desenvolvimento e avaliaÇÃo funcional de um...
TRANSCRIPT
FABIANO LEONIDA
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO FUNCIONAL DE UM SISTEMA DE DIREÇÃO VEICULAR PARA
APLICAÇÃO EM SIMULADORES PROFISSIONAIS
FLORIANÓPOLIS, 2013
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS DE FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
MESTRADO PROFISSIONAL EM MECATRÔNICA
FABIANO LEONIDA
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO FUNCIONAL DE UM SISTEMA DE DIREÇÃO VEICULAR PARA USO
EM SIMULADORES
Dissertação submetida ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos de obtenção do título de Mestre em Mecatrônica.
Orientador: Prof. Dr. Eng. André Roberto de Sousa
Coorientador: Prof. Dr. Eng. Valdir Noll
FLORIANÓPOLIS, 2013
Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC Biblioteca Dr. Hercílio Luz – Campus Florianópolis Catalogado por: Edinei Antonio Moreno CRB 14/1065
CDD 629.2 L585d Leonida, Fabiano Desenvolvimento e avaliação funcional de um sistema de direção veicular para o uso em simuladores [DIS] / Fabiano Leonida; orientação de André Roberto de Sousa. – Florianópolis, 2013. 1 v. : il. Dissertação (Mestrado Profissional em Mecatrônica) – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Inclui referências. 1. Simuladores. 2. Simulador veicular. 3. Autoescola. I. Sousa, André Roberto de. II. Título.
FABIANO LEONIDA
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO FUNCIONAL DE UM SISTEMA DE DIREÇÃO VEICULAR PARA USO
EM SIMULADORES Esta dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de “Mestre em Mecatrônica”, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.
Florianópolis, 29 de Julho de 2013.
________________________________ Prof. Roberto Alexandre Dias, Dr. Eng.
Coordenador do Curso Banca Examinadora:
________________________ Prof. André Roberto de Sousa, Dr. Eng.
Presidente
________________________ Prof. Valdir Noll, Dr. Eng.
Membro Interno
________________________ Manuel Steidle, M. Sc. Eng.
Membro Externo - Fundação CERTI
Dedico este trabalho a minha esposa Maria Aparecida, ao meu filho Arthur e a minha filha Alice, a mais nova integrante da família. O amor que tenho por vocês é imensurável e sou muito feliz ao sentir que a reciprocidade existe. Vocês são as minhas fontes inesgotáveis de energia, que não me deixam cair e que ao menor gesto de declínio me erguem com extremo vigor. Amo demais vocês.
AGRADECIMENTOS
Meus sinceros agradecimentos a todo o corpo docente do Instituto Federal de Santa Catarina que contribuiu muito para a ampliação dos meus conhecimentos e em especial ao meu orientador, o Prof. André Roberto de Sousa, que magnificamente conduziu o seu trabalho de orientação com clareza e objetividade e me permitiu superar diversas dificuldades.
Agradeço também a Fundação CERTI pelo incentivo ao desenvolvimento profissional e por ceder à estrutura de seus laboratórios. Um agradecimento especial ao diretor do centro de mecatrônica Manuel Steidle que com suas palavras de incentivo e apoio ao projeto sempre me motivaram a seguir adiante. Também aos amigos do centro, Charles Fiamoncini por todo esforço despendido nos projetos mecânicos, ao Matheus Schwaab, graduando que com grande empenho prestou ajuda ao projeto, ao colega Ricardo Pralon que sempre objetivo e prestativo contribuiu com seu conhecimento, ao colega Alexandre Marcondes pelo auxílio com as ferramentas de avaliação metrológica, ao Dionísio Romão e ao Carlos Roberto Mariano dos Santos que trabalharam na fabricação e montagem do protótipo mecânico, ao David Guilherme Pimentel Burgoa que auxiliou na definição dos elementos de atuação do sistema, enfim a todos os amigos do centro de mecatrônica que tornam o meu ambiente de trabalho um segundo lar.
Também não poderia deixar de agradecer a Deus que com amor colocou-me nos braços de pais tão maravilhosos e na companhia dos meus irmãos e minha irmã, pessoas que sempre me apoiaram e contribuíram para o meu sucesso.
Estendo minha gratidão também a todos os demais amigos e familiares que aqui não mencionei, mas que fazem parte da minha vida e estar na presença de vocês é sempre uma benção.
Nenhum homem realmente produtivo pensa como se estivesse escrevendo
uma dissertação.
Albert Einstein
RESUMO Atualmente, o uso de simuladores vem ser tornando a
cada dia mais popular no treinamento de pessoas ou equipes. Recentemente no Brasil, o Departamento Nacional de Trânsito (DENATRAN), tornou lei o uso de simuladores veiculares em todos os Centros de Formação de Condutores com prazo limite para adaptação à nova regra até o término do ano de 2013.
Neste trabalho procurou-se apresentar alguns dos principais tipos de simuladores existentes no mundo, entender como o mercado brasileiro se posiciona no uso destas tecnologias e os principais requisitos regulamentados pelo DENATRAN para a comercialização de simuladores veiculares no país.
Aspectos importantes que visam determinar de forma geral o grau de fidelidade dos simuladores são estudados em detalhes, procurando repassar as dificuldades que existem para determinação exata do grau de realidade destes equipamentos.
Por fim, um caso prático de desenvolvimento de um protótipo de sistema de direção veicular é descrito ao final desta dissertação, apresentando um conjunto de avaliações que procuram entender melhor o grau de fidelidade dos simuladores em forma de parâmetros objetivos.
Palavras-chave: Simuladores; Simulador veicular; Fidelidade Funcional; Autoescola.
ABSTRACT At present, the use of simulators for training people or
teams is becoming increasingly popular. Recently, in Brazil, the National Transit Department (Departamento Nacional de Trânsito – DENATRAN) made into law the use of vehicular simulators in all driving schools, with a deadline for compliance until the end of 2013.
This dissertation attempts to present some of the main types of simulators currently existing in the world, to understand how the Brazilian market is positioned in the use of such technologies, and the main requisites regulated by DENATRAN for commercialization of vehicular simulators in the country.
Important aspects that aim to determine in general the degree of fidelity of simulators are studied in detail, seeking to review the difficulties found in determining the exact degree of realism of this equipment.
Finally, a practical case of the development of vehicular steering system prototype is described at the end of this dissertation, presenting a set of evaluations that seek to better understand the degree of realism of simulators through objective parameters.
Keywords: Simulators; Vehicular simulators; Functional fidelity; Driving school.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – SIMULADOR DE TREM DA VALE ........................................................... 20 FIGURA 2 – SIMULADOR DO HELICÓPTERO DE COMBATE NH90 ................................ 20 FIGURA 3 – SIMULADORES DE TIROS – TREINAMENTOS DE POLICIAIS .......................... 21 FIGURA 4 – PARASIM SIMULADOR DE VOO DE PARAQUEDAS .................................... 21 FIGURA 5 – PROTÓTIPOS DE SIMULADORES VEICULARES........................................... 22 FIGURA 6 – SIMULADOR VEICULAR DE MESA .......................................................... 28 FIGURA 7 – IMAGEM DOS JOGOS FLIGHT SIMULATOR X E F1 2012 ........................... 29 FIGURA 8 – SIMULADOR DE VOO ESTÁTICO DE AERONAVES EMBRAER ......................... 30 FIGURA 9 – SIMULADOR VEICULAR DE ALTO DESEMPENHO E CUSTO ........................... 30 FIGURA 10 – PROTÓTIPOS DE SIMULADORES VEICULARES BRASILEIROS ....................... 31 FIGURA 11 – SIMULADOR DE TREM ADQUIRIDO PELA EMPRESA CPTM ....................... 31 FIGURA 12 – SIMULADOR DE HELICÓPTERO DO EXÉRCITO BRASILEIRO ......................... 32 FIGURA 13 – SIMULADOR DE CAMINHÕES DORON 660TRUCK .................................. 32 FIGURA 14 – SIMULADOR RDV 1000 DA AUTOESCOLA SAPUCAÍ - MG ...................... 33 FIGURA 15 – SIMULADOR VEICULAR DA EMPRESA PROSIMULADOR ............................ 34 FIGURA 16 – CONJUNTO DE COMPONENTES DE UM SIMULADOR VEICULAR .................. 35 FIGURA 17 – CONFIGURAÇÕES DE SIMULADORES PARA ESTUDO DE TREINAMENTO EM
AUTOESCOLAS ......................................................................................... 40 FIGURA 18 - TAXAS DE ACIDENTES ACUMULADOS PARA CADA GRUPO DE TREINAMENTO EM
SIMULADOR. ........................................................................................... 41 FIGURA 19 - CENÁRIOS DE SIMULAÇÃO E REQUISITOS DE CONTROLE EM SISTEMAS DE
DIREÇÃO PRESENTES EM SIMULADORES VEICULARES ........................................ 46 FIGURA 20 - SUBSISTEMAS DO PROTÓTIPO DE SISTEMA DE DIREÇÃO ........................... 48 FIGURA 21 – CONJUNTO DE POLIAS DO SISTEMA DE REDUÇÃO EM DUPLO ESTÁGIO DA
DIREÇÃO VEICULAR ................................................................................... 50 FIGURA 22 – MODELO 3D DO PROTÓTIPO DE DIREÇÃO VEICULAR PROJETADO ............. 51 FIGURA 23 – CONJUNTO DRIVER E SERVOMOTOR PANASONIC .................................. 52 FIGURA 24 – DIAGRAMA DE INTERCONEXÃO DA MOTION CONTROLLER COM O CONJUNTO
DRIVER E SERVOMOTOR ............................................................................. 52 FIGURA 25 - FLUXOGRAMA SIMPLIFICADO DO APLICATIVO WINSTEERINGWHEEL ......... 54 FIGURA 26 – FLUXO DOS DADOS DO CONTROLE DE DIREÇÃO VEICULAR DO SIMULADOR .. 55 FIGURA 27 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO EM BANCADA ......................................... 56 FIGURA 28 – CENÁRIO DE CALIBRAÇÃO DO TORQUE ................................................ 61 FIGURA 29 – CURVAS DE CALIBRAÇÃO ESTÁTICA DE TORQUE NO SENTIDO HORÁRIO ...... 63 FIGURA 30 – CURVAS DE CALIBRAÇÃO ESTÁTICA DE TORQUE NO SENTIDO ANTI-HORÁRIO64 FIGURA 31 – CENÁRIO DO CONTROLE DE ESTABILIDADE DE TORQUE ........................... 66 FIGURA 32 – CURVA DE ESTABILIDADE ESTÁTICA .................................................... 67
FIGURA 33 – CURVAS DE TEMPO DE RESPOSTA AO DEGRAU ...................................... 69 FIGURA 34 – RESPOSTA DINÂMICA DO TORQUE AO COMANDO .................................. 71 FIGURA 35 – RESPOSTA DINÂMICA: ATRASOS NA RESPOSTA ...................................... 71 FIGURA 36 – AVALIAÇÃO DE PERPENDICULARIDADE E COAXIALIDADE DO VOLANTE ........ 73 FIGURA 37 – AVALIAÇÃO DE PERPENDICULARIDADE DO VOLANTE .............................. 73 FIGURA 38 – MEDIÇÃO DE CONCENTRICIDADE ENTRE MANCAIS ................................. 74 FIGURA 39 – EIXO BIPARTIDO DO VOLANTE ........................................................... 76 FIGURA 40 – EIXO DO VOLANTE EM BARRA ÚNICA COM DOIS ROLAMENTOS DE APOIO.... 77 FIGURA 41 – VOLANTE DE EIXO ÚNICO COM CAIXA DE REDUÇÃO DE QUATRO POLIAS ..... 78 FIGURA 42 – DIAGRAMA DE BLOCOS DO SISTEMA DE DIREÇÃO COM PLACA DE CONTROLE
PROPRIETÁRIA ......................................................................................... 79
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................. 19
1.1 DISSEMINAÇÃO DOS SIMULADORES PROFISSIONAIS ................................. 19 1.2 PROPOSTA DO TRABALHO .................................................................. 23 1.3 OBJETIVOS ..................................................................................... 24
1.3.1 Objetivo Geral ........................................................................ 24 1.3.2 Objetivos Específicos .............................................................. 24
1.4 PONTOS DE MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO ........................................ 25 1.5 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ............................................................. 25
2. SIMULADORES PROFISSIONAIS ...................................................... 27
2.1 IMPORTÂNCIA E BENEFÍCIOS DA SIMULAÇÃO OPERACIONAL ..................... 27 2.2 TIPOS DE SIMULADORES.................................................................... 28 2.3 SIMULADORES VEICULARES NO BRASIL................................................. 33 2.4 COMPONENTES DE UM SIMULADOR VEICULAR ...................................... 34 2.5 REGULAMENTAÇÃO DO SIMULADOR VEICULAR NO BRASIL ....................... 35
3. REQUISITOS FUNCIONAIS DE SIMULADORES VEICULARES .............. 37
3.1 ARMADILHAS DA SIMULAÇÃO ............................................................ 37 3.2 FIDELIDADE FUNCIONAL DOS SIMULADORES VEICULARES ........................ 38 3.3 AVALIAÇÃO DA FIDELIDADE FUNCIONAL DE SIMULADORES ....................... 42 3.4 FORMAS DE AVALIAÇÃO .................................................................... 45 3.5 IMPORTÂNCIA DO SISTEMA DE DIREÇÃO NA FIDELIDADE DE MOVIMENTO EM
SIMULADORES VEICULARES ............................................................................ 45
4. DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPO DE SISTEMA DE DIREÇÃO VEICULAR ............................................................................................... 48
4.1 PROJETO E SUBSISTEMAS MECÂNICOS ................................................. 49 4.2 PROJETO ELÉTRICO .......................................................................... 51 4.3 SOFTWARE DE CONTROLE ................................................................. 53 4.4 INTEGRAÇÃO E IMPLEMENTAÇÃO EM BANCADA ..................................... 56 4.5 CUSTOS DE PRODUÇÃO DO PROTÓTIPO ................................................ 57
5. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL E OTIMIZAÇÃO DO SIMULADOR ........ 59
5.1 CARACTERÍSTICAS AVALIADAS ............................................................ 59 5.2 CALIBRAÇÃO DO SISTEMA ................................................................. 60
5.2.1 Recursos usados para medir as curvas de torque .................. 61
5.2.2 Descrição detalhada do teste ................................................. 62 5.2.3 Análise dos dados ................................................................... 63
5.3 AVALIAÇÃO DE ESTABILIDADE DE POSIÇÃO ............................................ 64 5.3.1 Recursos usados na avaliação ................................................ 65 5.3.2 Descrição detalhada do teste ................................................. 65 5.3.3 Análise dos dados ................................................................... 66
5.4 TEMPO DE RESPOSTA ....................................................................... 67 5.4.1 Recursos usados na avaliação ................................................ 67 5.4.2 Descrição detalhada do teste ................................................. 68 5.4.3 Análise dos dados ................................................................... 68
5.5 RESPOSTA DINÂMICA ....................................................................... 69 5.5.1 Recursos usados na avaliação ................................................ 69 5.5.2 Descrição detalhada do teste ................................................. 70 5.5.3 Análise dos dados ................................................................... 70
5.6 AVALIAÇÃO DA ESTRUTURA MECÂNICA ................................................ 72
6. CONCLUSÕES .................................................................................. 75
6.1 DISCUSSÃO SOBRE OS RESULTADOS ..................................................... 75 6.2 PROPOSTAS DE MELHORIAS ............................................................... 77
6.2.1 Modificação do eixo bipartido do volante .............................. 77 6.2.2 Modificação da caixa de redução do sistema de direção ....... 78 6.2.3 Implementação de um controlador PID .................................. 79
6.3 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................ 80
REFERÊNCIAS .......................................................................................... 82
1. INTRODUÇÃO De acordo com a definição literal, simuladores são
aparelhos capazes de reproduzir o comportamento de outro aparelho cujo funcionamento se deseja estudar, ou de um corpo cuja evolução se quer seguir.
Os simuladores, dentro do âmbito profissional, podem ser usados tanto para treinamentos como também para avaliação ou validação de experimentos e projetos, e em muitas áreas são ferramentas indispensáveis, o que justifica a sua disseminação crescente. Em eletrônica, por exemplo, simuladores são comumente usados para validar ou estudar o comportamento de um determinado circuito eletrônico, e muitas vezes este artifício representa grande economia de recursos financeiros.
1.1 DISSEMINAÇÃO DOS SIMULADORES PROFISSIONAIS Atualmente podemos encontrar simuladores disponíveis
para diversas áreas. Existem simuladores financeiros, de aeronaves ou naves espaciais, de veículos terrestres, de circuitos eletrônicos, de estruturas mecânicas, etc. O fator para que estes equipamentos ou programas sejam tão explorados, se deve ao fato deles permitirem que situações críticas e de difícil treino ou estudo possam ser criadas num ambiente virtual controlado e seguro. O aspecto financeiro também é outro atrativo que, dependendo da aplicação, pode sofrer reduções expressivas de custo operacional.
Hoje em dia é muito comum encontrarmos simuladores auxiliando profissionais de diversas áreas em seus projetos, contribuindo para a aceleração no desenvolvimento de produtos complexos, reduzindo o tempo de projeto e melhorando o resultado final do trabalho.
No Brasil segundo a ANPEI (2010), a mineradora Vale Do Rio Doce investiu 2,5 milhões de reais numa parceria com a USP
1 e desenvolveu o melhor simulador de trem do mundo para
treinar maquinistas, melhorando a segurança e reduzindo o consumo de combustível, desgaste das locomotivas e dos
1 Universidade de São Paulo
20 vagões. Na Figura 1 é possível ver uma imagem externa da cabine deste simulador.
Na Alemanha, segundo a página da internet da Aviation Week (2009) que foca em artigos voltados para a aviação, foi publicado que em 15 de janeiro de 2009 aconteceu a inauguração do primeiro simulador de helicóptero militar NH90 do mundo, com um investimento de 488 milhões de euros e financiado pela iniciativa privada. A Figura 2 mostra imagens externa e interna do equipamento.
Figura 1 – Simulador de trem da Vale
Fonte: (EXAME, 2012)
Figura 2 – Simulador do helicóptero de combate NH90
Fonte: (AVIATION WEEK, 2009)
21
Outra área interessante para o uso de simuladores é na preparação de policiais, permitindo o ensino desde conceitos básicos na manipulação de armas de fogo até no treinamento em operações especiais.
O departamento de polícia da cidade de Biloxi no estado de Mississippi, Estados Unidos, conta com uma estrutura de simulação usada em treinamentos da equipe. Este mesmo recurso também é utilizado pelo departamento de polícia da cidade de Los Angeles na Califórnia, Estado Unidos, que conta com 28 simuladores usados no treinamento de mais de 9 mil policiais (GRIFFITH, 2009).
Na Figura 3 é possível ver o cenário de alguns destes simuladores.
Figura 3 – Simuladores de tiros – treinamentos de policiais
Fonte: (GRIFFITH, 2009)
Atualmente é muito grande a diversidade destes
equipamentos. A empresa Systems Technology Inc., situada na cidade de Hawthorne na Califórnia, Estados Unidos, criou há 20 anos um simulador de vôos de paraquedas. O equipamento foi criado com base na necessidade de treinar melhor as equipes da US Forestry Service Smoke Jumpers, que atua no combate ao fogo em florestas (SYSTEM TECHNOLOGY INC., [s.d.]).
Figura 4 – Parasim Simulador de Voo de Paraquedas
Fonte: (SYSTEM TECHNOLOGY INC., [s.d.])
22
Sem dúvida, o uso de simuladores em ambientes profissionais vem crescendo rapidamente.
No Brasil, dentro das autoescolas, estes equipamentos já estão surgindo para substituir em parte as aulas práticas realizadas em veículos reais. A simulação permite aos centros de formação de condutores (CFC) sistematizar o ensino, oferecendo aos alunos lições específicas para cada situação do mundo real. Um dos grandes benefícios deste ambiente é permitir ao instrutor colocar o condutor aprendiz em situações críticas de trânsito, visando estimular e aprimorar a habilidade e percepção das situações de risco. Tais cenários seriam impraticáveis nas aulas práticas com veículos reais, pois não existiriam meios que garantissem a total segurança do aluno, do instrutor e também dos cidadãos próximos ao veículo.
A Fundação CERTI em pareceria com a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), órgão contratado pelo DENATRAN, realizou um estudo amplo sobre o assunto que resultou no desenvolvimento de três protótipos de simuladores veiculares em categorias diferentes de custo. O objetivo de se desenvolver os três equipamentos, era para realizar um estudo de comportamento e aprendizagem do aluno em cada um dos modelos (FUNDAÇÃO CERTI, 2010).
Na Figura 5 é possível ver os três modelos de simuladores.
Figura 5 – Protótipos de simuladores veiculares
Modelos: (E) Baixo custo (M) Intermediário (D) Avançado Fonte: (FUNDAÇÃO CERTI, 2010)
É possível constatar que o uso destes equipamentos
permite a criação de um ambiente melhor de trabalho e ensino, pois eles proporcionam aos alunos e ao instrutor uma situação com menor nível de estresse, e ao aluno, a oportunidade de se
23
familiarizar com os instrumentos e controles antes de partir para as aulas práticas em campo.
Analisando sob o aspecto financeiro e tomando como base os simuladores veiculares, é possível obter uma redução de custos operacionais com a redução de consumo de combustível e manutenção dos veículos, que muitas vezes por imperícia do aluno desgastam-se com maior rapidez.
E partindo para uma análise mais ampla sobre a questão de meio ambiente, o uso de simuladores podem representar grande redução no consumo de recursos naturais e também emissão de gases poluentes.
1.2 PROPOSTA DO TRABALHO Conforme definição, a função de um simulador é
reproduzir o comportamento de outro aparelho cujo funcionamento se deseja estudar. Dessa forma, a fidelidade com que este simulador consegue realizar esta tarefa é fundamental para o sucesso de sua aplicação.
Simuladores que não reproduzem de maneira fiel o processo que devem representar podem provocar muito mais prejuízos do que vantagens. Em algumas áreas isso pode colocar em risco a segurança de certas operações, como a operação de plantas produtivas, ou a operação de veículos.
Assim, no desenvolvimento e validação de um simulador há que se avaliar de maneira criteriosa diversas características operacionais do sistema, como estabilidade, tempo de resposta e exatidão de variáveis simuladas quando comparados ao comportamento real dos processos que se desejam reproduzir.
Este trabalho tem a proposta de avaliar características operacionais do sistema de direção de um simulador para condutores de veículos importantes para a sua fidelidade operacional. O projeto foi desenvolvido na Fundação CERTI, como parte de um projeto de P&D sob encomenda do Ministério das Cidades em pareceria com a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) com o objetivo de estabelecer parâmetros técnicos para regulamentar a implantação de simuladores veiculares nos Centros de Formação de Condutores no Brasil.
A partir da instrumentação de um sistema de direção de um protótipo desenvolvido no contexto deste projeto objetiva-se
24 avaliar características importantes para a operação do simulador, como a exatidão na reprodução de variáveis do sistema de direção, a sua estabilidade e velocidade de resposta.
Os resultados obtidos serão utilizados para otimizações a serem implantadas neste sistema, em outros simuladores em desenvolvimento e em futuros projetos de P&D na área.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral Desenvolver um protótipo de um sistema de direção
veicular para uso em simuladores de automóveis.
1.3.2 Objetivos Específicos
Pesquisar sobre fidelidade em ambientes simulados;
Criar o projeto mecânico de um sistema de direção para simuladores;
Desenvolver o projeto elétrico do sistema de direção (atuadores e componentes de ligação);
Montar um protótipo de direção veicular funcional;
Elaborar o programa de controle e integração entre ambiente de simulação e o protótipo;
Testar o protótipo em bancada num ambiente controlado de simulação;
Realizar medições de grandezas que permitam avaliar algumas das características do protótipo desenvolvido.
25
1.4 PONTOS DE MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO
Interesse no estudo de conteúdos que permitam avaliar equipamentos que compõe um ambiente de simulação;
Estimular o desenvolvimento de periféricos profissionais para aplicação em simuladores veiculares;
Estabelecer um modelo de partida para criação de sistemas de direção mais robustos para aplicação em simuladores de autoescolas;
Aplicar conhecimentos adquiridos ao longo do curso de mestrado profissional em mecatrônica.
1.5 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
O presente trabalho encontra-se dividido em 6 capítulos,
um bloco de referências e um conjunto de anexos. O primeiro capítulo tem por objetivo introduzir o assunto
de pesquisa e, ao mesmo tempo, delimitar o foco de estudo deste trabalho.
No capítulo 2, é abordado o assunto de simuladores de uma forma mais ampla, apresentando quais os benefícios que podem ser obtidos com estes equipamentos, quais os tipos mais conhecidos no mundo, principais componentes usados em simuladores veiculares, um comparativo de simuladores veiculares no Brasil e no mundo e por fim como anda o assunto sobre a regulamentação do uso destes equipamentos nos centros de formação de condutores brasileiros.
O capítulo 3 delimita-se exclusivamente ao assunto de simuladores veiculares e procura alertar sobre alguns dos riscos da simulação, descreve sobre os requisitos necessários para construção de bons equipamentos, explica um pouco sobre a questão de fidelidade e quais itens deve-se avaliar e como avaliá-los na dinâmica da simulação.
Já o capítulo 4 foi destinado ao detalhamento do desenvolvimento do protótipo de direção veicular. Este capítulo começa desdobrando o projeto mecânico, em seguida aborda os
26 elementos eletrônicos usados na atuação de movimentos sobre o volante, explica o funcionamento interno do software de controle desenvolvido para integrar o sistema de direção ao aplicativo de simulação gráfica e por fim relata como foram feitas todas as montagens em bancada.
O capítulo 5 descreve a avaliação do protótipo, compreendendo a descrição das grandezas estudadas, ensaios para avaliar erros de construção mecânica e os testes para calibrar o sistema, avaliar a fidelidade de resposta do sistema, sua estabilidade e velocidade de reação.
Por fim, o capítulo 6 disserta de forma crítica sobre os resultados obtidos, propõe melhorias para a fabricação de um próximo protótipo e apresenta algumas sugestões interessantes que poderiam ser contempladas em projetos futuros.
2. SIMULADORES PROFISSIONAIS
2.1 IMPORTÂNCIA E BENEFÍCIOS DA SIMULAÇÃO OPERACIONAL De modo geral, dentre as principais vantagens no uso de
simuladores podemos citar uma grande flexibilidade na criação virtual de ambientes e situações reais, proporcionam um nível maior de segurança ao executar as atividades e representam menor custo operacional.
Atualmente eles são amplamente usados em treinamento de equipes ou de pessoas, mas é importante lembrar que o uso destes equipamentos em aplicações profissionais requer uma série de exigências e cuidados a serem seguidos. É necessário que eles reproduzam um mínimo das sensações reais com fidelidade, pois uma má simulação pode induzir aos usuários, sensações incoerentes que podem em alguns casos potencializar os riscos de acidentes dentro do contexto real.
Segundo estudos de simuladores de direção realizados pela FUNDAÇÃO CERTI (2010), constatou-se em uma das pesquisas que um grupo de jovens treinados com simuladores de mesa, constituídos por um computador e controles de direção usados em jogos eletrônicos, não apresentou diferenças quando comparados com aqueles que optaram pelo método tradicional, caracterizado pelo treinamento com veículos reais em condições normais de trânsito e sem qualquer auxílio de ambientes de simulação. Portanto, a baixa imersividade do ambiente virtual pode não trazer vantagens para o aluno. Na Figura 6 é possível visualizar uma sala de treinamento com estes simuladores.
28
Figura 6 – Simulador veicular de mesa
Fonte: (FUNDAÇÃO CERTI, 2010)
2.2 TIPOS DE SIMULADORES A quantidade de simuladores existentes no mundo é
imensa e encontram-se disponíveis para as mais diversas áreas como: elétrica, mecânica, física, química, médica, militar, treinamentos em geral, etc. Portanto, este tópico procura apresentar de forma sucinta alguns dos principais simuladores usados no mundo.
Sem dúvida os simuladores de aeronaves e os de carros são os tipos mais populares encontrados no mundo dos jogos eletrônicos e podemos citar como exemplos de sucesso o simulador de vôo “Flight Simulator” da Microsoft e o simulador de fórmula 1 “F1 2012” desenvolvido pela empresa Codemasters. As respectivas imagens dos jogos podem ser visualizadas na Figura 7.
29
(a) (b)
Figura 7 – Imagem dos jogos Flight Simulator X e F1 2012 Fonte: (CODEMASTERS, 2012; MICROSOFT GAMES STUDIOS, 2006)
No entanto, quando se trata de simuladores profissionais,
os níveis de detalhes vão além de uma boa imagem. Procura-se nestes ambientes trazer todo o contexto do ambiente real para dentro do simulador, tais como ângulos de visualização da tela mais amplos, controles com maior semelhança aos modelos reais e estímulos sensoriais através de atuadores.
A imagem da Figura 8 refere-se a um simulador sofisticado de uma aeronave da Embraer comercializado pela empresa Ecotroni Simulation. Este modelo de simulador é do tipo estático, ou seja, não há movimentação da cabine de acordo com as manobras da aeronave. Algo que chama muito a atenção neste equipamento é a preocupação que existe em se retratar os detalhes nos controles e mostradores da cabine.
Simuladores veiculares também são muito explorados, e olhando a Figura 9 vemos as imagens externa e interna do simulador da empresa Toyota. Este equipamento de tecnologia de ponta foi desenvolvido pela fabricante de carros para estudar situações de direção e permitir a criação de dispositivos ativos de segurança veicular (TOYOTA, [s.d.]).
30
Figura 8 – Simulador de voo estático de aeronaves Embraer
Fonte: (ECOTRONI SIMULATION, [s.d.])
Figura 9 – Simulador veicular de alto desempenho e custo
Fonte: (TOYOTA, [s.d.])
Na Figura 10 também são mostrados outros dois modelos
de simuladores veiculares. Estes equipamentos na verdade são protótipos e foram desenvolvidos pelo Centro de Mecatrônica (CME) da Fundação CERTI. Eles são o resultado de diversas pesquisas realizadas pela empresa que em parceria com a UFSC foi contratada pelo órgão público DENTRAN
2, e o grande
foco deste projeto era criar arquiteturas com custos de produção factíveis para que o mercado interno pudesse tê-los como modelos e então produzissem e comercializassem estes tipos de simuladores nos CFCs de todo o Brasil.
2 Departamento Nacional de Trânsito
31
Figura 10 – Protótipos de simuladores veiculares brasileiros
Fonte: (FUNDAÇÃO CERTI, 2010)
Outro tipo de simulador interessante de ser citado são os
de Trens. A empresa paulista CPTM (Companhia Paulista de Trens Metropolitanos) usa este recurso para o treinamento de novos maquinistas e também para a capacitação dos já contratados em novas frotas com modelos de trem diferentes que venham a ser adquiridas pela empresa. Cada um destes equipamentos teve um custo de 5 milhões de reais (SILVA, 2011).
Figura 11 – Simulador de trem adquirido pela empresa CPTM
Fonte: (SILVA, 2011)
Simuladores de helicópteros também são amplamente
desenvolvidos no mundo, e dando destaque ao assunto, o jornal da Folha de São Paulo noticiou em 2011 que o exército brasileiro construiu o primeiro simulador nacional deste tipo, conforme pode ser visto na Figura 12, com tecnologia cem por cento nacional em parceria com a empresa Spectra e custou pelo menos 4 milhões de reais (KAWAGUTI, 2011).
32
Figura 12 – Simulador de helicóptero do exército brasileiro
Fonte: (KAWAGUTI, 2011)
E para finalizar, outro tipo de simulador a se destacar,
são os de caminhões. A empresa Doron Precision Systems Inc. atua no mercado de simuladores desde 1970 e atualmente no seu portfólio de produtos, eles comercializam algumas variações de simuladores de caminhões. Na Figura 13 é possível ver imagens referente ao modelo 660Truck, que é a versão mais avançada das variações de simuladores de caminhões desta empresa.
Figura 13 – Simulador de caminhões Doron 660Truck Fonte: (DORON PRECISION SYSTEMS INC., [s.d.])
Ainda existem vários outros simuladores de uso
profissional, como os de paraquedas, os de queda livre que são realizados em túneis de vento, simuladores de tiros para treinamento militar e policial, os de veículos militares, simuladores aeroespaciais para treinamentos de astronautas e etc.
33
2.3 SIMULADORES VEICULARES NO BRASIL Recentemente no Brasil, os simuladores de automóveis
estão ganhando destaque do governo nacional, que pretende incluir nas autoescolas mais este recurso para um melhor preparo dos novos motoristas.
De acordo com depoimentos de profissionais e proprietários de CFC, os alunos recebem as aulas no simulador com grande entusiasmo e relatam como sendo uma experiência útil que facilita as aulas práticas em veículos reais. Destacam ainda o fato de este simulador ter adaptações para portadores de necessidades especiais e também o fato dele ser usado como sucesso no treinamento de pessoas com fobia em dirigir, que devido a este quadro psicológico, muitas vezes eram incapazes de realizarem as aulas de campo (FUNDAÇÃO CERTI, 2010).
Tais fatos demonstram os benefícios dos simuladores que proporcionam até mesmo a inclusão social.
Figura 14 – Simulador RDV 1000 da autoescola Sapucaí - MG
Fonte: (FUNDAÇÃO CERTI, 2010)
No entanto, o mercado brasileiro ainda está carente
quanto ao número de empresas que fabricam este tipo de equipamento para o uso em CFCs. Até a presente data, apenas a empresa Prosimulador Tecnologia de Trânsito S.A. possui o certificado expedido pelo DENATRAN para comercializar o produto nas autoescolas do Brasil.
34
Figura 15 – Simulador veicular da empresa Prosimulador
Pelo fato de hoje existir no Brasil uma lei que
regulamenta o uso de simuladores no treinamento de novos motoristas, acredita-se que as ofertas destes equipamentos deva aumentar no mercado brasileiro.
À medida que as autoescolas forem adquirindo os seus equipamentos, novos empresários poderão despertar seus interesses no mercado e investir no desenvolvimento de novos modelos com novas tecnologias.
2.4 COMPONENTES DE UM SIMULADOR VEICULAR Para formar um ambiente de simulação veicular é
necessário um conjunto de componentes que permitam interagir e ao mesmo tempo estimular os sentidos do usuário. Não existe um modelo único e o número de componentes pode variar muito entre eles.
A Figura 16 mostra o conjunto de componentes que compõe um dos modelos de estudo desenvolvido pela Fundação CERTI. Este modelo possui ambientes de som e imagem avançados com elementos de controle e mostradores usados em veículos reais. Sensações sinestésicas são estimuladas através da movimentação do assento em curvas, depressões ou saliências das estradas. O volante também é um elemento
35
importante neste ambiente, pois ele permite a percepção de terreno e ao mesmo tempo sentir o esforço necessário para executar as manobras de direção. Este último, por sua vez, é o objeto de estudo desenvolvido e avaliado pelo presente trabalho e encontra-se em destaque na figura a seguir.
Figura 16 – Conjunto de componentes de um simulador veicular
2.5 REGULAMENTAÇÃO DO SIMULADOR VEICULAR NO BRASIL Em 11 de outubro de 2011, o DENATRAN com base nos
estudos realizados pela Fundação CERTI através do termo de cooperação técnica firmado com a UFSC (Universidade do Federal de Santa Catarina), cria a portaria n° 808 que estabelece os requisitos mínimos que deverão ser atendidos por qualquer empresa que deseje comercializar simuladores veiculares nos CFCs do Brasil, com foco apenas na formação de condutores na categoria de habilitação B. A carga horária para os simuladores
36
está prevista em 5 aulas de 30 minutos, ou seja, 2,5 horas de treino em simulador.
O documento estabelece restrições quanto as configurações mínimas de hardware, o mínimo de recursos básicos do programa de simulação, a área mínima da sala para instalação do equipamento, infraestrutura necessária para permitir o bom trabalho dos instrutores, em caso de mais de um simulador, o documento alerta para a necessidade de se existir um isolamento acústico e visual entre os equipamentos, e aos fabricantes orienta sobre a necessidade de certificação de seus simuladores em empresas credenciadas pelo DENATRAN (DENATRAN, 2011).
Conforme matéria do DIÁRIO DE OURINHOS (2013), o Conselho Nacional de Trânsito (CONTRAN), em reunião no dia 31 de outubro de 2012, estabeleceu o prazo até 30 de junho de 2013 para que todas as autoescolas adquirissem e usassem o simulador veicular no treinamento de novos condutores.
No entanto, restando não mais que uma semana para o limite do prazo estabelecido pelo CONTRAN, as autoescolas brasileiras decidiram não acatar a decisão do conselho e a maioria optou por não comprar o equipamento. Uma das reclamações dos CFCs se deve ao fato de que apenas uma empresa possui a certificação para fabricar o produto, não existindo concorrência. As autoescolas também reclamam do alto preço do simulador, que fica entre 30 e 35 mil reais. Um proprietário de um CFC também questiona o CONTRAN e afirma que falta um estudo pedagógico sobre o assunto (KOMARCHESQUI, 2013).
Em 26 de junho de 2013, o CONTRAN publicou no Diário Oficial da União, a prorrogação do prazo para adequação das autoescolas as novas normas do concelho. A nova data ficou estabelecida para o último dia do ano (IMIRANTE.COM, 2013).
3. REQUISITOS FUNCIONAIS DE SIMULADORES VEICULARES O objetivo no uso de simuladores veiculares é permitir
que se consiga uma transferência positiva de conhecimento e habilidades que possam ser aplicadas dentro do contexto real para o qual o aluno está sendo treinado (VINCENZI et al., 2009).
Portanto é importante conhecer um pouco sobre as questões que tornam o uso destes equipamentos algo positivo dentro de um ambiente profissional de educação no trânsito.
3.1 ARMADILHAS DA SIMULAÇÃO Os simuladores podem ser usados para avaliar o
desempenho de um aluno de forma precisa, através da aplicação de variados métodos para cada situação. Com eles é possível executar uma avaliação em tempo real e obter ao final da atividade um resultado geral sobre o progresso do aluno.
No entanto, é preciso ter alguns cuidados ao se investir no uso destes equipamentos em treinamentos e estar ciente que eles podem trazer certos aspectos negativos, alguns deles que podem ser evitados e outros amenizados.
Um dos aspectos negativos está relacionado com o uso de simuladores ruins, aqueles que não retratam a realidade de forma satisfatória para o treinamento e que desta forma realizam uma transferência negativa, ou seja, induzem ao aluno uma aprendizagem equivocada e este, por sua vez, traz consigo vícios que não se aplicam dentro do contexto real (FUNDAÇÃO CERTI, 2010). Tal fato prejudica a eficiência no uso deste recurso, podendo trazer insegurança e grande insatisfação do aluno.
A falta de qualidade das aulas simuladas, como roteiros mal elaborados e aulas não objetivas e sem variação gradativa do grau de dificuldade, também podem prejudicar ou retardar os benefícios que podem ser obtidos através do simulador (SWOV INSTITUTE, 2010). Há assim, a necessidade de que os simuladores representem com fidelidade suficiente os processos reais, como será visto no item seguinte.
A simulação também pode trazer outro aspecto negativo que está relacionado com o caráter fisiológico do ser humano.
38
Algumas pessoas apresentam o sintoma do motion sickness, que é um mal ocasionado pelo nosso senso de movimento e que costuma provocar náuseas e vertigens, e que mesmo após o cessar da atividade, pode perdurar por um período superior a 24 horas. Ele faz com que a taxa de rejeição por este tipo de treinamento aumente ou que a eficiência decaia pela necessidade de se reduzir o tempo de exposição do aluno ao simulador.
A causa exata deste sintoma ainda é desconhecida, mas acredita-se que ela esteja relacionada com o sistema por completo, como os conteúdos do cenário, as estratégias de controles, atrasos e distorções de simulação e também a suscetibilidade de cada cidadão. Sabe-se também que as mulheres são mais suscetíveis a este problema que os homens quando submetidas aos simuladores (VINCENZI et al., 2009). Pesquisas também relatam que este sintoma ocorre com maior frequência em motoristas já com experiência prática do que em novatos sem ou com pouca experiência (SWOV INSTITUTE, 2010).
3.2 FIDELIDADE FUNCIONAL DOS SIMULADORES VEICULARES O grande objetivo de um treinamento em simuladores é
fazer com que o aluno adquira conhecimento, habilidades e experiência de forma que possam ser aplicadas dentro do contexto real.
Neste sentido, segundo VINCENZI (2009), nunca se deve assumir que a proficiência num simulador seja igual à proficiência no sistema em ambiente real. Entretanto, ele permite ao aluno ter a consciência das situações em potencial. Também é preciso estar ciente que excelentes resultados em situações de perigo em ambiente simulado são esperados pelo fato do nível de estresse estar reduzido e devido à sensação de segurança do aluno, portanto, tal desempenho pode não se refletir numa situação real onde a pressão e o estresse estão elevados.
Apesar das limitações lógicas de que um simulador não é o processo real, sua utilização traz as vantagens já citadas, e para que isto ocorra, há que se buscar a máxima semelhança
39
com o processo real, o que impõe ao simulador vários requisitos operacionais.
Segundo o SWOV INSTITUTE (2010) da Holanda, os requisitos mínimos que precisam ser atendidos pelos simuladores são:
Deve ter boa reprodução da realidade, ou seja, estimular as sensações sentidas no mundo real e evitar grandes distorções de simulação que gerem transferência negativa de treinamento;
Conter bons roteiros e boa qualidade das aulas simuladas são aspectos essenciais. É importante que o aluno entre num plano progressivo de metas, com objetivos bem claros para serem superados em cada aula e com um aumento progressivo das dificuldades das tarefas;
Todas as instruções das aulas e retornos dados pelo simulador precisam estar didaticamente corretas;
É importante que o programa de simulação permita modificar o estilo e o ritmo das aulas, para que seja possível adaptar para cada perfil de aluno.
Dentre estas características citadas, um aspecto
extremamente importante para qualquer simulador é a capacidade deste de reproduzir um cenário específico da maneira mais real possível passando ao aluno as sensações visuais e sinestésicas que representem bem o processo. Esta característica é conhecida como fidelidade funcional e quanto maior for o grau, maior será a transferência positiva de experiência para o aluno. No entanto, este grau de fidelidade também aumenta a complexidade do sistema e, por conseguinte, eleva o seu custo e dependendo do local a ser aplicado pode inviabilizar o investimento (VINCENZI et al., 2009).
Portanto, o ponto chave para se construir um simulador é descobrir o maior grau de fidelidade possível e necessário para ser atingido com o menor custo de produção. Em um simulador veicular, o esforço e o número de giros de um volante de direção são exemplos de parâmetros funcionais do simulador que devem representar com fidelidade o veículo real. Os cenários reproduzidos visualmente através de interfaces gráficas, também são estratégicos para conferir fidelidade ao simulador.
40
À medida que a tecnologia evolui, os preços dos equipamentos e elementos que compõe o sistema de simulação tendem a diminuir, e isto faz com que novos recursos sejam incorporados em novas versões de simuladores. Este fato eleva também o grau de fidelidade que por consequência permite um grau de ensino positivamente maior.
Um estudo realizado no Sul da Califórnia, Estados Unidos, analisou os dados de vários alunos adolescentes que foram submetidos a treinamentos em programas de ensino com simuladores veiculares. Neste estudo, eles foram divididos em três grupos e cada grupo foi treinado num simulador com recursos distintos.
Na Figura 17 é possível ver as variações destas configurações.
Figura 17 – Configurações de simuladores para estudo de treinamento
em autoescolas Fonte: (ALLEN et al., 2007)
A transcrição simplificada das variações de configuração
dos simuladores usados no estudo é descrita a seguir:
NFOVD – Composto por um monitor com controles de volante e pedais usados em jogos eletrônicos. Nesta configuração o aluno tem ângulo de abertura de visão de apenas 45° e os espelhos retrovisores são colocados apenas como pequenos quadros na tela;
WFOVD – Composto por três monitores com controles de volante e pedais usados em jogos eletrônicos. Já nesta configuração um aluno tem uma
41
abertura maior de visão que chega a 135°. Os espelhos retrovisores agora são desenhados na tela como vistos nos modelos reais;
WFOVC – Composto por três canais de imagem projetados e com o tamanho real. Ângulo de visão de 135° e controles semelhantes aos usados em veículos reais. Os espelhos retrovisores são representados como em imagens reais.
Os alunos que participaram deste estudo foram
acompanhados após receberem os seus certificados para habilitação como motoristas. O objetivo era registrar o número acumulado de acidentes que cada um dos jovens se envolvesse.
Na Figura 18 é possível ver o comportamento no trânsito de cada grupo por um período mínimo de dois anos.
Figura 18 - Taxas de acidentes acumulados para cada grupo de treinamento em simulador.
Fonte: (ALLEN et al., 2007)
42
A partir do gráfico é possível perceber que os alunos treinados no modelo mais simples com visão limitada e com características mais próximas de um vídeo-game, tiveram maior número de eventos, enquanto aqueles treinados numa cabine de veículo real com ângulo de visão mais amplo, tiveram um melhor desempenho no trânsito.
Neste estudo concluiu-se que a eficácia do treinamento está ligada com fidelidade da simulação, e com base nos dados esta efetividade tem relação com a projeção dos objetos em tamanho real, o amplo ângulo de visão e o uso de imagens reais dos espelhos retrovisores (ALLEN et al., 2007).
3.3 AVALIAÇÃO DA FIDELIDADE FUNCIONAL DE SIMULADORES A fidelidade de simulação é um termo genérico utilizado
para definir o grau que a simulação reproduz o ambiente real e, para compreendermos um pouco mais sobre a sua composição interna, vamos dividi-la em subtipos conforme pode ser visto na Tabela 1.
Tabela 1 – Definições dos diferentes aspectos da fidelidade
Subtipo Definição
Fidelidade de simulação
Grau em que o dispositivo pode reproduzir o ambiente real, ou quão real a simulação se parece e se sente.
Fidelidade física
Grau em que o dispositivo se parece, soa, e se sente como o ambiente real.
Fidelidade audiovisual
Replicação dos estímulos visuais e auditivos
Fidelidade da instalação
Replicação da instalação real: hardware e software
Fidelidade de movimento
Replicação dos sinais de movimento sentidos no ambiente real
Fidelidade psicológico-
Grau em que o dispositivo replica os fatores psicológicos e cognitivos (comunicação,
43
cognitiva consciência situacional)
Fidelidade da tarefa
Replicação das tarefas e manobras executadas pelo usuário
Fidelidade funcional
Como o dispositivo funciona, trabalha e provê os estímulos reais assim como no ambiente real.
Fidelidade Física
A fidelidade física é uma das mais comuns, e se refere às
propriedades físicas do simulador. Para se considerar uma alta fidelidade física é preciso que se apresente grande fidelidade audiovisual, aparência, som, sensação e em alguns casos, o próprio cheiro. É um aspecto que engloba outros tais como: fidelidade audiovisual, fidelidade da instalação e fidelidade de movimento (VINCENZI et al., 2009).
Fidelidade audiovisual
A fidelidade audiovisual é uma das mais estudadas na
literatura. Ela representa o grau de detalhes visuais e sonoros presentes no simulador (VINCENZI et al., 2009). Por exemplo, um trânsito simulado consiste em se ter outros veículos, pedestres, objetos naturais ou artificiais, detalhes das ruas como tipo de piso e marcações, luzes quando simulado em condições noturnas, os sons dos objetos que compõe o cenário e etc. Quanto mais detalhes forem representados na simulação, maior será a fidelidade audiovisual. No simulador veicular também é preciso que as imagens sejam reproduzidas rápidas o bastante para que se tenha a sensação de velocidade, assim como o maior ângulo de visão possível do cenário, para que se aumente a imersão no contexto simulado.
Fidelidade da instalação
Para termos alta fidelidade física é preciso ter também
fidelidade da instalação (VINCENZI et al., 2009). No simulador veicular, este aspecto consiste em reproduzirmos os detalhes que compõe o interior do veículo, em suas posições e
44
dimensões. Cada um dos comandos com suas devidas proporções. Quanto maior o grau de similaridade com o modelo real, maior a fidelidade da instalação. O ideal seria um veículo real adaptado para o simulador, mas o custo de produção o tornaria inviável para aplicação em autoescolas.
Fidelidade de movimento
A fidelidade de movimento também é englobada pela
fidelidade física e representa o grau que o simulador pode reproduzir o senso de movimento sentido pelos humanos no ambiente operacional. Simuladores avançados possuem movimentação com seis graus de liberdade (afrente, atrás, acima, abaixo e para os lados). O uso de movimentação aumenta o grau de fidelidade física e realismo, mas os benefícios observados na transferência do treinamento são mínimos e insignificantes. São poucas as situações em que a simulação de movimento é crítica. Muitas vezes o cérebro pode ser iludido ao senso de movimento mesmo o corpo estando parado (VINCENZI et al., 2009).
Fidelidade psicológico-cognitiva
Além da aparência da simulação, existe outro
componente de fidelidade que resulta numa forte experiência psicológica e cognitiva que a pessoa recebe por estar no simulador. Este componente é a fidelidade psicológico-cognitiva, e é ela que faz com que o aluno tenha o mesmo engajamento e sinta as mesmas sensações no ambiente simulado com um grau igual ou próximo do ambiente real. Um alto grau de fidelidade psicológico-cognitiva representa grande imersão no ambiente de simulação, trazendo sensações de estresse e cuidados que o aluno deve ter caso fosse submetido ao contexto real (VINCENZI et al., 2009).
Outras fidelidades
A fidelidade da tarefa está relacionada com a situação
que o aluno irá se confrontar no contexto real. Quanto maior forem às semelhanças da atividade com o ambiente real melhor é este aspecto de fidelidade (VINCENZI et al., 2009). Portanto as
45
atividades no ambiente de uma autoescola tem que condizer com situações comuns vividas no trânsito, ocasiões que o aluno se deparará na vida real.
Na fidelidade funcional, o simulador tem que reagir as tarefas e comandos que estão sendo executadas pelo aluno e ao mesmo tempo deve retornar os resultados destas ações da forma mais condizente possível com a realidade. Esta fidelidade juntamente com a fidelidade da tarefa é essencial para a eficácia da formação e transferência positiva do treinamento ao aluno (VINCENZI et al., 2009).
A fidelidade do simulador é um assunto complexo que
engloba um conjunto de fatores. É importante entender que todos estes aspectos apresentados não são mutuamente exclusivos e que existem grandes intersecções entre eles.
3.4 FORMAS DE AVALIAÇÃO Segundo VINCENZI (2009), existem dois métodos
principais na literatura usados para avaliar a fidelidade dos simuladores. Um deles consiste em analisar a quantidade de objetos reproduzidos de forma idêntica ao real, e quanto maior for esta relação, maior será a fidelidade do sistema.
Outra forma seria montar uma matriz de avaliação dos alunos no ambiente simulado e compará-la com os resultados obtidos das provas aplicadas no contexto real, desta forma obtém-se a taxa de transferência do treinamento, que de forma indireta mede a fidelidade da simulação.
3.5 IMPORTÂNCIA DO SISTEMA DE DIREÇÃO NA FIDELIDADE DE MOVIMENTO EM SIMULADORES VEICULARES Como visto nos itens anteriores, para a obtenção da
fidelidade funcional há a necessidade de que diversos aspectos do simulador estejam bem configurados em relação aos processos que se pretende simular. Alguns destes aspectos são áudio visuais, enquanto outros envolvem as reações de esforços
46
(sinestesia) que devem estar presentes nos simuladores, na chamada fidelidade de movimento.
Para a obtenção desta fidelidade de movimento é importante que o simulador tenha a capacidade de representar os fenômenos físicos em escala real, com a intensidade e a velocidade adequadas para gerar uma percepção de realismo. Isso demanda a necessidade do simulador possuir um sistema de controle capaz de gerar os esforços na magnitude correta e na velocidade requerida nos diversos cenários de simulação.
Especificamente nos simuladores veiculares o sistema de direção do veículo é particularmente exigido nesta tarefa devido à forte interação com o condutor e com as variações provocadas nos diversos cenários de simulação. A operação em condições normais de condução do veículo deve gerar, no aluno, uma percepção realista do esforço de giro do volante. Em cenários de anormalidade, como um pneu vazio, um estouro de pneu, um buraco na pista, ou pista escorregadia, por exemplo, o sistema de direção deve gerar esforços estáticos e dinâmicos próprios destes cenários.
Isto implica na necessidade de exatidão na geração dos esforços estáticos e dinâmicos e na velocidade de atuação e controle dos movimentos, requisitos que impactam diretamente na fidelidade de movimento do simulador veicular. A Figura 19 ilustra este desafio nos simuladores veiculares.
Figura 19 - Cenários de simulação e requisitos de controle em
sistemas de direção presentes em simuladores veiculares
47
Este trabalho foca sua abordagem de fidelidade funcional
de simuladores na avaliação da fidelidade de movimento de um sistema de direção empregado em um simulador veicular, para investigar os fenômenos e as variáveis estáticas e dinâmicas presentes no seu funcionamento e que influem na capacidade do sistema em representar a realidade de modo eficiente. Os próximos capítulos trazem a descrição do sistema de direção projetado e construído para o simulador veicular, e os testes realizados.
4. DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPO DE SISTEMA DE DIREÇÃO VEICULAR Com o objetivo de obter um entendimento prático sobre a
questão de fidelidade em simuladores veiculares, optou-se pelo desenvolvimento de um protótipo de direção veicular.
O sistema de direção é apenas um dos vários componentes que compõe todo o sistema de simulação, no entanto, com ele é possível repassar sinestesias que auxiliam na imersão do mundo virtual.
A Fundação CERTI em apoio ao presente estudo participou disponibilizando todos os componentes necessários e também permitiu a alocação de profissionais essenciais para o desenvolvimento e fabricação de diversos componentes para o protótipo. A Figura 20 mostra esquematicamente uma visão geral do protótipo desenvolvido e nos próximos itens são descritos os subsistemas de hardware (elétrico e mecânico) e software.
Figura 20 - Subsistemas do protótipo de sistema de direção
Estrutura mecânica
Driver e Servomotor
Software de Controle
Volante
Placa de Controle de Movimento
49
4.1 PROJETO E SUBSISTEMAS MECÂNICOS Para representar de modo realista os esforços de giro do
volante, foi necessário pesquisar valores típicos de torque presentes na movimentação do volante de direção. Segundo FERNANDES (2005), um veículo com um sistema de direção pinhão e cremalheira e sem assistência, numa manobra de esterçamento estático, pode ter características de torque da ordem de 12 e 16 N.m. Já um veículo com direção hidraulicamente assistida, este torque cai para 5 a 7 N.m.
Com base nas informações supracitadas, deu-se início ao desenvolvimento de um sistema de direção veicular que permitisse simular o maior valor de torque. Portanto, para obter o torque de 16 N.m com o servomotor escolhido que é capaz de gerar forças da ordem de 1,3 N.m, calculamos a relação de engrenagens necessárias conforme a equação ( 1 ) a seguir:
31,12.3,1
.0,16
mN
mNR ( 1 )
Pelo fato da relação ser alta, optou-se por fazer um
sistema de redução com estágio duplo para manter as dimensões físicas do produto menores possível.
Neste caso as engrenagens comerciais escolhidas foram duas de 72 dentes e duas de 18 dentes. As correias sincronizadoras usadas neste projeto foram as de padrão HTD 8M e largura de 25mm. Logo, numa configuração de estágio duplo para a caixa de redução, obtivemos uma relação igual a 16:1, permitindo assim uma boa margem de segurança para o torque máximo. Nestes valores o sistema de direção seria capaz de produzir torques nominais da ordem de 20,8 N.m.
A Figura 21 ilustra a estrutura de montagem projetada.
50
Figura 21 – Conjunto de polias do sistema de redução em duplo
estágio da direção veicular
As engrenagens são fixadas por eixos em rolamentos, e
estes fixados na estrutura mecânica na forma de uma chapa de aço dobrada em formato de "U" e usinada.
No entanto, quando a estrutura acima foi montada com o
servomotor no local, verificou-se que a resistência estática do volante, que é a resistência natural sem qualquer influência do sistema de force feedback, estava alta demais e isto poderia provocar distorções no ambiente de simulação, nas situações em que a direção devesse apresentar baixo torque de resistência ao movimento imposto ao motorista, como por exemplo na situação de dirigir num piso escorregadio.
Numa análise simples, vimos que como a caixa de redução do ponto de vista do volante estava de 16:1, isto também significava que a inércia encontrada no eixo do servomotor era sentida de forma inversa no volante numa relação de 1:16, portanto a solução encontrada, foi reduzir a relação de engrenagem para apenas um estágio. Então, usando apenas uma polia de 72 dentes e outra de 18, conseguimos uma
51
relação final de 4:1, que consequentemente reduziu o torque máximo nominal possível de 20,8 N.m. para apenas 5,2 N.m.
Na Figura 22 está ilustrado o modelo final do protótipo projetado.
Figura 22 – Modelo 3D do protótipo de direção veicular projetado
Apesar de o novo conceito proposto apresentar um
torque menor do que o definido nos requisitos, ainda assim ele é válido em nossa avaliação, pois com ele é possível simular as situações de torque percebidas em veículos com direção hidraulicamente assistida, os quais são permitidos nos testes para habilitação de condutores no território nacional.
4.2 PROJETO ELÉTRICO O sistema de direção deve transmitir uma retroação do
volante, ou como é mais conhecido no termo em inglês force feedback, para gerar a sinestesia necessária ao simulador. Para isto pesquisou-se algumas opções de atuadores, tendo-se optado pelo conjunto Panasonic de driver e servomotor modelos MBDDT2210 e MSMD042P1S respectivamente, em função da viabilidade técnica e econômica, e disponibilidade. Como já apresentando, este conjunto oferece um torque nominal no eixo do servomotor de até 1,3 N.m. Na Figura 23 é possível ver este sistema.
52
Figura 23 – Conjunto driver e servomotor Panasonic
Para controlar o driver da Panasonic, foi usado um
conjunto motion controller + módulo de interconexão na National Instruments, pela disponibilidade e pela sua capacidade em realizar esta função de modo adequado às necessidades do projeto.
Em se tratando do uso de um conjunto driver e servomotor, a questão de projeto elétrico se simplificou. No entanto, é importante esclarecer que esta solução não foi decidida considerando o fator custo, e sim com foco em obter um protótipo funcional que permitisse realizar uma série de medições e, por conseguinte, entender melhor as questões que envolvem a avaliação de fidelidade num dos componentes que compõe o simulador veicular.
A Figura 24 ilustra o diagrama de ligação entre motion controller e servomotor.
Figura 24 – Diagrama de interconexão da motion controller com o
conjunto driver e servomotor
53
Após realizar todas as ligações elétricas, foi preciso fazer algumas configurações no servo motor, sendo que a principal delas foi programar o driver para operar simultaneamente no modo de controle de torque e velocidade. Neste modo, é possível aplicar um torque ao mesmo tempo em que se define a velocidade máxima de giro do eixo do motor.
Na motion controller algumas configurações também precisaram ser feitas através do aplicativo proprietário da empresa, o NI Measurement & Automation Explorer (NI Max).
Um fator de dificuldade nesta etapa do trabalho foi que o suporte da National Instruments do Brasil não conseguiu auxiliar na configuração do seu controlador para operar no modo de torque e velocidade. Após diversas tentativas, optou-se por implementar o controle do motor através de código de programa interno no aplicativo de controle WinSteeringWheel conforme será explicado em detalhes mais adiante.
4.3 SOFTWARE DE CONTROLE Para realizar a parte prática do trabalho, que foca no
estudo de fidelidade através do desenvolvimento de um protótipo de direção veicular, necessitou-se criar um programa que intermediasse a comunicação entre o aplicativo de simulação e o volante, o qual chamamos de WinSteeringWheel.
Este programa foi escrito em linguagem de programação C++ com a ferramenta de desenvolvimento Visual Studio da empresa Microsoft. Basicamente, o aplicativo está divido em duas linhas de execução (threads) que rodam de forma concorrente, sendo que uma delas tem a tarefa de se comunicar com o aplicativo de simulação para coletar dados do ambiente e ao mesmo tempo repassar a nova posição do volante e, a outra, executa a leitura do ângulo de esterçamento e gera os estímulos através do recurso de force feedback do sistema de direção do protótipo por intermédio da placa motion controller. Na Figura 25 é possível visualizar o fluxograma simplificado deste aplicativo de intermediação e controle.
54
Figura 25 - Fluxograma simplificado do aplicativo WinSteeringWheel
Com relação ao programa de simulação aplicado nos
testes do protótipo, foi escolhido o SCANeR Studio desenvolvido pela empresa francesa Oktal. Ele é um pacote comercial de uso profissional que permite criar e simular cenários virtuais e um dos seus diferenciais é disponibilizar bibliotecas que dão acesso direto ao conjunto de variáveis que guardam as grandezas físicas da simulação. Portanto, através deste recurso foi possível escrever no aplicativo WinSteeringWheel, rotinas que capturassem os dados de torque do volante além de permitir comandar a posição angular do mesmo.
Referente à comunicação do WinSteeringWheel com a
placa motion controller, ela ocorre através de bibliotecas próprias fornecidas pela empresa National Instruments. A motion por sua vez para gerar os estímulos e as leituras de posição angular do
55
volante, é conectada ao driver do servomotor e este controla e lê os movimentos do motor acoplado ao eixo da direção.
A Figura 26 apresenta um diagrama do fluxo dos dados para melhor entender o caminho das informações dentro do sistema de direção veicular.
Figura 26 – Fluxo dos dados do controle de direção veicular do
simulador
Conforme já mencionado anteriormente, o aplicativo
WinSteeringWheel possui em seu código rotinas de controle do torque e velocidade do servomotor. O tipo de controlador usado foi o proporcional, e o motivo de usá-lo é por ele ser mais simples e não exigir tanto do processamento do aplicativo WinSteeringWheel que roda em condições limitadas na mesma máquina de simulação.
Até foram feitos alguns testes sem sucesso usando o controlador do tipo proporcional, integral e derivativo (PID), porém, não foi possível garantir os intervalos de tempo necessários para o bom funcionamento do controle derivativo.
56
4.4 INTEGRAÇÃO E IMPLEMENTAÇÃO EM BANCADA Para a instalação do protótipo, foi preciso fazer a
instalação em mesa de trabalho próximo ao computador desktop. O principal motivo que não permitiu a mudança do local, é que não podia ser usado um notebook ou qualquer computador. Era necessário um computador com alto processamento, com uma boa placa de vídeo e que não podia ser essas usadas em jogos, e o computador precisava ter internamente espaço para instalação de um cartão PCI-Express, para que fosse possível instalar a placa motion controller da National Instruments.
Na Figura 27 é possível ver todo o cenário de simulação montado. A estrutura mecânica exigiu alguns ajustes para a montagem do sistema, e algumas limitações de projeto e fabricação foram evidenciadas, como será descrito no capítulo 5.
A interconexão entre driver, servomotor, módulo de conexão e placa motion controler ocorreu sem maiores problemas.
Figura 27 – Montagem do protótipo em bancada
57
Para completar o ambiente de simulação, foi preciso instalar parte de um controle Logitech G27 para que fosse possível ter os controles de pedais, pois o protótipo desenvolvido contemplava apenas a direção veicular.
Neste estágio todo o ambiente de simulação já se encontrava preparado e pronto para se executado e avaliado. 4.5 CUSTOS DE PRODUÇÃO DO PROTÓTIPO
O presente trabalho não teve como objetivo o
desenvolvimento de um protótipo com custo acessível para que ser tornasse um produto comercial. O foco foi ter um protótipo funcional, com todas as ferramentas possíveis para auxiliar nas avaliações que serão apresentadas no próximo capítulo.
Na Tabela 2 estão listados todos os componentes e seus respectivos custos.
Tabela 2 – Custos de produção do protótipo de direção veicular
Item Descrição do Produto Qtd Valor Subtotal
1 Correia HTD 5M 590mm / 25mm 1 63,50 63,50
2 Materiais Para Montagem / Usinagem 1 200,00 200,00
3 NI Cabos Motion Controller 1 1.000,00 1.000,00
4 NI Módulo Interconexão UMI-7772 1 2.150,00 2.150,00
5 NI Motion Controller PCI-7342 1 4.400,00 4.400,00
6 Panasonic Cabos Driver/Servomotor 1 400,00 400,00
7 Panasonic Driver MBDDT2210 1 3.600,00 3.600,00
8 Panasonic Servomotor MSMD042P1S 1 1.400,00 1.400,00
9 Polia HTD 5M 18 dentes / 25mm 1 37,00 37,00
10 Polia HTD 5M 72 dentes / 25mm 1 205,00 205,00
11 Rolamento NSK 6204 2 15,00 30,00
12 Serviço de Usinagem 1 1.500,00 1.500,00
Total: 14.985,50
58
Caso se queira transformar o presente protótipo num produto comercial, existem dois elementos que precisarão ser revistos, que são a motion controller e o conjunto driver e servomotor, que somados representam 86,4% do custo total.
5. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL E OTIMIZAÇÃO DO SIMULADOR
5.1 CARACTERÍSTICAS AVALIADAS Nesta etapa de avaliação experimental e otimização, foi
realizado o estudo de cinco itens que permitiu determinar as principais características do protótipo preliminar: calibração do sistema, estabilidade do controlador, tempo de resposta ao comando, resposta dinâmica e precisão e rigidez mecânica, abaixo detalhados:
Calibração do sistema: o objetivo desta etapa é
conhecer a curva de torque do sistema de direção e usá-la para calibrar o controle do servomotor. Neste ensaio, o aplicativo WinSteeringWheel é configurado para o modo de teste o que permite comandar pequenos incrementos no torque de saída do servomotor ao longo de toda sua faixa dinâmica de operação. O resultado da curva é equacionado e transformado numa função linear e os parâmetros calculados são configurados no aplicativo WinSteeringWheel. Esta etapa é a primeira a ser executada por ser primordial na realização da maioria das avaliações experimentais previstas neste relatório.
Estabilidade de posição: o teste consiste em aplicar
uma força contrária a uma massa suspensa na ponta de uma barra de aço posicionada horizontalmente em relação à base do volante. A barra está fixada ao seu centro da direção e é usada para transmitir o torque. Com o aplicativo WinSteeringWheel operando em modo de teste, a força contrária é programada manualmente até se chegar ao ponto de equilíbrio, onde a massa permanece estática formando um ângulo de 90 graus com a barra de aço. Neste momento, com o sistema equilibrado, são realizadas várias medições de deslocamento em intervalos de tempo regulares para avaliar a estabilidade de posição do sistema.
Tempo de resposta: o foco desta análise é conhecer o
tempo de reação e estabilização do controlador quando é gerado um degrau de torque na saída do servomotor. O ensaio é
60
realizado usando-se uma barra de aço conectada no centro do volante. A extremidade desta barra apóia-se sobre um transdutor de força fixado na bancada. A captura das informações sobre o transdutor é realizada através de um aplicativo de aquisição que lê as amostras obtidas numa frequência 10.000 Hz. A alta taxa de amostragem é importante para que seja possível visualizar através de gráficos perturbações mecânicas de alta frequência que venham ocorrer. É aplicado um degrau de força pelo aplicativo WinSteeringWheel e avaliada a resposta do sistema.
Resposta dinâmica: o teste de resposta dinâmica usa os
mesmos equipamentos do teste de tempo de resposta descrito anteriormente. No entanto neste experimento, o programa WinSteeringWheel configurado para o modo de teste, gera um sinal senoidal com frequência aproximada de 1 Hz e com amplitude mínima e máxima pré-definida. O sinal capturado pelo sistema de aquisição é comparado com sinal de controle e verifica-se o grau de sincronismo entre as duas formas de onda. Quanto menor for à defasagem melhor serão as características do protótipo.
Precisão e rigidez mecânica: o objetivo desta avaliação
é analisar questões mecânicas como alinhamento e deformação das peças do protótipo preliminar. Nesta etapa são feitas medições computadorizadas e inspeções visuais que permitem apontar com precisão os pontos fracos ou falhos do projeto mecânico exclusivamente.
5.2 CALIBRAÇÃO DO SISTEMA Esta atividade é primordial para a realização das demais
etapas deste capítulo, com exceção da avaliação mecânica, onde aspectos de controle não interferem na análise física do protótipo. O sistema e seus componentes principais podem ser visualizados na Figura 28.
61
Figura 28 – Cenário de calibração do torque
5.2.1 Recursos usados para medir as curvas de torque
Braço de alavanca Barra de aço que se acopla no centro do volante e que transmite o torque em forma de pressão sobre o transdutor de força do sistema de medição.
Transdutor de força HBM Z30A/200N Célula de carga construída em ponte completa com capacidade para medições de cargas de até 200N e erro de sensibilidade relativa menor que 0,1%.
Conjunto NI USB 9162 e NI-9237 Estes módulos associados permitem ter um data logger
3 USB de 4 canais para ligação de transdutores
em meia ponte ou ponte completa. A resolução de
3 Dispositivo eletrônico que permite o registro de dados de forma
cadenciada
62
cada um dos canais é 24 bits e são possíveis leituras simultâneas de todos eles com taxas de amostragem de até 50kbps, no entanto, em nossos testes usaremos apenas um único canal.
Programa para captura dos dados Aplicativo desenvolvido em LabView
4 e que permite
gravar o fluxo dos dados capturados pelo data logger em memória não volátil para uma análise numérica posterior;
Programa WinSteeringWheel Aplicativo do simulador de direção configurado em modo de teste, tornando possível programar valores diretamente no conversor DA
5 da placa de controle de
movimento.
5.2.2 Descrição detalhada do teste O objetivo deste teste é conhecer a curva de torque
sentida na direção de acordo com os valores do conversor DA carregados na placa de controle de movimento.
Em ambos os sentidos de giro, horário e anti-horário, o conversor DA começou com o valor 0 (neutro) e recebeu incrementos de 250 de forma manual até atingir o valor máximo de 10.000, que representa um torque aproximado de 5N.m.
O momento gerado pelo volante é monitorado por uma célula de carga que recebe a força através do braço de alavanca conectado no centro do volante. Os dados medidos são registrados pelo data logger e o programa para captura lê estes valores e os armazena numa memória não volátil para que posteriormente pudéssemos analisar. A incerteza dos resultados de torque é estimada em ±0,1N.m em função da incerteza da célula de carga e do comprimento do braço de alavanca.
4 Programa de plataforma base da National Instruments usado no
desenvolvimento de aplicativos de medição e/ou controle. 5 Digital-Analógico
63
5.2.3 Análise dos dados Nos gráficos da Figura 29 e Figura 30 é possível ver o
comportamento do torque de saída do volante no sentido de giro horário e anti-horário respectivamente.
A curva da Figura 29 revela uma saída levemente não linear e também a existência de uma perturbação quando o conversor DA é carregado com o valor 4250. Com o objetivo de entender melhor este comportamento e verificar se o problema não pudesse ser alguma falha de programação no aplicativo WinSteeringWheel, utilizou-se um multímetro para medir a saída do sinal analógico que vai da placa de controle de movimento direto para o pino de entrada que controla o torque no driver do servomotor. Os valores medidos foram normais e estáveis e, portanto, concluiu-se que problema está contido no conjunto driver e servomotor. Após extensas pesquisas, não foram encontradas informações que relatassem tal problema ou configurações do driver que permitissem executar esta correção.
Figura 29 – Curvas de calibração estática de torque no sentido horário
0
1
2
3
4
5
6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Torq
ue
(N
.m)
Valor do DAC do controlador (Adimensional)
Calibração Estática de Torque(Rotação Horária)
Série 1
Série 2
Série 3
64
Já a curva da Figura 30 que representa o torque no sentido anti-horário, é possível visualizar boa linearidade no controle.
Figura 30 – Curvas de calibração estática de torque no sentido anti-
horário
Através dos gráficos é possível verificar que as curvas de
torque do sistema são assimétricas e, portanto, são necessárias correções distintas pelo programa WinSteeringWheel de acordo com o sentido de giro do servomotor. É possível verificar também a excelente repetibilidade nos dados medidos com a célula de carga, nos 3 ciclos de teste. A maior variação ao longo de todos os testes foi 0,2183 N.m.
5.3 AVALIAÇÃO DE ESTABILIDADE DE POSIÇÃO O teste de estabilidade de posição visa verificar se o
torque aplicado no sistema de direção permanece estável no decorrer do tempo.
0
1
2
3
4
5
6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Torq
ue
(N
.m)
Valor do DAC do controlador (Adimensional)
Calibração Estática de Torque(Rotação Anti-Horária)
Série 1
Série 2
Série 3
65
5.3.1 Recursos usados na avaliação
Base magnética marca Digimess modelo 270.240B Braço de fixação para o relógio apalpador;
Relógio apalpador marca Digimess modelo 121.362 Curso total de 0,8mm com resolução de 10µm.
Massa de teste Peça de aço com o formato em U e peso específico de 1,0164 kgf (9,97N). Nota: O peso foi determinado usando uma balança de precisão da marca Toledo modelo ID1 Plus.
Braço de sustentação da massa de teste Barra de aço que se acopla no centro do volante e que tem na extremidade um orifício de três milímetros usado para amarrar o cabo de aço de sustentação da massa de teste.
Programa WinSteeringWheel Aplicativo do simulador de direção configurado em modo de teste, tornando possível introduzir valores de torque através de comandos manuais.
5.3.2 Descrição detalhada do teste O objetivo do teste é verificar se o comando de torque
aplicado no volante permanece estável no decorrer de um período. Para isto, um peso conhecido é pendurado na ponta do braço de sustentação que se encontra acoplado no centro da direção conforme pode ser visto na Figura 31a.
Para estabelecer o equilíbrio neste sistema, é preciso gerar o torque contrário à força exercida pela massa de teste na ponta da barra. Como ponto de partida, calculou-se o torque exercido pelo peso conforme a equação abaixo:
Parâmetros:
F = 9,97N (força peso da massa de teste)
d = 39,2cm (distância do braço de alavanca)
mNmNdFT .91,3392,097,9 ( 2 )
66
O valor calculado é então usado como referência para aplicar de forma gradativa o torque no sentido anti-horário através do aplicativo WinSteeringWheel. Como os cálculos não contemplavam o peso do braço de alavanca, o sistema de direção não sustentou a massa de teste de modo a formar um ângulo de 90° entre ela e a barra e, portanto, foi preciso aplicar um contra torque extra de 0,14N.m para compensar o peso do braço. Após a correção o sistema se tornou estável e neste momento foi colocado o relógio apalpador conforme a Figura 31b para realizar as medições de deslocamento linear de posição.
No entanto, para evitar incoerências nas medições, aguardou-se um tempo de 10 minutos com o objetivo de garantir que a massa de teste estivesse completamente imóvel.
Após a espera, os registros do mostrador do medidor foram coletados em cadências de 5 minutos durante um período de 50 minutos.
(a)
(b)
Figura 31 – Cenário do controle de estabilidade de torque
5.3.3 Análise dos dados A curva na Figura 32 representa o deslocamento linear
em micrometros do braço de alavanca no decorrer do tempo.
67
Figura 32 – Curva de estabilidade estática
Neste gráfico é possível ver claramente a estabilidade de
controle do sistema. Mesmo após decorrer 50 minutos, o relógio apalpador mostra um deslocamento de apenas 130µm, pouco mais de um décimo de milímetro. Esta variação é muito pequena na movimentação de um volante de direção, correspondendo a um ângulo de giro de 0,02 graus, imperceptível na operação do volante.
5.4 TEMPO DE RESPOSTA
O foco desta avaliação é verificar o tempo de reação do sistema de controle da direção veicular em relação às mudanças de torque.
5.4.1 Recursos usados na avaliação Para este teste foram utilizados os mesmos
equipamentos empregados no teste de calibração do sistema, conforme listado no item 5.2.1.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
0 10 20 30 40 50
de
slo
calm
en
to (
µm
)
Tempo (minutos)
Estabilidade Estática
68
5.4.2 Descrição detalhada do teste Para avaliar o tempo de resposta do sistema de direção,
foi aplicado através do aplicativo WinSteeringWheel um torque específico na forma de degrau. A força de reação gerada é então transmitida do volante para o transdutor de força através do braço de alavanca. Durante todo este processo, o programa de captura de dados está constantemente lendo o data logger e registrando todos os dados em memória não volátil. Os dados são amostrados numa taxa de 10kHz.
Todos os ensaios realizados, partiram com o volante exercendo um torque inicial de 1 N.m. O objetivo de colocar um torque fixo antes de disparar o degrau é procurar anular qualquer folga que pudesse existir no acoplamento entre volante e braço de alavanca.
O cenário usado para realizar este teste é o mesmo da Figura 28, anteriormente usado na calibração de todo o sistema.
5.4.3 Análise dos dados Conforme supracitado no item anterior, todos os testes
iniciaram com a direção veicular exercendo um torque de 1 N.m no sentido horário. Foram capturadas três curvas com degraus de torque diferentes (2, 3 e 5 N.m).
Pelo fato do aplicativo WinSteeringWheel operar internamente como um controlador do tipo “P”, realmente esperava-se oscilações em variações bruscas de torque conforme pode ser visto no gráfico da Figura 33. O sinal atingiu a estabilização após 500ms, o que de certa forma é um tempo considerado alto que, em simulações com manobras de direção mais dinâmicas, pode representar discordância com a fidelidade dos movimentos.
Estes resultados indicam que será preciso evoluir a solução para o uso de um controlador do tipo PID para que seja possível amortecer o sobre torque e estabilizar o sistema num tempo mais curto.
69
Figura 33 – Curvas de tempo de resposta ao degrau
5.5 RESPOSTA DINÂMICA O teste de resposta dinâmica visa avaliar o sistema
quando o torque varia gradativamente no tempo. O foco é saber o atraso que existe entre o sinal de comando e a resposta.
5.5.1 Recursos usados na avaliação Para este teste foram utilizados os mesmos
equipamentos empregados no teste de calibração do sistema, conforme listados no item 5.2.1.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Torq
ue
(N
.m)
Tempo (ms)
Torque de Resposta ao Degrau
5 N.m
3 N.m
2 N.m
70
5.5.2 Descrição detalhada do teste Para realizar este ensaio, o aplicativo WinSteeringWheel
em modo de teste foi programado para gerar o torque em forma de onda senoidal com frequência de 1 Hz e com amplitudes mínima e máxima pré-programadas.
A força gerada no volante é transmitida pelo braço de alavanca até o transdutor de força que permite avaliar a reação do sistema de direção em relação ao sinal de comando.
Durante a execução os dados do sensor são capturados pelo data logger numa taxa de 10 kHz e o programa de aquisição grava estas informações em memória não volátil para que se possa confrontar a forma de onda de saída com a forma de onda do sinal de comando.
Todos os ensaios realizados partiram com o volante exercendo um torque inicial na mediana da senóide e com os vales mínimos de 1 N.m para anular qualquer folga que pudesse existir no acoplamento entre volante e braço de alavanca.
O cenário usado para realizar estas medições é o mesmo da Figura 28, anteriormente usado na calibração de todo o sistema.
5.5.3 Análise dos dados As curvas da Figura 34 mostram o sinal de comando e a
resposta do sistema da direção veicular. É claramente visível o atraso da resposta, o que poderia representar, em determinadas situações, confusões hápticas sentidas pelo usuário.
71
Figura 34 – Resposta dinâmica do torque ao comando
Na Figura 35, temos as curvas ampliadas, e para facilitar
a visualização criou-se uma linha de tendência com base na média móvel das últimas 3 amostras.
Figura 35 – Resposta dinâmica: atrasos na resposta
0
1
2
3
4
5
6
0 1000 2000 3000 4000 5000
Torq
ue
(N
.m)
Tempo (ms)
Resposta Dinâmica do Torque ao Comando
Sensor
Comando
0
1
2
3
4
5
6
450 550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450
Torq
ue
(N
.m)
Tempo (ms)
Resposta Dinâmica do Torque ao Comando: Tempo de Atraso
Sensor
Comando
Sensor (Média Móvel)
72
Neste gráfico é possível visualizar que os atrasos nas linhas de subida são significativamente menores que os da linha de descida o que mostra certa inércia do sistema no retorno do torque. Os tempos de atraso giraram em torno de 38ms nos segmentos de subida e 63ms nos de descida, novamente é visível a necessidade de um controle mais dinâmico para comportar as variações bruscas de forças de atuação sobre o volante. De forma empírica, este tempo de resposta foi considerado alto demais porque em determinadas situações se o volante fosse solto por completo na simulação, o controlador não conseguia se estabilizar e entrava em oscilação continua com um aumento gradativo de torque, caracterizando um sistema de controle não convergente.
Infelizmente não foram encontradas literaturas que pudessem ajudar a mensurar o quanto de desvio as respostas ao controle de torque neste trabalho representam num sistema de direção veicular.
5.6 AVALIAÇÃO DA ESTRUTURA MECÂNICA O objetivo desta avaliação é verificar os pontos críticos
de construção mecânica do protótipo para identificar deficiências de projeto, fabricação e montagem.
Na operação do protótipo se percebeu certas irregularidades de movimentação do volante, como desalinhamentos e batimento na movimentação angular, e atrito de movimentação. Com o objetivo de identificar causas mecânicas, foram avaliados alguns erros geométricos, empregando-se uma máquina de medir por coordenadas Mitutoyo BLN A916 com incerteza de medição de 5µm da Fundação CERTI (Figura 36).
73
Figura 36 – Avaliação de perpendicularidade e coaxialidade do volante
O ângulo entre o eixo de rotação do volante e a chapa
que o suporta foi avaliada, encontrando-se a medida de 89,06 graus, o que representa um erro de 0,94 graus. Para esta medição foi medido o plano de apoio do eixo e depois o eixo do rolamento que suporta o eixo do volante, conforme mostra a Figura 37.
Figura 37 – Avaliação de perpendicularidade do volante
Plano
Ângulo
Eixo
74
Outro erro geométrico avaliado foi a concentricidade entre os dois mancais que suportam o eixo do volante. Estes mancais estão posicionados sobre a estrutura mecânica do sistema, sobre a chapa dobrada em formato de "U", conforme mostra a Figura 38. Adotou-se como referência o mancal 1 com o rolamento e mediu-se a concentricidade do mancal 2 em relação a este. Na medição realizada encontrou-se um erro de 3,71 mm.
Figura 38 – Medição de concentricidade entre mancais
Os erros de perpendicularidade e de concentricidade
revelaram falhas de construção, e também de concepção mecânica nesta estrutura. Estes resultados foram utilizados para uma reengenharia no sistema que está em curso, com o objetivo de obter uma estrutura mecânica com maior precisão e rigidez.
Mancal 1
Eixo
Mancal 2
6. CONCLUSÕES
6.1 DISCUSSÃO SOBRE OS RESULTADOS O presente trabalho permitiu através das várias
pesquisas entender mais sobre o assunto de fidelidade aplicada a simuladores.
Conforme descrito em alguns tópicos, a questão fidelidade é algo complexo de ser mensurado e muitas vezes as análises de elementos que compõe o sistema são feitas de uma forma subjetiva.
Também é importante entender que atualmente, mesmo os mais caros simuladores, que podem ser encontrados em apenas poucos lugares no mundo, ainda assim não reproduzem completamente a realidade (VINCENZI et al., 2009). No entanto, esse fato aos poucos vem sendo mudado com os avanços das tecnologias e com os estudos científicos que vem sendo feitos sobre o assunto.
Sobre o protótipo de direção veicular projetado para analisar as questões de fidelidade de forma prática, mostrou-nos resultados interessantes e melhorou a compreensão sobre o assunto. Numa análise subjetiva, contando com a opinião de pessoas que testaram o protótipo, concluiu-se que ele possui boa relação sinestésica e que traz maior realidade ao simulador, principalmente quando comparado com controles comuns usados em jogos eletrônicos.
Com relação às avaliações do sistema de direção do protótipo em laboratório, foi possível entender os seus pontos fortes e também quais partes precisam ser aprimoradas para melhorar o seu realismo.
Analisando o torque sob o aspecto de linearidade e repetitividade, constatou-se através das séries de medições, bons resultados e isto facilitou muito na calibração do sistema, pois não foi preciso usar extensas tabelas de correção de curva.
No entanto o tempo de resposta ao comando prejudicou um pouco as características de desempenho. Tal comportamento ocorreu por não se conseguir programar a placa motion controller da National Instruments no modo torque e velocidade o que permitiria usar as rotinas internas da placa para fazer um controle do tipo PID.
76
Portanto, devido ao WinSteeringWheel operar como um controlador proporcional, já era esperado obter tempos de reação lentos e oscilatórios que em determinadas ocasiões poderiam se tornar não convergente. Esta característica indesejada de controle prejudicou a sinestesia do protótipo em vários trechos da simulação.
Com relação à construção mecânica do protótipo, a falta de perpendicularidade associada com a falta de concentricidade do eixo que sai do volante e vai até a polia da caixa de redução, também foi um fator que trouxe problemas no início dos testes operacionais, pois existiam atritos não lineares o que prejudicava muito a questão de controle de torque. Com relação à não perpendicularidade, constatou-se que o principal problema era o eixo bipartido que sai da polia e vai até ao flange de conexão do volante conforme pode ser visto na Figura 39. Este acoplamento entre os eixos devido às folgas também gera uma histerese indesejada na direção. A solução para este caso é construir um único eixo e acrescentar um rolamento no perfil em L que sustenta o peso do volante.
Figura 39 – Eixo bipartido do volante
77
Durante os testes operacionais, diversas configurações foram feitas com o conjunto driver e servomotor, e por fim, foi constatado que motor possui baixíssima inércia quando o driver está programado no modo torque com força nula. Tal fato é positivo e torna viável o projeto inicial com 4 polias para termos um torque nominal no volante de 20,8N.m.
6.2 PROPOSTAS DE MELHORIAS
6.2.1 Modificação do eixo bipartido do volante Conforme já descrito, o fato do eixo do volante ser
bipartido é um problema, pois permite que quando a polia esteja tensionada pela correia desalinhe no ponto de conexão das duas peças deste eixo além de gerar histerese por folgas neste acoplamento. A solução para o caso é fazer um eixo único que sai da polia e vai até ao volante e que fique apoiado sobre dois mancais com rolamentos, conforme pode ser visto na Figura 40.
Figura 40 – Eixo do volante em barra única com dois rolamentos de
apoio
Nesta configuração, mesmo que a polia da caixa de
redução esteja tensionada, não haverá inclinação do eixo da barra de direção pelo fato de usarmos dois rolamentos formando um duplo apoio.
78
6.2.2 Modificação da caixa de redução do sistema de direção Outra melhoria que poderia ser feita, seria adequar o
projeto para que o torque máximo nominal da direção veicular volte a ser 20,8 N.m. Conforme descrito no capítulo 4, veículos com barra de direção formada por pinhão cremalheira sem assistência podem chegar a torques de até 16 N.m. em manobras de esterçamento com o automóvel estático.
Para obtermos este resultado no torque, precisamos voltar ao conceito inicial do projeto em que usávamos quatro polias. No entanto, é importante lembrar que o grande motivo que viabiliza o uso desta arquitetura se deve ao fato de que o modelo de servomotor panasonic em uso no projeto possui um torque baixo de inércia conforme informações fornecidas pelo fabricante.
Na Figura 41 está o projeto da nova arquitetura para o protótipo que contempla o uso de um único eixo para a barra de direção e com sistema de redução formado por quatro polias, proporcionando uma relação de torque volante e servomotor de 16:1.
Figura 41 – Volante de eixo único com caixa de redução de quatro
polias
79
6.2.3 Implementação de um controlador PID Um controlador do tipo PID no atual protótipo, poderia
trazer grandes ganhos quanto ao tempo de resposta e melhor resposta dinâmica, evitando grandes oscilações em mudanças bruscas de torque. Também com um controle deste tipo, eliminaria os eventuais problemas do torque não convergir em determinadas situações da simulação.
Então, uma forma de se conseguir isto é investir mais tempo para investigar e encontrar alguma forma de configurar a placa Motion Controller para que se consiga trabalhar no modo torque e velocidade, e neste caso, todo o controle sai do programa WinSteeringWheel e passa para rotinas específicas internas da motion.
Outra forma, que inclusive reduz o custo de produção do protótipo, seria projetar uma placa eletrônica microcontrolada para comunicar diretamente com o driver do servomotor. Nesta placa seriam desenvolvidas todas as rotinas de PID para acionamento do volante assim como gerenciamento da posição angular do mesmo. Como o processamento seria externo ao computador, precisaríamos de um canal de comunicação para troca de dados com o programa WinSteeringWheel. Um ponto a se preocupar com este tipo de solução é a questão de latência na troca dos dados, que precisa ser a mais baixa possível para não interferir nas reações sinestésicas do volante.
Na Figura 42, está ilustrado através do diagrama de blocos o módulo da placa de controle de movimento a ser substituído no atual protótipo.
Figura 42 – Diagrama de blocos do sistema de direção com placa de
controle proprietária
80
6.3 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS As medições realizadas neste trabalho formaram uma
boa base para uma análise técnica do protótipo quanto aos quesitos de desempenho e de resposta aos estímulos exigidos pelo ambiente de simulação, que indiretamente se traduz em fidelidade funcional. Os resultados ajudaram a mostrar os porquês de algumas discordâncias ocorridas em determinadas situações no ambiente virtual, e nos permitiu visualizar partes específicas do projeto que podem ser aprimoradas.
No entanto, um fator interessante que poderia ser confrontado com as avalições objetivas, seria um estudo com grupo de pessoas, usando o sistema de direção proposto em conjunto com os demais itens necessários para termos um simulador completo.
Neste estudo seriam feitas análises sobre questões subjetivas com base na opinião de cada participante após experimentarem o simulador. A ideia é tentar entender melhor os fatores humanos em conjunto com as análises técnicas objetivas e, por conseguinte, identificar grandezas que permitam aprimorar a fidelidade do sistema ou parte dele.
Em trabalhos futuros, também é interessante investir em
pesquisas para o desenvolvimento de novas soluções para o mercado nacional de simuladores. No Brasil, o uso deles em CFCs é novo e o custo de produção ainda é alto, pois muitos dos seus componentes, que precisam ser de uso profissional, ainda precisam ser importados pelo fato do mercado interno ainda não suprir esta necessidade.
Todos os componentes usados no protótipo de estudo neste trabalho foram escolhidos com o intuído de entender melhor as questões de fidelidade e, portanto, chegando a uma solução com preço muito alto para se tornar um produto de mercado.
Itens como direção veicular, pedais e até mesmo programas de simulação, são peças fundamentais em simuladores e que poderiam ser desenvolvidos por empresas nacionais.
Até a presente data deste trabalho apenas uma única empresa brasileira tem o certificado concedido pelo DENATRAN que permite a comercialização de simuladores no Brasil, e o
81
custo deste equipamento ainda é alto para os CFCs, um valor que varia entre 30 e 35 mil reais.
REFERÊNCIAS
3D-SIMULATOR. 3D-Driving School. Disponível em:
<http://www.3dfahrschule.de/uk_shop.htm>. Acesso em: 2 jul.
2013.
ALLEN, R. W. et al. The Effect of Driving Simulator Fidelity
on Training Effectiveness. n. September, p. 1–15, 2007.
ANPEI. Vale desenvolve melhor simulador de trem do
mundo. Disponível em:
<http://www.anpei.org.br/imprensa/noticias/vale-desenvolve-
melhor-simulador-de-trem-do-mundo/>. Acesso em: 28 jun.
2013.
AVIATION WEEK. First NH90 Simulator Inaugurated.
Disponível em:
<http://www.aviationweek.com/Blogs.aspx?plckBlogId=Blog:
27ec4a53-dcc8-42d0-bd3a-
01329aef79a7&plckPostId=Blog:27ec4a53-dcc8-42d0-bd3a-
01329aef79a7Post:1b0e4c59-7e61-4166-b655-4bad9c16898f>.
Acesso em: 29 jun. 2013.
CODEMASTERS. Formula 1 2012. Disponível em:
<http://www.codemasters.com/uk/f12012/pc/>. Acesso em: 1
jul. 2013.
DENATRAN. Portaria N° 808, de 11 de Outubro de 2011.
Disponível em:
<http://www.denatran.gov.br/download/Portarias/2011/PORT
ARIA_DENATRAN_808_11.pdf>. Acesso em: 29 jun. 2013.
DIÁRIO DE OURINHOS. Simuladores de direção terão que
ser usados pelas autoescolas a partir do segundo semestre.
21/01/2013, 21 jan. 2013.
83
DORON PRECISION SYSTEMS INC. Truck Driving
Simulation Systems. Disponível em:
<http://www.doronprecision.com/truck-semi-tractor-trailer-
hgv-heavy-goods-vehicle-cdl-driving-simulator-training-
systems.html>. Acesso em: 3 jul. 2013.
ECOTRONI SIMULATION. Simulador ATD de vôo estático
Embraer EMB 170/190/195 com projeção 180 graus.
Disponível em:
<http://www.ecotronisimulation.com.br/simulador/embraer/sim
ulador-atd-de-voo-estatico-embraer-emb-170-190-195-com-
projec-o-180-graus.html>. Acesso em: 3 jul. 2013.
EXAME. O trem-bala das cargas da Vale. 31/10/2012, 2012.
FERNANDES, M. A. Estudos em sistemas de direção
veicular. [s.l.] USP, 2005.
FUNDAÇÃO CERTI. Projeto Simulador Para Centros de
Condutores. Florianópolis: [s.n.].
GRIFFITH, D. Virtual Reality Training. Disponível em:
<http://www.policemag.com/channel/technology/articles/2009/
04/virtual-reality-training.aspx>. Acesso em: 4 jul. 2013.
IMIRANTE.COM. Contran prorroga prazo para instalação
do simulador no país. Disponível em:
<http://imirante.globo.com/servicos/noticias/2013/06/28/contra
n-prorroga-prazo-para-instalacao-do-simulador-no-pais.shtml>.
Acesso em: 4 jul. 2013.
KAWAGUTI, L. Exército constrói simulador de helicóptero
100% nacional. Disponível em:
<http://www1.folha.uol.com.br/poder/1022681-exercito-
constroi-simulador-de-helicoptero-100-nacional.shtml>.
84
KOMARCHESQUI, B. Autoescolas boicotam simulador de
direção. 22/06/2013, 2013.
MICROSOFT GAMES STUDIOS. Flight Simulator X.
Disponível em:
<http://www.microsoft.com/games/flightsimulatorx/>.
SILVA, D. Simulador de trens agiliza formação de novos
maquinistas. Disponível em:
<http://cptmemfoco.blogspot.com.br/2011/07/simulador-de-
trens-agiliza-formacao-de.html>.
SWOV INSTITUTE. SWOV Fact sheet: Simulators in driver
training. n. December, p. 1–5, 2010.
SYSTEM TECHNOLOGY INC. Parasim, parechute
simulator. Disponível em: <http://www.parasim.com/about-
us>. Acesso em: 4 jul. 2013.
TOYOTA. Pursuit for Vehicle Safety: Driving Simulator.
Disponível em: <http://www.toyota-
global.com/innovation/safety_technology/safety_measurement
s/driving_simulator.html>. Acesso em: 1 jul. 2013.
VINCENZI, D. A. et al. Human Factors in Simulation and
Training. [s.l.] CRC Press, 2009. p. 450