Uso de Realidade Aumentada na melhoria do processo de ensino-aprendizagem de motores elétricos

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1 Uso de Realidade Aumentada na melhoria do processo de ensino-aprendizagem de motores elétricos Fábio Henrique M. Oliveira 1, Eliane Raimann 2, Edgard A. Lamounier Jr. 1, Alexandre Cardoso 1 1 Universidade Federal de Uberlândia Uberlândia-MG, Brasil 2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás - Campus Jataí Jataí-GO, Brasil {ufu.oliveira, elianeraimann}@gmail.com, {lamounier, alexandre}@ufu.br Abstract This work presents an application of Augmented Reality, for visualization and manipulation of three phase induction motor for educational purposes. The display of motors such is the interior of is not a trivial task, since most of then are closed. This prevents the study of their internal parts for better understanding. In this work, a motor may be displayed, with the use of Augmented Reality, allowing manipulation and interaction in 3D. Resumo Este trabalho apresenta um aplicação de Realidade Aumentada, para visualização e manipulação de um motor de indução trifásico com fins educacionais. O estudo destes motores principalmente em seu interior não é uma tarefa trivial, já que a maioria são fechados. Isso impede o estudo de suas partes internas para melhor compreensão. Neste trabalho, um motor pode ser visto com o uso da Realidade Aumentada, permitindo manipulação e interação 3D. 1. Introdução A educação é um processo de exploração, descoberta, observação e construção do conhecimento a partir da interação com o mundo [13]. O uso da computação como ferramenta de educação, tem se tornado a cada dia indispensável para a melhoria da qualidade e dinamismo como alternativa ao ensino tradicional [13]. As técnicas computacionais bem como as estratégias possíveis para sua utilização são bastante variadas. A Realidade Aumentada (RA) merece destaque, pois vem conquistando mais espaço e adeptos [13]. A área de educação tem muito a ganhar com a RA, tanto no ensino convencional quanto no ensino à distância. Algumas aplicações incluem: laboratórios virtuais de física e química, sistemas distribuídos para educação a distância, educação de excepcionais e etc [13]. A RA é uma particularização de um conceito mais geral, denominado Realidade Misturada, que consiste na sobreposição de ambientes reais e virtuais, em tempo real, através de dispositivos tecnológicos [10]. Os sistemas de RA podem ser classificados conforme o tipo de display utilizado, envolvendo visão ótica ou visão por vídeo, dando origem a quatro tipo de sistemas: sistema de visão ótica direta, sistema de visão direta por vídeo, sistema de visão por vídeo baseado em monitor e sistema de visão ótica por projeção [4]. No desenvolvimento deste trabalho optou-se pelo sistema de visão direta por vídeo baseado em monitor, por ser o sistema mais acessível a escolas e faculdades atualmente. A utilização de Realidade Virtual (RV) e RA com fins educativos tem merecido destaque e tem sido avaliada de forma intensiva nos últimos anos. Os resultados destas avaliações mostram ganhos, em termos de aprendizagem, superiores a diversas outras formas de interação visando educação mediada por computador [6]. Cardoso et.al [6], [7] apontam como principais vantagens da utilização de técnicas de RV/RA para fins educacionais, os seguintes itens: Grande poderio de ilustrar características e processos, em relação a outros meios multimídia. Permite experimentos virtuais, na falta de recursos, ou para fins de educação virtual interativa. Permite ao aprendiz refazer experimentos de forma atemporal, fora do âmbito de uma aula clássica. Esta pesquisa é motivada pelas dificuldades no processo de estudo/aprendizagem do tópico motores elétricos e a ca-

2 rência de aplicações portáveis com boa usabilidade. Algumas destas dificuldades são a visualização de peças internas e o estudo de seu funcionamento através de simulações. A indisponibilidade do objeto de estudo acentua estas dificuldades. Desta maneira, esta pesquisa apresenta um ambiente de RA para simular a manipulação de motores elétricos industriais (amplamente estudados nos cursos de engenharia elétrica, mecânica e pelas empresas do ramo ou correlacionadas), concentrando-se no desenvolvimento de uma aplicação com boa portabilidade e interface facilitada para estudantes e professores. Diversos autores, tais como Santos [12], Junior [9] e Araújo [3] abordaram sistemas utilizando RV e/ou RA com fins educativos e treinamento utilizando um estudo de caso similar ao apresentado neste trabalho. Entretanto, este trabalho apresenta contribuições quanto a disponibilidade para varias plataformas (que tenham o Flash Player disponível) e uma interface mais amigável possuindo dicas e comentários sobre cada funcionalidade do sistema. É importe ressaltar alguns tópicos em relação a estes trabalhos, o primeiro faz uso da RV aplicada a um sistema motor-ventilador abordando o estudo de motores trifásicos, apresentando os princípios de funcionamento, análise e simulação de seu comportamento mecânico e elétrico. Para isso, é utilizado um plugin chamado Cortona, que permite a interação com o tema através do browser. O segundo apresenta um ambiente virtual similar a um ambiente real de geração de energia elétrica em uma hidrelétrica. Por meio de técnicas de RV, o usuário tem a possibilidade de observar o funcionamento de estruturas da usina. O terceiro apresenta uma aplicação de RV e RA, tendo como foco o estudo do campo magnético criado por um motor de indução monofásico durante seu funcionamento. Neste trabalho, o campo magnético pode ser visualizado pelo usuário com o uso de RV ou RA. Os trabalhos descritos anteriormente apresentam algumas limitações como: Indisponibilidade para vários sistemas operacionais, devido a ausência de plugin ou instalação local, se restringindo ao sistema operacional (SO) compilado. Deficiências de usabilidade, tais como interfaces pouco intuitivas e ausência de explicação sobre as funcionalidades. Utilização de apenas um sentido, a visão. Desta forma, este trabalho segue no sentido de aprimorar os métodos de ensino e aprendizagem relacionando-os ao desenvolvimento de ambiente virtuais. Complementarmente, os procedimentos aqui utilizados propiciam a aplicação de RA associada à Internet. Note que nenhum dos trabalhos citados utilizou RA para web. 2. Materiais e métodos O desenvolvimento do trabalho foi dividido em duas partes, modelagem geométrica tridimensional (3D) e construção da aplicação para visualização, manipulação e interação com os modelos 3D. 2.1 Modelagem geométrica 3D Inicialmente, foi determinado que a modelagem geométrica seria efetuada com base em um produto comercial, facilitando assim, a visualização das formas desse motor e a aquisição de dados técnicos do mesmo. Observa-se que esse aspecto é extremamente importante, pois ambientes virtuais demandam uma certa riqueza de detalhes. Desta forma, a modelagem geométrica deve valorizar os componentes principais do motor, como o rotor, o estator, entre outras partes. Sendo assim, foi escolhido o modelo de motor trifásico W21 produzido pela WEG, empresa especializada na fabricação e comercialização de motores elétricos, transformadores e geradores [2]. Para efetuar a modelagem geométrica foi utilizado o software Blender3D 1. Para modelar a parte externa do motor, ou seja, as partes visíveis do motor quando fechado, foram utilizadas imagens comumente chamadas de blueprints 2 como referência. As blueprints utilizadas foram cedidas pela WEG Brasil. Desta forma, considerando as informações que foram coletadas, tanto no catálogo do motor quanto na visualização de motores similares, foi modelado o motor virtual. A Figura 1 mostra o motor 3D modelado com um corte para visualização interna. O modelo 3D passou por várias fases de modelagem geométrica até atingir o formato ideal, ou seja, o mais próximo do real ponderando detalhes versus custo computacional. Finalizada a modelagem geométrica, fez-se o mapeamento de texturas no motor, mais conhecido como mapeamento UV 3. Este mapeamento foi posteriormente utilizado como referência na codificação da aplicação. Neste processo são associadas figuras a partes do motor representando sua textura ou cor. Este processo é necessário devido ao formato de arquivo COLLADA 4, utilizado para importação no Papervision3D (motor para renderização 3D utilizado neste traba- 1 Blender é um software de modelagem e animação 3D de código aberto [5]. 2 São imagens desenhadas (normalmente em alta resolução) de todos os ângulos necessários para uma boa visualização do objeto requerido[14]. 3 Método de texturização que cria um mapa que serve como referência para aplicar texturas pintadas em softwares, como Gimp ou Photoshop [5]. 4 COLLAborative Design Activity, é um padrão de exportação e importação de arquivos criado pela Sony e usado como padrão para o console Playstation 3. O formato utiliza XML como padrão e suporta além de modelos detalhados, animações e iluminação [1].

3 Figura 1. Motor virtual 3D cortado. lho), que possui esta restrição para colorir o objeto ou parte dele. Para cada visualização do motor foi feita uma exportação para o formato COLLADA, utilizando o Collada plugin que vem acoplado na instalação do Blender. Figura 2. Interface do sistema. 2.2 Protótipo implementado Neste trabalho, foi desenvolvido um protótipo de aplicação que possibilita ao usuário visualizar, manipular e interagir com um motor virtual 3D. As ferramentas utilizadas na construção do protótipo foram: Eclipse SDK. Plugin Adobe Flex R Builder 3 TM. Figura 3. Função imprimir marcador. Biblioteca FLARToolKit. Biblioteca Papervision3D TM. O sistema recebeu o nome de ARNET e foi desenvolvido com tecnologias que permitem disponibilizá-lo na Internet, necessitando do Flash plugin e uma webcam para sua execução. A interface do sistema pode ser visualizada na Figura Funcionamento do sistema Ao iniciar o sistema pela primeira vez é necessário imprimir o marcador para manusear os objetos 3D. Para isto basta clicar no botão Print Marker, gerando a abertura de um arquivo pdf para impressão do marcador. A Figura 3 mostra o botão para impressão do marcador e ao lado o marcador. Com o marcador impresso o usuário pode seguir para o próximo passo, que é selecionar a visualização desejada do motor, no painel Display Options, mostrado na Figura 4. Figura 4. Painel de opções para visualização.

4 O painel possui cinco tipos de visualizações e uma outra opção para limpar todas as outras. Cada opção possui um texto explicativo que pode ser visto ao posicionar o mouse sob a mesma por alguns segundos. Ao selecionar uma opção o sistema mostra uma tela de loading enquanto o objeto 3D está sendo carregado. Isso é necessário para manter o pleno funcionamento do sistema, sabendo que não é possível a implementação de threads 5 no Action Script 3 (AS3), linguagem de programação utilizada pelo Adobe Flex Builder. Com o objeto carregado já é possível a manipulação do mesmo através do marcador, como pode ser visto na Figura 5. virtual estiver em funcionamento. O indicador Zoom altera o tamanho do objeto visualizado, podendo aumentá-lo ou diminuí-lo. E por último o botão Back que desfaz todas as alterações feitas no objeto, retornando-o ao seu estado primário. Todas as funções descritas sobre a Figura 6 só terão efeito se alguma visualização do motor estiver carregada. A Figura 7 ilustra o botão que realiza a inversão da imagem capturada pela câmera, função necessária para algumas câmeras que capturam as imagens invertidas por padrão. Figura 7. Botão que inverte a imagem da câmera. Ao clicar no botão o usuário ira perceber imediatamente uma inversão horizontal da imagem. Como o sistema aborda o estudo de um motor de indução trifásico, a fim de demonstrar uma aplicação de RA, tem-se a descrição do motor visualizado conforme a Figura 8. Os dados técnicos foram extraídos do catalogo de motores da WEG [2]. Figura 5. Interface do sistema com um objeto virtual carregado. A Figura 6 ilustra o menu de opções para controlar e interagir com o objeto visualizado. Figura 6. Controles do objeto 3D. Na Figura 6 tem-se quatro funcionalidades distintas, cada uma fazendo ou desfazendo uma ação no objeto 3D. O botão Animate tem por função animar o modelo, que no caso faz o motor funcionar produzindo rotação e emitindo som. Já o botão Stop Animation tem a função de parar a animação, logo os efeitos deste botão só serão vistos se o motor 5 Linha de execução, é uma forma de um processo dividir a si mesmo em duas ou mais tarefas que podem ser executadas concorrentemente [8]. Figura 8. Descrição sobre o motor abordado no sistema. 3. Discussão dos resultados O sistema ARNET foi apresentado a um grupo de doze usuários, sendo dez alunos e dois professores das áreas de engenharia da computação e elétrica. Primeiramente, foi

5 explicado a esses usuários o objetivo do sistema e, em seguida o grupo testou separadamente o sistema. Após a execução do sistema, os usuários responderam a um questionário baseado nos preceitos da ISONORM Usability 6. A avaliação geral pode ser visualizada na Figura 9 que demostra o gráfico de avaliação geral do sistema. Permitir a detecção de múltiplos marcadores, possibilitando interações diferentes das já implementadas. Melhorar o sistema de ajuda, com implementação de dicas e um tutorial de utilização apresentado durante a primeira execução do sistema. Realizar testes de aprendizagem entre outros. Referências Figura 9. Opinião geral sobre o sistema. O gráfico da Figura 9 demonstra que 60% dos usuários que avaliaram o sistema ficaram satisfeitos e 40% ficaram muito satisfeitos com o mesmo, na avaliação geral do sistema. 4. Conclusões e trabalhos futuros Durante o desenvolvimento deste trabalho, constatouse que existem diversas iniciativas para ajudar professores, alunos e profissionais da área quanto aos estudos sobre os motores elétricos. Também foi constatada a existência de motores virtuais modelados de acordo com a necessidade de cada trabalho. A RA tem demonstrado ser uma poderosa ferramenta de apoio a educação na visualização e interação com objetos e ambientes das mais diversas naturezas. A análise visual e a sensação de presença do objeto virtual são alguns dos maiores benefícios trazidos por esta tecnologia. Portanto, a maior contribuição deste trabalho foi criar um protótipo para visualização, manipulação e interação com um motor de indução trifásico, explorando a arquitetura da Internet. Sendo um protótipo com boa portabilidade, bem receptível a mudanças tecnológicas e de fácil acesso. Esta técnica não tem sido usada por iniciativas semelhantes, até a escrita deste artigo. Como continuação deste trabalho, considera-se importante os seguintes itens: Permitir a inserção de objetos 3D de acordo com a necessidade do usuário. 6 Conjunto de normas que permite avaliar a capacidade de um sistema interativo de oferecer a seu usuário a possibilidade de realizar tarefas de maneira eficaz e agradável [11]. [1] Collada. Disponível em: < Acesso em: maio/2010. [2] Weg brasil catálogo. Disponível em: < Acesso em: maio/2010. [3] J. C. Araújo. Uso de realidade virtual e aumentada na visualização do fluxo do campo magnético em um motor de indução monofásico. Master s thesis, UFU, [4] R. Azuma, Y. Baillot, R. Behringer, S. Feiner, S. Julier, and B. MacIntyre. Recent advances in augmented reality. IEEE Computer Graphics and Applications, 21(6):34 47, [5] A. Brito. Blender 3D: Guia do Usuário. Novatec Editora, [6] A. Cardoso, C. Kirner, E. Lamounier, and J. Kelner. Tecnologias para o desenvolvimento de sistemas de realidade virtual e aumentada. Recife: Ed. Universitária da UFPE, [7] A. Cardoso and E. Lamounier. Aplicações na Educação e Treinamento, chapter 9, pages Realidade Virtual e Aumentada Uma abordagem tecnológica, SBC, [8] G. Coulouris, J. Dollimore, and T. Kindberg. Sistemas distribuídos-conceitos e projeto. Bookman, [9] A. Junior, B. Afonso, L. Junior, and A. Edgard. Associando Realidade Virtual ao funcionamento de uma usina hidrelétrica. Horizonte Científico, 1(8), [10] C. Kirner and R. Siscoutto. Fundamentos de Realidade Virtual e Aumentada. Realidade Virtual e Aumentada: Conceitos, Projeto e Aplicações, pages 9 21, [11] J. Prumper. Test it: ISONORM 9241/10. In Proceedings of HCI International (the 8th International Conference on Human-Computer Interaction) on Human-Computer Interaction: Ergonomics and User Interfaces-Volume I-Volume I, page L. Erlbaum Associates Inc., [12] E. S. Santos, A. C. Delaiba, C. A., and E. A. Lamounier. Eficiência energética em sistemas industriais sob a óptica da realidade virtual. WARV, [13] R. Tori, C. Kirner, and R. Siscoutto. Fundamentos e tecnologia de realidade virtual e aumentada. Porto Alegre: SBC, [14] M. Ware. Cyanotype: the history, science and art of photographic printing in Prussian blue. NMSI Trading Ltd, 1999.