AITEMIN abordó hace varios años el desarrollo de simuladores de maquinaria minera basados en técnicas de Realidad Virtual, con el fin de aplicarlos a la mejora de la formación del personal operador de este tipo de máquinas, tanto en el manejo de éstas como en los aspectos relativos a la seguridad.

Descripción

El Centro Tecnológico de Experimentación Subterránea de Barredo cuenta con unas modernas instalaciones especialmente acondicionadas para la ubicación de simuladores de maquinaria minera basados en técnicas de realidad virtual. Dispone de una gran sala de más de 50 m² con una altura libre de 4 m para alojar los simuladores propiamente dichos, así como de una sala de control para los instructores/supervisores y una sala de espera para los alumnos.

La imagen del mundo virtual generada por el ordenador de simulación se presenta mediante retroproyección sobre la gran pantalla situada justo delante del puesto de control, cubriendo un amplio ángulo visual. Dado que el sistema actualiza dinámicamente el punto de vista de la representación en función de la posición de la cabeza del operador, la pantalla se comporta como una ventana al mundo virtual que reproduce el entorno de trabajo situado al frente del minador, permitiendo, por ejemplo, que el operador pueda alzarse o desplazarse hacia los lados para tener mejor visibilidad sobre el frente, o incluso inclinarse sobre el transportador blindado simulado para mirar al otro lado del brazo. Opcionalmente, el sistema de proyección puede funcionar en modo estereoscópico activo, requiriendo el uso de unas gafas con obturadores LCD por parte del operador.

El simulador incorpora modelos físicos y lógicos de la máquina y su entorno que caracterizan el comportamiento de los distintos mecanismos, en especial el brazo y la cabeza de corte en su interacción con el macizo rocoso del frente durante el proceso de excavación, a partir de los cuales se estima su velocidad de avance, el desgaste de las picas, la concentración de metano en el aire, etc., así como los movimientos, vibraciones y reacciones a que se ve sometida la máquina.

Además del simulador propiamente dicho, AITEMIN ha desarrollado una potente y completa aplicación de apoyo al instructor dotada de distintos módulos que le permiten:

• Gestionar una base de datos de profesores, alumnos y ejercicios
• Diseñar los escenarios de los distintos ejercicios prácticos a los que deben enfrentarse los alumnos, incluyendo la sección y distribución de elementos en la galería, las características concretas del macizo rocoso y las condiciones iniciales del minador
• Supervisar en tiempo real la realización del ejercicio por parte del alumno, introduciendo incidencias previamente programadas o a voluntad del instructor durante la ejecución, y generando los eventos correspondientes en función de sus acciones
• Producir informes de síntesis de dichos eventos que le ayuden a evaluar cuantitativamente el desempeño del alumno durante la ejecución del ejercicio

El jumbo inicialmente seleccionado para realizar el desarrollo del simulador es el modelo Rocket Boomer L2 C de la firma Atlas Copco, que es el más común en España, y que por su tamaño se emplea sobre todo en Obra Pública (figura 9).

El nuevo simulador presenta bastantes diferencias respecto al simulador de minador: está basado en un nuevo software que proporciona un mayor control sobre la visualización, incorpora un sistema de visualización estereoscópica pasivo, incluye un nuevo sistema ultrasónico de seguimiento de la posición de la cabeza (casco) del operador, y no utiliza una plataforma de movimiento porque el jumbo utiliza unos apoyos hidráulicos para elevarse sobre el terreno y mantenerse prácticamente inmóvil durante la labor de perforación.

En una máquina con un manejo tan complicado como el de un jumbo, el panel de control es un elemento clave de la simulación. Por el alto precio de las piezas originales y por la imposibilidad de obtener sus protocolos de comunicación, fue necesario construir una réplica del panel de control empleado en los jumbos de Atlas Copco que incorpora joysticks y botones similares a los del panel original. Asimismo, en un Panel PC dotado de pantalla táctil se ha reproducido el funcionamiento de las diversas pantallas del ordenador de a bordo del jumbo. Con todo ello, se ha conseguido un panel de control que proporciona una funcionalidad prácticamente idéntica a la del panel original, según se puede ver en la figura 10.

Para este simulador se ha decidido emplear un sistema de visualización estereoscópica pasivo, integrado por dos proyectores de vídeo DLP de alta resolución dotados de filtros polarizadores (figura 11). Este sistema permite mostrar imágenes de alta resolución en 3D que pueden ser contempladas simultáneamente por numerosos observadores mediante unas simples gafas polarizadas como las que aparecen en la parte inferior de la figura 12. En la parte superior de dicha imagen se muestran en comparación unas gafas 3D activas, más voluminosas y caras.

Las imágenes del sistema de visualización pueden ser proyectadas al frente sobre una pantalla metalizada, o retroproyectadas sobre una pantalla que simula el parabrisas de la cabina, en función del espacio disponible para el simulador.

La figura 13 presenta una imagen de la pantalla del simulador de jumbo trabajando en un entorno de alto nivel de realismo. Este entorno de trabajo corresponde al frente de avance de un túnel real, que fue capturado mediante un escáner 3D, con el fin de obtener el máximo realismo posible para el simulador.

Sin embargo, una de las ventajas que presenta la formación en simulador de realidad virtual frente a la formación sobre la propia máquina es la posibilidad de ejecutar ejercicios en entornos de trabajo y situaciones muy diversas, que vayan desde la perforación de una sección sencilla en una roca uniforme hasta la excavación de grandes secciones que precisen de varias pasadas (avance y destroza) en macizos rocosos heterogéneos y complicados.

Para ello se ha desarrollado una aplicación informática específicamente concebida para ser usada por el instructor en la preparación de los ejercicios que deban ser realizados por los alumnos y la gestión de los resultados de su ejecución. Una de sus capacidades más interesantes es la generación de entornos de trabajo con las características deseadas por el instructor. El programa permite crear secciones de forma y dimensiones arbitrarias, así como importar secciones de galería y esquemas de tiro diseñados mediante el programa de planificación Tunnel Manager, habitualmente empleado con los jumbos de Atlas Copco. La figura 14 muestra una captura de la ventana del programa durante este proceso.

Además de la sección del túnel, el programa permite definir a voluntad el grado de irregularidad de las superficies del modelo del entorno, para crear entornos imperfectos que resultan mucho más representativos de lo que el alumno se va a encontrar en el desempeño real de su trabajo (figura 15). También permite seleccionar las texturas que se aplicarán a dichas superficies.

Otra de las capacidades más interesantes del programa es el diseño del macizo rocoso que va a ser excavado, mediante la definición de las diversas capas de roca que lo constituyen. Para ello el instructor indica la orientación general de las capas (rumbo y buzamiento) y la potencia y posición relativa de cada una de ellas. Para cada capa de roca se pueden particularizar además sus parámetros físicos y geotécnicos, que serán tenidos en cuenta durante el proceso de perforación, así como la textura que será utilizada en su representación. Adicionalmente, el programa permite definir la situación y tamaño de distintas heterogeneidades que pueden existir en el macizo de roca, tales como grietas, masas de arcilla, cavidades kársticas, etc. La figura 16 muestra una captura de la ventana del programa durante la definición del macizo rocoso.

Como resultado de todo ello, el simulador puede presentar entornos de trabajo con un gran nivel de complejidad y realismo, como la perforación en destroza que muestra la figura 17.

El simulador ha sido concebido para poder ser instalado en distintas configuraciones, en función de las necesidades de formación y el espacio disponible. En su configuración más básica, está constituido tan sólo por el ordenador donde se ejecuta la simulación y por el panel de control. En una configuración inmersiva más completa, estaría integrado por dos ordenadores conectados en red (uno ejecutando el programa del simulador y otro ejecutando el programa del instructor), el panel de control, el sistema ultrasónico de localización de la cabeza del operador con el casco que incorpora el sensor, el soporte de los proyectores del sistema de visualización estereoscópica pasivo y la pantalla de proyección. Idealmente, todo ello iría montado sobre una réplica de la cabina del jumbo, con lo que se conseguiría un sistema fácilmente transportable, que puede ser colocado en un emplazamiento idóneo en el lugar donde deba impartirse la formación.

Las ventajas principales derivadas del uso de los simuladores basados en técnicas de Realidad Virtual a la formación de operadores de maquinaria minera se pueden resumir en:

• Permiten el entrenamiento en cualquier tipo de entorno de trabajo (distintas secciones de galería, ventilación, rocas y materiales a arrancar, etc.), y son adaptables a los conocimientos previos del alumno (simulación de averías, desprendimientos, escapes de gas, ventilación, polvo, etc.).
• Ahorran costes por evitar el uso de maquinaria real (disponibilidad inmediata de distintos modelos de máquina, menores costes de adquisición, mantenimiento y funcionamiento, eliminación de averías causadas por mal uso, no se ocasionan pérdidas de producción, etc.).
• Minimizan los riesgos para el alumno y el instructor, al carecer de los riesgos reales de utilización de la máquina (aplastamientos, desprendimientos de roca, escapes de grisú, etc.).