Desarrollo de un simulador de un arma de uso militar basado en realidad virtual

161 Pages·2016·4.53 MB·Spanish

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Desarrollo de un simulador de un arma de
uso militar basado en realidad virtual

Autor: Carlos Álvarez Vereterra
Director: José San Martín López

Madrid
Junio 2016

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN RED DE
PROYECTOS FIN DE GRADO, FIN DE MÁSTER, TESINAS O MEMORIAS DE
BACHILLERATO
1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.
El autor D. Carlos Álvarez Vereterra DECLARA ser el titular de los derechos de propiedad
intelectual de la obra Proyecto de fin de grado: Desarrollo de un simulador de un arma de uso militar
basado en realidad virtual, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el
sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual.

2º. Objeto y fines de la cesión.
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la
Universidad, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas, de forma gratuita y no exclusiva,
por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de
reproducción, de distribución y de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición
electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación
se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión y acceso
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de
derechos contemplada en esta licencia habilita para:
a) Transformarla con el fin de adaptarla a cualquier tecnología que permita incorporarla a
internet y hacerla accesible; incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e
incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.
b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,
incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de
garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.
c) Comunicarla, por defecto, a través de un archivo institucional abierto, accesible de modo
libre y gratuito a través de internet.
d) Cualquier otra forma de acceso (restringido, embargado, cerrado) deberá solicitarse
expresamente y obedecer a causas justificadas.
e) Asignar por defecto a estos trabajos una licencia Creative Commons.
f) Asignar por defecto a estos trabajos un HANDLE (URL persistente).

4º. Derechos del autor.
El autor, en tanto que titular de una obra tiene derecho a:
a) Que la Universidad identifique claramente su nombre como autor de la misma
b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través
de cualquier medio.
c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada.
d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras
personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos
de propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.
El autor se compromete a:
a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún
derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.
b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la
intimidad y a la imagen de terceros.
c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que
pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e
intereses a causa de la cesión.
d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción
de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.
La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso
con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio,
investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes
deberes y se reserva las siguientes facultades:

(cid:216) La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no
garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un
uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá
de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se
obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.
(cid:216) La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo
la responsabilidad exclusive del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en
nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados
del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la
Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso
de las obras.
(cid:216) La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro.
(cid:216) La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, en
supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 9 de Junio de 2016

ACEPTA

Fdo. Carlos Álvarez Vereterra

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Desarrollo de un simulador de un arma de
uso militar basado en realidad virtual

Autor: Carlos Álvarez Vereterra
Director: José San Martín López

Madrid
Junio 2016

DESARROLLO DE UN SIMULADOR DE UN ARMA DE USO MILITAR
BASADO EN REALIDAD VIRTUAL
Autor: Álvarez Vereterra, Carlos.
Director: San Martín López, José.
Entidad Colaborativa: ICAI – Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción
Planteamiento del problema y estado de la técnica
La realidad virtual nace de la necesidad de interactuar de forma distinta con los entornos
y objetos virtuales generados por ordenador, siempre con el objetivo de mejorar la
experiencia del usuario aumentando la sensación de inmersión (que el usuario crea estar
dentro de la simulación, experimentándola de primera mano). Para visualizar contenido
de realidad virtual, se pueden emplear distintas tecnologías (ordenadas de menor a mayor
inmersión): monitores, proyectores y Head-Mounted Displays. Hoy en día, los principales
avances en el campo de la realidad virtual se están centrando en desarrollar y mejorar
tecnologías aplicadas a periféricos hápticos y Head-Mounted Displays. Los HMD’s,
también conocidos como cascos de realidad virtual, son dispositivos que colocan una o
dos pantallas frente a los ojos del usuario, que percibirá una imagen estereoscópica a
través de un par de lentes. En este momento la realidad virtual está experimentando un
auge muy importante debido al lanzamiento de productos como el Oculus Rift o el HTC
Vive, además de los futuros lanzamientos por parte de Sony para Playstation y Microsoft
para Xbox. Ahora, la realidad virtual está al alcance de la mayoría de los consumidores.
Con respecto a los simuladores militares comerciales, las principales opciones emplean
proyectores, una alternativa menos versátil y mucho menos inmersiva que los HMD’s.
Además, sus requerimientos de espacio y coste de instalación no los convierten en una
solución óptima para esta aplicación.
Objeto del proyecto
El objetivo de este proyecto es diseñar un simulador de combate militar basado en
realidad virtual que integre un Head-Mounted Display, al contrario que las principales
alternativas disponibles en el mercado, además de proporcional una experiencia lo más
inmersiva posible a un coste menor. El producto final tiene que cumplir las siguientes
características: sistema de apuntado preciso, detección de disparo y recarga, con respuesta
háptica que simule el retroceso y bajo coste.
Metodología
Para la ejecución de este proyecto se ha decidido seguir la estrategia de dividir el
problema en varios subsistemas independientes. En cada subsistema será necesario
realizar un estudio inicial para determinar qué tecnología es la más adecuada para cumplir
el objetivo marcado, analizando las distintas alternativas y justificando debidamente la
decisión. Las partes en las que se ha dividido el proyecto son:
• Elección de la réplica del arma. En este apartado se tratará de decidir cuál es la
opción del arma más adecuada para la realización del proyecto. De las opciones
disponibles, se elige utilizar una réplica del rifle de asalto H&K G36 frente a otras
como subfusiles o pistolas, debido al mayor volumen interior que facilita la
integración de la electrónica dentro de la misma. Además, el coste de esta opción
es inferior al resto.
• Subsistema de apuntado. El objetivo de este subsistema es permitir determinar
la orientación y las coordenadas en el espacio de la réplica del arma elegida en el
apartado anterior. Tras analizar las alternativas disponibles, se decide emplear un
sistema óptico basado en el sensor Leap Motion y un conjunto de tres marcadores
retroreflectantes. Se emplean tres marcadores debido a que el motor gráfico
elegido necesita dos vectores solidarios al arma para determinar su orientación de
forma precisa, el vector “arriba” y el vector “frente”, como se aprecia en la Figura
1.

Figura 1: Producto final con sistema de marcadores retroreflectantes en la réplica del rifle G36
El sensor Leap Motion consta de dos cámaras infrarrojas y tres diodos infrarrojos.
La luz infrarroja emitida por los diodos rebota en los marcadores retroreflectantes
y es capturada por ambas cámaras. Con técnicas de procesamiento de imagen, es
posible determinar las coordenadas en el espacio de cada uno de los tres
marcadores retroreflectantes, estableciendo un sistema de coordenadas solidario a
la réplica del rifle y obteniendo los dos vectores mencionados anteriormente. De
esta forma es posible tanto apuntar como situar el modelo 3D del arma en el
espacio virtual como se aprecia en la Figura 2.

Figura 2: Modelo 3D del rifle G36 con el sistema de coordenadas de los marcadores
• Módulo de control. En este subsistema se determinará qué dispositivo será el más
adecuado para gestionar las entradas y salidas del simulador, además de la
comunicación inalámbrica con el PC. Se decide emplear una réplica del Arduino
Nano, por tener un coste y tamaño muy reducidos además de un consumo
energético muy moderado.
• Subsistema de detección de disparo y recarga. Este módulo consiste en
determinar el método más adecuado para detectar cuando el usuario del simulador
realiza un disparo o una recarga. Analizando la geometría interna del arma se
considera oportuno emplear un pulsador situado en la parte anterior del gatillo y
una placa conductora que cierre un circuito al introducir el cargador. De esta
forma tanto el disparo como la recarga son acciones muy intuitivas para el usuario,
ya que el modo de operación del rifle es el mismo que en una situación de combate
real.
• Módulo de respuesta háptica. El objetivo de este subsistema es simular el
retroceso del arma al realizar un disparo. Tras analizar las alternativas disponibles
se determina que los sistemas neumáticos basados en gas comprimido son los más
adecuados para simular el retroceso del arma, pero tienen un coste muy elevado y
necesitan un compresor para funcionar, incumpliendo el objetivo de diseñar un
dispositivo inalámbrico. Por lo tanto, se estima oportuno emplear dos motores
vibradores de corriente continua situados en la empuñadura y en el cañón del arma
para que el usuario sienta cuándo ha realizado un disparo.
• Subsistema de comunicación inalámbrica. Como se ha visto en los objetivos
del proyecto, el simulador final ha de ser inalámbrico. Estudiando los distintos
protocolos existentes, se decide emplear un módulo Bluetooth compatible con
Arduino, el HC-05. Sus principales ventajas son su reducido coste y su bajo
consumo energético.
• Alimentación del simulador. Para cumplir con el requisito de un simulador
autónomo, es necesario diseñar un sistema que permita operar el arma de forma
inalámbrica. Analizando las alternativas disponibles y la geometría interna de la
réplica del arma, se opta por emplear baterías de 9V.
• Interfaz de simulación. En un proyecto centrado en diseñar un simulador de
realidad virtual que proporcione la experiencia más inmersiva posible, la elección
de la interfaz de simulación es crucial. Como se va a emplear un HMD de realidad
virtual se descartan todos los motores gráficos en 2D. Tras analizar las distintas
alternativas se estima oportuno emplear el motor Unity 5, desarrollado por
Unity3D. Entre sus ventajas se encuentran su licencia completamente gratuita y
su compatibilidad con los distintos SDK de realidad virtual, como OpenVR. En
este módulo se desarrollará un videojuego completamente funcional diseñado
para funcionar en realidad virtual.
• Head-Mounted Display de realidad virtual. Para proporcionar la mejor
experiencia de realidad virtual posible, no basta con emplear un monitor o un
proyector convencional. Si el objetivo es la inmersión completa del usuario en la
experiencia virtual, es necesario el uso de un HMD. Dentro de las opciones
disponibles, se opta por emplear un HTC Vive.