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SIMULADOR PARA APOIOAO ENSINO DO CÓDIGO DA ESTRADAMário André Alves NogueiraDissertação para obtenção do Grau de Mestre emEngenharia Informática, Área de Especialização emSistemas Gráficos e MultimédiaOrientador: António Abel Vieira de Castro (PhD)Júri:Presidente:José António Reis Tavares (PhD)Vogais:João Paulo Jorge Pereira (PhD)António Abel Vieira de Castro (PhD)Porto, Outubro de 2014
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À minha família por tudo o que me proporcionou ao longo da vida.iii
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ResumoUma das ambições da sociedade atual é a obtenção da carta de condução, havendo cada vezmais jovens a tirar a sua carta mal atingem a idade mínima necessária. Muitos destes jovensenvolvem-se em acidentes rodoviários, provavelmente devido à sua inexperiência e ao seuestilo de vida.Dados os problemas de inexperiência foi realizado um estudo de forma a averiguar se seriapossível desenvolver uma ferramenta de modo a contribuir para uma melhoria do ensino docódigo da estrada, ajudando os atuais e futuros candidatos a condutor a sentirem-se maisbem preparados para quando adquirirem as suas licenças de condução.O objetivo principal do presente estudo focou-se no desenvolvimento de uma solução capazde simular situações de trânsito permitindo ao instrutor de condução alterar os componentesda simulação, como veículos e sinalização, permitindo a criação de múltiplas situações detrânsito demonstrando aos seus alunos o modo correto de proceder quando confrontadoscom situações semelhantes.No final são apresentadas as conclusões retiradas do presente estudo, onde são retiradas asconclusões principais da analisa de resultados efetuada, permitindo verificar que a ferramentadesenvolvida é interessante para uma melhoria do ensino atual do código da estrada. No fimsão apresentadas as perspetivas de trabalho futuro.Palavras-chave: Simulador, Código da estrada, Unity3D, Carta de conduçãov
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AbstractOne of the ambitions of today's society is the acquisition of a driving license, with moreteenagers taking their driver’s license when they reach the required minimum age. Many ofthese young people are involved in road accidents, probably due to their inexperience andtheir lifestyle.Given the problems of inexperience a study was conducted to ascertain whether it would bepossible to develop a tool to help improve the teaching of the traffic code, helping current andfuture candidates driver to feel better prepared for when acquire their driver's licenses.The main objective of this study focused on developing a solution capable of simulating trafficsituations allowing the driving instructor change the components of the simulation, such asvehicles and traffic signals, allowing the creation of multiple traffic situations demonstratingto his students the right way to proceed when faced with similar situations.The conclusions drawn from this study, where the main conclusions of the analysesperformed results are taken, allowing you to check that the developed tool is interesting toraising the current teaching of the Highway Code. In the end we present the prospects forfuture work.Keywords: Simulator, Traffic Code, Driver’s license, Unity3Dvii
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AgradecimentosGostaria de deixar aqui registado um pequeno agradecimento a todos que me ajudaram eacompanharam durante a realização deste estudo, pois sem eles não o conseguiria concluir.Ao meu orientador, o Doutor António Vieira de Castro pela paciência, dedicação, incentivo epor todo o incansável apoio.Ao ISEP – Instituto Superior de Engenharia do Porto por permitir as condições necessárias àrealização deste trabalho e a todos que de alguma forma, mesmo que indiretamente, tenhamfacilitado ou contribuído para o desenvolvimento desta tese.À minha família, amigos de longa data e amigos recentes por todo o apoio que me deram aolongo do Mestrado e pelo acompanhamento e ajuda quando eu mais precisei.À empresa e colegas de trabalho pela compreensão e pelo tempo concedido para a finalizaçãodesta dissertação.À escola de condução “Código e Norma” e a todos os seus instrutores por todo o apoiofornecido durante o desenvolvimento do protótipo e durante o estudo do atual ensino docódigo da estrada.À escola de condução “Oficina do Condutor” também por o apoio fornecido durante o estudodas ferramentas auxiliares disponíveis para o ensino do código da estrada.ix
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Índice1Introdução . 11.1Enquadramento . 11.2Caracterização geral do problema . 21.3Objetivos e contributos esperados . 51.4Motivação . 61.5Organização deste documento . 72O ensino da condução em Portugal . 92.1Introdução . 92.2A matriz GDE e o ensino do IMT . 112.2.1A Matriz GDE . 112.2.2O ensino do IMT e os níveis de desempenho da matriz GDE . 132.32.2.2.1O nível atitudinal . 132.2.2.2O nível estratégico . 132.2.2.3O nível tático . 132.2.2.4O nível operacional . 14O ensino presencial nas escolas de condução . 142.3.1A formação teórica. 142.3.1.1O software de apoio ao ensino da condução . 152.3.1.2Os suportes físicos de ensino da condução . 212.3.1.3As metodologias das escolas . 242.3.2A Formação prática . 242.3.2.12.43O software na formação prática . 25A aprendizagem teórica a partir de casa . 252.4.1As aulas virtuais . 262.4.2Outra documentação Online . 292.4.3O acompanhamento dos alunos . 322.4.4Os sistemas de e-learning no ensino da condução . 32O protótipo, SIEC .35xi
3.1Introdução . 353.2Ferramentas de Desenvolvimento . 363.2.1O Unity3D . 373.2.2O Unreal Engine 4 . 383.2.3O Unreal Development Kit . 393.2.4A escolha da ferramenta de desenvolvimento . 393.3O SIEC . 393.3.1O modelo conceptual do presente protótipo . 403.3.2Os métodos de criação dos cenários . 433.3.3As simulações Estáticas . 453.3.3.1O Cruzamento. 453.3.3.2As opções dos Elementos . 483.3.3.3O movimento dos Veículos. 503.3.3.4A determinação de prioridades . 543.3.3.5Adaptação do movimento possível dos veículos . 553.3.3.6O ponto de vista do condutor . 563.3.3.7Os Entroncamentos . 573.3.3.8As Rotundas . 583.3.3.9Reflexão sobre as limitações e problemas encontrados . 623.3.4As simulações dinâmicas . 643.3.4.1A criação do cenário base. 643.3.4.2A importação dos cenários para o Unity3D . 653.3.4.3A definição de caminhos . 663.3.4.4O movimento de veículos e peões . 673.3.4.5Os elementos da simulação. 683.3.4.5.1 Os veículos. 683.3.4.5.2 Os sinais Luminosos. 693.3.4.5.3 Os sinais de trânsito verticais . 713.3.4.5.4 As passadeiras . 723.3.4.5.5 Os peões . 73xii
3.3.4.6A determinação de prioridades. 753.3.4.6.1 O ponto de Leitura: Sinalização de trânsito . 753.3.4.6.2 O ponto de Leitura: Aproximação de passadeira. 763.3.4.6.3 O ponto de Leitura: Distância de segurança . 773.3.4.6.4 O ponto de leitura: Cedência de passagem . 774Análise de Resultados .794.1Introdução . 794.2Análise de resultados . 805Conclusões e trabalho futuro .915.1Introdução . 915.2Principais conclusões do presente estudo . 925.3Trabalho futuro . 93Referências .95Anexos .99Anexo 1: Inquérito de avaliação de protótipo . 100xiii
Lista de FigurasFigura 1 – Exemplo de campanha de prevenção . 3Figura 2 – Exemplo de uma sala de aula presencial do ensino do código da estrada . 15Figura 3 – Menu principal Sala Virtual . 16Figura 4 – Temas principais da Sala Virtual . 16Figura 5 – Os temas principais de “O Motociclo” . 17Figura 6 – Exemplo de conteúdos constituintes de um subtema. . 18Figura 7 – Sinais de trânsito verticais organizados por categorias . 19Figura 8 – Quadro magnético. 19Figura 9 – Exemplo de cena criada usando o quadro magnético . 20Figura 10 – Exemplo de painéis com categorias de sinais de trânsito . 21Figura 11 – Exemplo de painel informativo com sinalização luminosa . 22Figura 12 – Exemplo de painéis de mecânica automóvel . 22Figura 13 - Exemplo de painéis de mecânica automóvel . 22Figura 14 – Painel interativo – Funcionamento de travões de ar . 23Figura 15 – Painel Quadro Magnético. 23Figura 16 – Exemplo de um simulador virtual de condução . 25Figura 17 – Canal de YouTube do Ronaldo Cardoso . 26Figura 18 – Exemplo de uma aula disponível no YouTube . 27Figura 19 – Subtemas divididos em vídeos. . 27Figura 20 – Canal de YouTube O Instrutor . 28Figura 21 – Método de memorização das velocidades máximas . 29Figura 22 – Artigos com conselhos de segurança rodoviária . 30Figura 23 – Exemplo de resumo de uma ficha do IMT. 31Figura 24 – Demonstração de distância de segurança . 31Figura 25 – Sistema de e-learning da Escola de Condução Invicta . 33Figura 26 – Logotipo Unity3D. 37Figura 27 – Modelo Conceptual: Sala de Aula . 40Figura 28 – Modelo Conceptual: SIEC . 40Figura 29 – Modelo Conceptual: Organização das simulações . 41Figura 30 – Modelo Conceptual: Variações dum tipo de simulação . 42Figura 31 – Modelo Conceptual: Exemplo simulação . 42xv
Figura 32 – Modelo Conceptual: Exemplo Menu Lateral . 43Figura 33 – Cenário criado em Unity3D . 44Figura 34 – Cenário criado no 3DS Max . 45Figura 35 – Cenário base com suportes de elementos . 46Figura 36 – Mecanismo de interação para posicionamento de veículo . 47Figura 37 - Mecanismo de interação para posicionamento de sinalização . 47Figura 38 – Cenário base com menu lateral . 48Figura 39 – Menus dos elementos constituintes da simulação . 49Figura 40 - Opções associadas ao menu do elemento veículo ”carro” . 50Figura 41 – Exemplo NavMeshAgent . 52Figura 42 – NavMesh gerado para uma simulação . 52Figura 43 – Definição de Waypoint . 53Figura 44 – Alteração de menu com base na sinalização existente . 56Figura 45 – Câmara com vista do condutor . 57Figura 46 – Entroncamento base . 57Figura 47 – Cenário criado com 3DSMax . 59Figura 48 – Simulação com Menu Lateral de opções 1 . 60Figura 49 - Simulação com Menu Lateral de opções 2. 60Figura 50 – Menus para caminhos automáticos . 60Figura 51- Menu para caminhos manuais . 60Figura 52 – Visualização de possíveis caminhos definidos manualmente . 61Figura 53 – Exemplo de circulação em rotundas . 63Figura 54 – Cenário complexo construído em 3DSMax . 65Figura 55 – Cenário importado para o Unity3D . 65Figura 56 – NavMesh para os automóveis . 66Figura 57 – NavMesh para peões . 67Figura 58 – Constituição do criador de veículos. 69Figura 59 – Menu contextual de um sinal luminoso . 71Figura 60 – Base de sinais verticais com menu contextual . 72Figura 61 – Peões a atravessar uma passadeira. 72Figura 62 – BlendTree das animações dos peões . 74Figura 63 – Ponto de Leitura: Sinalização de trânsito . 76Figura 64 – Ponto de leitura: Aproximação de passadeira . 76xvi
Figura 65 – Ponto de leitura: Distância de segurança. 77Figura 66 – Ponto de Leitura: Cedência de passagem . 78xvii
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Lista de TabelasTabela 1 – Matriz GDE . 12xix
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Lista de GráficosGráfico 1 – Distribuição da população alvo . 80Gráfico 2 – Distribuição de cartas de condução . 80Gráfico 3 – Distribuição dos números de anos de carta . 81Gráfico 4 – Distribuição da preparação para a condução após obtenção da carta de condução. 81Gráfico 5 – Distribuição de preparação quando deparados com situações desconhecidas. 82Gráfico 6 – Distribuição da disponibilidade dos recursos utilizados. 83Gráfico 7 – Opinião dos inquiridos quanto à melhoria do seu ensino teórico . 84Gráfico 8 – Opinião dos inquiridos sobre sistema de alteração de cenários em tempo real . 84Gráfico 9 – Opinião dos inquiridos relativamente ao objetivo do protótipo. 85Gráfico 10 – Distribuição de ferramentas semelhantes ao protótipo na formação dosinquiridos . 85Gráfico 11 – Opinião dos utilizadores quanto à utilidade da ferramenta na sua formação . 86Gráfico 12 – Opinião dos inquiridos quanto à utilidade do protótipo para futuros condutores. 86Gráfico 13 – Preferência dos inquiridos quanto ao tipo de simulações . 87Gráfico 14 – Opinião dos inquiridos quanto à disponibilidade da ferramenta em dispositivosmóveis . 87Gráfico 15 – Opinião dos inquiridos quanto à navegação entre simulações . 88Gráfico 16 – Opinião dos inquiridos quanto ao posicionamento de veículos nas simulações . 88Gráfico 17 - Opinião dos inquiridos quanto ao posicionamento de sinais de trânsito nassimulações. 89Gráfico 18 - Opinião dos inquiridos quanto à alteração das propriedades dos elementos nassimulações. 90xxi
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Lista de CódigosCódigo 1 – Exemplo de uso de um RayCasting em Unity3D . 61Código 2 – Exemplo do uso da instrução yield. 70Código 3 – Implementação da automatização da luminosidade dos semáforos . 70Código 4 – Implementação do temporizador dos semáforos . 70Código 5 – Implementação do movimento dos peões . 74xxiii
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Notações e Glossário3dsMaxAplicação de modelação 3DAndroidSistema operativo para smarthphone produzidos pela GoogleANIECAAssociação Nacional dos Industriais do Ensino de ConduçãoANSRAssociação Nacional de Segurança RodoviáriaAutodeskEmpresa de software de design e de conteúdo digitalBlenderAplicação de modelação 3DBooLinguagem de programação multi-paradigma com suporte a objetosC#Linguagem de programação orientada a objetos, desenvolvida pelaMicrosoftC Linguagem de programação multi-paradigma de medio nívelDEIDepartamento de Engenharia Informáticae-learningEnsino à distânciaGDCGame Developers ConferenceGDEGoals for Driver EducationGILTGraphics Interaction and Learning TechnologiesIMTInstituto da Mobilidade e TranportesiOSSistema operativo para smarthphone produzidos pela AppleISEPInstituto Superior de Engenharia do PortoJavascriptLinguagem de programação dinâmica.LAMULaboratório de MultimédiaLinuxSistema operativo para computadoresMACComputador pessoal desenvolvido pela AppleMayaAplicação de modelação 3Dxxv
MechanimSistema de animações do Unity3DNavMeshSistema de definição de caminhos, orientados por inteligência artificialPCComputador pessoalPrefabObjeto que atua como um modelo de outros objetos em Unity3DPS4Consola de videojogos criada pela SonySiteSítio na Web. É constituído por um conjunto de páginas Web,ligadas umas às outras através de hiperligações, alojadas numservidor da Internet.SmartphoneTelefone, com funcionalidades avançadas que podem serestendidas por meio de programas executados por seu sistemaoperativoSoftwareProgramas, ficheiros, é a parte lógica de um sistema informático.TabletComputador portátil, de tamanho pequeno, fina espessura e comtela sensível ao toque.UDKUnreal Development KitUE3Unreal Engine 3UE4Unreal Engine 4Unity3DMotor de jogo desenvolvido pela Unity TechnologiesUnreal Engine 4Motor de jogo desenvolvido pela Epic GamesVS2013Visual Studio 2013Xbox OneConsola de videojogos criada pela Microsoftxxvi
1 Introdução“Man is still the most extraordinary computer of all”John F. KennedyNeste capítulo é realizado um enquadramento da importância dos automóveis na vida do serhumano juntamente com os requisitos necessários ao manuseamento do mesmo, passandopor uma breve história da invenção do automóvel.Segue-se uma caracterização geral do problema identificando os principais problemasassociados com a condução dos automóveis e algumas das suas possíveis causas. O ensino dacondução representa um fator de peso na prevenção dos problemas encontradosnomeadamente a sinistralidade na estrada nas camadas jovens.Definem-se os objetivos e contributos que se esperam obter com o desenvolvimento de umaferramenta que possa ajudar a melhorar o ensino teórico do código da estrada, permitindo àsescolas de condução melhorar a formação dos seus alunos.Apresenta-se a motivação que levou, ao autor, a desenvolver uma investigação na área doensino do código da estrada e apresenta-se a estrutura deste documento.1.1 EnquadramentoA invenção da roda foi considerada uma das maiores, senão a maior, invenção realizada pelohomem desde a sua existência (Haven, 2006). A partir do momento da sua criação as suasaplicações não têm tido limites sendo usadas em inúmeras áreas e tendo os mais variadosusos. A aplicação mais comum é usada por nós nos nossos veículos, do dia-a-dia, que tem1
como funcionalidade o nosso meio de deslocamento. O seu uso é variado como: lazer,trabalho, passeios, deslocação de pessoas e bens entre outros.O primeiro automóvel moderno foi criado por Karl Benz em 1885 (Eckermann & Albrecht,2001) e desde então os seus criadores, têm dado largas à criatividade e explorado todos osmateriais possíveis, para cada vez mais, desenharem automóveis ainda mais diferenteshavendo uma enorme variedade de marcas e modelos, procurando aproximarem-se dosgostos dos consumidores. Sendo assim, no mercado encontramos modelos grandes,pequenos, desportivos, familiares, caros ou económicos, da potência alta ou baixa com váriostipos de performance. O uso dos automóveis como meio de deslocação, quer seja privado oupúblico, têm-se tornado numa forte necessidade para o funcionamento da vida do homem.Ter um carro próprio é cada vez mais uma moda e uma etapa para se atingir um certoestatuto. Em 2010 estimava-se existir por cada 1000 pessoas entre 352 a 523 automóveis oque se traduz em quase 1 automóvel por cada 2 pessoas (ChartsBin, s.d.). No entanto nãobasta haver apenas a necessidade de obter um veículo, para se poder conduzir é necessárioobter primeiro uma licença de condução, sendo que esta licença é denominada de carta decondução.A carta de condução é obtida através da realização de dois exames: um teórico e um prático,sendo a aprovação de ambos obrigatório. Para ser elegível a realização do exame teórico oaluno tem que assistir e receber formação a um conjunto de aulas obrigatórias (teóricas epráticas) abrangendo os diversos temas existentes. O exame prático também requer aformação do manuseamento do automóvel e a aplicação dos conhecimentos adquiridosdurante a formação teórica.O ensino teórico do código da estrada é um tema que tem vindo a ser discutidointernacionalmente, e tem vindo a ser melhorado de modo a desenvolver um conjunto depráticas para que o ensino seja similar entre todos os países.1.2 Caracterização geral do problemaA sinistralidade na estrada é um tema discutido diariamente e tentando-se encontrar soluçõese medidas que visem a diminuição os valores da mesma. Infelizmente, segundo a ANSR2
(Autoridade Nacional de Segurança Rodoviária), todos os anos se registam centenas demilhares de acidentes entre os quais se verificam feridos ligeiros, graves e até mesmo vítimasmortais. Apesar de ainda se verificar este número elevado de acidentes, a sinistralidade emPortugal tem vindo a diminuir desde 2004, havendo uma descida no número de acidentes ena gravidade dos mesmos, registando-se apenas uma acentuada subida em 2009 (5.8%) euma ligeira em 2013 (1.6%) (ANSR, 2013).Segundo as estatísticas documentadas, em 2013 foram registados 4715 condutoresenvolvidos em acidentes que tinham entre os 20 e os 24 anos de idade correspondendo a9.7% do total de condutores envolvidos em acidentes.Todos os dias são divulgadas campanhas de prevenção da sinistralidade (Figura 1),juntamente com formações sensibilizadoras de modo a contribuir para a redução dasinistralidade.Figura 1 – Exemplo de campanha de prevençãoCom as suas campanhas de segurança rodoviária a ANSR pretende atingir todos osintervenientes, peões, passageiro
SIMULADOR PARA APOIO AO ENSINO DO CÓDIGO DA ESTRADA Mário André Alves Nogueira Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática, Área de Especialização em
