Un simulador de movimiento o plataforma de movimiento es un mecanismo que crea la sensación de estar en un entorno de movimiento real. [1] En un simulador, el movimiento se sincroniza con una visualización de la escena del mundo exterior (OTW). Las plataformas de movimiento pueden proporcionar movimiento en los seis grados de libertad (DOF) que puede experimentar un objeto que se mueve libremente, como un avión o una nave espacial:. [1] Estos son los tres grados de libertad de rotación (balanceo, cabeceo, guiñada) y tres grados de libertad de traslación o lineales (oleaje, elevación, balanceo).
Los simuladores de movimiento se pueden clasificar según si el ocupante controla el vehículo (como en un simulador de vuelo para entrenar pilotos) o si el ocupante es un conductor pasivo , como en un simulador o teatro de movimiento. [2]
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Las plataformas de movimiento para simuladores de aviones son de gama alta, además de algunas de las atracciones más caras de los parques de diversiones que utilizan una base de movimiento tipo simulador; los dispositivos de entretenimiento arcade están en el medio, y las plataformas de movimiento para uso doméstico son de bajo costo pero no tan capaces como los dispositivos de nivel superior.
Muchas plataformas de movimiento se utilizan en simuladores de vuelo utilizados para entrenar pilotos. [4]
Una de las primeras plataformas móviles, la Sanders Teacher, se creó en 1910. Se trataba de un modelo de avión conectado al suelo mediante una junta universal. Cuando había viento presente, el piloto en entrenamiento podía usar las superficies de control de la aeronave para mover el modelo en los tres grados de libertad de rotación de cabeceo, balanceo y guiñada.
En 1929 se logró un avance significativo en la tecnología de plataformas de movimiento con la patente de Edwin Link de lo que se conoció como "Link Trainer". Este utilizó la palanca de control del piloto y los controles del timón para controlar los fuelles tipo órgano debajo de la cabina del simulador. Los fuelles podrían inflarse o desinflarse, dando movimiento de cabeceo, balanceo y guiñada.
En 1958, un simulador de vuelo para el avión Comet 4 utilizaba un sistema hidráulico de tres grados de libertad.
Las plataformas de movimiento de simulador hoy en día utilizan 6 gatos ("hexápodos") que dan los seis grados de libertad, las tres rotaciones de cabeceo, balanceo y guiñada, además de los tres movimientos de traslación: elevación (arriba y abajo), balanceo (lateralmente) y aumento (longitudinal). ).
Los movimientos de 6 grados de libertad son señales poderosas cuando se combinan con imágenes del mundo exterior (OTW). Las plataformas de movimiento junto con las imágenes OTW se utilizan en: simulación de vuelo, simulación de conducción, atracciones y pequeños simuladores domésticos.
La plataforma de movimiento se utiliza en aplicaciones de entrenamiento de instrucción de vuelo comercial y militar . También en dispositivos de entretenimiento en parques temáticos, con usuarios desde uno solo hasta varios, sentados en filas frente a pantallas en las que se proyectan imágenes sincronizadas con los movimientos de la plataforma bajo la cabina del simulador.
Un sistema de movimiento típico de alta gama es la plataforma Stewart , que proporciona 6 grados completos de libertad (3 de traslación y 3 de rotación) y emplea algoritmos sofisticados para proporcionar movimientos y aceleraciones de alta fidelidad. Se utilizan en diversas aplicaciones, incluidos simuladores de vuelo para la formación de pilotos.
El medio del espectro incluye plataformas de movimiento en juegos de arcade , atracciones y otros arreglos. Estos sistemas tienen un rango de precios que oscila entre 10.000 y 99.000 dólares estadounidenses. Normalmente, los requisitos de espacio para una plataforma de este tipo son modestos y requieren sólo una parte de una sala de juegos y se proporciona un rango de movimiento menor a través de sistemas de control similares y menos costosos que las plataformas de alta gama.
En la década de 1980, se convirtió en una tendencia que los videojuegos arcade utilizaran gabinetes arcade con simulador de movimiento hidráulico . [5] [6] La tendencia fue provocada por los juegos "taikan" de Sega , donde "taikan" significa "sensación corporal" en japonés. [6] El primer juego de Sega que utilizó un gabinete de simulador de movimiento fue Space Tactics (1981), un simulador de combate espacial que tenía un gabinete de cabina donde la pantalla se movía en sincronía con la acción en pantalla. [5] La tendencia "taikan" comenzó más tarde cuando el equipo de Yu Suzuki en Sega (más tarde conocido como Sega AM2 ) desarrolló Hang-On (1985), un videojuego de carreras en el que el jugador se sienta y mueve una réplica de una motocicleta para controlar la acciones en el juego. [7] El equipo de Suzuki en Sega lo siguió con gabinetes de cabina con simulador de movimiento hidráulico para juegos de disparos sobre rieles como Space Harrier (1985), juegos de carreras como Out Run (1986) y simuladores de vuelo de combate arcade como After Burner (1987) y G. -LOC: Batalla Aérea (1990). Uno de los gabinetes simuladores de movimiento más sofisticados en las salas recreativas fue el R360 de Sega (1990), que simulaba la rotación completa de 360 grados de un avión. [5] [8] Desde entonces, Sega ha seguido fabricando gabinetes de simulación de movimiento para juegos de arcade hasta la década de 2010. [5]
Los sistemas de menor costo incluyen plataformas de movimiento domésticas, que recientemente se han convertido en un dispositivo más común utilizado para mejorar los videojuegos, la simulación y la realidad virtual. Estos sistemas tienen un precio que oscila entre 1.000 y 9.000 dólares estadounidenses. En la década de 2000, varias personas y entidades comerciales desarrollaron estos sistemas de movimiento más pequeños y asequibles. La mayoría de estos sistemas fueron desarrollados principalmente por entusiastas de la simulación de vuelo, se vendieron como proyectos de bricolaje y podían ensamblarse en el hogar a partir de componentes comunes por alrededor de mil dólares estadounidenses (1.000 dólares). [9] Recientemente, ha habido un mayor interés del mercado en las plataformas de movimiento para un uso más personal, en el hogar. La aplicación de estos sistemas de movimiento se extiende más allá de la simple simulación de entrenamiento de vuelo hacia un mercado más amplio de sistemas de realidad virtual , entretenimiento y simulación "orientados a la artesanía" más generalizados . [10]
Las plataformas de movimiento se utilizan comúnmente en el campo de la ingeniería para el análisis y verificación del rendimiento y diseño de vehículos. La capacidad de vincular un modelo dinámico basado en computadora de un sistema particular al movimiento físico brinda al usuario la capacidad de sentir cómo respondería el vehículo a las entradas de control sin la necesidad de construir prototipos costosos. Por ejemplo, un ingeniero que diseña un tanque de combustible externo para una aeronave podría hacer que un piloto determine el efecto sobre las cualidades de vuelo o un ingeniero mecánico podría sentir los efectos de un nuevo sistema de frenos sin construir ningún hardware, ahorrando tiempo y dinero.
Los fabricantes de aviones también utilizan simuladores de vuelo para probar nuevo hardware. Al conectar una cabina simulada con pantalla visual a un sistema de control de vuelo real en un laboratorio, integrando al piloto con los componentes eléctricos, mecánicos e hidráulicos que existen en la aeronave real, se puede realizar una evaluación completa del sistema antes de las pruebas de vuelo iniciales. Este tipo de prueba permite la simulación de "fallas sembradas" (es decir, una fuga hidráulica intencional, un error de software o un apagado de la computadora) que sirven para validar que las características de diseño redundantes de una aeronave funcionan según lo previsto. Un piloto de prueba también puede ayudar a identificar deficiencias del sistema, como indicadores de advertencia inadecuados o faltantes, o incluso movimientos involuntarios de la palanca de control. Esta prueba es necesaria para simular eventos de riesgo extremadamente alto que no pueden realizarse en vuelo pero que, no obstante, deben demostrarse. Si bien no es necesario un movimiento de 6 grados de libertad para este tipo de prueba, la pantalla visual permite al piloto "volar" la aeronave mientras las fallas se activan simultáneamente.
Los simuladores de movimiento a veces se utilizan en parques temáticos o parques de diversiones para brindar a los visitantes del parque una simulación de vuelo u otro movimiento.
Algunos ejemplos:
Algunos juegos de simulación de conducción y vuelo permiten el uso de controladores especializados, como volantes, pedales o joysticks. Ciertos controladores de juegos diseñados en los últimos años han empleado tecnología háptica para proporcionar retroalimentación táctil en tiempo real al usuario en forma de vibración del controlador. Un simulador de movimiento da el siguiente paso al proporcionar al jugador retroalimentación táctil de todo el cuerpo. Las sillas de juego Motion pueden girar hacia la izquierda y hacia la derecha e inclinarse hacia adelante y hacia atrás para simular curvas, aceleraciones y desaceleraciones. Las plataformas de movimiento permiten una experiencia de juego más estimulante y potencialmente realista, y permiten una correlación física aún mayor con la vista y el sonido durante el juego.
La forma en que percibimos nuestro cuerpo y nuestro entorno es función de la forma en que nuestro cerebro interpreta las señales de nuestros diversos sistemas sensoriales, como la vista, el oído, el equilibrio y el tacto. Unidades especiales de captación sensorial (o "almohadillas" sensoriales llamadas receptores traducen los estímulos en señales sensoriales. Los receptores externos (exteroceptores) responden a estímulos que surgen fuera del cuerpo, como la luz que estimula los ojos, la presión sonora que estimula el oído, la presión y temperatura que estimula la piel y sustancias químicas que estimulan la nariz y la boca. Los receptores internos (enteroceptores) responden a estímulos que surgen del interior de los vasos sanguíneos.
La estabilidad postural se mantiene mediante los reflejos vestibulares que actúan sobre el cuello y las extremidades. Estos reflejos, que son clave para una sincronización exitosa del movimiento, están bajo el control de tres clases de información sensorial:
Los propioceptores son receptores situados en músculos, tendones, articulaciones e intestino, que envían señales al cerebro en proporción a las aceleraciones a las que está sometido el cuerpo. Un ejemplo de propioceptor "popular" mencionado por los pilotos de aviones es la sensación en la "asiento de los pantalones". Los propioceptores responden a estímulos generados por el movimiento muscular y la tensión muscular. Las señales generadas por exteroceptores y propioceptores son transportadas por neuronas o nervios sensoriales y se denominan señales electroquímicas. Cuando una neurona recibe una señal de este tipo, la envía a una neurona adyacente a través de un puente llamado sinapsis. Una sinapsis "provoca" el impulso entre neuronas a través de medios eléctricos y químicos. Estas señales sensoriales son procesadas por el cerebro en respuesta a señales que viajan a lo largo de los nervios motores. Las neuronas motoras, con sus fibras especiales, transportan estas señales a los músculos, a los que se les indica que se contraigan o se relajen.
Todos estos son sensores de aceleración y no responden cuando se alcanza una velocidad o velocidad constante. A velocidad constante, las señales visuales dan señales de movimiento hasta que se produce otra aceleración y los sensores de movimiento del cuerpo envían señales una vez más al cerebro.
En las plataformas de movimiento del simulador, después de que se produce una aceleración inicial, la plataforma se restablece a una posición neutral a una velocidad por debajo del umbral de movimiento humano para que el sujeto no detecte la llamada fase de "lavado" de las señales de movimiento del simulador. Entonces el sistema de movimiento está listo para realizar la siguiente aceleración que será detectada por el sujeto, como en el mundo real. Esta llamada "señal de inicio de aceleración" es un aspecto importante en los simuladores con plataformas de movimiento y modela la forma en que los humanos sienten los movimientos en el mundo real.
El sistema vestibular es el sistema de equilibrio y equilibrio del cuerpo que incluye los órganos vestibulares izquierdo y derecho del "oído interno". Consta de tres canales o tubos semicirculares dispuestos en ángulo recto entre sí. Cada canal está revestido con pelos conectados a terminaciones nerviosas y está parcialmente lleno de líquido. Cuando la cabeza experimenta aceleración, el líquido se mueve dentro de los canales, lo que hace que los folículos pilosos se muevan de su orientación inicial. A su vez, las terminaciones nerviosas envían señales al cerebro, que las interpreta como aceleración en las tres rotaciones de cabeceo, balanceo o guiñada.
El sistema vestibular genera reflejos para mantener la estabilidad perceptiva y postural; en comparación con otros sentidos de la visión, el tacto y el sonido, el cerebro registra rápidamente la información vestibular, mientras que los cambios visuales, como la perspectiva y el movimiento del horizonte, siguen poco después. [14] Por lo tanto, en un simulador es esencial que las señales visuales no se perciban antes de que puedan ocurrir señales de movimiento, lo contrario de la situación del mundo real o la llamada "enfermedad del simulador". [15] En segundo lugar, si la cabeza experimenta aceleraciones sostenidas del orden de 10 a 20 segundos, los folículos pilosos regresan a la posición "cero" o vertical y el cerebro interpreta esto como que la aceleración cesa. Además, existe un umbral de aceleración más bajo, de unos 2 grados por segundo, que el cerebro no puede percibir. En otras palabras, la cámara lenta por debajo del umbral no generará señales vestibulares. Como se analizó en la sección anterior "Propioceptores", esto permite que el movimiento del simulador sea "eliminado" por debajo del umbral, listo para que la plataforma de movimiento produzca la siguiente aceleración y la detecte el sujeto del simulador.
El ojo humano es una fuente importante de información en la simulación de movimiento, donde se dispone de una imagen de alta resolución, por ejemplo de día con buena visibilidad. El ojo transmite información al cerebro sobre la posición, velocidad y actitud de la nave en relación con el suelo. Como resultado, es esencial para una simulación realista que las señales de una plataforma de movimiento (si está instalada) funcionen en sincronización con la escena visual externa. Como se mencionó anteriormente, en el mundo real las señales de movimiento son procesadas por el cerebro antes de los cambios visuales, y esto debe seguirse en un simulador o en algunas personas pueden ocurrir mareos e incluso náuseas, lo que se llama "enfermedad del simulador".
Por ejemplo, si el ocupante ordena al vehículo que gire hacia la izquierda, las pantallas visuales también deben girar en la misma magnitud y al mismo ritmo. Al mismo tiempo, la cabina inclina al ocupante para imitar el movimiento. Los propioceptores y el sistema vestibular del ocupante perciben este movimiento. El movimiento y el cambio en las entradas visuales deben alinearse lo suficientemente bien como para que cualquier discrepancia esté por debajo del umbral del ocupante para detectar las diferencias en el movimiento.
Para que sea un dispositivo de entrenamiento o entretenimiento eficaz, las señales que el cerebro recibe mediante cada una de las entradas sensoriales del cuerpo deben coincidir.
Es físicamente imposible con la mayoría de los sistemas existentes simular correctamente el movimiento a gran escala en el espacio limitado disponible en un simulador. El enfoque estándar es simular las señales de aceleración inicial lo más fielmente posible. [dieciséis]
En principio, la velocidad no puede percibirse directamente únicamente mediante señales relativas, como las del sistema vestibular. Para un sistema de este tipo, volar en el espacio con una velocidad constante no es diferente de estar sentado en una silla. Sin embargo, cambiar la velocidad se percibe como una aceleración o una fuerza que actúa sobre el cuerpo humano. Para el caso de aceleración lineal constante, un sustituto de la situación real es sencillo. Dado que los humanos no perciben muy bien la amplitud de la aceleración, se puede inclinar al sujeto hacia atrás y usar el vector de gravedad como reemplazo de la fuerza resultante correcta de la gravedad y la aceleración hacia adelante. En este caso, inclinar un simulador hacia atrás y rotar la imagen visual en el mismo ángulo le da al sujeto una fuerza en la espalda que se percibe como una aceleración hacia adelante.
Los otolitos detectan aceleraciones lineales. La estructura del otolito es más simple que los canales semicirculares de tres ejes que detectan aceleraciones angulares. Los otolitos contienen partículas de carbonato de calcio que van por detrás del movimiento de la cabeza, desviando las células ciliadas. Estas células transmiten información de movimiento al cerebro y a los músculos oculomotores. Los estudios indican que los otolitos detectan la componente tangencial de las fuerzas aplicadas. Un modelo de función de transferencia entre la fuerza percibida y las fuerzas aplicadas viene dado por:
Según experimentos con centrifugadoras, se han informado valores umbral de 0,0011 pies/s 2 ; Se han informado valores de hasta 0,4 pies/s 2 basándose en estudios aéreos realizados en la URSS. Los mismos estudios sugieren que el umbral no es una aceleración lineal sino más bien un movimiento brusco (tercera derivada de la posición), y el valor umbral informado es del orden de 0,1 pies/s 3 . Estos hallazgos están respaldados por estudios iniciales que muestran que la cinemática del movimiento humano está representada por características de los perfiles de sacudidas. [18]
Las aceleraciones angulares se detectan mediante canales semicirculares. Los tres canales semicirculares son mutuamente ortogonales (similares a un acelerómetro de tres ejes) y están llenos de un líquido llamado endolinfa. En cada canal, hay una sección donde el diámetro es mayor que el resto del canal. Esta sección se llama ampolla y está sellada por un colgajo llamado cúpula. Las aceleraciones angulares se detectan de la siguiente manera: una aceleración angular hace que el líquido en los canales se mueva, desviando la cúpula. Los nervios de la cúpula informan el movimiento tanto al cerebro como a los músculos oculomotores, estabilizando los movimientos oculares. Un modelo de función de transferencia entre el desplazamiento angular percibido y el desplazamiento angular real es:
Un modelo de segundo orden del ángulo de la cúpula viene dado por
donde es la relación de amortiguación, es la frecuencia natural de la cúpula y es la aceleración angular de entrada. Se ha informado que los valores de están entre 3,6 y 6,7, mientras que los valores de están entre 0,75 y 1,9. Por tanto, el sistema está sobreamortiguado con raíces distintas y reales. La constante de tiempo más corta es 0,1 segundos, mientras que la constante de tiempo más larga depende del eje alrededor del cual acelera el sujeto de prueba (alabeo, cabeceo o guiñada). Estas constantes de tiempo son uno o dos órdenes de magnitud mayores que la constante de tiempo más corta.
Los experimentos han demostrado que un sujeto de prueba humano no puede detectar aceleraciones angulares por debajo de un cierto nivel. Se han informado valores de para aceleraciones de cabeceo y balanceo en un simulador de vuelo.
Los estudios anteriores indican que el sistema vestibular del piloto detecta aceleraciones antes de que los instrumentos de la aeronave las muestren. Esto puede considerarse un circuito de control interno en el que los pilotos responden a las aceleraciones que se producen en los simuladores de movimiento completo y en los aviones, pero no en los simuladores fijos. Este efecto muestra que existe una posible transferencia de entrenamiento negativa al pasar de un simulador fijo a una aeronave e indica la necesidad de sistemas de movimiento para una formación de pilotos con total fidelidad.
Es físicamente imposible simular con precisión un movimiento real a gran escala en el espacio limitado de un laboratorio. El enfoque estándar para simular el movimiento (las llamadas señales de movimiento) es simular lo más fielmente posible las señales "relevantes" que desencadenan la percepción del movimiento . Estas señales pueden ser de naturaleza visual, auditiva o somatosensorial. Las señales visuales y auditivas permiten a los humanos percibir su ubicación en el espacio en una escala absoluta, mientras que las señales somatosensoriales (principalmente propiocepción y otras señales del sistema vestibular) solo proporcionan retroalimentación de aceleraciones.
Por ejemplo, considere viajar en un automóvil que viaja a una velocidad constante arbitraria. En esta situación, nuestro sentido de la vista y el oído proporcionan las únicas señales (excluyendo la vibración del motor) de que el automóvil se está moviendo; Ninguna otra fuerza actúa sobre los pasajeros del automóvil excepto la gravedad. A continuación, considere el mismo ejemplo de un automóvil que se mueve a velocidad constante, excepto que esta vez todos los pasajeros del automóvil tienen los ojos vendados. Si el conductor pisara el acelerador, el coche aceleraría hacia delante, empujando a cada pasajero hacia atrás en su asiento. En esta situación, cada pasajero percibiría el aumento de velocidad al sentir la presión adicional del cojín del asiento.
Los filtros de lavado son un aspecto importante de la implementación de plataformas de movimiento, ya que permiten que los sistemas de movimiento, con su rango de movimiento limitado, simulen el rango de dinámica del vehículo que se simula. Dado que el sistema vestibular humano se vuelve a centrar automáticamente durante los movimientos constantes, se utilizan filtros de lavado para suprimir señales innecesarias de baja frecuencia mientras se devuelve el simulador a una posición neutral en aceleraciones por debajo del umbral de la percepción humana. Por ejemplo, un piloto en un simulador de movimiento puede ejecutar un giro constante y nivelado durante un período prolongado de tiempo, lo que requeriría que el sistema permaneciera en el ángulo de inclinación asociado, pero un filtro de lavado permite que el sistema regrese lentamente a una posición de equilibrio en una tasa por debajo del umbral que el piloto puede detectar. Esto permite que la dinámica de nivel superior del vehículo computarizado proporcione señales realistas para la percepción humana, mientras permanece dentro de las limitaciones del simulador. [19] [20]
Tres tipos comunes de filtros de lavado incluyen filtros de lavado clásicos, adaptativos y óptimos. El filtro de lavado clásico comprende filtros lineales de paso bajo y de paso alto. La señal que ingresa al filtro se divide en señales de traslación y rotación. Los filtros de paso alto se utilizan para simular aceleraciones de traslación y rotación transitorias, mientras que los filtros de paso bajo se utilizan para simular aceleraciones sostenidas. [21] El filtro de lavado adaptativo utiliza el esquema de filtro de lavado clásico, pero utiliza un mecanismo de autoajuste que no se incluye con el filtro de lavado clásico. Finalmente, el filtro de lavado óptimo tiene en cuenta los modelos para el sistema vestibular. [20]
El filtro de lavado clásico es simplemente una combinación de filtros de paso alto y de paso bajo ; por tanto, la implementación del filtro es compatiblemente sencilla. Sin embargo, los parámetros de estos filtros deben determinarse empíricamente. Las entradas al filtro de lavado clásico son las fuerzas específicas del vehículo y la velocidad angular. Ambas entradas se expresan en el marco fijo de la carrocería del vehículo. Dado que la fuerza de baja frecuencia es dominante en el impulso de la base de movimiento, la fuerza se filtra de paso alto y produce las traslaciones del simulador. Se realiza prácticamente la misma operación para la velocidad angular.
Para identificar la inclinación de la plataforma de movimiento, el mecanismo de inclinación primero suministra el componente de fuerza de baja frecuencia para el cálculo de la rotación. Luego, el componente de alta frecuencia 'f' se utiliza para orientar el vector de gravedad 'g' de la plataforma del simulador:
Normalmente, para encontrar la posición, el filtro de paso bajo (en una configuración de tiempo continuo) se representa en el dominio s con la siguiente función de transferencia :
Luego, las entradas al filtro de paso alto se calculan según la siguiente ecuación:
¿ Dónde están las entradas de fuerza? El filtro de paso alto puede entonces representarse según (por ejemplo) la siguiente serie:
Los dos integradores de esta serie representan la integración de la aceleración en velocidad y la velocidad en posición, respectivamente. y representan los parámetros del filtro. Es evidente que la salida del filtro desaparecerá en estado estacionario, preservando la ubicación de los puntos de equilibrio en lazo abierto. Esto significa que, si bien las entradas transitorias serán "pasadas", las entradas de estado estable no, cumpliendo así los requisitos del filtro. [22]
La práctica actual para determinar empíricamente los parámetros dentro del filtro de lavado es un proceso de ajuste subjetivo de prueba y error mediante el cual un piloto de evaluación experto realiza maniobras predeterminadas. Después de cada vuelo, la impresión del piloto sobre el movimiento se comunica a un experto en filtros de lavado, quien luego ajusta los coeficientes del filtro de lavado en un intento de satisfacer al piloto. Los investigadores también han propuesto utilizar un paradigma de sintonización y capturarlo mediante un sistema experto. [23]
Este filtro de lavado puede considerarse como el resultado de una combinación de un filtro de lavado adaptativo y uno óptimo. Se desea un enfoque no lineal para maximizar aún más las señales de movimiento disponibles dentro de las limitaciones del hardware del sistema de movimiento, lo que da como resultado una experiencia más realista. Por ejemplo, el algoritmo descrito por Daniel y Augusto calcula una ganancia, α, en función de los estados del sistema; por lo tanto, el lavado varía con el tiempo. La ganancia 'α' aumentará a medida que los estados de la plataforma aumenten su magnitud, dejando espacio para una acción de control más rápida para lavar rápidamente la plataforma a su posición original. El resultado opuesto ocurre cuando la magnitud de los estados de la plataforma es pequeña o está disminuyendo, lo que prolonga las señales de movimiento que se mantendrán durante períodos más prolongados. [24]
Asimismo, el trabajo de Telban y Cardullo añadió un modelo de percepción integrado que incluye sensaciones tanto visuales como vestibulares para optimizar la percepción humana del movimiento. Se ha demostrado que este modelo mejora las respuestas del piloto a las señales de movimiento. [25]
Este enfoque adaptativo fue desarrollado en la NASA Langley. Se compone de una combinación de filtros determinados empíricamente en los que varios de los coeficientes se varían de una manera prescrita para minimizar una función objetivo (costo) establecida. En un estudio realizado en la Universidad de Toronto, el filtro adaptativo coordinado proporcionó las "calificaciones piloto más favorables" en comparación con los otros dos tipos de filtros de lavado. Los beneficios de este estilo de filtro de lavado se pueden resumir en dos puntos principales. Primero, las características adaptativas brindan señales de movimiento más realistas cuando el simulador está cerca de su posición neutral, y el movimiento solo se reduce en los límites de las capacidades del sistema de movimiento, lo que permite un mejor uso de las capacidades del sistema de movimiento. En segundo lugar, la función de costos o función objetivo (mediante la cual se optimiza el filtro de lavado) es muy flexible y se pueden agregar varios términos para incorporar modelos de mayor fidelidad. Esto permite un sistema ampliable que es capaz de cambiar con el tiempo, lo que da como resultado un sistema que responde de la manera más precisa durante todo el vuelo simulado. Las desventajas son que el comportamiento es difícil de ajustar, principalmente debido a los canales de alimentación cruzada. Finalmente, el tiempo de ejecución es relativamente alto debido a la gran cantidad de llamadas a funciones derivadas requeridas. Además, a medida que se introduzcan funciones de costes más complejas, aumentará el tiempo de cálculo correspondiente. [26]
Aunque los filtros de lavado brindan una gran utilidad al permitir la simulación de una gama más amplia de condiciones que las capacidades físicas de una plataforma de movimiento, existen limitaciones en su rendimiento y practicidad en aplicaciones de simulación. Los filtros de lavado aprovechan las limitaciones de la detección humana para dar la apariencia de un entorno de simulación más grande del que realmente existe. Por ejemplo, un piloto en un simulador de movimiento puede ejecutar un giro constante y nivelado durante un período prolongado de tiempo, lo que requeriría que el sistema permaneciera en el ángulo de inclinación asociado. En esta situación, un filtro de lavado permite que el sistema regrese lentamente a una posición de equilibrio a una velocidad por debajo del umbral que el piloto puede detectar. El beneficio de esto es que el sistema de movimiento ahora tiene un mayor rango de movimiento disponible para cuando el piloto ejecute su siguiente maniobra.
Este comportamiento se aplica fácilmente en el contexto de la simulación de aeronaves con maniobras muy predecibles y graduales (como aviones comerciales o transportes más grandes). Sin embargo, estas dinámicas lentas y suaves no existen en todos los entornos de simulación prácticos y disminuyen los rendimientos de los filtros de lavado y un sistema de movimiento. Tomemos como ejemplo el entrenamiento de pilotos de combate: si bien el régimen de crucero constante de un avión de combate puede simularse bien dentro de estas limitaciones, en situaciones de combate aéreo las maniobras de vuelo se ejecutan de manera muy rápida hasta extremos físicos. En estos escenarios, no hay tiempo para que un filtro de lavado reaccione para devolver el sistema de movimiento a su equilibrio de rango, lo que hace que el sistema de movimiento alcance rápidamente su rango de limitaciones de movimiento y deje de simular con precisión la dinámica. Es por esta razón que los sistemas basados en filtros de movimiento y lavado a menudo se reservan para aquellos que experimentan un rango limitado de condiciones de vuelo.
Los propios filtros también pueden introducir señales falsas, definidas como: 1) una señal de movimiento en el simulador que está en la dirección opuesta a la de la aeronave, 2) una señal de movimiento en el simulador cuando no se esperaba ninguna en la aeronave, y 3 ) una distorsión de frecuencia relativamente alta de una señal sostenida en el simulador para una señal sostenida esperada en la aeronave. La definición anterior agrupa todos los errores de señalización que conducen a disminuciones muy grandes en la fidelidad del movimiento percibido. [23] Seis posibles fuentes de señales falsas son:
El uso del movimiento físico aplicado en simuladores de vuelo ha sido un tema debatido e investigado. El departamento de Ingeniería de la Universidad de Victoria llevó a cabo una serie de pruebas en la década de 1980 para cuantificar las percepciones de los pilotos de aerolíneas en la simulación de vuelo y el impacto del movimiento en el entorno de simulación. Al final, se descubrió que había un claro efecto positivo en la forma en que los pilotos percibían el entorno de simulación cuando había movimiento y había un disgusto casi unánime por el entorno de simulación que carecía de movimiento. [27] Una conclusión que podría extraerse de los hallazgos del estudio Respuesta de los pilotos de líneas aéreas es que el realismo de la simulación está en relación directa con la precisión de la simulación en el piloto. Cuando se aplica a los videojuegos y se evalúa dentro de nuestras propias experiencias de juego, el realismo puede estar directamente relacionado con el disfrute de un juego por parte del jugador. En otras palabras, los juegos con movimiento son más realistas y, por lo tanto, más iterativos y estimulantes. Sin embargo, existen efectos adversos en el uso del movimiento en la simulación que pueden alejar el propósito principal de usar el simulador en primer lugar, como el mareo . Por ejemplo, ha habido informes de pilotos militares que abandonaron su sistema vestibular debido a que movieron la cabeza en el simulador de manera similar a como lo harían en un avión real para mantener su sensibilidad a las aceleraciones. Sin embargo, debido a los límites de la aceleración del simulador, este efecto se vuelve perjudicial al volver a un avión real.
Mareo por movimiento o simulador : los simuladores funcionan "engañando" a la mente haciéndole creer que las entradas que recibe de las entradas visuales, vestibulares y propioceptivas son un tipo específico de movimiento deseado. Cuando alguna de las señales recibidas por el cerebro no se correlaciona con las demás, puede producirse mareo. En principio, el mareo del simulador es simplemente una forma de mareo que puede resultar de discrepancias entre las señales de las tres fuentes físicas de entrada. Por ejemplo, viajar en un barco sin ventanas envía una señal de que el cuerpo está acelerando y girando en varias direcciones desde el sistema vestibular, pero el sistema visual no ve ningún movimiento ya que la habitación se mueve de la misma manera que el ocupante. En esta situación, muchos se sentirían mareados.
Además de la enfermedad del simulador, se han observado síntomas adicionales después de la exposición a la simulación de movimiento. Estos síntomas incluyen sensación de calor, palidez y sudoración, depresión y apatía, dolor de cabeza y sensación de plenitud de cabeza, somnolencia y fatiga, dificultad para enfocar los ojos, fatiga visual, visión borrosa, eructos, dificultad para concentrarse y flashbacks visuales. Se observó que los efectos persistentes de estos síntomas a veces duran hasta uno o dos días después de la exposición al simulador de movimiento.
Varios factores contribuyen al malestar de la simulación, que se pueden clasificar en variables humanas, uso del simulador y equipo. Los factores variables humanos comunes incluyen la susceptibilidad, las horas de vuelo, el estado físico y los medicamentos/drogas. La variación de la susceptibilidad de un individuo al mareo por movimiento es un factor dominante que contribuye al mareo en el simulador. El aumento de las horas de vuelo también es un problema para los pilotos, ya que se acostumbran más al movimiento real de un vehículo. Los factores que contribuyen debido al uso del simulador son la adaptación, el contenido de la escena distorsionado o complicado, la mayor duración de la simulación y la congelación/reinicio. Congelar/restablecer se refiere a los puntos de inicio o finalización de una simulación, que deben estar lo más cerca posible de condiciones estables y niveladas. Claramente, si una simulación finaliza en medio de una maniobra extrema, es probable que el sistema IMU del sujeto de prueba esté distorsionado. Los factores del equipo del simulador que contribuyen al mareo son la calidad del sistema de movimiento, la calidad del sistema visual, la visualización fuera del eje, la óptica mal alineada, el parpadeo y el retraso/desajuste entre los sistemas visual y de movimiento. El problema del retraso/desajuste ha sido históricamente una preocupación en la tecnología de simuladores, donde el desfase entre la entrada del piloto y los sistemas visuales y de movimiento puede causar confusión y, en general, disminuir el rendimiento del simulador.
Las plataformas móviles sólo pueden reproducir la sensación de movimiento real en la aceleración inicial. No se puede sostener debido a los límites físicos del tamaño de la plataforma de movimiento. Sin embargo, los sensores de movimiento del cuerpo humano responden a aceleraciones en lugar de a movimientos sostenidos, por lo que una plataforma de movimiento puede producir señales de movimiento. Los sensores de movimiento humanos constan del oído interno (el aparato vestibular) con tres canales semicirculares para detectar rotaciones y órganos otolíticos para detectar aceleraciones lineales. Las plataformas de movimiento hexápodo se utilizan en simuladores de vuelo completos, que se utilizan para entrenar pilotos en la aviación civil mundial, según las reglas de la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) y las autoridades regionales de aviación civil como EASA [se necesita aclaración ] en Europa y la FAA. [ se necesita aclaración ] en los EE.UU.
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