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DISEÑO DE UN SIMULADOR
HÁPTICO DE UN ARMA
Autor: Romero Moreno, Guillermo.
Director: San Martín, José.
Madrid
Julio 2014
DISEÑO DE UN SIMULADOR HÁPTICO DE UN ARMA
Autor: Romero Moreno, Guillermo.
Director: San Martín, José.
Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción
Planteamiento del problema
El mundo de la realidad virtual es muy reciente, ligado como está a la necesidad de
potentes motores gráficos, instrumentos para percibir con precisión los movimientos de
los usuarios y sistemas para devolverles estímulos realistas más allá del visual. Los
avances tecnológicos de los últimos años están creando grandes progresos en la
inclusión de la realidad virtual al público general (generalmente dentro del mercado de
los videojuegos), gracias al desarrollo de sistemas de detección de movimientos de bajo
coste o la paulatina incorporación de la imagen en tres dimensiones en los monitores y
televisiones. [1]
La realidad virtual inmersiva, pese a poder aportar al usuario una experiencia mucho
más completa y enriquecedora, encuentra grandes obstáculos en los altos costes que
suelen suponer los equipos y en la gran cantidad de espacio que necesitan, pues suelen
ser voluminosos y complejos. [2]
Estado de la cuestión
Uno de los grandes retos de los sistemas de localización en tiempo real (RTLS) es
conseguir un sistema de detección que sea poco intrusivo y preciso, además de no
necesitar una excesiva preparación del entorno ni un alto coste. Existen diferentes
sistemas que usan diferentes principios físicos para conseguir este objetivo; a saber,
magnéticos, ópticos, mecánicos, acústicos y de radiofrecuencia. Cada uno de ellos, con
sus ventajas e inconvenientes, es más apropiado en un campo específico de aplicación,
pudiendo existir también aplicaciones que usen un sistema híbrido. [3]
En el mundo de los simuladores de armas la principal tecnología usada para detectar de
manera continuada la posición y orientación del arma es la óptica, debido a su alta
precisión. Para evitar interferencias con el ruido lumínico del entorno, emisores y
receptores de luz infrarroja son usados. Dos configuraciones son posibles: colocar el
receptor (cámara infrarroja) en el arma y los emisores de referencia en un marco fijo
conocido (alrededor de la pantalla) o colocar uno o más emisores infrarrojos en el arma
y los receptores (cámaras) en un marco fijo [4]
. A partir la información obtenida en los
receptores y aplicando la triangulación es posible hallar la posición y la orientación del
arma. Para completar la información y ganar en exactitud algunos sistemas se ayudan de
acelerómetros y giroscopios capaces de medir la orientación en tres grados de libertad. [5]
En el ámbito militar existen sistemas más caros, sofisticados y de mayor volumen para
el entrenamiento de soldados, permitiendo a grupos de soldados entrenar
simultáneamente. Estos sistemas suelen incluir grandísimas pantallas, armas
inalámbricas con retroceso y controles que permiten al instructor poner a prueba a los
soldados con variaciones y actuaciones en tiempo real. [6]
Las armas usadas son réplicas
de armas reales para mejorar la experiencia, habiendo también ocasiones en las que se
usan sistemas de fácil acoplamiento de manera que el soldado entrene con su propia
arma con una modificación reversible que le permite interaccionar con el sistema. [7]
Las armas pueden estar alimentadas y comunicadas por cables, limitando así su libertad
y pudiendo afectar ligeramente la experiencia, o ser inalámbricas, alimentadas por
baterías y comunicándose por conexiones inalámbricas.
Para que el entrenamiento virtual funcione, es de gran importancia tener un sofisticado
entorno virtual con alto realismo, para lo que es necesario avanzados motores gráficos.
Objeto del proyecto
Los sistemas de realidad virtual usados para el entrenamiento militar son
tremendamente costosos y, generalmente, requieren grandes instalaciones. Por otro lado,
las soluciones implementadas en el ámbito de los videojuegos son generalmente poco
realistas y más concebidas como mera interfaz.
Este proyecto tiene como objeto diseñar un sistema de disparo realista, centrándose en
la parte física (hardware) que sirve como interfaz para el usuario. El simulador del arma
ha de tener las siguientes características:
- Comunicación inalámbrica: el arma será inalámbrica, por lo que se deberán establecer
conexiones por radiofrecuencia u otros métodos para poder comunicarse con el resto del
sistema. Además, se tendrá que buscar un sistema de alimentación eléctrica
independiente que le otorgue autonomía.
- Precisión de disparo: es importante que el sistema detecte con exactitud a dónde se
está apuntando cuando se dispara, por lo que será necesario un sistema que sea capaz de
recoger estos parámetros fielmente y una correcta calibración para asegurar la precisión.
También se buscará que el método requiera instalación mínima.
- Desapuntado: para una correcta simulación es necesario incluir un sistema que obligue
al usuario a volver a apuntar tras cada disparo, efecto debido al retroceso del arma. Se
buscará una tecnología que este satisfaga este requisito y respete la autonomía del arma,
no demandando un excesivo tiempo de recarga.
Durante todo el proceso de diseño se tiene especialmente en cuenta que el producto sea
de bajo coste y de muy fácil instalación, permitiendo su comercialización a individuales
y pequeñas empresas.
Metodología
El simulador de arma propuesto constará de diferentes módulos que se complementan y
comunican entre sí, dando cada uno una funcionalidad concreta al arma. Se han buscado
componentes y tecnologías para cada uno de los módulos:
- Módulo de registro de disparo: simple módulo encargado detectar que el usuario está
apretando el gatillo. Un pulsador colocado tras el gatillo ejercerá esta función,
transmitiendo un pulso a uno de los pines del microcontrolador cada vez que es
accionado. El microcontrolador se encargará de detectar los flancos de subida de esta
señal.
-Módulo de puntería: para detectar a dónde apunta el arma se ha elegido la tecnología
óptica, por sus claras ventajas de precisión y la mayor disponibilidad de los
componentes. Se ha elegido usar la radiación infrarroja, pues así se atenúa parte del
ruido lumínico ambiental. Se ha tomado el método “de dentro hacia fuera”, esto es, con
el receptor colocado en la boca del arma y los emisores de referencia alrededor de la
pantalla, pues este método es más preciso que “de afuera hacia adentro”.
Como receptor se ha elegido la cámara PixArt incluida en el interior de los
controladores Wiimote. Se trata de una cámara monocromática que incluye un chip de
procesamiento de imagen que toma la imagen y obtiene las coordenadas y el tamaño de
los cuatro puntos más luminosos. Se alimenta a 3.3V, requiere una señal de reloj de 20 a
25 MHz y se comunica a través de un bus de comunicaciones I2C (Inter-Integrated
Circuit). También incluye un filtro infrarrojo, pues el espectro de la cámara incluye
también a la luz visible. [8][9]
Por ello, es también necesario incluir un circuito oscilador
que aporte dicha señal de reloj mediante un resonador, dos condensadores, una
resistencia y un inversor lógico.
-Módulo de comunicación inalámbrica: la comunicación inalámbrica debe ser a una
velocidad suficiente para que pueda emitir la información de un disparo entre dos
disparos consecutivos. Puesto que esta información consta de 3 bytes y la cámara
funciona al orden de los 100 fps, una comunicación del orden de los Kbps sería
suficiente. Se elige el Bluetooth como método de transmisión al tratarse de una
tecnología adecuada para estas distancias, robusta y soportada por un gran número de
dispositivos convencionales. Se usará el módulo Bluetooth HC-06, que permite una
comunicación con una tasa de baudios de hasta 115200 con un rango de 10 metros. La
comunicación con el microcontrolador es en serie.
-Módulo de desapuntado: esta función se lleva a cabo por un motor vibrador colocado
cerca de la boca del arma. El modelo elegido funciona a 3V y produce una pequeña
vibración capaz de desajustar la dirección del arma. La máxima corriente de pico
alcanza los 2.5A, por lo que un transistor BJT es necesario para activar el motor al
recibir la señal del microcontrolador.
-Módulo de control: el módulo de control está formado por un microcontrolador con
capacidad para procesar todas las señales y comunicarse con los periféricos. Ello
requiere que soporte la comunicación I2C y la comunicación en serie. Se elige Arduino
por su facilidad de montaje y programación; concretamente, el modelo Arduino Pro
Mini 3.3V/8Mhz por su pequeño tamaño y su voltaje de operación igual a los
periféricos (cámara y módulo Bluetooth) lo que simplifica las conexiones.
-Módulo de energía: el sistema ha de ser alimentado a 3.3V. Una pila de 4.5V con dos
diodos de 0.6V de caída de tensión cada uno proporcionará la tensión deseada.
-Módulo de referencia: es un sencillo sistema eléctrico formado por dos diodos LED
infrarrojos separados a una distancia de 30 cm y alimentados mediante una conexión
USB.
Resultado
El resultado final es un sistema de bajo coste (un precio estimado de 65€ la unidad),
capaz de comunicarse con facilidad con dispositivos gracias a la comunicación
Bluetooth y de muy fácil instalación. Funciona con alta precisión en ambientes con
iluminación moderada y su consumo es bajo (alrededor de 200mW). La pila, no
recargable, podrá ser sustituida con facilidad. El ordenador o unidad de procesamiento
recibirá las coordenadas de las luces infrarrojas y sus tamaños, por lo que deberá
calibrar el dispositivo antes de iniciar la sesión.
Figura 1: Esquema conceptual del sistema.
Conclusiones
Para completar la fase de diseño sería necesario crear un prototipo que permita
comprobar la veracidad de la teoría y detectar errores o incompatibilidades no previstos.
Este diseño está además en una primera fase de desarrollo, pues aún algunas mejoras
pueden ser implementadas, como un regulador de voltaje en la fuente de alimentación,
un acelerómetro para aumentar la precisión cuando el usuario se sale de la zona óptima
de funcionamiento o un sistema de alimentación recargable.
Sí que se ha podido comprobar la viabilidad del producto y que existen en el mercado
los componentes necesarios para crear el dispositivo con los requisitos establecidos.
Referencias
[1] T. Petric, A. Gams, A. Ude and L. Zlajpah, “Real-time 3D marker tracking with a
Wiimote stereo vision system: application to robotic throwing”, 19th International
Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region – RAAD 2010.
[2] Pratik Shah, Ayman Faza, Raghavendra Nimmala, Steven Grant William Chapin
and Robert Montgomery, “Infrared and inertial tracking in the immersive audio
environment for enhanced military training”, 2012 IEEE International Conference on
Multimedia and Expo Workshops.
[3] Devesh Kumar Bhatnagar, “Position trackers for Head Mounted Display systems: A
survey”, 1993 University of North Carolina at Chapel Hill.
[4] Dondgdong Weng, Yue Liu, Yongtian Wang, Lun Wu “Study on an Indoor
Tracking System Base on Primary and Assistant Infrared Markers”, Computer-Aided
Design and Computer Graphics, 2007 10th IEEE International Conference on .
[5] Masaki Maeda, Takefumi Ogawa, Kisyoshi Kiyokawa, Haruo Takemura, “Tracking
of User Position and Orientation by Stereo Measurement of Infrared Markers and
Orientation Sensing”, Proceedings of the Eight International Symposium on Wearable
Computers (ISWC’04) IEEE.
[6] VirTra Inc., http://www.virtra.com/
[7] Meggritt Training Systems, www.meggitttrainingsystems.com/
[8] WiiBrewWiki, http://wiibrew.org/wiki/Wiimote#IR_Camera.
[9] Johny Chung Lee “Hacking the Nintendo Wii Remote”, 2008 IEEE.
DESIGN OF A HAPTIC GUN SIMULATOR
Author: Romero Moreno, Guillermo.
Director: San Martín, José.
Collaborating Entity: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
PROJECT SUMMARY
Introduction
Virtual reality is a recent thing, since it requires really powerful graphic engines, precise
sensors which capture users’ movements and gadgets giving multiple sensorial
feedbacks. New technology developments are bringing virtual reality closer to the
general public, such as the movement detectors provided with the third generation of
game consoles or the addition of 3D technology to domestic televisions. [1]
Although immersive virtual reality gives a much more complete experience to the users,
the high costs suppose a great obstacle to its spread. Moreover, they usually require
wide empty rooms with big and complex installations. [2]
State of art.
Real time locating systems try to be precise and non-intrusive, being desirable light and
small systems that can be attached to the users naturally. Different physics principles
have being used for creating the motion sensors, namely, mechanics, electro-magnetic,
acoustic and magnetic, each of them with its particular advantages and disadvantages,
being more suitable to different applications. Some of them can be mixed in a hybrid
tracking system with more robustness. [3]
As referring to weapon simulators, visual technology is the mostly used, sinced its
higher precision is needed for the continuous tracking of the 6 degrees of freedom of the
tracked object (position and orientation). For a smoother detection, infrared light is used
instead of the visual range, avoiding part of the environment interferences this way.
There are two configurations being used: placing the receptor (infrared camera) at the
muzzle of the weapon and the reference beacons at a know position in a fixed frame or,
on the contrary, placing an infrared light emitter at the muzzle and the cameras at a
fixed position [4]
. From the information gathered at the receptors and applying
triangulation, it is possible to calculate the position and orientation of the tracked
weapon. Mechanics sensors such as accelerometers and gyroscopes can be added to the
system in order to achieve higher precision in non-typical situations, since they can
measure accurately three degrees of freedom (e.g. orientation). [5]
In military environments huge, complex and pricy simulation systems are set in order to
create a realistic environment for the soldiers, who can use the system simultaneously.
Large screens and tether-less weapon with recoil simulation are usually parts of these
systems. [6]
The simulated weapons try to resemble real ones as much as possible, with
shape and weight similarities. Some systems make use of the personal weapons of the
soldiers, just adding the sensors and a recoil gadget replacing the weapon magazine. In
this way, the soldiers can experience a better training, since it is the same weapon they
will use in the future. [7]
Simulated weapons usually come in two flavors: either wired or wireless. While wired
weapons affect the user final experience at restricting his movement, wireless weapons
must include batteries and communicate with the main computer via wireless
connection, adding extra complexity to the system.
For a satisfactory virtual experience, it is a chief issue to provide a highly realistic
virtual environment with the help of powerful game engines.
Project objetives
Virtual reality systems that are used for military training are extremely expensive and
require big spaces for installation. On the other hand, the solutions implemented for
videogames and entertainment often lack realism, since they are just conceived as an
interface.
The main goal of this Project is designing a realistic weapon simulator. The project
concerns the hardware of this system, which can be later applied to different software
and applications. The weapon simulator must fulfill the following characteristics:
-Wireless communication: the weapon will be wireless, so a method for transmitting the
data via radiofrequency or other physical medium must be contrived. This also means
that the system must have its own power supply and capsules if other materials are
needed.
- Shooting accuracy: it is important for the system being able to detect accurately in
which direction the shot was aimed. The best way for achieving this must be studied
and applied. However, the system should not be too voluminous or require a complex
installation.
- Recoil: for achieving more realistic results the user should feel the recoil of the
weapon, forcing him to aim again as a consequence. The recoil method contrived cannot
need a supply wire and should be able to recharge at high speed, allowing multiple shots
in a short time.
In every part of the design, the goal of a low-cost device must be taken into account, so
the final product can be purchased by individuals or small business.
Metodology
The proposed weapon simulator will have several complementary, interconnected
modules that relay information among each other. Each of the given modules will
provide the weapon a specific functionality. Suitable components and technologies have
been analyzed for each of the modules:
-Shooting registry module: simple module in charge of detecting whether the user is
pulling the trigger of the weapon. A push-button located in the back of the trigger will
carry out this function by transmitting a pulse to one of the microcontroller pins
whenever the trigger is pulled. The microcontroller will now detect the rising edges of
this signal.
-Aiming module: regarding this unit, optical technologies are our best choice to where
the user is aiming the weapon, given its clear accuracy features and the greater
availability of the components necessary to build the module. We have decided to use
infrared radiation in order to partly decrease visible light noise. We have decided to
apply the “inside-outside” approach (i.e. the receiver is located at the muzzle and the
reference emitters are located around the screen), as it is more accurate the “outside-
inside” approach.
Our choice as receiver is the PixArt camera included as a component of the Wiimote
controllers. It is a monochromatic camera including an image processing chip which
takes pictures and obtains coordinates and size of the four brightest points of the image.
It feeds through a 3.3V power source and requires a clock signal from 20 to 25 MHz,
and it transmits data through a I2C communication bus (Inter-Integrated Circuit). It also
includes an infrared filter, as the camera also includes visible light. [8][9]
As a
consequence, it is also necessary to add an oscillator circuit that adds the
aforementioned clock signal by means of a resonator, two capacitors, one resistor and a
logic inverter.
-Wireless communication module: the wireless communication must be carried out at a
sufficient speed so that it can relay the information regarding a shoot among two
consecutive shoots. As this piece of information weights 3 bytes and the used camera in
the range of the 100 fps, a communication magnitude in the range of the Kbps should
fulfill our need. We have chosen Bluetooth as the optimal transmission method due to
the fact that this technology is adequate for our distance ranges, it is robust and is
withstood by a large amount of conventional devices. A HC-06 Bluetooth module will
be applied, enabling communication with a bauds rate up to 115.200 and a distance
range up to 10 meters. Microcontroller communication is performed in series.
-Recoil module: this function is performed by a vibrating engine located close to the
muzzle. The chose model works at 3V and produces a small vibration capable of disturb
the track of the weapon. The maximum peak current reaches 2.5A, thus a BJT transistor
is required to active the engine when the microcontroller signal is receiver.
-Control module: the control module is composed of a microcontroller capable of
processing of the signals and relay information to and from the peripheric modules. This
process requires the microcontroller to stand IC2 and series communication. We have
chosen an Arduino microcontroller because it is easy to assemble and program.
-Energy supply module: 3.3V must be supplied to the module. For achieving it, a 3.7V
Li-ion rechargeable battery will be used, making use of the voltage regulator included in
the Arduino board.
Results
The final result is a low-cost system (around 65€ each unit) that is able to communicate
with the central computer via Bluetooth. Its installation is extremely simple, just
involving the setting of two LEDs and inputting the screen size in the system.
The overall consumption is fairly low (around 200mW), allowing the system to work
non-stop for more than 25 hours. After that time, the battery can be recharged, being
ready for another 25 hours. The main computer receives the coordinates of the dots as
seen by the camera and computes then the point being aimed.
Conceptual sketch of the whole system
Conclusions
For validating the design, it would be necessary to create a prototype with which the
theory can be verified, so unexpected errors can be solved. This design is also in the
first design phase, focusing now in just fulfilling the main objectives. A few further
improvements can be studied, such as implementing and accelerometer for a more
complete and accurate sensing or adding a third infrared LED for the same purpose.
Using an ATmega microprocessor instead of the Arduino board would also lessen the
cost per unit.
Nevertheless, the theoretical viability has been proved, with a final product including
components that can be easily found for a low Price and fulfilling the minimum
requirements.
References
[1] T. Petric, A. Gams, A. Ude and L. Zlajpah, “Real-time 3D marker tracking with a
Wiimote stereo vision system: application to robotic throwing”, 19th International
Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region – RAAD 2010.
[2] Pratik Shah, Ayman Faza, Raghavendra Nimmala, Steven Grant William Chapin
and Robert Montgomery, “Infrared and inertial tracking in the immersive audio
environment for enhanced military training”, 2012 IEEE International Conference on
Multimedia and Expo Workshops.
[3] Devesh Kumar Bhatnagar, “Position trackers for Head Mounted Display systems: A
survey”, 1993 University of North Carolina at Chapel Hill.
[4] Dondgdong Weng, Yue Liu, Yongtian Wang, Lun Wu “Study on an Indoor
Tracking System Base on Primary and Assistant Infrared Markers”, Computer-Aided
Design and Computer Graphics, 2007 10th IEEE International Conference on .
[5] Masaki Maeda, Takefumi Ogawa, Kisyoshi Kiyokawa, Haruo Takemura, “Tracking
of User Position and Orientation by Stereo Measurement of Infrared Markers and
Orientation Sensing”, Proceedings of the Eight International Symposium on Wearable
Computers (ISWC’04) IEEE.
[6] VirTra Inc., http://www.virtra.com/
[7] Meggritt Training Systems, www.meggitttrainingsystems.com/
[8] WiiBrewWiki, http://wiibrew.org/wiki/Wiimote#IR_Camera.
[9] Johny Chung Lee “Hacking the Nintendo Wii Remote”, 2008 IEEE.
Agradezco a mi familia su apoyo y ánimos en las coyunturas. Este trabajo me ha
hecho aprender muchísimo y me ha abierto los ojos sobre cómo funcionan las
cosas tanto a nivel técnico (lo que he estado investigando), como a nivel de
investigación (cómo se investiga y avanza en las tecnologías) y nivel de mercado
(la importancia que tienen los beneficios prácticos a la hora de la inversión y la
importancia de la innovación). También agradezco a Cosimo Culotta López su
ayuda, pues todo habría sido mucho más complicado sin él, así como la
hospitalidad de Jorge Fernández Quesada.
ÍNDICE
Capítulo 1.- Introducción................................................................1
Capítulo 2.- Estado de la técnica y motivación............................3 2.1.- Estado de la técnica.................................................................................3 2.2.- Motivación.................................................................................................8
Capítulo 3.- Descripción del modelo desarrollado......................9 3.1.- Objetivos y especificación.......................................................................9 3.2.- Módulos del sistema...............................................................................10 3.2.0.- El arma.........................................................................................11
3.2.1.- Sub-módulo de registro de disparo.............................................16 3.2.2.- Sub-módulo de puntería..............................................................19 3.2.3.- Sub-módulo de comunicación inalámbrica..................................25 3.2.4.- Sub-módulo de desapuntado......................................................29 3.2.5.- Sub-módulo de control................................................................32 3.2.6.- Sub-módulo de energía...............................................................34
Capítulo 4.- Análisis de resultados..............................................37
Capítulo 5.- Conclusiones.............................................................41 5.1.- Conclusiones sobre los resultados.......................................................41 5.3.- Recomendaciones para futuros desarrollos.........................................42
Capítulo 6.- Referencias................................................................43
Índice de figuras
Figura 1.1: Funcionamiento de la CAVE (Cave Automatic Virtual Environment)..........2
Figura 2.1: Cálculo de la distancia a la pantalla................................................................4
Figura 2.2: Componentes en el interior del Playstation Move..........................................5
Figura 2.3: Patrón infrarrojo deformado con la presencia de objetos...............................6
Figura 2.4: Sistema de entrenamiento alámbrico-inalámbrico de soldados con HMD.....7
Figura 3.1: Mecanismo del gatillo en la réplica del arma...............................................16
Figura 3.2: Pulsador con la configuración “Pull-down”.................................................18
Figura 3.3: conexión de los pines de la cámara...............................................................24
Figura 3.4: Cámara acoplada a la placa del controlador Wii...........................................24
Figura 3.5: Comparación entre diferentes tecnologías inalámbricas...............................27
Figura 3.6: Principio electromagnético del solenoide lineal...........................................29
Figura 3.7: Motor vibrador en funcionamiento...............................................................30
Figura 3.8: Kit de retroceso con cilindro neumático.......................................................31
Figura 3.9: Placa Arduino Pro Mini 3.3V/8Mhz............................................................33
Figura 4.1: Esquema conceptual del sistema. ................................................................39
- 1 -
Capítulo 1.- Introducción
El mundo de la realidad virtual es muy reciente, ligado como está a la necesidad de
potentes motores gráficos, instrumentos para percibir con precisión los movimientos de
los usuarios y sistemas para devolverles estímulos realistas más allá del visual. Los
avances tecnológicos de los últimos años están creando grandes progresos en la
inclusión de la realidad virtual al público general (generalmente dentro del mercado de
los videojuegos), gracias al desarrollo de sistemas de detección de movimientos de bajo
coste o la paulatina incorporación de la imagen en tres dimensiones en los monitores y
televisiones. [1]
Además, la realidad virtual es ampliamente usada en el entrenamiento tanto de pilotos
como de militares (tanques, vehículos, artillería, infantería, etc.), pues permite a los
soldados entrenar con un importante ahorro en equipo, municiones y desplazamientos,
además de crear un entorno absolutamente seguro al suprimir todo proyectil y
manipulación de armas letales en potencia.
La realidad virtual también es empleada para mejorar las habilidades en intervenciones
médicas y otros campos en los que los fallos suponen un alto coste personal o
económico. Para ello el cirujano se ayuda de brazos robóticos y sistemas de visión que
llevan a una mayor precisión en las operaciones o incluso le permiten operar a distancia
con la llamada “telecirugía” [2]
. Para conseguir este tipo de operaciones exitosamente es
de vital importancia que el sistema sea capaz de recoger con gran precisión los
movimientos del cirujano y reproducirlos fielmente mediante brazos robóticos
(esclavos), además de proveerle información completa del lugar de operación con visión
en tres dimensiones y estímulos hápticos [3]
. Entrenar nuevos cirujanos en entornos
virtuales les preparará mejor antes de la primera intervención, en la que la carencia de
experiencia previa es crítica [4]
. Otro campo médico que se ayuda de la realidad virtual
es la neurología. Sumergir al paciente en ciertos mundos virtuales puede ayudar a tratar
fobias y otros trastornos, así como reducir la ansiedad en intervenciones quirúrgicas [5]
.
Dentro de la realidad virtual se puede distinguir entre la realidad virtual inmersiva y la
no inmersiva. Mientras la primera se caracteriza por una plena inmersión en la realidad
virtual, gracias a sistemas como el Head-mounted Display (HMD) o la CAVE (Cave
Automatic Virtual Environment) y dispositivos hápticos; la segunda permite la
interacción usuario-realidad virtual mediante dispositivos convencionales: ratón, teclado,
monitor, mandos clásicos de consolas,… y con frecuencia el usuario controla un avatar
que es quien interacciona directamente con este mundo virtual. La realidad virtual
inmersiva, pese a poder aportar al usuario una experiencia mucho más completa y
enriquecedora, encuentra grandes obstáculos en los altos costes que suponen tales
equipos y en la gran cantidad de espacio que necesitan, pues suelen ser voluminosos y
aparatosos [6]
. Además, puede existir el problema de lesiones en el usuario, quien no
tiene noción del mundo real mientras mueve su cuerpo para actuar en el mundo virtual y
- 2 -
los mareos de simulación, al llegarle percepción de movimiento visualmente estando
parado.
Actualmente la inmersión en entornos virtuales se consigue principalmente mediante
métodos visuales y acústicos, con dispositivos como el HMD, la CAVE y altavoces o
auriculares capaces de generar virtualmente diferentes localizaciones de la fuente del
sonido. Las sensaciones hápticas, sin embargo, aún se encuentran en fases más
primitivas, siendo difícil la simulación de texturas o presencia de objetos físicos.
Figura 1.1: Funcionamiento de la CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) [7]
- 3 -
Capítulo 2.- Estado de la técnica y motivación
2.1.- Estado de la técnica
Los simuladores de armas han sido desarrollados para ser dirigidos a dos públicos muy
distintos: la industria del entretenimiento y el entrenamiento militar. Estos públicos
presentan características y requerimientos radicalmente diferentes, por lo que también
existen grandes diferencias en las prestaciones y tecnologías usadas en cada uno.
Industria del entretenimiento
En el mundo de los videojuegos los simuladores de disparo han tenido una larga
trayectoria, pues son sucesores directos de las galerías de tiro. Las primeras
incorporaciones electrónicas surgieron en la década de los 30 e incluían objetivos
movidos mecánicamente. El arma emitía haces luminosos al disparar que eran
detectados por sensores colocados en los objetivos a los que apuntaba.
A lo largo de los años, los sistemas fueron mejorando, incluyendo proyectores y nuevos
métodos, pero no fue hasta la década de los 1980s que los simuladores de disparo
fueron adaptados para ser usados en consolas. Este hecho aumentó muy notablemente
las posibilidades de juego, ya que permitió crear nuevos juegos manteniendo el mismo
hardware. Dos tecnologías diferentes eran usadas, ambas ópticas. La primera de ellas
usaba un detector de luz colocado en la boca del arma. Al disparar y en una fracción de
segundo, la pantalla tornaría completamente en negro y las dianas en blanco. Si el arma
detectaba la luz, significaba que se acertó el disparo; en caso contrario, no se acertó a
ninguno de los objetivos. El otro sistema aprovechaba un rasgo característico de la
tecnología los monitores de rayos catódicos, que creaban la imagen mediante un haz de
electrones que realizaba barridos por toda la pantalla. El arma, de nuevo con un detector
luminoso en su boca, emitía una señal cuando el recorrido del haz llegaba a su posición,
y el sistema grababa la posición que estaba rastreando en ese momento.
Paralelamente, otros sistemas basados en armas fijas en máquinas Arcade también
fueron usados, transmitiéndose la información de manera similar a un joystick
analógico.
Ya en el nuevo milenio, los sistemas anteriores dejaron de poder usarse debido a la
sustitución de los monitores de rayos catódicos por los LED o plasma, obligando a las
empresas del sector a buscar soluciones alternativas. Los nuevos simuladores
comenzaron a usar principalmente la tecnología infrarroja, incorporando cámaras en el
cañón de la pistola y emisores infrarrojos alrededor del monitor. A partir de de la
imagen de los infrarrojos tomada se puede calcular a dónde apunta la pistola [1]
. Este
- 4 -
sistema fue el usado por el controlador de la consola Wii de Nintendo, que supuso una
revolución en la concepción de la interacción con la consola. El controlador de Nintendo
se ayuda además de acelerómetros para tener cálculos más precisos y añadir nuevas
funciones [2]
. Así la Wii es capaz de detectar los movimientos hechos por el usuario
añadiendo un realismo sin precedentes en el mercado de las consolas. Más adelante,
Nintendo desarrolló una expansión para el controlador que añadía giroscopios,
mejorando así la detección de rotaciones.
Figura 2.1 [3]
: Cálculo de la distancia a la pantalla cuando el jugador se encuentra
centrado. Se conoce la distancia entre los sensores y el ángulo de la cámara.
Otros controladores y pistolas usan similares tecnologías, variando ligeramente el
número de LEDs de referencia y otros pequeños cambios, como el GunCon3 de Sony [1]
[4] [5] [6].
Tras el gran éxito del controlador de Nintendo, sus dos grandes competidores en el
mercado no tardaron en desarrollar tecnologías para la detección de movimiento. Sony
- 5 -
creó el Playstation Move y Microsoft el Kinect. Ambos sistemas usan la tecnología
óptica para captar los movimientos de los usuarios, pero de maneras muy distintas.
El Playstation Move es similar al Wiimote en tanto que usa una cámara y una referencia
para la detección de movimiento y posición. En este caso, sin embargo, será la cámara
la que esté fija junto a la pantalla y la referencia la que se mueva en manos del usuario.
Este sujetará un control que incluye un acelerómetro, un giroscopio y un orbe de
plástico con LEDs RGB en su interior. Puesto que la cámara esta vez trabaja en el
espectro de ondas visual, el controlador cambiará el color de su luz según los colores del
ambiente para hacer más fácil su detección. La distancia a la pantalla es fácilmente
calculable a través del tamaño del orbe que ve la cámara. Añadiendo las coordenadas X
e Y vistas por la cámara y con algunos cálculos adicionales se puede conseguir la
posición con bastante precisión [7]
. El giroscopio y el acelerómetro añaden detecciones a
la rotación y permiten seguir la posición cuando hay problemas con la cámara. Un
sensor que detecta el campo magnético terrestre y un sensor térmico permiten afinar aún
más la precisión [8]
.
Figura 2.2: Componentes en el interior del Playstation Move [9]
El Kinect de Microsoft resulta bastante más ambicioso, pues no usa referencias sino que
pretende reconocer los gestos del usuario en 3D. La tecnología subyacente hace uso de
una cámara y un proyector infrarrojos colocados junto a la pantalla, a una distancia
entre ellos fija. Este último emite un patrón de puntos fijo que es proyectado de
diferentes maneras según las superficies y sus distancias a la cámara, permitiendo al
sistema delimitar los límites de los objetos y sus distancias al comparar estas
proyecciones tomadas por la cámara con el patrón emitido originalmente y aplicar
triangulación [10] [11]
. Una segunda cámara trabaja en el rango visual para grabar la
imagen y permitir el reconocimiento de gestos faciales. Todo esto apoyado por un
- 6 -
potente software de procesamiento de imágenes capaz de detectar figuras humanas y
seguir sus movimientos.
Figura 2.3: Patrón infrarrojo deformado con la presencia de objetos.
En respuesta al Kinect, Sony desarrolló un dispositivo con dos cámaras para apreciar las
tres dimensiones para la nueva Playstation 4, aunque no ha tenido tanta popularidad
como el periférico de Microsoft.
Entrenamiento virtual militar
En el ámbito militar existen sistemas más caros, sofisticados y de mayor volumen para
el entrenamiento de soldados, permitiendo a grupos de soldados entrenar
simultáneamente [12]
. Las armas usadas son réplicas de armas reales para mejorar la
experiencia o, en ocasiones, las armas propias del soldado a las que se incorporan
sistemas de fácil acoplamiento que le permite interaccionar con el sistema, pudiendo
desmontarlo al acabar la sesión [13]
.
De entre los sistemas usados para crear el retroceso del arma destaca el neumático,
accionado por aire comprimido proveniente o bien de una cápsula recargable o bien de
un conducto que provea aire continuamente.
El entorno virtual suele proyectarse en una pantalla de gran tamaño plana al fondo de
una habitación, aunque también pueden situarse varias pantallas envolviendo al usuario
para mejorar la experiencia [14]
. Otra opción es incorporar un Head-mounted Display al
casco del soldado de manera que el entorno virtual sea lo único que vea, con el
inconveniente de necesitar un equipo informático más potente ya que es necesario crear
y mantener un entorno virtual para cada soldado que esté practicando simultáneamente.
- 7 -
Figura 2.4: Sistema de entrenamiento alámbrico-inalámbrico de soldados con HMD [15]
Las armas pueden estar alimentadas y comunicadas por cables, limitando así su libertad
y pudiendo afectar ligeramente la experiencia, o ser inalámbricas, alimentadas por
baterías y comunicándose por conexiones inalámbricas como Bluetooth. También
pueden estar comunicadas a un ordenador ligero situado en la espalda del soldado, que
se comunicará a su vez inalámbricamente al ordenador principal. Un método
ampliamente usado para la detección del tiro es la incorporación en el cañón del arma
de un emisor de láser infrarrojo cuyo reflejo en la pantalla es detectado por una cámara.
Otros sensores son también incorporados en el arma para poder detectar otros
movimientos del arma o del usuario, como un golpe abajo para cargar, una rotación
rápida de noventa grados simulando un ataque físico.
El sonido es implementado mediante varios altavoces capaces de crear sonidos
provenientes de diferentes direcciones para envolver al usuario. En el caso de los
sistemas de simulación individual los altavoces son sustituidos por auriculares.
Para que el entrenamiento virtual funcione, es de gran importancia tener un sofisticado
entorno virtual con alto realismo, para lo que es necesario disponer de avanzados
motores gráficos [16]
. En las múltiples misiones diferentes en las que puede participar el
soldado debe incluirse también una inteligencia artificial capaz de reaccionar ante
diferentes situaciones. El sistema puede recoger además la actuación del soldado,
creando así informes con fallos y aciertos para ayudar a la mejora de su habilidad.
Para aumentar el estrés y generar amenaza durante el entrenamiento se puede incluir un
dispositivo que vibre o emita pequeñas descargas eléctricas al usuario cada vez que
reciba un disparo.
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2.2.- Motivación
Los sistemas de realidad virtual usados para el entrenamiento militar son
tremendamente costosos y, generalmente, bastante complejos. Por otro lado, las
soluciones implementadas en el ámbito de los videojuegos son generalmente poco
realistas y más concebidas como mera interfaz del juego, con un aspecto “de juguete”.
Se pretende crear un sistema de disparo realista y de bajo coste, de manera que pueda
ser adquirido por individuales o pequeñas empresas, ya que en el mundo del
entretenimiento los dispositivos no cumplen las expectativas.
- 9 -
Capítulo 3.- Descripción del modelo desarrollado
3.1.- Objetivos y especificación
Este proyecto tiene como objeto diseñar un sistema de disparo realista, centrándose en
la parte física (hardware) que sirve como interfaz para el usuario. El simulador del arma
ha de tener las siguientes características:
- Comunicación inalámbrica: el arma será inalámbrica, por lo que se deberán
establecer conexiones por radiofrecuencia u otros métodos para poder comunicarse con
el resto del sistema. Además, se tendrá que buscar un sistema de alimentación eléctrica
independiente que le otorgue autonomía.
- Precisión de disparo: es importante que el sistema detecte con exactitud a dónde se
está apuntando cuando se dispara, por lo que será necesario un sistema que sea capaz de
recoger estos parámetros fielmente y una correcta calibración para asegurar la precisión.
También se buscará que el método requiera instalación mínima.
- Desapuntado: para una correcta simulación es necesario incluir un sistema que
obligue al usuario a volver a apuntar tras cada disparo, efecto debido al retroceso del
arma. Se buscará un sistema que proporcione un retroceso capaz de desapuntar el arma
y que no sea demasiado costoso, siempre respetando la autonomía del arma. Además es
necesario que tenga una alta velocidad de recuperación, permitiéndole efectuar disparos
sucesivos.
Durante todo el proceso de diseño se tiene especialmente en cuenta que el producto sea
de bajo coste y de muy fácil instalación, permitiendo su comercialización a individuales
y pequeñas empresas.
- 10 -
3.2.- Módulos del sistema
El proyecto consta de tres módulos diferenciados:
-El arma:
El simulador del arma, que utiliza tecnología inalámbrica, comporta la principal unidad
física del sistema. Será sostenida por el usuario y cumplirá las siguientes funciones:
detectar el accionamiento del gatillo, detectar su propia puntería con respecto a la
pantalla (a dónde apunta), enviar esta información de manera inalámbrica a la unidad de
procesamiento y crear sensación de desapuntado tras efectuar cada disparo. Por ello
contará con cuatro sub-módulos principales: sub-módulo de registro de disparo, sub-
módulo de puntería, sub-módulo de emisión inalámbrica y sub-módulo de desapuntado;
y dos sub-módulos adicionales, encargados de coordinar y proporcionar energía al resto:
sub-módulo de control y sub-módulo de alimentación
-La unidad de procesamiento:
Se trata del programa informático (software) que creará el entorno con el que el usuario
interactuará. Recibirá la señal inalámbrica del arma y realizará los cambios pertinentes
en el entorno virtual. Además, calibrará el apuntado al inicio de cada sesión.
-La pantalla:
Muestra al usuario el entorno virtual. También incluye el punto de referencia de las
coordenadas para el arma.
Este proyecto se centra en el diseño del arma, componente fundamental del sistema,
pues tanto la unidad de procesamiento como la pantalla pueden ser aportadas por el
usuario.
- 11 -
3.2.0.- El arma
El arma debe ser realista, por lo que se ha de buscar el parecido en diferentes aspectos
(visualmente, peso, retroceso, etc.). Como se ha comentado anteriormente, contiene la
mayor parte física del sistema; esto es, los componentes electrónicos, sensores y
actuadores. Así, correspondiendo a sus cuatro funciones principales, tenemos cuatro
sub-módulos: sub-módulo de registro de disparo, sub-módulo de puntería, sub-módulo
de emisión inalámbrica y sub-módulo de desapuntado. A estos sub-módulos hay que
añadir un quinto sub-módulo que se encargará de de dominarlos a todos y coordinarlos,
es el microcontrolador; y un sexto sub-módulo, la fuente de energía.
Establecidos los sub-módulos presentes entraremos más en detalle en cada uno de ellos,
añadiendo especificaciones y posibles alternativas:
Sub-módulo de registro de disparo:
El registro de disparo es un sistema simple, su función consiste básicamente en
detectar con precisión si el usuario pulsa el gatillo del arma. Para ello se pueden
usar diferentes tipos de sensores: físicos (un pulsador), ópticos,
electromagnéticos, ultrasónicos,... Hay que evitar las situaciones de falso
positivo (detectar que se ha disparado cuando se ha pulsado el gatillo solo a la
mitad del recorrido, por ejemplo) o la no detección.
Sub-módulo de puntería:
La detección de dirección se desarrolla con diferentes tecnologías en el campo
de la realidad virtual y simulación. Es una de las cuestiones más importantes en
el proyecto, pues se trata de la función principal del sistema, siendo el resto más
o menos accesorio. Entre las tecnologías más usadas actualmente se encuentran
los emisores infrarrojos (captados por sensores infrarrojos o cámaras infrarrojas),
el procesamiento de imágenes, los acelerómetros, etc. Se intentará que el
sistema sea preciso y repetible.
Sub-módulo de emisión inalámbrica:
Establecerá la comunicación con la unidad central de procesamiento, que
requerirá un receptor que use la misma tecnología. Existen numerosas
comunicaciones inalámbricas que pueden usarse: Bluetooth, wi-fi, infrarrojos,
Zigbee, láser, Wireless USB,... La velocidad de transmisión de datos debe ser
suficientemente elevada como para superar la velocidad con la que el usuario
puede pulsar el gatillo.
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Sub-módulo de desapuntado:
Intenta simular el efecto del retroceso del arma. Si es complicado conseguir un
efecto similar, al menos ha de dar una sacudida que obligue al usuario a volver a
apuntar si quiere disparar al mismo sitio. Pueden usarse motores (lineales o
rotatorios), sistemas neumáticos, electromecánicos, etc.
Sub-módulo de control:
Se trata de un microcontrolador que servirá para controlar el resto de sub-
módulos y servirá como nexo de unión para los datos. Recibirá la información
del sub-módulo de detección de dirección continuamente. Cuando el sub-
módulo de registro de disparo le mande una señal, transmitirá la información de
las coordenadas al sub-módulo de emisión inalámbrica para que sea enviada al
módulo de procesamiento, a la vez que enviará una señal para activar el sub-
módulo de desapuntado.
Sub-módulo de energía:
Se trata de una pila o batería que alimentará al resto de sub-módulos, aportando
el voltaje necesario a cada componente mediante divisores de tensión o
reguladores de voltaje.
Elección del modelo del arma
Este proyecto busca el máximo grado posible de realismo, pero siempre manteniendo el
bajo coste final del producto. Por ello, se descarta el uso de un arma real, debido a su
altísimo precio y de réplicas de coleccionista por el mismo motivo. La mejor alternativa
supone comprar un arma de airsoft, pues hay un amplio mercado de estos productos,
permitiéndonos escoger entre muchas opciones.
De entre las armas de airsoft, los mejores precios se encuentran en la categoría de
“Armas de carga de muelle”, debido a su mecanismo más simple. Puesto que en este
proyecto se necesitará vaciar el arma para poder hacer uso del espacio interior, esto
supone una ventaja adicional. Se descartan las pistolas, debido a su pequeño tamaño,
que puede ser insuficiente para instalar todo el sistema electrónico.
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Así, nos quedan las siguientes opciones:
-Thompson M1A1. Pese al buen tamaño, se trata de un subfusil usado en la Segunda
Guerra Mundial y, por lo tanto, completamente inadecuado para un simulador actual, ya
que fue declarado como obsoleto y dejado de usar definitivamente en los años 80. [1]
-MP 40. De nuevo, un subfusil usado en la Segunda Guerra Mundial, esta vez por el
bando alemán. Pese a haber sido usada durante algunas décadas más tras la guerra, muy
pocas unidades quedaban operativas en los años 1990s.
-SOCOM M1A. Esta arma es una versión semiautomática del rifle M14 producida en
Estados Unidos para uso civil y policial. La réplica tiene gran parecido al arma real y
buen precio. El tamaño permite incluir la electrónica necesaria en su interior. [2]
-Beretta Cx4 Storm. La Beretta Cx4 Storm (versión civil de la Beretta MX4 Storm) es
una carabina semiautomática creada en Italia en el año 2003 para ser usada en
ambientes deportivos, como defensa personal o para actividades policiales [3]
. Comparte
munición con las pistolas Beretta, pues nació para ser complemento de estas, y es usada
principalmente en Estados Unidos, Libia [4]
y Venezuela [5]
. La réplica es también de
- 14 -
gran parecido al arma real, además de presentar buen tamaño y precio excepcionalmente
barato.
-Colt M4A1. Esta carabina automática es usada por casi todas las fuerzas de
operaciones especiales estadounidenses [6]
, así como por fuerzas anti-terroristas.
Réplica realista, con buen tamaño y precio aceptable.
-M45F (Steyr_AUG mini). Este rifle de asalto austriaco fue diseñado en los años 1960s
y adoptado por su ejército en el año 1978 hasta la actualidad [7]
. También es usada hoy
día en multitud de países [8]
. La réplica es de tamaño algo menor que el arma original,
por lo que pierde algo de realismo al darlo aspecto de arma de juguete. El precio es
acorde a su tamaño.
-Subfusil UZI. El UZI es un sub-fusil israelí que empezó a fabricarse en los años 1950s,
en un inicio para el ejército israelí. Durante la segunda mitad del siglo XX ha sido
- 15 -
exportada a multitud de países para usos militares y fuerzas policiales, así como para
uso civil; con cifras del orden de millones [9]
. La réplica, realista, tiene tamaño aceptable
y precio bajo.
Elección final:
Descartando la Thompson y el MP40 por ser demasiado anticuados, las cinco restante
son todas aceptables. Por ser de precio más bajo, la Beretta y la M45F tendrán
preferencia ante las otras. La Beretta, además, es más grande y fiel a la realidad, por lo
que será el arma elegida:
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3.2.1.- Sub-módulo de registro de disparo
Este sub-módulo tiene la función de detectar si el usuario está presionando el gatillo de
la pistola. Este hecho generará una señal eléctrica que será enviada a la unidad de
control. Se deben evitar múltiples detecciones de un solo disparo así como falsos
positivos.
El gatillo en el arma realiza un movimiento circular alrededor de un eje de hasta 20º.
Una segunda pieza más larga está acoplada al gatillo, rotando simultáneamente en un
rango de 10º. Un muelle colocado en esta devuelve mantiene ambas en su posición
original. Con esta configuración hay varios movimientos simultáneos que pueden
aprovecharse para la medición: el giro rotatorio alrededor de cualquiera de los dos ejes,
la proximidad del extremo del gatillo al tramo fino de la carcasa y el movimiento
aproximadamente lineal verticalmente hacia arriba del extremo de la segunda pieza.
Figura 3.1: Mecanismo del gatillo en la réplica del arma.
Existen multitud de sensores que permiten detectar proximidad, contacto o rotación. Se
enumerarán algunos de ellos [10] [11]
:
- Potenciómetro: se basa en una resistencia larga alimentada a una tensión y un contacto
móvil, de manera que se forma un divisor de tensión con una proporción igual a la
división longitudinal de la resistencia, por lo que es un sensor de salida analógica.
Existen modelos tanto lineales como rotatorios. El espacio del que se dispone para
instalar los sensores es bastante limitado, por lo que sería imposible incluir un
- 17 -
potenciómetro rotativo. Como inconvenientes se encuentran el consumo derivado de la
continua alimentación del potenciómetro y el desgaste que supone la continua fricción.
- Pulsador: un pulsador eléctrico sería accionado cuando el gatillo llega al final de su
movimiento. El pulsador cierra un circuito generando una señal digital. El lugar idóneo
es en el interior del arma, siendo activado por el extremo de la pieza con el movimiento
más lineal. Una técnica más simplificada consistiría en incluir una pieza metálica
conectada a la fuente de alimentación de manera que cerrase un circuito al contactar con
otra pieza metálica fija. Esta técnica, sin embargo, es más sensible a glitches.
- Encoder: los encoders están formados generalmente por tres elementos: un emisor
LED, un fotodiodo y una placa perforada. El receptor generará señales digitales cuando
el movimiento de la placa haga pasar las perforaciones a través de la línea de visión
emisor-receptor. Encoders rotacionales son frecuentemente usados para medir
posiciones y velocidades angulares. Para detectar el gatillo puede situarse un par
emisor-receptor en la línea que une los ejes de las dos piezas de manera que se obstruya
la línea de visión al presionar el gatillo.
- Sensor magnético: es un sensor de proximidad en el que en una pieza en movimiento
se coloca un imán y otra pieza (generalmente fija) contiene un sensor de efecto Hall
capaz de generar una señal analógica. Podría fijarse un imán cercano al extremo del
gatillo (es el punto con mayor desplazamiento) y el sensor en el interior del arma,
pegado a la pared más cercana. Así se generaría una señal analógica al acercar el imán
cuando se pulsa el gatillo.
- Sensor óptico: este caso se basa en la misma tecnología que el encoder, pero con un
miembro del par emisor-receptor fijo y el otro acoplado al sistema móvil. Al llegar a la
posición que se quiere detectar el par se alinearía generándose una señal discreta. El
lugar ideal del miembro móvil es en el interior del arma y acoplado al gatillo, pues es la
pieza con mayor desplazamiento angular.
- Sensor ultrasónico: versión análoga del encoder con un emisor acústico y un
micrófono en lugar del LED y el fotodiodo.
Elección de la tecnología
El espacio del que se dispone es muy reducido y los desplazamientos y rotaciones
cortos. Esto dificulta la instalación de los dispositivos descritos, ya que se requieren
sensores de muy pequeño tamaño y elevada precisión, lo que se traduce en costes más
elevados e instalaciones más complicadas.
- 18 -
Por ello se optará por el pulsador, que supone una solución sencilla y de fácil
instalación. Una resistencia de 10kΩ y conexión a tierra y a la alimentación completan
el sistema de registro de disparo, que emitirá una señal positiva (1) cuando el pulsador
sea accionado. La resistencia mantiene la señal a 0V durante el resto del tiempo (“pull-
down”).
Figura 3.2: Pulsador con la configuración “Pull-down”. Mientras se accione el
pulsador se enviará una señal positiva (1), cuando se suelte el pulsador se envía una
señal negativa (0).
- 19 -
3.2.2.- Sub-módulo de puntería
Este sub-módulo realiza la función principal del sistema, que es detectar a dónde apunta
el usuario o, más precisamente, a qué punto de la pantalla está dirigida la pistola. Para
esto es necesario diseñar un sistema que sea capaz de relacionar la una con respecto a la
otra.
Este problema es abordado por los sistemas de localización en tiempo real (RTLS),
encargados de localizar objetos en espacios cerrados. Estos sistemas usan una red de
puntos de referencia fijos y unos dispositivos (“tags” o etiquetas) colocados en los
objetos a localizar. Para comunicar los puntos de referencia con las etiquetas se usan
diferentes dispositivos de transmisión, como la radiofrecuencia, los ultrasonidos o la luz,
y dispositivos receptores de estas señales, pudiendo estar tanto emisores como
receptores indistintamente en los nodos de la red de referencia o en los objetos móviles.
La localización del objeto es usualmente hallada mediante la información de la
transmisión (ya sea el tiempo de transmisión, la intensidad de la misma o el ángulo de
incidencia) con respecto varias referencias diferentes, a la que se aplican cálculos de
triangulación. Esto es posible conociéndose previamente y con exactitud la topografía
de la red de referencias. La mayoría de estos sistemas, sin embargo, solo son capaces de
aportar la localización del objeto, sin dar información sobre su orientación. Para
completar la información suele ser necesario añadir un sensor inercial al objeto a
localizar. [12]
Tecnología mecánica (inercial) [13]
Esta tecnología se apoya principalmente en dos tipos de sensores diferentes: los
acelerómetros y los giroscopios. Mientras los primeros miden la aceleración lineal que
sufren, los segundos miden la velocidad angular. Si se sitúan tres sensores de cada tipo
perpendicularmente y se integran sus mediciones se podría hallar la posición y
orientación del objeto a seguir en sus 6 grados de libertad. Sin embargo, estos sistemas
son sensibles a pequeños ruidos eléctricos y a una incorrecta alineación de la fuerza de
gravedad, introduciendo pequeños errores que se pueden acumular (al tratarse de una
integración) dando resultados poco precisos. Por ello, los sensores inerciales solo suelen
usarse en combinación de otras tecnologías.
- 20 -
Tecnología óptica
La tecnología óptica cuenta con la gran ventaja de la instantaneidad que proporciona la
velocidad de la luz. Además, un solo receptor (cámara) es capaz de detectar con gran
exactitud y distintamente el ángulo de incidencia de uno o varios emisores [13]
. Entre sus
inconvenientes se encuentra la obstrucción de la comunicación si existen objetos entre
el emisor y el receptor y la dependencia del entorno, pues la comunicación puede verse
deteriorada por fuentes de luz ajenas al sistema de detección. Hay muchas maneras
diferentes de usar esta tecnología aplicada al objetivo de este proyecto, entre las que se
encuentran los métodos a continuación.
-Cámara en el arma, referencia en la pantalla: Este método consiste en colocar una
pequeña cámara en la boca del arma capturando imágenes continuamente. En algún
lugar del sistema (típicamente la unidad de procesamiento), estas imágenes son
procesadas para reconocer la pantalla y, según su posición y orientación en la imagen,
hallar a qué punto de ella se está apuntando. Esto requiere un poderoso equipo de
procesamiento, pues la carga de computación es muy elevada, ya que deben tomarse y
procesarse imágenes a una velocidad del orden de 100Hz para conseguir resultados
fluidos.
Para facilitar la detección de la pantalla, reducir considerablemente la carga de
computación y evitar problemas con compatibilidad de tamaños y tipos de pantallas
diferentes, una buena opción es incluir un filtro infrarrojo a la pantalla y posicionar
emisores infrarrojos junto a la pantalla, que sirven como balizas de referencia [13]
. Si se
asegura que la distancia entre dichos emisores sea siempre la misma, pueden usarse en
cualquier pantalla o sistema de proyección sin alterar los resultados.
Con al menos dos emisores infrarrojos y conociendo la distancia fija entre ellos se
puede calcular la orientación mediante cálculos de triangulación, siempre y cuando la
sensibilidad de la cámara permita determinar con precisión el tamaño de cada punto o
que la cámara esté siempre situada en posiciones cercanas (esto es, que el usuario no se
desplace). En caso contrario, un acelerómetro o un tercer emisor no alineado pueden
completar la información aportando la orientación.
- Cámara junto a la pantalla (o alrededores), referencia en el arma: Una primera opción
es colocar una cámara o más alrededor de la pantalla y una referencia en la boca del
arma. De nuevo, el uso de emisores y filtros infrarrojos son una buena técnica que
simplifica todo el proceso. Así, al colocar un emisor infrarrojo en la boquilla del arma y
dos cámaras separadas por una distancia fija, se pueden comparar las imágenes tomadas
y, mediante triangulación, calcular la posición de la boquilla con respecto a las cámaras. [14]
Para completar la información y obtener la orientación del arma, habría que incluir
un acelerómetro, y así sería posible calcular a dónde apunta el arma a partir de todos
- 21 -
estos datos. Si la cámara es capaz de captar con suficiente sensibilidad el tamaño de la
luz proveniente del infrarrojo (y, por consiguiente, su cercanía), la segunda cámara no
es necesaria.
Otra opción es colocar dos o más emisores infrarrojos en el lateral del arma, en la parte
exterior al usuario. Si la cámara se coloca a una prudente distancia y apuntando a dicho
lateral, comparando la posición relativa de ambos puntos y la distancia entre ellos es
posible saber su orientación y posición. Una vez más, si la cámara no puede captar el
tamaño de las fuentes de luz, un acelerómetro sería necesario para poder conseguir
nuestro objetivo. Es posible usar este método análogamente colocando la cámara en el
techo y los emisores en la parte superior del arma. [15]
Haz láser [16]
Un haz láser es acoplado a la boca del arma. Una cámara capaz de detectar este haz es
fijada con una posición y orientación que le permiten ver la mayor extensión posible de
la pantalla o imagen proyectada. Tras una calibración inicial, el sistema es capaz de
asignar a cada punto de la imagen que muestra con un punto de la imagen recogida por
la cámara.
Tecnología acústica
Esta tecnología basa sus resultados en el tiempo que tarda una onda ultrasónica en
alcanzar el receptor. Conociendo la velocidad de propagación y los tiempos de salida y
de llegada de la onda, el cálculo de la distancia al receptor es directo. [17]
Colocando varios receptores alrededor de la pantalla y un emisor en la boca del arma
puede computarse la posición de esta. Si se añade un acelerómetro, la información se
completa al saber también la orientación.
Para calcular el tiempo de vuelo de la señal ultrasónica, es necesario que los receptores
sepan en qué momento se envió la onda. Para ello, una señal de radiofrecuencia es
enviada a la vez que el pulso ultrasónico. El tiempo que la señal de radiofrecuencia
tarda en llegar a los receptores es despreciable comparado con el tiempo de vuelo de la
señal ultrasónica. [17]
Un inconveniente que esta tecnología se puede encontrar es la imprecisión que
introducen las variaciones en la velocidad de transmisión, ya que dependen de las
condiciones del aire (temperatura, presión, humedad, etc.). Esto se puede remediar
midiendo previamente esta velocidad mediante un par emisor-receptor fijo y separado
por una distancia conocida. [18]
- 22 -
Radiofrecuencia (RFID, Ultra-Wide Bandwidth, Wi-Fi, Bluetooth)
Emisores y receptores de ondas electromagnéticas también son usualmente usados para
detectar la posición de objetos en entornos cerrados. Sin embargo, son tecnologías
usadas en aplicaciones que cubren un espacio mucho mayor que el que se buscan en
este proyecto, pues se trata de ondas de mayor rango y penetración, capaces de
reflejarse en varias superficies y crear un exceso de señales que hacen imprecisas las
medidas en distancias más cortas. Nuestro sistema, por su naturaleza, requiere una
precisión muy alta (del orden del milímetro) que estos sistemas no son capaces de
proporcionar.
Tecnología magnética [12]
En esta tecnología, emisores y receptores están constituidos por tres solenoides
perpendiculares. El emisor genera un campo magnético alterno que induce una corriente
al receptor si este se encuentra cerca. Dependiendo de la orientación del receptor, la
proporción de la corriente que circula por cada solenoide será diferente. Asimismo, la
intensidad de la corriente estará relacionada con la distancia al emisor.
Esta tecnología cuenta con dos grandes inconvenientes: el reducido rango de acción que
tiene cada emisor (de 1 a 2 metros) y la interferencia que introduce la presencia de
metales en la medición, además de otros campos magnéticos externos al sistema.
Este último inconveniente puede ser salvado si en lugar de generar un campo con
corriente alterna, se generan pulsos de campos con corriente continua. Este cambio
reduciría considerablemente la interferencia producida por la presencia de la mayoría de
los metales, mas no de los materiales ferromagnéticos.
Elección del sistema de puntería
Evaluando las ventajas y desventajas de cada tecnología, así como las aplicaciones idóneas para
cada una de ellas, se llega a la conclusión de que la tecnología óptica es la que mejor encaja en
el simulador, pues ofrece alta precisión y velocidad [19]
. Uno de los mayores inconvenientes de
esta tecnología, la necesidad de un trayecto libre de obstáculos entre emisor y receptor, no
afecta a nuestro sistema, ya que este requerimiento también proviene de la realidad que se
simula.
El sensor (cámara) se colocará en el arma y las referencias alrededor de la pantalla. De esta
manera se consigue una mayor precisión, ya que pequeños cambios en el movimiento del arma
producen grandes cambios en los datos que llegan al receptor. [20][21]
- 23 -
Además, se añadirán se trabajará en el rango infrarrojo de la luz, pues de esta manera se
consigue neutralizar parte del ruido lumínico, ganando en robustez.
El receptor será una cámara infrarroja de pequeño tamaño para ser incorporada en la boca del
arma sin obstruir la línea de visión. La cámara será conectada al microcontrolador o bien
enviará sus datos de manera inalámbrica de manera independiente al resto de circuitos.
- Cámara conectada al microcontrolador: Existen en el mercado cámaras de bajo coste capaces
de comunicarse con un microcontrolador [22] [23]
. Su tamaño es pequeño y la resolución
relativamente baja, aunque suficiente para la función que se le asignará en este sistema. Sin
embargo, la información que transmiten es demasiado voluminosa para la capacidad de
asimilación de un pequeño microcontrolador de 8-bits. Si partimos como ejemplo de una
cámara con resolución 100x100 píxeles y escala de grises de 8-bits, cada imagen ocupará
alrededor de 10 kilobytes. Teniendo en cuenta que la memoria RAM de un microcontrolador de
8-bits está en el orden de 1kB sería necesario añadir una memoria externa al microcontrolador.
La comunicación simultánea del microcontrolador con la cámara, la memoria externa y el
módulo inalámbrico a la velocidad requerida por el sistema podría no ser suficiente.
Los controladores de la consola Wii de Nintendo hacen uso de una pequeña cámara integrada
que encaja a la perfección con nuestros requerimientos. Esta cámara, de la compañía PixArt
Imaging, ha sido diseñada para un sistema de detección similar al de este proyecto: con
tecnología óptica, concretamente la luz infrarroja. Así, la cámara incluye un chip CMOS de
procesamiento de imagen que, cuando se le solicita, toma una imagen y obtiene las coordenadas
y los tamaños de los cuatro puntos más grandes que detecta. La única información que es
enviada al microcontrolador es de hasta 18 bytes por imagen, lo que simplifica enormemente los
procesos de transmisión y ahorra al software de la unidad de procesamiento realizar esta tarea.
Esta cámara, pese a solo poder obtenerse incluida en uno de los controladores de Nintendo,
supone una alternativa mucho más satisfactoria económicamente que otras cámaras de similares
funciones en el mercado [24] [25]
.
- Cámara inalámbrica: Las cámaras inalámbricas han sido desarrolladas principalmente para el
mundo de la tele-vigilancia. En este ámbito, han crecido en popularidad las llamadas cámaras IP,
capaces de enviar su información a través de internet. Sin embargo, para la aplicación de este
proyecto no es necesario un uso de la red para una transmisión de apenas unos metros. Existen
pequeñas cámaras “espía” capaces de emitir por radiofrecuencia y de manera analógica su
imagen. Un dispositivo de moderado tamaño se encarga de recibir esta señal, con salidas en
formato analógico vídeo/audio, por lo que es necesario añadir un transformador analógico-
digital si la unidad de procesamiento solo dispone de entrada digital.
Elección del dispositivo
Por la gran ventaja que supone que la imagen sea procesada en el propio chip de la cámara y por
su excepcionalmente bajo coste, se elegirá la cámara incluida en el controlador WiiMote,
facilitando así enormemente la transmisión de los datos (con respecto al resto de cámaras
conectables al microcontrolador) y se evita una proliferación de equipos (necesarios para la
cámara inalámbrica).
- 24 -
Pese a las características de la cámara no han sido publicadas oficialmente, la investigación de
ingeniería inversa llevada a cabo por una comunidad de usuarios ha establecido las siguientes
características [26]
:
Resolución: 1.014x768 píxeles
Imágenes por segundo: 100
Campo de visión: 33º x 23º
Funcionamiento: 20-25MHz (reloj externo)
Longitud de la onda filtrada: 940nm
Voltaje de funcionamiento: 3.3V
Comunicación: serie I2C (Inter-Integrated Circuit)
Figura 3.3: Conexión de los pines de la cámara [27]
Figura 3.4: Cámara acoplada a la placa del controlador Wii
- 25 -
3.2.3.- Sub-módulo de comunicación inalámbrica
Este módulo tiene como objetivo servir de puente entre el arma simulada y la unidad de
procesamiento. Esto requiere que sea capaz de comunicarse eficientemente a una
distancia de pocos metros, de manera suficientemente rápida como para poder enviar la
información que proviene de la cámara en un tiempo menor que el existente entre dos
disparos sucesivos. El canal de comunicación debería ser robusto, esto es, no fácilmente
afectado por interferencias.
Como punto de partida en la elección de la tecnología inalámbrica, se hará un breve
recorrido por los estándares listados en el grupo IEEE 802.15, pertenecientes a Redes
Inalámbricas de Área Personal (WPAN) y diseñadas para trabajar en distancias
similares a las requeridas por este proyecto. Se encuentran los siguientes estándares en
susodicho grupo:
-802.15.1, Bluetooth: esta tecnología, ideada para ser un estándar común a todas las
marcas, trabaja a cortas distancias mediante ondas de radio a una frecuencia entre 2.4 y
2.485Ghz. Puede conectar múltiples dispositivos de todo tipo sin problemas de
interferencias, pues envía información por numerosos canales simultáneos, reservando
un ancho de banda a cada uno de ellos [28]
. El estándar Bluetooth dejó de ser establecido
por el estándar IEEE 802.15.1, sujeto ahora por los estándares establecidos por el
Bluetooth Special Interest Group (SIG) [29]
, encargado de su mantenimiento y
protección. El rango de transmisión varía de 10 a 100 m [30]
y la velocidad de
transmisión es del orden de los Mbps. Esta tecnología está pensada para la
comunicación entre dispositivos simétricos o para la conexión de periféricos,
requiriendo una configuración mínima.
-802.15.3, UWB (Ultra-Wide Band): esta tecnología se caracteriza por el uso de un
amplio ancho de anda en el espectro de radiofrecuencia, mayor que 500MHz y entre 3.1
y 10.6GHz. Por ello, esta tecnología permite una velocidad de transmisión elevada (del
orden de los 100Mbps) [31]
. Cada uno de los pulsos enviados tiene una duración
extremadamente corta y con una densidad de energía muy reducida, confiriéndole así un
bajo consumo por bit por segundo transmitido [32]
. Esta tecnología ha sido usada como
sustitución de la comunicación cableada USB a partir del Wireless USB (WUSB) [33]
,
permitiendo comunicaciones a alta velocidad con un rango de hasta 10 metros [34]
,
aunque no ha madurado lo suficiente y ha tenido grandes obstáculos para encontrar un
estándar común para diferentes compañías [35]
.
- 26 -
-802.15.4, WPAN de baja velocidad: son estándares de muy bajo consumo que permite
a los dispositivos autónomos mantener la energía de su batería durante mucho tiempo.
Por ello, son idóneos para redes de sensores, pues les permite disminuir la frecuencia en
que sus baterías deben ser recargadas, facilitando así su mantenimiento [36]
. Basado en
este estándar se encuentra el protocolo ZigBee. Su velocidad de transmisión está fijada a
250 kbps y el rango es transmisión es de 30 metros en interiores.
-802.15.6, BAN (Body Area Network): este estándar trabaja en redes que funcionan a
muy cortas distancias, del orden del tamaño de una persona. Está enfocada a
dispositivos que se llevan puesto, en la mano, en los bolsillos o en la ropa; como relojes,
implantes y, sobre todo, sensores biométricos [37]
. Son sistemas de muy bajo consumo,
pequeño tamaño, bajo peso y que pretenden realizar sus funciones de manera no
invasiva [38] [39]
.
-802.15.7, comunicación óptica inalámbrica: usa luz visible, infrarroja o utravioleta
como medio de transmisión, a través de un par emisor-receptor. Muchos controladores
remotos usan esta tecnología, con una longitud de onda entre 870 y 950nm y una
velocidad de transmisión del orden de 1 kHz, aunque velocidades mayores se pueden
usar. La Infrared data Association (IrDA) logró entrar exitosamente en el mercado de la
comunicación en los años 1990s, con dispositivos que permiten la comunicación bi-
direccional en el ámbito de los ordenadores personales a una velocidad bastante mayor
(hasta 16 Mbps) [40]
, aunque perdió popularidad frente a otras tecnologías debido a la
necesidad de no existir ningún obstáculo en la línea de visión emisor-receptor. Entre las
ventajas de la tecnología desarrollada por IrDA (además de la velocidad de transmisión)
se encuentran la altísima seguridad en la comunicación, el bajo consumo y la ausencia
de interferencias. Los principales inconvenientes son la necesidad de mantener la línea
de visión y el rango, pues no supera el metro [41]
.
Otras tecnologías usadas en este rango de transmisión y que merecen ser revisada son la
tecnología Wi-Fi y la tecnología Z-Wave:
-802.11 Wi-Fi [42]
: la tecnología Wi-Fi, a diferencia de las anteriores tecnologías, está
diseñada para servir como enlace entre diferentes ordenadores y dispositivos y un punto
de acceso a Internet (AP) [43]
. El rango de acción es también un poco mayor (hasta
100m), entrando en el grupo de comunicaciones WLAN (Wireless Local Area Network).
Como señalada ventaja destaca su altísima velocidad de transmisión, como
inconvenientes su vulnerabilidad y mayor propensión a las interferencias.
- 27 -
-Z-Wave: la tecnología Z-Wave ha sido desarrollada recientemente, buscando un
espacio en las comunicaciones en el rango del hogar (35 metros). A diferencia del Wi-Fi,
la velocidad de transmisión es baja (100 kbps) [44]
, enfocándose no en la transmisión de
datos y archivos sino de señales de control, especialmente en el mundo de la domótica.
Trabaja a una frecuencia por debajo de 1 GHz, lo que le evita tener interferencias con
las otras tecnologías del mismo ámbito (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, etc.) [45]
. El
consumo energético es muy bajo, haciéndola una tecnología similar a ZigBee. [46]
Figura 3.5: Comparación entre diferentes tecnologías [40]
Elección de la tecnología
Nuestra aplicación está diseñada para funcionar en un lugar cerrado con los
componentes trabajando en la misma habitación o muy cercanos, por lo que el rango no
supondrá una restricción ya que casi todas las tecnologías mencionadas pueden
funcionar sin problema a menos de 10 metros. IrDA es la excepción, pues su rango es
de un metro, insuficiente para nuestro sistema.
Wi-Fi, IrDA y WUSB tienen una velocidad de comunicación mucho mayor, pero esta
no será crítica en nuestro sistema, ya que los datos que se necesitan enviar son de muy
- 28 -
poco tamaño. Por otro lado, el coste y el consumo de la tecnología Wi-Fi son superiores
al del resto de tecnologías.
Por otro lado, tanto Bluetooth como Zigbee y Z-Wave son más apropiados para
aplicaciones que requieren menor velocidad de transmisión pero que tienen restricciones
en una batería limitada, gracias a su especialmente bajo consumo [47].
La tecnología óptica tiene como principal inconveniente la necesidad de mantener el
emisor y receptor fijos y sin obstáculos en medio, algo que no es compatible con la
naturaleza del simulador, estando el arma en constante movimiento.
Así, por su bajo consumo, su simplicidad de conexión y la ventaja de estar presente en
multitud de dispositivos comerciales (lo que permite simplificar el sistema al prescindir
de un módulo receptor), se elige Bluetooth como tecnología para la comunicación
inalámbrica.
Como módulo Bluetooth se elige el módulo HC-06 (Linvor) por su económico precio,
facilidad de adquisición y alta popularidad, lo que hace disponible multitud de guías
para su instalación y control. Funciona a 3.3V y tiene un consumo de 8mA durante la
comunicación (30-40mA en el proceso de emparejamiento). Su tamaño reducido
(27mmx13mmx2mm) es apropiado para el espacio del que se dispone. Usa Bluetooth de
clase 2, lo que implica un rango de 10 metros. Se puede comunicar con el
microcontrolador a través de comunicación en serie SPI (Serial Peripheral Interface
Bus), UART (Universal Asyncrhonus Receiver/Transmitter) y USB (Universal Serial
Bus). [48]
- 29 -
3.2.4.- Sub-módulo de desapuntado
Este módulo tiene como función añadir realismo a la experiencia del usuario al simular
el efecto del retroceso que tiene lugar al disparar un arma de fuego. Además de la mayor
sensación de realismo al crear un estímulo háptico, se pretende imitar un suceso aún
más importante y relacionado con el retroceso: el desapuntado. Este efecto implica que
la posición y orientación del arma se ven alteradas tras cada disparo, obligando al
disparador a reapuntar de nuevo a su objetivo.
En nuestra aplicación se simula una carabina semiautomática, por lo que el sistema de
desapuntado tiene que tener la capacidad de recuperarse para volver a ser usado en una
fracción de tiempo muy breve. Se preferirá un sistema que requiera escaso
mantenimiento y con autonomía suficiente para durar una sesión (de dos a tres horas).
Para conseguir el efecto deseado se tendrán varias tecnologías alternativas:
- Solenoide lineal: al hacer pasar una corriente por un solenoide se crea un campo
magnético unidireccional atravesando su eje, haciendo que se comporte como un
electroimán. Una barra de material ferromagnético que se acercase a uno de sus
extremos se vería fuertemente atraída por esta fuerza magnética. Este fenómeno se
puede aprovechar para crear el efecto del retroceso: basta con que la barra tenga un tope
que le impida entrar completamente en el solenoide, golpeando así la pistola. Un muelle
permitiría al sistema volver a su estado original una vez la corriente deje de atravesar el
solenoide.
Figura 3.6: Principio electromagnético del solenoide lineal
Sin embargo, para conseguir un efecto notable de retroceso son necesarios un muy alto
voltaje y un alta corriente de pico, incompatibles con un sistema que debe tener su
autonomía energética [49]
.
- 30 -
-Motor vibrador: los motores vibradores son motores de corriente continua a los que se
les acopla una carga descentrada. Al rotar, la carga crea fuerzas centrífugas no
simétricas que hacen mover al motor en los dos ejes perpendiculares a su eje principal.
Si el motor se coloca cercano a la boca del arma, donde la vibración es máxima, la
desplazará consiguiendo así el desapuntado.
Figura 3.7: Motor vibrador en funcionamiento [50]
-Vibradores piezoeléctrico: los vibradores piezoeléctricos basan su actuación en las
propiedades de los materiales piezoeléctricos, que cambian su forma al aplicarles un
campo eléctrico. En comparación con los vibradores electromagnéticos los vibradores
piezoeléctricos presentan una amplitud de vibración mucho menor (del orden de
micrómetros) a altas fuerzas y frecuencias de vibración (del orden de kilohercios). Por
ello, requieren muy altos voltajes de operación para pequeños desplazamientos.
-Cilindro neumático: estos sistemas usan gases comprimidos como el CO2 para crear el
retroceso a través de un actuador neumático con un pistón y un muelle. Mientras que se
consigue un buen efecto tanto en fuerza como en sonido, el sistema requiere de una
conexión permanente a un tanque que provea el aire comprimido o de un surtido de
cápsulas recargables [51]
[52]
.
- 31 -
Figura 3.8: Kit de retroceso con cilindro neumático [53]
Elección de la tecnología
Tanto el solenoide lineal como el vibrador piezoeléctrico requieren altos voltajes que
son difíciles de conseguir para un sistema con alimentación propia de estas dimensiones.
El sistema neumático requiere disponer de cápsulas recargables y un sistema de recarga,
que hacen el sistema más aparatoso y dependiente.
Pese a que el motor vibrador no produce el efecto más realista, sí que cuenta con
grandes ventajas en cuestiones de alimentación con respecto al resto de sistemas, pues
requiere el mismo tipo de alimentación que otros módulos del circuito y sus voltajes e
intensidades son de la misma magnitud.
Se debe elegir un dispositivo con suficiente vibración como para producir el
desapuntado de manera efectiva.
Se elige el motor encapsulado Uni Vibe 325-100 de Precision Microdrives. Con 25 mm
de diámetro y 31 de longitud se puede acoplar perfectamente en la cavidad interior del
arma cercana a la boca. Su voltaje es 3V, cercano a los requeridos por los módulos de
puntería, control y comunicación inalámbrica, por lo que no se requiere especial
regulación. La corriente consumida es de 190 mA y la potencia 570mW.
- 32 -
3.2.5.- Sub-módulo de control
Este sub-módulo está compuesto por un microcontrolador capaz de comunicarse con
todos los periféricos, inicializarlos, coordinarlos, y controlar el flujo de datos. Los sub-
módulos de registro de disparo y de desapuntado requerirán apenas la necesidad de
detectar un pulso y enviar otro, respectivamente. Los sub-módulos de puntería y de
comunicación requieren inicialización y manejo de datos, por lo que requerirán un
proceso más complejo haciendo uso de diferentes protocolos de comunicación.
No se han de perder de vista los requerimientos demandados a este sub-módulo. En
primer lugar, los requerimientos de procesamiento son relativamente bajos: puesto que
se trabaja con la cámara Pixart del Wiimote, solo hasta 18 bytes son procesados desde la
cámara hasta el sub-módulo de comunicación inalámbrica, lo que puede ser hecho con
la mayoría de microcontroladores del mercado. En segundo lugar, ha de tenerse en
cuenta el reducido tamaño disponible en el interior del arma, por lo que se debe tender a
un microcontrolador de pequeño tamaño. Por último, para aumentar la autonomía del
simulador, es preferible escoger un microcontrolador de bajo consumo.
Existen numerosas familias de microcontroladores, pues el mercado de los
microcontroladores se encuentra muy fragmentado. Ante el inmenso abanico de
elecciones y para no caer en la paradoja del asno de Buridán (o emplear excesivos
recursos en esta elección cuando los requisitos del sub-módulo son bastante permisivos),
se tomará como referencia a dos de las familias más populares: los microcontroladores
PIC (Microchip Technology) y los microcontroladores AVR (Atmel). Ambas familias
ofrecen la ventaja del bajo coste y una comunidad de usuarios muy amplia. [54]
Los microcontroladores AVR han ganado especial popularidad en los últimos años
gracias a la plataforma Arduino. Esta es una plataforma de hardware libre que pretende
hacer la accesibilidad al mundo de los microcontroladores más sencillas. Arduino ofrece
una variedad de placas con microcontroladores AVR con elementos extra para hacer
más fácil su programación y comunicación con otros dispositivos. También incluye un
entorno de desarrollo (IDE) que permite programarlo en C o C++. Esto significa que
una placa de Arduino puede ser programada y usada apenas comprada, pues viene con
todo lo necesario para tal efecto. También existen placas para PIC (como BASIC Stamp
o PICAXE) con similares características, pero no han conseguido el bajo coste ni la
difusión de Arduino. Por ello, en caso de usar una placa de este estilo, Arduino es una
mejor opción.
Otras ventajas de cada una de las familias son listadas a continuación [54]
:
-PIC: más fáciles de conseguir en pequeñas cantidades, chips individuales más baratos,
más códigos en ensamblador disponibles en foros y comunidades.
-AVR: más esquemas y códigos en C disponibles en foros y comunidades, entorno de
desarrollo (IDE) y programadores más baratos, menor consumo, reloj oscilador interno.
- 33 -
Debido a las mayores facilidades de uso y al menor consumo, se elige la familia AVR.
Además, por la simplicidad que suponen, se elige usar una placa Arduino, pues las
exigencias del sistema son escasas, por lo que las restricciones en flexibilidad que
añaden estas placas no afectan a este diseño.
Existen varios modelos de placas Arduino que se ajustan a los requerimientos de
tamaño impuestos por el simulador del arma: Arduino Micro, Arduino Mini, Arduino
Nano, Arduino Pro Mini, Arduino Fio.
Arduino Micro [55]
Mini [56]
Nano [57]
Pro Mini [58]
Fio [59]
ATmega 32u4 328 328 328 328
Voltaje (V) 5 5 5 5/3.3 3.3
Corriente I/O mA 40 40 40 40 40
SRAM (kB) 2.5 2 2 2 2
Reloj (MHz) 16 16 16 16/8 8
Tamaño (cm) 4.8 x 1.8 3.2 x 1.6 4.3 x 1.9 3.3 x 1.8 6.6 x 2.8
Más Micro USB Sin pines Mini-B USB Sin pines XBee
Todos ellos tienen pines habilitados para comunicaciones en serie, TWI (Two Wire
Interface), I2C (Inter-Integrated Circuit) y SPI (Serial Peripheral Interface).
Se elige el Arduino Pro Mini 3.3V/8MHz por su reducido tamaño, su menor consumo y
su voltaje, que al ser el mismo que el de la cámara PixArt evita la inclusión de un
nivelador de voltaje para la comunicación entre ambos.
Figura 3.9: Placa Arduino Pro Mini 3.3V/8Mhz
- 34 -
3.2.6.- Sub-módulo de energía
Este sub-módulo se encarga de alimentar al sistema. Debe acoplarse a las
especificaciones de cada elemento aportándole la energía necesaria para su
funcionamiento. Se debe buscar que el tiempo hasta que deba recargarse de nuevo este
sub-módulo sea máximo.
Puesto que el resto de sub-módulos (registro de disparo, puntería, comunicación
inalámbrica, desapuntado y control) utilizan principalmente componentes electrónicos
la energía que se suministrará será principalmente en forma de energía eléctrica, que
puede ser suplida por una pila o batería. El siguiente listado recoge los componentes que
necesitan energía de cada sub-módulo y sus especificaciones:
-Sub-módulo de registro de disparo:
Circuito de registro del disparo: alimentado a la misma tensión que el microcontrolador,
debido a la alta resistencia la corriente y potencia que consume este sub-módulo son
despreciables.
-Sub-módulo de puntería:
Cámara infrarroja Pixart: voltaje de trabajo 3.3V, corriente consumida ~10mA (circuito
del oscilador incluido). Consumo medio estimado: ~33mW.
-Sub-módulo de comunicación inalámbrica:
Módulo Bluetooth HC-06: voltaje de trabajo 3.1V - 4.2V, corriente durante la
comunicación 8mA, corriente durante el emparejamiento 30mA – 40mA. Consumo
medio estimado: 26.4mW 1.
-Sub-módulo de desapuntado:
Motor vibrador Uni Vibe 325-100: voltaje de trabajo 3V (máx. 3.6V), corriente típica
190 mA, corriente de pico máxima (arranque) 2.5A, consumo típico 570mW.
1 El tiempo de emparejamiento se considera despreciable con respecto al tiempo de comunicación
normal. El sub-módulo estará aumentado a 3.3V.
- 35 -
-Sub-módulo de control:
Placa Arduino Pro Mini 3.3V/8Mhz: voltaje de trabajo 3.3V (hasta 12V de entrada en la
entrada regulada), máxima corriente en los pines VCC y GND 200mA, corriente típica
3mA, corriente máxima ~6mA. Consumo estimado: 9.9mW.
El Arduino Pro Mini 3.3V/8MHz provee un regulador de tensión con entrada 3.6V –
12V y salida a 3.3V y es capaz de proveer hasta 200 mA a través de este regulador. Ya
que los sub-módulos de registro de disparo, puntería y comunicación inalámbrica suman
una intensidad bastante menor (sobre los 50mA en los peores casos) podrán ser
alimentados por esta fuente, lo que aumenta el margen de voltaje que puede proveer la
pila hasta 12V.
Por otro lado, el voltaje máximo del sub-módulo de desapuntado es 3.6V, requiriendo
de una intensidad de hasta 2.5A.
Una primera sencilla opción sería usar como fuente una pila de petaca estándar (4.5V).
Esta pila alimentaría directamente al microcontrolador e indirectamente al motor
vibrador. Colocando dos diodos en serie de 0.6V-0.7V de caída de tensión puede
conseguirse una reducción del voltaje de cerca de 1.3V, suficiente para situarlo dentro
de la zona de operación del motor.
Una pila de petaca estándar puede contener alrededor de 6000mAh 2. Esto significa que
puede aportar una corriente continua de 6000mA durante una hora. Con las corrientes
estimadas (~214mA), la pila permitiría funcionar el dispositivo hasta alrededor de 28
horas sin parar.
Una segunda opción es usar una pila recargable de ion de litio de 3.7V. Ésta reduciría el
número de diodos necesarios a uno, con el consiguiente aumento de la eficiencia. De
hecho, este único diodo podría también omitirse, pues la pequeña caída de tensión
producida por el transistor MOSFET que recibe la señal del controlador será suficiente
para poner la tensión del motor bajo los 3.6V. Además ahorraría al usuario tener que
abastecerse de nuevas pilas. Por otro lado, su capacidad suele ser algo menor, obligando
a una recarga más frecuente.
La batería de ion litio se ajusta mejor a los requerimientos del sistema al acercarse al
voltaje de operación, por lo que será la fuente de alimentación elegida. Además, la
posibilidad de recargar es una prestación positiva para el usuario.
Se añadirá también un interruptor que permita encender y apagar el arma.
2 Se ha tomado como modelo la pila Duracell Plus Power 3LR12/MN1203, con 6100.0mAh.
- 36 -
- 37 -
Capítulo 4.- Análisis de resultados
El resultado final es un sistema de bajo coste (un precio estimado de 65€ la unidad) con
tres módulos diferenciados: la réplica del arma, la unidad de procesamiento y la pantalla.
Es un sistema de muy fácil instalación, ya que la unidad de procesamiento podrá ser el
ordenador del usuario y la pantalla cualquier monitor. Así, el usuario requiere solamente
adquirir la réplica del arma y el soporte con LEDs infrarrojos. A continuación se
detallarán las características de cada módulo.
La réplica del arma
Se trata de una réplica exacta de Beretta Cx4 de material PVC, aunque a una escala
ligeramente menor (61cm frente a los 75.5cm que presenta el arma original). En el
interior del arma se encuentra un sistema electrónico alimentado a 3.7V por una batería
recargable de ion litio de 3.7V y una autonomía de alrededor de 15 horas de
funcionamiento. Este sistema electrónico contiene los siguientes sub-módulos:
El sub-módulo de registro de disparo, formado por un pulsador y una resistencia
de 10kΩ funcionando como “pull-down” conectados a 3.3V y tierra. El pulsador
está situado de manera que se acciona cuando se presiona el gatillo hasta el
fondo. Este recuperará su posición original por la acción de un muelle.
El sub-módulo de puntería, compuesto por una cámara CMOS de PixArt y el
circuito que le aporta un reloj a 25MHz, ambos alimentados a 3.3V. La cámara
se conecta con el módulo de control a través de comunicación en serie I2C
(Inter-Integrated Circuit). El circuito del reloj está formado por un cristal de 25
MHz, dos condensadores de 15 pF, una resistencia de 1MΩ y un chip de puertas
lógicas inversoras CD4009UB. Las conexiones de este sub-módulo quedan
reflejadas en la Figura 1. El pin Reset es activo bajo, por lo que debe estar
siempre a 3.3V mediante la resistencia “pull-up” de 10kΩ. También está
conectado a tierra a través de un condensador de 100nF, lo que lo activa cada
vez que se enciende la cámara, reseteándola. La cámara trabaja a 100 fps con
imágenes infrarrojas filtradas (alrededor de 940 nm) y con un ángulo de 33º
horizontales y 23º verticales, funcionando correctamente cuando el usuario se
sitúa de 1 a 2 metros de la pantalla y centrado.
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Figura 1: Esquema de conexiones del módulo de puntería.
El sub-módulo de comunicación inalámbrica, que es un módulo Bluetooth HC-
06 alimentado a 3.3V y comunicándose en serie (TTL) con el sub-módulo de
control. Emite a una tasa de baudios de 9600. Nombre: linvor, contraseña: 1234.
El sub-módulo de desapuntado, formado por un motor vibrador Uni Vibe 325-
100 alimentado a 3.7 V a través transistor MOSFET MGSF2N0EL, que
cumplirá una doble función: activar el motor cuando llegue la señal del
microcontrolador y disminuir ligeramente la tensión que llega al motor para
satisfacer el límite máximo de 3.6V.
Sub-módulo de control formado por una placa Arduino Pro Mini 3.3V/8MHz.
Sirve como centro de coordinación del resto de sub-módulos, integrándolos en el
sistema. También sirve como regulador de voltaje para alimentar los sub-
módulos de registro de disparo, puntería y comunicación inalámbrica,
transformando la fuente no regulada de 3.7V de la batería en tensión regulada a
3.3V. Se comunicará con la cámara a través de I2C, para lo que usará
resistencias “pull-ups” internas en la placa. Para ello usará los pines A4 (SDA) y
A5 (SCL). Se comunicará con el módulo Bluetooth a través de los pines D2 y
D3 (Rx y Tx, respectivamente) a través de una comunicación en serie TTL.
Recibirá la señal del pulsador a través del pin D4. El programa cargado en el
Arduino realizará los siguientes pasos: primero emparejará la conexión
Bluetooth, luego inicializará la cámara y una vez hecho esto entrará en el bucle.
El bucle esperará a recibir alguna señal del pin del pulsador (flanco de subida).
Cuando esto ocurra, leerá una imagen de la cámara, transmitirá los datos a través
de la conexión Bluetooth y activará el motor de desapuntado. Esta no se apagará
hasta transcurridos dos segundos.
El sub-módulo de energía únicamente constituido por una pila de ion litio
recargable de 3.7V. Esta alimentará directamente el motor vibrador y la placa
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Arduino, que se encargará de transmitir la energía regulada al resto de
componentes.
La unidad de procesamiento
Formada por un ordenador convencional. Debe ser capaz de comunicarse por Bluetooth.
Un pequeño programa transformará las coordenadas X e Y de los dos puntos percibidos
por la cámara en las coordenadas X e Y de la dirección a donde apunta el arma. Es
necesario introducir las dimensiones de la pantalla para poder realizar los cálculos
correctamente. Estos datos pueden usarse para cualquier programa de realidad virtual de
entrenamiento o juego.
La pantalla
Puede basarse en cualquier tecnología para la imagen (proyector, LCD, CTR, plasma,
etc.). Debe situarse el dispositivo de referencia en su base. Este está formado por dos
LEDs infrarrojos separados a una distancia de 20 cm y alimentados mediante la tensión
proporcionada por un cable USB que se conectará al ordenador. Una resistencia de
250Ω limitará la corriente de los LEDs a 20mA. El usuario se situará centrado a la
pantalla y entre a uno y dos metros de distancia.
Figura 4.1: Esquema conceptual del sistema.
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Capítulo 5.- Conclusiones
5.1.- Conclusiones sobre los resultados
Se ha llegado a un primer prototipo de simulador de disparo que cumple con los
requisitos establecidos. El mercado ofrece suficientes componentes de bajo coste para
poder cumplir los objetivos establecidos, por lo que el coste final estimado lo situaría en
un buen lugar en comparación con otros dispositivos similares. El prototipo ofrece un
dispositivo realista, inalámbrico, autónomo y de muy fácil montaje.
Sin embargo aún queda un buen camino para poder validar este diseño. Se ha
demostrado la viabilidad teórica del dispositivo, el siguiente paso es la construcción de
un dispositivo de prueba y medir los parámetros de funcionamiento.
Es de especial importancia medir la actuación del sub-módulo de puntería, tanto su
exactitud como su reproducibilidad. Para ello deben hacerse una muestra de disparos
desde distintos ángulos y posiciones (usuario no centrado, usuario lejos o cerca), para
así poder estimar los errores y la precisión del sistema y poder establecer los límites de
un funcionamiento aceptable.
También debe hacerse un estudio de la autonomía del sistema, midiendo el consumo
bajo distintos escenarios y actuaciones del usuario.
Por último, sería necesario comprobar el efecto del sub-módulo de desapuntado para
verificar que cumple satisfactoriamente su función.
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5.2.- Recomendaciones para futuros desarrollos
Este diseño está en una primera fase de desarrollo, pues algunas mejoras pueden ser
implementadas en los diferentes módulos del sistema, así como nuevas funciones
pueden ser añadidas.
Para la implementación de este sistema en un entorno virtual es también necesario crear
una interfaz que reciba los datos que llegan a través de la conexión Bluetooth y los
traduzca convenientemente a las coordenadas del espacio virtual.
Un acelerómetro podría ser incorporado para aumentar la precisión de las medidas y
añadir nuevas opciones de movimiento.
La sustitución de la placa Arduino por un microcontrolador ATmega reduciría aún más
los costes de producción.
Nuevas funciones accesorias pueden ser incorporadas en el arma, como un pequeño
altavoz que simule el sonido del disparo o un indicador LED de batería baja. Incluir un
tercer LED infrarrojo no centrado permitiría detectar la posición del arma en las tres
dimensiones.
El registro de disparo puede ser cambiado para originar una señal analógica en lugar de
discreta. Así podría aplicarse la histéresis, lo que diferenciaría más claramente los
estados de “pulsado” y “no pulsado” evitando los falsos positivos originados alrededor
del umbral.
- 43 -
Capítulo 6.- Referencias
Capítulo 1
[1] T. Petric, A. Gams, A. Ude and L. Zlajpah, “Real-time 3D marker tracking with a
Wiimote stereo vision system: application to robotic throwing”, 19th International
Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region – RAAD 2010.
[2] Entrenamiento y asesoría en Telemedicina y Teleecografía:
http://www.drgdiaz.com/
[3] Da Vinci Surgical System, Intuitive Surgical: http://www.intuitivesurgical.com/
[4] Transplant Procurement Management (TPM): http://www.crviberia.com/
[5] Hoffman Hunter G., Richards Todd L., Coda Barbara, Bills Aric R., Blough David,
Richards Anne L., Sharar Sam R., “Modulation of thermal pain-related brain activity
with virtual reality: evidence from fMRI”, 2004 NeuroReport, Volume 15, Issue 8, pp
1245-1248.
[6] Pratik Shah, Ayman Faza, Raghavendra Nimmala, Steven Grant William Chapin
and Robert Montgomery, “Infrared and inertial tracking in the immersive audio
environment for enhanced military training”, 2012 IEEE International Conference on
Multimedia and Expo Workshops.
[7] K. –P. Beier, “Virtual Reality: A Short Introduction”, University of Michigan.
Capítulo 2
[1] SeongHo Baek, TaeYong Kim, JongSu Kim, ChaSeop Im, and Chan Lim, “IRED
Gun: Infrared LED Tracking System for Game Interface”, Advances in Multimedia
Information Processing – PCM 2005: 6th Pacific-Rim Conference on Multimedia.
[2] Analog Devices and Nintendo Collaboration Drives Video Game Innovation with
IMEMS Motion Signal Processing Technology: http://www.analog.com/
[3] Image processing apparatus and storage medium storing image processing program,
Patente US20070211027 A1.
[4] Ultimarc AimTrak Light Gun Module: http://www.ultimarc.com/
[5] Delta Six:A new kind of game controller: https://www.kickstarter.com/
[6] EMS TopGun III User Manual.
[7] PlayStation Move Games Interview http://uk.playstation.com/
- 44 -
[8] Playstation Move Motion Controller delivers a Whole New Entertainment
Experience to Playstation 3: http://scei.co.jp/
[9] Mao, Xiadong, Rimon, naom, “Controller for Interfacing with a Computer Program
Using Position, Orientation or Motion”, US Patent 20140200077.
[10] Jacky C. K. Chow, Derek D. Lichti, Self-Calibration of the PrimeSense 3D
Camera Technology: Microsoft Kinect”, 2013 IEEE.
[11] Rizwan Macknojia, Alberto Chávez-Aragón, Pierre Payeur, Robert Laganière,
“Experimental Characterization of Two Generations of Kinect’s Depth Sensors”, 2012
IEEE.
[12] Zen Advanced Weapons Simulator (ZEN AWeSim):
http://www.zentechnologies.com/
[13] Meggritt Training Systems, http://www.meggitttrainingsystems.com/
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