基于TCP/IP技术的远程教学实验平台系统设计

李睿佳 丁睿曦 丁子原 田宇梁 姚世选

为了适应当下教学模式与方法的转变，以实验室倒立摆实验为例，基于TCP/IP技术开发服务高校的远程教学实验平台系统，旨在打造一个可远程操控、实验数据精准、具有可视化界面的实验平台。深入挖掘网络智控技术与教育领域融合的新动能，为现代数字化教学开拓新思维、新路线。

研究背景

如今高科技领域快速发展，随着远程教育等新型教育模式的出现，加速了开放式教育的发展，高校学生的教育资源愈加优化。由于疫情的影响，诸如钉钉、腾讯会议等此类线上网课模式更是在高校得到了快速普及，这给予了学习者更多的便利，使他们无论身处何地，都可以享受到同等的教育资源。

但对于一些理工科专业高校来说，对理论的理解仅仅是基础，现实中的“践”才更为重要，现如今的教学实验还面临着诸多问题：①实验器械短缺，高校无法开展大型实训项目；②人工操作失误率高，教学实验进度慢；③硬件设施磨损、消耗大，且维护费用高昂。

鉴于此，远程教学实验平台的出现可以有效提高教学的质量，经由可视化的界面为各层次、各种类型的学习者提供精准的数据、直观的实验结果，同时可以减少实验设备的损耗。本文将构建一个实验平台的整体结构框架，阐述其程序功能的具体实现，最后通过系统运行来完整展现实验平台的效果。

系统框架

远程实验平台构建的系统框架目的是为客户端的使用者提供可视的实验界面运动过程和运动参数，平台开发基于C/S的架构模型，可充分发挥客户端PC的高效处理能力，实现复杂的业务流程。远程实验平台系统结构如图1所示。

在上图可以看到，内核程序是系统主控方式，通过一个虚拟网桥来实现网口的桥接；内核程序与虚拟动力学环境通过传递动力参数与状态参数实现双方交互；交换机与服务器及实物AI平台连接进行数据交互，二者通过UDP协议将实物运动数据分别传递给3D仿真平台和实物AI平台，使3D平台根据算法提供的数据与实物AI平台呈现同步运动过程。

本研究以实验室倒立摆系统为参考模型，其主体结构包括计算机、电源、网线、伺服驱动控制柜、小车、便携支架、导轨、摆杆和角度编码器等。

系统功能分析

对系统实验平台的设计除应具备的基本功能，更要考虑到使用者的多样化需求。平台需要完善系统运行环境的设计，给予使用者真实、直观的使用体验：

1.针对高校教学实验的需要，系统可以面向学习者与教师划分成演示模式与数控模式2类功能平台：演示模式适用于初学者，学习者可以通过反复观察模型运动过程并与实验系统实时产生的数据进行分析，以此达到学习目的，同时可有效减少人工失误与实验器材的损耗；数控模式仅显示数据波型与简单二维图像，适合教师备课或专业研究使用，所占内存更小，结果更加直观。

2.为深化使用者对倒立摆运动过程的理解，平台添加了虚拟仿真与机器学习模式，虚拟仿真模式借助Unity3D软件构建了一个1：1的仿真设备模型，使用者可采用内核提供的虚拟环境开发算法进行实验模拟，此时内核不提供外部倒立摆平台驱动服务。机器学习模式则适用于学习者与内核倒立摆系统动力学环境交互。仿真模型如图2所示。

3.平台提供了倒立摆实验的多种数学模型，使用者可根据实验需求更换数学模型，得到不同的实验结果。摆杆可以到达小车理论长度的任意位置，从而得到不同的实验结果。

系统参数设置

设置参数里总共包含八大类别，设备控制设计、起摆设置、端口设置、伺服器设置、设备模型参数、强化学习参数、电机控制参数和虚拟环境参数。其中将用户可修改参数与不可修改参数通过加“*”来区分。

用户可以通过导入模板和保存模板操作，保存自定义參数数据，并可通过“恢复原始设置”恢复软件初始设定好的数值。图3所示为倒立摆系统参数设置。

系统运行界面

以实验室倒立摆系统运行为例，远程教学实验平台的客户端首先应具备参数值预设功能，在初始登陆阶段使用者可对图像和输入的参数进行自定义操作，在调试参数合理后可点击“确认”按键，进入倒立摆系统主界面。同时使用者在运行可执行文件Robot.UI.exe后进入客户端运动控制主界面，在“文件”下拉菜单中可以进行模型选择、开始、停止、设置参数和产品注册等基础功能设置。

程序参数设置完成后，使用者应确认电脑主机与控制箱连接是否良好，之后打开Matlab，运行其中相应的.m文件，便可进入倒立摆系统程序运行窗口，程序将会自动读取数据，并实时绘制3D动画，显示在窗口中。在系统界面中设有“置顶/取消置顶”、“关闭”、“暂停”按键，“置顶/取消置顶”按键可用于决定是否让程序始终显示在其他窗口之上，若点击“置顶”按钮，则显示效果如图4所示。

远程实验平台的开发为高校学习者提供了崭新的学习方向，该平台在实践与控制理论之间搭建一个桥梁，同时为其他计算机类课程提供了切实可行的远程实验系统框架。

基金项目：大连外国语大学学生创新创业训练计划项目（202110172A261）