مختبر التحكم الشبكي للواقع الافتراضي عبر الإنترنت المطبق في تعليم هندسة التحكم

تصف هذه الدراسة نظام مختبر الواقع الافتراضي عبر الإنترنت (VR) المستند إلى WebVR والذي يوفر للمستخدمين إمكانات تجريبية غامرة وتفاعلية تدعمها أجهزة الواقع الافتراضي. لا يساعد النظام المقترح على تعزيز واقعية مشاركة المستخدم في التجارب عبر الإنترنت فحسب ، بل ينطبق أيضا على مجموعة واسعة من أطر المختبرات عبر الإنترنت.

تلعب المختبرات عبر الإنترنت دورا مهما في التعليم الهندسي. يناقش هذا العمل نظام مختبر افتراضي قائم على WebVR. يدخل المستخدم بيئة المختبر المحاكية من خلال جهاز الواقع الافتراضي (VR) ويتفاعل مع المعدات التجريبية ، على غرار التجارب العملية في المختبر الفيزيائي. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح النظام المقترح للمستخدمين بتصميم خوارزميات التحكم الخاصة بهم ومراقبة تأثيرات معلمات التحكم المختلفة لتعزيز فهمهم للتجربة. لتوضيح ميزات المختبر الافتراضي المقترح ، يتم تقديم مثال في هذه الورقة ، وهو تجربة على نظام البندول المقلوب المزدوج. تظهر النتائج التجريبية أن النظام المقترح يسمح للمستخدمين بإجراء التجارب بطريقة غامرة وتفاعلية ويوفر للمستخدمين عملية تجريبية كاملة من التصميم الرئيسي إلى التشغيل التجريبي. يتم توفير حل أيضا لتغيير أي مختبر افتراضي إلى مختبر افتراضي قائم على WebVR للتعليم والتدريب.

مع تقدم الإنترنت وشعبية الأجهزة المحمولة ، يتزايد الطلب على التعليم عبر الإنترنت¹. على وجه الخصوص ، خلال فترات انتشار الأوبئة على نطاق واسع ، غالبا ما تواجه المؤسسات التعليمية التقليدية تحديات في إجراء التدريس الشخصي بشكل فعال ، مما يسلط الضوء على أهمية التعليم عبر الإنترنت كنهج تربوي مهم². من السهل نسبيا نقل الدورات النظرية إلى المنصات عبر الإنترنت. يمكن إجراؤها بمساعدة أدوات مثل برامج مؤتمرات الفيديو عن بعد والدورات التدريبية الضخمة المفتوحة عبر الإنترنت (MOOCs)³. ومع ذلك ، تواجه الدورات العملية تحديات أكبر لأنها تتطلب من المستخدمين إجراء تجارب عملية في المختبرات التقليدية.

قدم الباحثون مساهمات كبيرة في مواجهة التحدي المتمثل في إتاحة المعدات التجريبية عبر الإنترنت. على مدى العقدين الماضيين ، أجريت دراسات مكثفة حول مفاهيم وتقنيات المختبرات عبر الإنترنت ^4,5. تشمل المختبرات عبر الإنترنت عادة المختبرات البعيدة⁶ والمختبرات الافتراضية⁷ والمختبرات الهجينة⁸. وجدت هذه الأساليب المختبرية عبر الإنترنت تطبيقا واسع النطاق في مختلف التخصصات الهندسية ، بما في ذلك هندسة التحكم⁹ والهندسة الميكانيكية¹⁰ وهندسة البرمجيات¹¹.

في حين تم إحراز تقدم كبير من حيث ملاءمة العمليات التجريبية في المختبرات عبر الإنترنت¹² ، لا يزال المستخدمون يرون نقصا في الواقعية والعمليات العملية المماثلة مقارنة ببيئات المختبرات التقليدية ، مما يؤثر على تجربتهم الإجمالية¹³. يحفز هذا التناقض في تجربة المستخدم المزيد من جهود البحث والتطوير لتعزيز الواقعية والمشاركة في بيئات المختبرات عبر الإنترنت.

لحل المشاكل المذكورة أعلاه ، تم تطبيق تقنية الواقع الافتراضي (VR) في المختبرات الافتراضية¹⁴ لتحسين الانغماس والتفاعل في المختبرات الافتراضية¹⁵. توفر المختبرات الافتراضية القائمة على الواقع الافتراضي للمستخدمين تجربة تجريبية قريبة من الواقعية. يمكن للمستخدمين إكمال المهام الجماعية في عملية التعليم المعماري من خلال الصور الرمزية¹⁶ ، وإجراء عملية المسح المعماري معا بشكل غامر ، تماما كما يفعلون في بيئة الفصل الدراسي التقليدية. علاوة على ذلك ، تسمح المختبرات الافتراضية القائمة على الواقع الافتراضي للمستخدمين بالدخول إلى البيئة الغامرة للمختبرات الافتراضية والتفاعل مع المعدات التجريبية الافتراضية من خلال ارتداء سماعات رأس VR ومقابض¹⁷ ، مما يحسن قدرات المستخدمين العملية¹⁸. لأغراض تعليمية مختلفة ، يمكننا تصميم بيئات افتراضية مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن دمج الواقع الافتراضي مع نظرية التلعيب لتعزيز التعليم الهندسي لعامة الناس وتحسين كفاءة نشر المعرفة التي يصعب فهمها مثل التنمية المستدامة¹⁹.

على غرار المختبرات عبر الإنترنت ، وخاصة المختبرات الافتراضية ، تتمتع المختبرات الافتراضية القائمة على WebVR بالعديد من المزايا. أولا ، يخترقون قيود الزمان والمكان للمختبرات التقليدية ، ويمكن للمستخدمين إجراء التجارب في أي وقت وفي أي مكان²⁰. ثانيا ، يمكن للمختبرات عبر الإنترنت توفير بيئة تجريبية أكثر أمانا لتجنب الأخطار والحوادث المحتملة في العمليات التجريبية²¹. ثالثا ، يمكن للمختبرات الافتراضية أيضا توفير المزيد من الموارد التجريبية وحالات المحاكاة لتوسيع النطاق التجريبي للمستخدمين وتجربتهم²². الأهم من ذلك ، يمكن للمختبرات الافتراضية القائمة على WebVR تحفيز اهتمام المستخدمين بالتعلم ومبادرتهم وتعزيز تجربتهم التجريبية ومشاركتهم²³.

بالمقارنة مع المختبرات الافتراضية الأخرى القائمة على الواقع الافتراضي ، يجمع المختبر الافتراضي المستند إلى WebVR بسلاسة بين مزايا المختبرات الافتراضية القائمة على الواقع الافتراضي والمختبرات عبر الإنترنت المستندة إلى الويب. تقوم أنظمة الأجهزة الافتراضية في الواقع (VISIR)²⁴ ببناء مختبر إلكتروني تمثيلي أساسي عن بعد من خلال بناء لوحات دوائر حقيقية. يمكن للمستخدمين إجراء تجارب محاكاة على واجهة الويب لإكمال تجارب لوحة الدوائر الحقيقية. يبني Weblab-Deusto⁸ مختبر مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية لخزان المياه (FPGA) حيث يمكن للمستخدمين التفاعل مع النموذج ثلاثي الأبعاد (3D) لخزان المياه في منصة الويب دون الاعتماد على المكونات الإضافية الأخرى. يقدم النظام المقترح في هذه الورقة القدرة على دمج WebVR بسلاسة كمكون معياري في البنية التحتية للمختبر الافتراضي الحالي. يمكن تحقيق هذا التكامل دون تدمير الإطار المعماري الأصلي للمختبر ، وبالتالي الحفاظ على الهيكل الأساسي للمختبر ووظيفته. ينطبق هذا التكامل أيضا على إطار مختبر عبر الإنترنت مع واجهة أمامية وخلفية منفصلة.

يتم تنفيذ النظام المقترح في هذه الورقة على أساس مختبر نظام التحكم الشبكي (NCSLab) ²⁵ ، الذي يرث المرونة والتفاعل والنمطية والميزات عبر الأنظمة الأساسية لنظام NCSLab. يمكن للمستخدمين إجراء تجارب وفقا لوحدات مختلفة ويمكنهم أيضا تخصيص الخوارزميات وواجهات التكوين ، مما يوفر للمستخدمين مساحة كافية لتحقيق الذات. يتم إجراء التجارب عبر الإنترنت في الوقت الفعلي وفقا للخوارزميات التي يديرها المستخدم. يمكن للمستخدمين التفاعل مع النموذج الافتراضي لتغيير مدخلات الخوارزمية التجريبية عند إجراء تجارب الواقع الافتراضي ويمكنهم حتى تغيير معلمات خوارزمية التحكم من خلال المكونات حتى يتمكن المستخدمون من تجربة مبدأ خوارزمية التحكم بشكل أكثر واقعية.

توفر المختبرات الافتراضية القائمة على WebVR إمكانات كبيرة للتعليم عبر الإنترنت. يمكن أن يوفر تجربة تجريبية غامرة ، والتغلب على قيود المختبرات التقليدية ، وتعزيز المهارات العملية العملية والتفكير الإبداعي بين المستخدمين.

استوفت هذه الدراسة المبادئ التوجيهية للجنة أخلاقيات البحوث البشرية في جامعة ووهان ، وتم الحصول على موافقة مستنيرة لجميع البيانات التجريبية. في هذا البحث ، تمت مناقشة الخطوات التجريبية لنظام البندول المقلوب المزدوج ، ويتم تنفيذ جميع الخطوات في NCSLab المستند إلى WebVR.

1. الوصول إلى نظام NCSLab المستند إلى WebVR

1. افتح مستعرض ويب يدعم WebVR. أدخل محدد موقع الموارد الموحد (URL) الخاص ب NCSLab المستند إلى WebVR للوصول إلى النظام.
2. انقر فوق الزر بدء التجربة لتسجيل الدخول إلى نظام NCSLab. إذا كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تسجيل الدخول إلى النظام ، فقم بتسجيل حساب.
3. قم بتسجيل الدخول إلى نظام NCSLab ، وحدد تجارب مختلفة من شريط القائمة الأيسر ، واختر تجربة البندول المقلوب المزدوج في هذه الحالة.
4. الوصول إلى الصفحة الفرعية 3D على الصفحة الرئيسية.
   ملاحظة: هناك خمس صفحات فرعية في الصفحة الرئيسية ، تبدأ بالصفحة الأولى ، وهي مقدمة طراز المعدات. أنه يحتوي على الرسوم المتحركة نموذج 3D وكذلك الوثائق. من خلال زيارة هذه الصفحة ، يمكن للمستخدمين فهم مبدأ نظام البندول المقلوب المزدوج ، مما يتيح التنفيذ المريح للتجارب اللاحقة.
5. تقدم بطلب للتحكم في التجربة بالنقر فوق الزر طلب التحكم لضمان الاستخدام الفعال للموارد. سيمنح هذا المستخدمين 30 دقيقة من وقت التجربة.
   ملاحظة: بالنسبة إلى التجارب الافتراضية، يمكن السماح ل 500 مستخدم بإجراء التجارب في الوقت نفسه.
6. أدخل الصفحة الفرعية لمعلومات المصنع للوصول إلى التفاصيل الشاملة المتعلقة بالجهاز التجريبي. ويشمل ذلك معلومات عن المعدات المستخدمة حاليا، والمعدات التي لا تزال غير مستخدمة، والمعدات المتصلة بالصيانة.
7. اختر خوارزمية التحكم الافتراضية للنظام لتنزيلها على الصفحة الفرعية الخوارزمية التجريبية . بدلا من ذلك ، انتقل إلى الصفحة الفرعية تصميم الخوارزمية لتصميم خوارزمية مختلفة.
   1. لتصميم خوارزمية تحكم جديدة، انقر فوق الزر إنشاء نموذج جديد في الصفحة الفرعية تصميم الخوارزمية للدخول إلى واجهة التصميم.
      ملاحظة: تعكس عملية تصميم الخوارزمية عن كثب عملية MATLAB / Simulink ، حيث يقوم المستخدمون ببناء مخطط كتلة خوارزمية التحكم من خلال نهج السحب والإفلات البديهي ، باستخدام وحدات مختلفة لصياغة منطق التحكم المطلوب.
   2. قم ببناء مخطط كتلة خوارزمية التحكم الكامل ، كما هو موضح في الشكل 1 ، واتبع الخطوات الموضحة أدناه.
   3. حدد وحدة نظام البندول المقلوب المزدوج من طراز الجهاز على اليسار.
   4. اختر وحدة الكسب لتصميم مصفوفة التغذية الراجعة لوحدة تحكم المنظم التربيعي الخطي (LQR).
   5. حدد إشارة الخطوة كإدخال وأضف وحدات أخرى. انقر نقرا مزدوجا فوق الوحدة النمطية لعرض المعلومات التفصيلية وتعديل تكوين المعلمة. على سبيل المثال، انقر نقرا مزدوجا فوق وحدة الإشارة الثابتة لتعديل قيمة الإشارة الثابتة.
8. انقر فوق الزر "بدء المحاكاة " عند الانتهاء من تصميم خوارزمية التحكم. عند الانتهاء من المحاكاة ، لاحظ فعالية التحكم في الخوارزمية المصممة. إذا لم تكن راضيا عن نتائج المحاكاة ، فقم بضبط معلمات وحدات تحكم LQR حتى يتم تحقيق خوارزمية تحكم ذات أداء محسن.
9. انقر فوق الزر ترجمة لإنشاء خوارزمية التحكم. بعد التجميع ، يتم تخزين الخوارزمية في منطقة الخوارزمية الخاصة بالصفحة الفرعية للخوارزمية التجريبية والصفحة الفرعية لتصميم الخوارزمية.
10. قم بتنزيل خوارزمية التحكم على الصفحة الفرعية للخوارزمية التجريبية بالنقر فوق الزر تنزيل الخوارزمية الموجود على الجانب الأيمن من قسم خوارزمية التحكم.
11. حدد تكوينا تجريبيا وقم بإجراء تجارب على الصفحة الفرعية تكوين المراقبة . يوفر النظام تكوينا محددا مسبقا لتلبية المتطلبات التجريبية العامة للمستخدمين.
    ملاحظة: يتمتع المستخدمون بالمرونة للنقر فوق الزر إنشاء شاشة جديدة لصياغة إعداد مراقبة مخصص مصمم خصيصا لمتطلباتهم التجريبية المحددة.
12. قم بتخصيص تكوين المراقبة واختر من بين مجموعة متنوعة من المكونات المتوفرة في واجهة التحرير للصفحة الفرعية لتكوين المراقبة ، كما هو موضح في الشكل 2. وتشمل هذه المكونات مكونات متغير الإدخال ، ومكونات عرض منحنى متغير الإخراج ، ومكونات نموذج 3D.
13. بالنسبة لتجارب الواقع الافتراضي، حدد مكون نموذج 3D. يسمح مكون النموذج ثلاثي الأبعاد للمستخدمين بدمج نموذج ثلاثي الأبعاد في تكوين المراقبة.
14. لتسهيل تكوين المعلمة ، اضبط المعلمات لكل مكون ، والتي ترتبط مباشرة بمتغيرات معلمات النظام. انقر نقرا مزدوجا فوق أحد المكونات وقم بالوصول إلى النافذة لتحديد المعلمات الاختيارية ذات الصلة داخل النظام التجريبي.
15. يتمتع المستخدمون بالمرونة لتحسين تخطيط تكوين المراقبة عن طريق تغيير حجم المكونات. للقيام بذلك ، اسحب حواف المكونات المعنية إلى الأبعاد المطلوبة.
16. انقر فوق الزر حفظ لحفظ تكوين المراقبة المصمم للاستخدام المستقبلي في التجارب اللاحقة ، مما يوفر الوقت والجهد لإعداد نظام المراقبة بشكل متكرر.
    ملاحظة: لا يمكن إجراء تكوين المراقبة إلا بعد تنزيل خوارزمية التحكم بشكل صحيح.
17. انقر على زر بدء التجربة في النافذة لبدء التجربة. انقر فوق زر VR في الركن الأيمن السفلي من مكون نموذج 3D لبدء تجربة VR.
    ملاحظة: تجربة الواقع الافتراضي مضمنة في صفحة الويب. عندما يستخدمه المستخدمون لأول مرة ، قد يطالبهم المتصفح في الزاوية العلوية اليسرى للسماح للمتصفح باستخدام وظيفة الواقع الافتراضي ، حدد السماح للمتابعة.

2. اختيار طريقة الوصول

1. استخدم ملحق محاكي WebVR. للمشاركة في التجريب باستخدام هذه الطريقة ، قم بتثبيت ملحق محاكي WebVR ، والذي يتوفر بسهولة للبحث والتنزيل من متجر ملحقات المتصفح.
   ملاحظة: يساعد ملحق محاكي WebVR المستخدمين على تشغيل محتوى WebVR في مستعرض ويب ويوفر سماعة رأس VR الافتراضية وبيئة وحدة التحكم في المقابض دون الحاجة إلى استخدام جهاز VR الحقيقي.
2. استخدم أجهزة الواقع الافتراضي التي تدعم WebVR. إذا تم استخدام أجهزة الواقع الافتراضي لأول مرة ، فستكون هناك حاجة إلى تكوين البيئة الأساسي. أولا ، قم بتشغيل قوة سماعة الرأس ووحدة التحكم لبدء تشغيل النظام. قم بإعداد برنامج ROOM الأولي في سماعة الرأس. باتباع الإشارات المرئية المعروضة على شاشة سماعة الرأس ، استخدم وحدات التحكم في المقبض لمعايرة حدود واتجاه بيئة الفضاء الافتراضي بعناية. أخيرا ، قم بإنشاء اتصال دفق بين سماعة الرأس والكمبيوتر.
   ملاحظة: هذه هي الطريقة الثانية للوصول إلى النظام المقترح. تشتمل أجهزة الواقع الافتراضي بشكل عام على سماعة رأس وزوج من وحدات التحكم في المقبض. تحتوي أجهزة الواقع الافتراضي على متاجر مدمجة حيث يمكن للمستخدمين تنزيل المتصفحات التي تدعم WebVR. بدلا من ذلك ، يمكن للمستخدمين استخدام المتصفح المدمج ، والذي يدعم WebVR بشكل عام. من الجدير بالذكر أن أجهزة الواقع الافتراضي المختلفة قد تستخدم طرقا مميزة للاتصال.

3. الإجراء التجريبي

1. اضبط المنظور للعثور على الموضع الأمثل لإجراء تجربة نظام البندول المقلوب المزدوج.
   1. بالنسبة للمستخدمين الذين يستخدمون ملحق محاكي WebVR ، افتح أدوات المطور ، وحدد موقع امتداد WebVR ، وقم بمعالجة جهاز VR الظاهري باستخدام الماوس لضبط المنظور ، كما هو موضح في الشكل 3.
   2. بالنسبة للمستخدمين الذين يستخدمون أجهزة الواقع الافتراضي ، انغمس في البيئة التجريبية الافتراضية وتأكد من الوضع التجريبي الأمثل من خلال الحركات الجسدية.
2. تفاعل مع نظام البندول المقلوب المزدوج باستخدام وحدة التحكم في المقبض كما هو موضح أدناه.
   1. حرك المقبض بالقرب من المكعب. اضغط على زر الزناد لالتقاط المكعب وسيتوقف نظام البندول المقلوب المزدوج عن الحركة.
   2. عن طريق تحريك المقبض ، تحكم في موضع المكعب. حرر المكعب بمجرد أن يكون في الموضع المطلوب عن طريق تحرير زر الزناد. تم تعيين الموضع الآن كنقطة ضبط لاحقة للعربة ، كما هو موضح في الشكل 3.
3. راقب عملية حركة نظام البندول المقلوب المزدوج. من خلال معالجة محرك سيرفو التيار المتردد (AC) ، اضبط الحزام على الحركة. تحت زخم الحزام ، يمكن أن يتحرك البندول المقلوب على طول سكة التوجيه ، يتم توضيح هيكل نظام البندول المقلوب المزدوج في الشكل 4. في النهاية ، سوف يستقر البندول المقلوب المزدوج عند نقطة الضبط.
4. شجع المستخدمين على التعامل بشكل متكرر مع موضع المكعب ، وضبط نقطة ضبط العربة باستمرار ، ومراقبة السلوك الديناميكي لنظام البندول المقلوب المزدوج بدقة.

يوفر نظام تجربة الواقع الافتراضي المقدم للمستخدمين القدرة على المشاركة في تجارب غامرة باستخدام أجهزة الواقع الافتراضي ، وبالتالي تعزيز التفاعل بين المستخدمين والمعدات التجريبية. علاوة على ذلك ، يعتمد النظام على الويب ، مما يلغي حاجة المستخدمين إلى تكوين البيئات المحلية. يسمح هذا التصميم بقابلية النظام للتوسع ، مما يجعله مناسبا للتطبيقات واسعة النطاق والأغراض التدريبية والتعليمية.

في بيئات المختبرات التقليدية ، يطلب من المستخدمين تكوين البرامج والأجهزة وتثبيتها شخصيا ، والتي يمكن أن تستهلك قدرا كبيرا من الوقت والموارد²⁶. ومع ذلك ، تستفيد المختبرات الافتراضية من تقنيات الحوسبة السحابية والمحاكاة الافتراضية لنقل بيئات المختبرات إلى السحابة. ويمكن للمستخدمين ببساطة الوصول إلى الموقع الشبكي المقابل من خلال متصفح شبكي للاستفادة من الوظائف والموارد التي توفرها المختبرات.

يوضح الشكل 3 أنه يمكن للمستخدمين المشاركة في تجارب WebVR باستخدام أساليب مختلفة. يمكن للمستخدمين الذين ليس لديهم أجهزة VR متاحة بسهولة إجراء تجارب بسرعة من خلال ملحقات المتصفح. يمكن للمستخدمين الذين لديهم إمكانية الوصول إلى أجهزة الواقع الافتراضي الانغماس في التجارب والتفاعل مباشرة مع المعدات التجريبية ، مما يعزز الواقعية عند استكشاف العملية التجريبية. توفر هاتان الطريقتان المختلفتان لإجراء تجارب WebVR للمستخدمين المزيد من الخيارات وتمكن مجموعة واسعة من المستخدمين من استخدام النظام المقترح.

توضح أمثلة البندول المقلوب المزدوج أن المختبر الافتراضي المقترح القائم على WebVR يمكن تشغيله مباشرة في متصفح الويب دون الحاجة إلى عمليات تثبيت أو تكوينات برامج إضافية. لا يقلل هذا النهج من إزعاج المستخدم فحسب ، بل يعزز أيضا قابلية تطوير النظام بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، يتوفر للمستخدمين خيار استخدام أجهزة الواقع الافتراضي للتفاعل الغامر مع المعدات التجريبية. باستخدام وحدات التحكم في المقبض لضبط معلمات النظام ، لا يعزز المستخدمون خبرتهم العملية فحسب ، بل يحسنون أيضا معرفتهم النظرية ومهاراتهم العملية.

شارك ما مجموعه 21 طالبا في التجربة ، حيث تم إجراء استبيان لمزيد من التحقق من قابلية تطبيق وفعالية النظام المقترح. قمنا بتضمين الطلاب ذوي الخلفيات في هندسة الأتمتة والتحكم ، وكان كل هؤلاء الطلاب قد شاركوا سابقا في تجارب افتراضية في NCSLab ولديهم بعض المعرفة الأساسية بالتجارب الافتراضية ولكنهم لم يشاركوا في تجارب الواقع الافتراضي في NCSLab المستند إلى WebVR. من خلال اعتماد بيانات إحصائية مجهولة المصدر ، نضمن خصوصية وأمان المشاركين عند ملء الاستبيان ، وبالتالي ضمان موثوقية بيانات الاستبيان.

تظهر نتائج الاستبيان في الشكل 5 ، وتشير البيانات إلى أن النظام المقترح في هذا البحث يعمل بشكل جيد من حيث الواقعية والتفاعل مع الجهاز ويحقق تحسنا كبيرا مقارنة بالتجربة الافتراضية التقليدية للماوس ولوحة المفاتيح. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت ملاحظات المشاركين أن النظام لم يزيد من اهتمام الطلاب ومهاراتهم التجريبية في التعلم فحسب، بل ساعدهم أيضا على فهم المحتوى التجريبي بشكل أفضل، وبالتالي تعزيز نتائج التعلم.

تجدر الإشارة إلى أن معظم الطلاب يعتقدون أن هذا النوع من التجارب لا ينطبق فقط على الدورة والتجربة الحالية ولكن لديه أيضا إمكانية تطبيقه في الدورات والتجارب الأخرى.

يستخدم النظام المقترح في هذا البحث برنامج 3DS Max لنمذجة المعدات التجريبية ، مما يجعل المشاهد التجريبية باستخدام برنامج محرك Unity²⁷ ويسمح للمستخدمين بالتفاعل مع المعدات باستخدام أجهزة الواقع الافتراضي. أخيرا ، يتم تجميع المشاهد التجريبية في تنسيق مكتبة رسومات الويب (WebGL) ودمجها بسلاسة في نظام المختبر عبر الإنترنت في شكل مكونات معيارية لبناء نظام مختبر افتراضي قائم على WebVR.

الشكل 1: تصميم خوارزمية التحكم لنظام البندول المقلوب المزدوج. يمكن للمستخدمين تحديد وحدات مختلفة من مكتبة الوحدات النمطية على اليسار لبناء خوارزمية التحكم لنظام البندول المقلوب المزدوج. يتشابه اختيار الوحدات وتوصيلها مع تلك الموجودة في MATLAB / Simulink. في عالم أنظمة البندول المقلوبة المزدوجة ، تكثر عدد كبير من طرق التحكم. بالنسبة للنظام الحالي ، فإن الإستراتيجية المختارة هي نهج التحكم في المنظم التربيعي الخطي (LQR) ، ويوضح الشكل مصفوفة التغذية المرتدة المصممة وفقا لوحدة تحكم LQR. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: تصميم التكوين لمراقبة نظام البندول المقلوب المزدوج. يمكن للمستخدمين تحديد المكونات من مكتبة المكونات أعلاه لتصميم تكوين المراقبة. إذا كانت تجربة الواقع الافتراضي مطلوبة ، فيجب تحديد مكون 3D Model. يتمتع المستخدمون بالمرونة في اختيار مكون الرسم البياني لتتبع التعديلات بصريا في الاتجاه الزاوي وموضع البندول المقلوب المزدوج أو مكون الإدخال لإجراء تعديلات على معلمات وحدة التحكم. يسمح النقر المزدوج على المكون للمستخدمين بإنشاء ارتباطات بين متغيرات النظام لتكوين المعلمة. ضمن نظام البندول المقلوب المزدوج ، يتم تكوين معلمات المخطط لتشمل كلا من المواضع المحددة والفعلية للعربة ، جنبا إلى جنب مع زوايا الترتيب الأول والبندول المزدوج. بعد الانتهاء من تصميم تكوين المراقبة، يجب على المستخدمين أولا تنشيط التجربة بالنقر فوق الزر بدء التجربة . بعد ذلك ، يمكنهم بدء تجربة الواقع الافتراضي بالنقر فوق زر VR الموجود في الركن الأيمن السفلي من مكون 3D Model. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: إجراء تجربة نظام البندول المقلوب المزدوج باستخدام سماعة رأس VR وامتداد محاكي WebVR. يمكن للمستخدمين إجراء تجارب WebVR من خلال أجهزة الواقع الافتراضي أو ملحق محاكي WebVR. يتم التحكم في المكعب لضبط نقطة الضبط للبندول المقلوب المزدوج باستخدام مقبض. بمجرد تحديد موضع المكعب ، سيتحرك البندول المقلوب المزدوج بثبات نحو اتجاه نقطة الضبط حتى يستقر في النهاية عند الموضع المحدد. على الجانب الأيمن من نموذج 3D يوجد مخطط يسجل موضع العربة وزوايا الترتيب الأول والبندول المزدوج. يسمح الرسم البياني أيضا بمراقبة اتجاه التغييرات في معلمات النظام الرئيسية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: هيكل نظام البندول المقلوب المزدوج. يوجد مكعب فوق القاعدة ، وموضع المكعب هو نقطة ضبط العربة. يمكن للمستخدمين التقاط المكعب وضبط الموضع بالمقبض. بمجرد أن يدفع محرك سيرفو التيار المتردد (AC) الحزام إلى الدوران ، ستستمر العربة على طول سكة التوجيه تحت زخم الحزام. بالتنسيق مع هذه الحركة ، سيخضع البندول من الدرجة الأولى والبندول المزدوج أيضا للإزاحة والدوران المقابلين. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: نتائج بيانات استبيان المسح. تضمن الاستبيان ستة أسئلة ، كل منها مفصل بدقة هنا. كان لكل سؤال خمسة خيارات ، مما يعني تقريبا عدم الموافقة بشدة ، وعدم الموافقة ، والحياد ، والموافقة ، والموافقة بشدة ، على مقياس من 1 إلى 5. تم جمع ما مجموعه 21 ردا صالحا. تم حساب القيم المتوسطة والانحراف المعياري من هذه الدرجات وعرضها بيانيا في الشكل من أجل الوضوح والتفسير. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يصف البروتوكول المقدم نظام مختبر افتراضي يمكن المستخدمين من إجراء تجارب الواقع الافتراضي عبر الإنترنت ولكنه يستخدم أيضا وحدة تحكم كمبيوتر منخفضة التكلفة²⁸ ، مما يؤدي إلى الترويج للتطبيقات على نطاق واسع. يمكن للمستخدمين اكتساب المعرفة حول العملية التجريبية بأكملها ، من المبادئ والخوارزميات إلى العمليات التجريبية العملية. يتيح هذا النظام للمستخدمين الانغماس في التجارب ، مما يلغي الاعتماد على إدخال الماوس ولوحة المفاتيح التقليدي. يوفر هذا النظام تجربة غامرة لمراقبة العملية التجريبية والمعالجة العملية للأجهزة التجريبية.

يتجاوز هذا النظام الواجهات التقليدية ويوفر للمستخدمين طريقة أكثر سهولة وجاذبية للتفاعل مع المعدات التجريبية. على غرار التجارب العملية في المختبر المادي ، يسعى هذا المختبر الافتراضي جاهدا لإعادة إنشاء العمليات التجريبية بأكبر قدر ممكن من الأمانة. يوفر نهج الوصول عبر الإنترنت هذا للمختبرات الافتراضية المزايا التالية.

المرونة والراحة: يمكن للمستخدمين الوصول إلى المختبرات الافتراضية في أي وقت وفي أي مكان من خلال متصفح الويب دون التقيد بمواقع وجداول زمنية محددة للمختبرات المادية. هذا النهج يعزز بشكل كبير راحة التعلم عن بعد².

قابلية التوسع والفعالية من حيث التكلفة: يمكن للمختبرات الافتراضية توسيع نطاق وتوفير موارد حوسبة إضافية ومعدات تجريبية بسهولة لتلبية متطلبات التطبيقات واسعة النطاق. لا يحتاج المستخدمون إلى شراء وصيانة أجهزة باهظة الثمن بأنفسهم ولكن يمكنهم إجراء تجارب باستخدام الموارد المستندة إلى الويب ، مما يقلل من استثماراتهم في التكلفة³.

الأمان: يمكن أن تقدم المختبرات الافتراضية تدابير أمنية محسنة. لا يحتاج المستخدمون إلى القلق بشأن الحوادث الناتجة عن سوء التعامل أثناء التجارب ، مما يساعد على ضمان سلامتهم إلى حد ما²⁹.

من خلال الاستفادة من تقنية الواقع الافتراضي ، يمكن للمستخدمين الدخول إلى بيئة معملية محاكاة حيث يمكنهم التفاعل مع الأشياء وإجراء التجارب باستخدام المقبض ، على غرار المختبر المادي. كما هو موضح في الشكل 3 ، يمكن للمستخدمين استخدام المقبض لالتقاط المكعب وتحريكه لتعيين نقطة ضبط العربة في نظام البندول المقلوب المزدوج. لا يضيف هذا النوع من التفاعل مستوى جديدا من الواقعية والتفاعل إلى تجربة المختبر الافتراضي فحسب ، بل يعزز أيضا فهم المستخدمين للتجربة.

بالإضافة إلى ذلك ، يوفر هذا النظام للمستخدمين فرصا لاستكشاف التجارب. يمكنهم تصميم خوارزميات التحكم الخاصة بهم ومراقبة تأثيرات معلمات التحكم المختلفة ، مما يساعدهم على اكتساب فهم أعمق للمبادئ التجريبية³⁰. إنه يزرع الشعور بالمشاركة والتعلم النشط بين المستخدمين.

حاليا ، تم تصميم مختبرات الواقع الافتراضي واستخدامها بشكل أساسي لسيناريوهات محددة ، وتفتقر إلى إطار عمل للتطبيقات واسعة النطاق. غالبا ما يقتصر المستخدمون على إجراء التجارب وفقا لخطوات محددة مسبقا ، مع فرص محدودة لتنفيذ أفكارهم الخاصة. في المقابل ، يدمج المختبر الافتراضي المستند إلى WebVR المحتوى التجريبي بسلاسة كوحدات مكونة في المختبر الافتراضي. هذا النهج ليس متعدد الاستخدامات فحسب ، بل يتناسب مع مجموعة واسعة من أطر التطبيق ، ولكنه يمكن المستخدمين أيضا من التفاعل مع المعدات التجريبية وإجراء تجارب مخصصة وفقا لتفضيلاتهم واحتياجاتهم.

ومع ذلك، هناك مسائل معينة تستحق الاهتمام والحل. وتشمل هذه الحاجة إلى مستودع أكثر شمولا للموارد الافتراضية ، فضلا عن الحاجة إلى دقة معززة في محاكاة السلوك الديناميكي للأجهزة الافتراضية مقارنة بنظيراتها المادية. نخطط لتوسيع مستودع الموارد الافتراضية الخاص بنا من خلال العمل مع خبراء متخصصين في مجالات مختلفة ، مما سيضمن تغطية مجموعة واسعة من المحتوى التجريبي من العلوم الطبيعية إلى الهندسة لتلبية احتياجات المستخدمين المختلفين. بالإضافة إلى ذلك ، نشجع المستخدمين على المشاركة بنشاط في بناء نظامنا. بالإضافة إلى تقديم اقتراحات للمستودع ، نخطط أيضا لإجراء استطلاعات ومقابلات للمستخدمين في المستقبل لاكتساب فهم أعمق لأنواع ومجالات الموارد التي يتوقعها المستخدمون. لمواجهة تحدي الدقة المتمثل في محاكاة السلوكيات الديناميكية ، يتم استخدام تقنيات النمذجة المتقدمة ، مثل الأساليب القائمة على التعلم الآلي أو النماذج الرياضية الأكثر تعقيدا ، لتحسين دقة تمثيلات الأجهزة الافتراضية. بالإضافة إلى ذلك ، غالبا ما تتميز أنظمة العالم الحقيقي بعدم اليقين ، والذي يجب دمجه في نهج محاكاة الأجهزة الافتراضية مع الحفاظ على الدقة ، مما يسمح بتمثيل أكثر واقعية للعالم الحقيقي.

باختصار ، يمكن نظام المختبر الافتراضي المقترح المستخدمين من المشاركة في تجارب الواقع الافتراضي بطريقة غامرة وتفاعلية. من خلال توفير تجربة تجريبية واقعية قدر الإمكان ، فإنه يعزز فهم المستخدمين للعملية التجريبية ، من المبادئ والتصميم إلى العمليات التجريبية. كما توفر إمكانية الوصول إلى النظام عبر الإنترنت بيئة تجريبية مرنة ومريحة وآمنة ، مما يجعله حلا واعدا للبحث العلمي والتدريب التعليمي على نطاق واسع.

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين بموجب منحة 62103308 ومنحة 62073247 ، جزئيا من قبل صناديق البحوث الأساسية للجامعات المركزية بموجب المنحة 2042023kf0095 ، جزئيا من قبل مؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية بموجب المنحة 2022T150496 ، وجزئيا من قبل تمويل مشروع تكنولوجيا التجارب بجامعة ووهان بموجب منحة WHU-2022-SYJS-10.