עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת מענק 62103308 ומענק 62073247, בחלקה על ידי קרנות המחקר הבסיסיות עבור האוניברסיטאות המרכזיות תחת מענק 2042023kf0095, בחלקה על ידי הקרן הסינית למדע פוסט-דוקטורט תחת מענק 2022T150496, ובחלקה על ידי מימון פרויקט טכנולוגיית ניסוי באוניברסיטת ווהאן תחת מענק WHU-2022-SYJS-10.

מחקר זה עמד בהנחיות ועדת האתיקה של המחקר האנושי באוניברסיטת ווהאן, והתקבלה הסכמה מדעת לכל נתוני הניסוי. במאמר זה נדונים השלבים הניסיוניים עבור מערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה, וכל השלבים מבוצעים ב- NCSLab מבוסס WebVR.
1. גישה למערכת NCSLab מבוססת WebVR
<ol><li>פתח דפדפן אינטרנט התומך ב- WebVR. הזן את מאתר המשאבים האחיד (URL) של NCSLab מבוסס WebVR כדי לגשת למערכת.</li>
	<li>לחץ על הלחצן התחל ניסוי כדי להיכנס למערכת NCSLab. אם זו הפעם הראשונה להיכנס למערכת, בצע רישום חשבון.</li>
	<li>היכנס למערכת NCSLab, בחר ניסויים שונים משורת התפריטים השמאלית ובחר את ניסוי המטוטלת ההפוכה הכפולה במקרה זה.</li>
	<li>גש לדף המשנה התלת-ממדי בדף הראשי. הערה: ישנם חמישה דפי משנה בעמוד הראשי, החל מהראשון, שהוא המבוא של דגם הציוד. הוא מכיל אנימציה מודל 3D, כמו גם תיעוד. על ידי ביקור בדף זה, משתמשים יכולים להבין את העיקרון של מערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה, המאפשרת ביצוע נוח של הניסויים הבאים.</li>
	<li>הגש בקשה לבקרת ניסויים על-ידי לחיצה על הלחצן בקש בקרה כדי להבטיח שימוש יעיל במשאבים. זה יעניק למשתמשים 30 דקות של זמן ניסוי. הערה: עבור ניסויים וירטואליים, 500 משתמשים יכולים להיות מורשים לבצע ניסויים בו זמנית.</li>
	<li>הזן את דף המשנה של מידע על הצמח כדי לקבל גישה לפרטים מקיפים אודות מנגנון הניסוי. מידע זה כולל מידע על ציוד שנמצא כעת בשימוש, ציוד שנותר ללא שימוש וציוד הקשור לתחזוקה.</li>
	<li>בחר את אלגוריתם בקרת ברירת המחדל של המערכת להורדה בדף המשנה אלגוריתם ניסיוני . לחלופין, המשך לדף המשנה עיצוב אלגוריתם כדי לעצב אלגוריתם אחר.<ol><li>כדי לעצב אלגוריתם בקרה חדש, לחץ על הלחצן Create New Model בדף המשנה של עיצוב האלגוריתם כדי להיכנס לממשק העיצוב. הערה: תהליך תכנון האלגוריתם דומה מאוד לזה של MATLAB/Simulink, שבו משתמשים בונים את דיאגרמת הבלוקים של אלגוריתם הבקרה באמצעות גישת גרירה ושחרור אינטואיטיבית, תוך שימוש במודולים שונים כדי לעצב את לוגיקת הבקרה הרצויה.</li>
		<li>בנה את דיאגרמת הבלוקים המלאה של אלגוריתם הבקרה, כפי שמתואר באיור 1, ופעל לפי השלבים המתוארים להלן.</li>
		<li>בחר את מודול מערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה מדגם המכשיר משמאל.</li>
		<li>בחר את מודול הרווח כדי לתכנן את מטריצת המשוב עבור בקר ה- Linear Quadratic Regulator (LQR).</li>
		<li>בחר את אות הצעד כקלט והוסף מודולים אחרים. לחץ פעמיים על המודול כדי להציג מידע מפורט ולשנות את תצורת הפרמטרים. לדוגמה, לחץ פעמיים על מודול האות הקבוע כדי לשנות את ערך האות הקבוע.</li>
	</ol></li>
	<li>לחץ על התחל סימולציה כפתור עם השלמת תכנון אלגוריתם הבקרה. עם השלמת הסימולציה, שימו לב ליעילות הבקרה של האלגוריתם המתוכנן. אם אינך מרוצה מתוצאות הסימולציה, כוונן את הפרמטרים של בקרי LQR עד להשגת אלגוריתם בקרה עם ביצועים משופרים.</li>
	<li>לחץ על לחצן הידור כדי ליצור את אלגוריתם הבקרה. לאחר ההידור, האלגוריתם מאוחסן באזור האלגוריתם הפרטי של דף המשנה של האלגוריתם הניסיוני ותת-הדף של עיצוב האלגוריתם.</li>
	<li>הורד את אלגוריתם הבקרה בדף המשנה של אלגוריתם הניסוי על-ידי לחיצה על הלחצן הורד אלגוריתם הממוקם בצד ימין של המקטע אלגוריתם הבקרה.</li>
	<li>בחר תצורת ניסוי וערוך ניסויים בדף המשנה תצורת ניטור . המערכת מספקת תצורה מוגדרת מראש כדי לענות על דרישות הניסוי הכלליות של המשתמשים. הערה: למשתמשים יש את הגמישות ללחוץ על הלחצן צור צג חדש כדי לעצב מערך ניטור מותאם אישית המותאם לדרישות הניסוי הספציפיות שלהם.</li>
	<li>התאם אישית את תצורת הניטור ובחר מתוך מגוון רכיבים הזמינים בממשק העריכה של דף המשנה של תצורת הניטור, כמתואר באיור 2. רכיבים אלה כוללים רכיבי משתני קלט, רכיבי תצוגה של עקומת משתנה פלט ורכיבי מודל תלת-ממדי.</li>
	<li>עבור ניסויי VR, בחר את רכיב המודל התלת-ממדי. רכיב המודל התלת-ממדי מאפשר למשתמשים לשלב מודל תלת-ממדי בתצורת הניטור.</li>
	<li>כדי להקל על תצורת הפרמטרים, התאם את הפרמטרים עבור כל רכיב, המקושרים ישירות למשתני פרמטר המערכת. לחץ פעמיים על רכיב וגש לחלון כדי לבחור את הפרמטרים האופציונליים הרלוונטיים במערכת הניסוי.</li>
	<li>למשתמשים יש את הגמישות למטב את פריסת תצורת הניטור על ידי שינוי גודל רכיבים. לשם כך, גרור את הקצוות של הרכיבים המתאימים לממדים הרצויים.</li>
	<li>לחץ על להציל כפתור כדי לשמור את תצורת הניטור המתוכננת לשימוש עתידי בניסויים הבאים, תוך חיסכון בזמן ובמאמץ להגדרת מערכת הניטור שוב ושוב. הערה: ניתן לבצע את תצורת הניטור רק לאחר הורדה נכונה של אלגוריתם הבקרה.</li>
	<li>לחץ על הלחצן התחל ניסוי בחלון כדי להתחיל את הניסוי. לחץ על כפתור VR בפינה השמאלית התחתונה של רכיב המודל התלת-ממדי כדי להפעיל את ניסוי ה- VR. הערה: ניסוי המציאות המדומה מוטמע בדף האינטרנט. כאשר משתמשים משתמשים בו בפעם הראשונה, הדפדפן עשוי לבקש מהם בפינה השמאלית העליונה לאפשר לדפדפן להשתמש בפונקציונליות VR, בחר אפשר כדי להמשיך.</li>
</ol>2. בחירת שיטת הגישה
<ol><li>השתמש בהרחבה לאמולטור WebVR. כדי להתנסות בשיטה זו, התקן את תוסף האמולטור WebVR, הזמין לחיפוש ולהורדה מחנות התוספים של הדפדפן. הערה: תוסף האמולטור WebVR מסייע למשתמשים להריץ תוכן WebVR בדפדפן אינטרנט ומספק את ערכת המציאות המדומה הווירטואלית ואת סביבת בקר הידיות ללא צורך להשתמש במכשיר VR אמיתי.</li>
	<li>השתמשו במכשירי VR שתומכים ב-WebVR. אם נעשה שימוש במכשירי VR בפעם הראשונה, יש צורך בתצורת הסביבה הבסיסית. תחילה, הפעל את עוצמת האוזניות והבקר כדי להפעיל את המערכת. הגדר את תוכנית ROOM הראשונית באוזנייה. בהתאם לרמזים החזותיים המוצגים על מסך האוזניות, השתמש בבקרי נקודת האחיזה כדי לכייל בקפידה את הגבולות והכיוון של סביבת המרחב הווירטואלי. לבסוף, צור חיבור זרימה בין האוזניות למחשב. הערה: זוהי השיטה השנייה לגשת למערכת המוצעת. מכשירי VR כוללים בדרך כלל אוזניות וזוג בקרי ידית. למכשירי VR יש חנויות מובנות שבהן משתמשים יכולים להוריד דפדפנים תומכי WebVR. לחלופין, משתמשים יכולים להשתמש בדפדפן המובנה, שבדרך כלל תומך ב-WebVR. ראוי לציין כי מכשירי VR שונים עשויים להשתמש בשיטות שונות לקישוריות.</li>
</ol>3. הליך ניסיוני
<ol><li>התאם את הפרספקטיבה כדי למצוא את המיקום האופטימלי לביצוע ניסוי מערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה.<ol><li>עבור משתמשים המשתמשים בהרחבת אמולטור WebVR, פתחו את כלי הפיתוח, אתרו את תוסף WebVR ותפעלו את מכשיר המציאות המדומה הווירטואלי באמצעות העכבר כדי להתאים את הפרספקטיבה, כפי שמוצג באיור 3.</li>
		<li>עבור משתמשים המשתמשים במכשירי VR, לטבול בסביבת הניסוי הווירטואלית ולוודא את המיקום הניסיוני האופטימלי באמצעות תנועות פיזיות.</li>
	</ol></li>
	<li>אינטראקציה עם מערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה באמצעות בקר הידית כמתואר להלן.<ol><li>קרב את הידית לקובייה. לחץ על כפתור ההדק כדי להרים את הקובייה ומערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה תפסיק לנוע.</li>
		<li>על ידי הזזת הידית, שלוט במיקום הקובייה. שחררו את הקובייה ברגע שהיא נמצאת במיקום הרצוי על ידי שחרור כפתור ההדק. המיקום מוגדר כעת כנקודת הקיבוע הבאה של העגלה, כפי שמתואר באיור 3.</li>
	</ol></li>
	<li>שימו לב לתהליך התנועה של מערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה. על ידי מניפולציה של מנוע סרוו זרם חילופין (AC), הניע את החגורה. תחת תנופת החגורה, המטוטלת ההפוכה יכולה לנוע לאורך המסילה המנחה, מבנה המערכת של המטוטלת ההפוכה הכפולה מובהר באיור 4. בסופו של דבר, המטוטלת ההפוכה הכפולה תתייצב בנקודת ההתחלה.</li>
	<li>עודד את המשתמשים לתפעל באופן איטרטיבי את מיקום הקובייה, להתאים ברציפות את נקודת הכיוון של העגלה, ולבחון בקפידה את ההתנהגות הדינמית של מערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה.</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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+systematic+review+of+research+on+online+teaching+and+learning+from+2009+to+2018.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Online+engineering+education:+Laboratories+during+the+pandemic+-+A+case+study.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Online+education+platforms+scale+college+stem+instruction+with+equivalent+learning+outcomes+at+lower+cost.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Online+delivery+of+teaching+and+laboratory+practices:+continuity+of+university+programmes+during+covid-19+pandemic.">Online delivery of teaching and laboratory practices: continuity of university programmes during covid-19 pandemic.</a> Educ Sci. 10 (10), 291 (2020).</li><li>Kefalis, C., Drigas, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Web+based+and+online+applications+in+stem+education.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+framework+for+analyzing+and+evaluating+architectures+and+control+strategies+in+distributed+remote+laboratories.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+of+large+scale+virtual+equipment+for+interactive+hil+control+system+laboratories.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+new+multiplatform+hybrid+online+laboratory+models.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+three-year+feedback+study+of+a+remote+laboratory+used+in+control+engineering+studies.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+wiki-based+remote+laboratory+platform+for+engineering+education.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Usalpharma:+a+software+architecture+to+support+learning+in+virtual+worlds.">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., Lavayssi&#232;re, C., Larroque, B., Schr&#246;der, M., Luthon, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+fully+open+source+remote+laboratory+for+practical+learning.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+laboratories+for+education+in+science,+technology,+and+engineering:+a+review.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+reality+for+remote+controlled+robotics+in+engineering+education.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geospatialvr:+a+web-based+virtual+reality+framework+for+collaborative+environmental+simulations.">Geospatialvr: a web-based virtual reality framework for collaborative environmental simulations.</a> Comput Geosci. 159, 105010 (2022).</li><li>zacar, K., Ortakc&#305;, Y., K&#252;&#231;&#252;kkara, M. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=VRArchEducation:+Redesigning+building+survey+process+in+architectural+education+using+collaborative+virtual+reality.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+virtual+simulation+experiment+of+mechanics:+material+deformation+and+failure+based+on+scanning+electron+microscopy.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reimagine+lab:+bridging+the+gap+between+hands-on,+virtual+and+remote+control+engineering+laboratories+using+digital+twins+and+extended+reality.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+reality-facilitated+engineering+education:+A+case+study+on+sustainable+systems+knowledge.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Concurrent+experimentation+in+ncslab:+a+scalable+approach+for+online+laboratories.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesizing+personalized+construction+safety+training+scenarios+for+vr+training.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+simulation+system+of+paste+filling+for+green+mining+of+metallic+mine.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+game-based+learning+in+virtual+worlds+to+teach+electronic+and+electrical+engineering.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Empirical+analysis+of+the+use+of+the+VISIR+remote+lab+in+teaching+analog+electronics.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unified+and+flexible+online+experimental+framework+for+control+engineering+education.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Customized+online+laboratory+experiments:+a+general+tool+and+its+application+to+the+furuta+inverted+pendulum+[focus+on+education.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Web-based+digital+twin+communication+system+of+power+systems+for+training+and+education.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controller+effect+in+online+laboratories-An+overview.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+reality+system+for+industrial+training.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interactive+and+visualized+online+experimentation+system+for+engineering+education+and+research.">Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research.</a> J Vis Exp. (177), e63342 (2021).</li></ol>

למחברים אין מה לחשוף.

הפרוטוקול המוצג מתאר מערכת מעבדה וירטואלית המאפשרת למשתמשים לבצע ניסויי VR באופן מקוון, אך משתמשת גם בבקר מחשב בעלות נמוכה28, התורם לקידום יישומים בקנה מידה גדול. משתמשים יכולים לקבל ידע על כל תהליך הניסוי, החל מעקרונות ואלגוריתמים ועד פעולות ניסוי מעשיות. מערכת זו מאפשרת למשת?...

עם התקדמות האינטרנט ואת הפופולריות של מכשירים ניידים, הביקוש לחינוך מקוון גדל1. בפרט, בתקופות של מגיפות נרחבות, מוסדות חינוך מסורתיים מתמודדים לעתים קרובות עם אתגרים בניהול הוראה אישית יעילה, מה שמדגיש את החשיבות של חינוך מקוון כגישה פדגוגית חשובה2. קורסים תיאורטיים קלים יחסית להעברה לפלטפורמות מקוונות. הם יכולים להתבצע בעזרת כלים כגון תוכנת ועידות וידאו מרחוק וקורסים מקוונים פתוחים מסיביים (MOOCs)3. עם זאת, קורסים מעשיים עומדים בפני אתגרים גדולים יותר מכיוון שהם דורשים מהמשתמשים לבצע ניסויים מעשיים במעבדות מסורתיות.
חוקרים תרמו תרומות משמעותיות להתמודדות עם האתגר של הפיכת ציוד ניסיוני לזמין באינטרנט. במהלך שני העשורים האחרונים נערכו מחקרים מקיפים על המושגים והטכנולוגיות של מעבדות מקוונות 4,5. מעבדות מקוונות כוללות בדרך כלל מעבדות מרוחקות6, מעבדות וירטואליות7 ומעבדות היברידיות8. גישות מעבדה מקוונות אלה מצאו יישום נרחב בתחומי הנדסה שונים, כולל הנדסת בקרה9, הנדסת מכונות10 והנדסת תוכנה11.
בעוד התקדמות משמעותית נעשתה במונחים של הנוחות של פעולות ניסיוניות במעבדות מקוונות12, משתמשים עדיין תופסים חוסר ריאליזם ופעולות מעשיות מעשיות דומות בהשוואה לסביבות מעבדה מסורתיות, אשר משפיע על החוויה הכוללת שלהם13. פער זה בחוויית המשתמש מניע מאמצי מחקר ופיתוח נוספים לשיפור הריאליזם והמעורבות בסביבות מעבדה מקוונות.
כדי לפתור את הבעיות לעיל, טכנולוגיית מציאות מדומה (VR) יושמה במעבדות וירטואליות14 כדי לשפר את immersiveness ואינטראקטיביות של מעבדות וירטואליות15. מעבדות וירטואליות מבוססות VR מספקות למשתמשים חוויה ניסיונית קרובה למציאותית. משתמשים יכולים להשלים משימות קבוצתיות בתהליך החינוך האדריכלי באמצעות אווטארים16, ולבצע את תהליך המדידה האדריכלית יחד באופן סוחף, בדיוק כפי שהיו עושים בסביבת כיתה מסורתית. יתר על כן, המעבדות הווירטואליות מבוססות VR מאפשרות למשתמשים להיכנס לסביבה האימרסיבית של מעבדות וירטואליות ולקיים אינטראקציה עם ציוד ניסיוני וירטואלי על ידי הרכבת משקפי VR וידיות17, מה שמשפר את יכולות הידיים של המשתמשים18. למטרות חינוכיות שונות, אנו יכולים לעצב סביבות וירטואליות שונות. לדוגמה, ניתן לשלב VR עם תורת המשחוק כדי לשפר את החינוך ההנדסי לציבור הרחב ולשפר את היעילות של הפצת ידע קשה להבנה כגון פיתוח בר קיימא19.
בדומה למעבדות מקוונות, במיוחד מעבדות וירטואליות, למעבדות וירטואליות מבוססות WebVR יתרונות רבים. ראשית, הם פורצים את מגבלות הזמן והמרחב של מעבדות מסורתיות, ומשתמשים יכולים לערוך ניסויים בכל זמן ובכל מקום20. שנית, מעבדות מקוונות יכולות לספק סביבת ניסוי בטוחה יותר כדי למנוע סכנות ותאונות אפשריות בפעולות ניסוי21. שלישית, מעבדות וירטואליות יכולות גם לספק יותר משאבי ניסוי ומצבי סימולציה כדי להרחיב את היקף הניסוי והניסיון של המשתמשים22. והכי חשוב, מעבדות וירטואליות מבוססות WebVR יכולות לעורר את עניין הלמידה והיוזמה של המשתמשים ולשפר את החוויה וההשתתפות הניסיונית שלהם23.
בהשוואה למעבדות וירטואליות אחרות מבוססות VR, מעבדה וירטואלית מבוססת WebVR משלבת בצורה חלקה את היתרונות של מעבדות וירטואליות מבוססות VR עם מעבדות מקוונות מבוססות אינטרנט. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)24 בונה מעבדה אלקטרונית מרחוק אנלוגית בסיסית על ידי בניית מעגלים חשמליים אמיתיים. משתמשים יכולים לבצע ניסויים מדומים בממשק האינטרנט כדי להשלים ניסויים אמיתיים בלוח המעגלים. Weblab-Deusto8 בונה את מעבדת FPGA (Field Programmable Gate Array) שבה משתמשים יכולים לקיים אינטראקציה עם המודל התלת-ממדי (3D) של מיכל המים בפלטפורמת האינטרנט מבלי להסתמך על תוספים אחרים. המערכת המוצעת במאמר זה מציגה את היכולת לשלב בצורה חלקה את WebVR כרכיב מודולרי בתשתית המעבדות הווירטואליות הקיימת. אינטגרציה זו יכולה להיות מושגת מבלי להרוס את המסגרת האדריכלית המקורית של המעבדה, ובכך לשמר את המבנה והתפקוד הבסיסיים של המעבדה. שילוב זה חל גם על מסגרת של מעבדה מקוונת עם קצה קדמי ואחורי נפרדים.
המערכת המוצעת במאמר זה מיושמת בהתבסס על Networked Control System Laboratory (NCSLab)25, היורשת את הגמישות, האינטראקטיביות, המודולריות והתכונות חוצות הפלטפורמות של מערכת NCSLab. משתמשים יכולים לערוך ניסויים על פי מודולים שונים ויכולים גם להתאים אישית אלגוריתמים וממשקי תצורה, לספק למשתמשים מספיק מקום למימוש עצמי. ניסויים מקוונים מונעים בזמן אמת על פי האלגוריתמים המופעלים על ידי המשתמש. משתמשים יכולים לקיים אינטראקציה עם המודל הווירטואלי כדי לשנות את הקלט של האלגוריתם הניסיוני בעת ביצוע ניסויי VR ואף יכולים לשנות את הפרמטרים של אלגוריתם הבקרה דרך הרכיבים, כך שמשתמשים יוכלו לחוות את העיקרון של אלגוריתם הבקרה בצורה מציאותית יותר.
מעבדות וירטואליות מבוססות WebVR מביאות פוטנציאל גדול לחינוך מקוון. זה יכול לספק חוויה ניסיונית immersive, להתגבר על המגבלות של מעבדות מסורתיות, ולקדם ידיים על מיומנויות מעשיות וחשיבה חדשנית בקרב המשתמשים.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3DS Max</td>
			<td>Autodesk</td>
			<td></td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meta Quest 2</td>
			<td>Meta Platforms</td>
			<td>10036728220341</td>
			<td>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/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Unity</td>
			<td>Unity Technologies</td>
			<td></td>
			<td>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</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

online virtual reality networked control laboratory applied in control engineering education 

מעבדות מקוונות ממלאות תפקיד חשוב בחינוך הנדסי. עבודה זו דנה במערכת מעבדה וירטואלית מבוססת WebVR. המשתמש נכנס לסביבת המעבדה המדומה באמצעות מכשיר מציאות מדומה (VR) ומתקשר עם ציוד הניסוי, בדומה לניסויים מעשיים במעבדה פיזית. בנוסף, המערכת המוצעת מאפשרת למשתמשים לתכנן אלגוריתמי בקרה משלהם ולבחון את ההשפעות של פרמטרי בקרה שונים כדי לשפר את הבנתם את הניסוי. כדי להמחיש את התכונות של המעבדה הווירטואלית המוצעת, מובאת דוגמה במאמר זה, שהוא ניסוי על מערכת מטוטלת הפוכה כפולה. תוצאות הניסוי מראות כי המערכת המוצעת מאפשרת למשתמשים לבצע ניסויים באופן אימרסיבי ואינטראקטיבי ומספקת למשתמשים תהליך ניסויי שלם מהתכנון הראשי ועד לתפעול הניסוי. כמו כן, ניתן פתרון להפיכת כל מעבדה וירטואלית למעבדה וירטואלית מבוססת WebVR לחינוך והכשרה.

With the advancement of the Internet and the popularity of mobile devices, the demand for online education is increasing1. In particular, during periods of widespread epidemics, traditional educational institutions often face challenges in conducting in-person instruction effectively, which highlights the importance of online education as an important pedagogical approach2. Theoretical courses are relatively easy to transfer to online platforms. They can be conducted with the help of tools such as remote video conferencing software and massive open online courses (MOOCs)3. However, practical courses face greater challenges as they require users to perform hands-on experiments in traditional laboratories.
Researchers have made significant contributions to addressing the challenge of making experimental equipment available online. Over the past two decades, extensive studies have been conducted on the concepts and technologies of online laboratories4,5. Online laboratories typically encompass remote laboratories6, virtual laboratories7, and hybrid laboratories8. These online laboratory approaches have found widespread application in various engineering disciplines, including control engineering9, mechanical engineering10, and software engineering11.
While significant progress has been made in terms of the convenience of experimental operations in online laboratories12, users still perceive a lack of realism and similar hands-on practical operations compared to traditional laboratory environments, which affects their overall experience13. This discrepancy in user experience motivates further research and development efforts to enhance realism and engagement in online laboratory environments.
To solve the above problems, virtual reality (VR) technology has been applied in virtual laboratories14 to improve the immersiveness and interactivity of virtual laboratories15. VR-based virtual laboratories provide users with a close-to-realistic experimental experience. Users can complete group assignments in the architectural education process through avatars16, performing the architectural surveying process together immersively, just as they would in a traditional classroom environment. Furthermore, the VR-based virtual laboratories allow users to enter the immersive environment of virtual laboratories and interact with virtual experimental equipment by wearing VR headsets and handles17, improving users' hands-on abilities18. For different educational purposes, we can design different virtual environments. For example, VR can be combined with gamification theory to enhance engineering education for the general public and to improve the efficiency of disseminating difficult-to-understand knowledge such as sustainable development19.
Similar to online laboratories, particularly virtual laboratories, WebVR-based virtual laboratories have many advantages. Firstly, they break through the time and space limitations of traditional laboratories, and users can conduct experiments anytime and anywhere20. Secondly, online laboratories can provide a safer experimental environment to avoid possible dangers and accidents in experimental operations21. Thirdly, virtual laboratories can also provide more experimental resources and simulation situations to extend users' experimental scope and experience22. Most importantly, WebVR-based virtual laboratories can stimulate users' learning interest and initiative and enhance their experimental experience and participation23.
Compared with other VR-based virtual laboratories, WebVR-based virtual laboratory seamlessly combines the merits of VR-based virtual laboratories with web-based online laboratories. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)24 builds a basic analog electronic remote laboratory by constructing real circuit boards. Users can perform simulated experiments on the web interface to complete real circuit board experiments. Weblab-Deusto8 builds the water tank Field Programmable Gate Array (FPGA) laboratory where users can interact with the three-dimensional (3D) model of the water tank in the web platform without relying on other plug-ins. The system proposed in this paper introduces the capability to seamlessly integrate WebVR as a modular component into the existing virtual laboratory infrastructure. This integration can be achieved without destroying the original architectural framework of the laboratory, thus preserving the basic structure and function of the laboratory. This integration is also applicable to the framework of an online laboratory with separate front end and back end.
The system proposed in this paper is implemented based on Networked Control System Laboratory (NCSLab)25, which inherits the flexibility, interactivity, modularity, and cross-platform features of the NCSLab system. Users can conduct experiments according to different modules and can also customize algorithms and configuration interfaces, providing users with enough space for self-realization. Online experiments are driven in real-time according to the algorithms run by the user. Users can interact with the virtual model to change the inputs of the experimental algorithm when conducting VR experiments and can even change the parameters of the control algorithm through the components so that users can experience the principle of the control algorithm more realistically.
WebVR-based virtual laboratories bring great potential for online education. It can provide an immersive experimental experience, overcome the limitations of traditional laboratories, and promote hands-on practical skills and innovative thinking among users.

Author Spotlight: Enhancing Engineering Education via WebVR-Based Online Laboratories

מעבדת בקרה מקוונת ברשת מציאות מדומה מיושמת בחינוך להנדסת בקרה 

מערכת הניסויים VR המוצגת מספקת למשתמשים את היכולת לעסוק בניסויים אימרסיביים באמצעות מכשירי VR, ובכך לשפר את האינטראקציה בין המשתמשים לבין ציוד הניסוי. יתר על כן, המערכת מבוססת אינטרנט, ומבטלת את הצורך של המשתמשים להגדיר סביבות מקומיות. תכנון זה מאפשר את יכולת ההרחבה של המערכת, מה שהופך אותה ...

Read this Scientific Article Protocol about Enhancing Engineering Education via WebVR-Based Online Laboratories at JoVE.com

מחקר זה מתאר מערכת מעבדה מקוונת מבוססת WebVR המספקת למשתמשים יכולות ניסוי סוחפות ואינטראקטיביות הנתמכות על ידי מכשירי VR. המערכת המוצעת לא רק מסייעת לשפר את הריאליזם של השתתפות המשתמשים בניסויים מקוונים, אלא גם ישימה למגוון רחב של מסגרות מעבדה מקוונות.

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

היקף מאמר זה מתמקד ביישום של מעבדות מקוונות מבוססות VR באינטרנט בחינוך הנדסי. השאלה שמאמר זה מבקש לענות עליה היא האם מערכת ההצעה יכולה להסתמך על משתמשים לביצוע ניסויים מבוססי אינטרנט באמצעות מכשירי VR, ובכך לשפר את האימרסיביות ואת כל הפעילות של ניסויים מקוונים. הטכנולוגיה משמשת כיום כדי להקל על תחום מחקר זה כולל מציאות מדומה, מציאות רבודה וטכנולוגיית שלט רחוק.המערכת המוצעת במאמר זה מספקת למשתמשים את היכולת לעסוק בניסויים אימרסיביים מבוססי אינטרנט באמצעות מכשירי VR, ובכך לשפר את האינטראקציה בין המשתמשים לבין ציוד הניסוי. בעתיד, נתמקד במעבדות מקוונות דיגיטליות מבוססות VR. אנו שואפים להשתמש במכשירי VR כדי לשלוט בציוד פיזי באמצעות פעולות של ציוד וירטואלי.

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

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Electrical Engineering

Engineering

Unit 1

Online Virtual Reality Networked Control Laboratory Applied in Control Engineering Education 

Design of Control Systems

SCIENTISTS IN ACTION

686 Views.  Wuhan University. היקף מאמר זה מתמקד ביישום של מעבדות מקוונות מבוססות VR באינטרנט בחינוך הנדסי. השאלה שמאמר זה מבקש לענות עליה היא האם מערכת ההצעה יכולה להסתמך על משתמשים לביצוע ניסויים מבוססי אינטרנט באמצעות מכשירי VR, ובכך לשפר את האימרסיביות ואת כל הפעילות של ניסויים מקוונים. הטכנולוגיה מ?...

Video: Author Spotlight: Enhancing Engineering Education via WebVR-Based Online Laboratories

Online laboratories play an important role in engineering education. This work discusses a WebVR-based virtual laboratory system. The user enters the simulated laboratory environment through a virtual reality (VR) device and interacts with the experimental equipment, similar to hands-on experiments in a physical laboratory. In addition, the proposed system allows users to design their own control algorithms and observe the effects of different control parameters to enhance their understanding of the experiment. To illustrate the features of the proposed virtual laboratory, an example is provided in this paper, which is an experiment on a double inverted pendulum system. The experimental results show that the proposed system allows users to conduct experiments in an immersive and interactive manner and provides users with a complete experimental process from principal design to experimental operation. A solution is also provided to change any virtual laboratory into a WebVR-based virtual laboratory for education and training.

This study describes a WebVR-based online virtual reality (VR) laboratory system that provides users with immersive and interactive experimentation capabilities supported by VR devices. The proposed system not only helps to enhance the realism of user participation in online experiments but is also applicable to a wide range of online laboratory frameworks.