מעבדת בקרה מקוונת ברשת מציאות מדומה מיושמת בחינוך להנדסת בקרה

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

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

1. פתח דפדפן אינטרנט התומך ב- WebVR. הזן את מאתר המשאבים האחיד (URL) של NCSLab מבוסס WebVR כדי לגשת למערכת.
2. לחץ על הלחצן התחל ניסוי כדי להיכנס למערכת NCSLab. אם זו הפעם הראשונה להיכנס למערכת, בצע רישום חשבון.
3. היכנס למערכת NCSLab, בחר ניסויים שונים משורת התפריטים השמאלית ובחר את ניסוי המטוטלת ההפוכה הכפולה במקרה זה.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. בחר את אלגוריתם בקרת ברירת המחדל של המערכת להורדה בדף המשנה אלגוריתם ניסיוני . לחלופין, המשך לדף המשנה עיצוב אלגוריתם כדי לעצב אלגוריתם אחר.
   1. 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.
   2. בנה את דיאגרמת הבלוקים המלאה של אלגוריתם הבקרה, כפי שמתואר באיור 1, ופעל לפי השלבים המתוארים להלן.
   3. בחר את מודול מערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה מדגם המכשיר משמאל.
   4. בחר את מודול הרווח כדי לתכנן את מטריצת המשוב עבור בקר ה- Linear Quadratic Regulator (LQR).
   5. 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.
8. 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.
9. 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.
10. הורד את אלגוריתם הבקרה בדף המשנה של אלגוריתם הניסוי על-ידי לחיצה על הלחצן הורד אלגוריתם הממוקם בצד ימין של המקטע אלגוריתם הבקרה.
11. 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.
12. 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.
13. עבור ניסויי VR, בחר את רכיב המודל התלת-ממדי. רכיב המודל התלת-ממדי מאפשר למשתמשים לשלב מודל תלת-ממדי בתצורת הניטור.
14. 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.
15. למשתמשים יש את הגמישות למטב את פריסת תצורת הניטור על ידי שינוי גודל רכיבים. לשם כך, גרור את הקצוות של הרכיבים המתאימים לממדים הרצויים.
16. 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.
17. 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.

2. בחירת שיטת הגישה

1. 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.
2. 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.

3. הליך ניסיוני

1. התאם את הפרספקטיבה כדי למצוא את המיקום האופטימלי לביצוע ניסוי מערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה.
   1. 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.
   2. עבור משתמשים המשתמשים במכשירי VR, לטבול בסביבת הניסוי הווירטואלית ולוודא את המיקום הניסיוני האופטימלי באמצעות תנועות פיזיות.
2. אינטראקציה עם מערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה באמצעות בקר הידית כמתואר להלן.
   1. קרב את הידית לקובייה. לחץ על כפתור ההדק כדי להרים את הקובייה ומערכת המטוטלת ההפוכה הכפולה תפסיק לנוע.
   2. 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.
3. 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.
4. 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.

תוצאות

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 ...

Discussion

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?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
3DS Max	Autodesk		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
Meta Quest 2	Meta Platforms	10036728220341	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/
Unity	Unity Technologies		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