Propuesta de nuevos modelos dinámicos de cables de elevación para simulación en tiempo real.

Abstract

La evolución y abaratamiento de los costes de los equipos informáticos y, en especial, de los procesadores gráficos, han potenciado el uso de las herramientas de entrenamiento basadas en simulación, aplicadas al ámbito civil. Sin embargo, a pesar de los avances que se han producido en el modelado dinámico, existen carencias importantes en los modelos de cables y polipastos utilizados para los simuladores de entrenamiento de grúas otras máquinas de elevación. En primer lugar, no existe ningún trabajo que determine de forma clara cómo simular un polipasto que considere tanto la oscilación del cable coo el sistema de poleas. En segundo lugar, diversos autores muestran la aparición de problemas de inestabilidad numérica en la simulación de cables de elevación. En tercer lugar, a pesar de la diversidad de modelos existentes de cables y poleas, resulta difícil encontrar modelos suficientemente flexibles para todo el rango de situaciones que requieren las simulaciones iteractivas en tiempo real. El objetivo principal de esta investigación es conseguir modelos dinámicos de sistemas de elevación basados en las propiedades ísicas de los cables y las poleas para la simulación interactiva en tiempo real. Para alcanzar este objetivo se recurrirá a una metodología de modelado consistente en el desarrollo de un modelo abstracto delsistema, que permitirá construir modelos dinámicos adecuados para la simulación interactiva. La principal contribución de este trabajo es el desarrollo de un modelo de polipasto adecuado para aplicaciones de simulación pra entrenamiento, que contempla la interacción entre el cable y las poleas, la oscilación transversal del cable o la variación de la longitud de éste. El modelo desarrollado permite además la interacción con otros objetos del entorno virtual, por medio de fuerzas y de colisiones. Por medio de la modularización del sistema, se definirán diferentes modelos dinámicos para cada subsistema y se combinarán por medio del modelo abstracto. Esto permitirá integrar cualquiera de estos modelos en el modelo dinámico de polipasto, e incluso intercambiar los modelos en tiempo de ejecución, ampliando el rango de validez del modelo obtenido y mejorando la estabilidad numérica en situaciones de tensión elevada. Los modelos desarrollados se implementarán, junto con aplicaciones de demostración, desarrollando aquellas técnicas que puedan ser necesarias para su incorporación a un entorno virtual. Las principales propiedades de los modelos se analizarán por medio de experimentos numéricos y se validará su comportamiento.

The evolution and lower costs of computers and especially of graphics processors, have boosted the use of training tools based on simulation, applied to the civil sphere. However, despite the advances that have occurred in the dynamic modeling, there are major shortcomings in the models of cables and pulleys used for the training simulators of cranes and other lifting machinery. First, there is no work to identify clearly how to simulate a hoist to consider both the oscillation of the cable pulley system. Secondly, several authors show the emergence of instability in the numerical simulation of lifting cables. Thirdly, despite the diversity of existing models of pulleys and cables, it is difficult to find models flexible enough for the whole range of situations that require real-time interactive simulations. The main objective of this research is to obtain dynamic models of systems based on raising the physical properties of cables and pulleys to simulate interactively in real time. To achieve this goal we draw a consistent modeling methodology to develop an abstract model of the system, which will build dynamic models suitable for interactive simulation. The main contribution of this work is to develop a model suitable for hoist applications of simulation for training, which involves the interaction between the cable and pulleys, the transverse oscillation of the cable or the variation of the length of it. The model also allows the interaction with other objects in the virtual environment by means of forces and collisions. Through the modularization of the system, different dynamic models are defined for each subsystem and will be combined using the abstract model. This will integrate any of these models in the dynamic model of hoist, and even exchange models at runtime, extending the range of validity of the model and obtained better numerical stability in situations of high tension. The models developed will be implemented, together with demo applications, developing those techniques that may be necessary for joining a virtual environment. The main properties of the samples are analyzed by numerical experiments and validate their behavior.