Simulador para Treinamento de Operadores de Colheitadeira Axial ...

Simulador para Treinamento de Operadores de
Colheitadeira Axial de Grãos
Tales Nereu Bogoni 1 , Benevid Felix da Silva 1 , Giovane Maia do Vale 1 , Ivan Pedroso Pires 1 ,
Everton Valdomiro Pedroso Brum 2 , Márcio Sarroglia Pinho 3
1 UNEMAT – Campus de Colíder – Departamento de Computação
www.unemat.br – tales@unemat.br, teafelix@gmail.com, giovanemvale@gmail.com,
ivanpires@gmail.com
2 UNEMAT – Campus de Alta Floresta – Departamento de Agronomia
http://afl.unemat.br – evpbrum@gmail.com
3 PUCRS – Faculdade de Informática – PPGCC
www.pucrs.br – pinho@pucrs.br
Resumo – Este artigo apresenta o projeto de um
simulador de colheitadeira axial de grãos, voltado
para o treinamento de seus operadores. O principal
objetivo está em produzir uma ferramenta que auxilie
no processo de ensino dos operadores de forma mais
rápida e segura, reduzindo os custos do treinamento e
o tempo de permanência do aprendiz em uma
colheitadeira real. São apresentadas as etapas
previstas para o desenvolvimento do projeto e as ações
já realizadas até o presente momento. O simulador
será equipado com peças reais de uma colheitadeira,
instrumentadas com dispositivos de force feedback e
utilizará um ambiente virtual modelado a partir de um
Modelo Digital de Terreno, além disto, utilizará um
HMD para que o usuário visualize o ambiente.
Palavras-chave – Simulador, Realidade Virtual,
Dispositivo Háptico.
Abstract – This paper presents the axial grain
harvester project, for operators' training. The main
goal is make a tool for aid in the teaching of harvester
operators more faster and security, reducing the costs
of training and residence time of apprentice in the real
harvester. We present provided steps for the project
development and the already taken actions so far. The
simulator will equipped with harvester's real parts,
instrumented with force feedback devices and will use
a virtual environment modeled from a Digital Terrain
Model (DTM), in addition, the user will use a HMD for
view the environment.
Keywords – Simulator, Virtual Reality, Haptic Device.
1. Introdução
Com o atual desenvolvimento tecnológico na
agricultura, principalmente em fazendas com grandes
extensões de plantação, cada vez mais equipamentos
são utilizado para a colheita de grãos. Estes
equipamentos possuem inúmeros componentes
tecnológicos para aumentar sua produtividade, porém
só conseguem ser efetivos se bem utilizados. Com a
inclusão destas colheitadeiras nas lavouras, cada vez
menos trabalhadores braçais são necessários e a
qualificação deste trabalhador é a forma de mantê-lo
empregado [15]. Mais especificamente, no Estado de
Mato Grosso, 40,8% do PIB do estado está ligado ao
agronegócio, sendo que 83% das exportações do estado
estão relacionadas a produtos derivados da soja [8], o
que demonstra que o perfil econômico do estado está
altamente vinculado ao cultivo e beneficiamento do
grão. Agregado ao cultivo de soja está o cultivo de
milho, que normalmente é plantado após a colheita da
soja. Ambos necessitam de colheitadeiras mecânicas
para agilizar a colheita e aumentar a produtividade.
A modernização dos implementos agrícolas, em
especial a inserção de novas tecnologias
computacionais nas colheitadeiras, aumenta a
necessidade de mão de obra especializada para sua
operação. Esta mão de obra só é obtida a partir de
programas de treinamento, que geralmente, são
oferecidos pelos fabricantes das colheitadeiras e para
um número reduzido de pessoas. Além disto, o risco
decorrente da má operação das colheitadeiras pode
acarretar grandes prejuízos financeiros, pois os
equipamentos parados para a realização de manutenção
não produzem, e o operador pode sofrer algum tipo de
acidente de trabalho.
Por estes motivos o presente projeto destina-se a
unir profissionais de diversas áreas do conhecimento
para projetar e desenvolver um protótipo de simulador
voltado para o treinamento de operadores de
colheitadeiras axiais visando a qualificação de mão-deobra,
redução de custos de manutenção e aumento de
produtividade.
Neste sentido, a Realidade Virtual (RV) já
demonstrou ser uma excelente ferramenta de ensino
para treinar as habilidades motoras de uma pessoa [17],
sendo que já está comprovado que o uso de

experiências em 1ª pessoa, onde o indivíduo conhece o
mundo através de sua interação com ele, influencia
positivamente no processo de aprendizagem [6]. O uso
de simuladores dotados de recursos de RV traz o
benefício da repetição de situações até o domínio das
técnicas, já que podem ser simuladas inúmeras vezes a
mesma situação. Outra vantagem é a possibilidade de
colocar o treinando em situações inesperadas, sem
colocar em risco os equipamentos e ele mesmo.
Na próxima seção será apresentada uma
classificação sobre sistemas de realidade virtual, em
seguida, na seção 3, são expostos alguns trabalhos já
realizados com simuladores de veículos. A seção 4
descreve o projeto do simulador e as etapas para seu
desenvolvimento, em seguida, na seção 5, são descritas
as tarefas que já estão sendo desenvolvidas e, na seção
6, os resultados esperados com a conclusão do
simulador.
2. Sistemas de Realidade Virtual
Os sistemas de RV podem ser classificados como
imersivos e não imersivos. O primeiro ocorre quando o
usuário é transportado para o domínio da aplicação,
através de dispositivos multisensoriais, que capturam
seus movimentos e comportamento e reagem a eles, já
o segundo ocorre quando o usuário continua
visualizando e sofrendo influência do mundo real [18].
Os equipamentos mais utilizados em sistemas de RV
imersiva são os óculos do tipo HMD, CAVES e
rastreadores de posição, já na RV não imersiva são
utilizados monitores e dispositivos convencionais de
interação.
Quanto aos tipos de simuladores, Zhang et al [21]
os classifica em 3 grandes grupos: modelo físico,
baseados em RV e híbridos. Os simuladores de modelo
físico são utilizados em situações bem específicas, pois
seus componentes são físicos e estáticos, são os mais
realistas, e também os de maior custo de
desenvolvimento. Os simuladores baseados em RV são
os mais flexíveis, podem representar virtualmente o
que se espera do mundo real e a interação com o
usuário acontece apenas no mundo virtual. Os
simuladores híbridos não são tão flexíveis quanto os
baseados em RV, mas com a utilização de
componentes físicos podem dar uma melhor sensação
de toque e orientação espacial dentro do Ambiente
Virtual (AV).
Um dos grandes desafios para os desenvolvedores
de simuladores está em reproduzir exatamente o que o
usuário vê, ouve e sente durante as operações reais. No
que tange a visualização, a utilização de imagens
estereoscópicas oferece imagens tridimensionais mais
realísticas e com sensação de profundidade e distância.
Em se tratando de sons, a utilização de sons estéreo
tridimensionais, aumenta a percepção espacial do
usuário dentro do AV. Relacionado a sensação de
toque, estão sendo incorporados dispositivos de retorno
háptico para facilitar a interação do usuário com o AV
e torná-lo mais responsivo.
O termo “háptico” refere-se à capacidade de sentir
um ambiente virtual através do tato, e é composto por
dois componentes independentes, o cutâneo,
responsável pelas sensações de pressão, temperatura ou
dor, e o cinestésico, que é responsável pelas sensações
de movimento e força [11]. As sensações providas
pelos dispositivos hápticos podem ser de 4 tipos:
retorno de aperto (grip feedback) que fornece ao
usuário sensação de pressão; retorno de apreensão
(grasp feedback) que fornece limitação dos
movimentos do usuário em algum grau de
liberdade; retorno de força (force feedback) que cria
forças direcionais exigindo que o usuário empregue
força para realizar os movimentos; e retorno tátil ou de
toque (tactile/touch feedback), que produz estímulos
em forma de sensação de calor, toque ou vibração
[7].
Tanto os simuladores baseados em RV quantos os
híbridos fazem uso de AVs em seu desenvolvimento a
fim de fazer com que o usuário reconheça o ambiente
real nele projetado, quer seja do ponto de vista gráfico,
ou da forma de como ele irá interagir com os
dispositivos de entrada dados. Esta característica dos
sistemas é descrita em Engenharia de Software como
sendo a Usabilidade do sistema, o que pode refletir no
sucesso ou fracasso do projeto.
3. Trabalhos relacionados
Sistemas de RV híbridos são largamente utilizados
em treinamentos que exigem aprimoramento de
habilidades motoras e intelectuais, entre eles, Bogoni e
Pinho [5] apresentam um simulador de caminhão que
permite a verificação do comportamento de motoristas
de caminhão com relação à utilização de técnicas de
direção de econômica. No simulador, dotado de
equipamentos reais como, direção, pedais e painel de
controle, o motorista conduz um caminhão em um
ambiente virtual enquanto o sistema monitora suas
ações e avalia a forma como ele está dirigindo com
relação à utilização de técnicas de direção econômica.
Em outro estudo, Lopes et al [9] apresentam os
resultados do uso de um simulador de máquina de corte
de árvores para o treinamento de seus operadores, no
qual verificaram que o tempo de treinamento em
equipamentos reais poderia ser reduzido para os
operadores que utilizassem o simulador. Nesta mesma
área de pesquisa, Ovaskainen [12] apresenta um estudo

com operadores de máquinas cortadoras de árvores que
buscava identificar quais as operações poderiam ser
simuladas com o uso de um simulador hibrido
utilizando dispositivos físicos similares aos reais.
Outra iniciativa para treinamento de operadores de
equipamentos pesados á apresentada por Barbosa [2],
que descreve o processo de desenvolvimento de um
simulador para treinamento de maquinistas de trens,
projeto desenvolvido pela Escola Politécnica da USP
em parceria com a empresa Vale.
4. Projeto do Simulador
Para o desenvolvimento de um sistema que atenda
às necessidades deste projeto optou-se por utilizar um
simulador híbrido composto por uma cabine de
colheitadeira real e um AV. A cabine é composta por
seus equipamentos básicos como pedais, painel de
controle, direção e alavancas de comando, com o
objetivo de familiarizar o operador com a realidade que
encontrará nos equipamentos reais. O AV será
modelado com base em uma plantação de soja com um
relevo típico de áreas mecanizadas, com os problemas
comuns que podem ocorrer em uma plantação, como
áreas de erosão, locais com ervas daninhas e plantas
com doenças que não devem ser colhidas.
A Figura 1 apresenta um croqui do simulador,
demonstrando os equipamentos reais que serão
utilizados e o correto posicionamento do usuário dentro
do simulador.
A fim de proporcionar ao usuário uma visão global
do AV, ele utilizará um HMD com exibição de
imagens estereoscópicas. Como o usuário estará imerso
no AV, assim perdendo a noção de seu posicionamento
dentro do ambiente real, os dispositivos reais de
interação e um avatar do usuário também serão
representados dentro do AV. Objetivando manter a
relação de posicionamento espacial do usuário com seu
avatar, será realizado o rastreamento da cabeça, das
mãos e dos pés do usuário.
A arquitetura básica do simulador (Figura 2),
identifica o fluxo de comunicação entre os diversos
componentes do simulador. Quando o usuário interage
com os dispositivos de interação os dados referentes
acionamento de comandos, pressionamento de pedais,
controle da direção e posição de rastreamento das mãos
e pés do usuário são enviados para o módulo de
interface de comunicação, que envia estes dados para
a engine responsável pelo controle do render gráfico
do AV, que por sua vez, atualiza a saída gráfica, de
acordo com a visão do usuário em seu HMD e, envia
dados referentes ao controle de colisão e do
posicionamento do usuário no AV de volta a interface
de comunicação, que encaminha estes dados para o
módulo de controle háptico, no qual são efetuados os
cálculos das forças que deverão ser retornadas para os
dispositivos físicos equipados com force feedback,
realimentando os dispositivos físicos, reiniciando o
processo de simulação.
Figura 1 - Configuração física do simulador
Figura 2 - Arquitetura do simulador
Para um melhor acompanhamento do
desenvolvimento do projeto, este foi dividido em 6
etapas básicas, que são apresentadas nas próximas
seções.
4.1. Definições do simulador
Nesta etapa são definidas as operações de uma
colheitadeira que podem ser simuladas, a estrutura do
terreno onde a simulação irá acontecer e o tipo de
cultura que será utilizada na simulação.
4.2. Construção do setup físico do simulador
Esta etapa é composta pela montagem de uma
cabine que imite a cabine de uma colheitadeira e pela

instalação de sensores nos equipamentos da cabine que
servirão como instrumentos de interação entre o
operador e o sistema de simulação.
4.3. Construção do ambiente virtual
Nesta etapa é realizada a modelagem dos objetos
que fazem parte do AV, como árvores, rios,
instrumentos da colheitadeira e o terreno, este baseado
no Modelo Digital do Terreno (MDT) levantado na
fase de definições do simulador. A interface gráfica do
AV deve ser realista o suficiente para provocar a
sensação de presença do usuário dentro do AV e,
também, deve manter uma taxa de amostragem de
quadros que permita manter a interatividade do
ambiente.
4.4. Integração do AV com o setup físico
Nesta etapa será realizada a integração do AV com
a cabine do simulador. Equipamentos que permitam ao
operador do simulador sentir e necessitar exercer força
para a realização dos movimentos, dispositivos com
retorno de força ou hápticos, serão inseridos na cabine
e controlados pelo sistema através das interações que
ocorrem no ambiente virtual.
Também será desenvolvido um mecanismo de
rastreamento para detectar a posição das mãos e dos
dedos do operador dentro da cabine e posicionar as
mãos virtuais dentro do AV, para isso será utilizado o
método de rastreamento óptico com extração de
imagens, baseado em Silva [16], através de algoritmos
de visão computacional.
4.5. Monitoramento e análise de dados
Nesta etapa será desenvolvido o mecanismo de
interface de comunicação, na qual os dados recebidos
dos dispositivos físicos são armazenados e
interpretados por um módulo do sistema que realizará
o controle da aplicação.
4.6. Avaliação do simulador
Nesta etapa serão definidas as métricas que serão
utilizadas para medir a eficácia do simulador como
instrumento para ser utilizado no treinamento de
operadores de colheitadeiras.
Para validar o uso de simulador serão realizados
dois testes distintos. O primeiro tem por objetivo
avaliar a sensação de presença proporcionada pelo
simulador e o grau de realismo obtido na operação,
este teste contará com a presença de profissionais que
já trabalham com colheitadeiras e instrutores de
treinamentos convencionais.
O segundo teste tem como objetivo verificar se ao
utilizar o simulador a assimilação dos conteúdos
durante o treinamento prático em uma colheitadeira
real se dá de forma mais eficiente, e para isso contará
com a participação de instrutores de cursos
convencionais e com alunos inscritos em cursos de
operação de colheitadeiras.
5. Construção do Simulador
O presente projeto de pesquisa está na fase das
definições do simulador, na qual já foi realizada a
escolha da engine de render da simulação e a escolha
dos dispositivos hápticos que serão utilizados
5.1. Definição da Engine de Render
Para a escolha da engine a ser utilizada como base
para o desenvolvimento do simulador levou-se em
conta características relacionadas à fidelidade
audiovisual oferecida pela engine, a possibilidade de
utilização de dispositivos não convencionais de entrada
e saída de dados, a possibilidade de criação de cenários
e integração com outros editores gráficos 3d, como por
exemplo o 3D Studio Max [1] e Blender [4], e a
facilidade em incluir aspectos relacionados ao
comportamento físico dos objetos de cena, como a
interação entre a colheitadeira e a plantação.
Considerando o estudo realizado por Pedritis et al
[13] , que analisou 4 engines para desenvolvimento de
serious games, sendo elas: Quest3D [14], Unreal
Development Kit (UDK) [20], Blender [3] e Unity3D
[19]. Pode-se observar que a que melhor de adapta às
necessidades deste projeto é a UDK. Mesmo sendo
classificada como de baixa acessibilidade por possuir
um elevado custo de sua versão para uso comercial,
porém, como este projeto possui finalidade
educacional, esta variável não foi considerada.
5.2. Definição dos Dispositivos Hápticos
O objetivo da utilização dos dispositivos hápticos
dentro deste projeto está em proporcionar ao usuário
sensações mais realistas em tarefas como girar a
direção, acionar os pedais e regular a altura de corte da
colheita. Pretende-se ainda simular os movimentos da
cabine a com de que o usuário perceba o relevo do
terreno. Para simular estes aspectos serão inseridos
dispositivos físicos que irão proporcionar force
feedback para cada um dos instrumentos do simulador.
Os pedais serão equipados com molas para fazer
com que o usuário execute força para pressioná-los, a
direção receberá um motor que executará força

contrária ao movimento do usuário, sendo controlado
através da interação com o terreno do AV, e, as
alavancas de acionamento das plataformas de corte e
descarregamento da colheitadeira serão equipadas com
dispositivos do tipo Novint Falcon Controller [10] para
proporcionar reações de force feedback.
6. Resultados Esperados
Do ponto de vista econômico, espera-se que ao ser
utilizado o simulador de colheitadeira durante o
processo de ensino-aprendizagem seja possível
incrementar as habilidades dos operadores treinados,
fazendo com que os problemas nos equipamentos
causados por mau uso sejam minimizados e sua
produtividade maximizada, além de desenvolver novas
tecnologias para serem utilizadas neste tipo de projeto
visando para aumentar sua eficiência e reduzir os
custos relacionados a equipamentos e ao tempo de
desenvolvimento das aplicações.
Do ponto de vista científico, o desenvolvimento
deste projeto pretende apresentar uma metodologia
para o treinamento de operadores de colheitadeiras e os
resultados obtidos com a aplicação desta metodologia,
sendo possível com isto melhorar o processo de
treinamento dos operadores.
7. Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer à Fundação de
Amparo a Pesquisa do Estado de Mato Grosso
(FAPEMAT), por financiarem esta pesquisa (Auxilio a
Projeto de Pesquisa, nº. 296948/2010).
8. Referências
[1] Autodesk 3ds Max Products. Disponível em:
http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/pc/index?id=13567410
&siteID=123112. Acessado em: 02/08/2010.
[2] Barbosa, R. S. Simulador de trens nacional aprimora
capacitação de maquinistas. Agência USP de Noticias, São
Paulo, 10 jan. 2009, p. 1-2, 10 jan. 2009.
[3] Blender. Disponível em: http://www.blender.org.
Acessado em: 02/08/2010.
[4] Blender. Disponível em: www.blender.org. Acessado em:
30/08/2010.
[5] Bogoni, T. N.; Pinho, M. S. Sistema para Monitoramento
de Técnicas de Direção Econômica em Caminhões com Uso
de Ambientes Virtuais Desktop. In: XI Symposium on
Virtual and Augmented Reality, 2009, Porto Alegre.
Proceedings SVR 2009. Porto Alegre : SBC, 2009. p. 103-
113.
[6] Cardodo, A.; Lamunier Júnior, E. A. Aplicações de RV e
RA na Educação e Treinamento. In: Rosa Maria Costa;
Marcos Wagner S. Ribeiro. (Org.). Aplicações de Realidade
Virtual e Aumentada. 1 ed. Porto Alegre-RS: Sociedade
Brasileira de Computação, 2009, v. 1, p. 53-68. 2009.
[7] Farias, T.; Silva, D.; Moura, G. de S.; Teixeira, J.; Costa,
L.; Dias, G.; Teichrieb, V.; Kelner, J. Um Estudo de Caso
sobre a Construção e a Integração de Dispositivos Hápticos
com Aplicações Interativas. In: Brazilian Symposium on
Computer Games and Digital Entertainment, 2006, Recife. V
Brazilian Symposium on Computer Games and Digital
Entertainment, 2006.
[8] Freitas, E. Economia de Mato Grosso. 12/05/2008.
Disponível em: http://www.mt.gov.br/wps/wcm/connect /e-
Matogrosso/Estado/Informa%C3%A7%C3%B5es/
Economia+de+Mato+Grosso. Acesso em 16/04/2010.
[9] Lopes, E. S.; Cruziniani, E.; Araujo, A. J.; Silva, P. C. da.
Avaliação do treinamento de operadores de harvester com
uso de simulador de realidade virtual. Rev. Árvore [online].
2008, vol.32, n.2, pp. 291-298.
[10] Novint Falcon Controller. Disponível em:
http://home.novint.com. Acessado em 24/08/2010.
[11] Oakley, I.; McGee, M. R.; Brewster, S.; Gray, P.
Putting the feel in ’look and feel‘. In Proceedings of the
SIGCHI Conference on Human Factors in Computing
Systems (The Hague, The Netherlands, April 01 - 06, 2000).
CHI '00. ACM, New York, NY, 415-422. 2000.
[12] Ovaskainen, H. Comparison of Harvester Work in
Forest and Simulator Environments. Silva Fennica, V 39 (1)
pp. 89-101. 2005.
[13] Petridis, P.; Dunwell. I.; Freitas, S. de; Panzoli, D. An
Engine Selection Methodology for High Fidelity Serious
Games. Games and Virtual Worlds for Serious Applications,
Conference in, pp. 27-34, 2010 Second International
Conference on Games and Virtual Worlds for Serious
Applications, 2010.
[14] Quest3D. Disponível em: www.quest3d.com. Acessado
em: 02/08/2010.
[15] Ribeiro, D. D.; Mendonça, M. R.; Hespanhol, A. N.
Relações de trabalho na agricultura mecanizada: a
monocultura da soja em Goiás. Scripta Nova Revista
Electrónica de Geografía y Ciencias Sociales, Universidad de
Barcelona, v. 6, n. 119, p. 741-98, ago. 2002.
[16] Silva, R. J. M. Integração de um Dispositivo Óptico de
Rastreamento a uma Ferramenta de Realidade Virtual. Tese
de Mestrado DI/PUC-Rio. 2004.
[17] Sveistrup H. Motor rehabilitation using virtual reality. J
Neuroengineering Rehabil. 2004;1(1):10.
[18] Tori, R.; Kirner, C.; Siscouto, R.. Fundamentos e
Tecnologia de Realidade Virtual e Aumentada. In: VIII
Symposium on Virtual Reality. Pará, pp. 22-38, 2006.
[19] Unity3D. Disponível em: http://unity3d.com. Acessado
em: 02/08/2010.
[20] Unreal Development Kit. Disponível em:
http://www.udk.com. Acessado em: 02/08/2010.
[21] Zhang, Y.; Phillips, R.; Ward, J.; Pisharody S. A
survey of simulators for palpation training. Stud Health
Technol Inform 2009;142:444-6. 2009.