Kontrol Mühendisliği Eğitiminde Uygulanan Çevrimiçi Sanal Gerçeklik Ağ Tabanlı Kontrol Laboratuvarı

Özet

Bu çalışma, kullanıcılara VR cihazları tarafından desteklenen sürükleyici ve etkileşimli deney yetenekleri sağlayan WebVR tabanlı bir çevrimiçi sanal gerçeklik (VR) laboratuvar sistemini açıklamaktadır. Önerilen sistem, yalnızca çevrimiçi deneylere kullanıcı katılımının gerçekçiliğini artırmaya yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda çok çeşitli çevrimiçi laboratuvar çerçevelerine de uygulanabilir.

Özet

Online laboratuvarlar mühendislik eğitiminde önemli bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada WebVR tabanlı bir sanal laboratuvar sistemi ele alınmaktadır. Kullanıcı, bir sanal gerçeklik (VR) cihazı aracılığıyla simüle edilmiş laboratuvar ortamına girer ve fiziksel bir laboratuvardaki uygulamalı deneylere benzer şekilde deney ekipmanı ile etkileşime girer. Ek olarak, önerilen sistem, kullanıcıların kendi kontrol algoritmalarını tasarlamalarına ve deney anlayışlarını geliştirmek için farklı kontrol parametrelerinin etkilerini gözlemlemelerine olanak tanır. Önerilen sanal laboratuvarın özelliklerini göstermek için, bu yazıda çift ters sarkaç sistemi üzerinde bir deney olan bir örnek verilmiştir. Deneysel sonuçlar, önerilen sistemin, kullanıcıların sürükleyici ve etkileşimli bir şekilde deney yapmalarına olanak tanıdığını ve kullanıcılara temel tasarımdan deneysel işleme kadar eksiksiz bir deneysel süreç sunduğunu göstermektedir. Herhangi bir sanal laboratuvarı eğitim ve öğretim için WebVR tabanlı bir sanal laboratuvara dönüştürmek için de bir çözüm sağlanır.

Giriş

İnternetin ilerlemesi ve mobil cihazların popülerleşmesiyle birlikte çevrimiçi eğitime olan talep artmaktadır¹. Özellikle, yaygın salgın dönemlerinde, geleneksel eğitim kurumları genellikle yüz yüze öğretimi etkili bir şekilde yürütmede zorluklarla karşılaşmaktadır ve bu da çevrimiçi eğitimin önemli bir pedagojik yaklaşım olarak önemini vurgulamaktadır². Teorik derslerin çevrimiçi platformlara aktarılması nispeten kolaydır. Uzaktan video konferans yazılımı ve kitlesel açık çevrimiçi kurslar (MOOC'ler) gibi araçların yardımıyla ^{yürütülebilirler.3}. Bununla birlikte, uygulamalı kurslar, kullanıcıların geleneksel laboratuvarlarda uygulamalı deneyler yapmasını gerektirdiğinden daha büyük zorluklarla karşı karşıyadır.

Araştırmacılar, deneysel ekipmanı çevrimiçi olarak kullanılabilir hale getirme zorluğunun ele alınmasına önemli katkılarda bulundular. Son yirmi yılda, çevrimiçi laboratuvarların ^4,5 kavramları ve teknolojileri üzerine kapsamlı çalışmalar yapılmıştır. Çevrimiçi laboratuvarlar genellikle uzak laboratuvarları⁶, sanal laboratuvarları⁷ ve hibrit laboratuvarları⁸ kapsar. Bu çevrimiçi laboratuvar yaklaşımları, kontrol mühendisliği 9, makine mühendisliği¹⁰ ve yazılım mühendisliği¹¹ dahil olmak üzere çeşitli mühendislik disiplinlerinde yaygın uygulama bulmuştur.

Çevrimiçi laboratuvarlarda deneysel işlemlerin kolaylığı açısından önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da¹², kullanıcılar hala geleneksel laboratuvar ortamlarına kıyasla gerçekçilik ve benzer uygulamalı pratik işlemlerin eksikliğini algılamakta ve bu da genel deneyimlerini etkilemektedir¹³. Kullanıcı deneyimindeki bu tutarsızlık, çevrimiçi laboratuvar ortamlarında gerçekçiliği ve katılımı artırmak için daha fazla araştırma ve geliştirme çabasını motive ediyor.

Yukarıdaki sorunları çözmek için, sanal laboratuvarların¹⁴ sürükleyiciliğini ve etkileşimini geliştirmek için sanal laboratuvarlarda¹⁵ sanal gerçeklik (VR) teknolojisi uygulanmıştır. VR tabanlı sanal laboratuvarlar, kullanıcılara gerçekçiye yakın bir deney deneyimi sunar. Kullanıcılar, avatarlar¹⁶ aracılığıyla mimari eğitim sürecindeki grup ödevlerini tamamlayabilir ve mimari ölçme sürecini tıpkı geleneksel bir sınıf ortamında olduğu gibi sürükleyici bir şekilde birlikte gerçekleştirebilirler. Ayrıca, VR tabanlı sanal laboratuvarlar, kullanıcıların sanal laboratuvarların sürükleyici ortamına girmelerine ve VR kulaklıkları ve kulpları¹⁷ takarak sanal deney ekipmanlarıyla etkileşime girmelerine olanak tanıyarak kullanıcıların uygulamalı yeteneklerini^{geliştirir 18}. Farklı eğitim amaçları için farklı sanal ortamlar tasarlayabiliriz. Örneğin, VR, genel halk için mühendislik eğitimini geliştirmek ve sürdürülebilir kalkınma gibi anlaşılması zor bilgilerin yayılmasının verimliliğini artırmak için oyunlaştırma teorisi ile birleştirilebilir¹⁹.

Çevrimiçi laboratuvarlara, özellikle sanal laboratuvarlara benzer şekilde, WebVR tabanlı sanal laboratuvarların da birçok avantajı vardır. İlk olarak, geleneksel laboratuvarların zaman ve mekan sınırlamalarını aşarlar ve kullanıcılar her zaman ve her yerde deney yapabilirler²⁰. İkinci olarak, çevrimiçi laboratuvarlar, deney işlemlerinde olası tehlikeleri ve kazaları önlemek için daha güvenli bir deney ortamı sağlayabilir²¹. Üçüncüsü, sanal laboratuvarlar, kullanıcıların deneysel kapsamını ve deneyimini genişletmek için daha fazla deneysel kaynak ve simülasyon durumu da sağlayabilir²². En önemlisi, WebVR tabanlı sanal laboratuvarlar, kullanıcıların öğrenme ilgisini ve inisiyatifini teşvik edebilir ve deneysel deneyimlerini ve katılımlarını geliştirebilir²³.

Diğer VR tabanlı sanal laboratuvarlarla karşılaştırıldığında, WebVR tabanlı sanal laboratuvar, VR tabanlı sanal laboratuvarların avantajlarını web tabanlı çevrimiçi laboratuvarlarla sorunsuz bir şekilde birleştirir. Gerçekte Sanal Enstrüman Sistemleri (VISIR)²⁴ , gerçek devre kartları inşa ederek temel bir analog elektronik uzak laboratuvar kurar. Kullanıcılar, gerçek devre kartı deneylerini tamamlamak için web arayüzünde simüle edilmiş deneyler yapabilir. Weblab-Deusto⁸ , kullanıcıların diğer eklentilere ihtiyaç duymadan web platformunda su deposunun üç boyutlu (3D) modeliyle etkileşime girebilecekleri su deposu Alan Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) laboratuvarını kurar. Bu belgede önerilen sistem, WebVR'yi modüler bir bileşen olarak mevcut sanal laboratuvar altyapısına sorunsuz bir şekilde entegre etme yeteneğini sunar. Bu entegrasyon, laboratuvarın orijinal mimari çerçevesini bozmadan, böylece laboratuvarın temel yapısını ve işlevini koruyarak gerçekleştirilebilir. Bu entegrasyon, ayrı ön uç ve arka uca sahip çevrimiçi bir laboratuvarın çerçevesi için de geçerlidir.

Bu yazıda önerilen sistem, NCSLab sisteminin esnekliğini, etkileşimini, modülerliğini ve platformlar arası özelliklerini miras alan Ağ Bağlantılı Kontrol Sistemi Laboratuvarı (NCSLab)^25'e dayalı olarak uygulanmaktadır. Kullanıcılar farklı modüllere göre deneyler yapabilir ve ayrıca algoritmaları ve konfigürasyon arayüzlerini özelleştirebilir, bu da kullanıcılara kendilerini gerçekleştirmeleri için yeterli alan sağlar. Çevrimiçi deneyler, kullanıcı tarafından çalıştırılan algoritmalara göre gerçek zamanlı olarak yönlendirilir. Kullanıcılar, VR deneyleri yaparken deneysel algoritmanın girdilerini değiştirmek için sanal modelle etkileşime girebilir ve hatta kullanıcılar kontrol algoritmasının prensibini daha gerçekçi bir şekilde deneyimleyebilmeleri için bileşenler aracılığıyla kontrol algoritmasının parametrelerini değiştirebilir.

WebVR tabanlı sanal laboratuvarlar, çevrimiçi eğitim için büyük bir potansiyel sunar. Sürükleyici bir deneysel deneyim sağlayabilir, geleneksel laboratuvarların sınırlamalarının üstesinden gelebilir ve kullanıcılar arasında uygulamalı pratik becerileri ve yenilikçi düşünceyi teşvik edebilir.

Protokol

Bu çalışma, Wuhan Üniversitesi'ndeki İnsan Araştırmaları Etik Komitesi'nin yönergelerini karşıladı ve tüm deneysel veriler için bilgilendirilmiş onam alındı. Bu yazıda, çift ters sarkaç sistemi için deneysel adımlar tartışılmış ve tüm adımlar WebVR tabanlı NCSLab'da gerçekleştirilmiştir.

1. WebVR tabanlı NCSLab sistemine erişin

1. WebVR'yi destekleyen bir web tarayıcısı açın. Sisteme erişmek için WebVR tabanlı NCSLab'ın Tekdüzen Kaynak Konum Belirleyicisi'ni (URL) girin.
2. NCSLab sistemine giriş yapmak için Deneyi Başlat düğmesine tıklayın. Sisteme ilk kez giriş yapıyorsanız, bir hesap kaydı yapın.
3. NCSLab sistemine giriş yapın, sol menü çubuğundan farklı deneyler seçin ve bu durumda çift ters sarkaç deneyini seçin.
4. Ana sayfadaki 3D alt sayfasına erişin.
   NOT: Ana sayfada, ekipman modelinin tanıtımı olan ilk sayfadan başlayarak beş alt sayfa bulunmaktadır. Bir 3D model animasyonunun yanı sıra dokümantasyon içerir. Kullanıcılar bu sayfayı ziyaret ederek, sonraki deneylerin uygun şekilde yürütülmesini sağlayan çift ters sarkaç sisteminin prensibini kavrayabilirler.
5. Kaynakların verimli kullanımını sağlamak için Kontrol İste düğmesine tıklayarak deney kontrolüne başvurun. Bu, kullanıcılara 30 dakikalık deneme süresi verecektir.
   NOT: Sanal deneyler için 500 kullanıcının aynı anda deney yapmasına izin verilebilir.
6. Deney aparatı ile ilgili kapsamlı ayrıntılara erişmek için tesis bilgileri alt sayfasına girin. Bu, şu anda kullanımda olan ekipman, kullanılmayan ekipman ve bakımla ilgili ekipman hakkındaki bilgileri kapsar.
7. Deneysel Algoritma alt sayfasından indirilecek sistem varsayılan kontrol algoritmasını seçin. Alternatif olarak, farklı bir algoritma tasarlamak için Algoritma Tasarımı alt sayfasına ilerleyin.
   1. Yeni bir kontrol algoritması tasarlamak için, tasarım arayüzüne girmek için algoritma tasarımı alt sayfasındaki Yeni Model Oluştur düğmesine tıklayın.
      NOT: Algoritma tasarımı süreci, kullanıcıların kontrol algoritması blok diyagramını sezgisel bir sürükle ve bırak yaklaşımıyla oluşturdukları ve istenen kontrol mantığını oluşturmak için çeşitli modüller kullandıkları MATLAB / Simulink'inkink'inkini yakından yansıtır.
   2. Şekil 1'de gösterildiği gibi tam kontrol algoritması blok diyagramını oluşturun ve aşağıda açıklanan adımları izleyin.
   3. Soldaki cihaz modelinden Çift Ters Sarkaç Sistem Modülünü seçin.
   4. Doğrusal Kuadratik Regülatör (LQR) kontrolörü için geri besleme matrisini tasarlamak üzere Kazanç Modülünü seçin.
   5. Giriş olarak Adım Sinyali'ni seçin ve diğer modülleri ekleyin. Ayrıntılı bilgileri görüntülemek ve parametre yapılandırmasını değiştirmek için modüle çift tıklayın. Örneğin, sabit sinyalin değerini değiştirmek için Sabit Sinyal Modülüne çift tıklayın.
8. Kontrol algoritması tasarımını tamamladıktan sonra Simülasyonu Başlat düğmesine tıklayın. Simülasyonun tamamlanmasının ardından, tasarlanan algoritmanın kontrol etkinliğini gözlemleyin. Simülasyon sonuçlarından memnun kalmazsanız, gelişmiş performansa sahip bir kontrol algoritması elde edilene kadar LQR kontrolörlerinin parametrelerinde ince ayar yapın.
9. Kontrol algoritmasını oluşturmak için Derle düğmesine tıklayın. Derlemeden sonra algoritma, deneysel algoritma alt sayfasının ve algoritma tasarımı alt sayfasının özel algoritma alanında saklanır.
10. Kontrol algoritması bölümünün sağ tarafında bulunan Algoritmayı İndir butonuna tıklayarak deneysel algoritma alt sayfasından kontrol algoritmasını indiriniz.
11. Deneysel bir yapılandırma seçin ve İzleme Yapılandırması alt sayfasında deneyler yapın. Sistem, kullanıcıların genel deneysel gereksinimlerini karşılamak için önceden tanımlanmış bir konfigürasyon sağlar.
    NOT: Kullanıcılar, kendi özel deneysel taleplerine göre uyarlanmış özelleştirilmiş bir izleme kurulumu oluşturmak için Yeni monitör Oluştur düğmesini tıklatma esnekliğine sahiptir.
12. İzleme yapılandırmasını özelleştirin ve Şekil 2'de gösterildiği gibi izleme yapılandırması alt sayfasının düzenleme arayüzünde bulunan çeşitli bileşenler arasından seçim yapın. Bu bileşenler, giriş değişkeni bileşenlerini, çıkış değişkeni eğrisi görüntüleme bileşenlerini ve 3B model bileşenlerini içerir.
13. VR deneyleri için 3D model bileşenini seçin. 3D model bileşeni, kullanıcıların bir 3D modeli izleme konfigürasyonuna entegre etmesine olanak tanır.
14. Parametre yapılandırmasını kolaylaştırmak için, doğrudan sistem parametre değişkenlerine bağlı olan her bileşen için parametreleri ayarlayın. Bir bileşene çift tıklayın ve deneysel sistem içinde ilgili isteğe bağlı parametreleri seçmek için pencereye erişin.
15. Kullanıcılar, bileşenleri yeniden boyutlandırarak izleme yapılandırmasının düzenini optimize etme esnekliğine sahiptir. Bunu yapmak için, ilgili bileşenlerin kenarlarını istenen boyutlara sürükleyin.
16. Tasarlanan izleme yapılandırmasını sonraki deneylerde ileride kullanmak üzere kaydetmek için Kaydet düğmesine tıklayın, böylece izleme sistemini tekrar tekrar kurmak için zamandan ve emekten tasarruf edin.
    NOT: İzleme yapılandırması yalnızca kontrol algoritması doğru bir şekilde indirildikten sonra gerçekleştirilebilir.
17. Denemeyi başlatmak için penceredeki Denemeyi Başlat düğmesini tıklayın. VR deneyini başlatmak için 3D model bileşeninin sağ alt köşesindeki VR Düğmesine tıklayın.
    NOT: VR deneyi web sayfasına gömülüdür. Kullanıcılar ilk kez kullandıklarında, tarayıcı sol üst köşede tarayıcının VR işlevini kullanmasına izin vermelerini isteyebilir, devam etmek için İzin Ver'i seçin.

2. Erişim yönteminin seçilmesi

1. Bir WebVR öykünücüsü uzantısı kullanın. Bu yöntemi kullanarak denemeler yapmak için, tarayıcının uzantı mağazasından arama ve indirme için hazır olan WebVR öykünücüsü uzantısını yükleyin.
   NOT: WebVR öykünücüsü uzantısı, kullanıcıların WebVR içeriğini bir web tarayıcısında çalıştırmasına yardımcı olur ve gerçek VR cihazını kullanmaya gerek kalmadan sanal VR kulaklığı ve tutamaklar denetleyicisi ortamı sağlar.
2. WebVR'yi destekleyen VR cihazlarını kullanın. VR cihazları ilk kez kullanılıyorsa, temel ortam yapılandırması gereklidir. İlk olarak, sistemi başlatmak için kulaklığın ve denetleyicinin gücünü AÇIN. Kulaklıkta ilk ROOM programını ayarlayın. Kulaklık ekranında görüntülenen görsel ipuçlarını takip ederek, sanal alan ortamının sınırlarını ve yönünü dikkatli bir şekilde kalibre etmek için tutamak denetleyicilerini kullanın. Son olarak, kulaklık ile bilgisayar arasında bir akış bağlantısı kurun.
   NOT: Bu, önerilen sisteme erişmek için ikinci yöntemdir. VR cihazları genellikle bir kulaklık ve bir çift tutamak denetleyicisi içerir. VR cihazlarında, kullanıcıların WebVR özellikli tarayıcıları indirebileceği yerleşik mağazalar bulunur. Alternatif olarak, kullanıcılar genellikle WebVR'yi destekleyen yerleşik tarayıcıyı kullanabilir. Çeşitli VR cihazlarının bağlantı için farklı yöntemler kullanabileceği dikkat çekicidir.

3. Deneysel prosedür

1. Çift ters sarkaç sistemi deneyini yürütmek için en uygun konumu bulmak için perspektifi ayarlayın.
   1. WebVR öykünücüsü uzantısını kullanan kullanıcılar için Geliştirici Araçları'nı açın, WebVR uzantısını bulun ve Şekil 3'te gösterildiği gibi perspektifi ayarlamak için fareyi kullanarak sanal VR cihazını değiştirin.
   2. VR cihazları kullanan kullanıcılar için, sanal deney ortamına dalın ve fiziksel hareketler yoluyla en uygun deneysel konumu belirleyin.
2. Aşağıda açıklandığı gibi tutamak denetleyicisini kullanarak çift ters sarkaç sistemiyle etkileşime geçin.
   1. Tutamacı küpe yaklaştırın. Küpü almak için Tetik düğmesine basın, çift ters sarkaç sistemi hareket etmeyi durduracaktır.
   2. Kolu hareket ettirerek küpün konumunu kontrol edin. İstenilen konuma geldiğinde tetik düğmesini bırakarak küpü serbest bırakın. Konum şimdi, Şekil 3'te gösterildiği gibi, araba için sonraki ayar noktası olarak belirlenmiştir.
3. Çift ters sarkaç sisteminin hareket sürecini gözlemleyin. Alternatif Akım (AC) servo motorunu manipüle ederek kayışı harekete geçirin. Kayışın itici gücü altında, ters çevrilmiş sarkaç kılavuz ray boyunca hareket edebilir, Çift ters çevrilmiş sarkacın sistem yapısı Şekil 4'te açıklanmıştır. Sonunda, çift ters çevrilmiş sarkaç ayar noktasında stabilize olacaktır.
4. Kullanıcıları küpün konumunu yinelemeli olarak değiştirmeye, arabanın ayar noktasını sürekli olarak ayarlamaya ve çift ters sarkaç sisteminin dinamik davranışını titizlikle gözlemlemeye teşvik edin.

Sonuçlar

Sunulan VR deney sistemi, kullanıcılara VR cihazlarını kullanarak sürükleyici deneyler yapma yeteneği sağlar ve böylece kullanıcılar ile deney ekipmanı arasındaki etkileşimi geliştirir. Ayrıca, sistem web tabanlıdır ve kullanıcıların yerel ortamları yapılandırma ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu tasarım, sistemin ölçeklenebilirliğine izin vererek, onu büyük ölçekli uygulamalar ve eğitim ve öğretim amaçları için uygun hale getirir.

Geleneksel laboratuvar ...

Tartışmalar

Sunulan protokol, kullanıcıların çevrimiçi VR deneyleri yapmalarını sağlayan, ancak aynı zamanda büyük ölçekli uygulama tanıtımına elverişli olan düşük maliyetli bir PC denetleyicisi²⁸ kullanan sanal bir laboratuvar sistemini tanımlamaktadır. Kullanıcılar, ilkeler ve algoritmalardan pratik deneysel işlemlere kadar tüm deneysel süreç hakkında bilgi edinebilirler. Bu sistem, kullanıcıların geleneksel fare ve klavye girişine olan bağımlılığı ortadan kaldırarak ...

Malzemeler

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