基于TCP/IP技術(shù)的遠程教學實驗平臺系統(tǒng)設(shè)計

李睿佳 丁睿曦 丁子原 田宇梁 姚世選

為了適應(yīng)當下教學模式與方法的轉(zhuǎn)變，以實驗室倒立擺實驗為例，基于TCP/IP技術(shù)開發(fā)服務(wù)高校的遠程教學實驗平臺系統(tǒng)，旨在打造一個可遠程操控、實驗數(shù)據(jù)精準、具有可視化界面的實驗平臺。深入挖掘網(wǎng)絡(luò)智控技術(shù)與教育領(lǐng)域融合的新動能，為現(xiàn)代數(shù)字化教學開拓新思維、新路線。

研究背景

如今高科技領(lǐng)域快速發(fā)展，隨著遠程教育等新型教育模式的出現(xiàn)，加速了開放式教育的發(fā)展，高校學生的教育資源愈加優(yōu)化。由于疫情的影響，諸如釘釘、騰訊會議等此類線上網(wǎng)課模式更是在高校得到了快速普及，這給予了學習者更多的便利，使他們無論身處何地，都可以享受到同等的教育資源。

但對于一些理工科專業(yè)高校來說，對理論的理解僅僅是基礎(chǔ)，現(xiàn)實中的“踐”才更為重要，現(xiàn)如今的教學實驗還面臨著諸多問題：①實驗器械短缺，高校無法開展大型實訓項目；②人工操作失誤率高，教學實驗進度慢；③硬件設(shè)施磨損、消耗大，且維護費用高昂。

鑒于此，遠程教學實驗平臺的出現(xiàn)可以有效提高教學的質(zhì)量，經(jīng)由可視化的界面為各層次、各種類型的學習者提供精準的數(shù)據(jù)、直觀的實驗結(jié)果，同時可以減少實驗設(shè)備的損耗。本文將構(gòu)建一個實驗平臺的整體結(jié)構(gòu)框架，闡述其程序功能的具體實現(xiàn)，最后通過系統(tǒng)運行來完整展現(xiàn)實驗平臺的效果。

系統(tǒng)框架

遠程實驗平臺構(gòu)建的系統(tǒng)框架目的是為客戶端的使用者提供可視的實驗界面運動過程和運動參數(shù)，平臺開發(fā)基于C/S的架構(gòu)模型，可充分發(fā)揮客戶端PC的高效處理能力，實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。遠程實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在上圖可以看到，內(nèi)核程序是系統(tǒng)主控方式，通過一個虛擬網(wǎng)橋來實現(xiàn)網(wǎng)口的橋接；內(nèi)核程序與虛擬動力學環(huán)境通過傳遞動力參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)實現(xiàn)雙方交互；交換機與服務(wù)器及實物AI平臺連接進行數(shù)據(jù)交互，二者通過UDP協(xié)議將實物運動數(shù)據(jù)分別傳遞給3D仿真平臺和實物AI平臺，使3D平臺根據(jù)算法提供的數(shù)據(jù)與實物AI平臺呈現(xiàn)同步運動過程。

本研究以實驗室倒立擺系統(tǒng)為參考模型，其主體結(jié)構(gòu)包括計算機、電源、網(wǎng)線、伺服驅(qū)動控制柜、小車、便攜支架、導軌、擺桿和角度編碼器等。

系統(tǒng)功能分析

對系統(tǒng)實驗平臺的設(shè)計除應(yīng)具備的基本功能，更要考慮到使用者的多樣化需求。平臺需要完善系統(tǒng)運行環(huán)境的設(shè)計，給予使用者真實、直觀的使用體驗：

1.針對高校教學實驗的需要，系統(tǒng)可以面向?qū)W習者與教師劃分成演示模式與數(shù)控模式2類功能平臺：演示模式適用于初學者，學習者可以通過反復(fù)觀察模型運動過程并與實驗系統(tǒng)實時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行分析，以此達到學習目的，同時可有效減少人工失誤與實驗器材的損耗；數(shù)控模式僅顯示數(shù)據(jù)波型與簡單二維圖像，適合教師備課或?qū)I(yè)研究使用，所占內(nèi)存更小，結(jié)果更加直觀。

2.為深化使用者對倒立擺運動過程的理解，平臺添加了虛擬仿真與機器學習模式，虛擬仿真模式借助Unity3D軟件構(gòu)建了一個1：1的仿真設(shè)備模型，使用者可采用內(nèi)核提供的虛擬環(huán)境開發(fā)算法進行實驗?zāi)M，此時內(nèi)核不提供外部倒立擺平臺驅(qū)動服務(wù)。機器學習模式則適用于學習者與內(nèi)核倒立擺系統(tǒng)動力學環(huán)境交互。仿真模型如圖2所示。

3.平臺提供了倒立擺實驗的多種數(shù)學模型，使用者可根據(jù)實驗需求更換數(shù)學模型，得到不同的實驗結(jié)果。擺桿可以到達小車理論長度的任意位置，從而得到不同的實驗結(jié)果。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置參數(shù)里總共包含八大類別，設(shè)備控制設(shè)計、起擺設(shè)置、端口設(shè)置、伺服器設(shè)置、設(shè)備模型參數(shù)、強化學習參數(shù)、電機控制參數(shù)和虛擬環(huán)境參數(shù)。其中將用戶可修改參數(shù)與不可修改參數(shù)通過加“*”來區(qū)分。

用戶可以通過導入模板和保存模板操作，保存自定義參數(shù)數(shù)據(jù)，并可通過“恢復(fù)原始設(shè)置”恢復(fù)軟件初始設(shè)定好的數(shù)值。圖3所示為倒立擺系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

系統(tǒng)運行界面

以實驗室倒立擺系統(tǒng)運行為例，遠程教學實驗平臺的客戶端首先應(yīng)具備參數(shù)值預(yù)設(shè)功能，在初始登陸階段使用者可對圖像和輸入的參數(shù)進行自定義操作，在調(diào)試參數(shù)合理后可點擊“確認”按鍵，進入倒立擺系統(tǒng)主界面。同時使用者在運行可執(zhí)行文件Robot.UI.exe后進入客戶端運動控制主界面，在“文件”下拉菜單中可以進行模型選擇、開始、停止、設(shè)置參數(shù)和產(chǎn)品注冊等基礎(chǔ)功能設(shè)置。

程序參數(shù)設(shè)置完成后，使用者應(yīng)確認電腦主機與控制箱連接是否良好，之后打開Matlab，運行其中相應(yīng)的.m文件，便可進入倒立擺系統(tǒng)程序運行窗口，程序?qū)詣幼x取數(shù)據(jù)，并實時繪制3D動畫，顯示在窗口中。在系統(tǒng)界面中設(shè)有“置頂/取消置頂”、“關(guān)閉”、“暫停”按鍵，“置頂/取消置頂”按鍵可用于決定是否讓程序始終顯示在其他窗口之上，若點擊“置頂”按鈕，則顯示效果如圖4所示。

遠程實驗平臺的開發(fā)為高校學習者提供了嶄新的學習方向，該平臺在實踐與控制理論之間搭建一個橋梁，同時為其他計算機類課程提供了切實可行的遠程實驗系統(tǒng)框架。

基金項目：大連外國語大學學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（202110172A261）