Virtual reality simulation of a harvester machine

Abstract

Computer-aided design (CAD) software is used in the product design and development to design complex and detailed prototypes. It provides good assistance and solid data generation to designers and engineers. In order to remain competitive, industry is always seeking for higher process efficiency and product quality enhancement in the shortest period of time. Continuous research keeps going to make it possible. Virtual reality has been one of the research focus in the recent years. It is studied and applied to be used as an assistant tool in the product lifecyle management, particularly in facilitating the development phase. However, the implementation process from CAD to virtual reality remains a challenge due to time consumption and technology complexibility. In this work a real-time virtual reality harvester simulator was developed. The start point was a 3D harvester CAD model. It was used the CAD simulator AGX Momentum, a game engine Unity and the physics engine AGX Dynamics to create dynamics simulation, to design a virtual forest environment and to enable physical controllers interact with the model. With the capabilities of AGX Momentum, it was added dynamics motion directly in the CAD software, creating fast CAD simulations. A virtual scene was designed with Unity to simulate an environment and the immersion of the user on it with Oculus Rift device. The harvester model was imported to the Unity scene with AGX Dynamics. In the end it was obtained a real size virtual prototype, with the possibility of interacting and control it using physical controllers. The user can visualise the scene in real-time through a head mounted display, providing him the experience of a real machine operator. Driving the harvester in a simulated forest, allowed to test the model in a hypothetical real scenario. The process of implementing the CAD model in virtual reality used in this work, revealed to be efficient and intuitive. However, because it is a complex and large model, it was necessary to remove certain bodies (without dynamics effect) and reduce the number of contact points between components in order to balance the speed and performance of the simulator. Following the same method used in this work, Other CAD models can be imported to virtual reality and be dynamically simulated.

Software de desenho assistido por computador – do inglês, computer aided design (CAD) é usado no processo de desenvolvimento e design de produto para projetar protótipos complexos e detalhados. Este tipo de software fornece boa assistência e gera consistentes dados de modelos para designers e engenheiros. Com vista a manter-se competitiva, a indústria está sempre à procura de uma maior eficiência do processo e de uma melhoria da qualidade do produto a desenvolver no menor perı́odo de tempo possı́vel. A investigacão, nos últimos anos e em curso, tem tentado tornar isto possı́vel. A realidade virtual tem sido um dos focos dessa investigação. Tem sido estudada e aplicada para ser usada como ferramenta auxiliar na gestão do ciclo de vida do produto, em particular na facilitação da fase de desenvolvimento. Contudo, o processo de implementação do CAD em realidade virtual continua a ser um desafio devido quer à complexidade tecnológica envolvida, quer ao tempo requerido. Neste trabalho foi desenvolvido um simulador de tempo real a partir de uma máquina florestal harvester em realidade virtual. O ponto de partida consistiu num modelo CAD da máquina. Para isso, foi utilizado o simulador CAD AGX Momentum, o motor de jogo Unity e o motor de fı́sica AGX Dynamics para adicionar dinâmica ao modelo, criar um ambiente virtual de uma floresta e permitir que controladores fı́sicos interagissem com o protótipo. Com os recursos de AGX Momentum, foi adicionado movimento dinâmico diretamente no software CAD, criando rápidas simulações. Através do Unity, foi projetado um cenário virtual para simular um ambiente virtual e promover a imersão do utilizador com o dispositivo Oculus Rift. O modelo da harvester foi, depois, importado para a “cena” com AGX Dynamics. No final, foi obtido um protótipo virtual em tamanho real, com a possibilidade de interagir e ser controlado usando comandos fı́sicos. O utilizador pode visualizar a cena em tempo real através de um dispositivo de realidade virtual, proporcionando-lhe a experiência de um real operador da máquina. Ao conduzir a harvester numa floresta virtual, permitiu testar o modelo num cenário hipoteticamente real. O processo de implementação do modelo CAD em realidade virtual utilizado neste trabalho revelou-se eficiente e intuitivo. No entanto, por se tratar de um modelo complexo e extenso, foi necessário remover determinados sólidos (sem interferência dinâmica) e reduzir o número de pontos de contacto entre componentes para equilibrar a velocidade e desempenho do simulador. Seguindo o mesmo método utilizado neste trabalho, outros modelos CAD podem ser importados para a realidade virtual e ser dinamicamente simulados.