虚实结合的远程教学控制实验系统研究

摘要

针对当前实验教学设备资源不足的问题,本文以实验教学资源的网络共享为目的,将虚拟现实技术与设备远程控制技术结合,研究了一种虚实结合的远程控制实验系统开发方法。文中还以倒立摆实验台为控制对象,开发了一套虚实结合的倒立摆远程实验原型系统。论文主要研究工作包括:
　　第一、介绍了远程实验系统及相关领域的国内外发展现状,论述了在教学中采用远程控制实验系统的必要性和可行性,提出了虚实结合的远程控制实验系统总体架构,分析并选定了相应的实现方案。
　　第二、在“实”的方面,提出通过网络技术将实验设备连接到网络上,实现网络化实验设备,使学生可以通过网络接触到真实的实验控制对象。为解决学生的并发实验申请问题和提高设备的使用率,还研究了协调实验设备资源分配的网络排队管理方法。
　　第三、在“虚”的方面,为解决用视频方法传递实验场景对网络带宽的高需求以及观察角度难以调整的问题,提出用虚拟现实技术对实验设备进行三维建模和仿真,并用真实的实验数据对三维模型进行驱动,给远程用户以临场感。
　　最后、以倒立摆为控制对象,采用Visual C++、Simulink和VRML混合编程,开发了一套虚实结合的倒立摆远程控制实验系统。在多种网络环境下对系统进行了测试,实验结果表明,该系统运行稳定、效果良好,具有良好的实用价值。

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 相关技术发展现状

1.3 本文的主要研究工作

2 虚实结合的远程控制实验系统设计

2.1 系统总体框架

2.2 系统方案选择

2.3 本章小结

3现场测控服务器构建

3.1现场测控服务器结构

3.2 网络通信模块的设计

3.3 排队管理模块的设计

3.4 控制模块的设计

3.5 其他模块

3.6本章小结

4网络远程客户端构建

4.1 网络远程客户端结构

4.2 网络通信模块的设计

4.3 曲线显示模块的设计

4.4 实验场景模块的设计

4.4 本章小结

5虚实结合的远程控制实验系统原型

5.1 倒立摆系统硬件介绍

5.2 倒立摆的VRML模型构造

5.3 倒立摆的Simulink控制

5.4 倒立摆系统的远程控制

5.5 倒立摆实验测试

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 倒立摆VRML代码

附录2攻读学位期间取得的研究成果