JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

В этом исследовании описывается онлайновая лабораторная система виртуальной реальности (VR) на основе WebVR, которая предоставляет пользователям возможности иммерсивных и интерактивных экспериментов, поддерживаемых устройствами виртуальной реальности. Предлагаемая система не только помогает повысить реалистичность участия пользователей в онлайн-экспериментах, но и применима к широкому спектру онлайн-лабораторных структур.

Аннотация

Онлайн-лаборатории играют важную роль в инженерном образовании. В данной работе обсуждается виртуальная лабораторная система на основе WebVR. Пользователь попадает в смоделированную лабораторную среду через устройство виртуальной реальности (VR) и взаимодействует с экспериментальным оборудованием, подобно практическим экспериментам в физической лаборатории. Кроме того, предлагаемая система позволяет пользователям разрабатывать свои собственные алгоритмы управления и наблюдать за эффектами различных параметров управления для улучшения понимания эксперимента. Чтобы проиллюстрировать особенности предлагаемой виртуальной лаборатории, в данной работе приведен пример, представляющий собой эксперимент на системе с двойным перевернутым маятником. Результаты экспериментов показывают, что предлагаемая система позволяет пользователям проводить эксперименты в иммерсивном и интерактивном режиме и предоставляет пользователям полный экспериментальный процесс от основного проектирования до экспериментальной эксплуатации. Также предлагается решение для преобразования любой виртуальной лаборатории в виртуальную лабораторию на основе WebVR для обучения и обучения.

Введение

С развитием Интернета и популярностью мобильныхустройств спрос на онлайн-образование растет1. В частности, в периоды широкомасштабных эпидемий традиционные учебные заведения часто сталкиваются с проблемами в эффективном проведении очного обучения, что подчеркивает важность онлайн-образования как важного педагогического подхода2. Теоретические курсы относительно легко перенести на онлайн-платформы. Они могут проводиться с помощью таких инструментов, как программное обеспечение для удаленных видеоконференций и массовые открытые онлайн-курсы (МООК)3. Однако практические курсы сталкиваются с более серьезными проблемами, поскольку они требуют от пользователей проведения практических экспериментов в традиционных лабораториях.

Исследователи внесли значительный вклад в решение проблемы обеспечения доступа к экспериментальному оборудованию в Интернете. За последние два десятилетия были проведены обширные исследования концепций и технологий онлайн-лабораторий 4,5. Онлайн-лаборатории обычно включают в себя удаленные лаборатории6, виртуальные лаборатории7 и гибридные лаборатории8. Эти подходы к онлайн-лабораториям нашли широкое применение в различных инженерных дисциплинах, включая инженерию управления9, машиностроение10 и программную инженерию11.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в плане удобства экспериментальных операций в онлайн-лабораториях12, пользователи по-прежнему ощущают отсутствие реализма и аналогичных практических операций по сравнению с традиционными лабораторными средами, что сказывается на их общем опыте13. Это несоответствие в пользовательском опыте мотивирует дальнейшие исследования и разработки, направленные на повышение реализма и вовлеченности в онлайн-лабораторные среды.

Для решения вышеуказанных проблем в виртуальных лабораториях была применена технология виртуальной реальности (VR)14 для улучшения иммерсивности и интерактивности виртуальных лабораторий15. Виртуальные лаборатории на основе виртуальной реальности предоставляют пользователям опыт, приближенный к реалистичному. Пользователи могут выполнять групповые задания в процессе архитектурного образования с помощью аватаров16, выполняя процесс архитектурной съемки вместе с эффектом погружения, как это было бы в традиционной учебной среде. Кроме того, виртуальные лаборатории на основе виртуальной реальности позволяют пользователям входить в иммерсивную среду виртуальных лабораторий и взаимодействовать с виртуальным экспериментальным оборудованием с помощью гарнитур виртуальной реальности иручек 17, улучшая практические навыки пользователей18. Для различных образовательных целей мы можем проектировать различные виртуальные среды. Например, виртуальная реальность может быть объединена с теорией геймификации для улучшения инженерного образования для широкой публики и повышения эффективности распространения трудных для понимания знаний, таких как устойчивое развитие.

Подобно онлайн-лабораториям, особенно виртуальным, виртуальные лаборатории на основе WebVR имеют множество преимуществ. Во-первых, они преодолевают временные и пространственные ограничения традиционных лабораторий, и пользователи могут проводить эксперименты в любое времяи в любом месте. Во-вторых, онлайн-лаборатории могут обеспечить более безопасную экспериментальную среду, чтобы избежать возможных опасностей и несчастных случаев в экспериментальных операциях. В-третьих, виртуальные лаборатории также могут предоставить больше экспериментальных ресурсов и ситуаций моделирования для расширения экспериментальных возможностей и опыта пользователей. Самое главное, что виртуальные лаборатории на основе WebVR могут стимулировать интерес к обучению и инициативу пользователей, а также улучшить их экспериментальный опыт и участие.

По сравнению с другими виртуальными лабораториями на основе виртуальной реальности, виртуальная лаборатория на основе WebVR органично сочетает в себе достоинства виртуальных лабораторий на основе виртуальной реальности и онлайн-лабораторий на основе веб-технологий. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)24 создает базовую аналоговую электронную удаленную лабораторию путем конструирования реальных печатных плат. Пользователи могут выполнять смоделированные эксперименты в веб-интерфейсе для завершения экспериментов на реальных печатных платах. Weblab-Deusto8 создает лабораторию Field Programmable Gate Array (FPGA) резервуара для воды, где пользователи могут взаимодействовать с трехмерной (3D) моделью резервуара для воды на веб-платформе, не полагаясь на другие плагины. Система, предложенная в данной статье, предоставляет возможность бесшовной интеграции WebVR в качестве модульного компонента в существующую инфраструктуру виртуальной лаборатории. Такая интеграция может быть достигнута без разрушения первоначальной архитектурной структуры лаборатории, тем самым сохраняя основную структуру и функции лаборатории. Эта интеграция также применима к фреймворку онлайн-лаборатории с отдельными фронтендом и бэкендом.

Система, предложенная в данной статье, реализована на базе Networked Control System Laboratory (NCSLab)25, которая унаследовала гибкость, интерактивность, модульность и кроссплатформенные черты системы NCSLab. Пользователи могут проводить эксперименты по различным модулям, а также настраивать алгоритмы и конфигурационные интерфейсы, предоставляя пользователям достаточно пространства для самореализации. Онлайн-эксперименты проводятся в режиме реального времени в соответствии с алгоритмами, запущенными пользователем. Пользователи могут взаимодействовать с виртуальной моделью для изменения входных данных экспериментального алгоритма при проведении VR-экспериментов и даже могут изменять параметры алгоритма управления через компоненты, чтобы пользователи могли более реалистично ощутить принцип работы алгоритма управления.

Виртуальные лаборатории на базе WebVR открывают большой потенциал для онлайн-образования. Он может обеспечить иммерсивный экспериментальный опыт, преодолеть ограничения традиционных лабораторий и способствовать развитию практических навыков и инновационного мышления среди пользователей.

протокол

Это исследование соответствовало рекомендациям Комитета по этике исследований человека в Уханьском университете, и было получено информированное согласие на все экспериментальные данные. В данной статье обсуждаются экспериментальные шаги для системы с двойным перевернутым маятником, и все они выполняются в NCSLab на основе WebVR.

1. Получите доступ к системе NCSLab на базе WebVR

  1. Откройте веб-браузер, поддерживающий WebVR. Для доступа к системе введите Uniform Resource Locator (URL) NCSLab на основе WebVR.
  2. Нажмите кнопку «Начать эксперимент », чтобы войти в систему NCSLab. Если вы впервые входите в систему, проведите регистрацию учетной записи.
  3. Войдите в систему NCSLab, выберите различные эксперименты в левой строке меню и выберите в данном случае эксперимент с двойным перевернутым маятником.
  4. Перейдите на подстраницу 3D на главной странице.
    ПРИМЕЧАНИЕ: На главной странице есть пять подстраниц, начиная с первой, которая представляет собой представление модели оборудования. Он содержит 3D-анимацию модели, а также документацию. Посетив эту страницу, пользователи могут понять принцип работы системы двойного перевернутого маятника, что позволяет удобно проводить последующие эксперименты.
  5. Подайте заявку на управление экспериментом, нажав кнопку «Запросить контроль», чтобы обеспечить эффективное использование ресурсов. Это даст пользователям 30 минут времени эксперимента.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для виртуальных экспериментов 500 пользователям может быть разрешено проводить эксперименты одновременно.
  6. Зайдите на подстраницу с информацией о предприятии, чтобы получить доступ к исчерпывающим сведениям об экспериментальном оборудовании. Сюда входит информация об оборудовании, которое используется в настоящее время, оборудовании, которое остается неиспользованным, и оборудовании, связанном с техническим обслуживанием.
  7. Выберите системный алгоритм управления по умолчанию для загрузки на подстранице «Экспериментальный алгоритм ». Кроме того, перейдите на подстраницу «Разработка алгоритмов », чтобы разработать другой алгоритм.
    1. Чтобы создать новый алгоритм управления, нажмите кнопку «Создать новую модель » на подстранице разработки алгоритма, чтобы перейти в интерфейс проектирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс разработки алгоритма очень похож на процесс разработки алгоритма MATLAB/Simulink, в рамках которого пользователи создают блок-схему алгоритма управления с помощью интуитивно понятного подхода перетаскивания, используя различные модули для создания желаемой логики управления.
    2. Постройте полную блок-схему алгоритма управления, как показано на рисунке 1, и выполните действия, описанные ниже.
    3. Выберите системный модуль с двойным перевернутым маятником из модели устройства слева.
    4. Выберите модуль Gain (Модуль усиления) для проектирования матрицы обратной связи для контроллера линейного квадратичного регулятора (LQR).
    5. Выберите Пошаговый сигнал в качестве входных данных и добавьте другие модули. Дважды щелкните по модулю, чтобы просмотреть подробную информацию и изменить конфигурацию параметров. Например, дважды щелкните по модулю «Постоянный сигнал», чтобы изменить значение постоянного сигнала.
  8. Нажмите кнопку «Начать моделирование » после завершения разработки алгоритма управления. По завершении моделирования наблюдайте за эффективностью управления разработанным алгоритмом. Если результаты моделирования вас не устраивают, выполните тонкую настройку параметров контроллеров LQR до тех пор, пока не будет получен алгоритм управления с улучшенными характеристиками.
  9. Нажмите кнопку Компилировать , чтобы сгенерировать алгоритм управления. После компиляции алгоритм сохраняется в области частного алгоритма подстраницы экспериментального алгоритма и подстраницы разработки алгоритма.
  10. Загрузите алгоритм управления на подстранице экспериментального алгоритма, нажав кнопку «Загрузить алгоритм », расположенную в правой части раздела алгоритма управления.
  11. Выберите экспериментальную конфигурацию и проводите эксперименты на подстранице Конфигурация мониторинга . Система предоставляет предопределенную конфигурацию для удовлетворения общих экспериментальных требований пользователей.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователи могут нажать кнопку « Создать новый монитор », чтобы создать индивидуальную настройку мониторинга, адаптированную к их конкретным экспериментальным требованиям.
  12. Настройте конфигурацию мониторинга и выберите один из множества компонентов, доступных в интерфейсе редактирования подстраницы конфигурации мониторинга, как показано на рисунке 2. К таким компонентам относятся компоненты входных переменных, компоненты отображения кривой с выходными переменными и компоненты 3D-модели.
  13. Для экспериментов с виртуальной реальностью выберите компонент 3D-модели. Компонент 3D-модели позволяет пользователям интегрировать 3D-модель в конфигурацию мониторинга.
  14. Чтобы упростить настройку параметров, настройте параметры для каждого компонента, которые напрямую связаны с переменными системных параметров. Дважды щелкните ЛКМ по компоненту и откройте окно для выбора соответствующих дополнительных параметров в экспериментальной системе.
  15. Пользователи могут оптимизировать компоновку конфигурации мониторинга за счет изменения размера компонентов. Для этого перетащите ребра соответствующих компонентов на нужные размеры.
  16. Нажмите кнопку Сохранить, чтобы сохранить разработанную конфигурацию мониторинга для дальнейшего использования в последующих экспериментах, сэкономив время и силы на повторную настройку системы мониторинга.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Настройка мониторинга может быть выполнена только после правильной загрузки алгоритма управления.
  17. Нажмите кнопку « Начать эксперимент » в окне, чтобы начать эксперимент. Нажмите кнопку VR в правом нижнем углу компонента 3D-модели, чтобы запустить эксперимент VR.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эксперимент VR встроен в веб-страницу. Когда пользователи используют его впервые, браузер может предложить им в верхнем левом углу, чтобы разрешить браузеру использовать функции VR, выберите «Разрешить , чтобы продолжить».

2. Выбор способа доступа

  1. Используйте расширение эмулятора WebVR. Чтобы заняться экспериментами с использованием этого метода, установите расширение эмулятора WebVR, которое легко доступно для поиска и скачивания в магазине расширений браузера.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Расширение эмулятора WebVR помогает пользователям запускать содержимое WebVR в веб-браузере и предоставляет виртуальную гарнитуру виртуальной реальности и среду контроллера управления без необходимости использования реального устройства виртуальной реальности.
  2. Используйте устройства виртуальной реальности, поддерживающие WebVR. Если устройства виртуальной реальности используются впервые, необходима базовая конфигурация среды. Сначала включите питание гарнитуры и контроллера, чтобы запустить систему. Настройте начальную программу ROOM в гарнитуре. Следуя визуальным подсказкам, отображаемым на экране гарнитуры, используйте контроллеры ручек для тщательной калибровки границ и ориентации среды виртуального пространства. Наконец, установите потоковое соединение между гарнитурой и компьютером.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это второй способ доступа к предлагаемой системе. Устройства виртуальной реальности обычно включают в себя гарнитуру и пару ручных контроллеров. VR-устройства имеют встроенные магазины, где пользователи могут загружать браузеры с поддержкой WebVR. В качестве альтернативы пользователи могут использовать встроенный браузер, который в целом поддерживает WebVR. Следует отметить, что различные устройства виртуальной реальности могут использовать различные методы подключения.

3. Методика проведения эксперимента

  1. Отрегулируйте перспективу, чтобы найти оптимальное положение для проведения эксперимента с системой двойного перевернутого маятника.
    1. Для пользователей, использующих расширение эмулятора WebVR, откройте Developer Tools, найдите расширение WebVR и управляйте виртуальным устройством виртуальной реальности с помощью мыши для настройки перспективы, как показано на рисунке 3.
    2. Пользователи, использующие устройства виртуальной реальности, могут погрузиться в виртуальную экспериментальную среду и определить оптимальную экспериментальную позицию с помощью физических движений.
  2. Взаимодействуйте с системой двойного перевернутого маятника с помощью ручного контроллера, как описано ниже.
    1. Переместите ручку ближе к кубику. Нажмите кнопку Trigger , чтобы поднять куб, и система двойного перевернутого маятника перестанет двигаться.
    2. Перемещая ручку, контролируйте положение кубика. Отпустите кубик, как только он окажется в нужном положении, отпустив спусковую кнопку. Теперь положение обозначено как последующая уставка для тележки, как показано на рисунке 3.
  3. Понаблюдайте за процессом движения системы двойного перевернутого маятника. Манипулируя серводвигателем переменного тока (AC), приведите ремень в движение. Под действием импульса ремня перевернутый маятник может перемещаться по направляющей рельсу, Структура системы двойного перевернутого маятника показана на рисунке 4. В конце концов, двойной перевернутый маятник стабилизируется в заданной точке.
  4. Поощряйте пользователей итеративно манипулировать положением куба, постоянно регулировать заданное значение тележки и тщательно наблюдать за динамическим поведением системы двойного перевернутого маятника.

Результаты

Представленная экспериментальная система виртуальной реальности предоставляет пользователям возможность участвовать в иммерсивных экспериментах с использованием устройств виртуальной реальности, тем самым улучшая взаимодействие между пользователями и экспериментальным оборудо...

Обсуждение

Представленный протокол описывает виртуальную лабораторную систему, которая позволяет пользователям проводить VR-эксперименты в режиме онлайн, но также использует недорогой контроллер28 ПК, что способствует масштабному продвижению приложения. Пользователи могут получит...

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках гранта 62103308 и гранта 62073247, частично Фондами фундаментальных исследований для центральных университетов в рамках гранта 2042023kf0095, частично Китайским фондом постдокторантуры в рамках гранта 2022T150496 и частично финансированием проекта экспериментальных технологий Уханьского университета в рамках гранта WHU-2022-SYJS-10.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
3DS MaxAutodesk3ds 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
Meta Quest 2Meta Platforms10036728220341meta quest 2 is a standalone virtual reality headset that allows users to experience WebVR content.
https://www.meta.com/it/quest/products/quest-2/
UnityUnity TechnologiesUnity 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

Ссылки

  1. Martin, F., Sun, T., Westine, C. D. A systematic review of research on online teaching and learning from 2009 to 2018. Comput Educ. 159, 104009 (2020).
  2. Al-Nsour, R., Alkhasawneh, R., Alqudah, S. Online engineering education: Laboratories during the pandemic - A case study. 2022 Intermountain Eng, Tech Comp. , 1-4 (2022).
  3. Chirikov, I., Semenova, T., Maloshonok, N., Bettinger, E., Kizilcec, R. F. Online education platforms scale college stem instruction with equivalent learning outcomes at lower cost. Sci Adv. 6 (15), (2020).
  4. Gamage, K. A. A., et al. Online delivery of teaching and laboratory practices: continuity of university programmes during covid-19 pandemic. Educ Sci. 10 (10), 291 (2020).
  5. Kefalis, C., Drigas, A. Web based and online applications in stem education. Int J Eng Pedagogy. 9 (4), 76-85 (2019).
  6. Maiti, A., et al. A framework for analyzing and evaluating architectures and control strategies in distributed remote laboratories. IEEE Trans Learn Technol. 11 (4), 441-455 (2018).
  7. Liang, Y., Liu, G. Design of large scale virtual equipment for interactive hil control system laboratories. IEEE Trans Learn Technol. 11 (3), 376-388 (2018).
  8. Rodriguez-Gil, L., Garcia-Zubia, J., Orduna, P., Lopez-De-Ipina, D. Towards new multiplatform hybrid online laboratory models. IEEE Trans Learn Technol. 10 (3), 318-330 (2017).
  9. Chevalier, A., Copot, C., Ionescu, C., De Keyser, R. A three-year feedback study of a remote laboratory used in control engineering studies. IEEE Trans Educ. 60 (2), 127-133 (2017).
  10. Wang, N., et al. A novel wiki-based remote laboratory platform for engineering education. IEEE Trans Learn Technol. 10 (3), 331-341 (2017).
  11. Cruz-Benito, J., et al. Usalpharma: a software architecture to support learning in virtual worlds. IEEE Revista Iberoamericana De Tecnologias Del Aprendizaje. 11 (3), 194-204 (2016).
  12. Letowski, B., Lavayssière, C., Larroque, B., Schröder, M., Luthon, F. A fully open source remote laboratory for practical learning. Electronics. 9 (11), 1832 (2020).
  13. Potkonjak, V., et al. Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: a review. Comput Educ. 95, 309-327 (2016).
  14. Rukangu, A., Tuttle, A., Johnsen, K. Virtual reality for remote controlled robotics in engineering education. IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces Abstracts and Workshops (VRW). , 751-752 (2021).
  15. Sermet, Y., Demir, I. Geospatialvr: a web-based virtual reality framework for collaborative environmental simulations. Comput Geosci. 159, 105010 (2022).
  16. zacar, K., Ortakcı, Y., Küçükkara, M. Y. VRArchEducation: Redesigning building survey process in architectural education using collaborative virtual reality. Comp Graph. 113, 1-9 (2023).
  17. Li, Y., Lei, Z., He, Y., Liu, Z. A virtual simulation experiment of mechanics: material deformation and failure based on scanning electron microscopy. J Vis Exp. (191), e64521 (2023).
  18. Alsaleh, S., Tepljakov, A., Kose, A., Belikov, J., Petlenkov, E. Reimagine lab: bridging the gap between hands-on, virtual and remote control engineering laboratories using digital twins and extended reality. IEEE Access. 10, 89924-89943 (2022).
  19. Han, B., Weeks, D. J., Leite, F. Virtual reality-facilitated engineering education: A case study on sustainable systems knowledge. Comput Appl Eng Educ. 31 (5), 1174-1189 (2023).
  20. Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Concurrent experimentation in ncslab: a scalable approach for online laboratories. Fut Gen Comp Sys. (148), 139-149 (2023).
  21. Li, W., Huang, H., Solomon, T., Esmaeili, B., Yu, L. Synthesizing personalized construction safety training scenarios for vr training. IEEE Trans Vis Comput Graph. 28 (5), 1993-2002 (2022).
  22. Zhang, Y., et al. Virtual simulation system of paste filling for green mining of metallic mine. 2020 International Conference on Virtual Reality and Visualization. , 256-257 (2020).
  23. Callaghan, M. J., Mccusker, K., Losada, J. L., Harkin, J., Wilson, S. Using game-based learning in virtual worlds to teach electronic and electrical engineering. IEEE Trans Industr Inform. 9 (1), 575-584 (2013).
  24. Garcia-Zubia, J., et al. Empirical analysis of the use of the VISIR remote lab in teaching analog electronics. IEEE T EDUC. 60 (2), 149-156 (2017).
  25. Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Unified and flexible online experimental framework for control engineering education. IEEE T Ind Electron. 69 (1), 835-844 (2022).
  26. Galan, D., Chaos, D., de la Torre, L., Aranda-Escolastico, E., Heradio, R. Customized online laboratory experiments: a general tool and its application to the furuta inverted pendulum [focus on education. IEEE Cont Sys. 39 (5), 75-87 (2019).
  27. Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G., Guan, S. Web-based digital twin communication system of power systems for training and education. IEEE T Pow Syst. , (2023).
  28. Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Controller effect in online laboratories-An overview. IEEE Trans. Learn. Technol. 17, 1-12 (2024).
  29. Liu, Y., et al. Virtual reality system for industrial training. 2020 International Conference on Virtual Reality and Visualization. , 338-339 (2020).
  30. Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. J Vis Exp. (177), e63342 (2021).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

WebVR

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены