Fundación BARREDO CENTRO TECNOLÓGICO DE EXPERIMENTACION SUBTERRANEA

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1 Fundación BARREDO CENTRO TECNOLÓGICO DE EXPERIMENTACION SUBTERRANEA Marzo 2002

2 ÍNDICE 1 INTRODUCCION PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN Simulador de minador continuo mediante realidad virtual Introducción Objetivos Actividades realizadas Estudios preliminares y adquisición de datos: Definición del sistema de simulación Adquisición de Hardware y Software Realización de los modelos 3D Desarrollo del modelo cinemático del minador Desarrollo de software auxiliar Desarrollo de la aplicación de realidad virtual Acondicionamiento y preparación de la sala para el simulador Integración del sistema de simulación: interfaz con el operador Mejoras de equipos Resultados y conclusiones ANEXOS Informe Final Actividades Barredo 1

3 1 INTRODUCCION Con fecha 2 de Septiembre de 1999, la Consejería de Industria, Comercio y Turismo del Principado de Asturias adjudicó mediante concurso público a AITEMIN el contrato denominado "Proyecto de Investigación y Formación en Seguridad Minera", cuyo plan de desarrollo se extiende a lo largo de los ejercicios de 1999, 2000, 2001, y Las actividades a desarrollar dentro del citado Proyecto están definidas en los términos del contrato, y abarcan una serie de proyectos de investigación con objetivos muy concretos, relacionados en su mayor parte con aspectos concretos de seguridad minera, y la puesta en marcha de diversas actividades de formación y capacitación profesional para personal de mina. También se incluían en los términos del contrato el equipamiento y la adecuación de la infraestructura del Centro de Experimentación Subterránea, en el que se desarrolla toda la actividad citada. El presente informe recoge un resumen de las actividades desarrolladas durante el año 200 dentro del mencionado contrato. Informe Final Actividades Barredo 2

4 2 PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN 2.1 SIMULADOR DE MINADOR CONTINUO MEDIANTE REALIDAD VIRTUAL Introducción La constante introducción de nuevas máquinas y métodos mineros para el avance de galerías y la construcción de túneles y otras obras subterráneas, requiere también la mejora de las técnicas de formación del personal encargado de su operación. También las condiciones de seguridad en el puesto de trabajo se han visto alteradas, ya que el entorno de trabajo y los escenarios de riesgo potencial son distintos de los tradicionales. La tendencia actual de la industria a la reducción de plantillas contribuye a agudizar estos problemas. En este contexto, el uso de herramientas de las modernas tecnologías de la información como la Realidad Virtual, los Sistemas Expertos, y la Modelización y Simulación de Sistemas puede contribuir de una forma eficaz e innovadora a mejorar la formación y comportamiento del personal frente a situaciones peligrosas así como a hacer un mejor uso del equipo disponible. Con este fin, en 1999 se inició un proyecto, financiado por la Comisión Europea a través del programa CECA y por el Principado de Asturias, para desarrollar un simulador del tipo de minador continuo que se utiliza normalmente en labores de avance de galerías en minas de carbón de interior, con el objetivo de mejorar la formación, tanto en los aspectos operativos como en la seguridad del personal que los maneja. El diseño del simulador está basado en el minador más usado en las minas de carbón españolas, el modelo AM50 originalmente construido por la firma Voest-Alpine, y que posteriormente fue fabricado bajo licencia por otras empresas, como REMAG. En este pequeño minador, los mandos no se encuentran dentro de una cabina, como sucede en los minadores más grandes, y tampoco hay asiento para el operador, por lo que éste debe trabajar de pie sobre una plataforma situada al lado derecho de la máquina frente a las palancas hidráulicas y el cuadro de mandos eléctricos, como puede observarse en la fotografía siguiente. La principal dificultad encontrada en el desarrollo del simulador estriba en reproducir lo más fielmente posible dicho modo de trabajo del operador, ya que en la realidad éste cambia frecuentemente de posición, inclinándose a un lado o a otro para poder ver mejor el frente y salvar los obstáculos visuales. Informe Final Actividades Barredo 3

5 Figura 2.1. Minador en su entorno de trabajo típico en un avance de galería A causa de esto, no se pudo utilizar una cabina cerrada con un asiento para el alumno, como se hace en la mayoría de los simuladores y estaba previsto hacer inicialmente. Ello obligó a considerar cuidadosamente el puesto del operador para conferirle un aspecto y una funcionalidad lo más cercanos posible a la realidad. Se decidió construir en una sala acondicionada especialmente una reproducción del puesto del operador, completamente abierta, soportada por una plataforma con tres grados de libertad para reproducir los cambios de orientación, las sacudidas y las vibraciones del minador real. Se tuvo que emplear una pantalla de gran formato situada a corta distancia que proporcionara al operador un gran ángulo visual hacia el frente, lo que obligó a introducir un sistema de localización fijado al casco que registra continuamente la posición y orientación de la cabeza del operador, para que la imagen representada se corresponda con la que vería desde dicha posición en la realidad. El sonido también ha sido tenido muy en cuenta, ya que constituye un aspecto esencial para conseguir la inmersión del operador en el entorno de trabajo simulado. Informe Final Actividades Barredo 4

6 2.1.2 Objetivos Los principales objetivos del proyecto han sido los siguientes:? Desarrollo de un sistema de simulación: El objetivo principal ha sido el desarrollo de un simulador lo más completo posible para un minador continuo de tamaño medio como el AM50. Este simulador está orientado a la formación y evaluación de operadores de minador en cualquier tipo de labores de avance de galerías, aunque se ha hecho especial hincapié en las situaciones más típicas del método de explotación de carbón por subniveles denominado sutiraje habitualmente empleado en las minas de interior de la compañía HUNOSA.? Fidelidad en el comportamiento y el entorno de la simulación: Debido a las especiales características de la máquina y del entorno de trabajo, para proporcionar al operador la sensación de estar realmente manejando un minador en un fondo de saco es necesario reproducir fielmente todas las sensaciones, tanto visuales y sonoras como físicas (cinemáticas: inclinaciones y desplazamientos de la máquina, y dinámicas: vibraciones, sacudidas e impactos), de forma que se consiga la inmersión total del operador en la situación que está siendo simulada.? Inclusión de elementos relativos a la seguridad: Una de las líneas más interesantes a seguir en la formación de operadores es la relativa al entrenamiento en aspectos relativos a la seguridad. Por ello se ha intentado dotar al simulador de la capacidad de proporcionar al operador información sobre el entorno que le permita detectar las posibles situaciones de riesgo y actuar en consecuencia, de forma que el instructor pueda incluir y evaluar este tipo de formación. Informe Final Actividades Barredo 5

7 2.1.3 Actividades realizadas Las actividades llevadas a cabo durante los tres años de duración del proyecto son muy numerosas y abarcan aspectos muy diversos del desarrollo del simulador. Algunas de ellas han requerido un esfuerzo intenso durante un breve plazo, mientras que otras han precisado una dedicación casi constante durante una gran parte del proyecto. Debido a ello, resulta difícil describirlas de una forma cronológica, por lo que se ha optado por enumerarlas de una forma meramente secuencial Estudios preliminares y adquisición de datos:? Búsqueda bibliográfica de información sobre desarrollos similares El proyecto comenzó con una búsqueda de referencias sobre desarrollos de simuladores que tuvieran algún parecido con la máquina y la situación que se pretendía simular, no encontrándose ninguno semejante.? Visitas a minadores en su entorno de trabajo registro de datos: Se han efectuado diversas visitas de los componentes del equipo de trabajo del proyecto a minas y túneles donde había AM50 en actividad, aprovechándose la situación para recabar información de primera mano sobre el entorno de trabajo y la operativa general de su funcionamiento, así como para realizar entrevistas tanto al personal encargado de su manejo como a los responsables de supervisar su actividad. Debemos aquí reseñar nuestro agradecimiento a D. César Cordero, Jefe de Pozo del pozo Montsacro de la empresa HUNOSA, y a su personal, por las facilidades brindadas para acceder a labores de avance con minador y realizar diversos registros de vibraciones y sonidos en varias ocasiones, así como a D. José Ramón Campa, como Ingeniero Técnico de Minas responsable de los minadores visitados. Asimismo, agradecemos la valiosa colaboración de la Mina-Escuela Bierzo, que facilitó la realización de una campaña de adquisición de sonidos en su minador AM50 por parte de un equipo de grabación profesional en las mejores condiciones posibles para asegurar su calidad.? Recopilación de información: También se efectuaron contactos con empresas encargadas de la operación y mantenimiento de minadores, con el fin de obtener datos detallados sobre la situación y medidas de distintas piezas y elementos que conforman el minador AM50 y su entorno de trabajo. Deseamos manifestar nuestro agradecimiento a D. Marek Grzywacz, director de REMAG ESPAÑA, por la información proporcionada en diversas entrevistas, así Informe Final Actividades Barredo 6

8 como por las facilidades brindadas para la recopilación de datos, la obtención de fotografías de piezas y minadores completos, el préstamo de elementos para su reproducción e incluso la cesión de piezas originales para su incorporación al simulador.? Registro de sonidos Un caso particular de la adquisición de datos lo constituye el registro de sonidos, por su enorme importancia para proporcionar una sensación de inmersión convincente. Se han efectuado diversas campañas de grabación de sonidos de un minador en funcionamiento, pero sólo se obtuvieron resultados satisfactorios cuando la grabación fue efectuada por personal especializado, con equipos de registro profesionales y en condiciones controladas para tratar de registrar el sonido de los distintos elementos del minador por separado. Los intentos previos, en los que el registro de sonido fue realizado mediante un ordenador portátil, no proporcionaron resultados adecuados. La figura siguiente muestra el momento de la grabación del sonido producido durante el arranque de roca. Figura 2.2. Sesión de grabación de sonidos del minador en funcionamiento Los sonidos registrados en dicha campaña fueron procesados posteriormente mediante un software profesional de edición de audio con el fin de aislar los sonidos individuales de cada mecanismo y cada actividad con la máxima pureza posible. Informe Final Actividades Barredo 7

9 Definición del sistema de simulación Una vez recopilada suficiente información sobre el minador y su modo de funcionamiento, se estudió la configuración más adecuada para el sistema, tanto desde el punto de vista del hardware como del software. Los sistemas de simulación convencionales suelen estar basados en ordenadores de altas prestaciones con hardware dedicado capaz de generar simultáneamente varios canales de vídeo destinados a múltiples pantallas, y como consecuencia presentan un coste muy elevado. En este proyecto el presupuesto era limitado, y fue preciso simplificar el sistema mediante el uso de una única pantalla que cubriera gran parte del campo visual del operador hacia el frente de la máquina, que es el esencial para realizar su trabajo. Los laterales de la galería y la vista hacia atrás no resultan tan importantes, por lo que se juzgó conveniente no tenerlos en cuenta en la simulación. Dada la poca luz reinante en el entorno de trabajo típico, la oscuridad prevista en la sala del simulador evitaría interferencias en la sensación de inmersión. Como interfaz física con el operador, se decidió construir una réplica del puesto de mando del minador, incluyendo palancas hidráulicas y panel de mandos eléctricos, para ser montada sobre una plataforma dotada de cierto grado de movilidad. Dado que el coste de las plataformas con seis grados de libertad habitualmente empleadas en estos sistemas es muy alto, en un principio se preveía únicamente dotar a la plataforma de un sencillo generador de vibraciones. Durante el transcurso del proyecto se localizó un fabricante de plataformas que disponía de un modelo con tres grados de libertad a un precio muy interesante, y que finalmente fue seleccionado para su incorporación al simulador. Se investigó los sistemas gráficos de las estaciones de trabajo disponibles en el mercado, y se comprobó que existían tarjetas aceleradoras con soporte OpenGL capaces de generar imágenes tridimensionales texturadas de calidad a una velocidad y a una resolución aceptables para las necesidades del simulador. Se decidió adquirir una pareja de estaciones de trabajo idénticas para las funciones de desarrollo y de simulación. Finalmente, y de acuerdo con los demás socios del proyecto europeo CECA en el que está encuadrado este proyecto, se decidió desarrollar los modelos geométricos tridimensionales mediante el software 3DStudio MAX, de forma que fuera posible ponerlos en común e intercambiarlos. Informe Final Actividades Barredo 8

10 Adquisición de Hardware y Software A finales de 1999 se abordó la selección y adquisición del hardware y del software del sistema, teniendo en cuenta los resultados de la fase de definición del proyecto. Dentro del apartado de equipos informáticos, se efectuó la adquisición de dos unidades de la estación de trabajo DELL Precision 610, con una configuración muy adecuada para el tipo de trabajo que debía realizar: el desarrollo de los modelos 3D. Las características de estos equipos son:? Procesador Pentium III Xeon a 550 MHz, con 512 KB de caché L2, actualizable a 2 procesadores? 256 MB de memoria ECC SDRAM, actualizable a 1 GB? Disco duro SCSI de 18 GB a rpm? CD-ROM 40X y CD-RW 4x/2x/24x? Sistema Operativo: Windows NT 4.0 Workstation? Monitor color 19 DELL P990 Trinitron Estos equipos fueron configurados con una tarjeta gráfica profesional de alto rendimiento Intense3D Wildcat 4000, cuyas características más importantes son:? Motor acelerador de geometrías de 3000 MFLOP? 16 MB de memoria para frame buffer? 64 MB memoria para texturas? Aceleración del todo el pipeline OpenGL, incluyendo operaciones geométricas, creación de triángulos, aplicación de texturas? Aceleración por hardware de transformaciones matriciales, alpha blending, cálculos completos de hasta 8 luces, efectos de niebla, mapeado de texturas, Z-buffering, vectores 2D y 3D, triángulos 2D y 3D, rellenos rectangulares, stenciling, BitBlit, antialiasing de vectores, doble buffer rápido en modo ventana, recorte, etc...? 3,4 millones de triángulos por segundo (de 25 píxeles con sombreado Gouraud e iluminación)? 68 millones de texels por segundo (relleno texturado con sombreado Gouraud e interpolación trilineal)? Display de doble buffer en color verdadero de 24 bit hasta 1280x1024? Display estereoscópico de cuádruple buffer a 120 Hz en color verdadero de 24 bit hasta resoluciones de 800x600 píxeles? Interface AGP 2X, utilizando una ranura AGP y una ranura PCI Asimismo se adquirió una pareja de ratones tridimensionales SpaceBall 4004, para facilitar la manipulación de objetos y escenas en 3D. Informe Final Actividades Barredo 9

11 Figura 2.3. Aspecto de la estación de trabajo DELL Precision 610 utilizada en el desarrollo En el apartado del software, ya estaba acordada la utilización de 3DStudio MAX V3.1 para el desarrollo de modelos 3D, pero dada su orientación hacia el modelado rápido de sólidos no proporcionaba herramientas adecuadas para la edición detallada de piezas con dimensiones exactas. Por ello se decidió utilizar AutoCAD 2000 para el diseño en 3D de los modelos geométricos de los componentes que integran el minador, el sostenimiento de las galerías, etc, ya que era compatible con 3DStudio MAX V3.1 y sus archivos podían ser importados directamente por éste. Quedaba por determinar el software que se emplearía para la manipulación y presentación gráfica de los modelos 3D en tiempo real. Tras considerar cuidadosamente la oferta del mercado, se decidió emplear el conjunto de librerías WoldToolKit R9 de la casa SENSE8. Estas librerías permiten el desarrollo de programas en C o C++ y están especialmente adaptadas para el manejo de modelos de Realidad Virtual. Informe Final Actividades Barredo 10

12 Las funciones de WTK (WorldToolkit) permiten llevar a cabo todo tipo de tareas, desde la carga de modelos 3D en diversos formatos (entre ellos VRML) hasta su manipulación y representación en pantalla. Las operaciones que se puede realizar sobre los modelos son muy numerosas: mover objetos, cambiar su aspecto visual, añadir o borrar objetos, etc. WTK admite diversas opciones de representación: modo wireframe, sombreado simple, polígonos texturados, y soporta la creación de imágenes estereoscópicas, suavizado de escena, etc, por lo que resultaba muy adecuado para esta aplicación, tanto en sus etapas iniciales como en fases más avanzadas Realización de los modelos 3D A partir de los datos recopilados de los elementos del minador y su entorno de trabajo, se han realizado modelos tridimensionales del minador AM50, de la galería y de elementos auxiliares (tuberías de ventilación, agua, etc.). A lo largo de la vida del proyecto se han realizado sucesivas versiones de los modelos, que han pasado de los modelos iniciales muy esquemáticos, a modelos muy detallados y poco operativos en entornos de realidad virtual, hasta conseguir los modelos ideales para la simulación, donde se combinan la mayor simplicidad posible del modelo y una gran sensación de realismo. Además se han diseñado varios elementos que se combinan entre si para dar flexibilidad en la elección del entorno de simulación, como por ejemplo distintos tipos de galerías, secciones, frentes, etc. La elaboración y el ensamblaje de los modelos en 3D se ha realizado en AutoCAD 2000, que permite alcanzar la máxima exactitud en dimensiones y detalles. La figura siguiente muestra el aspecto del minador en dicho programa. Figura 2.4. Vista superior del minador diseñado en AutoCAD Informe Final Actividades Barredo 11

13 Una vez construido el modelo, se exporta en formato DWG a 3DStudio MAX V3.1, donde se da nombre a cada uno de los objetos que componen el modelo y se construye una jerarquía para representar las relaciones cinemáticas de los distintos elementos móviles, de modo que cuando se aplique un movimiento (rotación o translación) a un objeto, todos sus descendientes, según el árbol de jerarquía, se muevan con él. El modelo resultante presenta el aspecto de la figura siguiente. Figura 2.5. Vista en 3DStudio MAX del modelo del minador diseñado en AutoCAD. A continuación se efectúa un proceso de retoque para conferirle realismo, mediante la asignación de materiales a los objetos, y texturas a los materiales, obteniéndose un modelo bastante más representativo del aspecto real de un minador, como el que se puede ver en las figuras de la página siguiente. Una vez conseguido el modelo 3D definitivo, éste se exporta en formato VRML, que es el formato más extendido para modelos de realidad virtual. El formato VRML no permite declarar todas las propiedades y posibilidades que contempla 3DStudio Max V3.1, pero sí las fundamentales. Informe Final Actividades Barredo 12

14 Figura 2.6. Vista frontal del modelo del minador con texturas en 3DStudio MAX. Figura 2.7. Vista trasera del modelo del minador con texturas en 3DStudio MAX. Informe Final Actividades Barredo 13

15 Con el resto de los modelos de los distintos elementos auxiliares se efectúa un proceso similar, construyéndose modelos tridimensionales como el de la galería de la figura siguiente. Figura 2.8. Vista del modelo de la galería retocado en 3DStudio MAX. El proceso de creación de modelos es un proceso lento y laborioso que ha exigido una gran dedicación por las dificultades encontradas para obtener la información 3D y representar cada uno de los elementos del sistema, así como para aprender y dominar el manejo de las herramientas de diseño. Informe Final Actividades Barredo 14

16 Desarrollo del modelo cinemático del minador Para desarrollar una simulación del minador cuyas respuestas visuales y mecánicas resulten convincentes, el simulador debe funcionar adecuándose a los modelos físicos de la máquina y su ambiente, y evolucionar según las acciones del operador (y del supervisor del entrenamiento), mientras se produce una representación continua de dicho sistema mediante realidad virtual. Un minador típico tiene múltiples actuadores hidráulicos y/o eléctricos (el motor de corte, el movimiento en dos ejes del brazo de corte, el estabilizador trasero, las orugas, la pala de carga, el páncer, el brazo de descarga, etc.), que afectan a su posición, actitud y geometría, pero el único elemento esencial para ser considerado durante el funcionamiento del arranque normal es el brazo de corte. La respuesta dinámica de la máquina en el proceso de arranque es particularmente dependiente en las características del brazo de corte y del comportamiento de sus actuadores hidráulicos. El brazo de corte del AM50 tiene dos grados de libertad rotatorios. El primero es la rotación de la torreta o base del brazo de corte alrededor de un eje vertical ligado al cuerpo de la máquina. El segundo, es la rotación del antebrazo del brazo de corte, alrededor de un eje horizontal localizado al frente de la torreta. La figura siguiente muestra una representación de la cinemática del brazo de corte del minador. Los dos ángulos de rotación del brazo de corte se denominan? 1 y? 2, mientras que a 1 es la distancia entre los ejes de rotación vertical y horizontal y a 2 es la distancia entre el eje horizontal y el eje de rotación del brazo de corte. Figura 2.9. Detalle del estudio del modelo cinemático del minador. Informe Final Actividades Barredo 15

17 Informe Final Actividades Barredo 16 La superficie generada por este tipo de articulación del brazo de corte es un toro. Cuando el minador termina el corte de una nueva cara, los puntos situados al extremo del alcance de la cabeza de corte pertenecen a una superficie con la forma de una porción de un toro. La figura siguiente muestra claramente cómo ésta superficie se genera por los dos grados de libertad del movimiento del brazo de corte. Figura El barrido del brazo de corte genera una superficie con forma de porción de toro La transformación de coordenadas entre el sistema de referencia O2 del centro de la cabeza de corte y el sistema de referencia O0 del minador, viene dado por la expresión matricial:,1) z, y, x ( A,1) z, y, x ( T T 0 0 0? Donde 0 A 2 depende del seno (S i ) y del coseno (C i ) de las coordenadas articulares? i :?????????????????? S a - d 0 -C -S S a C S a C -S S C S C a C C a -S C S - C C = A

18 Desarrollo de software auxiliar Durante el desarrollo del proyecto se ha desarrollado una notable cantidad de software. La mayor parte corresponde a la aplicación de realidad virtual que lleva a cabo la simulación, compuesta de un gran número de módulos, pero una parte significativa de dicho esfuerzo ha estado destinado a la realización de programas auxiliares para usos específicos que han sido necesarios en un determinado instante para procesar los datos adquiridos en las campañas de registro, para probar métodos de control de dispositivos o para investigar posibles modos de incorporar nuevas capacidades al programa principal. A continuación se describe brevemente el software auxiliar más importante:? Análisis de vibraciones: Entre el software auxiliar desarrollado durante el proyecto destaca el programa de análisis de vibraciones, especialmente concebido para procesar los registros de vibraciones del minador obtenidos en las dos campañas de registro efectuadas en el Pozo Montsacro. En dichas campañas se empleó un sensor de vibraciones diseñado y construido por AITEMIN que fue fijado durante unas horas a la parte trasera del minador. Dicho dispositivo detectaba, amplificaba y acondicionaba las vibraciones en dos ejes (horizontal y vertical) en el rango comprendido entre 0,1 y 330 Hz, y la tensión resultante era muestreada a 2000 Hz y registrada en un ordenador portátil tipo laptop mediante un módulo de adquisición de datos DT9802 conectado al bus USB. En cada campaña, que duraba unas pocas horas, se efectuaban varios registros de una duración de cinco minutos cada uno mientras el minador efectuaba su labor habitual. Los hechos más característicos ocurridos durante el registro eran anotados en una libreta para posteriormente servir de guía durante el análisis y la interpretación de los datos. Al mismo tiempo se efectuaba el registro del sonido ambiente, con el fin de incorporarlo posteriormente a la simulación pero, como se indicó en el apartado , la calidad del sonido resultó deficiente y hubo que realizar una campaña de registro de sonidos específica. El programa de análisis de vibraciones importa los registros de vibraciones obtenidos, presenta los dos canales en pantalla con nivel de zoom ajustable, y espera las acciones del usuario. Éste debe comenzar por seleccionar la porción de registro que desea procesar, y luego indicar el tipo de proceso que quiere aplicar sobre dicha selección. El resultado del proceso se presenta en la parte inferior de la ventana. Cuando éste es satisfactorio, el usuario puede subir el resultado a la ventana superior, con lo cual pasa a constituir la base de partida para el siguiente proceso. Informe Final Actividades Barredo 17

19 Los procesos disponibles en el programa son:? Eliminación del nivel de offset (centrar la media en cero)? Transformación lineal (y = a? x + b)? Integración del registro (obtención de velocidades a partir de aceleraciones, o de desplazamientos a partir de velocidades, por ejemplo).? Filtrado de suavizado Gaussiano mediante convolución con un vector de coeficientes con forma de campana de Gauss de radio especificado.? Análisis frecuencial mediante el cálculo de los coeficientes máximo/mínimo/promedio de la FFT (transformada rápida de Fourier) en una serie de ventanas de longitud y solapamiento especificados.? Análisis frecuencial-temporal mediante el cálculo de los coeficientes de la FFT de una ventana de longitud especificada a lo largo del tiempo. Figura Resultado gráfico del análisis frecuencial-espacial de una pequeña porción de un registro de vibraciones del minador Informe Final Actividades Barredo 18

20 El estudio de los registros ha permitido determinar que la principal componente de la vibración del minador durante el arranque de material tiene una frecuencia característica de aproximadamente 11 Hz, por lo que la base motorizada para la plataforma fue seleccionada teniendo en cuenta este requisito.? Control de la plataforma: Otro programa auxiliar importante ha sido el programa de control de la base motorizada, que fue desarrollado para poner a prueba diversos algoritmos y técnicas para el control directo de sus tres grados de libertad a través de una tarjeta de salidas analógicas y entradas/salidas digitales DT332, que no cuenta con generador de interrupciones ni DMA. Este programa ha permitido desarrollar técnicas de temporización eficientes para asegurar una velocidad de refresco adecuada de las consignas de posición con el mínimo consumo de procesador posible, ha facilitado el análisis del comportamiento del sistema de movimiento, y ha permitido ensayar y poner a punto el efecto de vibraciones, choques y reacciones sobre el operador. Al realizar un estudio del comportamiento de la plataforma en la ejecución de vibraciones, se observó que, para amplitudes de consigna constantes, la amplitud de la respuesta disminuye a medida que se aumenta la frecuencia de la vibración, como era de esperar. Concretamente, la amplitud efectiva se reduce de forma aproximadamente uniforme desde los 0,1 Hz, a los que se alcanza la amplitud de consigna, hasta los 7 Hz, y prácticamente se anula a partir de los 10 Hz. En las graficas de la figura siguiente se puede observar la disminución del recorrido (amplitud), a medida que se aumenta la frecuencia. Para ciertas frecuencias existen amplitudes que no se pudieron ensayar para no deteriorar la mecánica y electrónica de la plataforma, debido a su brusquedad. Se detectaron con algunas asimetrías puntuales para una frecuencia dada (5 Hz), que no seguían un comportamiento esperado. Este problema se puede achacar, en parte, a la propia mecánica de la plataforma, las holguras, defectos de anclaje, etc., que influían en la amplitud efectiva produciendo un efecto de desplazamiento, no vertical como era esperado, sino en semi-circulo. Lo más interesante de este estudio fue el reconocimiento de las limitaciones mecánicas de la plataforma y la consiguiente adaptación de los movimientos, vibraciones y el software que los controla a dichas limitaciones. Informe Final Actividades Barredo 19

21 Frecuencia: 0.1 hz 150 Recorrido mm % amp 10% amp 20% amp 50% amp 100% amp Total 10 18, Superior 5,25 9,5 17, Inferior 4, , Frecuencia: 1hz 80 Recorrido mm % amp 10% amp 20% amp 50% amp Total 8,5 16, Superior 3,75 8, Inferior 4,75 8, Frecuencia: 3 hz 15 Recorrido mm % amp 10% amp 20% amp 50% amp Total 7 13 Superior 3,5 6,5 Inferior 3,5 6,5 Figura Detalle de algunas gráficas sobre el comportamiento de la plataforma. Informe Final Actividades Barredo 20

22 Desarrollo de la aplicación de realidad virtual La aplicación principal del sistema que lleva a cabo la simulación ha sido desarrollada en el lenguaje de programación Visual C++ incluido en el entorno de programación Microsoft Visual Studio 6.0, una potente herramienta de desarrollo de software. La aplicación está integrada por un gran número de módulos independientes para cada componente del simulador: control de la cinemática del modelo, control de choques entre elementos del modelo, control del movimiento de la plataforma, control de los sonidos, control del módulo de adquisición de datos para bus USB, control del dispositivo de localización, control de la geometría de la zona excavada, etc, todos ellos integrados y sincronizados con el bucle del programa principal. Como se indicó en el apartado , para el desarrollo del software del simulador se han utilizado las librerías WTK (WorldToolKit R9). Con las funciones de WTK se carga el modelo en formato VRML (exportado desde 3D Studio MAX), y los objetos constituyentes se localizan por su nombre y se mueven de acuerdo con la jerarquía del modelo. Así, si un objeto es rotado o desplazado, también lo son sus descendientes, pero el movimiento no afecta a sus ascendientes. De este modo la máquina puede ser movida de forma semejante a la realidad. A partir del modelo en formato VRML también se obtiene la información geométrica (distancias y ángulos) necesaria para realizar los movimientos de los sistemas hidráulicos de la máquina, que son movimientos complejos en los que están involucradas varias piezas articuladas. Las operaciones más relevantes que se llevan a cabo mediante funciones de WTK son las siguientes:? Carga de los modelos geométricos contenidos en ficheros con formato VRML.? Adición, supresión y modificación de objetos de los modelos.? Aplicación de movimientos de rotación y translación a los objetos en función de las jerarquías de los modelos.? Definición del punto de vista del operador.? Asignación de propiedades visuales de los objetos, tales como color, reflectividad especular y difusa, asignación de texturas, etc.? Obtención de información geométrica sobre los objetos (posición, orientación, tamaño).? Generación de imágenes estereoscópicas para mejorar la impresión de realismo del operador (requiere gafas especiales 3D, y proyector 120 hz).? Generación de polvo (niebla), dificultando la visibilidad del frente.? Obtención de datos de dispositivos auxiliares para aplicaciones de Realidad Virtual, como sensores de posición y orientación (trackers), space-balls, etc. Informe Final Actividades Barredo 21

23 El aprendizaje y perfeccionamiento en el uso de las herramientas de WTK han requerido mucho tiempo. Además se han programado sucesivas versiones de la aplicación, en las que paulatinamente se incrementaba la complejidad mediante la incorporación de nuevos módulos. La aplicación de Realidad Virtual para el simulador del minador consta de una etapa de inicialización y de un bucle con dos tareas fundamentales: proceso y presentación. El proceso actualiza el modelo geométrico en función de los modelos físicos del minador y su entorno, que a su vez dependen de las actuaciones externas y del tiempo. Actualmente, se dispone de un programa con numerosas opciones que permite efectuar todos los movimientos del modelo del minador dentro del modelo de la galería y presentar las imágenes desde cualquier punto de vista. La figura siguiente muestra el aspecto de las imágenes generadas en tiempo real para su visualización por parte del operador durante el manejo virtual de la máquina. Figura Vista del operador generada por el simulador. Informe Final Actividades Barredo 22

24 El programa incorpora la posibilidad de fijar multitud de parámetros en un archivo de configuración editable en modo texto, mediante el cual se puede ajustar su funcionamiento tanto a las características del simulador, como a los elementos que lo integran en un momento dado, y las propiedades del sistema de visualización (separación de la pantalla del operador, parámetros para variar las percepciones del operador dentro del simulador, profundidad, polvo, etc.). Entre los elementos que percibe el operador, se puede configurar, entre otros:? La velocidad de desplazamiento del minador (las orugas).? La velocidad de desplazamiento de los elementos hidráulicos (pala cargadora, torreta de giro, brazo de corte, patín estabilizador, páncer, etc.).? La intensidad de la luz del entorno de trabajo.? La intensidad del polvo, su velocidad de aparición, su velocidad de atenuación.? Intensidad de la humedad (generada por el agua pulverizada en el frente), que afecta directamente a la aparición del polvo.? El tamaño de la galería en el frente de arranque.? El tipo de material existente en el frente.? Cambio y configuración total de los sonidos generados por el simulador (posición, volumen, etc.).? Cambio y configuración total de los movimientos generados por el minador (sacudidas, desplazamientos, vibraciones, etc.). Durante la simulación el programa almacena todos aquella información que pueda ser útil al instructor para realizar la evaluación del alumno (actuaciones de éste sobre el minador y el entorno, volumen rozado, choques, sobreesfuerzos, tiempo de respuesta, etc.). Algunos de los resultados guardados para su posterior análisis son:? Estado de la galería rozada, distancia trabajada, forma, etc.? Situaciones de choques del minador con los elementos de la galería (cuadros, tubos, suelo, etc.).? Manipulación y orden de actuación de los distintos mandos de control y palancas, para detectar si el orden de activación ha sido el adecuado en cada situación.? Tiempo de respuesta de actuación para una acción dada, (por ejemplo para detectar si se activó el agua en el momento adecuado, etc.).? Sobreesfuerzo al que se ha sometido la máquina. Informe Final Actividades Barredo 23

25 Modelo dinámico para modificar la superficie 3D de la galería en el tiempo real: Una de las tareas más importantes en el desarrollo del software de simulación es la aplicación de un algoritmo para el modelado geométrico dinámico de la masa de roca y carbón que es arrancada por el minador. Este algoritmo se enfoca en la generación automática, en tiempo real, del modelo 3D de la superficie de arranque, según la excavación a llevada a cabo por el minador. Dado que no se conocían algoritmos para lograr esta tarea, se ha diseñado y desarrollado un método totalmente nuevo. El frente de arranque va avanzando a medida que es desgastado por el cabezal de corte del minador. Por consiguiente, el modelo 3D del frente debe modificarse dinámicamente, pero ésta es una tarea compleja, porque un modelo 3D no es sólo un juego de vértices (los puntos 3D en el espacio, definidos por sus coordenadas) sino también un juego de polígonos (definidos como listas de vértices) que definen la superficie del frente. La evolución de esta superficie, asegurando que el frente crece sin dejar ningún hueco detrás, es la dificultad real de esta tarea. Ha sido necesario dedicar un gran esfuerzo para lograr un algoritmo viable que se ejecute en un tiempo razonable y produzca una superficie lisa con suficiente calidad para ser usada en la simulación. El modelo de la superficie del frente requerido para generar la galería en el sistema 3D ha sido combinado con otro modelo para caracterizar el material en el espacio. El modelo del material es una matriz 3D, donde cada elemento recoge la información sobre el volumen del correspondiente cubo en el espacio. Los valores admisibles para el material pueden ser: vacío (ya excavado), carbón o algún tipo de roca. De esta manera, el proceso de arranque de la roca puede ser fácilmente modelizado a partir de la forma geométrica de la cabeza de corte y la evolución de su posición en el tiempo. Esta matriz proporciona una representación muy buena de la excavación, pero no es conveniente para la visualización en un sistema 3D VR, porque el modelo aparecería como una acumulación de ladrillos constituyendo las paredes del frente. Además, la visualización de este modelo 3D requería muchos recursos si todos los cubos existentes se trasladaran al modelo de representación en 3D, porque hay un gran número de ellos. Se han considerado varios algoritmos para el manejo del crecimiento del frente, pero sólo uno cumplía los requisitos mínimos en cuanto a prestaciones y simplicidad. El algoritmo seleccionado emplea el concepto de "Cubo de Vértices" o COV, diferente de los cubos de material definidos en la matriz 3D del material. Un COV se define como el cubo que tiene como vértices los centros de ocho cubos de material adyacentes: cada vértice puede ser considerado como "lleno" o "vacío", según el valor de su material. Como un cubo tiene 8 Informe Final Actividades Barredo 24

26 vértices y cada vértice puede tomar el valor "lleno" o "vacío" (dos posibilidades), hay teóricamente 2 8 (= 256) variaciones de COVs. Así que nosotros sólo tenemos que diseñar un juego de polígonos para modelar cada posible tipo de COV. Un COV sólo genera una porción de superficie si pertenece a la superficie del frente. Es decir, cuando contiene tanto vértices "llenos" como "vacíos". Si un COV tiene todos los vértices "llenos", no produce ningún polígono porque está contenido dentro de la roca y no presenta ninguna superficie expuesta. Si un COV tiene todos los vértices "vacíos". no produce ningún polígono porque está contenido dentro del volumen de la galería, y no tiene ya contacto con la roca. En ambos casos no se generan superficies, y no se gastan recursos. Existen otras configuraciones de COV "degeneradas" que tampoco generan polígonos. Además, de las 256 posibilidades teóricas, muchas de ellas son la misma configuración de vértices con una orientación diferente, por lo que podemos usar el concepto de meta-tipos para agrupar varios COVs. Un resumen de las superficies generadas por los meta-tipos de COV diferentes se muestra en la figura siguiente: 1 Empty 2 Empty Empty vertex 3 Empty 4 Full 3 Full Full vertex Figura Superficies producidas por cada meta-tipo de COVs. Informe Final Actividades Barredo 25

27 La programación de este algoritmo ha resultado compleja, y ha debido prestarse especial atención a la uso de la memoria para emplear la cantidad más pequeña posible manteniendo el rendimiento. Por consiguiente, la memoria empleada por polígonos y vértices se reutiliza de forma inteligente. La aplicación de este nuevo algoritmo en un módulo del programa ha tenido éxito, y resolvió el problema de la generación dinámica de la superficie del frente con un uso limitado de memoria y recursos del ordenador. El algoritmo cumple los dos requisitos originales: la superficie tiene un aspecto liso y realista y su rápida generación permite su funcionamiento en tiempo real. La figura siguiente presenta el resultado de una ejecución especial del programa con presentación de la superficie del frente en modo wireframe para poder apreciar mejor su geometría. Figura Superficie del frente generada dinámicamente por el cabezal de corte Informe Final Actividades Barredo 26

28 Acondicionamiento y preparación de la sala para el simulador Para el emplazamiento del simulador durantes las fases de desarrollo, montaje y pruebas se habilitó una zona adecuada en el edificio del antiguo botiquín del pozo Barredo, donde se acondicionaron dos salas adyacentes, una para la instalación del simulador y otra para el puesto del desarrollador o del instructor. Dichas salas fueron dotadas de infraestructura eléctrica y de conexión a la red telefónica e informática del Centro. Se utilizó un modelo 3D de AutoCAD para diseñar la distribución y las instalaciones, como se muestra en la figura siguiente. Figura Vista exterior del edificio donde se ha instalado el simulador Figura Diseño de las salas destinadas a la instalación del simulador Informe Final Actividades Barredo 27

29 Integración del sistema de simulación: interfaz con el operador El simulador del minador AM50 esta compuesto por varios subsistemas físicos independientes, que han sido integrados en la aplicación a través de los correspondientes módulos de software, desarrollados expresamente durante el proyecto.: A continuación se incluye una breve descripción de cada uno de estos subsistemas y sus características más importantes.? Subsistema de sonido: Se ha instalado un sistema de sonido envolvente de 6 vías, que permite reproducir sonidos grabados en la mina con gran calidad, y que además sirve para que cada sonido parezca llegar al operador desde la posición donde se produce, como ocurre en la realidad. El sistema de sonido consta de 5 altavoces satélites (dos al lado izquierdo, dos al lado derecho y uno central delantero) rodeando al operador que se sitúa en el centro, y un subwoofer colocado cerca del operador, que reproduce las vibraciones de baja frecuencia que no pueden ser generadas por la plataforma móvil (a partir de 20 hz), y hace las veces de amplificador. Para poder acceder a esta característica (sonidos envolventes) se ha tenido que desarrollar un módulo de software específico, que utiliza las funciones multimedia de DirectX 7.0. Figura Detalle de conexiones del subwoofer/amplificador del sistema de sonido envolvente y uno de los 5 altavoces satélites Informe Final Actividades Barredo 28

30 ? Subsistema de visualización: En un principio se consideraron diversas configuraciones de proyección para este subsistema, pero fueron descartadas debido al reducido espacio disponible. Finalmente se seleccionó un sistema de visualización por retroproyección, de alta calidad y gran tamaño, que proporciona al operador una imagen detallada que cubre un ángulo visual muy amplio, facilitando la inmersión. El conjunto completo de visualización consta de un proyector, un espejo para retroproyección y una pantalla de grandes dimensiones, según se muestra en la figura siguiente. Todos ellos deben mantenerse perfectamente alineados, tanto en sus ángulos de inclinación como en las distancias entre ellos y hacia el punto de vista. Figura Estudio de posición y orientación de los elementos de visualización La pantalla es de grandes dimensiones, 120 pulgadas de diagonal (243 x 182 centímetros), proporción 4:3, de la marca Stewart. Está construida con el material Dataplex 160, cuyas propiedades difusoras y acabado mate proporcionan un excelente contraste a la imagen proyectada. Informe Final Actividades Barredo 29

31 Se adquirió un proyector Liesegang ddv1800, basado en tecnología DLP, que proporciona una alta luminosidad y nitidez de imagen. Sin embargo, este tipo de proyectores no admite la proyección de imágenes estereoscópicas activas, ya que esta tecnología aún no es capaz de alcanzar los 120 Hz necesarios para poder presentar 60 imágenes por segundo a cada ojo. Por ello, al final del proyecto se contempló la posibilidad de adquirir otro tipo de proyector que sí permita visión estereoscópica. Figura Sistema de montaje para el proyector Liesegang ddv1800 Aunque este sistema, inicialmente, no funciona en modo estéreo, debido a las limitaciones del proyector, se han realizando pruebas de visión estereoscópica, a través del monitor de alta calidad incorporado en el equipo y usando unas gafas activas CristalEyes3 de Stereo Graphics. Estas gafas están sincronizadas con la tarjeta de vídeo a través de un dispositivo de infrarrojos, de tal modo que cuando se presenta una imagen para un ojo, bloquean la visión del otro, alternando ambos ojos a una frecuencia de 60 Hz. Esto permite que el operador aprecie una sensación de relieve similar a la que tendría en la realidad. De esta forma el sistema se ha dejado listo para poder incorporar la visión estereoscópica en el futuro sin ninguna modificación adicional. Informe Final Actividades Barredo 30

32 ? Subsistema de movimiento: El subsistema de movimiento consiste en una plataforma móvil con 3 grados de libertad (giro respecto a los ejes X e Y y desplazamiento en Z) fabricada por la firma Servos & Simulation. La plataforma está basada en el modelo SP, pero ha sido dotada de motores de ½ C.V. (ver figura siguiente) para incrementar la carga útil a 700 libras (unos 300 kg). Se trata de una plataforma sencilla y de bajo coste, pero con ella pueden simularse vibraciones de hasta Hz producidas por los elementos mecánicos del minador, motores, cilindros hidráulicos, arranque de material, etc, así como los desplazamientos ocasionados como reacción a los movimientos de los elementos del minador, y las sacudidas correspondientes a choques y situaciones de tensión del brazo de arranque sobre el frente. Con este mecanismo se intenta transmitir al operador la situación de esfuerzo a la que está sometida la máquina, ya que debido a las condiciones del entorno de trabajo, (alto nivel de ruido y visibilidad reducida, etc.), el operario necesitará toda la información posible para poder responder adecuadamente en cada situación. Figura Aspecto de la plataforma móvil de 3 GDL junto a su unidad de control Las dificultades encontradas en el desarrollo del módulo de control de la plataforma ya fueron descritas en el apartado , por lo que no se repiten aquí. Informe Final Actividades Barredo 31

33 Un problema que se observó tempranamente en los motores fue su escasa ventilación, debido a que los motores tienden a pasar más tiempo manteniendo la posición que moviéndose, con lo que están prácticamente parados y el sistema de autoventilación no funciona adecuadamente, elevándose su temperatura hasta niveles excesivos. Para solucionar este problema se acoplaron externamente a las carcasas unos pequeños ventiladores, alimentados independientemente de los motores, que inducen una ventilación forzada que reduce notablemente la temperatura de los mismos. Otro problema que aparecía frecuentemente era la desactivación imprevista de alguno de los motores por el disparo de la protección por sobrecarga del variador correspondiente. Consultado el fabricante, se determinó que uno de los parámetros de control de los variadores (boost, que corresponde al porcentaje de la tensión nominal aplicada al motor parado no había sido ajustado correctamente para corresponder al incremento de potencia de los motores respecto al modelo base. Tras reprogramar dicho valor, el problema desapareció. Figura Interior de la unidad de control con los variadores que gobiernan los motores Informe Final Actividades Barredo 32

34 ? Subsistema de control (puesto de mando): Se ha construido una reproducción del puesto de mando del operador de un minador AM50, incluyendo una interfaz electrónica para el panel de mandos eléctricos y las palancas hidráulicas que captura y envía al ordenador todas las órdenes del operador. Los mandos eléctricos e hidráulicos del puesto de control van montados sobre una estructura que reproduce con bastante fidelidad el puesto de mando del minador. Esta estructura se ha realizado en su mayor parte con materiales no metálicos, para reducir al máximo su peso (la carga útil de la plataforma que la soporta es de unos 300 kg) y reducir las posibles interferencias con el sistema de localización descrito anteriormente. Figura Despiece de la estructura del puesto de mando del operador. Potentiometers Hydraulic levers Figura Detalle de los planos de construcción de los controles hidráulicos Informe Final Actividades Barredo 33

35 La construcción del puesto de mando se ha realizado en fibra de vidrio sobre una estructura metálica, que a su vez se fija sobre la plataforma móvil. Sobre este puesto de mando se ha incorporado un sistema que simula la acción mecánica de las palancas hidráulicas (ver figura anterior), y que incorpora una batería de potenciómetros que detectan la acción del operador sobre los mandos hidráulicos. Dichos potenciómetros están conectados a una tarjeta de interfaz alojada en el interior del panel de control. A esta tarjeta también están conectados los conmutadores del panel de control, que son manejados por el operador (encendido de la máquina, sistema hidráulico, desplazamiento del minador, etc.), como se puede observar en la figura siguiente. La tarjeta de interfaz está conectada directamente a las entradas y salidas analógicas de un módulo de adquisición de datos DT9802, que a su vez se conecta al ordenador principal a través del bus USB. Figura Detalle de los elementos de control del puesto de mando Las siguientes imágenes permiten comparar el parecido entre el aspecto del puesto de mando real de un minador AM50 y el del puesto de mando del simulador. Informe Final Actividades Barredo 34