Mejoras en la Generación de Claves Gravito-inerciales en Simuladores de Vehículos no Aéreos

Resumen

El objetivo fundamental de la realidad virtual (RV) es proporcionar al usuario una sensación completa de pertenencia a un entorno virtual alternativo. Para ello, cualquier aplicación de RV debe estimular, del modo más eficaz posible, todas (o el mayor número de) las claves sensoriales que hacen posible que el usuario sienta como cierta esa pertenencia al mundo virtual alternativo. Aunque existen muchas claves sensoriales y la aportación concreta de cada una de ellas a la percepción global de inmersión y presencia virtual es todavía parcialmente desconocida, la mayoría de aplicaciones de RV suelen centrarse en las claves visuales y sonoras, olvidando, hasta cierto punto, el resto. Las razones de este hecho no son casuales, ya que la generación de claves extra-audiovisuales es técnicamente compleja y en numerosas ocasiones, costosa en términos económicos. Entre las claves extra-audiovisuales más importantes se encuentran las claves gravito-inerciales, relacionadas con la percepción del movimiento y la orientación del cuerpo humano. Este tipo de claves se estimulan habitualmente mediante la construcción de plataformas de movimiento, sobre las que se suele situar al usuario de la simulación. Estas plataformas están dotadas de actuadores que permiten desplazarlas y orientarlas dentro de unos límites. Para el control de los movimientos de la plataforma se diseñan unos algoritmos específicos conocidos habitualmente como algoritmos de generación de claves gravito-inerciales (en inglés Motion Cueing Algorithms - MCA). Aunque este tipo de claves ha sido estudiado e incluido en simuladores desde hace más de 50 años, se ha avanzado menos en este campo que en otros aspectos de la simulación, como la generación de claves audiovisuales. De hecho, cómo simular óptimamente un movimiento ilimitado con un generador de movimiento que debe ceñirse a unos límites físicos, es todavía un problema sin resolver. Hay 3 razones fundamentales para ello. La primera es la naturaleza del problema. Es un problema complejo de optimización con restricciones, cuya solución depende de múltiples factores, entre ellos factores humanos difíciles de medir (y todavía parcialmente desconocidos) relacionados con la percepción del movimiento. La segunda es la falta de un criterio para poder comparar diferentes soluciones. Y la tercera, la multitud de parámetros que se deben ajustar en los distintos algoritmos para poder hacer análisis comparativos relevantes entre ellos. Si uno compara dos de estos algoritmos, y el esfuerzo dedicado a ajustar los parámetros de uno es mucho mayor que el empleado con el otro, la comparación no será relevante. Por otro lado, dado que las primeras aplicaciones comerciales de realidad virtual fueron los simuladores de vuelo, la mayoría de los algoritmos MCA han sido desarrollados y ajustados para vehículos aéreos. Por ello, aunque, estos algoritmos son aplicables a otro tipo de vehículos, no fueron diseñados con ese propósito, por lo que resulta interesante estudiar la aplicación de este tipo de algoritmos a simuladores de vehículos no aéreos, ya que es un campo mucho menos estudiado. El objetivo de esta tesis es mejorar la generación de claves gravito-inerciales en simuladores de vehículos no aéreos. Para conseguirlo, en lugar de proponer nuevos algoritmos de generación de claves gravito-inerciales, se estudiarán nuevas formas de evaluar, de manera objetiva, los algoritmos de generación de claves gravito-inerciales, de forma que se pueda conocer si uno es más apropiado que otro según un determinado criterio. Este criterio objetivo de evaluación se basará en una caracterización previa de la percepción subjetiva de usuarios humanos a la generación de claves gravito-inerciales mediante algoritmos de tipo MCA, de manera que exista una correlación entre el criterio de evaluación y la presencia inducida sobre el usuario por el generador de movimiento. Dado que la evaluación de este tipo de algoritmos puede ser costosa tanto en términos temporales, como económicos, e incluso humanos, además de los citados criterios, se desarrollará un procedimiento de evaluación basado en un simulador de plataforma de movimiento como método para acelerar y simplificar la evaluación y prueba de algoritmos de generación de claves gravito-inerciales. El simulador será una aplicación gráfica en tiempo real, que será validada con dos ejemplos reales de plataforma de 3 y 6 grados de libertad. Finalmente, el criterio de evaluación se empleará para ajustar los parámetros de los algoritmos de generación de claves gravito-inerciales. Al disponer de un criterio objetivo, será más sencillo automatizar el proceso de ajuste de parámetros. Sin embargo, dado que el espacio de parámetros de un algoritmo de este tipo puede llegar a ser muy grande, el problema se convierte en un problema de optimización inabordable desde el punto de vista computacional. Es por ello que desarrollaremos y estudiaremos métodos de búsqueda heurística para la solución del problema. Además, antes de estudiar la evaluación y la asignación de parámetros en algoritmos MCA, se estudiará cómo analizar las necesidades de generación de claves gravito-inerciales en función del tipo de simulador que se desee construir, y cómo aprovechar del mejor modo posible el tipo de plataforma del que se disponga. Ejemplificaremos este análisis mediante el estudio de las necesidades gravito-inerciales de un simulador de bote de rescate y el estudio de una plataforma de 3 grados de libertad.