基于云服务的虚实结合实验平台设计与实现

宫 佳,杨 健

(1.淮南职业技术学院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学,安徽 淮南 232001)

0 引言

工科是应用科学与技术原理解决实际工程问题的学科,在推动工业发展过程中发挥着至关重要的作用。工科专业教学中实验教学占据着至关重要的地位,实验教学过程中学生动手操作不仅能够锻炼工科学生的实操技能,同时也在某种程度上激发学生探索新知识的兴趣,强化学生对所学理论知识的理解[1]。传统实验设施存在设备价格昂贵、容易老化、维护维修成本高、占用空间大等问题,设计开发虚实结合实验平台能够有效解决传统实验室存在的诸多问题,对推动工科实验教学具有重要意义。王新等构建了基于MATLAB和ROS的机械臂虚实结合实验平台,并通过UR3机械臂的远程控制验证了实验平台的可行性,对促进机器人学课程改革起到了促进作用[2]。纪艺娟等基于LabVIEW和USRP设计了通信原理课程虚实结合实验平台,实现了实验平台的在线实验、文件共享、数据传输、远程查看功能,并通过幅度调制虚拟仿真实验和FM音乐收发硬件实验测试了实验平台的功能[3]。胡燕等设计了自动控制原理课程虚实结合实验平台,该实验平台集模型仿真、电路仿真、硬件电路系统调试于一体,能够有效完成教学中的硬件实验、软件仿真实验,使学生对自动控制的基本原理与综合系统分析方法有更加深入的了解[4]。郭楚文等对本科实践教学虚实结合实验平台的构建进行研究,指出应该充分发挥实物实验和虚拟实验的优势,通过组建实物实验平台、3D虚拟实验室等以实现良好的实验教学效果,提升工科实验教学的质量[5]。伴随着信息技术与互联网技术的快速发展,在实验教学中融入互联网技术,设计开发远程虚实结合实验平台,为工科实验教学改革提供新思路。

1 云服务的虚实结合实验平台设计

1.1 虚实结合实验平台设计原则

计算机、互联网技术的日趋成熟使大量硬件设备和虚拟软件接入互联网成为可能,实现网络平台管理。基于云服务的虚实结合实验平台将工科各种实验资源信息集于一体,提高了实验室工作的效率,节约了成本,实验室工作实现简单化、高效化、流程化。为确保基于云服务的虚实结合实验平台达到预期的目的,平台设计应该遵循图1的设计原则。

图1 虚实结合实验平台设计原则

1.2 虚实结合实验平台结构

网络体系有B/S(浏览器/服务器)、C/S(客户机/服务器)、混合网络架构3种,不同的网络体系架构有自身的优缺点[6]。C/S网络体系架构需要专用的服务器,机密安全性比较强,在程序分散后期的升级维护难度比较大,用户位置相对固定,交互数据量较大。B/S网络体系架构不需要特定的硬件网络设备,机密安全性较差,在程序集中后期升级维护较容易,用户位置较分散,交互数据量较小。考虑到实验教学不涉及高度机密信息,学生用户位置分散,交互数据量也较小,因此基于云服务的虚实结合实验平台结构选择B/S架构,具体如图2所示。

图2 B/S网络体系架构

由图2可知,数据库服务器主要是按照网络服务器的命令指示来操作实验平台上的实物仪器以及开展虚拟仿真实验。各种任务的处理在网络服务器中进行,主要用于用户各种操作的计算与分析。计算与分析结果在浏览器中显示,使用者通过网络服务器获取数据信息,同时在浏览器中显示出来[7]。

虚实结合实验平台管理系统建立在云服务器的虚拟服务器之上,底层平台基于相应的硬件和软件平台,具体如图3所示。

图3 云服务虚实结合实验平台架构

由图3可知,云服务虚实结合实验平台由用户客户端、互联网络、虚拟仿真部分和实物实验部分所组成。用户客户端采用B/S网络架构,通过浏览器在线访问云服务虚实结合实验平台,支持远程完成虚拟仿真实验和实物实验。

1.3 虚实结合实验平台工作流程

科学、合理的虚实结合实验平台工作流程能够为学生创造良好的使用体验,提升工科实验课程的教学质量。学生通过浏览器进入实验管理系统,在完成学生的身份认证后登录到系统中,下载相关的插件、学习资料、完成实验预约,进而开展虚拟仿真实验或实物试验。云服务的虚实结合实验平台工作流程如图4所示。

图4 云服务的虚实结合实验平台工作流程

2 云服务的虚拟结合实验平台实现

机器人在工业发展中发挥着至关重要的作用,绝大多数工科院校机械类专业均开设了机器人课程。机器人课程是一门实践性非常强的课程,单纯的理论学习对学生学习机器人课程是不够的,要通过实验课程加深学生对机器人相关知识的了解[8]。基于云服务实现机器人虚实结合实验平台,满足学生都有机会进行机器人实验方面的操作学习。

2.1 实验平台虚拟仿真实现

机器人虚拟仿真实验平台由虚拟场景和控制面板两部分组成,在虚拟场景中有机器人三维模型,通过三维模型增强学生的现场实操感;控制面板是学生操作机器人模型的平台,也承担相关实验数据的处理任务。学生在虚拟场景和控制面板上交互操作,加深对机器人理论知识的理解。基于云服务的机器人虚拟仿真实验平台开发流程如图5所示[9]。

图5 云服务的机器人虚拟仿真实验平台开发流程

虚拟模型是由三维软件(如CATIA、Pro-e、UG)建立,浏览器不能够直接获取三维模型,需要将三维模型转换为COLLDA模式,通过WEBGL标准导入到浏览器中。HTML5布局是否合理关系到用户与虚拟模型之间的交互,通过合理化的布局各种按钮,这样用户在操作时更加便捷。在移动设备终端输入机器人控制指令,机器人完成相应的操作,并反馈给学生。

机器人虚拟仿真在机器人课程学习中至关重要,学生通过仿真实验去验证所学习的理论知识,以达到加深对理论知识消化、吸收的目的。学生通过点击操作面板上的按钮或者导入文本指令的方式操作机器人,后台对学生输入的程序指令解析进而实现对机器人模型的控制,虚拟交互实现如图6所示。

图6 虚拟交互实现

2.2 实验平台实物实验实现

实物实验相对于虚拟仿真实验要复杂得多,学生通过虚拟仿真实验操作后对机器人的实验过程有了比较深入的了解,通过进一步的远程实物操作能够更好地了解机器人[10]。机器人远程实物控制流程如图7所示。

图7 机器人远程实物控制流程

视频传输是将机器人实物实验现场传输给客户端,实现学生和机器人实验设备之间的交互,通过交互,学生对实物机器人的运转状态及整个实验过程有更加深入的理解。采用服务器来实现WebRTC视频传输,视频传输在两个浏览器之间进行。系统后台打开视频传输服务器,学生通过本地浏览器获取机器人实验过程视频文件。平台远程使用者在建立网络连接之后也可以打通视频通道,观看机器人现场操作视频。机器人操作现场视频传输流程如图8所示。

图8 实物机器人操作现场视频传输流程

实现机器人远程实物控制的关键是在客户端与机器人设备之间建立网络通信,由客户端发送网络通信协议,网络服务器提取秘钥码,将秘钥码解码之后进行替换,同时向客户端发送协议,由此就建立了客户端与服务器之间的连接。

3 结论

实验教学在工科课程教学中具有举足轻重的地位,在课程实验教学中融入互联网技术和数据库技术,构建基于云服务的虚实结合实验平台,实现了远程实验教学,使得实验资源利用率大大提升。通过对机器人虚实结合实验平台结构以及工作流程的分析,搭建了机器人虚实结合实验平台,该平台集机器人结构种类认识、综合实验等功能于一体,使得机器人课程实验教学质量大大提升,这对促进机器人课程改革具有一定的现实意义。