Online Virtual Reality Vernetztes Regelungslabor für die Ausbildung in der Regelungstechnik
Summary
Diese Studie beschreibt ein WebVR-basiertes Online-Virtual-Reality-Laborsystem (VR), das den Nutzern immersive und interaktive Experimentiermöglichkeiten bietet, die von VR-Geräten unterstützt werden. Das vorgeschlagene System trägt nicht nur dazu bei, die Beteiligung der Nutzer an Online-Experimenten realistischer zu gestalten, sondern ist auch auf eine Vielzahl von Online-Labor-Frameworks anwendbar.
Abstract
Online-Labore spielen eine wichtige Rolle in der ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung. In dieser Arbeit wird ein WebVR-basiertes virtuelles Laborsystem diskutiert. Der Benutzer betritt die simulierte Laborumgebung über ein Virtual-Reality-Gerät (VR) und interagiert mit den experimentellen Geräten, ähnlich wie bei praktischen Experimenten in einem physischen Labor. Darüber hinaus ermöglicht das vorgeschlagene System den Benutzern, ihre eigenen Steuerungsalgorithmen zu entwerfen und die Auswirkungen verschiedener Steuerungsparameter zu beobachten, um ihr Verständnis des Experiments zu verbessern. Um die Merkmale des vorgeschlagenen virtuellen Labors zu veranschaulichen, wird in dieser Arbeit ein Beispiel gegeben, bei dem es sich um ein Experiment mit einem doppelten umgekehrten Pendelsystem handelt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene System es den Benutzern ermöglicht, Experimente auf immersive und interaktive Weise durchzuführen und den Benutzern einen vollständigen experimentellen Prozess von der Hauptplanung bis zum experimentellen Betrieb bietet. Es wird auch eine Lösung bereitgestellt, um jedes virtuelle Labor in ein WebVR-basiertes virtuelles Labor für die Aus- und Weiterbildung umzuwandeln.
Introduction
Mit der Weiterentwicklung des Internets und der Popularität mobiler Geräte steigt die Nachfrage nach Online-Bildung1. Insbesondere in Zeiten weit verbreiteter Epidemien stehen traditionelle Bildungseinrichtungen oft vor Herausforderungen, wenn es darum geht, den Präsenzunterricht effektiv durchzuführen, was die Bedeutung der Online-Bildung als wichtigen pädagogischen Ansatz unterstreicht2. Theoretische Kurse lassen sich relativ einfach auf Online-Plattformen übertragen. Sie können mit Hilfe von Tools wie Remote-Videokonferenzsoftware und Massive Open Online Courses (MOOCs)3 durchgeführt werden. Praktika stehen jedoch vor größeren Herausforderungen, da sie von den Benutzern die Durchführung praktischer Experimente in traditionellen Laboren erfordern.
Die Forscher haben maßgeblich dazu beigetragen, die Herausforderung zu bewältigen, experimentelle Geräte online verfügbar zu machen. In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurden umfangreiche Studien zu den Konzepten und Technologien von Online-Laboren durchgeführt 4,5. Online-Labore umfassen in der Regel Remote-Labore6, virtuelle Labore7 und Hybridlabore8. Diese Online-Laboransätze haben in verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen breite Anwendung gefunden, darunter Regelungstechnik9, Maschinenbau10 und Software Engineering11.
Obwohl in Bezug auf die Bequemlichkeit des experimentellen Betriebs in Online-Laboren erhebliche Fortschritte erzielt wurden12, empfinden die Nutzer im Vergleich zu herkömmlichen Laborumgebungen immer noch einen Mangel an Realismus und ähnlichen praktischen Abläufen, was sich auf ihre Gesamterfahrung auswirkt13. Diese Diskrepanz in der Benutzererfahrung motiviert zu weiteren Forschungs- und Entwicklungsbemühungen, um den Realismus und das Engagement in Online-Laborumgebungen zu verbessern.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, wurde die Virtual-Reality-Technologie (VR) in virtuellen Laboren14 eingesetzt, um die Immersivität und Interaktivität virtueller Labore15 zu verbessern. VR-basierte virtuelle Labore bieten den Nutzern ein nahezu realitätsnahes experimentelles Erlebnis. Benutzer können Gruppenaufgaben im Architekturausbildungsprozess durch Avatare16 erledigen und den Prozess der architektonischen Vermessung gemeinsam immersiv durchführen, genau wie sie es in einer traditionellen Klassenzimmerumgebung tun würden. Darüber hinaus ermöglichen die VR-basierten virtuellen Labore den Benutzern, die immersive Umgebung virtueller Labore zu betreten und mit virtuellen Experimentiergeräten zu interagieren, indem sie VR-Headsets und -Griffetragen 17, wodurch die praktischen Fähigkeiten der Benutzerverbessert werden 18. Für unterschiedliche Bildungszwecke können wir verschiedene virtuelle Umgebungen entwerfen. So kann VR beispielsweise mit der Gamification-Theorie kombiniert werden, um die Ingenieurausbildung für die breite Öffentlichkeit zu verbessern und die Effizienz der Verbreitung von schwer verständlichem Wissen wie nachhaltiger Entwicklungzu verbessern 19.
Ähnlich wie Online-Labore, insbesondere virtuelle Labore, haben WebVR-basierte virtuelle Labore viele Vorteile. Erstens durchbrechen sie die zeitlichen und räumlichen Beschränkungen traditioneller Labore, und die Benutzer können jederzeit und überall Experimente durchführen20. Zweitens können Online-Labore eine sicherere Versuchsumgebung bieten, um mögliche Gefahren und Unfälle im Versuchsbetrieb zu vermeiden21. Drittens können virtuelle Labore auch mehr experimentelle Ressourcen und Simulationssituationen bereitstellen, um den experimentellen Umfang und die Erfahrung der Nutzer zu erweitern22. Am wichtigsten ist, dass WebVR-basierte virtuelle Labore das Lerninteresse und die Initiative der Nutzer stimulieren und ihre experimentelle Erfahrung und Teilnahme verbessern können23.
Im Vergleich zu anderen VR-basierten virtuellen Laboren kombiniert das WebVR-basierte virtuelle Labor nahtlos die Vorzüge von VR-basierten virtuellen Laboren mit webbasierten Online-Laboren. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)24 baut ein grundlegendes analog-elektronisches Remote-Labor auf, indem reale Leiterplatten konstruiert werden. Benutzer können simulierte Experimente auf der Weboberfläche durchführen, um reale Leiterplattenexperimente durchzuführen. Weblab-Deusto8 baut das Field Programmable Gate Array (FPGA)-Labor für Wassertanks, in dem Benutzer mit dem dreidimensionalen (3D) Modell des Wassertanks auf der Webplattform interagieren können, ohne auf andere Plug-ins angewiesen zu sein. Das in diesem Beitrag vorgeschlagene System bietet die Möglichkeit, WebVR als modulare Komponente nahtlos in die bestehende virtuelle Laborinfrastruktur zu integrieren. Diese Integration kann erreicht werden, ohne den ursprünglichen architektonischen Rahmen des Labors zu zerstören, wodurch die Grundstruktur und Funktion des Labors erhalten bleiben. Diese Integration ist auch auf den Rahmen eines Online-Labors mit getrenntem Frontend und Backend anwendbar.
Das in diesem Beitrag vorgeschlagene System basiert auf dem Networked Control System Laboratory (NCSLab)25, das die Flexibilität, Interaktivität, Modularität und plattformübergreifenden Funktionen des NCSLab-Systems übernimmt. Benutzer können Experimente nach verschiedenen Modulen durchführen und auch Algorithmen und Konfigurationsoberflächen anpassen, um den Benutzern genügend Raum für die Selbstverwirklichung zu bieten. Online-Experimente werden in Echtzeit nach den vom Benutzer ausgeführten Algorithmen gesteuert. Benutzer können mit dem virtuellen Modell interagieren, um die Eingaben des experimentellen Algorithmus bei der Durchführung von VR-Experimenten zu ändern, und sie können sogar die Parameter des Steuerungsalgorithmus durch die Komponenten ändern, so dass die Benutzer das Prinzip des Steuerungsalgorithmus realistischer erleben können.
WebVR-basierte virtuelle Labore bringen großes Potenzial für die Online-Bildung mit sich. Es kann ein immersives experimentelles Erlebnis bieten, die Grenzen traditioneller Labore überwinden und praktische Fähigkeiten und innovatives Denken bei den Nutzern fördern.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das vorgestellte Protokoll beschreibt ein virtuelles Laborsystem, das es Benutzern ermöglicht, VR-Experimente online durchzuführen, aber auch einen kostengünstigen PC-Controller28 verwendet, der für die Förderung von Anwendungen in großem Maßstab förderlich ist. Die Nutzer können sich Wissen über den gesamten experimentellen Prozess aneignen, von Prinzipien und Algorithmen bis hin zum praktischen experimentellen Betrieb. Dieses System ermöglicht es den Benutzern, in die Experimente einz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde teilweise von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen von Grant 62103308 und Grant 62073247, teilweise von den Fundamental Research Funds for the Central Universities unter Grant 2042023kf0095, teilweise von der China Postdoctoral Science Foundation unter Grant 2022T150496 und teilweise von der Wuhan University Experiment Technology Project Funding im Rahmen des Grants WHU-2022-SYJS-10 unterstützt.
Materials
| 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 |
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