CN106611524A - 实境操控模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种实境操控模拟系统，解决模拟不真实的问题。该系统包含一遥控载具，设有一感测组件、一整合模块及一第一传输模块，该整合模块电性连接该感测组件及第一传输模块，该整合模块依据该感测组件的输出信号产生数个数据，并传送到该第一传输模块；及一模拟载台，设有一第二传输模块、一控制单元及一驱动单元，该第二传输模块耦接该第一传输模块，该控制单元电性连接该第二传输模块及驱动单元，该第二传输模块用以接收该数据，该控制单元依据该数据产生数个控制参数，供该驱动单元控制一座舱的运动状态，藉此有效解决上述问题。

Description

实境操控模拟系统

技术领域

本发明是关于一种模拟控制系统；特别是关于一种可模拟远端物件动态的实境操控模拟系统。

背景技术

随着科技进步，休闲娱乐的方式不断推陈出新，各种新奇的户外活动似雨后春笋般蓬勃发展，如：赛车、快艇或轻航机等高动力载具，可带给使用者异于平常的刺激感及新鲜感。但，使用者操作该载具实际奔驰于陆、海、空域时，不若平时位处平地般安全，可能会因气候骤变、操作不当或机械故障等因素，而有意外伴随的危险性。故，使用者通常需经过一定时数的模拟训练，才可实际操控上述载具。

以飞行模拟训练为例，现有飞控模拟系统可供使用者通过一控制介面对一控制电脑下达各种操控指令，以便各种飞行模拟情况，该控制电脑可依据一飞行控制律计算飞行器的控制面及油门角度，用以模拟飞行器的姿态变化并显示视效，其一实施例可参酌中国台湾公告第I226999号《无人载具飞控模拟及测试系统架构》专利案。

但是，上述模拟方式是依事先收集的数据产生一模拟规则(如：飞行控制律等)，其模拟结果(如：姿态变化及视效等)并非即时检测飞行器飞行情况而产生，难免会有误差或失真的情况，无法供使用者体验实境操作情况。

有鉴于此，有必要改善上述先前技术的缺点，以符合实际需求，提升其实用性。

发明内容

本发明是提供一种实境操控模拟系统，可依据一遥控载具的运行情况驱动一模拟载台，使该模拟载台重现该遥控载具所经历的动态。

本发明揭示一种实境操控模拟系统，可包含：一遥控载具，设有一感测组件、一整合模块及一第一传输模块，该整合模块电性连接该感测组件及该第一传输模块，该整合模块依据该感测组件的输出信号产生数个数据，并传送到该第一传输模块；及一模拟载台，设有一第二传输模块、一控制单元及一驱动单元，该第二传输模块耦接该第一传输模块，该控制单元电性连接该第二传输模块及该驱动单元，该第二传输模块用以接收该数据，该控制单元依据该数据产生数个控制参数，供该驱动单元控制一座舱的运动状态。

所述座舱可利用该数据显示该遥控载具的视野讯息。

所述感测组件可包含一全球定位系统、一加速度计、一陀螺仪、一磁场计、一气压计、一超音波计、一影像定位系统、一摄影机及一温湿度计。

所述数据可包含一水平涌流值、一水平摇摆值、一高度起伏值、一线速度值、一线加速度值、一角速度值、一偏航角度值、一滚动角度值、一颠簸角度值及一视频。

所述控制单元可依据一非线性比例缩放法将该数据转换为数个控制参数，用以控制该座舱的运动状态。

所述控制单元可依据该座体的运动状态与一资料库比对产生一误差值，并依据该误差值产生该控制参数。

所述座舱可包含一六轴运动平台。

所述遥控载具可由一远端操作平台操控而运作。

上揭实境操控模拟系统可依据该遥控载具的运行情况驱动该模拟载台，使该模拟载台重现该遥控载具所经历的动作状态及视野讯息，对于赛车、快艇或轻航机等高动力载具有驾驶需求的使用者，可提供使用者既具安全性且仿真度高的驾驶体验，可以达成「安全地提高模拟驾驶的真实体验感」功效，可应用于各种模拟驾驶或体感游戏等场合，提升产业价值。

附图说明

图1是本发明实境操控模拟系统实施例的系统方块图。

图2是本发明实境操控模拟系统实施例的遥控载具的动作状态示意图。

图3是本发明实境操控模拟系统实施例的座舱形成模拟舱态样的示意图。

图4是本发明实境操控模拟系统实施例的非线性比例的关系曲线图。

1 遥控载具

11 感测组件 12 整合模块

13 第一传输模块

2 模拟载台

21 第二传输模块 22 控制单元

22A 控制演算法 22D 资料库

22E 误差值 23 驱动单元

24 座舱

C1 第一线段 C2 第二线段

C3 第三线段 J 物体

P 模拟舱 L 轴件

S 驾驶座

具体实施方式

为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

本发明全文所述的「耦接」(coupled connection)，是指二装置之间经由无线通讯技术相互通讯，但是不以此为限，是本发明所属技术领域中具有通常知识者可以理解。

本发明全文所述的「涌流」(Surge)，是指一物体J沿一行进方向X前后移动(如图2所示)，是本发明所属技术领域中具有通常知识者可以理解。

本发明全文所述的「滚动」(Roll)，是指该物体J以该行进方向X为轴心而转动(如图2所示)，是本发明所属技术领域中具有通常知识者可以理解。

本发明全文所述的「摇摆」(Sway)，是指该物体J沿一旁侧方向Y左右移动(如图2所示)，是本发明所属技术领域中具有通常知识者可以理解。

本发明全文所述的「颠簸」(Pitch)，是指该物体J以该旁侧方向Y为轴心而转动(如图2所示)，是本发明所属技术领域中具有通常知识者可以理解。

本发明全文所述的「起伏」(Heave)，是指一物体J沿一纵深方向Z上下移动(如图2所示)，是本发明所属技术领域中具有通常知识者可以理解。

本发明全文所述的「偏航」(Yaw)，是指该物体J以该纵深方向Z为轴心而转动(如图2所示)，是本发明所属技术领域中具有通常知识者可以理解。

请参阅图1所示，其是本发明实境操控模拟系统实施例的系统方块图。其中，该实境操控模拟系统实施例可包含一遥控载具1及一模拟载台2，该模拟载台2可耦接该遥控载具1。

请再参阅图1所示，该遥控载具1可设有一感测组件11、一整合模块12及一第一传输模块13，该整合模块12电性连接该感测组件11及该第一传输模块13，该感测组件11用以感测该遥控载具1实际运作时的移动状态；该整合模块12可依据该感测组件11的输出信号产生数个数据，并传送到该第一传输模块13，用以传输该等数据至该模拟载台2。

在此实施例中，该遥控载具1的型态可为依实物(如：车辆、船艇或飞行器)的比例制作的载具(如：遥控飞机等)，该载具可由一远端操作平台(如：遥控器等)操控而运作，该远端操作平台可整合于该模拟载台2，但是该远端操作平台与该模拟载台2也可分开设置，供一操作者(如：模拟载台2的使用者或其他人)操控该遥控载具1的运作；该感测组件11可包含一全球定位系统(GPS)、一加速度计(3Daccelerometer)、一陀螺仪(3D gyroscope)、一磁场计(3Dmagnetometer)、一气压计(barometer)、一超音波计(ultrasonoscope)、一影像定位系统(Image Positioning System)、一摄影机(camera)及一温湿度计等，如：智能眼镜、智慧型手机、平板电脑、四轴飞行器、智能车、智能船或智能手机等，用以感测该遥控载具1移动时的三维空间座标、加速度及角速度等物理量，该等物理量也可进一步经过滤波(杂讯滤除)、积分(平滑化)及资料比对(筛选)等步骤后，用以得出该遥控载具1的物体位置与姿态等讯息，但是不以此为限。

在此实施例中，该整合模块12可为一嵌入式系统(embedded system)等，该嵌入式系统也可进一步整合该感测组件11，但是不以此为限。该整合模块12所产生的数个数据可包含一水平涌流(Surge)值、一水平摇摆(Sway)值、一高度起伏(Heave)值、一线速度值、一线加速度值、一角速度值、一偏航(Yaw)角度值、一滚动(Roll)角度值及一颠簸(Pitch)角度值(如图2所示)，该数据还可包含一视频(video)等，但是不以此为限；该第一传输模块13可为现有无线通讯收发器，用以接收该远端控制平台的控制信号及传送该等数据至该模拟载台2。

请再参阅图1所示，该模拟载台2可设有一第二传输模块21、一控制单元22及一驱动单元23，该第二传输模块21可耦接该遥控载具1的第一传输模块13，该控制单元22可电性连接该第二传输模块21及该驱动单元23，该第二传输模块21可用以接收该整合模块12产生的数据，该控制单元22可依据该数据产生数个控制参数，供该驱动单元23控制一座舱24的运动状态。在此实施例中，该第二传输模块21为可对应接收该第一传输模块13的无线信号的装置，用以接收该等数据。

在此实施例中，该控制单元22可内含一控制演算法22A，依据一非线性比例缩放法(nonlinear factor scaling method，如：PiecewiseCubic Hermite Interpolating Polynomial等)，将该数据转换为数个控制参数，将无限大的移动数值以非线性的方式转换成具有极限的模拟数值，如：近距离或低速度的模拟数值以接近真实为主，对远距离或高速度的模拟数值则以非线性比例缩小后呈现，用以控制该座舱24，但是该座舱24的运动状态也可回授至该控制单元22，使该控制单元22可依据该座舱24的运动状态与一资料库22D(如：水平涌流均值、水平摇摆均值、高度起伏均值、线速度均值、线加速度均值、角速度均值、偏航角度均值、滚动角度均值或颠簸角度均值等)比对产生一误差值22E(越小越好，最佳为0)，并依据该误差值产生该控制参数，该控制单元22可为姿态及速度极限控制器(gesture and velocity constraint robustcontroller)等，将控制范围区域局限在该座舱24的移动区域(即其极限范围)内，其姿态量及速度量皆有饱和(极限)阀值。以下举例说明上述水平涌流均值(surge average value)、水平摇摆均值(sway averagevalue)、高度起伏均值(heave average value)、偏航角度均值(yawaverage value)、滚动角度均值(roll average value)、颠簸角度均值(pitch average value)、线速度均值、线加速度均值或角速度均值的产生方式，但是不以此为限。

举例而言，加速度计可提供三维方向的运动物体加速度，陀螺仪提供运动物体三维方向的角速度；利用数学积分及运动物体的初值条件，可以计算运动物体的瞬时运动速度(instantaneous velocity)、位置及姿态，三维的加速度量测数值，可以组合成三维加速度向量(代表线加速度)；该向量以时间为独立变数(independent variable)，对该独立变数进行积分。加速度经过一次积分后，可得瞬时运动速度值；再进行一次积分，可以得到运动物体的位移数值。搭配运动物体的初值条件，可以计算运动物体的位置，也就是运动物体的水平涌流均值(surge averagevalue)、水平摇摆均值(sway average value)、高度起伏均值(heaveaverage value)。同理，对陀螺仪提供运动物体三维方向的角速度进行积分，在加上运动物体的初值姿态条件，可以得运动物体的偏航角度均值(yaw average value)、滚动角度均值(roll average value)、颠簸角度均值(pitch average value)，以上所得数值是依据加速度计与陀螺仪量测数据，再加上数学运算所得，按照数学常理应该是非常准确的。

另，因加速度计与陀螺仪属于微机械及电子电路元件，其所量测数值可能含有杂讯，导致数学计算不准确而偏离正确数值。故，在此实施例中，在使用这些量测数据前，可先滤除杂讯，杂讯滤除方式可以使用卡曼滤波器(Kalman filter)或威纳滤波器(Weiner filter)，其使用方式是所属技术领域中具有通常知识者可以理解，在此容不赘述。

又，气压计、超音波计与磁场计可用来比对上述计算数值，其中气压计可以量测运动物体的高度，通过事先对其校准，用以准确的量测高度，该高度可用来与加速度计的高度(一般是Z轴方向)进行比对计算，通常二者的误差可为5％之内。借此，可用该计算结果来推算另外二个维度的计算误差；另，超音波计也可用以预防万一气压计损坏或失效，用来量测物体的Z轴方向高度；而磁场计则可用于比对运动物体的姿态，磁场计与运动物体的中心轴线平行，也即，利用磁场计可知运动物体的方向，其中，常见的磁场计指北方向，利用与中心轴线的夹角，可得知运动物体角度。运用此角度与前述的数学方式计算的偏航角度均值(yawaverage value)比对，一般误差在5％之内，可借此对比并确认该滚动角度均值(roll average value)、颠簸角度均值(pitch average value)。

在此实施例中，该驱动单元23可依据该控制参数产生适用于该座舱24的动力及控制信号，如：伺服马达的驱动信号等，又，该驱动单元23的动力来源可来自纯电力驱动器(如：交、直流伺服马达或螺杆马达电动缸等)或油(或气)电驱动器(如：以电力控制油压缸(或气压缸)作动产生动力)，上述驱动方式可利用一驱动控制器(如：CNC驱动控制器)将该控制演算法22A产生的输出结果转换为上述动力来源所需的讯息或信号，用以产生驱使该座舱24运动所需的动力来源，但是不以此为限；该座舱24可包含一六轴运动平台(6-axes motion platform)，如：该座舱24可为现有具有六轴运动控制功能的座体，或者，如图3所示，该座舱24也可形成具有六轴运动控制功能的现有模拟舱P，可由现有伺服马达控制六自由度的轴件L(如：油压缸、伸缩轴或连接轴等)产生不同运动型态，该模拟舱P中可设至少一驾驶座S，也可利用各种显示技术(如：多重投影或画面分割等)，使该模拟舱P可重现该遥控载具1的移动状态及视野讯息，且该座舱24还可设有温、湿度调整装置，如：依据该感测组件11感测的温、湿度，在该驾驶座S上方喷雾增加湿度、抽风降低湿度、送出冷气降低温度、吹出暖气提高温度等，以便提高模拟的逼真程度，其是所属技术领域中具有通常知识者可以理解，在此容不赘述，但是不以此为限。

请参阅图4所示，其是本发明实境操控模拟系统实施例的非线性比例的关系曲线图。其中，非线性比例的关系曲线分为一第一线段C1、一第二线段C2及一第三线段C3，该第一线段C1表示在距离在R1以下，可将各数据(如：遥控载具1的移动距离)以1:1的比例模拟产生该控制参数(如：座舱24的速度、加速度及距离等)，并以即时性及同步性的简洁运算为主，不宜采用过于复杂的运算程序；该第二线段C2表示距离在R1至R2之间，可将各数据以1至n的非线性缩小比例模拟该控制参数，可采用连续轨迹预测动作，避免因数据的传输距离、杂讯及延迟增加，而严重影响物体追踪度及模拟仿真度；该第三线段C3表示距离在R2以上，可将各数据以一定比例(n)大幅缩小模拟该控制参数，以产生对应的模拟动作，避免因数据的传输延迟严重，导致模拟动作模糊不明显。因此，经由上述比例的调整，可使得该遥控载具1的距离越近，该座舱24模拟的动态越明显，该遥控载具1的距离越远，该座舱24模拟的动态越不明显，可避免该座舱24移动量过大而失控或紧急停止，让使用者可真实地体验该遥控载具1即时历经实境(如：顺、逆风等)的移动状态。

在此实施例中，该控制参数还可用一控制演算法产生，如下式(1)所示：

u(t)＝ω₁·u₁(t)+ω₂·u₂(t)+ω₃·u₃(t) (1)

其中，u1(t)、u2(t)、u3(t)分别为第一、二、三线段的控制函数；ω1、ω2、ω3分别为u1(t)、u2(t)、u3(t)的权重值，该权重值可依该座舱24所在环境而调整，如欲加强近距离的动态感受，则可增加权重值ω1，余可依此类推，容不赘述。

此外，本发明实境操控模拟系统实施例，可利用该座舱24仿真式重现该遥控载具1的动态的余，还可利用该遥控载具1的感测组件11(如：摄影机取得视频)取得该遥控载具1所处环境的影像，并将该影像经由该第一传输模块13、第二传输模块21传输至该座舱24，利用该座舱24配合相关显示技术产生拟真式的视频，以重现该遥控载具1的视野讯息。

综上，本发明实境操控模拟系统实施例可利用该遥控载具1的整合模块12电性连接该感测组件11及该第一传输模块13，该整合模块12可依据该感测组件11的输出信号产生数个数据，并传送到该第一传输模块13；该模拟载台2的第二传输模块21耦接该第一传输模块13，该控制单元22电性连接该第二传输模块21及该驱动单元23，该第二传输模块21可用以接收该数据，该控制单元22可依据该数据产生数个控制参数，供该驱动单元23控制该座舱24的运动状态，该座舱24还可利用该数据显示该遥控载具1的视野讯息，该座舱24可避免移动量过大而失控或紧急停止，让使用者可真实地体验该遥控载具1即时历经实境(如：顺、逆风等)的移动状态及视野讯息。

借此，本发明实境操控模拟系统实施例可依据该遥控载具1的运行情况驱动该模拟载台2，使该模拟载台2重现该遥控载具1所经历的动作状态及视野讯息，对于赛车、快艇或轻航机等高动力载具有驾驶需求的使用者，可提供使用者既具安全性且仿真度高的驾驶体验，可以达成「安全地提高模拟驾驶的真实体验感」功效，可应用于各种模拟驾驶或体感游戏等场合，提升产业价值。

Claims (8)

1.一种实境操控模拟系统，其特征在于，包含：

一个遥控载具，设有一个感测组件、一个整合模块及一个第一传输模块，该整合模块电性连接该感测组件及该第一传输模块，该整合模块依据该感测组件的输出信号产生数个数据，并传送到该第一传输模块；及

一个模拟载台，设有一个第二传输模块、一个控制单元及一个驱动单元，该第二传输模块耦接该第一传输模块，该控制单元电性连接该第二传输模块及该驱动单元，该第二传输模块用以接收该数据，该控制单元依据该数据产生数个控制参数，供该驱动单元控制一个座舱的运动状态。

2.根据权利要求1所述的实境操控模拟系统，其特征在于，该座舱利用该数据显示该遥控载具的视野讯息。

3.根据权利要求1或2所述的实境操控模拟系统，其特征在于，该感测组件包含一个全球定位系统、一个加速度计、一个陀螺仪、一个磁场计、一个气压计、一个超音波计、一个影像定位系统、一个摄影机及一个温湿度计。

4.根据权利要求1或2所述的实境操控模拟系统，其特征在于，该数据包含一个水平涌流值、一个水平摇摆值、一个高度起伏值、一个线速度值、一个线加速度值、一个角速度值、一个偏航角度值、一个滚动角度值、一个颠簸角度值及一个视频。

5.根据权利要求4所述的实境操控模拟系统，其特征在于，该控制单元依据一个非线性比例缩放法将该数据转换为数个控制参数，用以控制该座体的运动状态。

6.根据权利要求1或2所述的实境操控模拟系统，其特征在于，该控制单元依据该座体的运动状态与一个资料库比对产生一个误差值，并依据该误差值产生该控制参数。

7.根据权利要求1所述的实境操控模拟系统，其特征在于，该座舱包含一个六轴运动平台。

8.根据权利要求1所述的实境操控模拟系统，其特征在于，该遥控载具是由一个远端操作平台操控而运作。