2013年IFAC第10届控制教育研讨会：远程实验室设计与应用

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德开发远程实验室A. Mejías Borrero*。M. A.马尔克斯·桑切斯 **。J. M.安杜哈尔·马尔克斯。M. R.桑切斯·埃雷拉 ** 电子工程计算系统和自动化系，韦尔瓦大学，韦尔瓦，西班牙，（电子邮件：mjias@uhu.es）。**Pintor Pedro Gómez Secondary School，Huelva，Spain（e-mail：marcoa@iesppg.net）* 电子工程计算系统和自动化系，Huelva大学，Huelva，西班牙（电子邮件：andujar@diesia.uhu.es）。* 西班牙韦尔瓦韦尔瓦大学电气工程系（电子邮件：reyes. die.uhu.es）翻译后摘要：使用远程实验室的教育正在增加，因为它是一种方法，可以更好地利用资源（实验室每天24小时运行）和学生从不同的位置与真实的设备进行交互。然而，我们可以说，有许多特定的解决方案，因为远程实验室可以找到今天。在本文中，我们提出了一个远程实验室的设计框架，涵盖了所涉及的各个方面，完全基于自由软件。在这种方法中，教授拥有将实验室实验转换为远程实验所需的所有工具。此外，他们还可以设计包括增强现实技术的用户界面，以丰富用户体验。关键词：远程实验室，增强现实，简单的Java模拟，在线教育。1. 介绍实验室课程无疑是必不可少的工程研究，使未来的工程师获得适当的培训。虽然这些实验室课程传统上是在实验室教室中进行的，但目前通信和计算资源的发展，使得远程实践的进行面临着越来越多的手段。除其他外，在自动化、机器人或电子等领域，正在出现不同的远程实验室方法，这使得能够获得不同种类的教学或专业材料。例如，在Indrusiak等人（2007）中，读者可以获得数字 系 统 设 计 远 程 实 验 室 的 一 般 概 述 。 Andújar 等 人（2011）提出了这种实验室的一个例子，它允许编程和与基于现场可编程门阵列（FPGA）的开发板交互。Vargas等人（2011）和Santana等人（2013）展示了致力于自动控制的远程实验室。此外，在最后一个比较的最优秀的远程实验室的这种包括。Restivo等人（2009年）提供了一个应用于工程测量的远程实验室示例。Marín etal.（ 2005 ） ， Jara et al.（ 2008 ） ，Mejías and Andújar（2012）展示了不同的远程实验室，致力于机器人教学。然而，在文献中发现的这些和许多其他方法中，开发远程实验室的设计解决方案可以被认为是特定的。它们中的每一个都以自己的方式解决了远程实验室开发中涉及的不同方面。一般来说，远程访问实验室课程可以分为三个紧密相连的系统（图1），并出现在这种培训活动中：1.学习管理系统（LMS）。与实验室的教学法有关（教学过程）。与实验系统交互所需的人机界面（HMI）可以或不能集成到LMS中。2.实验系统它被定义为位于大学实验室教室的一组设备，允许开发特定类型的实验室课程。例如，学生必须对可编程逻辑控制器（PLC）进行编程以控制连接到PLC的实验室设备的课堂实验室。实验系统将由PLC、实验设备、显示组件的摄像机、照明系统、电源、数据采集系统（DAQ）和所需的执行器组成。3.通信系统。负责通过公共网络（互联网）从HMI对所有实验系统进行封装和统一访问。Fig. 1.远程实验室的总体示意图。© IFAC 96 10.3182/20130828-3-UK-2039.00057第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲97在本文中，作者基于以下五个基本目标，提出了设计远程实验室的必要元素的统一：1.获取通用远程访问方法。它是独立的实验性质（通信，自动化，物理，机器人，数字电子，电机等）。2.创建一组设计工具，帮助教授远程访问他的实验室课程。3.开发设计工具，使HMI得以构建。来自LMS的HMI将允许学生访问远程实验室课程中的实验系统并与之交互。这组还包括一些具有附加值的工具，这些工具丰富了学生4.支持在远程实验室课程中使用的实验系统中使用DAQ和低成本执行器。5.完整的解决方案必须基于自由软件。所有这些目标都是为了使具有信息技术平均知识的教授可以轻松地将传统上在大学实验室教室进行的实验室课程转换为远程实验室课程。本文中介绍的工具是在控制和机器人研究小组内开发的，该研究小组致力于工程教育。这些工具，加上免费软件，如Moodle，涵盖了进行远程课堂实验所涉及的所有方面。第二部分提出了一种支持远程实验室开发的方案。在第3节中，暴露了并入EJS以允许访问数据采集和致动器的硬件以及AR系统的工具。第四部分介绍了实验室远程访问系统（RASLAB）的通信管理系统。它还包括供应、安全和准入的控制职能。在第5节中，简要显示了根据该结构并使用所提供的工具实现的两个示例。最后，结论和未来的工作路线。2. 远程实验室的集成解决方案为了满足上述目标，第1节中列出的三个系统分为以下子系统：用户界面.负责为学生提供与远程实验系统交互的方式，以便教授提出的实验课得以进行。该界面结合了显示实验系统的实时视频。此外，如有必要，它还可以包含声音。预订部经理通过该子系统，用户可以预约时间使用特定的实验系统，从而能够进行教授提出的实验课。访问控制和通信。该子系统允许学生从任何一台连接到Internet的计算机上访问实验系统，进行实验教学。由于用户希望甚至在家中进行实验课，因此该子系统必须包含适合于必须生成的通信链路的安全解决方案。管理与实验课相关的信息。该子系统负责制作与特定实验课相关的所有信息（手册、教程、用户指南、实践声明等）。学生很容易获得实验系统的电源管理。该子系统控制供应给远程实验室的不同系统的电力。它打开或关闭不同的系统，这取决于它们是否在使用中。从这个角度来看，该子系统也是远程实验室的电源管理器。访问DAQ和执行器。为了处理实验系统，学生应该能够更改其参数，读取传感器值，对电机或阀门等元件进行操作。该子系统负责使HMI能够管理这些硬件元件。在那些主要目标是编程和/或配置特定设备（如工业PLC或基于FPGA的开发板）的实验室课程中，通常使用集成设计环境（IDE）。这些工具的设计是不必要的，因为制造商提供给他们的产品的用户。虽然这些工具独立于其他子系统，但它们使用远程实验室通信服务，允许学生远程编程位于大学实验室教室的特定设备。开发的解决方案涵盖了所有提出的问题，为教授提供了允许远程实验室投入运行的工具，始终使用免费软件。尽可能使用现有的工具，但其余的工具是专门设计的，以 适 应 一 般 结 构 。 具 体 而 言 ， Easy Java Simulations（EJS），Esquembre（2011），被用作设计HMI的主要工具。此外，这种已知的模拟工具还具有新的元件，这些元件使得它能够直接访问数据采集和致动的特定硬件。此外，为了提高远程实验室课程的能力和容量，EJS中集成了AR系统。它增加了学生与远程实验系统的交互可能性。关于通信系统，RASLAB，已经完全为了处理各种各样的实验第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲98可能此外，为了使EJS可以使用RASLAB，已经在其上集成了一个客户端。RASLAB除了创建所需的通信链路外，还负责控制实验系统供应，并使用预订管理器提供的数据适当访问远程实验室中现有的资源。3. Java仿真的新元素：远程访问硬件和增强现实系统EJS是一种已知的工具，它允许创建非常不同的模拟。它还可以选择生成基于即插即用技术的分层结构进行的模拟视图，具有很强的交互能力，这使其在教育环境中具有强大的潜力。在这项工作中，EJS用于生成HMI，学生使用该HMI远程访问实验室。这个接口完全集成到LMS中，因为EJS引入了新的功能，可以将其小程序嵌入到4.3.7 版 的 Moodle 课 程 中 。 读 者 可 以 参 考 Esquembre（2013），其中详细介绍了该功能。已经开发了额外的软件元素，允许EJS从生成的HMI直接访问DAQ板和执行器。EJS已经配备了基于ARToolkit软件库的AR系统，Kato（2004），以增强远程实验室的可能性和能力。此外，为了在实验室教室中创造存在感，它提供了从实验室接收的交互式3D对象的实时图像，在由相机的视场形成的三维空间中注册。AR系统很容易设置，不需要全面的AR技术知识。EJS支持同时使用不同相机的多个AR系统。3.1从EJS开发了新的软件元素，允许从EJS访问DAQ和执行器。它允许远程读取传感器和从HMI生成控制信号。这些软件元素面向访问两个低成本和广泛接受的设备系列：PhidgetsTM Inc.的USB传感和控制产品。ArduinoTM板读者可以参考Phidgets（2013）和Arduino（2013）网站。1.1 3.1.1禁用Phidgets设备图2在前台显示了EJSElements面板（硬件文件夹），用户可以在其中选择要访问的特定设备（本地或远程）。为此，只需将选定设备拖到“元素列表”面板。从那一刻起，用户可以访问使用该设备的所有可用方法。图2在后台显示了Phidgets Interface Kit设备（具有数字输出功能的DAQ板）的可用帮助，其中一些可以看到可用的方法以及如何在EJS中使用它的简单示例。图二. 使用EJS中的元素访问硬件设备。已经有许多支持的设备。它们包括I/O板（模拟和数字输入和输出）、继电器、用于多种发动机（直流发动机、伺服系统等）的控制器，传感器（GPS、加速度计、陀螺仪、指南针、热电偶、接近度等）和单板计算机（运行GNU/Linux操作系统），集成DAQ系统，USB集线器（连接USB摄像头，传感器等），可选的WIFI连接，所有这些都在一个非常紧凑的板约98 × 80毫米。3.1.2 Arduino开发板Arduino是一个开源的电子原型平台，最近在教育环境中取得了巨大的成功。甚至不同大学的不同学科也将其纳入实验室课程。我们在EJS中添加了一个项目，允许访问各 种 现 有 的 Arduino 板 （ Uno ， Mega ， Ethernet ， Due等）。可以使用这些板执行的操作包括：•读取数字输入。•在数字输出上写作。•读取模拟输入。•采用PWM控制。•使用伺服马达。•支持带I2C接口的智能传感器（实验）。该元素的使用类似于上面讨论的Phidgets元素。要从EJS访问Arduino板，只需要记录StandardFirmata草图，该草图可在Arduino软件上获得。这个草图在Arduino硬件上实现了firmata协议。读者可以参阅Firmata（2013）了解有关 该 方 案 的 更 多 信 息 。 有 一 个 名 为StandardFirmataEthernet的草图，允许通过以太网连接第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲99功能，如Arduino以太网板或Arduino Uno以太网屏蔽板）。3.2 EJS中的增强现实系统从实验室接收的视频图像是远程课堂实验室HMI中的基本元素。增强这个图像与互动元素的可能性（与位于实验室教室的真实元素一起行动）通过他的计算机上的界面为学生提供了有吸引力和惊人的可能性。图三. EJS中的视图面板显示了AR系统的设计。在EJS中开发和集成的AR系统允许ARToolkit标记用于跟踪集成到接收到的视频流中的3D对象。通过使用可添加到EJS视图面板的图形元素的交互功能以及使用基准标记的6DOF跟踪，整个系统表现为具有完整AR功能的系统，实现了Azuma（1997）中列出的所有功能。可以在同一个界面中创建多个AR系统，每个系统都使用多个标记。可以被拖动以在视图面板中包括AR系统的图标的位置可以在图3中看到。在这种方法中，根据用作视频源的摄像机（本地或IP摄像机），EJS中有两种AR系统：本地（图3中的1）或远程（图3中的2）。它们的使用和配置完全相似。图3还示出了EJS视图面板的外观，其具有使用AR系统的HMI的示例。可以看出添加的AR系统（3）如何被集成到视图的结构中。可以包含AR系统的3D对象和组（图3中的4个）已经在EJS的视图面板的元素3.2.1 在EJS在EJS中定义AR系统是一个简单的3步任务：1.要使用的每个标记必须有两个相关变量：- 平移矩阵（1x 3），其接收相对于摄像机的标记位置。一个3D矩阵（4x 4），用于接收标记3D数据（缩放、旋转等）。2.将DrawingPanel3D（图3中的5）添加到视图面板中的元素树中。它将是要创建的AR系统的容器。3.添加并配置AR系统。配置包括：a.列出要使用的标记及其实际大小。b.设置相机。它可视化来自远程实验室的实时视频流。使用来自AR系统的跟踪数据，将3D虚拟对象叠加在视频上。4. 实验室远程访问系统（RASLAB）RASLAB负责集中和统一对实验室体验的访问，封装所有通信，允许协作访问，并管理实验系统组件的电源。RASLAB具有客户端-服务器体系结构，并且已经开发了EJS 元 素 以 允 许 RASLAB 客 户 端 被 包 括 到 HMI 中 。RASLAB服务器作为服务在具有两个网络接口的计算机上运行，该计算机运行GNU/Linux操作系统。该服务器充当互联网（公共IP地址）和实验室内部网（私有IP地址）之间的边界，如图所示。四、如图4所示，通过内置RASLAB元素的HMI访问Moodle中的远程实验室类，将以透明的方式激活用户界面和相应实验系统之间的通信。对实验室课程的访问是通过Moodle中的预约管理器进行验证的。见图4。远程实验室结构中的RASLAB系统。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲100RASLAB还允许通过控制一个或多个配电单元（PDU）将实验室等级与所涉及的相应实验系统的电源相关联。RASLAB的必要设置存储在XML文件中。为了简化体验设计，RASLAB提供了一个图形化工具，帮助教授设计远程实验室课程（图1）。5）。图五. RASLAB配置图形工具。在此图中，显示了其中一个配置面板：负责定义用户界面和实验系统之间的必要链接。其他面板管理用户配置文件的提供和管理。RASLAB可以从本地数据库进行访问验证，也可以通过网络将此功能委托给另一种验证方式。5. 用解析法本文所示的远程实验室开发的解决方案正在韦尔瓦大学（西班牙西南部）的高等工程技术学院使用，以开发不同学科的远程实验室，包括计算工程，能源工程和工业电子工程学位。作为一个例子，图6显示了HMI开发的工具，在这项工作中：一个经典的控制系统，学生必须调整PID控制器，以固定的位置的一个伺服器。HMI允许测试控制器的多种配置，显示不同输入条件下的位置行为。它还提供了通过Matlab/Simulink、SciLab等工具导出数据以进行进一步处理的可能性。在该HMI中添加了AR系统，向学生说明机器人必须达到的位置（黄色圆圈）和目标值（角度）。图7示出了工业自动化实验的界面。学生编程PLC来自动化一个真实的实验室工厂，这是“增强”的3D虚拟对象与真实的互动这个数字可以比较图8示出了从位于大学实验室教室中的摄像机接收的原始视频流。见图6。使用FeedbackTM Instruments的伺服基础训练器进行远程实验，Feedback（2013）。见图7。HMI（Moodle平台内）的远程实验与PLC 和FishertechnikTM的行业培训模型，Fishertechnik（2013）.在 该 图 中 ， 可 以 看 到 用 于 正 确 显 示 3D 虚 拟 元 素 的ARToolkit标记。通过他的计算机界面，学生可以操作远程PLC，这样他就可以根据他发送给PLC的时间表观察真实工厂的演变。AR系统将传送带转换为必须将塞子和标签放入由传送带移动的瓶子中的安装。在这种情况下，真实和虚拟元素相互作用，共享同一个三维空间。PLC编程使用PLC制造商提供的设计工具（图9）远程执行。所 使 用 的 PLC 是 来 自 Schneider ElectricTM ， SchneiderElectric（2013）的Modicon M340。该软件使用RASLAB设施访问远程PLC。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲101图8.在实验室教室中出现的远程实验系统对应图1. 第七章见 图 9 。 学 生 用 来 编 程 PLC 的 设 计 工 具 （ Unity ProXL）。5. 结论本文提出了一个完整的远程实验室开发解决方案。开发的解决方案的主要特点是：（1）提供了一种独立于实验性质的通用远程访问方法，（2）提供了一套便于教授进行远程实验室课程设计的工具，（3）开发并集成了LMS中的HMI，（4）使得能够在远程实验室课程中使用的实验系统中使用DAQ和低成本致动器，以及（5）完整的解决方案是用自由软件实现的。本文提出的解决方案，并提出了两个实际的例子。开发的系统目前正在使用的高等技术学院的工程韦尔瓦大学（西南西班牙）。引用Andujar，J.M.，Mejías，A.，和Márquez，M.A.（2011年）。增强现实用于改进远程实验室：增强的远程实验室。IEEE Transaction on Education，54（3 ），492-500.Arduino （ 2013 ） . 开 源 电 子 原 型 平 台 。[Online] Availableat：[2013年2月3日查阅]。阿苏马河（1997年）。增强现实的调查。存在：远程操作员虚拟环境6（4），355-385。Esquembre，F.（2011年）。简单的Java模拟。[在线]见：[2013年2月11日查阅]。Esquembre，F.（2013年）。在Moodle中使用EJS [Online]Availableat：http://www.um.es/fem/EjsWiki/Main/UsingEJSWithMoodle> [Accessed 26 february 2013].反馈意见（2013年）。教育设备。[在线]请访问： [2013年2月2日查阅]。Firmata（2013）。与微控制器通信的通用协议。[Online]Availableat：http://www.firmata.org/wiki/Main_Page>[Accessed 62013年2月Fishertechnik（2013年）。行业培训模式。[在线]见：http://www.fischertechnik.de/en/Home/products/industry.aspx> [2013年1月30日访问]。Indrusiak，L.S.，Glesner，M.，和Reis，R.（2007年）。数字电子系统原型远程实验室的发展。IEEE工业电子学报，54（6），3069-3077。Jara CA Candelas A.，和Torres F.（2008年）。一个先进的交互式界面机器人电子学习。International Journal ofOnline Engineering4（4）：17-25.卡托，H.（2004年）。ARToolkit。[Online] Available at：http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/>[Accessed 202013年2月Marín R.，Sanz P.J.，和Del Pobil A.P.（2005）。UJI在线机 器 人 ： 教 育 和 培 训 体 验 。 Autonomous Robots15（3）：283-297.Mejias，A.，和Andújar，J.M.（2012年）。增强现实的有效性的试点研究，以加强远程实验室在电气工程教育中 的 使 用 。 Journal of Science Education andTechnology，21（5），540-557.菲姬（2013年）。USB传感和控制产品。[在线]见：http://www.phidgets.com> [2013年1月2日访问]。Restivo，M.T.，Mendes，J.，洛佩斯，上午，席尔瓦，C.M.，和Chouzal，F.（2009年）。工程测量远程实验室。IEEE Transactions on Industrial Electronics，56（12），4836-4843.桑塔纳岛，Ferre，M.，Izaguirre，E.，阿拉西尔河，和Hernández，L.（2013年）。自动控制系统教育和研究 目 的 的 远 程 实 验 室 。 IEEE Transactions onIndustrial Informatics，9（1），547施耐德电气（2013年）。自动化控制器。[在线]可在以下网址查阅：http://www.schneider-electric.co.uk/sites/uk/en/products-services/automation-control/products-offer/automation-controllers/automation-controllers.page> [2013年2月24日访问]。巴尔加斯，H.，Sánchez，J.，Jara，CA，坎德拉斯，佛罗里达州，Torres，F.，和Dormido，S.（2011年）。自动控制网络实验室。IEEE Transactions on LearningTechnologies，4（3），197-208.