affecte leur expérience globale¹³. Cette divergence dans l’expérience utilisateur motive d’autres efforts de recherche et de développement pour améliorer le réalisme et l’engagement dans les environnements de laboratoire en ligne.

Pour résoudre les problèmes ci-dessus, la technologie de réalité virtuelle (VR) a été appliquée dans les laboratoires virtuels¹⁴ afin d’améliorer l’immersion et l’interactivité des laboratoires virtuels¹⁵. Les laboratoires virtuels basés sur la RV offrent aux utilisateurs une expérience expérimentale proche du réalisme. Les utilisateurs peuvent effectuer des devoirs de groupe dans le processus d’enseignement de l’architecture par le biais d’avatars¹⁶, effectuant ensemble le processus d’arpentage architectural de manière immersive, comme ils le feraient dans un environnement de classe traditionnel. De plus, les laboratoires virtuels basés sur la RV permettent aux utilisateurs d’entrer dans l’environnement immersif des laboratoires virtuels et d’interagir avec l’équipement expérimental virtuel en portant des casques et des poignées VR¹⁷, améliorant ainsi les capacités pratiques des utilisateurs¹⁸. À des fins éducatives différentes, nous pouvons concevoir différents environnements virtuels. Par exemple, la RV peut être combinée à la théorie de la gamification pour améliorer l’enseignement de l’ingénierie pour le grand public et pour améliorer l’efficacité de la diffusion de connaissances difficiles à comprendre telles que le développement durable¹⁹.

À l’instar des laboratoires en ligne, en particulier des laboratoires virtuels, les laboratoires virtuels basés sur WebVR présentent de nombreux avantages. Tout d’abord, ils brisent les limites de temps et d’espace des laboratoires traditionnels, et les utilisateurs peuvent mener des expériences à tout moment^{et n’importe} où. Deuxièmement, les laboratoires en ligne peuvent fournir un environnement expérimental plus sûr afin d’éviter d’éventuels dangers et accidents lors des opérations expérimentales²¹. Troisièmement, les laboratoires virtuels peuvent également fournir davantage de ressources expérimentales et de situations de simulation pour étendre la portée et l’expérience expérimentales des utilisateurs²². Plus important encore, les laboratoires virtuels basés sur WebVR peuvent stimuler l’intérêt et l’initiative d’apprentissage des utilisateurs et améliorer leur expérience expérimentale et leur participation²³.

Par rapport à d’autres laboratoires virtuels basés sur la réalité virtuelle, le laboratoire virtuel basé sur WebVR combine de manière transparente les avantages des laboratoires virtuels basés sur la réalité virtuelle avec les laboratoires en ligne basés sur le Web. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)²⁴ construit un laboratoire électronique analogique à distance de base en construisant de véritables cartes de circuits imprimés. Les utilisateurs peuvent effectuer des expériences simulées sur l’interface Web pour réaliser des expériences réelles sur des circuits imprimés. Weblab-Deusto⁸ construit le laboratoire FPGA (Field Programmable Gate Array) du réservoir d’eau où les utilisateurs peuvent interagir avec le modèle tridimensionnel (3D) du réservoir d’eau dans la plate-forme Web sans dépendre d’autres plug-ins. Le système proposé dans cet article introduit la possibilité d’intégrer de manière transparente WebVR en tant que composant modulaire dans l’infrastructure de laboratoire virtuel existante. Cette intégration peut être réalisée sans détruire le cadre architectural d’origine du laboratoire, préservant ainsi la structure et la fonction de base du laboratoire. Cette intégration s’applique également au cadre d’un laboratoire en ligne avec un front-end et un back-end séparés.

Le système proposé dans cet article est mis en œuvre sur la base du laboratoire de système de contrôle en réseau (NCSLab)²⁵, qui hérite de la flexibilité, de l’interactivité, de la modularité et des caractéristiques multiplateformes du système NCSLab. Les utilisateurs peuvent mener des expériences selon différents modules et peuvent également personnaliser les algorithmes et les interfaces de configuration, offrant aux utilisateurs suffisamment d’espace pour se réaliser. Les expériences en ligne sont pilotées en temps réel selon les algorithmes exécutés par l’utilisateur. Les utilisateurs peuvent interagir avec le modèle virtuel pour modifier les entrées de l’algorithme expérimental lors de la réalisation d’expériences VR et peuvent même modifier les paramètres de l’algorithme de contrôle à travers les composants afin que les utilisateurs puissent expérimenter le principe de l’algorithme de contrôle de manière plus réaliste.

Les laboratoires virtuels basés sur WebVR offrent un grand potentiel pour l’éducation en ligne. Il peut offrir une expérience expérimentale immersive, surmonter les limites des laboratoires traditionnels et promouvoir les compétences pratiques et la pensée innovante chez les utilisateurs.

Protocole

Cette étude a respecté les directives du Comité d’éthique de la recherche humaine de l’Université de Wuhan, et un consentement éclairé a été obtenu pour toutes les données expérimentales. Dans cet article, les étapes expérimentales du système de pendule à double inversion sont discutées, et toutes les étapes sont effectuées dans le NCSLab basé sur WebVR.

1. Accéder au système NCSLab basé sur WebVR

1. Ouvrez un navigateur Web qui prend en charge WebVR. Entrez l’URL (Uniform Resource Locator) du NCSLab basé sur WebVR pour accéder au système.
2. Cliquez sur le bouton Démarrer l’expérience pour vous connecter au système NCSLab. Si c’est la première fois que vous vous connectez au système, créez un compte.
3. Connectez-vous au système NCSLab, sélectionnez différentes expériences dans la barre de menu de gauche, et choisissez l’expérience du double pendule inversé dans ce cas.
4. Accédez à la sous-page 3D sur la page principale.
   REMARQUE : Il y a cinq sous-pages sur la page principale, en commençant par la première, qui est l’introduction du modèle d’équipement. Il contient une animation de modèle 3D ainsi que de la documentation. En visitant cette page, les utilisateurs peuvent saisir le principe du système du double pendule inversé, permettant une exécution pratique des expériences ultérieures.
5. Demandez le contrôle des expériences en cliquant sur le bouton Demander le contrôle pour garantir une utilisation efficace des ressources. Cela accordera aux utilisateurs 30 minutes de temps d’expérimentation.
   REMARQUE : Pour les expériences virtuelles, 500 utilisateurs peuvent être autorisés à mener des expériences en même temps.
6. Entrez dans la sous-page d’information sur l’installation pour avoir accès à des détails complets concernant l’appareil expérimental. Il s’agit de renseignements sur l’équipement actuellement utilisé, l’équipement qui n’est pas utilisé et l’équipement lié à l’entretien.
7. Choisissez l’algorithme de contrôle par défaut du système à télécharger sur la sous-page Algorithme expérimental . Vous pouvez également passer à la sous-page Conception d’algorithmes pour concevoir un algorithme différent.
   1. Pour concevoir un nouvel algorithme de contrôle, cliquez sur le bouton Créer un nouveau modèle sur la sous-page de conception de l’algorithme pour accéder à l’interface de conception.
      REMARQUE : le processus de conception d’algorithmes est très proche de celui de MATLAB/Simulink, où les utilisateurs construisent le schéma fonctionnel de l’algorithme de contrôle à l’aide d’une approche intuitive par glisser-déposer, en utilisant divers modules pour créer la logique de contrôle souhaitée.
   2. Construisez le schéma fonctionnel complet de l’algorithme de contrôle, comme illustré à la figure 1, et suivez les étapes décrites ci-dessous.
   3. Sélectionnez le module du système à double pendule inversé dans le modèle de l’appareil sur la gauche.
   4. Choisissez le module de gain pour concevoir la matrice de rétroaction pour le contrôleur LQR (Linear Quadratic Regulator).
   5. Sélectionnez le signal pas à pas comme entrée et ajoutez d’autres modules. Double-cliquez sur le module pour afficher des informations détaillées et modifier la configuration des paramètres. Par exemple, double-cliquez sur le module de signal constant pour modifier la valeur du signal constant.
8. Cliquez sur le bouton Démarrer la simulation une fois la conception de l’algorithme de contrôle terminée. À la fin de la simulation, observez l’efficacité du contrôle de l’algorithme conçu. Si vous n’êtes pas satisfait des résultats de la simulation, affinez les paramètres des contrôleurs LQR jusqu’à ce qu’un algorithme de contrôle aux performances améliorées soit obtenu.
9. Cliquez sur le bouton Compiler pour générer l’algorithme de contrôle. Après la compilation, l’algorithme est stocké dans la zone privée de l’algorithme de la sous-page de l’algorithme expérimental et de la sous-page de conception de l’algorithme.
10. Téléchargez l’algorithme de contrôle sur la sous-page de l’algorithme expérimental en cliquant sur le bouton Télécharger l’algorithme situé sur le côté droit de la section de l’algorithme de contrôle.
11. Sélectionnez une configuration expérimentale et effectuez des expériences sur la sous-page Configuration de la surveillance . Le système fournit une configuration prédéfinie pour répondre aux exigences expérimentales générales des utilisateurs.
    REMARQUE : les utilisateurs ont la possibilité de cliquer sur le bouton Créer un nouveau moniteur pour créer une configuration de surveillance personnalisée adaptée à leurs besoins expérimentaux spécifiques.
12. Personnalisez la configuration de la surveillance et choisissez parmi les différents composants disponibles dans l’interface d’édition de la sous-page de configuration de la surveillance, comme illustré à la figure 2. Ces composants comprennent les composants de variable d’entrée, les composants d’affichage de courbe de variable de sortie et les composants de modèle 3D.
13. Pour les expériences VR, sélectionnez le composant de modèle 3D. Le composant de modèle 3D permet aux utilisateurs d’intégrer un modèle 3D dans la configuration de surveillance.
14. Pour faciliter la configuration des paramètres, ajustez les paramètres de chaque composant, qui sont directement liés aux variables de paramètres système. Double-cliquez sur un composant et accédez à la fenêtre pour sélectionner les paramètres optionnels pertinents dans le système expérimental.
15. Les utilisateurs ont la possibilité d’optimiser la disposition de la configuration de surveillance en redimensionnant les composants. Pour ce faire, faites glisser les bords des composants respectifs jusqu’aux dimensions souhaitées.
16. Cliquez sur le bouton Enregistrer pour enregistrer la configuration de surveillance conçue pour une utilisation ultérieure dans des expériences ultérieures, ce qui permet d’économiser du temps et des efforts pour configurer le système de surveillance à plusieurs reprises.
    REMARQUE : La configuration de la surveillance ne peut être effectuée qu’après que l’algorithme de contrôle a été correctement téléchargé.
17. Cliquez sur le bouton Démarrer l’expérience dans la fenêtre pour lancer l’expérience. Cliquez sur le bouton VR dans le coin inférieur droit du composant de modèle 3D pour lancer l’expérience VR.
    REMARQUE : L’expérience VR est intégrée à la page Web. Lorsque les utilisateurs l’utilisent pour la première fois, le navigateur peut leur demander dans le coin supérieur gauche d’autoriser le navigateur à utiliser la fonctionnalité VR, sélectionnez Autoriser pour continuer.

2. Sélection de la méthode d’accès

1. Utilisez une extension d’émulateur WebVR. Pour expérimenter cette méthode, installez l’extension de l’émulateur WebVR, qui est facilement disponible pour la recherche et le téléchargement à partir de la boutique d’extensions du navigateur.
   REMARQUE : L’extension d’émulateur WebVR aide les utilisateurs à exécuter du contenu WebVR dans un navigateur Web et fournit le casque VR virtuel et l’environnement de contrôleur de poignées sans avoir besoin d’utiliser l’appareil VR réel.
2. Utilisez des appareils VR prenant en charge WebVR. Si des appareils VR sont utilisés pour la première fois, la configuration de base de l’environnement est nécessaire. Tout d’abord, allumez l’alimentation du casque et de la manette pour démarrer le système. Configurez le programme ROOM initial dans le casque. En suivant les repères visuels affichés sur l’écran du casque, utilisez les contrôleurs de poignée pour calibrer soigneusement les limites et l’orientation de l’environnement de l’espace virtuel. Enfin, établissez une connexion de streaming entre le casque et l’ordinateur.
   REMARQUE : Il s’agit de la deuxième méthode pour accéder au système proposé. Les appareils VR comprennent généralement un casque et une paire de manettes. Les appareils VR ont des magasins intégrés où les utilisateurs peuvent télécharger des navigateurs compatibles WebVR. Alternativement, les utilisateurs peuvent utiliser le navigateur intégré, qui prend généralement en charge WebVR. Il convient de noter que divers appareils VR peuvent utiliser des méthodes distinctes pour la connectivité.

3. Procédure expérimentale

1. Ajustez la perspective pour trouver la position optimale pour mener l’expérience du système de pendule à double inversé.
   1. Pour les utilisateurs utilisant l’extension de l’émulateur WebVR, ouvrez les outils de développement, localisez l’extension WebVR et manipulez le périphérique VR virtuel à l’aide de la souris pour ajuster la perspective, comme illustré à la figure 3.
   2. Pour les utilisateurs utilisant des appareils VR, immergez-vous dans l’environnement expérimental virtuel et déterminez la position expérimentale optimale grâce à des mouvements physiques.
2. Interagissez avec le système de pendule à double inversion à l’aide de la commande de poignée comme décrit ci-dessous.
   1. Rapprochez la poignée du cube. Appuyez sur le bouton Trigger pour ramasser le cube et le système de pendule à double inversion s’arrêtera de bouger.
   2. En déplaçant la poignée, contrôlez la position du cube. Relâchez le cube une fois qu’il est dans la position souhaitée en relâchant le bouton de déclenchement. La position est maintenant désignée comme le point de consigne ultérieur pour le chariot, comme illustré à la figure 3.
3. Observez le processus de mouvement du système de pendule à double inversé. En manipulant le servomoteur à courant alternatif (CA), mettez la courroie en mouvement. Sous l’impulsion de la ceinture, le pendule inversé peut se déplacer le long du rail de guidage, La structure du système du double pendule inversé est élucidée dans la figure 4. Finalement, le pendule à double inversion se stabilisera au point de consigne.
4. Encouragez les utilisateurs à manipuler de manière itérative la position du cube, à ajuster en permanence le point de consigne du chariot et à observer méticuleusement le comportement dynamique du système de pendule à double inversé.

Résultats

Le système d’expérimentation VR présenté offre aux utilisateurs la possibilité de s’engager dans des expériences immersives à l’aide d’appareils VR, améliorant ainsi l’interaction entre les utilisateurs et l’équipement expérimental. De plus, le système est basé sur le Web, ce qui élimine la nécessité pour les utilisateurs de configurer des environnements locaux. Cette conception permet l’évolutivité du système, ce qui le rend adapté aux applications à grande échelle, à la formation et ...

Discussion

Le protocole présenté décrit un système de laboratoire virtuel qui permet aux utilisateurs de mener des expériences de RV en ligne, mais utilise également un contrôleur PC à faible coût²⁸, ce qui est propice à la promotion d’applications à grande échelle. Les utilisateurs peuvent acquérir des connaissances sur l’ensemble du processus expérimental, des principes et des algorithmes aux opérations expérimentales pratiques. Ce système permet aux utilisateurs de s’immerger dans l...

matériels

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