Laboratorio di controllo in rete di realtà virtuale online applicato alla formazione in ingegneria del controllo

Riepilogo

Questo studio descrive un sistema di laboratorio di realtà virtuale (VR) online basato su WebVR che fornisce agli utenti funzionalità di sperimentazione immersive e interattive supportate da dispositivi VR. Il sistema proposto non solo aiuta a migliorare il realismo della partecipazione degli utenti agli esperimenti online, ma è anche applicabile a un'ampia gamma di quadri di laboratorio online.

Abstract

I laboratori online svolgono un ruolo importante nella formazione ingegneristica. Questo lavoro discute un sistema di laboratorio virtuale basato su WebVR. L'utente entra nell'ambiente di laboratorio simulato attraverso un dispositivo di realtà virtuale (VR) e interagisce con l'apparecchiatura sperimentale, in modo simile agli esperimenti pratici in un laboratorio fisico. Inoltre, il sistema proposto consente agli utenti di progettare i propri algoritmi di controllo e osservare gli effetti di diversi parametri di controllo per migliorare la loro comprensione dell'esperimento. Per illustrare le caratteristiche del laboratorio virtuale proposto, in questo articolo viene fornito un esempio, che è un esperimento su un sistema a pendolo doppio invertito. I risultati sperimentali mostrano che il sistema proposto consente agli utenti di condurre esperimenti in modo immersivo e interattivo e fornisce agli utenti un processo sperimentale completo, dalla progettazione principale al funzionamento sperimentale. Viene inoltre fornita una soluzione per trasformare qualsiasi laboratorio virtuale in un laboratorio virtuale basato su WebVR per l'istruzione e la formazione.

Introduzione

Con il progresso di Internet e la popolarità dei dispositivi mobili, la domanda di istruzione online è in aumento¹. In particolare, durante i periodi di epidemie diffuse, le istituzioni educative tradizionali incontrano spesso sfide nello svolgimento efficace dell'istruzione in presenza, il che evidenzia l'importanza dell'istruzione online come importante approccio pedagogico². I corsi teorici sono relativamente facili da trasferire su piattaforme online. Possono essere condotti con l'aiuto di strumenti come software di videoconferenza remota e corsi online aperti di massa (MOOC)³. Tuttavia, i corsi pratici devono affrontare sfide maggiori in quanto richiedono agli utenti di eseguire esperimenti pratici nei laboratori tradizionali.

I ricercatori hanno dato un contributo significativo per affrontare la sfida di rendere disponibili online le apparecchiature sperimentali. Negli ultimi due decenni, sono stati condotti studi approfonditi sui concetti e le tecnologie dei laboratori online ^4,5. I laboratori online comprendono in genere laboratori remoti⁶, laboratori virtuali⁷ e laboratori ibridi⁸. Questi approcci di laboratorio online hanno trovato ampia applicazione in varie discipline ingegneristiche, tra cui l'ingegneria del controllo⁹, l'ingegneria meccanica¹⁰ e l'ingegneria del software¹¹.

Sebbene siano stati compiuti progressi significativi in termini di comodità delle operazioni sperimentali nei laboratori online¹², gli utenti percepiscono ancora una mancanza di realismo e di operazioni pratiche simili rispetto agli ambienti di laboratorio tradizionali, il che influisce sulla loro esperienza complessiva¹³. Questa discrepanza nell'esperienza dell'utente motiva ulteriori sforzi di ricerca e sviluppo per migliorare il realismo e il coinvolgimento negli ambienti di laboratorio online.

Per risolvere i problemi di cui sopra, la tecnologia della realtà virtuale (VR) è stata applicata nei laboratori virtuali¹⁴ per migliorare l'immersività e l'interattività dei laboratori virtuali¹⁵. I laboratori virtuali basati sulla realtà virtuale offrono agli utenti un'esperienza sperimentale quasi realistica. Gli utenti possono completare i compiti di gruppo nel processo di formazione architettonica attraverso gli avatar¹⁶, eseguendo il processo di rilevamento architettonico insieme in modo immersivo, proprio come farebbero in un ambiente scolastico tradizionale. Inoltre, i laboratori virtuali basati sulla realtà virtuale consentono agli utenti di entrare nell'ambiente immersivo dei laboratori virtuali e di interagire con le apparecchiature sperimentali virtuali indossando cuffie e maniglie VR¹⁷, migliorando le capacità pratiche degli utenti¹⁸. Per diversi scopi educativi, possiamo progettare diversi ambienti virtuali. Ad esempio, la realtà virtuale può essere combinata con la teoria della gamification per migliorare la formazione ingegneristica per il grande pubblico e per migliorare l'efficienza della diffusione di conoscenze difficili da comprendere come lo sviluppo sostenibile¹⁹.

Analogamente ai laboratori online, in particolare ai laboratori virtuali, i laboratori virtuali basati su WebVR presentano molti vantaggi. In primo luogo, superano i limiti di tempo e spazio dei laboratori tradizionali e gli utenti possono condurre esperimenti sempre e ovunque²⁰. In secondo luogo, i laboratori online possono fornire un ambiente sperimentale più sicuro per evitare possibili pericoli e incidenti nelle operazioni sperimentali²¹. In terzo luogo, i laboratori virtuali possono anche fornire più risorse sperimentali e situazioni di simulazione per estendere l'ambito e l'esperienza sperimentale degli utenti²². Soprattutto, i laboratori virtuali basati su WebVR possono stimolare l'apprendimento, l'interesse e l'iniziativa degli utenti e migliorare la loro esperienza sperimentale e la loro partecipazione²³.

Rispetto ad altri laboratori virtuali basati su VR, il laboratorio virtuale basato su WebVR combina perfettamente i vantaggi dei laboratori virtuali basati su VR con i laboratori online basati sul Web. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)²⁴ costruisce un laboratorio remoto di elettronica analogica di base costruendo circuiti stampati reali. Gli utenti possono eseguire esperimenti simulati sull'interfaccia web per completare esperimenti su circuiti stampati reali. Weblab-Deusto⁸ costruisce il laboratorio FPGA (Field Programmable Gate Array) del serbatoio dell'acqua in cui gli utenti possono interagire con il modello tridimensionale (3D) del serbatoio dell'acqua nella piattaforma web senza fare affidamento su altri plug-in. Il sistema proposto in questo documento introduce la capacità di integrare perfettamente WebVR come componente modulare nell'infrastruttura del laboratorio virtuale esistente. Questa integrazione può essere ottenuta senza distruggere la struttura architettonica originale del laboratorio, preservando così la struttura e la funzione di base del laboratorio. Questa integrazione è applicabile anche al framework di un laboratorio online con front-end e back-end separati.

Il sistema proposto in questo articolo è implementato sulla base del Networked Control System Laboratory (NCSLab)²⁵, che eredita la flessibilità, l'interattività, la modularità e le caratteristiche multipiattaforma del sistema NCSLab. Gli utenti possono condurre esperimenti in base a diversi moduli e possono anche personalizzare algoritmi e interfacce di configurazione, fornendo agli utenti spazio sufficiente per l'autorealizzazione. Gli esperimenti online sono guidati in tempo reale secondo gli algoritmi eseguiti dall'utente. Gli utenti possono interagire con il modello virtuale per modificare gli input dell'algoritmo sperimentale durante l'esecuzione di esperimenti VR e possono persino modificare i parametri dell'algoritmo di controllo attraverso i componenti in modo che gli utenti possano sperimentare il principio dell'algoritmo di controllo in modo più realistico.

I laboratori virtuali basati su WebVR offrono un grande potenziale per l'istruzione online. Può fornire un'esperienza sperimentale coinvolgente, superare i limiti dei laboratori tradizionali e promuovere competenze pratiche e pensiero innovativo tra gli utenti.

Protocollo

Questo studio ha soddisfatto le linee guida del Comitato Etico per la Ricerca Umana dell'Università di Wuhan ed è stato ottenuto il consenso informato per tutti i dati sperimentali. In questo articolo, vengono discussi i passaggi sperimentali per il sistema a pendolo a doppio invertito e tutti i passaggi vengono eseguiti nell'NCSLab basato su WebVR.

1. Accedi al sistema NCSLab basato su WebVR

1. Apri un browser web che supporti WebVR. Immettere l'URL (Uniform Resource Locator) dell'NCSLab basato su WebVR per accedere al sistema.
2. Fare clic sul pulsante Avvia esperimento per accedere al sistema NCSLab. Se è la prima volta che accedi al sistema, esegui la registrazione di un account.
3. Accedi al sistema NCSLab, seleziona diversi esperimenti dalla barra dei menu a sinistra e scegli l'esperimento del pendolo a doppio pendolo invertito in questo caso.
4. Accedi alla sottopagina 3D nella pagina principale.
   NOTA: Ci sono cinque sottopagine nella pagina principale, a partire dalla prima, che è l'introduzione del modello dell'attrezzatura. Contiene un'animazione del modello 3D e la documentazione. Visitando questa pagina, gli utenti possono comprendere il principio del sistema a pendolo doppio invertito, consentendo una comoda esecuzione degli esperimenti successivi.
5. Richiedi il controllo dell'esperimento facendo clic sul pulsante Richiedi controllo per garantire un uso efficiente delle risorse. Ciò garantirà agli utenti 30 minuti di tempo per l'esperimento.
   NOTA: Per gli esperimenti virtuali, è possibile consentire a 500 utenti di condurre esperimenti contemporaneamente.
6. Entra nella sottopagina delle informazioni sull'impianto per accedere a dettagli completi sull'apparato sperimentale. Ciò comprende informazioni sulle apparecchiature attualmente in uso, sulle apparecchiature che rimangono inutilizzate e sulle apparecchiature relative alla manutenzione.
7. Scegliere l'algoritmo di controllo predefinito del sistema da scaricare nella sottopagina Algoritmo sperimentale . In alternativa, passare alla sottopagina Progettazione algoritmo per progettare un algoritmo diverso.
   1. Per progettare un nuovo algoritmo di controllo, fare clic sul pulsante Crea nuovo modello nella sottopagina di progettazione dell'algoritmo per accedere all'interfaccia di progettazione.
      NOTA: Il processo di progettazione dell'algoritmo rispecchia da vicino quello di MATLAB/Simulink, in cui gli utenti costruiscono il diagramma a blocchi dell'algoritmo di controllo attraverso un approccio intuitivo drag-and-drop, impiegando vari moduli per creare la logica di controllo desiderata.
   2. Costruire il diagramma a blocchi completo dell'algoritmo di controllo, come illustrato nella Figura 1, e seguire i passaggi descritti di seguito.
   3. Selezionare il modulo del sistema a pendolo doppio invertito dal modello del dispositivo a sinistra.
   4. Scegli il modulo di guadagno per progettare la matrice di feedback per il controller LQR (Linear Quadratic Regulator).
   5. Seleziona il segnale di passo come ingresso e aggiungi altri moduli. Fare doppio clic sul modulo per visualizzare informazioni dettagliate e modificare la configurazione dei parametri. Ad esempio, fare doppio clic sul modulo Segnale costante per modificare il valore del segnale costante.
8. Fare clic sul pulsante Avvia simulazione dopo aver completato la progettazione dell'algoritmo di controllo. Al termine della simulazione, osservare l'efficacia del controllo dell'algoritmo progettato. Se non si è soddisfatti dei risultati della simulazione, è possibile regolare con precisione i parametri dei controller LQR fino a ottenere un algoritmo di controllo con prestazioni migliorate.
9. Fare clic sul pulsante Compila per generare l'algoritmo di controllo. Dopo la compilazione, l'algoritmo viene memorizzato nell'area privata dell'algoritmo della sottopagina dell'algoritmo sperimentale e della sottopagina di progettazione dell'algoritmo.
10. Scarica l'algoritmo di controllo nella sottopagina dell'algoritmo sperimentale facendo clic sul pulsante Scarica algoritmo situato sul lato destro della sezione dell'algoritmo di controllo.
11. Selezionare una configurazione sperimentale ed eseguire esperimenti nella pagina secondaria Configurazione monitoraggio . Il sistema fornisce una configurazione predefinita per soddisfare le esigenze sperimentali generali degli utenti.
    NOTA: Gli utenti hanno la flessibilità di fare clic sul pulsante Crea nuovo monitor per creare una configurazione di monitoraggio personalizzata su misura per le loro specifiche esigenze sperimentali.
12. Personalizzare la configurazione di monitoraggio e scegliere tra una varietà di componenti disponibili nell'interfaccia di modifica della pagina secondaria di configurazione del monitoraggio, come illustrato nella Figura 2. Questi componenti includono componenti variabili di input, componenti di visualizzazione della curva variabile di output e componenti del modello 3D.
13. Per gli esperimenti VR, seleziona il componente del modello 3D. Il componente del modello 3D consente agli utenti di integrare un modello 3D nella configurazione di monitoraggio.
14. Per facilitare la configurazione dei parametri, regolare i parametri per ciascun componente, che sono direttamente collegati alle variabili dei parametri del sistema. Fare doppio clic su un componente e accedere alla finestra per selezionare i parametri opzionali pertinenti all'interno del sistema sperimentale.
15. Gli utenti hanno la flessibilità di ottimizzare il layout della configurazione di monitoraggio ridimensionando i componenti. A tale scopo, trascinare i bordi dei rispettivi componenti fino alle dimensioni desiderate.
16. Fare clic sul pulsante Salva per salvare la configurazione di monitoraggio progettata per un uso futuro negli esperimenti successivi, risparmiando tempo e fatica per configurare ripetutamente il sistema di monitoraggio.
    NOTA: La configurazione del monitoraggio può essere eseguita solo dopo che l'algoritmo di controllo è stato scaricato correttamente.
17. Fare clic sul pulsante Avvia esperimento nella finestra per avviare l'esperimento. Fai clic sul pulsante VR nell'angolo in basso a destra del componente del modello 3D per avviare l'esperimento VR.
    NOTA: L'esperimento VR è incorporato nella pagina web. Quando gli utenti lo utilizzano per la prima volta, il browser potrebbe richiedere loro nell'angolo in alto a sinistra di consentire al browser di utilizzare la funzionalità VR, selezionare Consenti per procedere.

2. Selezione del metodo di accesso

1. Utilizzare un'estensione dell'emulatore WebVR. Per iniziare a sperimentare utilizzando questo metodo, installare l'estensione dell'emulatore WebVR, che è prontamente disponibile per la ricerca e il download dall'archivio delle estensioni del browser.
   NOTA: l'estensione dell'emulatore WebVR consente agli utenti di eseguire contenuti WebVR in un browser Web e fornisce il visore VR virtuale e l'ambiente del controller di gestione senza la necessità di utilizzare il dispositivo VR reale.
2. Utilizza dispositivi VR che supportano WebVR. Se i dispositivi VR vengono utilizzati per la prima volta, è necessaria la configurazione di base dell'ambiente. Innanzitutto, accendi l'auricolare e il controller per avviare il sistema. Impostare il programma ROOM iniziale nell'auricolare. Seguendo i segnali visivi visualizzati sullo schermo del visore, utilizzare i controller della maniglia per calibrare attentamente i confini e l'orientamento dell'ambiente dello spazio virtuale. Infine, stabilisci una connessione di streaming tra l'auricolare e il computer.
   NOTA: Questo è il secondo metodo per accedere al sistema proposto. I dispositivi VR generalmente includono un visore e un paio di controller con maniglia. I dispositivi VR dispongono di negozi integrati in cui gli utenti possono scaricare browser abilitati per WebVR. In alternativa, gli utenti possono utilizzare il browser integrato, che generalmente supporta WebVR. È interessante notare che vari dispositivi VR possono utilizzare metodi distinti per la connettività.

3. Procedura sperimentale

1. Regola la prospettiva per trovare la posizione ottimale per condurre l'esperimento del sistema a pendolo doppio invertito.
   1. Per gli utenti che utilizzano l'estensione dell'emulatore WebVR, aprire gli Strumenti per sviluppatori, individuare l'estensione WebVR e modificare il dispositivo VR virtuale utilizzando il mouse per regolare la prospettiva, come illustrato nella Figura 3.
   2. Per gli utenti che utilizzano dispositivi VR, immergersi nell'ambiente sperimentale virtuale e accertare la posizione sperimentale ottimale attraverso movimenti fisici.
2. Interagisci con il sistema a doppio pendolo invertito utilizzando il controller della maniglia come descritto di seguito.
   1. Avvicina la maniglia al cubo. Premi il pulsante di attivazione per raccogliere il cubo e il sistema a pendolo a doppia inversione smetterà di muoversi.
   2. Spostando la maniglia, controlla la posizione del cubo. Rilascia il cubo una volta che si trova nella posizione desiderata rilasciando il pulsante di attivazione. La posizione è ora designata come setpoint successivo per il carrello, come illustrato nella Figura 3.
3. Osservare il processo di movimento del sistema a pendolo doppio invertito. Manipolando il servomotore a corrente alternata (CA), mettere in movimento la cinghia. Sotto l'impulso della cinghia, il pendolo invertito può muoversi lungo il binario di guida, la struttura del sistema del doppio pendolo invertito è chiarita nella Figura 4. Alla fine, il doppio pendolo invertito si stabilizzerà al setpoint.
4. Incoraggia gli utenti a manipolare iterativamente la posizione del cubo, regolare continuamente il setpoint del carrello e osservare meticolosamente il comportamento dinamico del sistema a pendolo doppio invertito.

Risultati

Il sistema di esperimenti VR presentato offre agli utenti la possibilità di impegnarsi in esperimenti immersivi utilizzando dispositivi VR, migliorando così l'interazione tra gli utenti e l'attrezzatura sperimentale. Inoltre, il sistema è basato sul web, eliminando la necessità per gli utenti di configurare gli ambienti locali. Questo design consente la scalabilità del sistema, rendendolo adatto ad applicazioni su larga scala e a scopi di formazione e istruzione.

Negli ambienti di laborat...

Discussione

Il protocollo presentato descrive un sistema di laboratorio virtuale che consente agli utenti di condurre esperimenti VR online, ma utilizza anche un controller per PC a basso costo²⁸, che favorisce la promozione di applicazioni su larga scala. Gli utenti possono acquisire conoscenze sull'intero processo sperimentale, dai principi e dagli algoritmi alle operazioni sperimentali pratiche. Questo sistema consente agli utenti di immergersi negli esperimenti, eliminando la dipendenza dall'input tradizi...

Materiali

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