Онлайн-лаборатория сетевого управления виртуальной реальности применяется в образовании в области инженерии управления
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kefalis, C., Drigas, A. Web based and online applications in stem education. Int J Eng Pedagogy. 9 (4), 76-85 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, N., et al. A novel wiki-based remote laboratory platform for engineering education. IEEE Trans Learn Technol. 10 (3), 331-341 (2017).
- 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).
- Letowski, B., Lavayssière, C., Larroque, B., Schröder, M., Luthon, F. A fully open source remote laboratory for practical learning. Electronics. 9 (11), 1832 (2020).
- Potkonjak, V., et al. Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: a review. Comput Educ. 95, 309-327 (2016).
- 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).
- Sermet, Y., Demir, I. Geospatialvr: a web-based virtual reality framework for collaborative environmental simulations. Comput Geosci. 159, 105010 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Controller effect in online laboratories-An overview. IEEE Trans. Learn. Technol. 17, 1-12 (2024).
- Liu, Y., et al. Virtual reality system for industrial training. 2020 International Conference on Virtual Reality and Visualization. , 338-339 (2020).
- Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. J Vis Exp. (177), e63342 (2021).
