Simulador para Treinamento de Operadores de Colheitadeira Axial de Grãos

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1 Simulador para Treinamento de Operadores de Colheitadeira Axial de Grãos Tales Nereu Bogoni 1, Benevid Felix da Silva 1, Giovane Maia do Vale 1, Ivan Pedroso Pires 1, Everton Valdomiro Pedroso Brum 2, Márcio Sarroglia Pinho 3 1 UNEMAT Campus de Colíder Departamento de Computação tales@unemat.br, teafelix@gmail.com, giovanemvale@gmail.com, ivanpires@gmail.com 2 UNEMAT Campus de Alta Floresta Departamento de Agronomia evpbrum@gmail.com 3 PUCRS Faculdade de Informática PPGCC pinho@pucrs.br Resumo Este artigo apresenta o projeto de um simulador de colheitadeira axial de grãos, voltado para o treinamento de seus operadores. O principal objetivo está em produzir uma ferramenta que auxilie no processo de ensino dos operadores de forma mais rápida e segura, reduzindo os custos do treinamento e o tempo de permanência do aprendiz em uma colheitadeira real. São apresentadas as etapas previstas para o desenvolvimento do projeto e as ações já realizadas até o presente momento. O simulador será equipado com peças reais de uma colheitadeira, instrumentadas com dispositivos de force feedback e utilizará um ambiente virtual modelado a partir de um Modelo Digital de Terreno, além disto, utilizará um HMD para que o usuário visualize o ambiente. Palavras-chave Simulador, Realidade Virtual, Dispositivo Háptico. Abstract This paper presents the axial grain harvester project, for operators' training. The main goal is make a tool for aid in the teaching of harvester operators more faster and security, reducing the costs of training and residence time of apprentice in the real harvester. We present provided steps for the project development and the already taken actions so far. The simulator will equipped with harvester's real parts, instrumented with force feedback devices and will use a virtual environment modeled from a Digital Terrain Model (DTM), in addition, the user will use a HMD for view the environment. Keywords Simulator, Virtual Reality, Haptic Device. 1. Introdução Com o atual desenvolvimento tecnológico na agricultura, principalmente em fazendas com grandes extensões de plantação, cada vez mais equipamentos são utilizado para a colheita de grãos. Estes equipamentos possuem inúmeros componentes tecnológicos para aumentar sua produtividade, porém só conseguem ser efetivos se bem utilizados. Com a inclusão destas colheitadeiras nas lavouras, cada vez menos trabalhadores braçais são necessários e a qualificação deste trabalhador é a forma de mantê-lo empregado [15]. Mais especificamente, no Estado de Mato Grosso, 40,8% do PIB do estado está ligado ao agronegócio, sendo que 83% das exportações do estado estão relacionadas a produtos derivados da soja [8], o que demonstra que o perfil econômico do estado está altamente vinculado ao cultivo e beneficiamento do grão. Agregado ao cultivo de soja está o cultivo de milho, que normalmente é plantado após a colheita da soja. Ambos necessitam de colheitadeiras mecânicas para agilizar a colheita e aumentar a produtividade. A modernização dos implementos agrícolas, em especial a inserção de novas tecnologias computacionais nas colheitadeiras, aumenta a necessidade de mão de obra especializada para sua operação. Esta mão de obra só é obtida a partir de programas de treinamento, que geralmente, são oferecidos pelos fabricantes das colheitadeiras e para um número reduzido de pessoas. Além disto, o risco decorrente da má operação das colheitadeiras pode acarretar grandes prejuízos financeiros, pois os equipamentos parados para a realização de manutenção não produzem, e o operador pode sofrer algum tipo de acidente de trabalho. Por estes motivos o presente projeto destina-se a unir profissionais de diversas áreas do conhecimento para projetar e desenvolver um protótipo de simulador voltado para o treinamento de operadores de colheitadeiras axiais visando a qualificação de mão-deobra, redução de custos de manutenção e aumento de produtividade. Neste sentido, a Realidade Virtual (RV) já demonstrou ser uma excelente ferramenta de ensino para treinar as habilidades motoras de uma pessoa [17], sendo que já está comprovado que o uso de

2 experiências em 1ª pessoa, onde o indivíduo conhece o mundo através de sua interação com ele, influencia positivamente no processo de aprendizagem [6]. O uso de simuladores dotados de recursos de RV traz o benefício da repetição de situações até o domínio das técnicas, já que podem ser simuladas inúmeras vezes a mesma situação. Outra vantagem é a possibilidade de colocar o treinando em situações inesperadas, sem colocar em risco os equipamentos e ele mesmo. Na próxima seção será apresentada uma classificação sobre sistemas de realidade virtual, em seguida, na seção 3, são expostos alguns trabalhos já realizados com simuladores de veículos. A seção 4 descreve o projeto do simulador e as etapas para seu desenvolvimento, em seguida, na seção 5, são descritas as tarefas que já estão sendo desenvolvidas e, na seção 6, os resultados esperados com a conclusão do simulador. 2. Sistemas de Realidade Virtual Os sistemas de RV podem ser classificados como imersivos e não imersivos. O primeiro ocorre quando o usuário é transportado para o domínio da aplicação, através de dispositivos multisensoriais, que capturam seus movimentos e comportamento e reagem a eles, já o segundo ocorre quando o usuário continua visualizando e sofrendo influência do mundo real [18]. Os equipamentos mais utilizados em sistemas de RV imersiva são os óculos do tipo HMD, CAVES e rastreadores de posição, já na RV não imersiva são utilizados monitores e dispositivos convencionais de interação. Quanto aos tipos de simuladores, Zhang et al [21] os classifica em 3 grandes grupos: modelo físico, baseados em RV e híbridos. Os simuladores de modelo físico são utilizados em situações bem específicas, pois seus componentes são físicos e estáticos, são os mais realistas, e também os de maior custo de desenvolvimento. Os simuladores baseados em RV são os mais flexíveis, podem representar virtualmente o que se espera do mundo real e a interação com o usuário acontece apenas no mundo virtual. Os simuladores híbridos não são tão flexíveis quanto os baseados em RV, mas com a utilização de componentes físicos podem dar uma melhor sensação de toque e orientação espacial dentro do Ambiente Virtual (AV). Um dos grandes desafios para os desenvolvedores de simuladores está em reproduzir exatamente o que o usuário vê, ouve e sente durante as operações reais. No que tange a visualização, a utilização de imagens estereoscópicas oferece imagens tridimensionais mais realísticas e com sensação de profundidade e distância. Em se tratando de sons, a utilização de sons estéreo tridimensionais, aumenta a percepção espacial do usuário dentro do AV. Relacionado a sensação de toque, estão sendo incorporados dispositivos de retorno háptico para facilitar a interação do usuário com o AV e torná-lo mais responsivo. O termo háptico refere-se à capacidade de sentir um ambiente virtual através do tato, e é composto por dois componentes independentes, o cutâneo, responsável pelas sensações de pressão, temperatura ou dor, e o cinestésico, que é responsável pelas sensações de movimento e força [11]. As sensações providas pelos dispositivos hápticos podem ser de 4 tipos: retorno de aperto (grip feedback) que fornece ao usuário sensação de pressão; retorno de apreensão (grasp feedback) que fornece limitação dos movimentos do usuário em algum grau de liberdade; retorno de força (force feedback) que cria forças direcionais exigindo que o usuário empregue força para realizar os movimentos; e retorno tátil ou de toque (tactile/touch feedback), que produz estímulos em forma de sensação de calor, toque ou vibração [7]. Tanto os simuladores baseados em RV quantos os híbridos fazem uso de AVs em seu desenvolvimento a fim de fazer com que o usuário reconheça o ambiente real nele projetado, quer seja do ponto de vista gráfico, ou da forma de como ele irá interagir com os dispositivos de entrada dados. Esta característica dos sistemas é descrita em Engenharia de Software como sendo a Usabilidade do sistema, o que pode refletir no sucesso ou fracasso do projeto. 3. Trabalhos relacionados Sistemas de RV híbridos são largamente utilizados em treinamentos que exigem aprimoramento de habilidades motoras e intelectuais, entre eles, Bogoni e Pinho [5] apresentam um simulador de caminhão que permite a verificação do comportamento de motoristas de caminhão com relação à utilização de técnicas de direção de econômica. No simulador, dotado de equipamentos reais como, direção, pedais e painel de controle, o motorista conduz um caminhão em um ambiente virtual enquanto o sistema monitora suas ações e avalia a forma como ele está dirigindo com relação à utilização de técnicas de direção econômica. Em outro estudo, Lopes et al [9] apresentam os resultados do uso de um simulador de máquina de corte de árvores para o treinamento de seus operadores, no qual verificaram que o tempo de treinamento em equipamentos reais poderia ser reduzido para os operadores que utilizassem o simulador. Nesta mesma área de pesquisa, Ovaskainen [12] apresenta um estudo

3 com operadores de máquinas cortadoras de árvores que buscava identificar quais as operações poderiam ser simuladas com o uso de um simulador hibrido utilizando dispositivos físicos similares aos reais. Outra iniciativa para treinamento de operadores de equipamentos pesados á apresentada por Barbosa [2], que descreve o processo de desenvolvimento de um simulador para treinamento de maquinistas de trens, projeto desenvolvido pela Escola Politécnica da USP em parceria com a empresa Vale. módulo de controle háptico, no qual são efetuados os cálculos das forças que deverão ser retornadas para os dispositivos físicos equipados com force feedback, realimentando os dispositivos físicos, reiniciando o processo de simulação. 4. Projeto do Simulador Para o desenvolvimento de um sistema que atenda às necessidades deste projeto optou-se por utilizar um simulador híbrido composto por uma cabine de colheitadeira real e um AV. A cabine é composta por seus equipamentos básicos como pedais, painel de controle, direção e alavancas de comando, com o objetivo de familiarizar o operador com a realidade que encontrará nos equipamentos reais. O AV será modelado com base em uma plantação de soja com um relevo típico de áreas mecanizadas, com os problemas comuns que podem ocorrer em uma plantação, como áreas de erosão, locais com ervas daninhas e plantas com doenças que não devem ser colhidas. A Figura 1 apresenta um croqui do simulador, demonstrando os equipamentos reais que serão utilizados e o correto posicionamento do usuário dentro do simulador. A fim de proporcionar ao usuário uma visão global do AV, ele utilizará um HMD com exibição de imagens estereoscópicas. Como o usuário estará imerso no AV, assim perdendo a noção de seu posicionamento dentro do ambiente real, os dispositivos reais de interação e um avatar do usuário também serão representados dentro do AV. Objetivando manter a relação de posicionamento espacial do usuário com seu avatar, será realizado o rastreamento da cabeça, das mãos e dos pés do usuário. A arquitetura básica do simulador (Figura 2), identifica o fluxo de comunicação entre os diversos componentes do simulador. Quando o usuário interage com os dispositivos de interação os dados referentes acionamento de comandos, pressionamento de pedais, controle da direção e posição de rastreamento das mãos e pés do usuário são enviados para o módulo de interface de comunicação, que envia estes dados para a engine responsável pelo controle do render gráfico do AV, que por sua vez, atualiza a saída gráfica, de acordo com a visão do usuário em seu HMD e, envia dados referentes ao controle de colisão e do posicionamento do usuário no AV de volta a interface de comunicação, que encaminha estes dados para o Figura 1 - Configuração física do simulador Figura 2 - Arquitetura do simulador Para um melhor acompanhamento do desenvolvimento do projeto, este foi dividido em 6 etapas básicas, que são apresentadas nas próximas seções Definições do simulador Nesta etapa são definidas as operações de uma colheitadeira que podem ser simuladas, a estrutura do terreno onde a simulação irá acontecer e o tipo de cultura que será utilizada na simulação Construção do setup físico do simulador Esta etapa é composta pela montagem de uma cabine que imite a cabine de uma colheitadeira e pela

4 instalação de sensores nos equipamentos da cabine que servirão como instrumentos de interação entre o operador e o sistema de simulação Construção do ambiente virtual Nesta etapa é realizada a modelagem dos objetos que fazem parte do AV, como árvores, rios, instrumentos da colheitadeira e o terreno, este baseado no Modelo Digital do Terreno (MDT) levantado na fase de definições do simulador. A interface gráfica do AV deve ser realista o suficiente para provocar a sensação de presença do usuário dentro do AV e, também, deve manter uma taxa de amostragem de quadros que permita manter a interatividade do ambiente Integração do AV com o setup físico Nesta etapa será realizada a integração do AV com a cabine do simulador. Equipamentos que permitam ao operador do simulador sentir e necessitar exercer força para a realização dos movimentos, dispositivos com retorno de força ou hápticos, serão inseridos na cabine e controlados pelo sistema através das interações que ocorrem no ambiente virtual. Também será desenvolvido um mecanismo de rastreamento para detectar a posição das mãos e dos dedos do operador dentro da cabine e posicionar as mãos virtuais dentro do AV, para isso será utilizado o método de rastreamento óptico com extração de imagens, baseado em Silva [16], através de algoritmos de visão computacional Monitoramento e análise de dados Nesta etapa será desenvolvido o mecanismo de interface de comunicação, na qual os dados recebidos dos dispositivos físicos são armazenados e interpretados por um módulo do sistema que realizará o controle da aplicação Avaliação do simulador Nesta etapa serão definidas as métricas que serão utilizadas para medir a eficácia do simulador como instrumento para ser utilizado no treinamento de operadores de colheitadeiras. Para validar o uso de simulador serão realizados dois testes distintos. O primeiro tem por objetivo avaliar a sensação de presença proporcionada pelo simulador e o grau de realismo obtido na operação, este teste contará com a presença de profissionais que já trabalham com colheitadeiras e instrutores de treinamentos convencionais. O segundo teste tem como objetivo verificar se ao utilizar o simulador a assimilação dos conteúdos durante o treinamento prático em uma colheitadeira real se dá de forma mais eficiente, e para isso contará com a participação de instrutores de cursos convencionais e com alunos inscritos em cursos de operação de colheitadeiras. 5. Construção do Simulador O presente projeto de pesquisa está na fase das definições do simulador, na qual já foi realizada a escolha da engine de render da simulação e a escolha dos dispositivos hápticos que serão utilizados 5.1. Definição da Engine de Render Para a escolha da engine a ser utilizada como base para o desenvolvimento do simulador levou-se em conta características relacionadas à fidelidade audiovisual oferecida pela engine, a possibilidade de utilização de dispositivos não convencionais de entrada e saída de dados, a possibilidade de criação de cenários e integração com outros editores gráficos 3d, como por exemplo o 3D Studio Max [1] e Blender [4], e a facilidade em incluir aspectos relacionados ao comportamento físico dos objetos de cena, como a interação entre a colheitadeira e a plantação. Considerando o estudo realizado por Pedritis et al [13], que analisou 4 engines para desenvolvimento de serious games, sendo elas: Quest3D [14], Unreal Development Kit (UDK) [20], Blender [3] e Unity3D [19]. Pode-se observar que a que melhor de adapta às necessidades deste projeto é a UDK. Mesmo sendo classificada como de baixa acessibilidade por possuir um elevado custo de sua versão para uso comercial, porém, como este projeto possui finalidade educacional, esta variável não foi considerada Definição dos Dispositivos Hápticos O objetivo da utilização dos dispositivos hápticos dentro deste projeto está em proporcionar ao usuário sensações mais realistas em tarefas como girar a direção, acionar os pedais e regular a altura de corte da colheita. Pretende-se ainda simular os movimentos da cabine a com de que o usuário perceba o relevo do terreno. Para simular estes aspectos serão inseridos dispositivos físicos que irão proporcionar force feedback para cada um dos instrumentos do simulador. Os pedais serão equipados com molas para fazer com que o usuário execute força para pressioná-los, a direção receberá um motor que executará força

5 contrária ao movimento do usuário, sendo controlado através da interação com o terreno do AV, e, as alavancas de acionamento das plataformas de corte e descarregamento da colheitadeira serão equipadas com dispositivos do tipo Novint Falcon Controller [10] para proporcionar reações de force feedback. 6. Resultados Esperados Do ponto de vista econômico, espera-se que ao ser utilizado o simulador de colheitadeira durante o processo de ensino-aprendizagem seja possível incrementar as habilidades dos operadores treinados, fazendo com que os problemas nos equipamentos causados por mau uso sejam minimizados e sua produtividade maximizada, além de desenvolver novas tecnologias para serem utilizadas neste tipo de projeto visando para aumentar sua eficiência e reduzir os custos relacionados a equipamentos e ao tempo de desenvolvimento das aplicações. Do ponto de vista científico, o desenvolvimento deste projeto pretende apresentar uma metodologia para o treinamento de operadores de colheitadeiras e os resultados obtidos com a aplicação desta metodologia, sendo possível com isto melhorar o processo de treinamento dos operadores. 7. Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer à Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Mato Grosso (FAPEMAT), por financiarem esta pesquisa (Auxilio a Projeto de Pesquisa, nº /2010). 8. Referências [1] Autodesk 3ds Max Products. Disponível em: &siteid= Acessado em: 02/08/2010. [2] Barbosa, R. S. Simulador de trens nacional aprimora capacitação de maquinistas. Agência USP de Noticias, São Paulo, 10 jan. 2009, p. 1-2, 10 jan [3] Blender. Disponível em: Acessado em: 02/08/2010. [4] Blender. Disponível em: Acessado em: 30/08/2010. [5] Bogoni, T. N.; Pinho, M. S. Sistema para Monitoramento de Técnicas de Direção Econômica em Caminhões com Uso de Ambientes Virtuais Desktop. In: XI Symposium on Virtual and Augmented Reality, 2009, Porto Alegre. Proceedings SVR Porto Alegre : SBC, p [6] Cardodo, A.; Lamunier Júnior, E. A. Aplicações de RV e RA na Educação e Treinamento. In: Rosa Maria Costa; Marcos Wagner S. Ribeiro. (Org.). Aplicações de Realidade Virtual e Aumentada. 1 ed. Porto Alegre-RS: Sociedade Brasileira de Computação, 2009, v. 1, p [7] Farias, T.; Silva, D.; Moura, G. de S.; Teixeira, J.; Costa, L.; Dias, G.; Teichrieb, V.; Kelner, J. Um Estudo de Caso sobre a Construção e a Integração de Dispositivos Hápticos com Aplicações Interativas. In: Brazilian Symposium on Computer Games and Digital Entertainment, 2006, Recife. V Brazilian Symposium on Computer Games and Digital Entertainment, [8] Freitas, E. Economia de Mato Grosso. 12/05/2008. Disponível em: /e- Matogrosso/Estado/Informa%C3%A7%C3%B5es/ Economia+de+Mato+Grosso. Acesso em 16/04/2010. [9] Lopes, E. S.; Cruziniani, E.; Araujo, A. J.; Silva, P. C. da. Avaliação do treinamento de operadores de harvester com uso de simulador de realidade virtual. Rev. Árvore [online]. 2008, vol.32, n.2, pp [10] Novint Falcon Controller. Disponível em: Acessado em 24/08/2010. [11] Oakley, I.; McGee, M. R.; Brewster, S.; Gray, P. Putting the feel in look and feel. In Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems (The Hague, The Netherlands, April 01-06, 2000). CHI '00. ACM, New York, NY, [12] Ovaskainen, H. Comparison of Harvester Work in Forest and Simulator Environments. Silva Fennica, V 39 (1) pp [13] Petridis, P.; Dunwell. I.; Freitas, S. de; Panzoli, D. An Engine Selection Methodology for High Fidelity Serious Games. Games and Virtual Worlds for Serious Applications, Conference in, pp , 2010 Second International Conference on Games and Virtual Worlds for Serious Applications, [14] Quest3D. Disponível em: Acessado em: 02/08/2010. [15] Ribeiro, D. D.; Mendonça, M. R.; Hespanhol, A. N. Relações de trabalho na agricultura mecanizada: a monocultura da soja em Goiás. Scripta Nova Revista Electrónica de Geografía y Ciencias Sociales, Universidad de Barcelona, v. 6, n. 119, p , ago [16] Silva, R. J. M. Integração de um Dispositivo Óptico de Rastreamento a uma Ferramenta de Realidade Virtual. Tese de Mestrado DI/PUC-Rio [17] Sveistrup H. Motor rehabilitation using virtual reality. J Neuroengineering Rehabil. 2004;1(1):10. [18] Tori, R.; Kirner, C.; Siscouto, R.. Fundamentos e Tecnologia de Realidade Virtual e Aumentada. In: VIII Symposium on Virtual Reality. Pará, pp , [19] Unity3D. Disponível em: Acessado em: 02/08/2010. [20] Unreal Development Kit. Disponível em: Acessado em: 02/08/2010. [21] Zhang, Y.; Phillips, R.; Ward, J.; Pisharody S. A survey of simulators for palpation training. Stud Health Technol Inform 2009;142: