Nuevas estrategias para tiempo real en modelos matemáticos de terrenos dinámicos basados en dem. Aplicación a los simuladores de entrenamiento

Resumen

Titulo: NUEVAS ESTRATEGIAS PARA TIEMPO REAL EN MODELOS MATEMÁTICOS DE TERRENOS DINÁMICOS BASADOS EN DEM. APLICACIÓN A LOS SIMULADORES DE ENTRENAMIENTO #RESUMEN: La reducción en el precio de los ordenadores y en el coste de los componentes electrónicos ha propiciado una transferencia de la tecnología desarrollada en la simulación militar hacia la simulación civil, como consecuencia de este hecho, el empleo de los simuladores para la formación de profesionales se ha ido extendiendo a casi todos los ámbitos de la vida diaria. La aplicación de las nuevas técnicas de entrenamiento y el afán por dotar de mayor realismo a las aplicaciones han generado nuevos requerimientos en las prestaciones de los simuladores. De esta forma, para los simuladores de entrenamiento de vehículos de movimiento de tierras, se plantea la necesidad de visualizar en tiempo real las modificaciones realizadas en el terreno durante los ejercicios. Frente a los diseños de carácter microscópico desarrollados en otras disciplinas de la ingeniería civil, los requerimientos principales de estos simuladores se traducen en dos puntos: por un lado, la aplicación en tiempo real de una apariencia visual del terreno basada en sus propiedades físicas y, por otro lado, una generación de los esfuerzos sobre la herramienta para provocar sensaciones de movimiento realistas sobre el usuario del simulador. Se incide, por lo tanto, en la idea de reproducir las roturas y las grandes deformaciones discontinuas que se producen en los procesos de movimiento de tierras. El cálculo y la representación dinámica de la evolución del terreno es un problema de gran complejidad cuya resolución se desglosa en tres módulos. El primero de ellos consiste en el modelado matemático de la interacción del terreno con las herramientas del vehículo que se simula. El segundo de los módulos se encarga de la gestión de la base de datos del terreno y el último se ocupa de su visualización. El trabajo que se presenta en la memoria se ha centrado en el desarrollo genérico de modelos matemáticos de terrenos y su interacción con herramientas de la maquinaria de movimiento de tierras. El estudio realizado ha permitido desarrollar un software flexible para el modelado de terrenos dinámicos en 3D a partir de la modificación del método numérico de los elementos discretos (DEM). El terreno se ha modelado mediante objetos esféricos simples y agrupaciones de estos, clusters, con una distribución variable de tamaños y densidades. El análisis de los resultados ha revelado que la apariencia visual y los esfuerzos generados son adecuados a los objetivos planteados. La gran capacidad de cálculo computacional que demanda la etapa de la detección de contactos se ha reducido mediante la aplicación de la técnica de subdivisión espacial uniforme. No obstante, el requerimiento de tiempo real que exige la aplicación ha motivado el desarrollo de métodos de optimización y técnicas de simplificación en el modelo. El diseño de un algoritmo novedoso para la búsqueda eficaz de los contactos entre el terreno y la herramienta y el filtrado de las fuerzas de contacto han reducido considerablemente los tiempos de ejecución del modelo. A pesar de todas las modificaciones realizadas en el modelo secuencial, se ha desarrollado un algoritmo de paralelización para garantizar el requerimiento de tiempo real. El modelo paralelo es aplicable en arquitecturas de memoria distribuida formadas por varios procesadores. Los resultados obtenidos en una arquitectura formada por dos procesadores en paralelo avalan la eficiencia del algoritmo y abren el camino para su integración en un simulador de maquinaria de obras públicas. Price reduction on computers and electronic components has favoured the transference of the technology developed in military training simulators to civil applications. As a consequence of this fact, the use of simulators to train professionals has been extended to practican y all daily life fields. The application of new training methods and the need to provide more realism to them have generated new requirements for simulator performances. Therefore, training simulators of earthmoving vehicles require the visualization in real time of every modification made on terrain during exercises. Contrary to microscopic designs developed by other civil Engineering disciplines, the main requirements of these simulators are, on one hand, real time application of a terrain visual appearance based on its physical properties and, on the other hand, generation of forces acting on the tool in order to cause a realistic motion feeling on the simulator user. Special attention is paid on reproducing cracks and large discontinuous deformations of earthmoving processes. The simulation and dynamic representation of the terrain evolution is a very complex problem; its resolution is detached in three modules. The first one consists of mathematical modelling of the interaction between terrain and simulated vehicle tools. The second module takes charge of the terrain database management and the last one deals with visualization. This work has been focused on generic development of terrain mathematical models and its interaction with earthmoving vehicle tools. This study has made possible the development of flexible software for 3D dynamic terrain modelling starting from discrete element method (DEM) modification. Terrain has been modelled through simple spherical objects and their groupings, clusters, with a variable distribution of sizes and densities. Analysis of results has showed that visual appearance and forces generation are suitable for the suggested purposes. The enormous computational effort requested by contact detection stage has been reduced by uniform spatial subdivisión technique. Nevertheless, real time requirement requested by the appli catión has motivated the development of optimization and simplificatión techniques on the model. A new algorithm design for efficient contact searching between terrain and tool and contact forces filtering have considerably reduced execution times of the model However, despite all modifications made on the sequential model, a parallel algorithm has been developed in order to guarantee real time requirement. The parallel model can be used for distributed memory architectures made up of several processors. The results obtained in a parallel architecture formed by two processors assures the efficiency of the algorithm and enables its integration on an earthmoving simulator.