Laboratorio di controllo in rete di realtà virtuale online applicato alla formazione in ingegneria del controllo
Summary
Questo studio descrive un sistema di laboratorio di realtà virtuale (VR) online basato su WebVR che fornisce agli utenti funzionalità di sperimentazione immersive e interattive supportate da dispositivi VR. Il sistema proposto non solo aiuta a migliorare il realismo della partecipazione degli utenti agli esperimenti online, ma è anche applicabile a un’ampia gamma di quadri di laboratorio online.
Abstract
I laboratori online svolgono un ruolo importante nella formazione ingegneristica. Questo lavoro discute un sistema di laboratorio virtuale basato su WebVR. L’utente entra nell’ambiente di laboratorio simulato attraverso un dispositivo di realtà virtuale (VR) e interagisce con l’apparecchiatura sperimentale, in modo simile agli esperimenti pratici in un laboratorio fisico. Inoltre, il sistema proposto consente agli utenti di progettare i propri algoritmi di controllo e osservare gli effetti di diversi parametri di controllo per migliorare la loro comprensione dell’esperimento. Per illustrare le caratteristiche del laboratorio virtuale proposto, in questo articolo viene fornito un esempio, che è un esperimento su un sistema a pendolo doppio invertito. I risultati sperimentali mostrano che il sistema proposto consente agli utenti di condurre esperimenti in modo immersivo e interattivo e fornisce agli utenti un processo sperimentale completo, dalla progettazione principale al funzionamento sperimentale. Viene inoltre fornita una soluzione per trasformare qualsiasi laboratorio virtuale in un laboratorio virtuale basato su WebVR per l’istruzione e la formazione.
Introduction
Con il progresso di Internet e la popolarità dei dispositivi mobili, la domanda di istruzione online è in aumento1. In particolare, durante i periodi di epidemie diffuse, le istituzioni educative tradizionali incontrano spesso sfide nello svolgimento efficace dell’istruzione in presenza, il che evidenzia l’importanza dell’istruzione online come importante approccio pedagogico2. I corsi teorici sono relativamente facili da trasferire su piattaforme online. Possono essere condotti con l’aiuto di strumenti come software di videoconferenza remota e corsi online aperti di massa (MOOC)3. Tuttavia, i corsi pratici devono affrontare sfide maggiori in quanto richiedono agli utenti di eseguire esperimenti pratici nei laboratori tradizionali.
I ricercatori hanno dato un contributo significativo per affrontare la sfida di rendere disponibili online le apparecchiature sperimentali. Negli ultimi due decenni, sono stati condotti studi approfonditi sui concetti e le tecnologie dei laboratori online 4,5. I laboratori online comprendono in genere laboratori remoti6, laboratori virtuali7 e laboratori ibridi8. Questi approcci di laboratorio online hanno trovato ampia applicazione in varie discipline ingegneristiche, tra cui l’ingegneria del controllo9, l’ingegneria meccanica10 e l’ingegneria del software11.
Sebbene siano stati compiuti progressi significativi in termini di comodità delle operazioni sperimentali nei laboratori online12, gli utenti percepiscono ancora una mancanza di realismo e di operazioni pratiche simili rispetto agli ambienti di laboratorio tradizionali, il che influisce sulla loro esperienza complessiva13. Questa discrepanza nell’esperienza dell’utente motiva ulteriori sforzi di ricerca e sviluppo per migliorare il realismo e il coinvolgimento negli ambienti di laboratorio online.
Per risolvere i problemi di cui sopra, la tecnologia della realtà virtuale (VR) è stata applicata nei laboratori virtuali14 per migliorare l’immersività e l’interattività dei laboratori virtuali15. I laboratori virtuali basati sulla realtà virtuale offrono agli utenti un’esperienza sperimentale quasi realistica. Gli utenti possono completare i compiti di gruppo nel processo di formazione architettonica attraverso gli avatar16, eseguendo il processo di rilevamento architettonico insieme in modo immersivo, proprio come farebbero in un ambiente scolastico tradizionale. Inoltre, i laboratori virtuali basati sulla realtà virtuale consentono agli utenti di entrare nell’ambiente immersivo dei laboratori virtuali e di interagire con le apparecchiature sperimentali virtuali indossando cuffie e maniglie VR17, migliorando le capacità pratiche degli utenti18. Per diversi scopi educativi, possiamo progettare diversi ambienti virtuali. Ad esempio, la realtà virtuale può essere combinata con la teoria della gamification per migliorare la formazione ingegneristica per il grande pubblico e per migliorare l’efficienza della diffusione di conoscenze difficili da comprendere come lo sviluppo sostenibile19.
Analogamente ai laboratori online, in particolare ai laboratori virtuali, i laboratori virtuali basati su WebVR presentano molti vantaggi. In primo luogo, superano i limiti di tempo e spazio dei laboratori tradizionali e gli utenti possono condurre esperimenti sempre e ovunque20. In secondo luogo, i laboratori online possono fornire un ambiente sperimentale più sicuro per evitare possibili pericoli e incidenti nelle operazioni sperimentali21. In terzo luogo, i laboratori virtuali possono anche fornire più risorse sperimentali e situazioni di simulazione per estendere l’ambito e l’esperienza sperimentale degli utenti22. Soprattutto, i laboratori virtuali basati su WebVR possono stimolare l’apprendimento, l’interesse e l’iniziativa degli utenti e migliorare la loro esperienza sperimentale e la loro partecipazione23.
Rispetto ad altri laboratori virtuali basati su VR, il laboratorio virtuale basato su WebVR combina perfettamente i vantaggi dei laboratori virtuali basati su VR con i laboratori online basati sul Web. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)24 costruisce un laboratorio remoto di elettronica analogica di base costruendo circuiti stampati reali. Gli utenti possono eseguire esperimenti simulati sull’interfaccia web per completare esperimenti su circuiti stampati reali. Weblab-Deusto8 costruisce il laboratorio FPGA (Field Programmable Gate Array) del serbatoio dell’acqua in cui gli utenti possono interagire con il modello tridimensionale (3D) del serbatoio dell’acqua nella piattaforma web senza fare affidamento su altri plug-in. Il sistema proposto in questo documento introduce la capacità di integrare perfettamente WebVR come componente modulare nell’infrastruttura del laboratorio virtuale esistente. Questa integrazione può essere ottenuta senza distruggere la struttura architettonica originale del laboratorio, preservando così la struttura e la funzione di base del laboratorio. Questa integrazione è applicabile anche al framework di un laboratorio online con front-end e back-end separati.
Il sistema proposto in questo articolo è implementato sulla base del Networked Control System Laboratory (NCSLab)25, che eredita la flessibilità, l’interattività, la modularità e le caratteristiche multipiattaforma del sistema NCSLab. Gli utenti possono condurre esperimenti in base a diversi moduli e possono anche personalizzare algoritmi e interfacce di configurazione, fornendo agli utenti spazio sufficiente per l’autorealizzazione. Gli esperimenti online sono guidati in tempo reale secondo gli algoritmi eseguiti dall’utente. Gli utenti possono interagire con il modello virtuale per modificare gli input dell’algoritmo sperimentale durante l’esecuzione di esperimenti VR e possono persino modificare i parametri dell’algoritmo di controllo attraverso i componenti in modo che gli utenti possano sperimentare il principio dell’algoritmo di controllo in modo più realistico.
I laboratori virtuali basati su WebVR offrono un grande potenziale per l’istruzione online. Può fornire un’esperienza sperimentale coinvolgente, superare i limiti dei laboratori tradizionali e promuovere competenze pratiche e pensiero innovativo tra gli utenti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo presentato descrive un sistema di laboratorio virtuale che consente agli utenti di condurre esperimenti VR online, ma utilizza anche un controller per PC a basso costo28, che favorisce la promozione di applicazioni su larga scala. Gli utenti possono acquisire conoscenze sull’intero processo sperimentale, dai principi e dagli algoritmi alle operazioni sperimentali pratiche. Questo sistema consente agli utenti di immergersi negli esperimenti, eliminando la dipendenza dall’input tradizi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto in parte dalla National Natural Science Foundation of China nell’ambito di Grant 62103308 e Grant 62073247, in parte dai Fondi per la ricerca di base per le università centrali nell’ambito della sovvenzione 2042023kf0095, in parte dalla China Postdoctoral Science Foundation nell’ambito della sovvenzione 2022T150496 e in parte dal finanziamento del progetto di tecnologia sperimentale dell’Università di Wuhan nell’ambito della sovvenzione WHU-2022-SYJS-10.
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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