Simulador para Auto-escola

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1 Simulador para Auto-escola João Kleber Indena Martins 1, Marcos Danilo da Silva 2, Mauricio José Alves Bolzam 3 Universidade do Vale do Paraíba Faculdade de Ciência da Computação, Av. Shishima Hifumi, n 2911 CEP São José dos Campos/SP Brasil, 1 jkindena@gmail.com, 2 marcosdanilo_silva@hotmail.com, 3 bolzan@univap.br Resumo - O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma interface de Realidade Virtual (RV) para simuladores de Auto Escola, com finalidade de proporcionar um contato inicial do usuário (aluno) com as circunstâncias encontradas do mundo real, para tanto, foi desenvolvido um simulador básico com inserção de uma interface de RV. Esta aplicação é composta por essa interface, pelo simulador e um ambiente gráfico 3D. A sua integração com o ambiente físico foi viabilizada por componentes de um automóvel e hardware embarcado, além da modelagem física e matemática dos fenômenos presentes no ambiente simulado. Palavras-chave: Microcontrolador, Framework Microsoft XNA Game Studio 3.1, Blender 2.4, C# Express Área do Conhecimento: Engenharias Engenharia de Computação 1. Introdução Diante dos desafios da era global e da aceleração do tempo, o ato de dirigir um automóvel passou a ser uma necessidade. No Brasil 35,2% dos candidatos à Carteira Nacional de Habilitação (CNH) que prestam o exame de direção são reprovados, conforme levantamento realizado pela Associação Nacional do DETRAN (BHTRANS; 2009). Com este propósito, viabilizou-se o desenvolvimento de um sistema que permite uma simulação de teste de direção e, com isso, o usuário adquire noção, em ambiente virtual, de acontecimentos do mundo real, ou seja, oferece ao usuário conceitos ou habilidades para que estes tenham oportunidade de preparar-se virtualmente antes do contato com o veículo real. Como se trata de um ambiente virtual é possível mostrar situações que não seriam prováveis dentro de circunstâncias reais, ou seja, dentro da segurança de um simulador é possível que se observe o comportamento do condutor em determinadas situações que o colocariam em posição de risco. A utilização de softwares gratuitos foi uma das preocupações adotadas, tendo em vista que a grande tendência das áreas tecnológicas é a utilização desses programas (BIMBO, 2009). Como já existe uma grande quantidade de softwares em diversas áreas de desenvolvimento, foi possível utilizá-los para a implementação de todos os componentes que formam o sistema, além de utilizar materiais reaproveitados para a construção do sistema físico do simulador. 2. Metodologia 2.1 Desenvolvimento do Ambiente Gráfico Quanto à criação do ambiente de realidade virtual, necessitou-se encontrar uma ferramenta que pudesse ter os recursos necessários para o desenvolvimento em terceira dimensão e que fosse gratuita. Portanto, viabilizou-se o uso de Framework Microsoft XNA Game Studio 3.1. Baseada na tecnologia.net, o XNA é o substituto do Managed DirectX. O seu principal objetivo é o desenvolvimento de jogos, tanto para a plataforma Windows quanto para o console Xbox 360 da Microsoft. O XNA vem com uma IDE de desenvolvimento de jogos e todas as classes necessárias para auxiliar no desenvolvimento de aplicações em 3D. A linguagem oficial para o desenvolvimento é o C# Express 2008, também uma ferramenta gratuita. O Microsoft XNA Game Studio suporta modelos nos formatos.fbx(filmbox) e.x(directx Format), ambos têm suporte às texturas e animações. Estes modelos representam os objetos que serão renderizados para posterior exibição na tela, os quais deverão ser inseridos dentro do ContentPipeline. Nesta pasta será inserido todo o conteúdo gráfico (como os modelos 3D, os sons, efeitos, etc.), pois, todo o controle de construção deste conteúdo é feito pelo importador do ContentPipeline. Na criação dos modelos 3D que serão exportados para o XNA, empregou-se o Blender 2.4, um programa open source que tem como objetivo a modelagem, texturização, composição, renderização e edição de vídeo, além de ser possível criar aplicações interativas em 3D. Foram criados os objetos do ambiente como o cenário e 1

2 os cones, utilizando primitivas simples como planos e cilindros, as informações visuais como as marcas no chão, as placas e o fundo do cenário foram todos desenvolvidos através da inserção de texturas nestes objetos. Eles foram criados no Microsoft Paint e exportados para o formato.jpeg. A Figura 1 mostra o cenário de realidade virtual construído. Figura 1: Cenário construído da realidade virtual O carro e o semáforo, por suas complexidades, viabilizaram o uso de modelos disponibilizados por sites que contêm objetos prontos, que foram postados por desenvolvedores e permitem o download para a utilização em qualquer tipo de aplicação. Como o Blender tem suporte para a exportação de vários tipos de formatos de objetos 3D, optou-se neste caso pelo fbx por possuir maior nível de detalhes, possibilitando que algumas informações importantes referentes à sinalização da pista sejam melhores visualizadas. A classe principal do XNA é separada em cinco principais rotinas: Initialize, LoadContent, UnloadContent, Update e Draw - cada uma com um funcionamento específico. Para exibir um modelo na tela é necessário: configurar todo o ambiente gráfico, além disso, todas as instâncias de cada objeto também são criadas dentro da rotina Initialize, ou seja, nesta rotina faz-se necessário inserir as primeiras ações que o sistema utilizará, levando em consideração de que a execução passará por esta rotina apenas uma vez. carregar cada modelo dentro da rotina LoadContent, indicando sempre qual tipo de ContentProcessor ele pertence, para que haja coerência entre o arquivo e o que o ContentPipeline vai carregar, sendo necessário criar uma variável do tipo Model que conterá todas as informações. utilizar a rotina Draw para que o modelo possa ser desenhado na tela. Para facilitar o desenvolvimento, criou-se uma classe Graphic, que contém toda a lógica utilizada para se desenhar um objeto na tela, que é chamada sempre que a execução passa pela rotina Draw. A classe Graphic é composta por métodos que desenham tanto modelos em 3D quanto em 2D, como figuras, além de permitir escrever textos. O método que desenha em 3D necessita de que haja toda a configuração espacial do objeto na tela, como, por exemplo, a distância entre o objeto e o ponto de visão, e sua posição no ambiente, chamado de mundo ou World em inglês. Todos estes cálculos são facilitados através das funções que o framework contém. Com referência à exibição de um objeto na tela, é indispensável que este seja separado por segmentos de sua geometria 3D, chamados de Mesh. Aplicam-se para cada Mesh efeitos da cena como luz, configuração de neblina, entre outros. Há também componentes que possibilitam orientação e exibição do objeto na tela, cada um com suas propriedades descritas a seguir: World, o qual o modelo se localizará em relação ao universo em que ele estiver, ou seja, referente ao ponto zero no mundo. Cada uma destas informações será constantemente alterada caso deseja-se que o modelo se movimente. Dentro deste componente é possível colocar informações como a rotação e o posicionamento de cada Mesh no mundo, além da possibilidade de aumentar sua escala. View, em que se configurará a câmera com relação ao objeto, ou seja, a distância da câmera em relação ao mesmo. Projection, em que se criará toda a perspectiva, a escala e o campo de visão no qual o modelo poderá estar visível. Cada uma das configurações destes componentes pode ser observada na figura 2. Figura 2: Configuração espacial do veículo. Após serem desenhados todos os objetos na tela, implementou-se a rotina de movimentação do carro, a Update. A cada novo parâmetro que se deseja passar para os objetos, é necessário que seja implementada dentro desta rotina, pois, juntamente com a função Draw são acessadas a todo momento durante a execução. 2

3 Com isso são coletados os dados gerados por componentes externos, estes são identificados e tratados de maneira que cada um proceda de maneira correta com relação ao movimento do carro observado na Figura 3. seguinte equação para se descobrir cada cateto do triângulo. Figura 4: Esquema geométrico da movimentação realizado pelo carro. Figura 3: Aplicação e movimentação do veículo no cenário virtual. Dentre as classes que recebem os dados, após passarem pela rotina Update, a classe Logic é a que controla todos os dados. Cada ação possível de se executar com o veículo, é controlada por esta classe. Para a movimentação do carro, a classe Logic trabalha em conjunto com a classe Fisica, que faz todos os cálculos necessários para que o carro se movimente da forma mais real possível. 2.2 Implementação da Física do Problema O cálculo da velocidade foi baseado na rotação do motor utilizando, para isso, a seguinte equação: V C. Rot.0,06. dif. R = (1) - Em que V é a velocidade, C é a circunferência do pneu, Rot é a rotação do motor, dif é a relação diferencial entre os eixos do automóvel e R é a relação entre marcha (4x4BRASIL;2004). É necessário determinar qual é a dimensão da pista, para calcular o movimento do carro com relação à velocidade. Sabendo-se que o tamanho real do carro adotado neste simulador (Vectra GT) corresponde a 4,28 metros, que o tamanho do carro em ambiente virtual é de 324 pixels, e que a pista possui uma profundidade de 3990 pixels, ao se realizar uma regra de três simples descobre-se que a pista tem aproximadamente 52,7 metros de profundidade. O carro movimenta-se na pista em pequenas variações de posição, sendo que o ângulo de inclinação dentre estas posições, que formará o triângulo retângulo (figura 4), é a quantidade em graus que o carro está girando, e o cálculo de cada movimento pode ser feito utilizando a X 0 = X 1 + (V * seno(rotcarro) Z 0 = Z 1 + (V * cosseno(rotcarro) onde V é a velocidade do carro e Rotcarro é o ângulo de rotação do carro. A cada movimento do carro é importante verificar também se houve alguma colisão com algum outro objeto da cena. Estas verificações são feitas com ajudas de componentes do próprio framework. 2.3 Construção da Interface Física. As informações passadas para o XNA são enviadas por um kit desenvolvido para esta aplicação, contendo um microcontrolador PIC 16f778A, uma porta serial e uma porta USB. Os dados analógicos passados pelos potenciômetros são convertidos para o sistema digital, utilizando as postas A/D do microcontrolador. Sabendo-se a origem da entrada A/D ou do pino de entrada digital do qual o dado se procede, é possível identificar qual o componente o gerou, e agregar uma denominação ao sinal para que o sistema desenvolvido possa identificá-lo. Os componentes responsáveis pela variação dos potenciômetros e dos botões estão relacionados a seguir: Volante: sua implementação foi realizada através da utilização de uma furadeira manual, contendo diferentes tipos de reduções geradas por engrenagens. Na ponta em que se localiza a broca, fixou-se o volante original de um carro e em uma das laterais, onde estaria a manivela, foi possível observar o seguinte: para cada quatro voltas que o volante faz (quantidade real de voltas em um carro) é dada apenas três quartos (3/4) de volta nesta extremidade, assim o potenciômetro pode ser acoplado a ela. Conforme demonstrado na figura 5, o retorno do volante para o centro é feito a partir de uma mola presa à borda de uma circunferência acoplada a um dos eixos da furadeira. 3

4 Figura 5: Mecanismo do volante Pedais: a construção dos mecanismos referentes aos pedais do acelerador, do freio e da embreagem foi desenvolvida através do uso de pequenos tubos (figura 6), que se encaixam e giram de modo independente, nestes tubos estão acoplados os pedais e os potenciômetros que giram conforme a pressão exercida no pedal e têm seu retorno com a ajuda de molas. Figura 6: Pedais de embreagem, freio e acelerador. Figura 7: Marcha do estilo borboleta utilizado para a troca de marcha À frente do painel onde estão todos os mecanismos encontra-se uma placa de madeira branca que servirá para a projeção do cenário desenvolvido pelo XNA. Resultados Toda configuração da parte mecânica e funcional de um automóvel foi concluída através da integração de um ambiente virtual, o qual simulou os movimentos físicos do automóvel de modo semelhante às situações reais. Todas as respostas do ambiente simulado foram executadas com baixa latência com relação aos estímulos externos, tornando imperceptível a diferença entre os movimentos feitos pelo condutor e os reproduzidos pelo veiculo. Na figura 8 pode-se observar o sistema finalizado. O consumo com recursos computacionais é mínimo, o que possibilita a simulação em computadores portáteis, além disso, também oferece um baixo custo em seu desenvolvimento, devido à utilização de recursos reaproveitados e softwares gratuitos. Marcha: a marcha utilizada foi do estilo borboleta, como apresentado na figura 7. O mecanismo que a compõe é formado por dois botões de fim de curso, que ficam pressionados por madeiras presas à base do volante. Como o botão está configurado em normalmente fechado, ao puxar a alavanca o botão se soltará, enviando o sinal para o microcontrolador. 4

5 desenvolvimento gráfico direcionado mais para a área da realidade de movimentos do que para a visual. A adição das leis de transito e melhorias na parte estrutural do simulador são implementos que poderão auxiliar os futuros condutores de veículos, além de representar mais uma ferramenta de ensino a ser utilizada pelas auto-escolas. Referências - BHTRANS, Cresce reprovação de candidato a motorista. Disponivel em: ortalpublico/imprensa/cresce%20reprova%c3%a 7%C3%A3o%20CNH. Acessado em 22 fev BIMBO, Ricardo, HTMLSTAFF, Software Livre é prioridade. Disponível em: Acessado em 13 mar Figura 8: Toda a interface onde o simulador será controlado. Discussão Baseado em preocupações financeiras e com o prazo de desenvolvimento do sistema, pode-se observar diferenças comparadas aos produtos oferecidos no mercado de entretenimento, como por exemplo, jogos de corrida, e simuladores eletrônicos, porém, como estes sistemas demandam uma grande quantidade de tempo e recurso financeiro, este projeto tem esta vantagem, pois em pouco tempo e recursos baixos, foi possível alcançar o objetivo de simulação de um veículo em ambiente virtual. A possibilidade de melhoria com relação a este simulador seria através da implementação de uma legislação de trânsito, possibilitando ao usuário noções de direção e a familiarização com as leis de trânsito regentes no país. Conclusão O objetivo principal do projeto foi alcançado, tendo em vista o intuito de oportunizar as pessoas a terem conhecimento dos comandos de um automóvel e como este se comporta em determinadas situações. A preocupação em realizar um sistema em que não fosse necessário o consumo de recursos, tanto computacionais como financeiros, possibilitou o desenvolvimento de um projeto simples e funcional, isso se deve também à utilização de softwares gratuitos e um - NITCHKE, Benjamim Professional XNA Programming 2º Edição, Wrox. - WIKIBOOKS, Blender 3D: Noob to Pro. Disponivel em: Pro. Acessado em: 22 mar SOUZA, David José de; Lavinia, Nicolas César. Conversor Analógico Digital Interno. In:. Conectando o PIC Recursos Avançados. São Pailo: Erica, 2003 p SOUZA, David José de; Lavinia, Nicolas César. Comunicação Serial 2 - USART. In:. Conectando o PIC Recursos Avançados. São Pailo: Erica, 2003 p BECKMAN, Brian. The Physics of Racing [online], [California, USA] : Formato PDF. Disponível em: _The_Physics_of_Racing.pdf - 4x4BRASIL, Como calcular a velocidade real de qualquer carro. Disponível em: Acesso em 23 jul