Online Virtual Reality Vernetztes Regelungslabor für die Ausbildung in der Regelungstechnik

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.

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.

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 -Griffe^{tragen 17}, wodurch die praktischen Fähigkeiten der Benutzer^{verbessert 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 Entwicklung^{zu 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.

Diese Studie entsprach den Richtlinien des Ethikkomitees für die Humanforschung an der Universität Wuhan, und für alle experimentellen Daten wurde eine Einverständniserklärung eingeholt. In diesem Artikel werden die experimentellen Schritte für das doppelt invertierte Pendelsystem diskutiert, und alle Schritte werden im WebVR-basierten NCSLab ausgeführt.

1. Greifen Sie auf das WebVR-basierte NCSLab-System zu

1. Öffnen Sie einen Webbrowser, der WebVR unterstützt. Geben Sie den Uniform Resource Locator (URL) des WebVR-basierten NCSLab ein, um auf das System zuzugreifen.
2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Experiment starten , um sich beim NCSLab-System anzumelden. Wenn Sie sich zum ersten Mal beim System anmelden, führen Sie eine Kontoregistrierung durch.
3. Loggen Sie sich in das NCSLab-System ein, wählen Sie in der linken Menüleiste verschiedene Experimente aus und wählen Sie in diesem Fall das Doppelpendelexperiment.
4. Rufen Sie die 3D-Unterseite auf der Hauptseite auf.
   HINWEIS: Es gibt fünf Unterseiten auf der Hauptseite, beginnend mit der ersten, die die Einführung des Ausrüstungsmodells darstellt. Es enthält eine 3D-Modellanimation sowie eine Dokumentation. Durch den Besuch dieser Seite können Benutzer das Prinzip des Doppelpendelsystems verstehen, das eine bequeme Durchführung nachfolgender Experimente ermöglicht.
5. Beantragen Sie die Experimentsteuerung, indem Sie auf die Schaltfläche Anforderungssteuerung klicken, um eine effiziente Nutzung der Ressourcen sicherzustellen. Dadurch erhalten Benutzer 30 Minuten Testzeit.
   HINWEIS: Bei virtuellen Experimenten können 500 Benutzer gleichzeitig Experimente durchführen dürfen.
6. Rufen Sie die Unterseite "Anlageninformationen" auf, um Zugang zu umfassenden Details zu den Versuchsgeräten zu erhalten. Dazu gehören Informationen über Geräte, die derzeit in Gebrauch sind, Geräte, die unbenutzt bleiben, und wartungsbezogene Geräte.
7. Wählen Sie den Standardsteuerungsalgorithmus des Systems aus, der auf der Unterseite Experimenteller Algorithmus heruntergeladen werden soll. Alternativ können Sie mit der Unterseite Algorithmus-Design fortfahren, um einen anderen Algorithmus zu entwerfen.
   1. Um einen neuen Steuerungsalgorithmus zu entwerfen, klicken Sie auf der Unterseite für den Algorithmusentwurf auf die Schaltfläche Neues Modell erstellen , um die Designschnittstelle aufzurufen.
      HINWEIS: Der Prozess des Algorithmusentwurfs ähnelt weitgehend dem von MATLAB/Simulink, wobei Benutzer das Blockdiagramm des Steuerungsalgorithmus durch einen intuitiven Drag-and-Drop-Ansatz erstellen und verschiedene Module verwenden, um die gewünschte Steuerungslogik zu erstellen.
   2. Erstellen Sie das vollständige Blockdiagramm des Steuerungsalgorithmus, wie in Abbildung 1 dargestellt, und führen Sie die unten beschriebenen Schritte aus.
   3. Wählen Sie das Doppel-Umkehrpendel-Systemmodul aus dem Gerätemodell auf der linken Seite aus.
   4. Wählen Sie das Gain-Modul , um die Feedback-Matrix für den LQR-Controller (Linear Quadratic Regulator) zu entwerfen.
   5. Wählen Sie das Schrittsignal als Eingang und fügen Sie weitere Module hinzu. Doppelklicken Sie auf das Modul, um detaillierte Informationen anzuzeigen und die Parameterkonfiguration zu ändern. Doppelklicken Sie z. B. auf das Modul Konstantes Signal, um den Wert des konstanten Signals zu ändern.
8. Klicken Sie auf die Schaltfläche Simulation starten , nachdem Sie den Entwurf des Steuerungsalgorithmus abgeschlossen haben. Beobachten Sie nach Abschluss der Simulation die Wirksamkeit der Steuerung des entworfenen Algorithmus. Wenn Sie mit den Simulationsergebnissen nicht zufrieden sind, passen Sie die Parameter der LQR-Regler an, bis ein Regelungsalgorithmus mit verbesserter Leistung erreicht ist.
9. Klicken Sie auf die Schaltfläche Kompilieren , um den Steuerungsalgorithmus zu generieren. Nach der Kompilierung wird der Algorithmus im privaten Algorithmusbereich der Unterseite des experimentellen Algorithmus und der Unterseite Algorithmus-Design gespeichert.
10. Laden Sie den Steueralgorithmus auf der Unterseite des experimentellen Algorithmus herunter, indem Sie auf die Schaltfläche Algorithmus herunterladen klicken, die sich auf der rechten Seite des Abschnitts Steuerungsalgorithmus befindet.
11. Wählen Sie eine experimentelle Konfiguration aus, und führen Sie Experimente auf der Unterseite Überwachungskonfiguration durch. Das System bietet eine vordefinierte Konfiguration, um die allgemeinen experimentellen Anforderungen der Benutzer zu erfüllen.
    HINWEIS: Benutzer haben die Flexibilität, auf die Schaltfläche "Neuen Monitor erstellen " zu klicken, um ein individuelles Monitoring-Setup zu erstellen, das auf ihre spezifischen experimentellen Anforderungen zugeschnitten ist.
12. Passen Sie die Überwachungskonfiguration an, und wählen Sie aus einer Vielzahl von Komponenten aus, die in der Bearbeitungsoberfläche der Unterseite für die Überwachungskonfiguration verfügbar sind, wie in Abbildung 2 dargestellt. Zu diesen Komponenten gehören Eingabevariablenkomponenten, Komponenten für die Anzeige variabler Ausgabekurven und 3D-Modellkomponenten.
13. Wählen Sie für VR-Experimente die Komponente 3D-Modell aus. Die 3D-Modellkomponente ermöglicht es dem Benutzer, ein 3D-Modell in die Überwachungskonfiguration zu integrieren.
14. Um die Parameterkonfiguration zu erleichtern, passen Sie die Parameter für jede Komponente an, die direkt mit den Systemparametervariablen verknüpft sind. Doppelklicken Sie auf eine Komponente und rufen Sie das Fenster auf, in dem Sie die relevanten optionalen Parameter innerhalb des experimentellen Systems auswählen können.
15. Benutzer haben die Flexibilität, das Layout der Überwachungskonfiguration zu optimieren, indem sie die Größe der Komponenten ändern. Ziehen Sie dazu die Kanten der jeweiligen Komponenten auf die gewünschten Maße.
16. Klicken Sie auf die Schaltfläche Speichern , um die entworfene Überwachungskonfiguration für die zukünftige Verwendung in nachfolgenden Experimenten zu speichern, wodurch Zeit und Mühe für die wiederholte Einrichtung des Überwachungssystems gespart werden.
    HINWEIS: Die Überwachungskonfiguration kann erst durchgeführt werden, nachdem der Steuerungsalgorithmus korrekt heruntergeladen wurde.
17. Klicken Sie im Fenster auf die Schaltfläche Experiment starten , um das Experiment zu starten. Klicken Sie auf die VR-Schaltfläche in der unteren rechten Ecke der 3D-Modellkomponente, um das VR-Experiment zu starten.
    HINWEIS: Das VR-Experiment ist auf der Webseite eingebettet. Wenn Benutzer es zum ersten Mal verwenden, werden sie vom Browser in der oberen linken Ecke möglicherweise aufgefordert, dem Browser die Verwendung der VR-Funktionalität zu erlauben, und wählen Sie Zulassen aus, um fortzufahren.

2. Auswahl der Zugriffsmethode

1. Verwenden Sie eine WebVR-Emulatorerweiterung. Wenn Sie mit dieser Methode experimentieren möchten, installieren Sie die WebVR-Emulatorerweiterung, die im Erweiterungsspeicher des Browsers zum Suchen und Herunterladen zur Verfügung steht.
   HINWEIS: Die WebVR-Emulatorerweiterung unterstützt Benutzer beim Ausführen von WebVR-Inhalten in einem Webbrowser und stellt die virtuelle VR-Kopfhörer und die Controller-Umgebung bereit, ohne dass das reale VR-Gerät verwendet werden muss.
2. Verwenden Sie VR-Geräte, die WebVR unterstützen. Wenn VR-Geräte zum ersten Mal verwendet werden, wird die grundlegende Umgebungskonfiguration benötigt. Schalten Sie zuerst das Kopfhörer und den Controller ein, um das System zu starten. Richten Sie das anfängliche ROOM-Programm im Kopfhörer ein. Befolgen Sie die visuellen Hinweise, die auf dem Kopfhörer Bildschirm angezeigt werden, und verwenden Sie die Handle-Controller, um die Grenzen und die Ausrichtung der virtuellen Raumumgebung sorgfältig zu kalibrieren. Stellen Sie abschließend eine Streaming-Verbindung zwischen dem Kopfhörer und dem Computer her.
   HINWEIS: Dies ist die zweite Methode, um auf das vorgeschlagene System zuzugreifen. VR-Geräte enthalten in der Regel einen Kopfhörer und ein Paar Griff-Controller. VR-Geräte verfügen über integrierte Stores, in denen Benutzer WebVR-fähige Browser herunterladen können. Alternativ können Benutzer den integrierten Browser verwenden, der WebVR in der Regel unterstützt. Es ist bemerkenswert, dass verschiedene VR-Geräte unterschiedliche Methoden für die Konnektivität verwenden können.

3. Experimentelles Vorgehen

1. Passen Sie die Perspektive an, um die optimale Position für die Durchführung des Experiments mit dem Doppelpendelsystem zu finden.
   1. Für Benutzer, die die WebVR-Emulatorerweiterung verwenden, öffnen Sie die Entwicklertools, suchen Sie die WebVR-Erweiterung, und bearbeiten Sie das virtuelle VR-Gerät mit der Maus, um die Perspektive anzupassen, wie in Abbildung 3 dargestellt.
   2. Für Nutzer, die VR-Geräte einsetzen, tauchen Sie in die virtuelle Experimentierumgebung ein und ermitteln Sie durch körperliche Bewegungen die optimale Experimentierposition.
2. Interagieren Sie mit dem doppelten umgekehrten Pendelsystem mithilfe des Griffreglers, wie unten beschrieben.
   1. Bewegen Sie den Griff näher an den Würfel. Drücken Sie die Trigger-Taste , um den Würfel aufzunehmen, und das doppelt umgekehrte Pendelsystem hört auf, sich zu bewegen.
   2. Durch Verschieben des Griffs können Sie die Position des Würfels steuern. Lassen Sie den Würfel los, sobald er sich in der gewünschten Position befindet, indem Sie die Auslösetaste loslassen. Die Position wird nun als nachfolgender Sollwert für den Wagen bezeichnet, wie in Abbildung 3 dargestellt.
3. Beobachten Sie den Bewegungsverlauf des doppelten umgekehrten Pendelsystems. Durch Manipulieren des Wechselstrom-Servomotors (AC) setzen Sie den Riemen in Bewegung. Unter dem Impuls des Gurtes kann sich das umgekehrte Pendel entlang der Führungsschiene bewegen. Der Systemaufbau des doppelten umgekehrten Pendels ist in Abbildung 4 erläutert. Schließlich stabilisiert sich das doppelte umgekehrte Pendel auf dem Sollwert.
4. Ermutigen Sie die Benutzer, die Position des Würfels iterativ zu manipulieren, den Sollwert des Wagens kontinuierlich anzupassen und das dynamische Verhalten des doppelten umgekehrten Pendelsystems akribisch zu beobachten.

Das vorgestellte VR-Experimentiersystem bietet den Nutzern die Möglichkeit, sich an immersiven Experimenten mit VR-Geräten zu beteiligen und so die Interaktion zwischen den Nutzern und den Experimentiergeräten zu verbessern. Darüber hinaus ist das System webbasiert, sodass Benutzer keine lokalen Umgebungen konfigurieren müssen. Dieses Design ermöglicht die Skalierbarkeit des Systems und eignet sich somit für groß angelegte Anwendungen sowie Schulungs- und Bildungszwecke.

In herkömmlichen Laborumgebungen müssen Benutzer Software- und Hardwaregeräte persönlich konfigurieren und installieren, was einen erheblichen Zeit- und Ressourcenaufwand in Anspruch nehmen kann²⁶. Virtuelle Labore nutzen jedoch Cloud-Computing- und Virtualisierungstechnologien, um die Laborumgebungen in die Cloud zu verlagern. Die Nutzer können einfach über einen Webbrowser auf die entsprechende Website zugreifen, um die von den Laboren angebotenen Funktionalitäten und Ressourcen zu nutzen.

Abbildung 3 zeigt, dass Benutzer mit unterschiedlichen Ansätzen an WebVR-Experimenten teilnehmen können. Benutzer, die nicht über leicht verfügbare VR-Geräte verfügen, können über Browsererweiterungen schnell Experimente durchführen. Benutzer, die Zugang zu VR-Geräten haben, können in die Experimente eintauchen und direkt mit den experimentellen Geräten interagieren, was den Realismus bei der Erkundung des experimentellen Prozesses erhöht. Diese beiden unterschiedlichen Methoden zur Durchführung von WebVR-Experimenten bieten Benutzern mehr Optionen und ermöglichen es einem breiteren Spektrum von Benutzern, das vorgeschlagene System zu nutzen.

Die Beispiele für das doppelte umgekehrte Pendel zeigen, dass das vorgeschlagene WebVR-basierte virtuelle Labor direkt in einem Webbrowser ausgeführt werden kann, ohne dass zusätzliche Softwareinstallationen oder Konfigurationen erforderlich sind. Dieser Ansatz reduziert nicht nur die Unannehmlichkeiten für die Benutzer, sondern verbessert auch die Skalierbarkeit des Systems erheblich. Darüber hinaus haben die Nutzer die Möglichkeit, VR-Geräte für eine immersive Interaktion mit den experimentellen Geräten zu verwenden. Durch die Verwendung von Handle-Controllern zur Anpassung der Systemparameter erweitern die Benutzer nicht nur ihre praktischen Erfahrungen, sondern auch ihr theoretisches Wissen und ihre praktischen Fähigkeiten.

Insgesamt nahmen 21 Studierende an dem Experiment teil, bei dem ein Fragebogen durchgeführt wurde, um die Anwendbarkeit und Wirksamkeit des vorgeschlagenen Systems weiter zu validieren. Wir schlossen Studenten mit einem Hintergrund in der Automatisierungs- und Regelungstechnik ein, und alle diese Studenten hatten zuvor an virtuellen Experimenten im NCSLab teilgenommen und verfügten über einige Grundkenntnisse in virtuellen Experimenten, hatten aber nicht an VR-Experimenten im WebVR-basierten NCSLab teilgenommen. Durch die Verwendung anonymer statistischer Daten garantieren wir die Privatsphäre und Sicherheit der Teilnehmer beim Ausfüllen des Fragebogens und gewährleisten so die Zuverlässigkeit der Fragebogendaten.

Die Ergebnisse des Fragebogens sind in Abbildung 5 dargestellt, und die Daten zeigen, dass das in diesem Artikel vorgeschlagene System in Bezug auf Realismus und Interaktion mit dem Gerät gut abschneidet und eine signifikante Verbesserung im Vergleich zum herkömmlichen virtuellen Maus-Tastatur-Experiment erzielt. Darüber hinaus zeigten die Rückmeldungen der Teilnehmer, dass das System nicht nur das Interesse und die experimentellen Fähigkeiten der Schülerinnen und Schüler am Lernen erhöhte, sondern ihnen auch half, die experimentellen Inhalte besser zu verstehen und so die Lernergebnisse zu verbessern.

Es ist erwähnenswert, dass die meisten Studenten der Meinung waren, dass diese Art des Experimentierens nicht nur auf den aktuellen Kurs und das aktuelle Experiment anwendbar ist, sondern auch das Potenzial hat, in anderen Kursen und Experimenten angewendet zu werden.

Das in diesem Dokument vorgeschlagene System verwendet die 3DS Max-Software zur Modellierung der Versuchsausrüstung, die die Versuchsszenen mit der Unity-Engine-Software²⁷ rendert und es den Benutzern ermöglicht, mit der Ausrüstung unter Verwendung von VR-Geräten zu interagieren. Abschließend werden die Experimentierszenen in das Format Web Graphics Library (WebGL) verpackt und in Form von modularisierten Komponenten nahtlos in das Online-Laborsystem integriert, um ein WebVR-basiertes virtuelles Laborsystem aufzubauen.

Abbildung 1: Entwurf des Regelungsalgorithmus für das Doppel-Invert-Pendelsystem. Der Benutzer kann verschiedene Module aus der Modulbibliothek auf der linken Seite auswählen, um den Regelungsalgorithmus für das doppelt invertierte Pendelsystem zu erstellen. Die Auswahl und Anbindung der Module ist ähnlich wie in MATLAB/Simulink. Im Bereich der doppelt invertierten Pendelsysteme gibt es eine Fülle von Steuerungsmethoden. Für das vorliegende System ist die gewählte Strategie der Linear Quadratic Regulator (LQR)-Regelungsansatz, und die Abbildung veranschaulicht die Rückkopplungsmatrix, die in Übereinstimmung mit dem LQR-Controller erstellt wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Konfigurationsaufbau für die Überwachung des Doppelumkehrpendelsystems. Benutzer können Komponenten aus der obigen Komponentenbibliothek auswählen, um die Überwachungskonfiguration zu entwerfen. Wenn ein VR-Experiment gewünscht wird, muss die Komponente 3D-Modell ausgewählt werden. Benutzer haben die Flexibilität, sich für die Diagrammkomponente zu entscheiden, um Änderungen in der Winkelausrichtung und Position des doppelten umgekehrten Pendels visuell zu verfolgen, oder für die Eingabekomponente, um Anpassungen an den Controller-Parametern vorzunehmen. Ein Doppelklick auf die Komponente ermöglicht es dem Benutzer, Verknüpfungen zwischen Systemvariablen für die Parameterkonfiguration herzustellen. Innerhalb des doppelt umgekehrten Pendelsystems sind die Parameter des Diagramms so konfiguriert, dass sie sowohl die Soll- als auch die Ist-Positionen des Wagens sowie die Winkel der Pendel erster Ordnung und der Doppelpendel umfassen. Nach Abschluss des Konfigurationsentwurfs für die Überwachung sollten Benutzer zunächst das Experiment aktivieren, indem sie auf die Schaltfläche Experiment starten klicken. Anschließend können sie das VR-Experiment starten, indem sie auf die VR-Schaltfläche klicken, die sich in der unteren rechten Ecke der 3D-Modellkomponente befindet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Durchführen des Experiments mit dem doppelten umgekehrten Pendelsystem unter Verwendung des VR-Kopfhörers und der WebVR-Emulatorerweiterung. Benutzer können WebVR-Experimente über VR-Geräte oder die WebVR-Emulatorerweiterung durchführen. Der Würfel wird so gesteuert, dass er den Sollwert für das doppelte umgekehrte Pendel mit einem Griff einstellt. Sobald die Position des Würfels bestimmt ist, bewegt sich das doppelte umgekehrte Pendel stetig in Richtung des Sollwerts, bis es sich schließlich in der eingestellten Position stabilisiert. Auf der rechten Seite des 3D-Modells befindet sich ein Diagramm, das die Position des Wagens und die Winkel der ersten Ordnung und der Doppelpendel aufzeichnet. Das Diagramm ermöglicht auch die Beobachtung des Trends der Änderungen der wichtigsten Systemparameter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Aufbau des Doppelumkehrpendelsystems. Über der Basis befindet sich ein Würfel, und die Position des Würfels ist der Sollwert des Wagens. Der Benutzer kann den Würfel aufnehmen und die Position am Griff einstellen. Sobald der Wechselstrom-Servomotor (AC) das Band in Rotation bringt, fährt der Wagen unter dem Impuls des Riemens entlang der Führungsschiene. Im Einklang mit dieser Bewegung werden auch das Pendel erster Ordnung und das Doppelpendel entsprechend verschoben und gedreht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Datenergebnisse des Befragungsfragebogens. Der Fragebogen umfasste sechs Fragen, die hier jeweils akribisch detailliert beschrieben werden. Jede Frage hatte fünf Optionen, was grob bedeutete: stimme überhaupt nicht zu, stimme nicht zu, neutral, stimme zu und stimme voll und ganz zu, auf einer Skala von 1 bis 5. Insgesamt wurden 21 gültige Antworten gesammelt. Aus diesen Werten wurden die Mittelwerte und die Standardabweichung berechnet und zur Übersichtlichkeit und Interpretation in der Abbildung grafisch dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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 einzutauchen, wodurch die Abhängigkeit von herkömmlichen Maus- und Tastatureingaben entfällt. Dieses System bietet ein immersives Erlebnis zur Beobachtung des experimentellen Prozesses und zur praktischen Manipulation von experimentellen Geräten.

Dieses System geht über herkömmliche Schnittstellen hinaus und bietet Benutzern eine intuitivere und ansprechendere Möglichkeit, mit experimentellen Geräten zu interagieren. Ähnlich wie bei praktischen Experimenten in einem physischen Labor ist dieses virtuelle Labor bestrebt, die experimentellen Abläufe so originalgetreu wie möglich nachzubilden. Dieser Online-Zugangsansatz bietet virtuellen Laboren folgende Vorteile.

Flexibilität und Komfort: Benutzer können jederzeit und überall über einen Webbrowser auf virtuelle Labore zugreifen, ohne auf bestimmte physische Laborstandorte und -zeitpläne beschränkt zu sein. Dieser Ansatz erhöht den Komfort des Fernlernens erheblich².

Skalierbarkeit und Kosteneffizienz: Virtuelle Labore können problemlos skaliert werden und zusätzliche Rechenressourcen und experimentelle Ausrüstung bereitstellen, um den Anforderungen großer Anwendungen gerecht zu werden. Die Benutzer müssen keine teuren Hardwaregeräte selbst kaufen und warten, sondern können Experimente mit webbasierten Ressourcen durchführen, wodurch ihre Kosteninvestitionen reduziert^{werden 3}.

Sicherheit: Virtuelle Labore können erweiterte Sicherheitsmaßnahmen bieten. Die Benutzer müssen sich keine Sorgen über Unfälle machen, die durch falsche Handhabung während der Experimente entstehen, was bis zu einem gewissen Grad zu ihrer Sicherheit beiträgt²⁹.

Durch den Einsatz von VR-Technologie können Benutzer eine simulierte Laborumgebung betreten, in der sie mit Objekten interagieren und Experimente mit dem Griff durchführen können, ähnlich wie in einem physischen Labor. Wie in Abbildung 3 gezeigt, können Benutzer den Griff verwenden, um den Würfel aufzunehmen und zu bewegen, um den Sollwert für den Wagen im doppelten umgekehrten Pendelsystem einzustellen. Diese Form der Interaktion verleiht dem virtuellen Laborerlebnis nicht nur ein neues Maß an Realismus und Interaktivität, sondern verbessert auch das Verständnis der Benutzer für das Experiment.

Darüber hinaus bietet dieses System den Benutzern die Möglichkeit, Experimente zu erkunden. Sie können ihre eigenen Regelungsalgorithmen entwerfen und die Auswirkungen verschiedener Regelungsparameter beobachten, was ihnen hilft, ein tieferes Verständnis der experimentellen Prinzipien^{zu erlangen 30}. Es fördert ein Gefühl der Beteiligung und des aktiven Lernens unter den Benutzern.

Derzeit werden VR-Labore in erster Linie für bestimmte Szenarien konzipiert und eingesetzt, da es keinen Rahmen für großflächige Anwendungen gibt. Die Nutzer sind oft darauf beschränkt, Experimente nach vorgegebenen Schritten durchzuführen, mit eingeschränkten Möglichkeiten, eigene Ideen umzusetzen. Im Gegensatz dazu integriert ein WebVR-basiertes virtuelles Labor experimentelle Inhalte als Komponentenmodule nahtlos in das virtuelle Labor. Dieser Ansatz ist nicht nur vielseitig und passt in eine Vielzahl von Anwendungs-Frameworks, sondern ermöglicht es den Benutzern auch, mit experimentellen Geräten zu interagieren und maßgeschneiderte Experimente nach ihren Vorlieben und Bedürfnissen durchzuführen.

Nichtsdestotrotz verdienen bestimmte Fragen Aufmerksamkeit und Lösung. Dazu gehören die Notwendigkeit eines umfangreicheren Repositorys virtueller Ressourcen sowie die Anforderung an eine höhere Präzision bei der Simulation des dynamischen Verhaltens virtueller Geräte im Vergleich zu ihren physischen Gegenstücken. Wir planen, unser Virtual Resource Repository durch die Zusammenarbeit mit Fachexperten aus verschiedenen Bereichen zu erweitern, um sicherzustellen, dass wir ein breites Spektrum an experimentellen Inhalten von den Naturwissenschaften bis hin zu den Ingenieurwissenschaften abdecken, um den Bedürfnissen verschiedener Nutzer gerecht zu werden. Darüber hinaus ermutigen wir die Nutzer, sich aktiv am Aufbau unseres Systems zu beteiligen. Neben Vorschlägen für das Repository planen wir in Zukunft auch Nutzerbefragungen und Interviews, um ein tieferes Verständnis für die Arten und Bereiche der Ressourcen zu erlangen, die die Nutzer erwarten. Um die Präzisionsherausforderung bei der Simulation dynamischer Verhaltensweisen zu bewältigen, werden fortschrittliche Modellierungstechniken wie auf maschinellem Lernen basierende Methoden oder komplexere mathematische Modelle verwendet, um die Präzision der Darstellungen virtueller Geräte zu verbessern. Darüber hinaus sind reale Systeme oft durch Unsicherheiten gekennzeichnet, die in den Ansatz zur Simulation virtueller Geräte einbezogen werden müssen, während die Genauigkeit erhalten bleibt, um eine realistischere Darstellung der realen Welt zu ermöglichen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgeschlagene virtuelle Laborsystem es den Nutzern ermöglicht, auf immersive und interaktive Weise an VR-Experimenten teilzunehmen. Durch die Bereitstellung einer möglichst realistischen experimentellen Erfahrung wird das Verständnis der Benutzer für den experimentellen Prozess verbessert, von den Prinzipien und dem Design bis hin zum experimentellen Betrieb. Die Online-Zugänglichkeit des Systems bietet zudem eine flexible, komfortable und sichere Experimentierumgebung, was es zu einer vielversprechenden Lösung für die wissenschaftliche Forschung und die Ausbildung in großem Maßstab macht.

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

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.