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Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza Proyecto Fin de Carrera ACONDICIONAMIENTO DE PLATAFORMA STEWART PARA SIMULADOR DE MOTOCICLETA Dirigido por: D. Santiago Baselga Ariño D. Javier Abad Blasco Realizado por: Andrés Romea Torralba Jorge Puértolas Bueno Septiembre 2010 El presente Proyecto Final de Carrera ha sido realizado en colaboración con Andrés Romea Torralba. Agradecimientos: A D. Santiago Baselga y D. Javier Abad, por brindarnos la oportunidad de llevar a cabo este proyecto. A D. Jesús María de Velasco, D. Pablo Bosque, D. Pedro Soler y D. Alfredo Lop, por la ayuda prestada a lo largo de estos últimos diez meses. A nuestros familiares y amigos, por su apoyo incondicional en todo momento. Gracias a todos. Firmado: Jorge Puértolas Bueno Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 1 ÍNDICE MEMORIA 1.- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS.............................................................. 6 1.1 Introducción....................................................................................................... 6 1.2 Objetivos............................................................................................................ 8 2.- ESTADO INICIAL DEL SIMULADOR ..................................................... 10 2.1 Introducción..................................................................................................... 10 2.2 Plataforma y cabina ......................................................................................... 10 2.3 Motocicleta ...................................................................................................... 11 2.4 Ordenador y joystick........................................................................................ 13 2.5 Equipo de sonido y audio................................................................................. 13 2.6 Entorno de realidad virtual .............................................................................. 14 3.- PLATAFORMA STEWART DE SEIS GRADOS DE LIBERTAD ............. 15 3.1 Generalidades................................................................................................... 15 3.2 Uso y limitaciones ........................................................................................... 17 4.- ESTABILIDAD DE LA MOTO SOBRE LA CABINA ................................ 20 4.1 Funciones del soporte entre la cabina y la moto.............................................. 20 4.2 Diferentes diseños de estabilidad:.................................................................... 22 4.2.1 Primer diseño:........................................................................................... 23 4.2.2 Segundo diseño:........................................................................................ 26 4.2.3 Tercer diseño: ........................................................................................... 28 4.2.4 Diseño final:.............................................................................................. 31 Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 2 5.- FRENO DE COMPRESIÓN EXTERNA.................................................. 35 5.1 Introducción..................................................................................................... 35 5.2 Componentes ................................................................................................... 37 5.2.1 Pletina base:.............................................................................................. 37 5.2.2 Pletina inferior:......................................................................................... 38 5.2.3 Zapata: ...................................................................................................... 39 5.2.3 Pletina superior......................................................................................... 40 5.2.4 Material de fricción................................................................................... 40 5.2. Tornillos...................................................................................................... 42 5.3 Planos............................................................................................................... 43 5.4 Cálculos ........................................................................................................... 44 5.4.1 Presión sobre el eje................................................................................... 45 5.4.3 Fuerza axial máxima transmisible por la unión........................................ 45 5.4.5 Resultados del COSMOS.......................................................................... 45 6.- ENTORNO DE REALIDAD VIRTUAL..................................................... 54 6.1 Introducción..................................................................................................... 54 6.2 Interfaz PC – usuario ....................................................................................... 55 6.3 Entorno gráfico................................................................................................ 56 6.4 Código del programa principal........................................................................ 57 6.4.1 Cálculo de “dt#”........................................................................................ 59 6.4.2 Final de programa..................................................................................... 60 6.4.3 Activación del MDA................................................................................. 61 6.4.4 Contador de tiempo para el fichero........................................................... 63 6.5 Filtrado de los datos egresados del simulador................................................. 64 6.5.1 Filtrado de aceleraciones .......................................................................... 66 Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 3 6.5.1.1 Filtrado de las aceleraciones longitudinales ...................................... 66 6.5.1.2 Filtrado de las aceleraciones laterales................................................ 69 6.5.1.3 Filtrado de las aceleraciones verticales.............................................. 73 6.5.2 Filtrado del cabeceo.................................................................................. 76 6.5.3 Filtrado del balanceo................................................................................. 78 6.5.4 Filtrado de la velocidad angular................................................................ 81 6.5.5 Filtrado de la velocidad angular de guiñado............................................. 83 6.6 Interfaz PC – Plataforma Stewart .................................................................... 86 6.6.1 Adaptación de las aceleraciones............................................................... 88 6.6.1.1 Aceleración longitudinal.................................................................... 89 6.6.1.2 Aceleración lateral............................................................................. 89 6.6.1.3 Aceleración vertical........................................................................... 89 6.6.2 Adaptación del cabeceo............................................................................ 90 6.6.3 Adaptación del balanceo........................................................................... 93 6.6.4 Adaptación de la velocidad angular de guiñado....................................... 97 7.- INSTALACIÓN MECÁNICA DE LOS SENSORES ................................. 98 7.1 Introducción..................................................................................................... 98 7.2 Sensores empleados......................................................................................... 99 7.2.1 Potenciómetros.......................................................................................... 99 7.2.1.1 Potenciómetros rotatorios.................................................................. 99 7.2.1.2 Potenciómetros deslizantes.............................................................. 100 7.2.2 Interruptores finales de carrera............................................................... 100 7.2.3 Sensores de presión................................................................................. 101 7.3 Aplicación de los sensores............................................................................. 103 7.3.1 Simulación cambio de marchas .............................................................. 103 Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 4 7.3.2 Simulación balanceo / inclinación lateral............................................... 104 7.3.3 Simulación del giro del manillar............................................................. 105 7.3.4 Simulación de frenado............................................................................ 106 7.3.4 Simulación aceleración........................................................................... 108 7.3.5 Simulación embragado ........................................................................... 109 8.- LINEAS FUTURAS ............................................................................... 110 8.1 Manejo del simulador en primera persona..................................................... 110 8.2 Control de estabilidad de la moto en la cabina mediante elementos activos. 111 8.2.1 Precisión en la posición del vehículo...................................................... 111 8.2.2 Inclinación progresiva............................................................................. 111 8.3 Modelo dinámico........................................................................................... 112 9.- CONCLUSIONES ................................................................................. 114 9.1 Freno de fricción............................................................................................ 114 9.2 Diseño e instalación mecánica de sensores.................................................... 116 9.3 Entorno de realidad virtual ............................................................................ 115 10.-BIBLIOGRAFÍA.................................................................................... 117 ANEXOS Anexo A: Plataforma Anexo B: Ordenador y Joystick Anexo C: Sensores Anexo D: Planos Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 5 MEMORIA Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 6 1.- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1 Introducción Este proyecto ha sido elaborado en el departamento de Ingeniería Mecánica (Área de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes) de la Escuela de Ingeniería Técnica Industrial de la Universidad de Zaragoza. La simulación del comportamiento de los vehículos es un tema de gran interés para los ingenieros y diseñadores que trabajan dentro del campo de la automoción. Ya que con ello se consigue reproducir de forma real situaciones de riesgo, evitando situaciones de peligro para el conductor. De esta forma, se proporcionan experiencias previas de gran importancia para solventar dichas situaciones en casos reales. El interés de este proyecto se centra en aplicar estas técnicas a uno de los vehículos menos simulados sobre plataformas móviles, la motocicleta. La escasa simulación es debida a la dificultad que implica el balanceo de la moto y sus fuerzas laterales durante el trazado de curvas. Esta parte, con gran peso en el proyecto, centrará los capítulos; 4, 5 y algunos apartados del 6. El objetivo de los simuladores es introducir al usuario en el modelo que tienen programado. Cuanto más variables sea capaz de simular el modelo, mayor será la calidad de la simulación. Lo que se pretende es que la persona perciba el mismo conjunto de sensaciones que le produce la situación real a simular. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 7 El sistema diseñado en este proyecto estará formado por:  Plataforma Stewart de 6 grados de libertad: es la encargada de generar los movimientos que se sienten en el simulador.  Puesto de pilotaje, formado por una cabina situada encima de la plataforma, en la cual se aloja la motocicleta con su sistema de sujeción a la base. Es el medio de contacto físico entre el usuario y el simulador.  Freno de compresión externa para crear estabilidad: proporciona la estabilidad de la moto en el interior del puesto de pilotaje durante los balanceos.  Sistema audiovisual de realidad virtual, para recibir la información visual y sonora simulada. Consta de un televisor de pantalla plana y unos altavoces situados en el interior de la cabina.  Tratamiento de datos: parte de la identificación y transformación de movimientos en señales mediante sensores acoplados en la moto.  Programa principal del simulador: formado por escenarios virtuales sobre los que corren los modelos cinemático-dinámicos desarrollados en proyectos anteriores y mejorados en este.  Computadoras de procesamiento del programa del simulador y de control de la plataforma. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 14 2.6 Entorno de realidad virtual Hay un simulador creado mediante la herramienta de programación DarkBASIC Professional. Se trata de un software generado con un modelo analítico cinemático. Todo esto se explicará con mayor detenimiento en el apartado 6.3. Dicho programa presenta muchas carencias, errores de programación que no permiten que funcione correctamente; no dispone de fin de programa, no toma el tiempo de forma adecuada, etc. La subrutina de envío de datos al módulo MDA no está correctamente introducida, además tampoco se tratan los datos que son egresados por el simulador ni se adaptan a valores óptimos para la plataforma. Todo esto verá solución en el capítulo 6. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 15 3.- PLATAFORMA STEWART DE SEIS GRADOS DE LIBERTAD 3.1 Generalidades El simulador está construido sobre una plataforma Stewart fabricada por MOOG Inc. modelo 6DOF2000E que podemos ver en la figura 3.1. Las características aparecen en el anexo A. Figura 3.1 Primer plano plataforma Stewart La plataforma de tipo Stewart fue presentada en 1965 y es la que utilizan la mayoría de los simuladores desarrollados. Esta posee los seis grados de libertad espacial, es decir, tres direcciones de desplazamiento y tres giros. Está compuesta por una bancada fija al suelo de la nave y una plataforma elevada con los 6 GDL, unidas mediante seis actuadores lineales, que son los encargados de darle movimiento. Estos actuadores constan de una unión Hooke y una rótula. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 16 En este caso dichos actuadores son eléctricos, aunque también es bastante común encontrar actuadores hidráulicos. En la figura 3.2 se puede observar un esquema: Figura 3.2 Esquema funcionamiento plataforma Stewart Las ecuaciones de extensión–retracción definen el modelo cinético del sistema. El problema puede orientarse de dos formas opuestas:  Problema cinemático directo: Para determinada posición y movimiento de los actuadores, se calcula el movimiento resultante de la cabina. En este tipo de plataformas es difícil de calcular, pero completamente necesario para determinar los límites en los desplazamientos del simulador. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 17  Problema cinemático inverso: Para una determinada posición y movimiento de la cabina, determinar el movimiento necesario de cada actuador. Dado que en la simulación, es el movimiento de la cabina lo que conocemos, este problema es esencial para el correcto funcionamiento del simulador. Afortunadamente, el fabricante permite directamente la introducción de los grados de libertad como variables de entrada, modo DOF, para no tener que realizar ninguna conversión ni implementar un modelo propio de la plataforma. 3.2 Uso y limitaciones El principio de funcionamiento de este tipo de simuladores es sencillo. La idea es simular las aceleraciones realizando una inclinación de la plataforma ayudado de un pequeño desplazamiento para dar una mayor sensación. Esta inclinación debe realizarse a una velocidad menor que el umbral de percepción de velocidad angular que tiene el ser humano. Este principio de simulación es llamado el principio de inclinacióncoordinación. Lo que se pretende con el giro de la plataforma es que el vector de fuerza específica: Que es lo que percibe nuestro cuerpo en la conducción del vehículo, y el vector: Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 18 Que es el que percibimos en la plataforma de simulación, tengan la misma componente direccional. Este tipo de plataforma es ideal para la simulación de aviación, debido a que las aceleraciones que tenemos en el interior de la cabina cambian con una velocidad lenta, por lo que podemos realizar inclinaciones de la plataforma sin que la persona se dé cuenta de que está girando. También se pueden simular aceleraciones de alta frecuencia con pequeños desplazamientos longitudinales de la plataforma. Con esta característica también puede simularse una conducción de vehículos terrestres, teniendo siempre en cuenta la limitación de la velocidad angular. Se pueden reproducir los giros en la dirección X e Y, pero de una forma limitada. Los giros en Z permitidos en esta plataforma son todavía más pequeños. En resumen, y concretando para la plataforma utilizada en este proyecto, podemos realizar una simulación de movimiento con las siguientes prestaciones:  Para unos límites de ángulos de inclinación en X e Y de 22 grados sexagesimales, esta plataforma es capaz de simular aceleraciones de +/- 4 m/s2 en los ejes X e Y.  Las velocidades angulares máximas en X e Y a simular, suelen ser de 30 º/s, por lo que con este tipo de plataforma es posible simular una conducción normal de un vehículo pero sin llegar a situaciones extremas. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 19  Debido al poco desplazamiento vertical en Z, sólo es posible simular aceleraciones en Z de alta frecuencia. Cuando la plataforma llega a sus límites, no es posible simular simultáneamente aceleraciones en X o Y, y en Z.  Otra limitación es que el espacio alcanzable está determinado por el resto de grados de libertad, a medida que la plataforma se desplaza de su posición de reposo los grados de libertad quedan cada vez más restringidos, un incremento en el desplazamiento vertical hace que los giros tanto en X como en Y tengan menor recorrido. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 20 4.- ESTABILIDAD DE LA MOTO SOBRE LA CABINA 4.1 Funciones del soporte entre la cabina y la moto Se observa que durante la conducción, en los diferentes cambios de dirección y especialmente en el trazado de curvas, el motorista se inclina hacia el interior de esta. Esta inclinación es conocida como balanceo. Una vez que tiene la inclinación y velocidad adecuada, piloto y moto se encuentran en equilibrio. Así desplazando el centro de gravedad del conjunto moto-motorista hacia el centro de la curva, consiguen equilibrar la fuerza centrífuga que les expulsa fuera de la trazada. Una vez alcanzada la situación de equilibrio el motorista no realiza fuerza alguna para mantener la inclinación, ni tiene sensación de “caerse” de la moto. Para simular este estado de equilibrio en la cabina, el de un motorista trazando una curva inclinado, se debe mantener vertical con respecto al suelo, la moto no debe sufrir inclinación alguna, ya que en la toma de curvas reales el piloto no percibe la sensación física de caída. Gracias a que, cuando el piloto del simulador produce un ángulo de balanceo la plataforma responde creando el mismo ángulo pero en sentido contrario, el conductor permanece constantemente vertical al suelo, a pesar de que la cabina esté inclinada con respecto a estos. La inclinación de la moto es recibida por el sensor encargado de medir la rotación en el eje de la moto, que a su vez lleva esta información al ordenador y este transmite a la plataforma la orden de movimiento. Así el piloto siente las fuerzas tal como las debería sufrir en un recorrido real, es decir, fuerzas laterales únicamente en las variaciones del ángulo de balanceo y siempre la fuerza ejercida por la aceleración de la gravedad que le mantiene sobre el asiento. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 21 Además la visión del piloto en el interior de la cabina es la que se produce como resultado del movimiento de esta, así pues, la pantalla esta decantada, ya que esta sujeta a la cabina, y produce la meta buscada, generar la impresión de que el conductor está inclinado. Esto será explicado con mayor detenimiento en el subapartado 6.5.1.2. A continuación, en la imagen 4.1, se muestra como estaría en este estado, es decir, cuando la cabina se inclina respecto a la moto y al suelo: Figura 4.1 Posición motocicleta en trazado de curvas Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 22 4.2 Diferentes diseños de estabilidad: Se parte de un sistema de apoyo que fue diseñado en el proyecto anterior, y que puede observarse en la fotografía 4.2. Este diseño permite la inclinación de la moto en torno a un eje horizontal situado en la parte inferior de la moto. Este eje es el encargado de unir la moto a la cabina y permitir su movimiento relativo. Figura 4.2 Soporte moto Para evitar el giro de la motocicleta de forma rápida y brusca, y así evitar accidentes, se debe acoplar un sistema mecánico que se oponga a dicho movimiento, pero a la vez permita un movimiento continuo, ofrezca la posibilidad de tener un “0” absoluto y no almacene energía. Se decidió que se trataría de un sistema pasivo por cuestiones económicas, así que se comenzó el diseño de varios prototipos. El sistema activo es la solución más adecuada pero su implementación supone un elevado presupuesto, así que, puesto que los resultados que ofrece el pasivo son muy aceptables, se deja la implementación de un sistema activo para futuras actuaciones sobre el simulador. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 23 4.2.1 Primer diseño: Componentes: Consta de dos muelles (5) acoplados lateralmente al soporte de la moto (1), formando un ángulo que se establece en función de su constante elástica y de la inclinación de la estructura (1, 3, 7), respecto del bastidor (2, 4, 6). Ver figura 4.3. Figura 4.3 Primer diseño estabilidad Funcionamiento: Actúan amortiguando el movimiento que se produce por el balanceo lateral. Almacenan la energía producida en dicha inclinación y la devuelven para llevar la moto a su posición perpendicular a la base de la plataforma. Ventajas: Montaje sencillo, ya que son dos muelles, cuyos extremos están unidos; uno al soporte de la moto y el otro a la base de la cabina. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 30 Inconvenientes: Los pares resistentes que produce el mecanismo son insuficientes para soportar el peso en el giro de un adulto más el del vehículo, impidiendo un movimiento gradual. La fabricación de los elementos que lo componen tiene mayor dificultad. El montaje es más complicado que los anteriores ya que el número de componentes es considerable, además a esto se debe añadir, que los muelles tienen que estar bajo compresión en todo momento. Conclusión: Este diseño se desechó debido a que la superficie de fricción entre ambos discos era insuficiente para retener el fuerte balanceo de la moto. Se mejoró el comportamiento aumentando la fuerza ejercida por los muelles, pero quedó finalmente apartado por el cuarto diseño. La distancia tan reducida entre el eje y la base, impedía acoplar discos de fricción de un tamaño superior para aumentar la superficie de contacto. El montaje suponía un inconveniente añadido a consecuencia del elevado número de elementos que lo forman. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 31 En la fotografía 4.8 se puede comprobar como sería el resultado final una vez acoplado al soporte de la motocicleta. Figura 4.8 Tercer diseño estabilidad acoplado al soporte de la moto 4.2.4 Diseño final: Como la parte longitudinal del eje ofrece una mayor área que la transversal, se decide aprovechar dicha superficie acoplándole un mecanismo que mediante presión mejore el par resistente al balanceo. Componentes: El mecanismo desarrollado es un freno de compresión externa. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 32 Dicho conjunto esta formado por dos piezas simétricas como se puede observar en la imagen 4.9, y el material de fricción para producir el frenado. Ambas compuestas de una pletina base, una pletina inferior plana, una zapata y finalmente una pletina superior plana. Figura 4.9 Diseño final estabilidad Funcionamiento: El frenado se produce mediante la aplicación de presión sobre el eje. Esta presión procede del apriete generado por los tornillos que regulan la distancia entre las zapatas. Encargándose éstas de comprimir el material de fricción contra la superficie longitudinal del eje soporte de la moto, ralentizando el movimiento de ésta y eliminando en forma de calor la energía producida. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 33 Ventajas: Permite al piloto posicionar con más facilidad y precisión la inclinación de la motocicleta. Este sistema no almacena energía y por lo tanto no la devuelve en ningún estado de equilibrio, facilita al piloto mantenerse siempre vertical al suelo, ya que no crea aceleraciones laterales. Rápido montaje y desmontaje, puesto que únicamente consta de las dos piezas simétricas, el material de fricción y ocho tornillos. El par de apriete es regulable, permitiendo así adaptarlo para ofrecer buen comportamiento con diferentes pesos del piloto. Intercambiabilidad del material de fricción, pudiendo elegir entre distintos valores de coeficientes de fricción. Diseño y fabricación sencillos. Inconvenientes: La ubicación dificulta ligeramente el montaje y desmontaje, puesto que el espacio entre el motor y el suelo de la cabina es reducido. Conclusión: Visto el gran numero de ventajas que ofrece para el pilotaje y el realismo obtenido en los giros, se decide llevar a cabo su diseño, fabricación y montaje. Por lo que en el próximo capítulo será estudiado y desarrollado en profundidad. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 34 La fotografía 4.10 muestra como queda el montaje del diseño más el soporte de la moto. Figura 4.10 Diseño final estabilidad acoplado al soporte de la moto Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 35 5.- FRENO DE COMPRESIÓN EXTERNA 5.1 Introducción Los frenos de fricción están diseñados para actuar mediante fuerzas fricción, siendo este el medio por el cual se transforma en calor la energía cinética del cuerpo a desacelerar. Siempre constan de un cuerpo fijo sobre el cual se presiona un cuerpo a desacelerar. El frenado con zapatas: Este dispositivo esta constituido por una zapata que se obliga a entrar en contacto con un cilindro solidario al eje cuya velocidad se pretende controlar, la zapata se construye de forma tal que su superficie útil, recubierta de un material de fricción, calza perfectamente sobre el tambor. Una vez más, al forzarse el contacto entre zapata y tambor, las fuerzas de fricción generadas por el deslizamiento entre ambas superficies producen el par de frenado. En este capitulo se desarrolla el diseño y el análisis. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 36 Figura 5.1 Freno de compresión externa sin material de fricción Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 37 5.2 Componentes 5.2.1 Pletina base: Es la parte encargada del anclaje a la cabina a través de tornillos. También permite mediante dos agujeros alargados pasantes, regular la posición de las zapatas sobre el material de fricción. Figura 5.2 Pletina base Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 38 5.2.2 Pletina inferior: Ésta sirve de unión entre la anterior y la zapata. Alberga dos taladros pasantes para dos tornillos, encargados de unir las dos partes simétricas del freno y de aplicar el apriete necesario para generar la presión sobre el eje. Figura 5.3 Pletina inferior Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 39 5.2.3 Zapata: Es la pieza intermedia entre la pletina inferior y superior, recibiendo la fuerza que sobre estas ejercen los tornillos, para luego ella comprimir el material de fricción contra el eje, frenando el movimiento de éste. Tiene forma de arco de tubo para poder ajustar la posición del conjunto en función del desgaste del material de fricción. Figura 5.4 Zapata Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 46 La figura 5.9 muestra el diseño en 3D con el que se han llevado a cabo los cálculos. Figura 5.9 Pieza en 3D Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 47 El proceso de análisis comienza con la selección del material. Figura 5.10 Selección material A continuación se aplican las condiciones de contorno. En este caso se trata de la fijación de los taladros, a los que se les atribuye una restricción de los 6 grados de libertad. Como puede verse en la figura 5.11. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 48 Figura 5.11 Condiciones de contorno El siguiente paso es el de aplicar el tipo de carga. La presión ejercida por el apriete de los tornillos es la variable seleccionada. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 49 Figura 5.12 Selección carga a aplicar Se procede a la localización de la presión (figura 5.13) y a su cuantificación (figura 5.14). Figura 5.13 Aplicación de la presión en el modelo Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 50 Figura 5.14 Determinación del valor de la carga Después se analiza la pieza obteniéndose un factor de seguridad de 2,34. Figura 5.15 Factor de seguridad obtenido en el cálculo El programa SolidWorks nos permite visualizar los resultados. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 51 De esta forma podemos observar los valores máximos de tensiones y desplazamientos (color rojo) que sufre el freno. Tensiones Figura 5.16 Diagrama de tensiones Como puede observarse en la figura 5.16, que representa las tensiones, éstas son máximas en los taladros que alojan las uniones atornilladas. Siendo el valor máximo de 265 N / mm2. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 52 Deformaciones Figura 5.17 Diagrama de deformaciones Las deformaciones resultado de la presión en la zapata que pueden observarse en la figura superior tienen un valor máximo de 0,0398 mm, localizándose ésta en los extremos de la pieza. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 53 Deformada Figura 5.18 Deformada (escala = 428,717 : 1) Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 54 6.- ENTORNO DE REALIDAD VIRTUAL 6.1 Introducción Para crear el entorno virtual, se ha utilizado el lenguaje de programación DarkBASIC Professional en su versión 6.9. Se trata de una herramienta profesional de programación de alto nivel, esto significa que es muy cercana al usuario, para PC. Como su nombre delata, es un derivado del lenguaje BASIC, por lo que destaca su sencillez, así como su gran flexibilidad. DarkBASIC permite crear cualquier cosa, desde un simple programa de texto hasta una pantalla completa de 3D. Su motor 3D acelerado mediante DirectX, permite recrear mundos virtuales introduciendo objetos tridimensionales creados en un programa de diseño 3D y dotarlos de complejos efectos y vida mediante órdenes sencillas. Inicialmente es indispensable contar con un ordenador con unas características básicas como las siguientes:  Procesador Pentium II 300MHz  Memoria 64 Mb de RAM  Tarjeta gráfica 8 Mb o superior Sin embargo, los requerimientos de éste se hacen mayores dependiendo del número de objetos o la cantidad de cálculos a realizar. En el presente proyecto se ha trabajado con un ordenador de características muy superiores. Ver anexo B. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 55 6.2 Interfaz PC – usuario Tal y como se explica en la introducción, este proyecto termina con la instalación mecánica de los sensores sobre la motocicleta, dejando para una futura fase la instalación eléctrica del sistema sensorizado, la subrutina de control del simulador a través de ellos y la programación dinámica del videojuego. El control del simulador actualmente se lleva a cabo mediante la combinación de un joystick y el teclado. El joystick se emplea para los comandos más comunes en la conducción como acelerador, frenos, embrague, cambio de marchas e incluso botón de arranque; mientras que el teclado posee funciones secundarias aunque no menos importantes como la puesta en marcha de la interfaz PC-plataforma, la grabación de datos en fichero, cronómetro, cambio de cámaras, fin del programa, etc. El joystick empleado en la elaboración de este proyecto es un Microsoft Sidewinder Joystick que podemos observar en el anexo B. Además se facilita la utilización del programa en un PC que no disponga de joystick, ya que está comentado el código necesario para que se puedan manejar desde el teclado las funciones desempeñadas por el joystick. Para el control en primera persona se instala mecánicamente una serie de sensores electrónicos en la motocicleta, que son los receptores de los movimientos que el piloto produce sobre esta. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 62 escribeMDA = 1 endif if scancode() = 34 escribeMDA = 0 endif if activada <> 0 if escribeMDA = 1 MDA_Stewart(DLL_MDA, tiempoMDA, acel_longf#, acel_latf#, acel_vertf#, cabeceoMDA#, balanceoMDA#, wslidef#) else MDA_Stewart(DLL_MDA, tiempoMDA, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0) endif endif return Así la plataforma sólo se activa cuando pulsamos la tecla que asigna a la variable “activada” el valor de 1. Dicha tecla es la letra “f” del teclado, que como ya se ha dicho anteriormente, este tiene varias funciones secundarias en la simulación. Si durante la simulación se desea desactivar la plataforma y dejarla en su punto neutro, basta con pulsar la tecla “g” del teclado, que asigna el valor de “0” a la variable “escribeMDA”. Para permitir el movimiento de nuevo, se debe pulsar otra vez la tecla “f”, así a “escribeMDA” le es asignado el valor “1”. Se llama punto neutro de la plataforma a la posición que adopta esta, cuando está activa pero no realiza ningún movimiento. Se trata de un estado de equilibrio, en el que los cilindros neumáticos se mantienen a la mitad de su Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 63 carrera total. De esta forma la base de la cabina permanece paralela al suelo, a la espera de la recepción de los datos que ordenen su movimiento. 6.4.4 Contador de tiempo para el fichero Cuando se comenzó a realizar grabaciones en el fichero de datos, para la posterior realización de las gráficas de comportamiento, se observó que el tiempo que este tenía asignado como entrada, era el contador de tiempo de vuelta. Así que se ha decidido crear una variable que comenzase a contar el tiempo de grabado condicionada a la orden de comienzo de grabación. De esta manera se consigue que el tiempo empiece en cero cada vez que se graban datos en el fichero para su posterior análisis. Dicha variable ha sido introducida en la subrutina conocida como “infopantalla”. Esta es la línea de código que la define: if recopdat = 1 then tiempo_grabando# = tiempo_grabando# + dt#/1000 Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 64 6.5 Filtrado de los datos egresados del simulador Un simulador debe transmitir una sensación de conducción lo más real posible a quien haga uso de este. Para ello se dispone de los elementos nombrados en el capítulo ¿?, uno de los más importantes es la plataforma Stewart, que es la encargada de generar las aceleraciones y movimientos que se producirían en una conducción real. Esta depende del módulo MDA, que es una librería .dll programada en lenguaje C que recibe los datos que le proporciona el ordenador donde corre la simulación y los envía al computador de la plataforma. Esto se consigue con un código para DarkBASIC desarrollado anteriormente por el departamento. Este es quien establece la conexión con el módulo MDA y ha sido incorporado al código principal a través de la subrutina llamada “datos_MDA”. Las líneas de código introducidas para ello aparecen en el subapartado 6.4.3, en el cual se describe la activación de dicho módulo. Los datos de entrada que requiere dicho módulo son el tiempo, las aceleraciones tanto longitudinales, como laterales y verticales, los valores de cabeceo, balanceo y velocidad angular de guiñado por deslizamiento. Este es el código de envío de datos al módulo: MDA_Stewart(DLL_MDA, tiempoMDA, acel_longf#, acel_latf#, acel_vertf#, cabeceoMDA#, balanceoMDA#, wslidef#) Para que los datos recibidos en el MDA sean realistas, no produzcan intermitencias y por tanto fluctuaciones y variaciones bruscas, deben ser filtrados y acotados dentro de unos valores máximos y mínimos, dentro del propio programa de simulación. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 65 A continuación se detallará el filtro de primer orden utilizado en todas las variables que deben ser enviadas al módulo MDA. Este responde a la siguiente expresión: Xf = X0f * ( e -2π *t * frec) + (2π * t * frec) * X Con: Xf = valor filtrado X0f = último valor filtrado X = valor actual del dato a filtrar t = variación temporal frec = frecuencia del filtro En el recuadro posterior se muestra el código de programa cuyo fin es el filtrado de la variable aceleración longitudinal, y que adopta la forma de la expresión anterior. Se trata de un ejemplo representativo, puesto que para el resto de variables es prácticamente el mismo, ya que únicamente difieren en la variable que está siendo filtrada: old_acel_longf# = acel_longf# acel_longf# = old_acel_longf# * (2.718282 ^ (-6.2832 * dts# * 0.5) ) + (6.2832 * dts# * 0.5) * acel_long# Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 66 Como se puede observar, se han tomado aproximaciones con varios decimales de los valores de “e“ y “2π“, puesto que no son cálculos de gran precisión y además, se reduce el tiempo de cálculo. Seguidamente se explicarán los diferentes filtrados y acotaciones realizadas junto a las gráficas de verificación, para mostrar los distintos efectos conseguidos en cada paso. 6.5.1 Filtrado de aceleraciones Las aceleraciones son parte fundamental de un simulador, puesto que enviadas en forma de datos al ordenador de la plataforma sobre la que se encuentra la cabina, este las procesa, y da las ordenes necesarias para que los pistones generen las fuerzas, que corresponden a dichas aceleraciones, sufridas por el conductor durante el recorrido. Por ello estas deben ser suavizadas dentro del propio programa, con la intención de evitar las fluctuaciones y brusquedades a las que pueden dar lugar los cálculos matemáticos de las diferentes variables. 6.5.1.1 Filtrado de las aceleraciones longitudinales La aceleración longitudinal es la aceleración sufrida por la moto en su eje longitudinal. Dicho eje tiene la misma dirección y sentido que un vector que recorre la moto con origen en el centro la rueda trasera y con extremo en el centro de la rueda delantera. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 67 Como se puede visualizar en la gráfica 6.1, los resultados obtenidos al principio eran grandes aceleraciones con variaciones de magnitud y sentido muy bruscas: Figura 6.1 Aceleración longitudinal original frente a tiempo Una vez pasada por el filtro y acotada entre valores de + 9.8 m/s2 y - 9.8 m/s2 se puede observar en la figura 6.2 que el trazado de la curva es mucho más fluido, dando valores aceptables para la conducción: Aceleración longitudinal - Tiempo -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 0 5 10 15 20 25 30 Tiempo (s) Aceleración (m/s2) Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 68 Figura 6.2 Aceleración longitudinal filtrada y acotada frente a tiempo El tercer gráfico, figura 6.3 es una superposición de ambas, en el cual se puede ver la clara mejoría del resultado: Figura 6.3 Aceleración longitudinal original frente a la filtrada y acotada Con esta aplicación se consiguen unos valores más realistas y una mejor adaptación de la plataforma de simulación a los posibles valores que pueda tomar la aceleración longitudinal cuando la moto acelera y frena. Aceleración longitudinal filtrada y acotada - Tiempo -15 -10 -5 0 5 10 0 5 10 15 20 25 30 Tiempo (s) Aceleración (m/s2) Comparación de la original frente a la filtrada y acotada -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 0 5 10 15 20 25 30 Tiempo (s) Aceleración (m/s2) Original Filtrada y Acotada Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 69 6.5.1.2 Filtrado de las aceleraciones laterales Los motoristas cuando trazan una curva se inclinan hacia el interior de esta con el objetivo de mantener el equilibrio de fuerzas. Así desplazando el centro de gravedad del conjunto moto-motorista hacia el centro de la curva, consiguen equilibrar la fuerza centrífuga que les expulsa fuera de la trazada. Como puede observarse en la imagen 6.4: Figura 6.4 Fuerzas en moto durante trazado curva La inclinación, conocida como balanceo, la velocidad a la que se circula y el radio de la curva que se está trazando, son los tres parámetros que se pueden modificar en dicho equilibrio de fuerzas. Para que el motorista no se caiga o pierda la trazada es necesario que se cumpla ese equilibrio, por lo tanto sólo puede existir aceleración lateral en los instantes en los que se varía alguno de los parámetros antes nombrados, cuando estos sean fijos no existirá dicha aceleración. Con la plataforma se pretende emular esto, pero con la limitación de que el único parámetro que esta es capaz de modificar es el ángulo de balanceo. Puesto que la plataforma nos ofrece esta ventaja y que, como se ha comentado en el capítulo 3, la motocicleta está montada sobre un eje longitudinal dentro de la cabina, se decidió el diseño del freno de compresión Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 70 externa para que el balanceo de la motocicleta fuese más suave. De esta forma se aprovecha todo el potencial que la plataforma Stewart es capaz de desarrollar. Gracias a que, cuando el piloto del simulador produce un ángulo de balanceo la plataforma responde creando el mismo ángulo pero en sentido contrario, el conductor permanece constantemente vertical al suelo, a pesar de que la cabina este inclinada con respecto a estos. Así el piloto siente las fuerzas tal como las debería sufrir en un recorrido real, es decir, fuerzas laterales únicamente en las variaciones del ángulo de balanceo y siempre la fuerza ejercida por la aceleración de la gravedad que le mantiene sobre el asiento. Aquí se muestra de forma representativa, imagen 6.5, cómo vería el piloto la pantalla cuando se encuentra trazando una curva, como se puede ver el piloto permanece siempre perpendicular al suelo. Figura 6.5 Posición motocicleta en la cabina durante el trazado de curva Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 71 Tras esta breve explicación se llega a la conclusión de que la aceleración lateral que debe ejercer la plataforma Stewart es nula. Ella únicamente debe contrarrestar el valor del balanceo para mantener vertical al piloto. Así pues el valor de aceleración lateral que será enviado a través del módulo MDA será cero. De todas formas los valores aportados por el programa de simulación han sido filtrados y acotados, al igual que se ha llevado a cabo con las aceleraciones longitudinales, para que sus resultados teóricos sean próximos a la realidad y sus efectos en la simulación no difieran de los prácticos. El filtro utilizado es el desarrollado al comienzo de este apartado y la acotación se ha ejecutado entre + 9.8 m/s2 y - 9.8 m/s2. Estas son las gráficas que representan respectivamente los datos originales frente al tiempo (figura 6.6), los filtrados y acotados frente al tiempo (figura 6.7) y finalmente una superposición de las anteriores (figura 6.8) en la que se puede observar claramente la mejora realizada: Figura 6.6 Aceleración lateral original frente a tiempo Aceleración lateral original - Tiempo -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 5 10 15 20 25 Tiempo (s) Aceleración (m/s2) Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 78 La mejoría puede verse en la imagen 6.15, en la que aparecen representadas las dos anteriores, generando así una comparación directa entre la sin filtrar y la filtrada: Figura 6.15 Comparativa entre cabeceo original y filtrado 6.5.3 Filtrado del balanceo El balanceo es el ángulo que mide la inclinación lateral producida por el piloto con el fin de variar la dirección durante el trazado de una curva. Al igual que ocurre con el cabeceo, este también de mide en grados sexagesimales. Como se ha explicado con anterioridad, en el filtrado de la aceleración lateral, en este proyecto es de gran importancia el balanceo. Puesto que es parte fundamental de la simulación del trazado de las curvas, gracias a que la plataforma Stewart reproduce el ángulo de balanceo que produce el motorista pero en sentido contrario, permitiendo así mantener la posición siempre vertical al suelo del conductor del simulador, haciendo que este no sienta ninguna fuerza lateral que falsee la que sufriría a lo largo de un recorrido real. Comparativa original frente filtrado -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0 5 10 15 20 25 30 35 Tiempo (s) Cabaceo (º) Original Acotado y Filtrado Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 79 Como se acaba de decir, el balanceo es un dato fundamental en la simulación, por lo tanto también debe ser filtrado para evitar las brusquedades originadas al principio y suavizar las pendientes de crecimiento y decrecimiento de la curva que lo representa. Así se conseguirá un envío de datos al módulo MDA más fluido, sin intermitencias, aunque antes de remitirlos a este se deberán adaptar al ángulo que es capaz de inclinarse la moto en el interior de la cabina y darles el sentido contrario al original, pero esto será desarrollado en el apartado 6.6. En este se van ha reproducir las gráficas de la corrección producida por el filtro de primer orden expuesto al comienzo de este apartado. La figura 6.16 representa los datos generados por el simulador en un origen: Figura 6.16 Balanceo original frente al tiempo El gráfico 6.17 está referido a los datos resultantes tras el filtrado, se puede observar como los picos originales han sido redondeados: Original - Tiempo -60 -40 -20 0 20 40 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tiempo (s) Balanceo (º) Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 80 Figura 6.17 Balanceo filtrado y acotado frente al tiempo Finalmente se muestra la gráfica comparativa 6.18, con la superposición de las dos anteriores: Figura 6.18 Comparativa entre balanceo filtrado y acotado frente al original Filtrado y acotado - Tiempo -60 -40 -20 0 20 40 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tiempo (s) Balanceo (º) Comparativa del original fente al filtrado -60 -40 -20 0 20 40 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tiempo (s) Balanceo Original Filtrado Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 81 6.5.4 Filtrado de la velocidad angular La velocidad angular sólo existe durante los cambios de dirección de un objeto, ya que por definición es la velocidad lineal dividida por el radio de la curva que se está trazando durante dicho cambio de dirección. Por lo tanto sus unidades pueden ser radianes partido segundo (rad / s) o grados sexagesimales partido segundo (º / s). La velocidad angular del motorista no es un dato que deba ser enviado al ordenador de la plataforma. Aún así debe ser filtrada, ya que el programa hace uso de variables derivadas de esta, como la aceleración lateral, y además mejora el realismo en la visualización. El gráfico 6.19 muestra los datos creados por el programa para el valor de la velocidad angular antes de ser depurados: Figura 6.19 Velocidad angular original frente al tiempo Original - Tiempo -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tiempo (s) Velocidad angular (rad/s) Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 82 La figura 6.20, muestra el resultado obtenido tras el paso por el filtro de primer orden desarrollado al principio del apartado: Figura 6.20 Velocidad angular filtrada frente al tiempo Continuando con el patrón seguido hasta ahora, la imagen 6.21 es la superposición de la originaria y la tratada con el filtro, de esta forma se consigue un efecto mejorado en la visión de la corrección de los resultados: Figura 6.21 Comparativa velocidad angular filtrada frente a la original Filtrada - Tiempo -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tiempo (s) Velocidad angular (rad/s) Comparativa original frente filtrada -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tiempo (s) Velocidad angular (rad/s) Original Filtrada Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 83 6.5.5 Filtrado de la velocidad angular de guiñado El guiñado es el ángulo girado por la moto en torno al eje vertical, eje Y, del conjunto moto-motorista. Este efecto puede producirse durante el trazado de una curva, cuando la rueda trasera desliza o cuando ambos ocurren a la vez. La aplicación de este efecto a la plataforma se centrará únicamente en los casos en los que la rueda trasera desliza, ya sea en recta o durante el trazado de una curva. El caso de guiñado por trazado de curva se descarta, puesto que durante la conducción real de una motocicleta, el piloto no siente los efectos de este. Los motoristas únicamente perciben una rotación de la moto cuando esta desliza, que en muchas ocasiones este efecto conlleva la caída del piloto por la perdida del control. La velocidad angular de guiñado es la velocidad angular producida en la moto durante el guiñado. Esta velocidad angular si que tiene que ser enviada al módulo MDA, ya que la plataforma Stewart es capaz de generar movimientos de guiñado. En este subapartado solamente se tratará el filtrado de datos anterior al envío de estos al módulo MDA. El modificado de estos para ello se desarrollará en el apartado 6.6. Al igual que se ha realizado hasta ahora, se va a proceder a mostrar las gráficas que representan la velocidad angular de guiñado. En la gráfica 6.22 se puede observar la curva original: Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 84 Figura 6.22 Velocidad angular de guiñado frente al tiempo La figura 6.23 muestra el resultado de pasar la variable por el filtro de primer orden explicado al comienzo del apartado: Figura 6.23 Velocidad angular de guiñado filtrada frente al tiempo Original - Tiempo -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tiempo (s) Velocidad angular de guiñado (º/s) Filtrada - Tiempo -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tiempo (s) Velocidad angular de guiñado (º/s) Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 85 La gráfica 6.24 representa una superposición de las curvas originaria y filtrada para la mejor visualización de los resultados: Figura 6.24 Comparativa velocidad angular de guiñado filtrada frente a la original Comparativa original frente filtrada -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tiempo (s) Velocidad angular de guiñado (º/s) Original Filtrada Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 86 6.6 Interfaz PC – Plataforma Stewart En este capítulo se describirán los elementos que componen la interfaz de comunicación entre el PC donde corre la simulación y la plataforma Stewart. Esta última ya ha sido desarrollada en el capítulo 3 y aparece toda su documentación en el manual de usuario, anexo A. La plataforma consta de un ordenador de control que va alimentado por un circuito eléctrico independiente del ordenador que corre la simulación y que debe ser accionado también el momento de iniciar la sesión de simulación. Este ordenador va unido a la base de la plataforma Stewart. Es muy complicado determinar la posición de la plataforma a partir de la longitud de los cilindros, y por ello el fabricante permite directamente que se le introduzcan los grados de libertad, modo DOF. La información que requiere ese modo, en unidades del sistema internacional, es la que se muestra en la figura 6.25: Figura 6.25 Unidades requeridas por la plataforma Stewart En la imagen 6.26 se muestran la dirección y sentido de todos los grados de libertad de la plataforma: Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 87 Figura 6.26 Sentidos de los movimientos en la plataforma Stewart Siendo: Surge = posición longitudinal Lateral = posición lateral Heave = posición vertical Pitch = cabeceo Roll = balanceo Yaw = guiñado La comunicación entre ambos ordenadores se hace por conexión Ethernet y se comunica mediante el protocolo UDP, User Datagram Protocol, que proporciona una sencilla interfaz entre la capa de red y la capa de aplicación, Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 94 del piloto respecto al suelo, el porqué ya ha sido explicado en el subapartado 6.5.3, el signo con el cual deben llegar los datos al módulo MDA debe ser el contrario al emitido por el simulador, así pues también se multiplicarán los valores por el factor “-1”, para cambiar el signo de estos. Además, estos valores, para ser enviados al módulo, tienen que estar en las unidades de recepción de la plataforma, en este caso, radianes. Como los datos desprendidos por el simulador están en grados sexagesimales, también se multiplicarán por el siguiente conversor: “π / 180”. Para obtener una mejor estabilidad y que no se encuentre oscilando continuamente cuando el piloto está en posición perpendicular a la cabina, es decir, cuando se conduce en un tramo recto, se establece un margen en torno al “0º” para evitar el movimiento continuo de la cabina para movimientos muy pequeños de piloto, en este caso ±2º. Todo esto se consigue con las dos líneas de código que se muestran a continuación: if (balanceof# < 2) and (balanceof# > -2) then balanceof# = 0.0 balanceoMDA# = (-1.0 * balanceof# * pi# / (2 * 180)) Así pues, la variable que se pasa al módulo MDA es “balanceoMDA#”, en la que aparecen todas las correcciones anteriormente nombradas. Para poder comprobar visualmente los cambios, se muestra a continuación una serie de gráficas, que representan los diferentes estados por los que pasan los datos desde que son filtrados hasta su estado final, en la variable “balanceoMDA#”. La imagen 6.31, representa el valor tras el filtrado de datos explicado en el apartado anterior: Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 95 Figura 6.31 Balanceo filtrado frente al tiempo En la figura 6.32 se puede observar como queda tras el paso por las líneas de código, cabe señalar que el valor aparece en grados sexagesimales y no en radianes para su posterior comparativa con la gráfica 6.31: Figura 6.32 Balanceo para el módulo MDA frente al tiempo Filtrado - Tiempo -60 -40 -20 0 20 40 60 0 5 10 15 20 25 30 Tiempo (s) Balanceo (º) MDA - Tiempo -30 -20 -10 0 10 20 30 0 5 10 15 20 25 30 Tiempo (s) Balanceo (º) Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 96 El gráfico 6.33, que se ve a continuación, representa una comparativa entre las dos anteriores: Figura 6.33 Balanceo para el módulo MDA frente al filtrado Se puede observar otro ejemplo en la figura 6.34: Figura 6.34 Otro balanceo para el módulo MDA frente al filtrado Comparativa filtrado frente MDA -60 -40 -20 0 20 40 60 0 5 10 15 20 25 30 Tiempo (s) Balanceo (º) Filtrado MDA Comparativa de la filtrada frente a la MDA -60 -40 -20 0 20 40 60 0 1020304050607080 Tiempo (s) Balanceo (º) Balanceo BalanceoMDA Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 97 6.6.4 Adaptación de la velocidad angular de guiñado Después de observar los resultados sobre los gráficos y el efecto producido por dicha velocidad sobre la plataforma, se ha llegado a la conclusión de que sobre la cabina se produce el movimiento esperado, por lo tanto no será necesaria ninguna acción sobre los datos emitidos por el simulador. Como se puede observar en la imagen 6.35, los valores emitidos por el simulador son muy elevados, pero puesto que se crea el efecto deseado sobre la cabina, los valores no se varían: Figura 6.35 Velocidad angular de guiñado filtrada frente al tiempo Filtrada - Tiempo -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tiempo (s) Velocidad angular de guiñado (º/s) Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 98 7.- INSTALACIÓN MECÁNICA DE LOS SENSORES 7.1 Introducción La instrumentalización de la moto se realiza mediante el acople de sensores en las partes idóneas para la medición de los parámetros que rigen el comportamiento de la moto, así como los movimientos que realiza. Concretamente se han colocado:  Dos potenciómetros rotatorios EVUE3J.  Dos potenciómetros deslizantes EWA-P10C15D14.  Dos sensores de presión 87N-3000A-8C.  Dos finales de carrera V15T16-CZ300A03-K. Los sensores se han dispuesto en el embrague, en el freno trasero y delantero, en el manillar, en el eje sobre el que gira la moto y en la pata de cambio de marchas. Por ser éstos, los elementos reales encargados de la conducción y comportamiento de la moto. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 99 7.2 Sensores empleados 7.2.1 Potenciómetros Un potenciómetro se define como una Potenciómetro resistencia con un contacto móvil deslizante (cursor), accionado normalmente por desplazamiento lineal o relativo, que desde el punto de vista dinámico (suponiendo despreciable la resistencia del cursor) constituye un sistema de orden 0. Figura 7.1 Potenciómetro esquematizado 7.2.1.1 Potenciómetros rotatorios Se controlan girando su eje. Son los más habituales pues son de larga duración y ocupan poco espacio. Se han empleado en la lectura de los grados girados de la inclinación de la moto y de la rotación del manillar. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 100 7.2.1.2 Potenciómetros deslizantes La pista resistiva es recta, de modo que el recorrido del cursor también lo es. Han estado de moda hace unos años y se usa, sobre todo, en ecualizadores gráficos, pues la posición de sus cursores representa la respuesta del ecualizador. Son más frágiles que los rotatorios y ocupan más espacio. Además suelen ser más sensibles al polvo. Han sido utilizados para conocer el desplazamiento de las sirgas del acelerador y del embrague. 7.2.2 Interruptores finales de carrera A diferencia de los detectores electrónicos y magnéticos, en general, este grupo de interruptores electro-mecánicos, se basa en los dispositivos con contactos físicos, que realizan la conexión o desconexión, a partir de accionamientos mecánicos, sin electrónica ni accionamientos magnéticos. Los Interruptores Final de Carrera, se componen normalmente de una caja, un elemento de contacto (cámara de contacto) y un dispositivo mecánico de accionamiento. Un punto importante a tener en cuenta, y frecuentemente ignorado, consiste en no utilizar jamás un Final de carrera como tope mecánico. Se han utilizado para por realizar el cambio de marchas, con el mismo movimiento que en la conducción real. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 101 7.2.3 Sensores de presión Electromecánicos  Elemento mecánico + transductor eléctrico  El elemento mecánico, consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos. Resistivos:  Consisten en un elemento elástico que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. Este está conectado a un puente de Wheastone.  Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación.  Son sensibles a la vibración.  La señal de salida no es continua (salta de una espira a otra).  El intervalo de medida de estos sensores/transmisores corresponden al elemento de presión que utilizan (tubo Bourdon, fuelle...) y varía en general de O a 300 Kg/cm2. La precisión es del orden de 1-2%. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 102 Figura 7.2 Sensor de presión simplificado Se han aplicado empalmados al tubo del circuito del líquido de freno, para saber la presión de éste. Circuito de puente de Wheatston Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 103 7.3 Aplicación de los sensores 7.3.1 Simulación cambio de marchas Como puede observarse en la imagen 7.3, se han colocado dos pulsadores atornillados a un perfil cuadrangular hueco, estando éste fijado del mismo modo al bastidor de la moto. Al accionar la pata de cambio de marcha, ésta hace contacto con el pulsador, superior para la primera marcha o inferior para las restantes, que envían la señal correspondiente. Figura 7.3 Contactores en palanca de cambios Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 110 8.- LINEAS FUTURAS Para obtener un mayor realismo en la conducción hay tres puntos a desarrollar:  Manejo del simulador en primera persona  Control de posición de la moto en la cabina mediante elementos activos  Sustitución del modelo semi-cinemático por un modelo completamente dinámico. 8.1 Manejo del simulador en primera persona Para dirigir el simulador en primera persona es necesario desarrollar una interfaz de comunicación entre estos sensores y el PC que corre el simulador. Esto se consigue cableando los sensores, para enviar los datos a una tarjeta capturadora. A su vez, la tarjeta lee y transforma las señales que le llegan para poder enviarlas al ordenador, y que éste procese la información y envíe una respuesta a la plataforma. De esta forma, la plataforma actúa en consecuencia a los movimientos que el piloto realiza. Por ejemplo, cuando el conductor acelere la plataforma lo inclinara levemente hacia arriba. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 111 8.2 Control de estabilidad de la moto en la cabina mediante elementos activos Actuadores neumáticos, hidráulicos o eléctricos se proponen como vías alternativas de cara a mejorar la simulación. El control de la estabilidad de la moto mediante sistemas activos resuelve dos cuestiones de gran relevancia: 8.2.1 Precisión en la posición del vehículo La aplicación de actuadores neumáticos permitiría establecer rangos de movimiento concretos, así como velocidades de inclinación determinadas. 8.2.2 Inclinación progresiva Con el actual freno de fricción al inclinarse la moto, se genera un par constante de oposición al movimiento. Sin embargo el par producido al ladear la moto es variable, aumentando conforme se inclina la moto. Al inicio del movimiento este par es pequeño, al estar el centro de gravedad cercano a la posición de equilibrio, pero al aumentar esta distancia el par aumenta de manera directamente proporcional a ella. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 112 Figura 8.1 Inclinación sobre motocicleta Los sistemas activos presentas grandes ventajas que van dirigidas a una sensación de conducción más real que los pasivos, pero tienen la gran desventaja de su elevado costo. 8.3 Modelo dinámico La sustitución del cálculo de aceleraciones, velocidades, balanceos, cabeceos y velocidades angulares de guiñado, que actualmente son obtenidos mediante un proceso cinemático. Se pretende generarlos a partir de las fuerzas producidas en la motocicleta, utilizando para ello el par motor. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 113 Esto presenta una serie de problemas, entre los que destaca; la incapacidad del ordenador de hacer cero valores ínfimos tales como, el ángulo de deriva de las ruedas. Además, estos pequeños valores al ser utilizados para el cálculo de aceleraciones y ser divididos por “dt#”, dan lugar a resultados muy elevados e imposibles de reproducir por parte de la plataforma, que genera grandes brusquedades y termina llevándola al colapso. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 114 9.- CONCLUSIONES El acondicionamiento de la plataforma Stewart para la simulación de una motocicleta ha sido abordado desde tres ramas:  Diseño, análisis y montaje de un freno de fricción que proporciona estabilidad a la motocicleta.  Mejora de subrutinas para conseguir un funcionamiento correcto del simulador durante su pilotaje, así como el escalado, acotado y adecuado de los datos proporcionados por el ordenador a la plataforma.  Diseño y montaje de acoplamientos para colocar los sensores sobre el bastidor de la motocicleta. 9.1 Freno de fricción Se trata de un sistema pasivo que cumple con la función para la que fue diseñado: reducir le movimiento brusco de balanceo de la motocicleta, ofreciendo una resistencia que el piloto debe vencer si desea inclinar el vehículo. El cálculo a resistencia estático a resultado válido por lo que la pieza aguanta las fuerzas a las que esta sometida. Otro factor a reseñar es el bajo coste de fabricación. Por todo esto la valoración de su implementación ha sido muy positiva. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 115 9.2 Entorno de realidad virtual En cuanto al entorno de realidad virtual, se ha logrado satisfactoriamente los objetivos previstos al comienzo de este proyecto. Como se ha podido observaren el apartado 6.4, a sido necesaria una mejora de varias subrutinas para conseguir un funcionamiento correcto del simulador. Gracias a una serie de líneas de código introducidas, se ha perfeccionado notablemente el manejo y la forma de cálculo de las aceleraciones, cabeceo, balanceo, y velocidad angular de guiñado. Tras un largo trabajo de generación de gráficas a través de pruebas en el simulador en tercera persona, mediante el joystick;  Se ha conseguido que los valores emitidos por el simulador sean suavizados, carezcan de brusquedades y se aproximen a los producidos en una motocicleta deportiva, como ha podido observarse en el apartado 6.5.  Se ha logrado una correcta respuesta de la plataforma a los datos emitidos por el simulador. Esta se mueve dentro de unos límites establecidos, para garantizar la seguridad del piloto en el interior de la cabina, y con suavidad, logrando así un gran símil con la conducción sobre una moto real. Esta parte aparece desarrollada en apartado 6.6. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 116 9.3 Diseño e instalación mecánica de sensores El montaje de los sensores ha sido acertado, puesto que se han adaptado mediante sencillos mecanismos, que les permiten solidarizarse con los recorridos de los diferentes mandos accionados durante la conducción. La carrera angular en los potenciómetros rotatorios no se ven superadas en el eje, ni en el manillar. Al igual que en el caso anterior, el rango de medida de los potenciómetros deslizantes no se rebasa en el accionamiento del embrague y el acelerador. El desplazamiento de la palanca de cambios queda acotada de forma idónea, tanto superior como inferiormente, por el contacto de dos pulsadores. A pesar de las dificultades surgidas para la adquisición, se ha conseguido una válvula con forma de “T”, que permite el acople del sensor de presión al circuito de liquido de freno. Acondicionamiento de plataforma Stewart para simulador de motocicleta 117 10.-BIBLIOGRAFÍA Mira editores, Jesús Martín SanJosé, María Antonieta Madres Sediles, José Manuel Franco Gimeno: Ingeniería de materiales para industria y construcción. Paraninfo, José M. Auria Apilluelo, Pedro Ibañez Cervantes, Pedro Ubieto Artur: Dibujo Industrial Conjuntos y despieces. Antonio Serrano Nicolás: Cálculo y construcción de máquinas. Apuntes de la asignatura: Diseño de máquinas. Manuales de instalación y mantenimiento de la plataforma Stewart Series 6DOF2000E. Páginas Web: www.solidworks.es www.darkbasic.es www.digikey.com