제어공학 교육에 적용되는 온라인 가상현실 네트워크 제어 연구실

요약

본 연구는 VR 기기가 지원하는 몰입형 인터랙티브 실험 기능을 사용자에게 제공하는 WebVR 기반의 온라인 가상현실(VR) 실험실 시스템에 대해 설명한다. 제안된 시스템은 온라인 실험에 대한 사용자 참여의 현실감을 향상시키는 데 도움이 될 뿐만 아니라 광범위한 온라인 실험실 프레임워크에도 적용할 수 있습니다.

초록

온라인 실험실은 엔지니어링 교육에서 중요한 역할을 합니다. 이 작업에서는 WebVR 기반 가상 실험실 시스템에 대해 설명합니다. 사용자는 가상 현실(VR) 장치를 통해 시뮬레이션된 실험실 환경에 들어가 실제 실험실에서 실습 실험과 유사하게 실험 장비와 상호 작용합니다. 또한, 제안된 시스템은 사용자가 자신의 제어 알고리즘을 설계하고 다양한 제어 매개변수의 효과를 관찰하여 실험에 대한 이해를 높일 수 있도록 합니다. 제안된 가상 실험실의 기능을 설명하기 위해 이 논문에는 이중 역진자 시스템에 대한 실험인 예가 제공됩니다. 실험 결과는 제안된 시스템이 사용자가 몰입형 대화형 방식으로 실험을 수행할 수 있도록 하고 사용자에게 주요 설계에서 실험 운영에 이르기까지 완전한 실험 프로세스를 제공한다는 것을 보여줍니다. 교육 및 훈련을 위해 가상 실험실을 WebVR 기반 가상 실험실로 변경할 수 있는 솔루션도 제공됩니다.

서문

인터넷의 발전과 모바일 기기의 인기로 온라인 교육에 대한 수요가 증가하고 있습니다¹. 특히, 전염병이 만연한 기간 동안 전통적인 교육 기관은 대면 수업을 효과적으로 수행하는 데 어려움을 겪는 경우가 많으며, 이는 중요한 교육학적 접근 방식으로서 온라인 교육의 중요성을 강조합니다². 이론 과정은 비교적 쉽게 온라인 플랫폼으로 전송할 수 있습니다. 원격 화상 회의 소프트웨어 및 MOOC(Massive Open Online ^Course)3와 같은 도구를 사용하여 수행할 수 있습니다. 그러나 실습 과정은 사용자가 기존 실험실에서 실습 실험을 수행해야 하기 때문에 더 큰 도전에 직면해 있습니다.

연구원들은 실험 장비를 온라인에서 사용할 수 있도록 하는 문제를 해결하는 데 크게 기여했습니다. 지난 20년 동안 온라인 실험실의 개념과 기술에 대한 광범위한 연구가 수행되었다 ^4,5. 온라인 실험실은 일반적으로 원격 실험실⁶, 가상 실험실⁷ 및 하이브리드 실험실⁸을 포함한다. 이러한 온라인 실험실 접근 방식은^{제어 공학9}, 기계 공학¹⁰ 및 소프트웨어 공학¹¹을 포함한 다양한 공학 분야에서 널리 적용되고 있습니다.

온라인 실험실¹²에서 실험 운영의 편의성 측면에서 상당한 진전이 이루어졌지만, 사용자는 여전히 기존 실험실 환경에 비해 현실감이 부족하고 유사한 실습 작업이 부족하다고 인식하고 있으며, 이는 전반적인 경험에 영향을 미친다¹³. 이러한 사용자 경험의 불일치는 온라인 실험실 환경에서 현실감과 참여도를 높이기 위한 추가 연구 및 개발 노력에 동기를 부여합니다.

상기의 문제를 해결하기 위해, 가상현실(VR) 기술이 가상실험실⁽¹⁴ )에 적용되어 가상실험실⁽¹⁵)의 몰입감과 상호작용성을 향상시켰다. VR 기반 가상 실험실은 사용자에게 실제에 가까운 실험 경험을 제공합니다. 사용자는 아바타(^Avatars)16을 통해 건축교육 과정에서 그룹 과제를 완료할 수 있으며, 전통적인 교실 환경에서와 마찬가지로 몰입감 있게 건축 측량 과정을 함께 수행할 수 있다. 또한, VR 기반 가상 실험실은 사용자가 가상 실험실의 몰입형 환경에 들어가 VR 헤드셋 및 핸들(¹⁷)을 착용함으로써 가상 실험 장비와 상호 작용할 수 있도록 하여 사용자의 실습 능력(¹⁸)을 향상시킵니다. 다양한 교육 목적을 위해 다양한 가상 환경을 설계할 수 있습니다. 예를 들어, VR을 게임화 이론과 결합하여 일반 대중을 대상으로 한 공학 교육을 강화하고 지속 가능한 개발¹⁹과 같은 이해하기 어려운 지식 전파의 효율성을 높일 수 있습니다.

온라인 실험실, 특히 가상 실험실과 마찬가지로 WebVR 기반 가상 실험실에는 많은 장점이 있습니다. 첫째, 기존 실험실의 시간과 공간의 제약을 허물고 사용자는 언제 어디서나 실험을 할 수 있습니다²⁰. 둘째, 온라인 실험실은 실험 작업에서 발생할 수 있는 위험과 사고를 방지하기 위해 보다 안전한 실험 환경을 제공할 수 있다²¹. 셋째, 가상 실험실은 사용자의 실험 범위와 경험을 확장하기 위해 더 많은 실험 리소스와 시뮬레이션 상황을 제공할 수 있다²². 가장 중요한 것은 WebVR 기반 가상 실험실이 사용자의 학습 흥미와 주도성을 자극하고 실험 경험과 참여를 향상시킬 수 있다는 것입니다²³.

다른 VR 기반 가상 실험실과 비교하여 WebVR 기반 가상 실험실은 VR 기반 가상 실험실과 웹 기반 온라인 실험실의 장점을 원활하게 결합합니다. VISIR(Virtual Instrument Systems in Reality)²⁴ 는 실제 회로 기판을 구축하여 기본적인 아날로그 전자 원격 실험실을 구축합니다. 사용자는 웹 인터페이스에서 시뮬레이션 실험을 수행하여 실제 회로 기판 실험을 완료할 수 있습니다. Weblab-Deusto⁸ 은 사용자가 다른 플러그인에 의존하지 않고 웹 플랫폼에서 물 탱크의 3차원(3D) 모델과 상호 작용할 수 있는 물 탱크 FPGA(Field Programmable Gate Array) 실험실을 구축합니다. 이 백서에서 제안하는 시스템은 WebVR을 모듈식 구성 요소로 기존 가상 실험실 인프라에 원활하게 통합할 수 있는 기능을 소개합니다. 이러한 통합은 실험실의 원래 아키텍처 프레임워크를 파괴하지 않고 달성할 수 있으므로 실험실의 기본 구조와 기능을 보존할 수 있습니다. 이 통합은 별도의 프론트 엔드와 백 엔드가 있는 온라인 실험실의 프레임워크에도 적용할 수 있습니다.

이 논문에서 제안하는 시스템은 NCSLab 시스템의 유연성, 상호 작용성, 모듈성 및 크로스 플랫폼 기능을 상속하는 NCSLab(Networked Control System Laboratory)²⁵를 기반으로 구현됩니다. 사용자는 다양한 모듈에 따라 실험을 수행할 수 있으며 알고리즘 및 구성 인터페이스를 사용자 정의할 수도 있어 사용자에게 자아실현을 위한 충분한 공간을 제공할 수 있습니다. 온라인 실험은 사용자가 실행하는 알고리즘에 따라 실시간으로 진행됩니다. 사용자는 VR 실험을 수행할 때 가상 모델과 상호 작용하여 실험 알고리즘의 입력을 변경할 수 있으며, 구성 요소를 통해 제어 알고리즘의 매개변수를 변경할 수도 있으므로 사용자가 제어 알고리즘의 원리를 보다 사실적으로 경험할 수 있습니다.

WebVR 기반 가상 실험실은 온라인 교육에 큰 잠재력을 제공합니다. 몰입형 실험 경험을 제공하고 기존 실험실의 한계를 극복하며 사용자 간의 실습 기술과 혁신적인 사고를 촉진할 수 있습니다.

프로토콜

이 연구는 우한대학교 인간연구윤리위원회(Human Research Ethics Committee)의 지침을 충족하였으며, 모든 실험 자료에 대해 충분한 동의를 얻었다. 본 논문에서는 double-inverted pendulum system에 대한 실험 단계에 대해 설명하고, 모든 단계를 WebVR 기반의 NCSLab에서 수행한다.

1. WebVR 기반 NCSLab 시스템에 접속합니다.

1. WebVR을 지원하는 웹 브라우저를 엽니다. WebVR 기반 NCSLab의 URL(Uniform Resource Locator)을 입력하여 시스템에 접속합니다.
2. Start Experiment(실험 시작) 버튼을 클릭하여 NCSLab 시스템에 로그인합니다. 시스템에 처음 로그인하는 경우 계정 등록을 수행합니다.
3. NCSLab 시스템에 로그인하고, 왼쪽 메뉴 표시줄에서 다른 실험을 선택하고, 이 경우 이중 반전 진자 실험을 선택합니다.
4. 메인 페이지에서 3D 하위 페이지에 액세스합니다.
   참고: 메인 페이지에는 장비 모델에 대한 소개인 첫 번째 페이지부터 시작하여 5개의 하위 페이지가 있습니다. 여기에는 3D 모델 애니메이션과 문서가 포함되어 있습니다. 이 페이지를 방문함으로써 사용자는 이중 역 진자 시스템의 원리를 이해할 수 있으므로 후속 실험을 편리하게 실행할 수 있습니다.
5. 자원의 효율적인 사용을 위해 Request Control 버튼을 클릭하여 실험 제어를 신청합니다. 이렇게 하면 사용자에게 30분의 실험 시간이 부여됩니다.
   참고: 가상 실험의 경우 500명의 사용자가 동시에 실험을 수행할 수 있습니다.
6. 식물 정보 하위 페이지에 들어가면 실험 장치에 대한 포괄적인 세부 정보에 액세스할 수 있습니다. 여기에는 현재 사용 중인 장비, 사용하지 않은 상태로 남아 있는 장비 및 유지 보수 관련 장비에 대한 정보가 포함됩니다.
7. Experimental Algorithm(실험적 알고리즘) 하위 페이지에서 다운로드할 시스템 기본 제어 알고리즘을 선택합니다. 또는 알고리즘 설계 하위 페이지로 이동하여 다른 알고리즘을 설계합니다.
   1. 새 제어 알고리즘을 설계하려면 알고리즘 설계 하위 페이지에서 새 모델 생성 버튼을 클릭하여 설계 인터페이스로 들어갑니다.
      참고: 알고리즘 설계 프로세스는 MATLAB/Simulink의 프로세스와 매우 유사하며, 사용자는 직관적인 드래그 앤 드롭 방식을 통해 제어 알고리즘 블록 다이어그램을 구성하고 다양한 모듈을 사용하여 원하는 제어 로직을 제작합니다.
   2. 그림 1과 같이 완전한 제어 알고리즘 블록 다이어그램을 구축하고 아래에 설명된 단계를 따릅니다.
   3. 왼쪽의 장치 모델에서 Double Inverted Pendulum System Module 을 선택합니다.
   4. 이득 모듈을 선택하여 LQR(Linear Quadratic Regulator) 제어기에 대한 피드백 행렬을 설계합니다.
   5. 스텝 신호를 입력으로 선택하고 다른 모듈을 추가합니다. 모듈을 두 번 클릭하여 자세한 정보를 보고 매개 변수 구성을 수정합니다. 예를 들어, 상수 신호 모듈을 더블 클릭하여 상수 신호의 값을 수정할 수 있습니다.
8. 제어 알고리즘 설계가 완료되면 Start Simulation 버튼을 클릭합니다. 시뮬레이션이 완료되면 설계된 알고리즘의 제어 효율성을 관찰합니다. 시뮬레이션 결과가 만족스럽지 않으면 성능이 향상된 제어 알고리즘을 얻을 때까지 LQR 제어기의 파라미터를 미세 조정하십시오.
9. 컴파일(Compile) 버튼을 클릭하여 제어 알고리즘을 생성합니다. 컴파일 후 알고리즘은 실험적 알고리즘 하위 페이지와 알고리즘 설계 하위 페이지의 개인 알고리즘 영역에 저장됩니다.
10. control algorithm 섹션의 오른쪽에 있는 Download Algorithm 버튼을 클릭하여 experimental algorithm 하위 페이지에서 control algorithm을 다운로드합니다.
11. 실험적 구성을 선택하고 모니터링 구성 하위 페이지에서 실험을 수행합니다. 이 시스템은 사용자의 일반적인 실험 요구 사항을 충족하기 위해 사전 정의된 구성을 제공합니다.
    참고: 사용자는 Create New monitor 버튼을 클릭하여 특정 실험 요구 사항에 맞는 맞춤형 모니터링 설정을 만들 수 있는 유연성이 있습니다.
12. 모니터링 구성을 사용자 정의하고 그림 2와 같이 모니터링 구성 하위 페이지의 편집 인터페이스에서 사용할 수 있는 다양한 구성 요소 중에서 선택합니다. 이러한 구성 요소에는 입력 변수 구성 요소, 출력 변수 곡선 표시 구성 요소 및 3D 모델 구성 요소가 포함됩니다.
13. VR 실험의 경우 3D 모델 구성 요소를 선택합니다. 3D 모델 구성 요소를 통해 사용자는 3D 모델을 모니터링 구성에 통합할 수 있습니다.
14. 매개변수 구성을 용이하게 하려면 시스템 매개변수 변수에 직접 연결된 각 구성요소에 대한 매개변수를 조정합니다. 구성 요소를 두 번 클릭하고 창에 액세스하여 실험 시스템 내에서 관련 선택적 매개 변수를 선택합니다.
15. 사용자는 구성 요소의 크기를 조정하여 모니터링 구성의 레이아웃을 최적화할 수 있는 유연성을 가질 수 있습니다. 이렇게하려면 각 구성 요소의 가장자리를 원하는 치수로 드래그하십시오.
16. 저장 버튼을 클릭하면 향후 후속 실험에서 사용할 수 있도록 설계된 모니터링 구성을 저장할 수 있으므로 모니터링 시스템을 반복적으로 설정하는 데 드는 시간과 노력을 절약할 수 있습니다.
    알림: 모니터링 구성은 제어 알고리즘이 올바르게 다운로드된 후에만 수행할 수 있습니다.
17. 창에서 실험 시작 버튼을 클릭하여 실험을 시작합니다. 3D 모델 구성요소의 오른쪽 하단에 있는 VR 버튼을 클릭하여 VR 실험을 시작합니다.
    참고: VR 실험은 웹 페이지에 포함되어 있습니다. 사용자가 처음 사용할 때 브라우저는 왼쪽 상단 모서리에 브라우저가 VR 기능을 사용할 수 있도록 허용하라는 메시지를 표시할 수 있으며 허용 을 선택하여 계속 진행할 수 있습니다.

2. 접속 방법 선택

1. WebVR 에뮬레이터 확장을 사용합니다. 이 방법을 사용하여 실험에 참여하려면 브라우저의 확장 스토어에서 쉽게 검색하고 다운로드할 수 있는 WebVR 에뮬레이터 확장을 설치합니다.
   참고: WebVR 에뮬레이터 확장은 사용자가 웹 브라우저에서 WebVR 콘텐츠를 실행할 수 있도록 도와주고 실제 VR 디바이스를 사용할 필요 없이 가상 VR 헤드셋 및 핸들 컨트롤러 환경을 제공합니다.
2. WebVR을 지원하는 VR 디바이스를 사용합니다. VR 디바이스를 처음 사용하는 경우 기본 환경 구성이 필요합니다. 먼저 헤드셋과 컨트롤러의 전원을 켜서 시스템을 시작합니다. 헤드셋에서 초기 ROOM 프로그램을 설정합니다. 헤드셋 화면에 표시된 시각적 신호에 따라 핸들 컨트롤러를 사용하여 가상 공간 환경의 경계와 방향을 신중하게 조정합니다. 마지막으로 헤드셋과 컴퓨터 간에 스트리밍 연결을 설정합니다.
   참고: 이것은 제안된 시스템에 액세스하는 두 번째 방법입니다. VR 장치에는 일반적으로 헤드셋과 한 쌍의 핸들 컨트롤러가 포함됩니다. VR 디바이스에는 사용자가 WebVR 지원 브라우저를 다운로드할 수 있는 기본 제공 스토어가 있습니다. 또는 사용자는 일반적으로 WebVR을 지원하는 내장 브라우저를 사용할 수 있습니다. 다양한 VR 장치가 연결을 위해 고유한 방법을 사용할 수 있다는 점은 주목할 만합니다.

3. 실험 절차

1. 원근을 조정하여 이중 반전 진자 시스템 실험을 수행하기 위한 최적의 위치를 찾습니다.
   1. WebVR 에뮬레이터 확장을 사용하는 사용자의 경우 개발자 도구를 열고 WebVR 확장을 찾은 다음 마우스를 사용하여 가상 VR 디바이스를 조작하여 원근감을 조정합니다( 그림 3과 같이 ).
   2. VR 기기를 사용하는 사용자는 가상 실험 환경에 몰입하고 물리적 움직임을 통해 최적의 실험 위치를 확인할 수 있습니다.
2. 아래 설명된 대로 핸들 컨트롤러를 사용하여 이중 반전 진자 시스템과 상호 작용합니다.
   1. 핸들을 큐브에 더 가깝게 이동합니다. 트리거 버튼을 눌러 큐브를 집으면 이중 반전 진자 시스템이 움직임을 멈춥니다.
   2. 핸들을 움직여 큐브의 위치를 제어합니다. 트리거 버튼에서 손을 떼어 원하는 위치에 있으면 큐브를 놓습니다. 이제 위치는 그림 3과 같이 카트의 후속 설정값으로 지정됩니다.
3. 이중 역진자 시스템의 운동 과정을 관찰합니다. 교류(AC) 서보 모터를 조작하여 벨트를 움직이게 합니다. 벨트의 추진력 아래에서 역진자는 가이드 레일을 따라 이동할 수 있으며 이중 역진자의 시스템 구조는 그림 4에 설명되어 있습니다. 결국, 이중 반전 진자는 설정점에서 안정화됩니다.
4. 사용자가 큐브의 위치를 반복적으로 조작하고, 카트의 설정값을 지속적으로 조정하고, 이중 역 진자 시스템의 동적 동작을 꼼꼼하게 관찰하도록 권장합니다.

결과

제시된 VR 실험 시스템은 사용자에게 VR 장치를 사용하여 몰입형 실험에 참여할 수 있는 기능을 제공하여 사용자와 실험 장비 간의 상호 작용을 향상시킵니다. 또한 시스템은 웹 기반이므로 사용자가 로컬 환경을 구성할 필요가 없습니다. 이 설계는 시스템의 확장성을 허용하여 대규모 응용 프로그램과 교육 및 교육 목적에 적합합니다.

전통적인 실험실 환경에서 사용자는 소?...

토론

제시된 프로토콜은 사용자가 온라인으로 VR 실험을 수행할 수 있게 하는 가상 실험실 시스템을 설명하지만, 또한 대규모 애플리케이션 프로모션에 도움이 되는 저가의 PC 제어기(²⁸)를 사용한다. 사용자는 원리 및 알고리즘에서 실제 실험 작업에 이르기까지 전체 실험 프로세스에 대한 지식을 얻을 수 있습니다. 이 시스템을 통해 사용자는 실험에 몰입할 수 있으므로 기존 마우스 ...

자료

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