Simulador de movimiento

Un simulador de movimiento o plataforma de movimiento es un mecanismo que crea la sensación de estar en un entorno de movimiento real. ^[1] En un simulador, el movimiento se sincroniza con una pantalla visual de la escena del mundo exterior (OTW). Las plataformas de movimiento pueden proporcionar movimiento en los seis grados de libertad (DOF) que puede experimentar un objeto que es libre de moverse, como una aeronave o una nave espacial: ^[1] Estos son los tres grados de libertad rotacionales (balanceo, cabeceo, guiñada) y los tres grados de libertad traslacionales o lineales (oleaje, elevación, balanceo).

Los simuladores de movimiento se pueden clasificar según si el ocupante controla el vehículo (como en un simulador de vuelo para entrenar pilotos) o si el ocupante es un conductor pasivo , como en un simulador de conducción o un teatro en movimiento. ^[2]

• Ejemplos de simuladores de movimiento controlados por ocupantes son los simuladores de vuelo , los simuladores de conducción y las máquinas recreativas hidráulicas para juegos de carreras y otros videojuegos de arcade . Otros juegos de simulación de vehículos controlados por ocupantes simulan el control de barcos, motocicletas, montañas rusas, vehículos militares, vehículos todo terreno o naves espaciales, entre otros tipos de naves. ^[3]
• Ejemplos de simuladores de atracciones pasivas son las atracciones de parques temáticos , donde hay un sistema de teatro completo con una pantalla de proyección frente a los pasajeros. La base del simulador de movimiento también puede ser portátil, como en el caso del vehículo de movimiento mejorado . Consulta la sección de simuladores de atracciones y simuladores de atracciones de este artículo para obtener más detalles sobre los simuladores de movimiento pasivo.

Las plataformas de movimiento para simuladores de aeronaves se encuentran en el extremo superior, además de algunas de las atracciones de parques de diversiones más caras que utilizan una base de movimiento tipo simulador; los dispositivos de entretenimiento arcade están en el medio, y las plataformas de movimiento para uso doméstico son de bajo costo pero no tan capaces como los dispositivos de nivel superior.

En los simuladores de vuelo que se utilizan para entrenar a los pilotos se utilizan muchas plataformas de movimiento. ^[4]

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Una de las primeras plataformas de movimiento, la Sanders Teacher, se creó en 1910. Se trataba de un modelo de avión conectado al suelo mediante una junta universal. Cuando había viento, el piloto en formación podía utilizar las superficies de control del avión para mover el modelo en los tres grados de libertad de rotación : cabeceo, balanceo y guiñada.

En 1929, Edwin Link logró un avance significativo en la tecnología de plataformas móviles con la patente de lo que se conocería como "Link Trainer". Este sistema utilizaba la palanca de control del piloto y los controles del timón para controlar unos fuelles tipo órgano situados debajo de la cabina del simulador. Los fuelles podían inflarse o desinflarse, lo que proporcionaba movimiento en cabeceo, balanceo y guiñada.

En 1958, un simulador de vuelo para el avión Comet 4 utilizó un sistema hidráulico de tres grados de libertad.

Las plataformas de simulación de movimiento actuales utilizan 6 conectores ("hexápodos") que proporcionan los seis grados de libertad, las tres rotaciones: cabeceo, balanceo y guiñada, además de los tres movimientos de traslación: elevación (arriba y abajo), balanceo (lateralmente) y oleaje (longitudinal).

Los movimientos de 6 grados de libertad son señales poderosas cuando se combinan con imágenes del mundo exterior (OTW). Las plataformas de movimiento junto con imágenes OTW se utilizan en: simulación de vuelo, simulación de conducción, juegos mecánicos y pequeños simuladores domésticos.

La plataforma de movimiento se utiliza en aplicaciones de formación de instrucción de vuelo militar y comercial . También en dispositivos de entretenimiento en parques temáticos, con usuarios desde una sola persona hasta muchos, sentados en filas frente a pantallas en las que se proyectan imágenes, sincronizadas con los movimientos de la plataforma situada debajo de la cabina del simulador.

Un sistema de movimiento de alta gama típico es la plataforma Stewart , que proporciona 6 grados de libertad (3 de traslación y 3 de rotación) y emplea algoritmos sofisticados para proporcionar movimientos y aceleraciones de alta fidelidad. Se utilizan en diversas aplicaciones, incluidos simuladores de vuelo para la formación de pilotos.

En la parte media del espectro se incluyen las plataformas de movimiento en los juegos de arcade , las atracciones y otros sistemas. Estos sistemas tienen un precio que va desde los 10.000 dólares hasta los 99.000 dólares. Normalmente, los requisitos de espacio para una plataforma de este tipo son modestos, ya que solo requieren una parte de una sala de juegos y se proporciona un rango de movimiento más pequeño a través de sistemas de control similares y menos costosos que las plataformas de gama alta.

En la década de 1980, se convirtió en una tendencia para los videojuegos arcade utilizar gabinetes arcade con simuladores de movimiento hidráulicos . ^{[5] [6]} La tendencia fue provocada por los juegos "taikan" de Sega , donde "taikan" significa "sensación corporal" en japonés. ^[6] El primer juego de Sega en usar un gabinete simulador de movimiento fue Space Tactics (1981), un simulador de combate espacial que tenía un gabinete de cabina donde la pantalla se movía en sincronía con la acción en pantalla. ^[5] La tendencia "taikan" comenzó más tarde cuando el equipo de Yu Suzuki en Sega (más tarde conocido como Sega AM2 ) desarrolló Hang-On (1985), un videojuego de carreras donde el jugador se sienta y mueve una réplica de motocicleta para controlar las acciones del juego. ^[7] El equipo de Suzuki en Sega siguió con gabinetes de simuladores de movimiento hidráulicos para juegos de disparos sobre raíles como Space Harrier (1985), juegos de carreras como Out Run (1986) y simuladores de vuelo de combate arcade como After Burner (1987) y G-LOC: Air Battle (1990). Uno de los gabinetes de simuladores de movimiento más sofisticados en las salas de juegos fue el R360 (1990) de Sega, que simulaba la rotación completa de 360 ​​grados de una aeronave. ^{[5] [8]} Desde entonces, Sega ha seguido fabricando gabinetes de simuladores de movimiento para juegos arcade hasta la década de 2010. ^[5]

Los sistemas de menor costo incluyen plataformas de movimiento para uso doméstico, que recientemente se han convertido en un dispositivo más común para mejorar los videojuegos, la simulación y la realidad virtual. Estos sistemas se encuentran en un rango de precios de entre 1.000 y 9.000 dólares estadounidenses. Durante la década de 2000, varias personas y entidades comerciales han desarrollado estos sistemas de movimiento más pequeños y asequibles. La mayoría de estos sistemas fueron desarrollados principalmente por entusiastas de la simulación de vuelo, se vendieron como proyectos para hacer uno mismo y se podían ensamblar en el hogar a partir de componentes comunes por alrededor de mil dólares estadounidenses (1.000 dólares estadounidenses). ^{[9] Recientemente, ha habido un mayor interés en el mercado en las plataformas de movimiento para un uso más personal, en el hogar. La aplicación de estos sistemas de movimiento se extiende más allá de la simulación de entrenamiento de vuelo hacia un mercado más amplio de sistemas de simulación, entretenimiento y} realidad virtual "orientados a la artesanía" más generalizados . ^[10]

Las plataformas de movimiento se utilizan habitualmente en el campo de la ingeniería para el análisis y la verificación del rendimiento y el diseño de vehículos. La capacidad de vincular un modelo dinámico basado en computadora de un sistema particular con el movimiento físico le brinda al usuario la posibilidad de sentir cómo respondería el vehículo a las entradas de control sin la necesidad de construir prototipos costosos. Por ejemplo, un ingeniero que diseña un tanque de combustible externo para una aeronave podría hacer que un piloto determine el efecto sobre las cualidades de vuelo o un ingeniero mecánico podría sentir los efectos de un nuevo sistema de frenos sin construir ningún hardware, ahorrando tiempo y dinero.

Los fabricantes de aeronaves también utilizan simuladores de vuelo para probar nuevo hardware. Al conectar una cabina simulada con una pantalla visual a un sistema de control de vuelo real en un laboratorio, integrando al piloto con los componentes eléctricos, mecánicos e hidráulicos que existen en la aeronave real, se puede realizar una evaluación completa del sistema antes de la prueba de vuelo inicial. Este tipo de prueba permite la simulación de "fallas predefinidas" (es decir, una fuga hidráulica intencional, un error de software o un apagado de la computadora) que sirven para validar que las características de diseño redundantes de una aeronave funcionan como se espera. Un piloto de pruebas también puede ayudar a identificar deficiencias del sistema, como indicadores de advertencia inadecuados o faltantes, o incluso un movimiento no deseado de la palanca de control. Esta prueba es necesaria para simular eventos de riesgo extremadamente alto que no se pueden realizar en vuelo pero que, no obstante, deben demostrarse. Si bien no es necesario un movimiento de 6 grados de libertad para este tipo de prueba, la pantalla visual permite al piloto "volar" la aeronave mientras se activan simultáneamente las fallas.

Los simuladores de movimiento a veces se utilizan en parques temáticos o de atracciones para ofrecer a los visitantes del parque una simulación de vuelo u otro movimiento.

Algunos ejemplos:

• Star Tours: The Adventures Continue , ubicado en Disneyland y otros parques temáticos de Disney , utiliza simuladores de vuelo militares modificados específicamente, conocidos como Simuladores de aplicaciones de ocio de tecnología avanzada (ATLAS), para simular un vuelo a través del espacio exterior.
• Body Wars (ahora cerrado) era una atracción en el pabellón Wonders of Life en Epcot que utilizaba la misma tecnología que Star Tours para simular un viaje a través del cuerpo humano.
• Ártico salvaje en SeaWorld Orlando y SeaWorld San Diego .
• Soarin' Over California , ubicado en Disney California Adventure , utiliza una pantalla de domo IMAX y una simulación de ala delta para proporcionar un vuelo simulado sobre muchos de los lugares pintorescos de California.
• Nemo & Friends SeaRider es un simulador de atracción en Tokyo DisneySea .
• Star Trek: The Experience se realizó en el Las Vegas Hilton entre 1998 y 2008. Su "Encuentro con Klingon" culminó con un simulador de vuelo de última generación con 6 grados de libertad que incluía secuencias cinematográficas de batallas espaciales.
• Back to the Future: The Ride , una atracción de simulación basada en la serie de películas Back to the Future , se encontraba en Universal Studios Florida , Universal Studios Hollywood y Universal Studios Japan . La atracción utilizaba simuladores de coches basados ​​en el DeLorean que se enfrentaban a una pantalla de cúpula IMAX de 21 metros de altura. En 2008, fue reemplazada en los parques de Florida y Hollywood por otra atracción de simulación, The Simpsons Ride .
• El Funtastic World of Hanna-Barbera (ahora cerrado) fue una de las atracciones originales de Universal Studios Florida. La atracción utilizaba simuladores de autos basados ​​en cohetes y una pantalla del tamaño de una sala de cine.
• El Nicktoon Blast de Jimmy Neutron (ahora cerrado) estaba ubicado en el parque temático Universal Studios Florida donde antes se encontraba The Funtastic World of Hanna-Barbera. La atracción utilizaba simuladores de autos basados ​​en cohetes y una pantalla del tamaño de una sala de cine.
• El Museo Nacional del Aire y del Espacio en Washington, DC, alberga una galería llena de simuladores de vuelo interactivos de dos asientos que realizan giros de 360 ​​grados en combate aéreo. ^{[11] [12]}
• Europe in the Air , un simulador ubicado en Busch Gardens Williamsburg , utiliza una plataforma de movimiento, imágenes de alta definición y efectos de viento para simular el vuelo sobre los íconos notables de Europa .
• VRM Suiza y Airbus Helicopters cooperan y califican según las regulaciones EASA el primer dispositivo de entrenamiento de vuelo de realidad virtual H125 de nivel 3 del mundo

Algunos juegos de simulación de conducción y vuelo permiten el uso de controladores especializados, como volantes, pedales o joysticks. Algunos controladores de juegos diseñados en los últimos años han empleado tecnología háptica para proporcionar una respuesta táctil en tiempo real al usuario en forma de vibración del controlador. Un simulador de movimiento da el siguiente paso al proporcionar al jugador una respuesta táctil de cuerpo completo. Las sillas de juego con movimiento pueden rodar hacia la izquierda y la derecha e inclinarse hacia adelante y hacia atrás para simular curvas, aceleraciones y desaceleraciones. Las plataformas de movimiento permiten una experiencia de juego más estimulante y potencialmente realista, y permiten una correlación física aún mayor con la vista y el sonido en el juego.

La forma en que percibimos nuestro cuerpo y nuestro entorno es una función de la forma en que nuestro cerebro interpreta las señales de nuestros diversos sistemas sensoriales, como la vista, el oído, el equilibrio y el tacto. Las unidades de captación sensorial especiales (o "almohadillas" sensoriales) llamadas receptores traducen los estímulos en señales sensoriales. Los receptores externos (exteroceptores) responden a los estímulos que surgen fuera del cuerpo, como la luz que estimula los ojos, la presión sonora que estimula el oído, la presión y la temperatura que estimulan la piel y las sustancias químicas que estimulan la nariz y la boca. Los receptores internos (enteroceptores) responden a los estímulos que surgen desde el interior de los vasos sanguíneos.

La estabilidad postural se mantiene mediante los reflejos vestibulares que actúan sobre el cuello y las extremidades. Estos reflejos, que son fundamentales para una sincronización exitosa del movimiento, están bajo el control de tres clases de información sensorial:

• Los propioceptores son receptores ubicados en músculos, tendones, articulaciones e intestinos que envían señales al cerebro sobre la posición del cuerpo. Los pilotos de aviones a veces se refieren a este tipo de información sensorial como el “asiento de los pantalones”, por ejemplo, el aumento de presión en el cuerpo que se siente en maniobras de bucle, dominadas y giros pronunciados.
• El sistema vestibular está formado por los órganos izquierdo y derecho del "oído interno", cada uno de los cuales tiene canales semicirculares y otolitos. Las aceleraciones rotacionales en cabeceo, balanceo y guiñada se detectan a través del movimiento del fluido en los tres canales semicirculares. Las aceleraciones lineales en elevación, balanceo y oleaje son detectadas por los "otolitos", que son pelos sensoriales con una pequeña masa de carbonato de calcio en la parte superior, de modo que se doblan bajo aceleración lineal.
• La información visual que recibe el ojo transmite al cerebro información sobre la posición, la velocidad y la altitud de la nave en relación con los objetos de la escena visual del mundo exterior (OTW). La velocidad de cambio de perspectiva de una escena visual en movimiento es una señal importante en el mundo real, y el sistema visual de un simulador utiliza gráficos de computadora para modelar la escena real.

Los propioceptores son receptores ubicados en músculos, tendones, articulaciones e intestinos, que envían señales al cerebro en proporción a las aceleraciones a las que está sometido el cuerpo. Un ejemplo de propioceptor "popular" mencionado por los pilotos de aviones es la sensación en el "asiento de los pantalones". Los propioceptores responden a los estímulos generados por el movimiento y la tensión muscular. Las señales generadas por los exteroceptores y propioceptores son transportadas por neuronas sensoriales o nervios y se denominan señales electroquímicas. Cuando una neurona recibe una señal de este tipo, la envía a una neurona adyacente a través de un puente llamado sinapsis. Una sinapsis "activa" el impulso entre neuronas a través de medios eléctricos y químicos. Estas señales sensoriales son procesadas por el cerebro en respuesta a las señales que viajan a lo largo de los nervios motores. Las neuronas motoras, con sus fibras especiales, llevan estas señales a los músculos, que reciben instrucciones de contraerse o relajarse.

Todos ellos son sensores de aceleración y no reaccionan cuando se alcanza una velocidad constante. A velocidad constante, las señales visuales dan señales de movimiento hasta que se produce otra aceleración y los sensores de movimiento del cuerpo envían nuevamente señales al cerebro.

En las plataformas de movimiento de simuladores, después de producirse una aceleración inicial, la plataforma se vuelve a colocar en una posición neutra a una velocidad inferior al umbral de movimiento humano, de modo que el sujeto no detecte la denominada fase de "desvanecimiento" de la señalización de movimiento del simulador. El sistema de movimiento está entonces listo para realizar la siguiente aceleración, que será detectada por el sujeto, como en el mundo real. Esta denominada "señal de inicio de aceleración" es un aspecto importante en los simuladores con plataformas de movimiento y modela la forma en que los humanos sienten los movimientos en el mundo real.

El sistema vestibular es el sistema de equilibrio del cuerpo que incluye los órganos vestibulares izquierdo y derecho del "oído interno". Consta de tres canales o tubos semicirculares, dispuestos en ángulos rectos entre sí. Cada canal está revestido de pelos conectados a terminaciones nerviosas y está parcialmente lleno de líquido. Cuando la cabeza experimenta aceleración, el líquido se mueve dentro de los canales, lo que hace que los folículos pilosos se muevan de su orientación inicial. A su vez, las terminaciones nerviosas envían señales al cerebro, que las interpreta como aceleración en las tres rotaciones: cabeceo, balanceo o guiñada.

El sistema vestibular genera reflejos para mantener la estabilidad perceptiva y postural, en comparación con los otros sentidos de la vista, el tacto y el oído, la entrada vestibular es registrada rápidamente por el cerebro, mientras que los cambios visuales como la perspectiva y el movimiento del horizonte, siguen poco después. ^[14] Por lo tanto, en un simulador es esencial que las señales visuales no se perciban antes que las señales de movimiento, ya que puede ocurrir lo contrario de la situación del mundo real, o el llamado "mareo del simulador". ^[15] En segundo lugar, si la cabeza experimenta aceleraciones sostenidas del orden de 10 a 20 segundos, los folículos pilosos regresan a la posición "cero" o vertical y el cerebro interpreta esto como que la aceleración cesa. Además, existe un umbral de aceleración inferior de aproximadamente 2 grados por segundo que el cerebro no puede percibir. En otras palabras, el movimiento lento por debajo del umbral no generará señales vestibulares. Como se explicó en la sección anterior “Proprioceptores”, esto permite que el movimiento del simulador se “elimine” por debajo del umbral, quedando listo para la siguiente aceleración que producirá la plataforma de movimiento y será detectada por el sujeto del simulador.

El ojo humano es una fuente importante de información en la simulación de movimiento cuando se dispone de una imagen de alta resolución, como por ejemplo durante el día y con buena visibilidad. El ojo transmite información al cerebro sobre la posición, la velocidad y la actitud de la nave en relación con el suelo. Por ello, para una simulación realista es esencial que las señales de una plataforma de movimiento (si está instalada) funcionen en sincronía con la escena visual externa. Como se ha comentado anteriormente, en el mundo real las señales de movimiento son procesadas por el cerebro antes de que se produzcan cambios visuales, y esto debe seguirse en un simulador o, de lo contrario, pueden producirse mareos e incluso náuseas en algunas personas, lo que se denomina "enfermedad del simulador".

Por ejemplo, si el ocupante ordena al vehículo que gire hacia la izquierda, las pantallas visuales también deben girar en la misma magnitud y a la misma velocidad. Al mismo tiempo, la cabina inclina al ocupante para imitar el movimiento. Los propioceptores y el sistema vestibular del ocupante detectan este movimiento. El movimiento y el cambio en las señales visuales deben estar lo suficientemente bien alineados como para que cualquier discrepancia esté por debajo del umbral del ocupante para detectar las diferencias en el movimiento.

Para que un dispositivo de entrenamiento o entretenimiento sea eficaz, las señales que recibe el cerebro a través de cada una de las entradas sensoriales del cuerpo deben coincidir.

Con la mayoría de los sistemas existentes es físicamente imposible simular correctamente el movimiento a gran escala en el espacio limitado disponible en un simulador. El enfoque estándar consiste en simular las señales de aceleración inicial lo más fielmente posible. ^[16]

En principio, la velocidad no se puede percibir directamente sólo mediante señales relativas, como las que proceden del sistema vestibular. Para un sistema de este tipo, volar en el espacio con una velocidad constante no es diferente a sentarse en una silla. Sin embargo, el cambio de velocidad se percibe como aceleración, o fuerza que actúa sobre el cuerpo humano. En el caso de la aceleración lineal constante, una sustitución de la situación real es sencilla. Dado que los seres humanos no perciben muy bien la amplitud de la aceleración, se puede inclinar al sujeto hacia atrás y utilizar el vector de gravedad como sustituto de la fuerza resultante correcta de la gravedad y la aceleración hacia delante. En este caso, inclinar un simulador hacia atrás y girar la imagen visual en el mismo ángulo proporciona al sujeto una fuerza en la espalda que se percibe como aceleración hacia delante.

Los otolitos detectan las aceleraciones lineales. La estructura de los otolitos es más simple que los canales semicirculares de tres ejes que detectan las aceleraciones angulares. Los otolitos contienen partículas de carbonato de calcio que se quedan rezagadas respecto del movimiento de la cabeza, desviando las células pilosas. Estas células transmiten información sobre el movimiento al cerebro y a los músculos oculomotores. Los estudios indican que los otolitos detectan el componente tangencial de las fuerzas aplicadas. Un modelo de función de transferencia entre la fuerza percibida y las fuerzas aplicadas viene dado por:${\displaystyle y(s)}$${\displaystyle f(s)}$

${\displaystyle {\frac {y(s)}{f(s)}}={\frac {2.02(s+0.1)}{s+0.2}}}$

En base a experimentos con centrífugas, se han reportado valores umbral de 0,0011 ft/s2 ^; valores de hasta 0,4 ft/s2 ^se han reportado en base a estudios aéreos en la URSS. Los mismos estudios sugieren que el umbral no es una aceleración lineal sino más bien un movimiento de sacudida (tercera derivada temporal de la posición), y el valor umbral reportado es del orden de 0,1 ft/s3 ^. Estos hallazgos están respaldados por estudios tempranos que muestran que la cinemática del movimiento humano está representada por características de perfiles de sacudidas. ^[18]

Las aceleraciones angulares se detectan mediante canales semicirculares. Los tres canales semicirculares son ortogonales entre sí (similares a un acelerómetro de tres ejes) y están llenos de un líquido llamado endolinfa. En cada canal, hay una sección donde el diámetro es mayor que el resto del canal. Esta sección se llama ampolla y está sellada por una solapa llamada cúpula. Las aceleraciones angulares se detectan de la siguiente manera: una aceleración angular hace que el líquido en los canales se mueva, desviando la cúpula. Los nervios en la cúpula informan el movimiento tanto al cerebro como a los músculos oculomotores, estabilizando los movimientos oculares. Un modelo de función de transferencia entre el desplazamiento angular percibido y el desplazamiento angular real es:${\displaystyle y(s)}$${\displaystyle phi(s)}$

${\displaystyle {\frac {y(s)}{phi(s)}}={\frac {0.07s^{3}(s+50)}{(s+0.05)(s+0.03)}}}$

Un modelo de segundo orden del ángulo de la cúpula viene dado por${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle {\ddot {\theta }}+2\zeta \omega _{n}{\dot {\theta }}+\omega _{n}\theta =u(t)}$

donde es la relación de amortiguamiento, es la frecuencia natural de la cúpula y es la aceleración angular de entrada. Se ha informado que los valores de están entre 3,6 y 6,7, mientras que los valores de están entre 0,75 y 1,9. Por lo tanto, el sistema está sobreamortiguado con raíces reales distintas. La constante de tiempo más corta es de 0,1 segundos, mientras que la constante de tiempo más larga depende del eje sobre el que el sujeto de prueba está acelerando (balanceo, cabeceo o guiñada). Estas constantes de tiempo son de uno a dos órdenes de magnitud mayores que la constante de tiempo más corta.${\displaystyle \zeta }$${\displaystyle \omega _{n}}$${\displaystyle u(t)}$${\displaystyle \zeta }$${\displaystyle \omega _{n}}$

Los experimentos han demostrado que las aceleraciones angulares por debajo de un cierto nivel no pueden ser detectadas por un sujeto de prueba humano. Se han reportado valores de para aceleraciones de cabeceo y balanceo en un simulador de vuelo.${\displaystyle 0.5^{\circ }/\sec ^{2}}$

Los estudios anteriores indican que el sistema vestibular del piloto detecta las aceleraciones antes de que los instrumentos de la aeronave las muestren. Esto puede considerarse un bucle de control interno en el que los pilotos responden a las aceleraciones que se producen en simuladores y aeronaves de movimiento completo, pero no en simuladores fijos. Este efecto muestra que existe una posible transferencia negativa del entrenamiento cuando se pasa de un simulador fijo a una aeronave e indica la necesidad de sistemas de movimiento para un entrenamiento de pilotos de fidelidad total.

Es físicamente imposible simular con precisión un movimiento real a gran escala en el espacio limitado de un laboratorio. El enfoque estándar para simular el movimiento (lo que se denomina "señalización del movimiento") es simular las señales "relevantes" lo más fielmente posible que desencadenan la percepción del movimiento . Estas señales pueden ser de naturaleza visual, auditiva o somatosensorial. Las señales visuales y auditivas permiten a los humanos percibir su ubicación en el espacio a escala absoluta, mientras que las señales somatosensoriales (principalmente la propiocepción y otras señales del sistema vestibular) solo brindan retroalimentación de las aceleraciones.

Por ejemplo, supongamos que viajamos en un coche a una velocidad constante arbitraria. En esta situación, nuestro sentido de la vista y el oído proporcionan las únicas señales (excluyendo la vibración del motor) de que el coche se está moviendo; ninguna otra fuerza actúa sobre los pasajeros del coche excepto la gravedad. A continuación, consideremos el mismo ejemplo de un coche que se mueve a velocidad constante, excepto que esta vez todos los pasajeros del coche tienen los ojos vendados. Si el conductor pisara el acelerador, el coche aceleraría hacia delante, empujando así a cada pasajero hacia atrás en su asiento. En esta situación, cada pasajero percibiría el aumento de velocidad al sentir la presión adicional del cojín del asiento.

Los filtros de lavado son un aspecto importante de la implementación de plataformas de movimiento, ya que permiten que los sistemas de movimiento, con su rango de movimiento limitado, simulen el rango de dinámica del vehículo que se está simulando. Dado que el sistema vestibular humano se centra automáticamente durante movimientos constantes, se utilizan filtros de lavado para suprimir señales de baja frecuencia innecesarias mientras se devuelve el simulador a una posición neutra en aceleraciones por debajo del umbral de percepción humana. Por ejemplo, un piloto en un simulador de movimiento puede ejecutar un giro constante y nivelado durante un período prolongado de tiempo que requeriría que el sistema se mantuviera en el ángulo de inclinación asociado, pero un filtro de lavado permite que el sistema regrese lentamente a una posición de equilibrio a una velocidad por debajo del umbral que el piloto puede detectar. Esto permite que la dinámica de nivel superior del vehículo calculado proporcione señales realistas para la percepción humana, mientras se mantiene dentro de las limitaciones del simulador. ^{[19] [20]}

Los tres tipos más comunes de filtros de lavado son los filtros de lavado clásicos, adaptativos y óptimos. El filtro de lavado clásico comprende filtros de paso bajo y paso alto lineales. La señal que entra al filtro se divide en señales de traslación y rotación. Los filtros de paso alto se utilizan para simular aceleraciones transitorias de traslación y rotación, mientras que los filtros de paso bajo se utilizan para simular aceleraciones sostenidas. ^[21] El filtro de lavado adaptativo utiliza el esquema de filtro de lavado clásico, pero utiliza un mecanismo de autoajuste que no está presente en el filtro de lavado clásico. Por último, el filtro de lavado óptimo tiene en cuenta los modelos para el sistema vestibular. ^[20]

El filtro de lavado clásico es simplemente una combinación de filtros de paso alto y paso bajo ; por lo tanto, la implementación del filtro es compatiblemente fácil. Sin embargo, los parámetros de estos filtros tienen que determinarse empíricamente. Las entradas al filtro de lavado clásico son fuerzas específicas del vehículo y velocidad angular. Ambas entradas se expresan en el marco fijo de la carrocería del vehículo. Dado que la fuerza de baja frecuencia es dominante en el impulso de la base de movimiento, la fuerza se filtra con paso alto y produce las traducciones del simulador. Se realiza una operación muy similar para la velocidad angular.

Para identificar la inclinación de la plataforma de movimiento, el mecanismo de inclinación primero proporciona el componente de baja frecuencia de la fuerza para el cálculo de rotación. Luego, el componente de alta frecuencia 'f' se utiliza para orientar el vector de gravedad 'g' de la plataforma del simulador:

${\displaystyle \beta =\sin ^{-1}({\frac {f}{g}})}$

Normalmente, para encontrar la posición, el filtro de paso bajo (en una configuración de tiempo continuo) se representa en el dominio s con la siguiente función de transferencia :

${\displaystyle LP(s)={\frac {1}{1+sT}}}$

Las entradas al filtro paso alto se calculan luego de acuerdo con la siguiente ecuación:

${\displaystyle U(s)=(\beta +LP(s))X(s)}$

donde son las entradas de fuerza. El filtro de paso alto puede representarse entonces según (por ejemplo) la siguiente serie:${\displaystyle X(s)}$

${\displaystyle HP(s)={\frac {Y(s)}{U(s)}}={\frac {s^{2}T_{2}^{2}}{1+s2dT_{2}+s^{2}T_{2}^{2}}}({\frac {1}{s}}){\frac {sT_{1}}{1+sT_{1}}}({\frac {1}{s}})}$

Los dos integradores de esta serie representan la integración de la aceleración en velocidad y la velocidad en posición, respectivamente. y representan los parámetros del filtro. Es evidente que la salida del filtro se anulará en estado estacionario, preservando la ubicación de los puntos de equilibrio de lazo abierto. Esto significa que mientras que las entradas transitorias serán "pasadas", las entradas de estado estacionario no, cumpliendo así con los requisitos del filtro. ^[22]${\displaystyle T,}$ ${\displaystyle T_{1}}$${\displaystyle T_{2}}$

La práctica actual para determinar empíricamente los parámetros dentro del filtro de deslave es un proceso de ajuste subjetivo de prueba y error mediante el cual un piloto de evaluación experto vuela maniobras predeterminadas. Después de cada vuelo, la impresión del piloto sobre el movimiento se comunica a un experto en filtros de deslave que luego ajusta los coeficientes del filtro de deslave en un intento de satisfacer al piloto. Los investigadores también han propuesto utilizar un paradigma de ajuste y la captura de dicho uso mediante un sistema experto. ^[23]

Este filtro de lavado puede considerarse como el resultado de una combinación de un filtro de lavado adaptativo y uno óptimo. Se desea un enfoque no lineal para maximizar aún más las señales de movimiento disponibles dentro de las limitaciones de hardware del sistema de movimiento, lo que da como resultado una experiencia más realista. Por ejemplo, el algoritmo descrito por Daniel y Augusto calcula una ganancia, α, como una función de los estados del sistema; por lo tanto, el lavado varía con el tiempo. La ganancia 'α' aumentará a medida que los estados de la plataforma aumenten su magnitud, lo que deja lugar para una acción de control más rápida para lavar rápidamente la plataforma a su posición original. El resultado opuesto ocurre cuando la magnitud de los estados de la plataforma es pequeña o decreciente, lo que prolonga las señales de movimiento que se mantendrán durante períodos más largos. ^[24]

Asimismo, el trabajo de Telban y Cardullo agregó un modelo de percepción integrado que incluye tanto la sensación visual como la vestibular para optimizar la percepción del movimiento por parte del ser humano. Se ha demostrado que este modelo mejora las respuestas del piloto a las señales de movimiento. ^[25]

Este enfoque adaptativo se desarrolló en la NASA Langley. Está compuesto por una combinación de filtros determinados empíricamente en los que varios de los coeficientes se varían de una manera prescrita para minimizar una función objetivo (de costo) establecida. En un estudio realizado en la Universidad de Toronto, el filtro adaptativo coordinado proporcionó las "calificaciones de piloto más favorables" en comparación con los otros dos tipos de filtros de desvanecimiento. Los beneficios de este estilo de filtro de desvanecimiento se pueden resumir en dos puntos principales. Primero, las características adaptativas brindan señales de movimiento más realistas cuando el simulador está cerca de su posición neutral, y el movimiento solo se reduce en los límites de las capacidades del sistema de movimiento, lo que permite un mejor uso de las capacidades del sistema de movimiento. En segundo lugar, la función de costo o la función objetivo (por la cual se optimiza el filtro de desvanecimiento) es muy flexible y se pueden agregar varios términos para incorporar modelos de mayor fidelidad. Esto permite un sistema expandible que es capaz de cambiar con el tiempo, lo que da como resultado un sistema que responde de la manera más precisa durante todo el vuelo simulado. Las desventajas son que el comportamiento es difícil de ajustar, principalmente debido a los canales de alimentación cruzada. Finalmente, el tiempo de ejecución es relativamente alto debido a la gran cantidad de llamadas a funciones derivadas requeridas. Además, a medida que se introducen funciones de costo más complejas, el tiempo de cálculo correspondiente requerido aumentará. ^[26]

Aunque los filtros de lavado son muy útiles para simular una gama más amplia de condiciones que las capacidades físicas de una plataforma de movimiento, su rendimiento y su utilidad en aplicaciones de simulación tienen limitaciones. Los filtros de lavado aprovechan las limitaciones de la percepción humana para dar la apariencia de un entorno de simulación más grande que el que realmente existe. Por ejemplo, un piloto en un simulador de movimiento puede ejecutar un viraje constante y nivelado durante un período prolongado de tiempo, lo que requeriría que el sistema se mantuviera en el ángulo de inclinación asociado. En esta situación, un filtro de lavado permite que el sistema regrese lentamente a una posición de equilibrio a una velocidad inferior al umbral que el piloto puede detectar. El beneficio de esto es que el sistema de movimiento ahora tiene un mayor rango de movimiento disponible para cuando el piloto ejecute su próxima maniobra.

Este tipo de comportamiento se aplica fácilmente en el contexto de la simulación de aeronaves con maniobras muy predecibles y graduales (como aeronaves comerciales o transportes de mayor tamaño). Sin embargo, estas dinámicas lentas y suaves no existen en todos los entornos de simulación prácticos y disminuyen los beneficios de los filtros de desvanecimiento y de un sistema de movimiento. Tomemos como ejemplo el entrenamiento de pilotos de combate: si bien el régimen de crucero estable de un avión de combate puede simularse bien dentro de estas limitaciones, en situaciones de combate aéreo las maniobras de vuelo se ejecutan de manera muy rápida hasta extremos físicos. En estos escenarios, no hay tiempo para que un filtro de desvanecimiento reaccione para devolver el sistema de movimiento a su equilibrio de rango, lo que hace que el sistema de movimiento alcance rápidamente sus limitaciones de rango de movimiento y deje de simular con precisión la dinámica. Es por esta razón que los sistemas basados ​​en filtros de movimiento y de desvanecimiento a menudo se reservan para aquellos que experimentan un rango limitado de condiciones de vuelo.

Los propios filtros también pueden introducir señales falsas, definidas como: 1) una señal de movimiento en el simulador que está en la dirección opuesta a la del avión, 2) una señal de movimiento en el simulador cuando no se esperaba ninguna en el avión, y 3) una distorsión de frecuencia relativamente alta de una señal sostenida en el simulador para una señal sostenida esperada en el avión. La definición anterior agrupa todos los errores de señalización que conducen a disminuciones muy grandes en la fidelidad del movimiento percibido. ^[23] Seis posibles fuentes de señales falsas son:

• Limitación de software o hardware: cuando el simulador se acerca a un límite de desplazamiento, se proporcionan dos métodos de protección: 1) limitación de software y 2) limitación de hardware. En ambos casos, el simulador se desacelera para evitar daños al sistema de movimiento. A menudo, esta desaceleración se asocia a señales falsas de gran magnitud.
• Retorno a neutro: esta señal falsa se atribuye al exceso de los filtros de paso alto en las entradas de tipo escalonado. Este tipo de respuesta solo se produce si se utilizan filtros de paso alto de segundo o tercer orden.
• Inclinación G
• Velocidad angular de coordinación de inclinación
• Remanente de coordinación de inclinación: para una entrada de fuerza específica sostenida en balanceo o oleaje, el simulador alcanzará un ángulo de cabeceo o balanceo de estado estable debido a la coordinación de inclinación. Si la entrada termina abruptamente, entonces la respuesta de fuerza específica de paso alto cancelará inicialmente la fuerza específica asociada con la inclinación, pero solo por un breve tiempo antes de que el desplazamiento restringido del simulador prohíba la aceleración traslacional del simulador. Si la inclinación se elimina rápidamente, entonces se producirá una señal falsa de velocidad angular de coordinación de inclinación; si no, la inclinación restante creará una sensación de aceleración, llamada señal falsa remanente de coordinación de inclinación.
• Aceleración angular de coordinación de inclinación: esta señal falsa se debe a la aceleración angular generada por la coordinación de inclinación que se produce en un punto distinto de la cabeza del piloto. La aceleración angular combinada con el brazo de momento desde el centro de rotación hasta la cabeza del piloto da como resultado la señal falsa de fuerza específica en la cabeza del piloto. El punto en torno al cual se simulan las rotaciones angulares (el llamado punto de referencia) se encuentra normalmente en el centroide del bastidor del bloque de apoyo superior para los sistemas de movimiento hexápodo.

El uso del movimiento físico aplicado en simuladores de vuelo ha sido un tema debatido e investigado. El departamento de ingeniería de la Universidad de Victoria realizó una serie de pruebas en la década de 1980 para cuantificar las percepciones de los pilotos de aerolíneas en la simulación de vuelo y el impacto del movimiento en el entorno de simulación. Al final, se descubrió que había un efecto positivo definido en cómo los pilotos percibían el entorno de simulación cuando había movimiento, y había una aversión casi unánime por el entorno de simulación que carecía de movimiento. ^[27] Una conclusión que se puede extraer de los hallazgos del estudio Response of Airline Pilots es que el realismo de la simulación está en relación directa con la precisión de la simulación en el piloto. Cuando se aplica a los videojuegos y se evalúa dentro de las experiencias de juego, el realismo puede estar directamente relacionado con el disfrute de un juego por parte del jugador. En otras palabras, los juegos habilitados con movimiento son más realistas, por lo tanto más iterativos y más estimulantes. Sin embargo, el uso del movimiento en la simulación tiene efectos adversos que pueden desviar la finalidad principal de usar el simulador, como el mareo . Por ejemplo, se ha informado de pilotos militares que han perdido el control de su sistema vestibular al mover la cabeza en el simulador de forma similar a como lo harían en un avión real para mantener su sensibilidad a las aceleraciones. Sin embargo, debido a los límites de aceleración del simulador, este efecto se vuelve perjudicial al volver a utilizar un avión real.

Mareo por movimiento o mareo por simulador : los simuladores funcionan “engañando” a la mente para que crea que las señales que recibe de los sistemas visual, vestibular y propioceptivo son un tipo específico de movimiento deseado. Cuando alguna de las señales que recibe el cerebro no se correlaciona con las demás, puede producirse mareo por movimiento. En principio, el mareo por simulador es simplemente una forma de mareo por movimiento que puede resultar de discrepancias entre las señales de las tres fuentes físicas de entrada. Por ejemplo, viajar en un barco sin ventanas envía una señal de que el cuerpo está acelerando y rotando en varias direcciones desde el sistema vestibular, pero el sistema visual no ve movimiento ya que la habitación se está moviendo de la misma manera que el ocupante. En esta situación, muchas personas sentirían mareo por movimiento.

Además del mareo por simulador, se han observado síntomas adicionales después de la exposición a la simulación de movimiento. Estos síntomas incluyen sensaciones de calor, palidez y sudoración, depresión y apatía, dolor de cabeza y sensación de pesadez en la cabeza, somnolencia y fatiga, dificultad para enfocar la vista, cansancio ocular, visión borrosa, eructos, dificultad para concentrarse y flashbacks visuales. Se observó que los efectos persistentes de estos síntomas a veces duraban hasta un día o dos después de la exposición al simulador de movimiento.

Varios factores contribuyen al mareo por simulación, que se pueden clasificar en variables humanas, uso del simulador y equipo. Los factores de variables humanas comunes incluyen la susceptibilidad, las horas de vuelo, la aptitud física y la medicación/drogas. La variación de la susceptibilidad de un individuo al mareo por movimiento es un factor contribuyente dominante al mareo por simulador. El aumento de las horas de vuelo también es un problema para los pilotos a medida que se acostumbran más al movimiento real en un vehículo. Los factores contribuyentes debido al uso del simulador son la adaptación, el contenido de la escena distorsionado o complicado, la mayor duración de la simulación y la congelación/reinicio. La congelación/reinicio se refiere a los puntos de inicio o final de una simulación, que deben estar lo más cerca posible de condiciones estables y niveladas. Claramente, si una simulación finaliza en medio de una maniobra extrema, es probable que el sistema IMU del sujeto de prueba esté distorsionado. Los factores del equipo del simulador que contribuyen al mareo por movimiento son la calidad del sistema de movimiento, la calidad del sistema visual, la visión fuera del eje, la óptica mal alineada, el parpadeo y el retraso/desajuste entre los sistemas visual y de movimiento. El problema del retraso o desajuste ha sido históricamente una preocupación en la tecnología de simuladores, donde el desfase temporal entre la entrada del piloto y los sistemas visuales y de movimiento puede causar confusión y, en general, disminuir el rendimiento del simulador.

Las plataformas de movimiento solo pueden reproducir la sensación de movimiento real en la aceleración inicial. No se puede sostener debido a los límites físicos del tamaño de la plataforma de movimiento. Sin embargo, los sensores de movimiento del cuerpo humano responden a las aceleraciones en lugar de al movimiento sostenido, por lo que una plataforma de movimiento puede producir señales de movimiento. Los sensores de movimiento humanos consisten en el oído interno (el aparato vestibular) con tres canales semicirculares para detectar rotaciones y órganos otolíticos para detectar aceleraciones lineales. Las plataformas de movimiento hexápodas se utilizan en simuladores de vuelo completos, que se utilizan para entrenar a los pilotos en la aviación civil mundial, bajo las reglas de la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) y las Autoridades de Aviación Civil regionales como la EASA ^{[ aclaración necesaria ]} en Europa y la FAA ^{[ aclaración necesaria ]} en los EE. UU.

• Los simuladores proporcionan un medio seguro de entrenamiento en la operación de naves potencialmente peligrosas (por ejemplo, aeronaves).
• El gasto de formación en equipo real a veces puede superar el gasto de un simulador.
• El tiempo entre sesiones de entrenamiento se puede reducir ya que puede ser tan simple como restablecer el sistema de movimiento a las condiciones iniciales.

• El entorno real puede no ser imitado de forma idéntica, por lo que el piloto/piloto puede verse confundido por la falta de sensaciones esperadas o no estar preparado adecuadamente para el entorno real.
• Alinear todas las entradas de los sensores para eliminar o al menos mitigar el riesgo de "enfermedad del simulador" puede ser un desafío. ^[28]
• La edad del participante, así como la cantidad de experiencia en un entorno real, modifican las reacciones al entorno simulado. ^[28]

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Simulación de movimiento.

• Grados de libertad (mecánica)
• Simulador de conducción
• Simulador de carreras de movimiento completo
• Simulador de vuelo
• Cinemática
• Mareo por simulador
• Plataforma Stewart
• Sistema vestibular