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Engineering

Laboratoire de contrôle en réseau de réalité virtuelle en ligne appliqué à l’enseignement de l’ingénierie de contrôle

Published: February 23, 2024 doi: 10.3791/66432
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Artificial Intelligence and Automation, Wuhan University

Summary

Cette étude décrit un système de laboratoire de réalité virtuelle (RV) en ligne basé sur WebVR qui offre aux utilisateurs des capacités d’expérimentation immersives et interactives prises en charge par des appareils de RV. Le système proposé contribue non seulement à améliorer le réalisme de la participation des utilisateurs aux expériences en ligne, mais il est également applicable à un large éventail de cadres de laboratoire en ligne.

Abstract

Les laboratoires en ligne jouent un rôle important dans l’enseignement de l’ingénierie. Ce travail traite d’un système de laboratoire virtuel basé sur WebVR. L’utilisateur pénètre dans l’environnement de laboratoire simulé par le biais d’un dispositif de réalité virtuelle (RV) et interagit avec l’équipement expérimental, de la même manière que lors d’expériences pratiques dans un laboratoire physique. De plus, le système proposé permet aux utilisateurs de concevoir leurs propres algorithmes de contrôle et d’observer les effets de différents paramètres de contrôle afin d’améliorer leur compréhension de l’expérience. Pour illustrer les caractéristiques du laboratoire virtuel proposé, un exemple est fourni dans cet article, qui est une expérience sur un système de pendule à double inversé. Les résultats expérimentaux montrent que le système proposé permet aux utilisateurs de mener des expériences de manière immersive et interactive et fournit aux utilisateurs un processus expérimental complet, de la conception principale à l’exploitation expérimentale. Une solution est également fournie pour transformer n’importe quel laboratoire virtuel en un laboratoire virtuel basé sur WebVR pour l’éducation et la formation.

Introduction

Avec les progrès d’Internet et la popularité des appareils mobiles, la demande d’éducation en ligne augmente1. En particulier, pendant les périodes d’épidémies généralisées, les établissements d’enseignement traditionnels sont souvent confrontés à des difficultés pour dispenser efficacement un enseignement en personne, ce qui souligne l’importance de l’éducation en ligne en tant qu’approche pédagogique importante2. Les cours théoriques sont relativement faciles à transférer sur les plateformes en ligne. Elles peuvent être menées à l’aide d’outils tels que les logiciels de vidéoconférence à distance et les cours en ligne ouverts à tous (MOOC)3. Cependant, les cours pratiques sont confrontés à des défis plus importants car ils obligent les utilisateurs à effectuer des expériences pratiques dans des laboratoires traditionnels.

Les chercheurs ont apporté des contributions importantes pour relever le défi de rendre l’équipement expérimental disponible en ligne. Au cours des deux dernières décennies, des études approfondies ont été menées sur les concepts et les technologies des laboratoires en ligne 4,5. Les laboratoires en ligne englobent généralement les laboratoires distants6, les laboratoires virtuels7 et les laboratoires hybrides8. Ces approches de laboratoire en ligne ont trouvé une large application dans diverses disciplines d’ingénierie, notamment l’ingénierie de contrôle9, l’ingénierie mécanique10 et l’ingénierie logicielle11.

Bien que des progrès significatifs aient été réalisés en termes de commodité des opérations expérimentales dans les laboratoires en ligne12, les utilisateurs perçoivent toujours un manque de réalisme et des opérations pratiques similaires par rapport aux environnements de laboratoire traditionnels, ce qui affecte leur expérience globale13. Cette divergence dans l’expérience utilisateur motive d’autres efforts de recherche et de développement pour améliorer le réalisme et l’engagement dans les environnements de laboratoire en ligne.

Pour résoudre les problèmes ci-dessus, la technologie de réalité virtuelle (VR) a été appliquée dans les laboratoires virtuels14 afin d’améliorer l’immersion et l’interactivité des laboratoires virtuels15. Les laboratoires virtuels basés sur la RV offrent aux utilisateurs une expérience expérimentale proche du réalisme. Les utilisateurs peuvent effectuer des devoirs de groupe dans le processus d’enseignement de l’architecture par le biais d’avatars16, effectuant ensemble le processus d’arpentage architectural de manière immersive, comme ils le feraient dans un environnement de classe traditionnel. De plus, les laboratoires virtuels basés sur la RV permettent aux utilisateurs d’entrer dans l’environnement immersif des laboratoires virtuels et d’interagir avec l’équipement expérimental virtuel en portant des casques et des poignées VR17, améliorant ainsi les capacités pratiques des utilisateurs18. À des fins éducatives différentes, nous pouvons concevoir différents environnements virtuels. Par exemple, la RV peut être combinée à la théorie de la gamification pour améliorer l’enseignement de l’ingénierie pour le grand public et pour améliorer l’efficacité de la diffusion de connaissances difficiles à comprendre telles que le développement durable19.

À l’instar des laboratoires en ligne, en particulier des laboratoires virtuels, les laboratoires virtuels basés sur WebVR présentent de nombreux avantages. Tout d’abord, ils brisent les limites de temps et d’espace des laboratoires traditionnels, et les utilisateurs peuvent mener des expériences à tout momentet n’importe où. Deuxièmement, les laboratoires en ligne peuvent fournir un environnement expérimental plus sûr afin d’éviter d’éventuels dangers et accidents lors des opérations expérimentales21. Troisièmement, les laboratoires virtuels peuvent également fournir davantage de ressources expérimentales et de situations de simulation pour étendre la portée et l’expérience expérimentales des utilisateurs22. Plus important encore, les laboratoires virtuels basés sur WebVR peuvent stimuler l’intérêt et l’initiative d’apprentissage des utilisateurs et améliorer leur expérience expérimentale et leur participation23.

Par rapport à d’autres laboratoires virtuels basés sur la réalité virtuelle, le laboratoire virtuel basé sur WebVR combine de manière transparente les avantages des laboratoires virtuels basés sur la réalité virtuelle avec les laboratoires en ligne basés sur le Web. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR)24 construit un laboratoire électronique analogique à distance de base en construisant de véritables cartes de circuits imprimés. Les utilisateurs peuvent effectuer des expériences simulées sur l’interface Web pour réaliser des expériences réelles sur des circuits imprimés. Weblab-Deusto8 construit le laboratoire FPGA (Field Programmable Gate Array) du réservoir d’eau où les utilisateurs peuvent interagir avec le modèle tridimensionnel (3D) du réservoir d’eau dans la plate-forme Web sans dépendre d’autres plug-ins. Le système proposé dans cet article introduit la possibilité d’intégrer de manière transparente WebVR en tant que composant modulaire dans l’infrastructure de laboratoire virtuel existante. Cette intégration peut être réalisée sans détruire le cadre architectural d’origine du laboratoire, préservant ainsi la structure et la fonction de base du laboratoire. Cette intégration s’applique également au cadre d’un laboratoire en ligne avec un front-end et un back-end séparés.

Le système proposé dans cet article est mis en œuvre sur la base du laboratoire de système de contrôle en réseau (NCSLab)25, qui hérite de la flexibilité, de l’interactivité, de la modularité et des caractéristiques multiplateformes du système NCSLab. Les utilisateurs peuvent mener des expériences selon différents modules et peuvent également personnaliser les algorithmes et les interfaces de configuration, offrant aux utilisateurs suffisamment d’espace pour se réaliser. Les expériences en ligne sont pilotées en temps réel selon les algorithmes exécutés par l’utilisateur. Les utilisateurs peuvent interagir avec le modèle virtuel pour modifier les entrées de l’algorithme expérimental lors de la réalisation d’expériences VR et peuvent même modifier les paramètres de l’algorithme de contrôle à travers les composants afin que les utilisateurs puissent expérimenter le principe de l’algorithme de contrôle de manière plus réaliste.

Les laboratoires virtuels basés sur WebVR offrent un grand potentiel pour l’éducation en ligne. Il peut offrir une expérience expérimentale immersive, surmonter les limites des laboratoires traditionnels et promouvoir les compétences pratiques et la pensée innovante chez les utilisateurs.

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Protocol

Cette étude a respecté les directives du Comité d’éthique de la recherche humaine de l’Université de Wuhan, et un consentement éclairé a été obtenu pour toutes les données expérimentales. Dans cet article, les étapes expérimentales du système de pendule à double inversion sont discutées, et toutes les étapes sont effectuées dans le NCSLab basé sur WebVR.

1. Accéder au système NCSLab basé sur WebVR

  1. Ouvrez un navigateur Web qui prend en charge WebVR. Entrez l’URL (Uniform Resource Locator) du NCSLab basé sur WebVR pour accéder au système.
  2. Cliquez sur le bouton Démarrer l’expérience pour vous connecter au système NCSLab. Si c’est la première fois que vous vous connectez au système, créez un compte.
  3. Connectez-vous au système NCSLab, sélectionnez différentes expériences dans la barre de menu de gauche, et choisissez l’expérience du double pendule inversé dans ce cas.
  4. Accédez à la sous-page 3D sur la page principale.
    REMARQUE : Il y a cinq sous-pages sur la page principale, en commençant par la première, qui est l’introduction du modèle d’équipement. Il contient une animation de modèle 3D ainsi que de la documentation. En visitant cette page, les utilisateurs peuvent saisir le principe du système du double pendule inversé, permettant une exécution pratique des expériences ultérieures.
  5. Demandez le contrôle des expériences en cliquant sur le bouton Demander le contrôle pour garantir une utilisation efficace des ressources. Cela accordera aux utilisateurs 30 minutes de temps d’expérimentation.
    REMARQUE : Pour les expériences virtuelles, 500 utilisateurs peuvent être autorisés à mener des expériences en même temps.
  6. Entrez dans la sous-page d’information sur l’installation pour avoir accès à des détails complets concernant l’appareil expérimental. Il s’agit de renseignements sur l’équipement actuellement utilisé, l’équipement qui n’est pas utilisé et l’équipement lié à l’entretien.
  7. Choisissez l’algorithme de contrôle par défaut du système à télécharger sur la sous-page Algorithme expérimental . Vous pouvez également passer à la sous-page Conception d’algorithmes pour concevoir un algorithme différent.
    1. Pour concevoir un nouvel algorithme de contrôle, cliquez sur le bouton Créer un nouveau modèle sur la sous-page de conception de l’algorithme pour accéder à l’interface de conception.
      REMARQUE : le processus de conception d’algorithmes est très proche de celui de MATLAB/Simulink, où les utilisateurs construisent le schéma fonctionnel de l’algorithme de contrôle à l’aide d’une approche intuitive par glisser-déposer, en utilisant divers modules pour créer la logique de contrôle souhaitée.
    2. Construisez le schéma fonctionnel complet de l’algorithme de contrôle, comme illustré à la figure 1, et suivez les étapes décrites ci-dessous.
    3. Sélectionnez le module du système à double pendule inversé dans le modèle de l’appareil sur la gauche.
    4. Choisissez le module de gain pour concevoir la matrice de rétroaction pour le contrôleur LQR (Linear Quadratic Regulator).
    5. Sélectionnez le signal pas à pas comme entrée et ajoutez d’autres modules. Double-cliquez sur le module pour afficher des informations détaillées et modifier la configuration des paramètres. Par exemple, double-cliquez sur le module de signal constant pour modifier la valeur du signal constant.
  8. Cliquez sur le bouton Démarrer la simulation une fois la conception de l’algorithme de contrôle terminée. À la fin de la simulation, observez l’efficacité du contrôle de l’algorithme conçu. Si vous n’êtes pas satisfait des résultats de la simulation, affinez les paramètres des contrôleurs LQR jusqu’à ce qu’un algorithme de contrôle aux performances améliorées soit obtenu.
  9. Cliquez sur le bouton Compiler pour générer l’algorithme de contrôle. Après la compilation, l’algorithme est stocké dans la zone privée de l’algorithme de la sous-page de l’algorithme expérimental et de la sous-page de conception de l’algorithme.
  10. Téléchargez l’algorithme de contrôle sur la sous-page de l’algorithme expérimental en cliquant sur le bouton Télécharger l’algorithme situé sur le côté droit de la section de l’algorithme de contrôle.
  11. Sélectionnez une configuration expérimentale et effectuez des expériences sur la sous-page Configuration de la surveillance . Le système fournit une configuration prédéfinie pour répondre aux exigences expérimentales générales des utilisateurs.
    REMARQUE : les utilisateurs ont la possibilité de cliquer sur le bouton Créer un nouveau moniteur pour créer une configuration de surveillance personnalisée adaptée à leurs besoins expérimentaux spécifiques.
  12. Personnalisez la configuration de la surveillance et choisissez parmi les différents composants disponibles dans l’interface d’édition de la sous-page de configuration de la surveillance, comme illustré à la figure 2. Ces composants comprennent les composants de variable d’entrée, les composants d’affichage de courbe de variable de sortie et les composants de modèle 3D.
  13. Pour les expériences VR, sélectionnez le composant de modèle 3D. Le composant de modèle 3D permet aux utilisateurs d’intégrer un modèle 3D dans la configuration de surveillance.
  14. Pour faciliter la configuration des paramètres, ajustez les paramètres de chaque composant, qui sont directement liés aux variables de paramètres système. Double-cliquez sur un composant et accédez à la fenêtre pour sélectionner les paramètres optionnels pertinents dans le système expérimental.
  15. Les utilisateurs ont la possibilité d’optimiser la disposition de la configuration de surveillance en redimensionnant les composants. Pour ce faire, faites glisser les bords des composants respectifs jusqu’aux dimensions souhaitées.
  16. Cliquez sur le bouton Enregistrer pour enregistrer la configuration de surveillance conçue pour une utilisation ultérieure dans des expériences ultérieures, ce qui permet d’économiser du temps et des efforts pour configurer le système de surveillance à plusieurs reprises.
    REMARQUE : La configuration de la surveillance ne peut être effectuée qu’après que l’algorithme de contrôle a été correctement téléchargé.
  17. Cliquez sur le bouton Démarrer l’expérience dans la fenêtre pour lancer l’expérience. Cliquez sur le bouton VR dans le coin inférieur droit du composant de modèle 3D pour lancer l’expérience VR.
    REMARQUE : L’expérience VR est intégrée à la page Web. Lorsque les utilisateurs l’utilisent pour la première fois, le navigateur peut leur demander dans le coin supérieur gauche d’autoriser le navigateur à utiliser la fonctionnalité VR, sélectionnez Autoriser pour continuer.

2. Sélection de la méthode d’accès

  1. Utilisez une extension d’émulateur WebVR. Pour expérimenter cette méthode, installez l’extension de l’émulateur WebVR, qui est facilement disponible pour la recherche et le téléchargement à partir de la boutique d’extensions du navigateur.
    REMARQUE : L’extension d’émulateur WebVR aide les utilisateurs à exécuter du contenu WebVR dans un navigateur Web et fournit le casque VR virtuel et l’environnement de contrôleur de poignées sans avoir besoin d’utiliser l’appareil VR réel.
  2. Utilisez des appareils VR prenant en charge WebVR. Si des appareils VR sont utilisés pour la première fois, la configuration de base de l’environnement est nécessaire. Tout d’abord, allumez l’alimentation du casque et de la manette pour démarrer le système. Configurez le programme ROOM initial dans le casque. En suivant les repères visuels affichés sur l’écran du casque, utilisez les contrôleurs de poignée pour calibrer soigneusement les limites et l’orientation de l’environnement de l’espace virtuel. Enfin, établissez une connexion de streaming entre le casque et l’ordinateur.
    REMARQUE : Il s’agit de la deuxième méthode pour accéder au système proposé. Les appareils VR comprennent généralement un casque et une paire de manettes. Les appareils VR ont des magasins intégrés où les utilisateurs peuvent télécharger des navigateurs compatibles WebVR. Alternativement, les utilisateurs peuvent utiliser le navigateur intégré, qui prend généralement en charge WebVR. Il convient de noter que divers appareils VR peuvent utiliser des méthodes distinctes pour la connectivité.

3. Procédure expérimentale

  1. Ajustez la perspective pour trouver la position optimale pour mener l’expérience du système de pendule à double inversé.
    1. Pour les utilisateurs utilisant l’extension de l’émulateur WebVR, ouvrez les outils de développement, localisez l’extension WebVR et manipulez le périphérique VR virtuel à l’aide de la souris pour ajuster la perspective, comme illustré à la figure 3.
    2. Pour les utilisateurs utilisant des appareils VR, immergez-vous dans l’environnement expérimental virtuel et déterminez la position expérimentale optimale grâce à des mouvements physiques.
  2. Interagissez avec le système de pendule à double inversion à l’aide de la commande de poignée comme décrit ci-dessous.
    1. Rapprochez la poignée du cube. Appuyez sur le bouton Trigger pour ramasser le cube et le système de pendule à double inversion s’arrêtera de bouger.
    2. En déplaçant la poignée, contrôlez la position du cube. Relâchez le cube une fois qu’il est dans la position souhaitée en relâchant le bouton de déclenchement. La position est maintenant désignée comme le point de consigne ultérieur pour le chariot, comme illustré à la figure 3.
  3. Observez le processus de mouvement du système de pendule à double inversé. En manipulant le servomoteur à courant alternatif (CA), mettez la courroie en mouvement. Sous l’impulsion de la ceinture, le pendule inversé peut se déplacer le long du rail de guidage, La structure du système du double pendule inversé est élucidée dans la figure 4. Finalement, le pendule à double inversion se stabilisera au point de consigne.
  4. Encouragez les utilisateurs à manipuler de manière itérative la position du cube, à ajuster en permanence le point de consigne du chariot et à observer méticuleusement le comportement dynamique du système de pendule à double inversé.

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Representative Results

Le système d’expérimentation VR présenté offre aux utilisateurs la possibilité de s’engager dans des expériences immersives à l’aide d’appareils VR, améliorant ainsi l’interaction entre les utilisateurs et l’équipement expérimental. De plus, le système est basé sur le Web, ce qui élimine la nécessité pour les utilisateurs de configurer des environnements locaux. Cette conception permet l’évolutivité du système, ce qui le rend adapté aux applications à grande échelle, à la formation et à l’éducation.

Dans les environnements de laboratoire traditionnels, les utilisateurs doivent configurer et installer eux-mêmes des dispositifs logiciels et matériels, ce qui peut consommer beaucoup de temps et de ressources26. Cependant, les laboratoires virtuels exploitent les technologies de cloud computing et de virtualisation pour déplacer les environnements de laboratoire vers le cloud. Les utilisateurs peuvent simplement accéder au site web correspondant via un navigateur web pour utiliser les fonctionnalités et les ressources offertes par les laboratoires.

La figure 3 montre que les utilisateurs peuvent s’engager dans des expériences WebVR en utilisant différentes approches. Les utilisateurs qui ne disposent pas d’appareils VR facilement disponibles peuvent rapidement mener des expériences grâce à des extensions de navigateur. Les utilisateurs qui ont accès à des appareils VR peuvent s’immerger dans les expériences et interagir directement avec l’équipement expérimental, ce qui améliore le réalisme lors de l’exploration du processus expérimental. Ces deux façons différentes de mener des expériences WebVR offrent aux utilisateurs plus d’options et permettent à un plus large éventail d’utilisateurs d’utiliser le système proposé.

Les exemples de double pendule inversé démontrent que le laboratoire virtuel proposé basé sur WebVR peut fonctionner directement dans un navigateur Web sans avoir besoin d’installations ou de configurations logicielles supplémentaires. Cette approche réduit non seulement les désagréments pour l’utilisateur, mais améliore également considérablement l’évolutivité du système. De plus, les utilisateurs ont la possibilité d’utiliser des appareils VR pour une interaction immersive avec l’équipement expérimental. En utilisant des contrôleurs de poignées pour ajuster les paramètres du système, les utilisateurs améliorent non seulement leur expérience pratique, mais aussi leurs connaissances théoriques et leurs compétences pratiques.

Au total, 21 étudiants ont participé à l’expérience, au cours de laquelle un questionnaire a été mené pour valider davantage l’applicabilité et l’efficacité du système proposé. Nous avons inclus des étudiants ayant une formation en ingénierie de l’automatisation et du contrôle, et tous ces étudiants avaient déjà participé à des expériences virtuelles dans NCSLab et avaient des connaissances de base sur les expériences virtuelles, mais n’avaient pas participé à des expériences VR dans NCSLab basé sur WebVR. En adoptant des données statistiques anonymes, nous garantissons la confidentialité et la sécurité des participants lorsqu’ils remplissent le questionnaire, assurant ainsi la fiabilité des données du questionnaire.

Les résultats du questionnaire sont présentés à la figure 5, et les données indiquent que le système proposé dans cet article fonctionne bien en termes de réalisme et d’interaction avec l’appareil et réalise une amélioration significative par rapport à l’expérience virtuelle traditionnelle souris-clavier. De plus, les commentaires des participants ont montré que le système a non seulement accru l’intérêt des élèves et leurs compétences expérimentales pour l’apprentissage, mais les a également aidés à mieux comprendre le contenu expérimental, améliorant ainsi les résultats d’apprentissage.

Il convient de noter que la plupart des étudiants pensaient que ce type d’expérimentation n’est pas seulement applicable au cours et à l’expérience actuels, mais qu’il a également le potentiel d’être appliqué dans d’autres cours et expériences.

Le système proposé dans cet article utilise le logiciel 3DS Max pour modéliser l’équipement expérimental, qui rend les scènes expérimentales à l’aide du logiciel Unity Engine27 et permet aux utilisateurs d’interagir avec l’équipement à l’aide de dispositifs VR. Enfin, les scènes expérimentales sont regroupées au format WebGL (Web Graphics Library) et intégrées de manière transparente dans le système de laboratoire en ligne sous la forme de composants modulaires pour construire un système de laboratoire virtuel basé sur WebVR.

Figure 1
Figure 1 : Conception de l’algorithme de contrôle du système à double pendule inversé. Les utilisateurs peuvent sélectionner différents modules dans la bibliothèque de modules sur la gauche pour construire l’algorithme de contrôle du système de pendule à double inversion. La sélection et la connexion des modules sont similaires à celles de MATLAB/Simulink. Dans le domaine des systèmes de pendule à double inversion, une pléthore de méthodes de contrôle abondent. Pour le système actuel, la stratégie choisie est l’approche de contrôle du régulateur quadratique linéaire (LQR), et la figure illustre la matrice de rétroaction façonnée conformément au contrôleur LQR. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Conception de la configuration pour la surveillance du système de pendule à double inversion. Les utilisateurs peuvent sélectionner des composants dans la bibliothèque de composants ci-dessus pour concevoir la configuration de surveillance. Si vous souhaitez une expérience de réalité virtuelle, le composant Modèle 3D doit être sélectionné. Les utilisateurs ont la possibilité d’opter pour le composant Graphique pour suivre visuellement les modifications de l’orientation angulaire et de la position du double pendule inversé ou le composant d’entrée pour ajuster les paramètres du contrôleur. Le double-clic sur le composant permet aux utilisateurs d’établir des associations entre les variables système pour la configuration des paramètres. Dans le système de pendule à double inversion, les paramètres du graphique sont configurés pour englober à la fois les positions fixes et réelles du chariot, ainsi que les angles du premier ordre et les pendules doubles. Une fois la conception de la configuration de surveillance terminée, les utilisateurs doivent d’abord activer l’expérience en cliquant sur le bouton Démarrer l’expérience. Ensuite, ils peuvent lancer l’expérience VR en cliquant sur le bouton VR situé dans le coin inférieur droit du composant Modèle 3D. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Réalisation de l’expérience du système de pendule à double inversion à l’aide d’un casque VR et de l’extension de l’émulateur WebVR. Les utilisateurs peuvent effectuer des expériences WebVR via des appareils VR ou l’extension d’émulation WebVR. Le cube est contrôlé pour régler la consigne du pendule double inversé à l’aide d’une poignée. Une fois la position du cube déterminée, le pendule à double inversion se déplacera régulièrement vers la direction du point de consigne jusqu’à ce qu’il se stabilise finalement à la position définie. Sur le côté droit du modèle 3D se trouve un tableau qui enregistre la position du chariot et les angles du premier ordre et des pendules doubles. Le graphique permet également d’observer la tendance des changements dans les paramètres clés du système. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Structure du système de pendule à double inversé. Il y a un cube au-dessus de la base, et la position du cube est le point de consigne du chariot. Les utilisateurs peuvent prendre le cube et ajuster la position à l’aide de la poignée. Une fois que le servomoteur à courant alternatif (CA) propulse la courroie en rotation, le chariot se déplace le long du rail de guidage sous l’impulsion de la courroie. De concert avec ce mouvement, le pendule de premier ordre et le double pendule subiront également un déplacement et une rotation correspondants. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Résultats des données du questionnaire de l’enquête. Le questionnaire comportait six questions, chacune méticuleusement détaillée ici. Chaque question comportait cinq options, ce qui signifie en gros pas d’accord, pas d’accord, neutre, d’accord et tout à fait d’accord, sur une échelle de 1 à 5. Au total, 21 réponses valides ont été recueillies. Les valeurs moyennes et l’écart-type ont été calculés à partir de ces scores et présentés graphiquement dans la figure pour plus de clarté et d’interprétation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Le protocole présenté décrit un système de laboratoire virtuel qui permet aux utilisateurs de mener des expériences de RV en ligne, mais utilise également un contrôleur PC à faible coût28, ce qui est propice à la promotion d’applications à grande échelle. Les utilisateurs peuvent acquérir des connaissances sur l’ensemble du processus expérimental, des principes et des algorithmes aux opérations expérimentales pratiques. Ce système permet aux utilisateurs de s’immerger dans les expériences, éliminant ainsi la dépendance à l’égard de la souris et du clavier traditionnels. Ce système offre une expérience immersive d’observation du processus expérimental et de manipulation pratique des dispositifs expérimentaux.

Ce système va au-delà des interfaces traditionnelles et offre aux utilisateurs une manière plus intuitive et attrayante d’interagir avec les équipements expérimentaux. Semblable aux expériences pratiques dans un laboratoire physique, ce laboratoire virtuel s’efforce de recréer les opérations expérimentales aussi fidèlement que possible. Cette approche d’accès en ligne offre aux laboratoires virtuels les avantages suivants.

Flexibilité et commodité : les utilisateurs peuvent accéder aux laboratoires virtuels à tout moment et n’importe où via un navigateur Web sans être limités à des emplacements et à des horaires de laboratoire physiques spécifiques. Cette approche améliore considérablement la commodité de l’apprentissage à distance2.

Évolutivité et rentabilité : les laboratoires virtuels peuvent facilement évoluer et fournir des ressources informatiques et des équipements expérimentaux supplémentaires pour répondre aux exigences des applications à grande échelle. Les utilisateurs n’ont pas besoin d’acheter et d’entretenir eux-mêmes des périphériques matériels coûteux, mais peuvent mener des expériences à l’aide de ressources Web, réduisant ainsileurs investissements en termes de coûts3.

Sécurité : Les laboratoires virtuels peuvent offrir des mesures de sécurité renforcées. Les utilisateurs n’ont pas à s’inquiéter des accidents résultant d’une mauvaise manipulation pendant les expériences, ce qui contribue à assurer leur sécurité dans une certaine mesure29.

En tirant parti de la technologie VR, les utilisateurs peuvent entrer dans un environnement de laboratoire simulé où ils peuvent interagir avec des objets et mener des expériences à l’aide de la poignée, à l’instar d’un laboratoire physique. Comme le montre la figure 3, les utilisateurs peuvent utiliser la poignée pour saisir et déplacer le cube afin de définir le point de consigne du chariot dans le système de pendule à double inversé. Cette forme d’interaction ajoute non seulement un nouveau niveau de réalisme et d’interactivité à l’expérience du laboratoire virtuel, mais améliore également la compréhension de l’expérience par les utilisateurs.

De plus, ce système offre aux utilisateurs la possibilité d’explorer des expériences. Ils peuvent concevoir leurs propres algorithmes de contrôle et observer les effets de différents paramètres de contrôle, ce qui les aide à mieux comprendre les principes expérimentaux30. Il cultive un sentiment de participation et d’apprentissage actif chez les utilisateurs.

À l’heure actuelle, les laboratoires de RV sont principalement conçus et utilisés pour des scénarios spécifiques, faute d’un cadre pour des applications à grande échelle. Les utilisateurs sont souvent limités à mener des expériences selon des étapes prédéfinies, avec des possibilités limitées de mettre en œuvre leurs propres idées. En revanche, un laboratoire virtuel basé sur WebVR intègre de manière transparente le contenu expérimental sous forme de modules composants dans le laboratoire virtuel. Cette approche est non seulement polyvalente et s’intègre dans un large éventail de cadres d’application, mais permet également aux utilisateurs d’interagir avec des équipements expérimentaux et de réaliser des expériences personnalisées en fonction de leurs préférences et de leurs besoins.

Néanmoins, certaines questions méritent qu’on s’y attarde et qu’on les résolve. Il s’agit notamment de la nécessité d’un référentiel plus étendu de ressources virtuelles, ainsi que de la nécessité d’une précision accrue dans la simulation du comportement dynamique des périphériques virtuels par rapport à leurs homologues physiques. Nous prévoyons d’élargir notre dépôt de ressources virtuel en travaillant avec des experts en la matière dans différents domaines, ce qui nous permettra de couvrir un large éventail de contenus expérimentaux, des sciences naturelles à l’ingénierie, pour répondre aux besoins des différents utilisateurs. De plus, nous encourageons les utilisateurs à participer activement à la construction de notre système. En plus de fournir des suggestions pour le dépôt, nous prévoyons également de mener des sondages et des entrevues auprès des utilisateurs à l’avenir afin de mieux comprendre les types et les domaines de ressources auxquels les utilisateurs s’attendent. Pour relever le défi de la précision de la simulation de comportements dynamiques, des techniques de modélisation avancées, telles que des méthodes basées sur l’apprentissage automatique ou des modèles mathématiques plus complexes, sont utilisées pour améliorer la précision des représentations de dispositifs virtuels. De plus, les systèmes du monde réel sont souvent caractérisés par l’incertitude, qui doit être intégrée dans l’approche de la simulation de dispositifs virtuels tout en maintenant la précision, ce qui permet une représentation plus réaliste du monde réel.

En résumé, le système de laboratoire virtuel proposé permet aux utilisateurs de participer à des expériences de RV de manière immersive et interactive. En offrant une expérience expérimentale aussi réaliste que possible, il améliore la compréhension du processus expérimental par les utilisateurs, des principes et de la conception aux opérations expérimentales. L’accessibilité en ligne du système offre également un environnement expérimental flexible, pratique et sûr, ce qui en fait une solution prometteuse pour la recherche scientifique et la formation éducative à grande échelle.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu en partie par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine dans le cadre de la subvention 62103308 et de la subvention 62073247, en partie par les Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales dans le cadre de la subvention 2042023kf0095, en partie par la Fondation chinoise des sciences postdoctorales dans le cadre de la subvention 2022T150496, et en partie par le financement du projet de technologie expérimentale de l’Université de Wuhan dans le cadre de la subvention WHU-2022-SYJS-10.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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), Basel. 291 (2020).
  5. Kefalis, C., Drigas, A. Web based and online applications in stem education. Int J Eng Pedagogy. 9 (4), 76-85 (2019).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Wang, N., et al. A novel wiki-based remote laboratory platform for engineering education. IEEE Trans Learn Technol. 10 (3), 331-341 (2017).
  11. 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).
  12. Letowski, B., Lavayssière, C., Larroque, B., Schröder, M., Luthon, F. A fully open source remote laboratory for practical learning. Electronics. 9 (11), 1832 (2020).
  13. Potkonjak, V., et al. Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: a review. Comput Educ. 95, 309-327 (2016).
  14. 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).
  15. Sermet, Y., Demir, I. Geospatialvr: a web-based virtual reality framework for collaborative environmental simulations. Comput Geosci. 159, 105010 (2022).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Lei, Z., Zhou, H., Hu, W., Liu, G. Controller effect in online laboratories-An overview. IEEE Trans. Learn. Technol. 17, 1-12 (2024).
  29. Liu, Y., et al. Virtual reality system for industrial training. 2020 International Conference on Virtual Reality and Visualization. , 338-339 (2020).
  30. Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. J Vis Exp. (177), e63342 (2021).

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Zhang, G., Lei, Z., Hu, W., Zhou, H. Online Virtual Reality Networked Control Laboratory Applied in Control Engineering Education . J. Vis. Exp. (204), e66432, doi:10.3791/66432 (2024).

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