Diseño e implementación de un entorno de realidad virtual para el manejo de un sistema ciber-físico aplicado a la enseñanza de la electrónica digital
En este documento se presenta el desarrollo de un laboratorio ciber-físico en realidad virtual aplicado a la enseñanza de la electrónica digital. Este es un entorno en el que se pueden realizar prácticas de un laboratorio de sistemas digitales, específicamente en el área de lógica combinacional. El...
- Autores:
-
Espitia Taborda, Juan Camilo
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2022
- Institución:
- Universidad Tecnológica de Pereira
- Repositorio:
- Repositorio Institucional UTP
- Idioma:
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- OAI Identifier:
- oai:repositorio.utp.edu.co:11059/14577
- Acceso en línea:
- https://repositorio.utp.edu.co/home
https://hdl.handle.net/11059/14577
- Palabra clave:
- 620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingeniería
Sistemas de representación tridimensional
Electrónica digital
Procesamiento digital de imágenes
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Metaverso
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En este documento se presenta el desarrollo de un laboratorio ciber-físico en realidad virtual aplicado a la enseñanza de la electrónica digital. Este es un entorno en el que se pueden realizar prácticas de un laboratorio de sistemas digitales, específicamente en el área de lógica combinacional. El objetivo principal de este proyecto fue realizar un entorno en realidad virtual en el que los usuarios pudieran realizar montajes de circuitos con compuertas lógicas de la forma en que lo harían en un laboratorio real y a su vez poder interactuar con un sistema físico. El desarrollo de este proyecto se dividió en las actividades: creación del entorno, desarrollo de funcionalidad de componentes electrónicos, creación de un sistema físico, implementación de un protocolo de comunicación para permitir la interacción entre el entorno virtual y el sistema físico, y por último la validación de usuario para determinar el funcionamiento del laboratorio desarrollado. En este proyecto se utilizó Blender y Shapr3D como herramientas de modelado 3D, Raspberry Pi Pico para desarrollar el sistema físico, unas gafas de realidad virtual Oculus Rift S para la interacción con el usuario, y por último, la herramienta principal que reúne las anteriores es el entorno de desarrollo de Unity, en el que se ingresaron los modelos 3D y se desarrolló su funcionamiento mediante código, se integró el sistema físico con elementos del entorno virtual y se implementó la interacción en realidad virtual para que el usuario pudiera sentirse como si estuviera adentro de un laboratorio de sistemas digitales real. Para desarrollar la mayoría de las funcionalidades del laboratorio, se utilizó como base un elemento del entorno de Unity llamado “collider”, este elemento permitió la interacción entre todos los elementos del laboratorio. Gracias a la detección de colisiones fue posible desarrollar el funcionamiento de la protoboard y realizar conexiones entre componentes. |
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[1] Definicion.de [Online]. Available: https://definicion.de/laboratorio/. [2] Sebastià, J. M. (1987). ¿Qué se pretende en los laboratorios de física universitaria?. Enseñanza de las ciencias: revista de investigación y experiencias didácticas, 196-204. [3] Puentes, A. Y. P., Vargas, E. E., & Barrera, R. H. (2020). Laboratorios virtuales para la enseñanza de la química: una oportunidad para avanzar. I Simpósio Sul-Americano de Pesquisa em Ensino de Ciências, (1). [4] Canchari Moreyra, L. Z., Leyva Lucas, C. L., Puchuri Meza, A. V., & Retamozo Mendoza, N. C. (2021). Desarrollamos la competencia explica con laboratorios virtuales. [5] Márquez, J. A., & Sanguino, T. M. (2010). Diseño de laboratorios virtuales y/o remotos. Un caso práctico. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, 7(1), 64-72. [6] 2020. [Online]. Available: https://www.unab.edu.co/sites/default/files/MemoriasGrabadas/papers/capitulo10_paper _12.pdf. [7] Bueno López, M., Arteaga Pérez, M., & Candea Leite, A. (2013). Modelado de sistemas de visión en 2D y 3D: un enfoque hacia el control de robots manipuladores. Tecnura, 17(37), 12-21. [8] G. Lorenzo, J. Suárez Rivero and M. García Domínguez, "Desarrollo de un Laboratorio Virtual para el Estudio y Simulación de Mecanismos en la Ingeniería", Researchgate, 2000 [Online]. Available: https://www.researchgate.net/profile/Jose Suarez 24/publication/228544369_Desarrollo_de_un_Laboratorio_Virtual_para_el_Estudio_y_ Simulacion_de_Mecanismos_en_la_Ingenieria/links/540f6a4a0cf2df04e75a2fc1/Desarr ollo-de-un-Laboratorio-Virtual-para-el-Estudio-y-Simulacion-de-Mecanismos-en-la Ingenieria.pdf. [9] P. Trentsios, M. Wolf, και S. Frerich, ‘Remote Lab meets Virtual Reality – Enabling immersive access to high tech laboratories from afar’, Procedia Manufacturing, τ. 43, σσ. 25–31, 2020. [10] Salas Perea, R. S., & Ardanza Zulueta, P. (1995). La simulación como método de enseñanza y aprendizaje. Educación Médica Superior, 9(1), 3-4. [11] Isidro, J. S. (1998). Proceso de Validación de Modelos de Simulación. Informes Técnicos Ciemat. [12] Capraro, F., Tosetti, S., & Serman, F. V. (2010). Laboratorio virtual y remoto para simular, monitorizar y controlar un sistema de riego por goteo en olivos. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, 7(1), 73-84. [13] Gracia Villegas, V. M. (2021). Laboratorio virtual remoto para el control de la planta multiprocesos. [14] Ortiz, K. N. T., Muñoz, D. C. H., & Mendoza, W. N. M. (2020). Importancia de los laboratorios remotos y virtuales en la educación superior. Documentos de Trabajo ECBTI, 1(1). [15] Khairudin, M., Triatmaja, A. K., Istanto, W. J., & Azman, M. N. A. (2019). Mobile virtual reality to develop a virtual laboratorium for the subject of digital engineering. [16] Trentsios, P., Wolf, M., & Frerich, S. (2020). Remote lab meets virtual reality– enabling immersive access to high tech laboratories from afar. Procedia Manufacturing, 43, 25-31. [17] Pan, Z., Cheok, A. D., Yang, H., Zhu, J., & Shi, J. (2006). Virtual reality and mixed reality for virtual learning environments. Computers & graphics, 30(1), 20-28. [18] Xiaopan, Z., & Zhiyi, Y. (2020, July). Construction of Design System of Network Virtual Chemistry Laboratory based on Virtual Reality Technology. In 2020 International Conference on Virtual Reality and Intelligent Systems (ICVRIS) (pp. 19- 22). IEEE. [19] C. Tiempo, "Así ha cambiado la educación en 110 años", El Tiempo, 2022. [Online]. Available: https://www.eltiempo.com/mas-contenido/asi-ha-cambiado-la-educacion-en 110-anos-568089. [20] K. N. Triana Ortiz, D. C.. Herrera Muñoz, y W. N.. Mesa Mendoza, «Importancia de los laboratorios remotos y virtuales en la educación superior», wpecbti, vol. 1, n.º 1, ago. 2020. [21] Marchisio, S., Lerro, F., & Von Pamel, O. (2011). Empleo de un laboratorio remoto para promover aprendizajes significativos en la enseñanza de los dispositivos electrónicos. Pixel-Bit. Revista de Medios y Educación, (38), 129-139. [22] "Información Poblacional - SNIES", Hecaa.mineducacion.gov.co, 2022. [Online]. Available: https://hecaa.mineducacion.gov.co/consultaspublicas/content/poblacional/index.jsf. [23] "Educación superior en tiempos de COVID-19", Banco Interamericano de Desarrollo, 2020 [Online]. Available: https://publications.iadb.org/publications/spanish/document/La-educacion-superior-en tiempos-de-COVID-19-Aportes-de-la-Segunda-Reunion-del-Di%C3%A1logo-Virtual con-Rectores-de-Universidades-Lideres-de-America-Latina.pd [24] Álvarez, O. H., & Zapata, D. Z. (2002). La enseñanza virtual en la educación superior. Icfes. [25] Checa García, F. (2011). El uso de metaversos en el mundo educativo: Gestionando conocimiento en Second Life. REDU. Revista de Docencia Universitaria. 8(2):147-160. http://hdl.handle.net/10251/141935 [26] J. M. Andújar Márquez και T. J. Mateo Sanguino, ‘Diseño de Laboratorios Virtuales y/o Remotos. Un Caso Práctico’, Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI.σ. 64–72, 2010. [27] V. Márquez, I. (2011). Metaversos y educación: Second Life como plataforma educativa. Revista ICONO 14. Revista Científica De Comunicación Y Tecnologías Emergentes, 9(2), 151-166. https://doi.org/10.7195/ri14.v9i2.30 [28] Márquez, I. V. (2011). Metaversos y educación: Second Life como plataforma educativa. Revista ICONO 14. Revista científica de Comunicación y Tecnologías emergentes, 9(2), 151-166. [29] U. Technologies, "Unity", Unity, 2022. [Online]. Available: https://unity.com/es. [30] "Unreal Engine | The most powerful real-time 3D creation tool", Unreal Engine, 2022. [Online]. Available: https://www.unrealengine.com/en-US [31] “¿Cómo funcionan las gafas VR o Gafas de Realidad Virtual?,” Xnova360. [Online]. Available: https://xnova360.com/gafas-vr-realidad-virtual/ [32] Introducción - Blender Manual. [Online]. Available: https://docs.blender.org/manual/es/dev/getting_started/about/introduction.html. [33] U. Technologies, Unity. [Online]. Available: https://unity.com/es. |
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Bejarano Martínez, ArleyEspitia Taborda, Juan Camilo2023-02-27T21:54:07Z2023-02-27T21:54:07Z2022En este documento se presenta el desarrollo de un laboratorio ciber-físico en realidad virtual aplicado a la enseñanza de la electrónica digital. Este es un entorno en el que se pueden realizar prácticas de un laboratorio de sistemas digitales, específicamente en el área de lógica combinacional. El objetivo principal de este proyecto fue realizar un entorno en realidad virtual en el que los usuarios pudieran realizar montajes de circuitos con compuertas lógicas de la forma en que lo harían en un laboratorio real y a su vez poder interactuar con un sistema físico. El desarrollo de este proyecto se dividió en las actividades: creación del entorno, desarrollo de funcionalidad de componentes electrónicos, creación de un sistema físico, implementación de un protocolo de comunicación para permitir la interacción entre el entorno virtual y el sistema físico, y por último la validación de usuario para determinar el funcionamiento del laboratorio desarrollado. En este proyecto se utilizó Blender y Shapr3D como herramientas de modelado 3D, Raspberry Pi Pico para desarrollar el sistema físico, unas gafas de realidad virtual Oculus Rift S para la interacción con el usuario, y por último, la herramienta principal que reúne las anteriores es el entorno de desarrollo de Unity, en el que se ingresaron los modelos 3D y se desarrolló su funcionamiento mediante código, se integró el sistema físico con elementos del entorno virtual y se implementó la interacción en realidad virtual para que el usuario pudiera sentirse como si estuviera adentro de un laboratorio de sistemas digitales real. Para desarrollar la mayoría de las funcionalidades del laboratorio, se utilizó como base un elemento del entorno de Unity llamado “collider”, este elemento permitió la interacción entre todos los elementos del laboratorio. Gracias a la detección de colisiones fue posible desarrollar el funcionamiento de la protoboard y realizar conexiones entre componentes.In this degree work, the development of a cyber-physical laboratory in virtual reality applied to the teaching of digital electronics was carried out. This is an environment in which you can carry out practices in a digital systems laboratory, specifically in the area of combinational logic. The main objective of this project was to create a virtual reality environment in which users could assemble circuits with logic gates in the way they would in a real laboratory and at the same time be able to interact with a physical system.PregradoIngeniero(a) ElectrónicoContenido 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 9 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................... 10 3. JUSTIFICACIÓN.................................................................................................... 12 4. OBJETIVOS............................................................................................................ 13 4.1. Objetivo general............................................................................................... 13 4.2. Objetivos específicos....................................................................................... 13 5. MARCO TEORICO................................................................................................ 14 5.1. Gafas de realidad virtual .................................................................................. 14 5.2. Blender............................................................................................................. 14 5.3. Shapr3D ........................................................................................................... 14 5.4. Raspberry Pi Pico............................................................................................. 14 5.5. Unity ................................................................................................................ 15 5.5.1. Script......................................................................................................... 15 5.5.2. Collider..................................................................................................... 15 5.5.3. Trigger ...................................................................................................... 16 5.5.4. Tag / Etiqueta............................................................................................ 16 6. HERRAMIENTAS UTILIZADAS......................................................................... 16 7. DESARROLLO ...................................................................................................... 17 7.1. Creación del entorno virtual ............................................................................ 17 7.1.1. Adquisición y modelado de elementos 3D............................................... 18 7.1.2. Texturizado de elementos 3D................................................................... 18 7.1.3. Integración de modelos 3D en Unity........................................................ 19 7.1.4. Implementación de la interacción en realidad virtual............................... 21 7.1.5. Desarrollo de interfaz para el manejo del software .................................. 21 7.2. Desarrollo de funcionalidad de los elementos del entorno .............................. 24 7.2.1. Creación de equipos de laboratorio .......................................................... 24 7.2.2. Sistema de nodos...................................................................................... 25 7.2.3. Funcionamiento interno de los componentes electrónicos....................... 29 7.3. Diseño del sistema ciber-físico ........................................................................ 36 7.3.1. Sistema físico ............................................................................................... 36 7.3.2. Protocolo de comunicación .......................................................................... 37 7.3.2.1. Envío de datos mediante Unity............................................................. 37 7.3.2.2. Recepción de datos mediante Raspberry Pi Pico.................................. 38 6 7.3.3. Integración de la comunicación con los elementos virtuales....................... 38 7.3.3.1. Menú de configuración ......................................................................... 38 7.3.3.2. Cargas referenciadas con el sistema físico............................................ 39 7.4. Validación de funcionamiento ......................................................................... 39 7.4.1. Aprendizaje............................................................................................... 39 7.4.2. Desarrollo ................................................................................................. 39 7.4.3. Evaluación ................................................................................................ 40 8. ANÁLISIS Y RESULTADOS................................................................................ 41 8.1. Laboratorio simulado....................................................................................... 41 8.2. Laboratorio ciber-físico ................................................................................... 42 8.3. Validación de funcionamiento por parte del usuario ....................................... 45 8.3.1. Resultados de la encuesta de experiencia de usuario .............................. 45 8.3.2. Resultados encuesta de validación de funcionamiento ............................ 47 9. CONCLUSIONES .................................................................................................. 51 10. TRABAJOS FUTUROS...................................................................................... 51 11. BIBLIOGRAFÍA................................................................................................. 5355 Páginasapplication/pdfUniversidad Tecnológica de PereiraRepositorio Institucional Universidad Tecnológica de Pereirahttps://repositorio.utp.edu.co/homehttps://hdl.handle.net/11059/14577spaUniversidad Tecnológica de PereiraFacultad de IngenieríasPereiraIngeniería Electrónica[1] Definicion.de [Online]. Available: https://definicion.de/laboratorio/.[2] Sebastià, J. M. (1987). ¿Qué se pretende en los laboratorios de física universitaria?. Enseñanza de las ciencias: revista de investigación y experiencias didácticas, 196-204.[3] Puentes, A. Y. P., Vargas, E. E., & Barrera, R. H. (2020). Laboratorios virtuales para la enseñanza de la química: una oportunidad para avanzar. I Simpósio Sul-Americano de Pesquisa em Ensino de Ciências, (1).[4] Canchari Moreyra, L. Z., Leyva Lucas, C. L., Puchuri Meza, A. V., & Retamozo Mendoza, N. C. (2021). Desarrollamos la competencia explica con laboratorios virtuales.[5] Márquez, J. A., & Sanguino, T. M. (2010). Diseño de laboratorios virtuales y/o remotos. Un caso práctico. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, 7(1), 64-72.[6] 2020. [Online]. Available: https://www.unab.edu.co/sites/default/files/MemoriasGrabadas/papers/capitulo10_paper _12.pdf.[7] Bueno López, M., Arteaga Pérez, M., & Candea Leite, A. (2013). Modelado de sistemas de visión en 2D y 3D: un enfoque hacia el control de robots manipuladores. Tecnura, 17(37), 12-21.[8] G. Lorenzo, J. Suárez Rivero and M. García Domínguez, "Desarrollo de un Laboratorio Virtual para el Estudio y Simulación de Mecanismos en la Ingeniería", Researchgate, 2000 [Online]. Available: https://www.researchgate.net/profile/Jose Suarez 24/publication/228544369_Desarrollo_de_un_Laboratorio_Virtual_para_el_Estudio_y_ Simulacion_de_Mecanismos_en_la_Ingenieria/links/540f6a4a0cf2df04e75a2fc1/Desarr ollo-de-un-Laboratorio-Virtual-para-el-Estudio-y-Simulacion-de-Mecanismos-en-la Ingenieria.pdf.[9] P. Trentsios, M. Wolf, και S. Frerich, ‘Remote Lab meets Virtual Reality – Enabling immersive access to high tech laboratories from afar’, Procedia Manufacturing, τ. 43, σσ. 25–31, 2020.[10] Salas Perea, R. S., & Ardanza Zulueta, P. (1995). La simulación como método de enseñanza y aprendizaje. Educación Médica Superior, 9(1), 3-4.[11] Isidro, J. S. (1998). Proceso de Validación de Modelos de Simulación. Informes Técnicos Ciemat.[12] Capraro, F., Tosetti, S., & Serman, F. V. (2010). Laboratorio virtual y remoto para simular, monitorizar y controlar un sistema de riego por goteo en olivos. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, 7(1), 73-84.[13] Gracia Villegas, V. M. (2021). Laboratorio virtual remoto para el control de la planta multiprocesos.[14] Ortiz, K. N. T., Muñoz, D. C. H., & Mendoza, W. N. M. (2020). Importancia de los laboratorios remotos y virtuales en la educación superior. Documentos de Trabajo ECBTI, 1(1).[15] Khairudin, M., Triatmaja, A. K., Istanto, W. J., & Azman, M. N. A. (2019). Mobile virtual reality to develop a virtual laboratorium for the subject of digital engineering.[16] Trentsios, P., Wolf, M., & Frerich, S. (2020). Remote lab meets virtual reality– enabling immersive access to high tech laboratories from afar. Procedia Manufacturing, 43, 25-31.[17] Pan, Z., Cheok, A. D., Yang, H., Zhu, J., & Shi, J. (2006). Virtual reality and mixed reality for virtual learning environments. 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Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 deinfo:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingenieríaSistemas de representación tridimensionalElectrónica digitalProcesamiento digital de imágenesRealidad virtualMetaversoSistema Ciber-FisicoDiseño e implementación de un entorno de realidad virtual para el manejo de un sistema ciber-físico aplicado a la enseñanza de la electrónica digitalTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionORIGINALTRABAJO DE GRADO.pdfTRABAJO DE GRADO.pdfapplication/pdf2817086https://repositorio.utp.edu.co/bitstreams/b0ce7397-9899-440e-ac94-ab46a9454ffa/download18f9e1de803131d0722387d1d8c02c3aMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-814828https://repositorio.utp.edu.co/bitstreams/540bde4a-21de-4477-b715-838cbc09004c/download2f9959eaf5b71fae44bbf9ec84150c7aMD52TEXTTRABAJO DE GRADO.pdf.txtTRABAJO DE GRADO.pdf.txtExtracted texttext/plain84161https://repositorio.utp.edu.co/bitstreams/53782976-db3b-4c3e-85b8-dc391c67cc17/download46e46eb573e258db51fb17dc5ff0b45eMD53THUMBNAILTRABAJO DE GRADO.pdf.jpgTRABAJO DE GRADO.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg5965https://repositorio.utp.edu.co/bitstreams/505ce14b-537e-4dc8-b7ff-6e3a02c914cd/download8c310c47630ff2d2fcd22bfccf960c9fMD5411059/14577oai:repositorio.utp.edu.co:11059/145772023-02-28 03:00:26.422https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Manifiesto (Manifestamos) en este documento la voluntad de autorizar a la Biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad Tecnológica de Pereira la publicación en el Repositorio institucional (http://biblioteca.utp.edu.co), la versión electrónica de la OBRA titulada: ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ La Universidad Tecnológica de Pereira, entidad académica sin ánimo de lucro, queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente la autorización anteriormente descrita en su actividad ordinaria de investigación, docencia y publicación. La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 dehttps://repositorio.utp.edu.coRepositorio 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