Laboratorio virtual 3D basado en un motor de videojuegos para interactuar con el control de un sistema físico representativo: reactor CSTR (Reactor de Tanque Agitado Continuo)

Abstract

En el aprendizaje en línea y en general en el sector educativo, la realidad virtual ha venido tomando fuerza en los últimos años debido al rápido crecimiento de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC). La realidad virtual permite al estudiante tener un entrenamiento práctico en donde se promueven habilidades de operación y se consoliden conceptos de la teoría.

Este documento presenta el desarrollo y construcción de un ambiente interactivo de realidad virtual tri-dimensional (3D) para realizar el control de un sistema físico representativo en el sector industrial, reactor CSTR (Reactor de tanque agitado continuo). Se utilizó como herramienta de construcción Unity, el cual es un software o motor multiplataforma para el desarrollo y creación 3D/2D en tiempo real de videojuegos o experiencias envolventes. Para la construcción del ambiente de realidad virtual 3D se seleccionó un modelo matemático para el sistema físico que permitiera recrear el comportamiento del proceso; se diseñaron y se implementaron los controladores PID-2DOF, LQR-P y LQR-PI; se desarrolló el código en Unity para recrear con realismo y fidelidad el modelo matemático de la planta controlada; se verificó el comportamiento de la simulación obtenida en Unity mediante Simulink y finalmente se realizó todo el diseño en cuanto a número de escenas, elementos visuales, texturas y efectos para hacer que las escenas de simulación virtual fueran lo más realistas e inmersivas. El desarrollo de ambientes de aprendizaje virtual 3D en Unity resulta en una forma atractiva y novedosa de aprendizaje. Además de permitir realizar prácticas de una forma segura por no realizarlas directamente en un proceso real. (Texto tomado de la fuente)

Virtual reality (VR) has been gaining momentum on e-learning in the past few years due to the rapid growth of Information and Communication Technologies (ICT). Virtual reality allows the student to have a practical training where operation skills are promoted and theoretical concepts are consolidated.

This document presents the development and construction of an interactive three dimensional (3D) virtual reality environment to control a Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), which is a common chemical system in the process industry. The software used for developing this environment was Unity, which is a cross-platform engine that can be used to create 3D and 2D games, as well as interactive simulations and other experiences. The construction of the 3D virtual reality environment was developed on mainly five phases. First, a mathematical model was selected for the process. Second, PID-2DOF, LQR-P and LQR-PI controllers were designed and implemented. Third, coding was developed in Unity to realistically and faithfully recreate the mathematical model of the process. Fourth, verification of the simulation behavior in Unity was verified using Simulink. Finally, scene was setup in the most realistic and immersive way. Developing 3D Virtual Learning Environments (3D VLE) in Unity results in a safe (which is opposite to hand-on practice that may bring security risk), engaging and novel way of learning.