以下、図面を参照して、本発明に係る運転模擬試験装置の実施の形態を説明する。
本実施の形態では、本発明に係る運転模擬試験装置を、被験者の運転操作に応じて車両の運動を模擬するドライビングシミュレータに適用する。本実施の形態に係るドライビングシミュレータは、車両モデルが内部に設置されるドームを備え、ドームを円旋回運動するためのXY並進機構、ドームをチルト運動するためのヘキサポッド、車両モデルを円旋回運動するためのターンテーブル、ドーム内で車両モデルをチルト運動するためのシェーカを備えている。本実施の形態には、前後加速度を模擬する際の制御方法の違いにより2つの形態があり、第1の実施の形態がドームに対する円旋回とロール角を制御する形態であり、第2の実施の形態がドームに対する円旋回とヨー角を制御する形態である。
図1〜図5を参照して、第1の実施の形態に係るドライビングシミュレータ1について説明する。図1は、本実施の形態に係るドライビングシミュレータの全体を示す斜視図である。図2は、図1のドームの内部及びヘキサポッドを示す正面図である。図3は、本実施の形態に係るドライビングシミュレータの構成図である。図4は、第1の実施の形態に係る前後加速度を模擬する場合の制御の説明図である。図5は、車両モデル(ドーム)の円旋回運動の説明図である。
ドライビングシミュレータ1は、被験者の運転操作に応じて車両の運動状態を演算し、その演算した運動状態を被験者が体感できるようにドーム及び車両モデルに対して各種運動を行う。特に、ドライビングシミュレータ1では、省スペース化を目的として、車両の前後加速度を模擬する際にドーム(車両モデル)に対する円旋回運動及びロール運動を行う。また、ドライビングシミュレータ1では、シミュレータ酔い防止及びドームの振動防止を目的として、車両が傾く際に車両モデルに対するチルト運動とドームに対するチルト運動を行う。そのために、ドライビングシミュレータ1は、主なものとして、ドーム2、XY並進機構3、ヘキサポッド4、ターンテーブル5、シェーカ6、車両モデル7、スクリーン8、プロジェクタ9、スピーカ10、データベース11、コンピュータ12を備えている。
なお、第1の実施の形態では、XY並進機構3が特許請求の範囲に記載する円旋回手段に相当し、ヘキサポッド4が特許請求の範囲に記載するロール回転手段に相当し、車両モデル7が特許請求の範囲に記載する運転体感手段に相当し、コンピュータ12が特許請求の範囲に記載する制御手段に相当する。
ドーム2は、略円筒形状であり、底面にターンテーブル5が設けられる。ターンテーブル5の上面には、車両モデル7の4輪の位置にそれぞれシェーカ6,・・・が設置され、この4個のシェーカ6,・・・によって車両モデル7が支持される。ドーム2内の車両モデル7の周りには、スクリーン8,・・・が設けられる。スクリーン8,・・・は、車両モデル7の前方、両側方、後方などに設けられ、ドーム2や車両モデル7が傾いた場合でも水平方向に常に維持される。また、ドーム2内の上方には、各スクリーン8,・・・に投影可能な位置及び角度でプロジェクタ9,・・・がそれぞれ設けられる。
XY並進機構3は、ドーム2をX方向及びX方向に直交するY方向にそれぞれ並進運動させるための機構である。XY並進機構3では、X方向とY方向を同時に並進運動することによってドーム2を円旋回運動させる。
XY並進機構3には、X方向に沿って6対のレール3a,・・・が敷設され、各レール3a,・・・の間にベルト3b,・・・がそれぞれ1本づつ設けられる。また、XY並進機構3には、6対のレール3a,・・・の上にY方向に沿って1対のレール3cが配置され、レール3cの間にベルト3dが設けられる。レール3cは、レール3a,・・・上をX方向に沿って移動自在に設けられ、下部に6本のベルト3b,・・・が取り付けられている。レール3c上には、ヘキサポッド4の台座となる移動台3eが配置される。移動台3eは、レール3c上をY方向に沿って移動自在に設けられ、下面にベルト3dが取り付けられている。
6本のベルト3b,・・・は、X並進駆動モータ3f,・・・によってそれぞれ回転駆動され、レール3cをX方向に並進移動させる。X並進駆動モータ3f,・・・は、モータ制御部3g,・・・から駆動電流がそれぞれ供給されると、駆動電流に応じてそれぞれ回転する。モータ制御部3g,・・・は、コンピュータ12からのX並進制御信号をそれぞれ受信すると、そのX並進制御信号に応じて駆動電流をそれぞれ供給する。ベルト3dは、Y並進駆動モータ3hによって回転駆動され、移動台3eをY方向に並進移動させる。Y並進駆動モータ3hは、モータ制御部3iから駆動電流が供給されると、駆動電流に応じて回転する。モータ制御部3iは、コンピュータ12からのY並進制御信号を受信すると、そのY並進制御信号に応じて駆動電流を供給する。
ヘキサポッド4は、ドーム2をピッチ方向、ロール方向、ヨー方向にそれぞれチルト運動するための機構である。ヘキサポッド4は、6本の油圧シリンダ4a,・・・を備えており、油圧シリンダ4a,・・・が移動台3eとターンテーブル5の支持台5aとの間に配設される。油圧シリンダ4a,・・・は、油圧制御部4b,・・・から作動油圧がそれぞれ供給されると、作動油圧に応じてそれぞれ伸縮する。油圧制御部4b,・・・は、コンピュータ12からのヘキサポッドシリンダ制御信号をそれぞれ受信すると、そのヘキサポッドシリンダ制御信号に応じて作動油圧をそれぞれ供給する。6本の油圧シリンダ4a,・・・がそれぞれ伸縮することによって、ターンテーブル5(ドーム2)が移動台3eに対して三次元的に傾く。なお、図3には、油圧シリンダ4a及び油圧制御部4bを1個づつしか描いていないが、実際には6個づつある。
ターンテーブル5は、シェーカ6,・・・を介してドーム2(車両モデル7)を円旋回運動するための機構である。ターンテーブル5は、円形状であり、支持台5aに対して回転自在に取り付けられている。支持台5aの内部には、回転駆動モータ5bが設けられる。回転駆動モータ5bは、モータ制御部5cから駆動電流が供給されると、駆動電流に応じて回転してターンテーブル5を回転させる。モータ制御部5cは、コンピュータ12からの回転制御信号を受信すると、その回転制御信号に応じて駆動電流を供給する。ターンテーブル5の周端部にはドーム2の側面が取り付けられるので、ターンテーブル5が回転するとドーム2全体が回転し、スクリーン8やプロジェクタ9なども回転する。
4個のシェーカ6,・・・は、車両モデル7の各車輪の位置をそれぞれ支持するとともに上方方向に移動し、ドーム2内で車両モデル7をピッチ方向、ロール方向、バウンス方向(上下方向)にそれぞれチルト運動するための機構である。シェーカ6,・・・は、支持部6a,・・・で車両モデル7の車輪部分をそれぞれ支持する。支持部6a,・・・は、油圧シリンダ6b,・・・に回転軸6cを中心として回転自在にそれぞれ取り付けられる。油圧シリンダ6b,・・・は、油圧制御部6d,・・・から作動油圧がそれぞれ供給されると、作動油圧に応じてそれぞれ伸縮する。すると、その油圧シリンダ6bの伸縮に応じて、支持部6aが伸縮方向に移動するとともに回転軸6c回りに回転し、車両モデル7の各車輪部分を上下方向に移動させる。油圧制御部6d,・・・は、コンピュータ12からのシェーカシリンダ制御信号をそれぞれ受信すると、そのシェーカシリンダ制御信号に応じて作動油圧をそれぞれ供給する。4本の油圧シリンダ6b,・・・がそれぞれ伸縮することによって、車両モデル7がターンテーブル5に対して三次元的に傾く。なお、図3には、油圧シリンダ6b及び油圧制御部6dを1個づつしか描いていないが、実際には4個づつある。
車両モデル7は、車両の車体及び車両の内装などを備えており、被験者が着座して各種運転操作を行うことができる。そのために、車両モデル7には、操作部7aやメータ7bなどが装備されている。操作部7aは、アクセルペダル、ブレーキペダル、ステアリングホイール、シフトレバーなどから構成される。また、操作部7aには、アクセルペダル、ブレーキペダル、ステアリングホイールの各操作量を検出するための各センサやシフトレバーのシフトポジションを検出するためのセンサが設けられている。操作部7aの各センサでは、それぞれ検出した検出値を検出信号としてコンピュータ12にそれぞれ送信する。また、操作部7aのアクセルペダル、ブレーキペダル、ステアリングホイール、シフトレバーには、操作反力発生部7cによって被験者が体感する操作反力が与えられる。操作反力発生部7cは、コンピュータ12から操作反力信号をそれぞれ受信すると、各操作反力信号に応じて操作反力をそれぞれ発生させる。メータ7bは、スペードメータ、タコメータ、シフトポジションの表示部などから構成される。メータ7bでは、コンピュータ12から各メータや表示部に対する各車両情報信号をそれぞれ受信すると、各車両情報信号に応じて各メータをそれぞれ駆動したり、表示部を表示する。
プロジェクタ9,・・・では、コンピュータ12から画像信号をそれぞれ受信すると、各画像信号に応じて模擬画像(模擬走行路を走行した場合に車両内から見える景色の画像)を各スクリーン8,・・・にそれぞれ投影する。被験者は、スクリーン8,・・・に投影されている模擬画像を見ながら走行路や標識、信号、他車両、歩行者などの情報を取得し、その情報に応じた運転操作を行う。スピーカ10では、コンピュータ12から音信号を受信すると、各音信号に応じて模擬音(走行中に運転者に聞こえる音(排気音、エンジン音、風切音、ロードノイズなどを合成した音))を出力する。データベース11は、模擬走行路を走行した場合の各走行位置における車両内から見える景色の画像情報、模擬走行路を走行した場合の道路情報(勾配、凹凸、路面摩擦係数など)、走行中に運転者に聞こえる音情報などを格納したデータベースであり、コンピュータ12に接続される。
コンピュータ12は、ドライビングシミュレータ1を統括制御するコンピュータである。コンピュータ12では、車両運動演算、被験者に運転操作を体感させるための運転制御、プロジェクタ9による画像表示をするための画像処理、スピーカ10から音出力するための音処理、ドーム2及び車両モデル7に対する各種運動するための駆動制御などを行う。
車両運動演算について説明する。コンピュータ12では、操作部7aの各センサからの検出信号を受信するとともに、データベース11から模擬走行路において現在走行中の道路の環境情報を取り入れる。そして、コンピュータ12では、一定時間毎に、アクセルペダル、ブレーキペダル、ステアリングホイールの各操作量やシフトポジション及び現在走行している道路の環境情報に基づいて、車体の運動方程式により模擬走行路を走行している車両の運動を演算する。車両の運動としては、車両に作用する前後加速度及び横加速度、車両のピッチ角、ロール角、ヨー角、バウンス変位(上下方向への変位)、車速、エンジン回転数などである。
運転制御について説明する。コンピュータ12では、演算によって求めた車速やエンジン回転数及びシフトポジションなどを車両情報信号としてメータ7bに送信する。また、コンピュータ12では、演算によって求めた車両の運動情報に基づいて、アクセルペダル、ブレーキペダル、ステアリングホイール及びシフトレバーの各操作反力をそれぞれ演算し、各操作反力を操作反力信号として操作反力発生部7cにそれぞれ送信する。
画像処理について説明する。コンピュータ12では、演算によって求めた車両の運動情報に基づいて、模擬走行路における現在の走行位置を演算する。そして、コンピュータ12では、データベース11から現在の走行位置における車両内から見える景色の画像情報を取得する。そして、コンピュータ12では、取得した画像情報に基づいて各プロジェクタ9,・・・用の画像信号をそれぞれ生成し、各画像信号をプロジェクタ9,・・・にそれぞれ送信する。
音処理について説明する。コンピュータ12では、データベース11から走行中に運転者に聞こえる音情報を取り入れる。そして、コンピュータ12では、取り入れた音情報に基づいて、車速や道路の環境情報などに応じて運転者に聞こえる合成音を生成し、その合成音を音信号としてスピーカ10に送信する。
駆動制御について説明する。駆動制御では、車両運動として前後加速度が求められ、前後加速度を模擬する場合及び車体が傾く場合(横加速度を模擬する場合を含む)についてそれぞれ説明する。車体に前後加速度が作用し、横加速度が作用しないのは、車両が直進走行する場合である。車体が傾くのは、車両が旋回走行してロール方向に傾く場合(この際、車両には前後加速度と共に横加速度が作用する)、加速時や減速時の車体がピッチ方向に傾く場合、凹凸路を走行時に車体が様々な方向に傾く場合などである。
図4を参照して、前後加速度を模擬する場合について説明する。前後加速度を模擬する場合、XY並進機構3によってX方向とY方向に同時に並進運動させて、ドーム2を円旋回運動させる。この円旋回(半径R、円旋回角度θ、角速度dθ/dt、角加速度d2θ/dt2)によって、ドーム2(ひいては、車両モデル7)には、円旋回の接線方向に前後加速度(=R×(d2θ/dt2))及び接線方向と直交する方向に遠心加速度である横加速度(=R×(dt/dθ)2)が作用する。車両が直進走行する場合、車両には横加速度が作用しないので、被験者が遠心加速度を体感しないようにしなければならない。そこで、ドーム2(車両モデル7)をロール方向に(車体の円旋回の外側を上げて)所定角ρだけ傾けることによって(つまり、車両モデル7の上下加速度Tgが作用する方向を重力加速度gの作用する方向(鉛直方向)から所定角ρずらすことによって)、車両モデル7に重力加速度gと円旋回による遠心加速度との合成加速度として上下加速度Tgを作用させる。これによって、被験者は、円旋回による前後加速度を体感するとともに遠心加速度を体感せず、その遠心加速度を上下加速度Tgとして体感する。つまり、遠心加速度を合成ベクトルとして上下加速度で錯覚させ、円旋回による前後加速度を直進加速度と錯覚させる。
図5に示すように、円旋回による前後加速度(=R×d
2θ/dt
2)と横加速度(=R×(dt/dθ)
2)により、車両モデル7に作用する前後加速度Fgは式(1)に示すようになり、横加速度Sgは式(2)に示すようになる。この際、円の接線方向となす角度φは車両モデル7(ドーム2)が実際に向いている方向であり、この角度φが0°になるように(つまり、車両モデル7が円の接線方向を常に向いているように)、ターンテーブル5を制御する。角度φが0°になると、前後加速度Fgは式(3)に示すようになり、横加速度Sgは式(4)に示すようになる。この際、車両モデル7(ドーム2)をロール角ρ傾けると、重力加速度gと横加速度Sgとは式(5)に示す関係となる(図4参照)。式(5)をロール角ρを求める式に変換すると、式(6)のようになる。また、式(3)を角加速度を求める式に変換すると式(7)のようになり、式(4)を角速度を求める式に変換すると式(8)のようになる。
一定時間毎に、式(7)により車両運動演算によって求めた前後加速度を用いて円旋回の角加速度d2θ/dt2を求める。さらに、その角加速度d2θ/dt2を時間積分し、角速度dθ/dtを求め、さらに、時間積分し、円旋回角度θを求める。そして、式(6)によりその求めた角速度dθ/dtを用いてロール角ρを求め、その求めたロール角ρ傾くようにドーム2を傾ける。この際、ドーム2(車両モデル7)が常に円旋回の接線方向を向くように、ターンテーブル5によってドーム2を回転させる。この際、ターンテーブル5による回転角度は、円旋回角度θとなる。
なお、円旋回半径Rとしては、通常運転状態でのヨーレートとロールレートの大きさが大きくならない範囲で設定する。つまり、ターンテーブル5でヨー方向に回転させる場合やヘキサポッド4でロール方向に傾ける場合に被験者がヨー方向に回転していることやロール方向に回転していることを体感するような急激な角速度が発生しないように、円旋回半径Rが設定される。
まず、コンピュータ12では、一定時間毎に、車両運動演算によって前後加速度が求められると、前後加速度にローパスフィルタをかけるとともにハイパスフィルタにかける。コンピュータ12では、ローパスフィルタの出力に基づいてピッチ方向の角度を演算する。そして、コンピュータ12では、その求めたピッチ角を与えるために必要なヘキサポッド4の各油圧シリンダ4a,・・・のシリンダ長をそれぞれ演算する。さらに、コンピュータ12では、各シリンダ長に応じてヘキサポッドシリンダ制御信号をそれぞれ設定し、各ヘキサポッドシリンダ制御信号を対応する油圧制御部4b,・・・にそれぞれ送信する。
また、コンピュータ12では、式(7)により、ハイパスフィルタの出力を用いて円旋回の角加速度d2θ/dt2を演算する。そして、コンピュータ12では、求めた角加速度d2θ/dt2から円旋回の角速度dθ/dt及び円旋回角度θを演算し、この円旋回になるために必要なX方向の並進制御量とY方向の並進制御量を演算する。そして、コンピュータ12では、その求めたX方向の並進制御量に与えるために必要なX並進駆動モータ3fのモータトルクを演算する。さらに、コンピュータ12では、X並進駆動モータ3のモータトルクに応じてX並進制御信号を設定し、各X並進制御信号を対応するモータ制御部3g,・・・にそれぞれ送信する。また、コンピュータ12では、その求めたY方向の並進制御量に与えるために必要なY並進駆動モータ3hのモータトルクを演算する。さらに、コンピュータ12では、Y並進駆動モータ3hのモータトルクに応じてY並進制御信号を設定し、Y並進制御信号をモータ制御部3iに送信する。さらに、コンピュータ12では、円旋回角度θに基づいてターンテーブル5の回転角度を設定する。そして、コンピュータ12では、その回転角度に応じて回転制御信号を設定し、回転制御信号をモータ制御部5cに送信する。
さらに、コンピュータ12では、式(6)により、円旋回の角速度dθ/dtからロール角ρを演算する。そして、コンピュータ12では、その求めたロール角ρを与えるために必要なヘキサポッド4の各油圧シリンダ4a,・・・のシリンダ長をそれぞれ演算する。さらに、コンピュータ12では、各シリンダ長に応じてヘキサポッドシリンダ制御信号をそれぞれ設定し、各ヘキサポッドシリンダ制御信号を対応する油圧制御部4b,・・・にそれぞれ送信する。
車体が傾く場合について説明する。車体を傾ける場合、シェーカ6,・・・によってドーム2内で車両モデル7を傾けるためにチルト運動させるとともに、シェーカ6,・・・の加振によるドーム2の共振をキャンセルするようにヘキサポッド4によってドーム2をチルト運動させる。このように制御することによって、従来のように車両モデルを傾けるためにドーム全体を傾けるとともに車両モデルに対してスクリーンを傾ける必要がなくなり、スクリーン8,・・・を常に水平状態に維持することができる。そのため、スクリーンを傾けた際に映像の解像度や更新レートなどの影響による視覚的なチラツキや映像とチルト運動の非同期性がなくなり、被験者がシミュレータ酔いしない。また、ドーム2内で重量の重い車両モデル7を動かすことによるドーム2自体の共振による異常振動も発生しない。
コンピュータ12では、車両運動としてピッチ角、ロール角、バウンス変位などが求められた場合、そのピッチ角などを与えるために必要な油圧シリンダ6b,・・・のシリンダ長をそれぞれ演算する。さらに、コンピュータ12では、各シリンダ長に応じてシェーカシリンダ制御信号をそれぞれ設定し、各シェーカシリンダ制御信号を対応する油圧制御部6d,・・・にそれぞれ送信する。また、コンピュータ12では、シェーカ6の加振によるドーム2の共振の逆伝達関数を求める。そして、コンピュータ12では、この逆伝達関数により、ヘキサポッド4の各油圧シリンダ4a,・・・のシリンダ長をそれぞれ演算する。さらに、コンピュータ12では、各シリンダ長に応じてヘキサポッドシリンダ制御信号をそれぞれ設定し、各ヘキサポッドシリンダ制御信号を対応する油圧制御部4b,・・・にそれぞれ送信する。
特に、コンピュータ12では、一定時間毎に、車両運動として前後加速度と共に横加速度が求められると、式(7)によりその前後加速度に基づいて円旋回の角加速度d2θ/dt2を演算するとともに、式(8)によりその横加速度に基づいて円旋回の角速度dθ/dtを演算する。そして、コンピュータ12では、角加速度d2θ/dt2と角速度dθ/dtから円旋回角度θを演算する。さらに、コンピュータ12では、角加速度d2θ/dt2、角速度dθ/dt、円旋回角度θによる円旋回になるために必要なX方向の並進制御量とY方向の並進制御量を演算する。そして、コンピュータ12では、その求めたX方向の並進制御量に与えるために必要なX並進駆動モータ3fのモータトルクを演算し、このモータトルクに応じてX並進制御信号を設定し、各X並進制御信号を対応するモータ制御部3g,・・・にそれぞれ送信する。また、コンピュータ12では、その求めたY方向の並進制御量に与えるために必要なY並進駆動モータ3hのモータトルクを演算し、このモータトルクに応じてY並進制御信号を設定し、Y並進制御信号をモータ制御部3iに送信する。さらに、コンピュータ12では、円旋回角度θに基づいてターンテーブル5の回転角度を設定する。そして、コンピュータ12では、その回転角度に応じて回転制御信号を設定し、回転制御信号をモータ制御部5cに送信する。
図1〜図3を参照して、ドライビングシミュレータ1の動作について説明する。ここでは、被験者の操作に応じて、直進走行し、車両運動として前後加速度を模擬する場合と旋回走行し、車両運動として前後加速度、横加速度及び車体の傾き(旋回によるロール角)を模擬する場合について説明する。特に、コンピュータ12における車両運動として車体の傾きを模擬するための制御については図6のフローチャートに沿って説明する。図6は、図3のコンピュータにおいて車体が傾く際の制御の流れを示すフローチャートである。
被験者が、車両モデル7のシートに着座し、操作部7aに対して所定操作を行う。操作部7aでは、各センサによってアクセルペダルなどの各操作量を検出するとともにシフトレバーのシフトポジションを検出し、その各検出信号をコンピュータ12にそれぞれ送信する。
コンピュータ12では、一定時間毎に、各検出信号を受信すると、各検出信号に示される各操作量やシフトポジションに基づいて車体の運動方程式を演算し(S1)、車両運動として前後加速度及び横加速度、車両のピッチ角、ロール角、ヨー角、バウンス変位、車速、エンジン回転数などを導出する(S2)。
コンピュータ12では、車速、エンジン回転数、シフトポジションなどの情報を車両情報信号としてメータ7bに送信する。メータ7bでは、車両情報信号を受信すると、車両情報信号に応じて、各メータを駆動するとともに現在のシフトポジションを表示する。また、コンピュータ12では、車両運動に基づいて、アクセルペダル、ブレーキペダル、ステアリングホイール及びシフトレバーの各操作反力をそれぞれ演算し、各操作反力を操作反力信号として操作反力発生部7cにそれぞれ送信する。操作反力発生部7cでは、各操作反力信号を受信すると、アクセルペダル、ブレーキペダル、ステアリングホイール及びシフトレバーに対して各操作反力をそれぞれ与える。
また、コンピュータ12では、車両運動に基づいて模擬走行路における現在の走行位置を演算し、データベース11から現在の走行位置に対応する画像情報を取得する。そして、コンピュータ12では、その画像情報に基づいて各画像信号をそれぞれ生成し、各画像信号をプロジェクタ9,・・・にそれぞれ送信する。各プロジェクタ9,・・・では、コンピュータ12から画像信号をそれぞれ受信すると、各画像信号に応じて模擬画像を各スクリーン8,・・・にそれぞれ投影する。
また、コンピュータ12では、データベース11から音情報を取り入れ、その音情報に基づいて車速や道路情報などに応じて合成音を生成し、その合成音を音信号としてスピーカ10に送信する。スピーカ10では、コンピュータ12から音信号を受信すると、各音声信号に応じて擬似音を出力する。
一定時間毎に、車両運動として前後加速度が求められた場合、コンピュータ12では、前後加速度にローパスフィルタをかけるとともにハイパスフィルタにかけ、ローパスフィルタの出力に基づいてピッチ角を演算し、ハイパスフィルタの出力に基づいて式(7)により円旋回の角加速度を演算する。そして、コンピュータ12では、その求めたピッチ角に基づいてヘキサポッド4の各油圧シリンダ4a,・・・のシリンダ長をそれぞれ演算し、各シリンダ長に応じてヘキサポッドシリンダ制御信号をそれぞれ設定し、各ヘキサポッドシリンダ制御信号を対応する油圧制御部4b,・・・にそれぞれ送信する。各油圧制御部4b,・・・では、各ヘキサポッドシリンダ制御信号をそれぞれ受信すると、そのヘキサポッドシリンダ制御信号に応じて作動油圧を各油圧シリンダ4a,・・・にそれぞれ供給する。各油圧シリンダ4a,・・・では作動油圧に応じてそれぞれ伸縮し、ヘキサポッド4ではドーム2(車両モデル7)に対してピッチ角を与える。
さらに、コンピュータ12では、求めた角加速度を時間積分して角速度及び円旋回角度θを順次演算し、この円旋回になるために必要なX方向の並進制御量とY方向の並進制御量を演算する。そして、コンピュータ12では、X方向の並進制御量からX並進駆動モータ3fのモータトルクを演算し、このモータトルクに応じてX並進制御信号を設定し、各X並進制御信号を対応するモータ制御部3g,・・・にそれぞれ送信する。モータ制御部3g,・・・では、コンピュータ12からのX並進制御信号をそれぞれ受信すると、そのX並進制御信号に応じて駆動電流をX並進駆動モータ3f,・・・にそれぞれ供給する。X並進駆動モータ3f,・・・では、各駆動電流に応じてそれぞれ回転駆動し、各ベルト3b,・・・を回転させる。この6本のベルト3b,・・・の回転によって、レール3c及びベルト3dなどをX方向に平行移動させる。また、コンピュータ12では、Y方向の並進制御量からY並進駆動モータ3hのモータトルクを演算し、このモータトルクに応じてY並進制御信号を設定し、Y並進制御信号をモータ制御部3iに送信する。モータ制御部3iでは、コンピュータ12からのY並進制御信号を受信すると、そのY並進制御信号に応じて駆動電流をY並進駆動モータ3hに供給する。Y並進駆動モータ3hでは、駆動電流に応じて回転駆動し、ベルト3dを回転させる。このベルト3dの回転によって、移動台3eをY方向に平行移動させる。これによって、XY並進機構3では、移動台3eを求めた角加速度で円旋回運動させる。つまり、ドーム2(車両モデル7)が、その角加速度で円旋回運動する。
さらに、コンピュータ12では、円旋回角度θに基づいてターンテーブル5の回転角度を設定し、その回転角度に応じて回転制御信号を設定し、回転制御信号をモータ制御部5cに送信する。モータ制御部5cでは、コンピュータ12からの回転制御信号を受信すると、その回転制御信号に応じて駆動電流を回転駆動モータ5bに供給する。回転駆動モータ5bでは、この駆動電流に応じて回転駆動し、ターンテーブル5を回転させる。すると、ターンテーブル5では、円旋回角度θまで回転する。その結果、ドーム2(車両モデル7)が、円旋回の接線方向を向く。これによって、車両モデル7に作用する前後加速度の方向と円旋回の接線方向とが一致する。
さらに、コンピュータ12では、円旋回の角速度から式(6)によりロール角ρを演算し、ロール角ρに基づいてヘキサポッド4の各油圧シリンダ4a,・・・のシリンダ長をそれぞれ演算し、各シリンダ長に応じてヘキサポッドシリンダ制御信号をそれぞれ設定し、各ヘキサポッドシリンダ制御信号を対応する油圧制御部4b,・・・にそれぞれ送信する。各油圧制御部4b,・・・では、各ヘキサポッドシリンダ制御信号をそれぞれ受信すると、そのヘキサポッドシリンダ制御信号に応じて作動油圧を各油圧シリンダ4a,・・・にそれぞれ供給する。各油圧シリンダ4a,・・・では作動油圧に応じてそれぞれ伸縮し、ヘキサポッド4ではドーム2(車両モデル7)に対してロール角ρを与える。これによって、車両モデル7が、ロール角ρ傾きながら円旋回運動する。その結果、車両モデル7には、円旋回による横加速度(遠心加速度)と重力加速度gとの合成ベクトルである上下加速度Tgが作用するとともに、円旋回による前後加速度が作用する。したがって、被験者は、上下加速度Tgを体感するとともに(実際の走行時も重力加速度によって上下加速度を体感している)、直進走行時に受ける前後加速度を体感する。この際、被験者の受ける前後加速度は、この円旋回による前後加速度に加えて、ピッチ角による前後加速度も加味される。
一定時間毎に、車両運動として前後加速度と横加速度及びロール角が求められた場合、コンピュータ12では、その前後加速度と横加速度に基づいてX方向の並進制御量とY方向の並進制御量を演算する。そして、コンピュータ12では、上記と同様に、X方向の並進制御量とY方向の並進制御量に応じて、各X並進制御信号をモータ制御部3g,・・・にそれぞれ送信するとともにY並進制御信号をモータ制御部3iに送信する。すると、上記と同様に、モータ制御部3g,・・・が各駆動電流をX並進駆動モータ3f,・・・にそれぞれ供給し、X並進駆動モータ3f,・・・がそれぞれ回転駆動し、6本のベルト3b,・・・の回転によってレール3c及びベルト3dなどがX方向に平行移動する。また、モータ制御部3iが駆動電流をY並進駆動モータ3hに供給し、Y並進駆動モータ3hが回転駆動し、ベルト3dの回転によって移動台3eがY方向に平行移動する。これによって、XY並進機構3では、移動台3eを前後加速度及び横加速度が作用するように円旋回運動させる。つまり、ドーム2(車両モデル7)が、円旋回運動し、前後加速度と横加速度が作用する。さらに、上記と同様に、コンピュータ12では、円旋回角度θに基づいて設定した回転制御信号をモータ制御部5cに送信する。モータ制御部5cではその回転制御信号に応じて駆動電流を回転駆動モータ5bに供給し、回転駆動モータ5bではターンテーブル5を回転させる。すると、ターンテーブル5では、円旋回角度θまで回転する。これによって、被験者は、旋回走行による前後加速度及び横加速度を体感する。
さらに、コンピュータ12では、そのロール角を与えるために必要な各油圧シリンダ6b,・・・のシリンダ長をそれぞれ演算し、各シリンダ長に応じてシェーカシリンダ制御信号をそれぞれ設定し、各シェーカシリンダ制御信号を対応する油圧制御部6d,・・・にそれぞれ送信する(S3)。各油圧制御部6d,・・・では、各シェーカシリンダ制御信号をそれぞれ受信すると、そのシェーカシリンダ制御信号に応じて作動油圧を各油圧シリンダ6b,・・・にそれぞれ供給する。各油圧シリンダ6b,・・・では、作動油圧に応じてそれぞれ伸縮する。この伸縮によって、各シェーカ6,・・・では、支持部6aが移動するとともに回転し、支持部6aの先端が上下動する。その結果、4個のシェーカ6,・・・によって、車両モデル7に対してロール角を与える。これによって、被験者は、旋回走行による車体のロール運動を体感する。この際、スクリーン8,・・・は、車両モデル7のロール運動に関係なく、常に水平方向に維持されている。そのため、被験者は、シミュレーション酔いしない。
また、コンピュータ12では、シェーカ6,・・・の加振によるドーム2の共振の逆伝達関数を導出する(S4)。そして、コンピュータ12では、この逆伝達関数により、ヘキサポッド4の各油圧シリンダ4a,・・・のシリンダ長をそれぞれ演算し、各シリンダ長に応じてヘキサポッドシリンダ制御信号をそれぞれ設定し、各ヘキサポッドシリンダ制御信号を対応する油圧制御部4b,・・・にそれぞれ送信する(S5)。上記と同様に、各油圧制御部4b,・・・が作動油圧を各油圧シリンダ4a,・・・にそれぞれ供給し、各油圧シリンダ4a,・・・がそれぞれ伸縮する。これによって、ヘキサポッド4では、シェーカ6の加振によるドーム2の共振を抑制するようにドーム2に対してチルト運動を与える。これによって、異常振動が発生せず、被験者も不快な振動を感じない。
このドライビングシミュレータ1によれば、前後加速度を模擬する場合、円旋回運動とロール方向のチルト運動によって模擬するので、長い並進距離を必要とせずに、前後加速度を精度良く模擬することができる。そのため、ドライビングシミュレータ1を設置するためのスペースを省スペース化できる。
また、このドライビングシミュレータ1によれば、車体の傾きを模擬する場合、ドーム2内での車両モデル7のチルト運動とドーム2のチルト運動によって模擬するので、シミュレータ酔いを防止できるとともにドーム内での異常振動も防止できる。
図1〜図3、図5及び図7を参照して、第2の実施の形態に係るドライビングシミュレータ21について説明する。図7は、第2の実施の形態に係る前後加速度を模擬する場合の制御の説明図である。ドライビングシミュレータ21では、第1の実施の形態に係るドライビングシミュレータ1と同様の構成について同一の符号を付し、その説明を省略する。
ドライビングシミュレータ21は、ドライビングシミュレータ1と比較すると、前後加速度を模擬する際の制御方法のみが異なる。ドライビングシミュレータ21では、省スペース化を目的として、車両の前後加速度を模擬する際にドーム(車両モデル)に対する円旋回運動及びヨー運動を行う。したがって、ドライビングシミュレータ21は、ドライビングシミュレータ1とはコンピュータにおける制御のみが異なり、第1の実施の形態に係るコンピュータ12の代わりにコンピュータ22を備えている。なお、第2の実施の形態では、コンピュータ22が特許請求の範囲に記載する制御手段に相当する。
コンピュータ22は、ドライビングシミュレータ21を統括制御するコンピュータであり、コンピュータ12と同様のコンピュータである。コンピュータ22は、コンピュータ12と駆動制御において前後加速度を模擬する場合の制御のみが異なる。そこで、前後加速度を模擬する場合の制御についてのみ説明する。
図7を参照して、前後加速度を模擬する場合について説明する。前後加速度を模擬する場合、XY並進機構3によってX方向とY方向に同時に並進運動させて、ドーム2を円旋回運動させる。この円旋回によって、ドーム2には、円旋回の接線方向に前後加速度(=R×d2θ/dt2)及び接線方向と直交する方向に遠心加速度である横加速度(=R×(dt/dθ)2)が作用する。車両が直進走行する場合、車両には横加速度が作用しないので、被験者が遠心加速度を体感しないようにしなければならない。そこで、車両モデル7を円旋回の接線方向からヨー方向に所定角φずらすことによって(車両モデル7の前後加速度Fg’が作用する方向を円旋回によって作用する前後加速度の方向から所定角φずらすことによって)、車両モデル7に円旋回による前後加速度と遠心加速度との合成加速度として前後加速度Fg’を作用させる。これによって、被験者は、円旋回による前後加速度と遠心加速度を合成した加速度を前後加速度Fg’として体感する。つまり、円旋回による前後加速度と遠心加速度を合成ベクトルとして直進加速度と錯覚させる。
上記したように、円旋回による前後加速度Fgは式(1)に示すようになり、横加速度Sgは式(2)に示すようになる。この際、円の接線方向となす角度φを、車両モデル7を円旋回の接線方向からずらすヨー角とする。ヨー角φを求める式は、式(1)と式(2)から、式(9)に示すようになる。円旋回角度θのときには、車両モデル7が円旋回の接線方向からヨー角φだけずれるように、ターンテーブル5による回転角度ψは式(10)に示すようになる。また、式(1)と式(2)から、角加速度を求める式に変換すると式(11)のようになり、角速度を求める式に変換すると式(12)のようになる。
一定時間毎に、式(11)により車両運動演算によって求めた前後加速度を用いて角加速度d2θ/dt2を求める。この際、車両運動演算によって求めた横加速度は0なので、式(11)のSgは0であり、ヨー角φは前回値(初期値は、φ=0°である)を用いる。さらに、時間積分によって、角加速度d2θ/dt2から角速度dθ/dtと円旋回角度θを求める。そして、その角加速度d2θ/dt2と角速度dθ/dtを用いて、式(9)により今回値のヨー角φを求め、式(10)により今回値の回転角度ψを求める。この際、車両運動演算によって求めた横加速度は0なので、式(9)のSgは0である。そして、車両モデル7(ドーム2)が円旋回の接線方向からヨー角φずれるように、ターンテーブル5によってドーム2を回転角度ψ回転させる。
なお、円旋回半径Rとしては、第1の実施の形態と同様に、通常運転状態でのヨーレートの大きさが大きくならない範囲で設定する。また、式(9)のtan−1の分母の値が+/−に変化する領域(つまり、0をまたいで変化する領域)では、ヨー角φが急激に変化するので、式(13)に示す範囲では制御を行わない。つまり、ターンテーブル5でヨー方向に回転させる場合に被験者がヨー方向に回転していることを体感するような急激な角速度が発生しないようにする。式(13)の制限値Lについては、実験などによって設定する。
コンピュータ22では、一定時間毎に、車両運動として前後加速度が求められると、第1の実施の形態と同様に、前後加速度にローパスフィルタをかけるとともにハイパスフィルタにかけ、ローパスフィルタの出力に基づくピッチ方向の角度とするためにヘキサポッド4を制御するとともに、ハイパスフィルタの出力に基づく円旋回の角加速度d2θ/dt2、角速度dθ/dt、円旋回角度θとするためにXY並進機構3を制御する。この際、円旋回の角加速度d2θ/dt2は式(11)によって求められ、求めた角加速度d2θ/dt2から円旋回の角速度dθ/dt及び円旋回角度θが求められる。角加速度d2θ/dt2は、一定時間毎に求められ、今回値を求める際に前回求めたヨー角φが用いられる。
さらに、コンピュータ22では、式(9)により、ハイパスフィルタの出力値及び円旋回の角速度dθ/dtと角加速度d2θ/dt2を用いてヨー角φを演算する。さらに、コンピュータ22では、式(10)により、円旋回角度θとヨー角φから回転角度ψを演算する。コンピュータ12では、回転角度ψに基づいて回転制御信号を設定し、回転制御信号をモータ制御部5cに送信する。ヨー角φや旋回角度ψは、一定時毎に求められる。
なお、車両運動として前後加速度と共に横加速度を模擬する場合、式(11)によりその前後加速度及び横加速度に基づいて円旋回の角加速度d2θ/dt2が演算されるとともに、式(12)によりその前後加速度及び横加速度に基づいて円旋回の角速度dθ/dtが演算される。この後の処理については、第1の実施の形態と同様の処理である。
図1〜図3を参照して、ドライビングシミュレータ21の動作について説明する。ここでは、被験者の操作に応じて、直進走行し、車両運動として前後加速度を模擬する場合についてのみ説明する。なお、車両運動として前後加速度を模擬する場合において、第1の実施の形態で説明した動作と異なる動作のみを詳細に説明する。
一定時間毎に、車両運動として前後加速度が求められた場合、第1の実施の形態と同様に、コンピュータ22では、前後加速度にローパスフィルタをかけるとともにハイパスフィルタにかけ、ローパスフィルタの出力に基づいてピッチ方向の角度を演算し、ハイパスフィルタの出力に基づいて式(11)により円旋回の角加速度を演算する。そして、コンピュータ22では、ピッチ方向の角度をチルト運動するために、ヘキサポッド4を制御する。この制御によって、ヘキサポッド4では、ドーム2(車両モデル7)に対してピッチ角を与える。また、コンピュータ22では、円旋回の角加速度を発生させるために、XY並進機構3を制御する。この制御によって、XY並進機構3では移動台3eを求めた角加速度で円旋回運動させ、ドーム2(車両モデル7)がその角加速度で円旋回運動する。
さらに、コンピュータ22では、求めた角加速度を積分して角速度及び円旋回角度θを順次演算する。そして、コンピュータ22では、ハイパスフィルタの出力値及び円旋回の角速度と角加速度に基づいて式(9)によりヨー角φを演算する。さらに、コンピュータ22では、円旋回角度θ及びヨー角φに基づいて式(10)により回転角度ψを演算する。そして、コンピュータ22では、回転角度ψに基づいて回転制御信号を設定し、回転制御信号をモータ制御部5cに送信する。モータ制御部5cでは、コンピュータ22からの回転制御信号を受信すると、その回転制御信号に応じて駆動電流を回転駆動モータ5bに供給する。回転駆動モータ5bでは、この駆動電流に応じて回転駆動し、ターンテーブル5を回転させる。すると、ターンテーブル5では、回転角度ψまで回転する。そのため、車両モデル7が、円旋回の接線方向からヨー角φ分ずれた方向を向く。これによって、車両モデル7には、円旋回によって作用する前後加速度と遠心加速度の合成ベクトルとして前後加速度が作用する。したがって、被験者は、直進走行時に受ける前後加速度を体感する。
このドライビングシミュレータ21によれば、前後加速度を模擬する場合、円旋回運動とヨー方向の旋回運動によって模擬するので、長い並進距離を必要とせずに、前後加速度を精度良く模擬することができる。そのため、ドライビングシミュレータ21を設置するためのスペースを省スペース化できる。また、ドライビングシミュレータ21では、第1の実施の形態と同様に、シミュレータ酔いを防止できるとともにドーム内での異常振動も防止できる。
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、本実施の形態では1つのコンピュータで構成しているが、車両運動演算用のコンピュータ、XY並進機構などの駆動制御用のコンピュータ、画像処理用のコンピュータ、音処理用のコンピュータなどの複数のコンピュータで構成してもよい。
また、本実施の形態ではドームを円旋回運動するためにXY並進機構を用いたが、他の機構を用いてもよい。例えば、図8に示すように、円旋回の旋回中心から延びる旋回ロッドがターンテーブル(ひいては、ドーム)に取り付けられ、旋回中心回りに回転駆動モータによって旋回ロッドを回転させ、ドーム(車両モデル)を円旋回させる機構である。
また、本実施の形態ではドーム内で車両モデルをチルト運動するためにシェーカを用いたが、他の機構を用いてもよい。例えば、図9に示すように、ドーム内で車両モデルを小型のヘキサポッドによってチルト運動するようにしてもよい。
1,21…ドライビングシミュレータ、2…ドーム、3…XY並進機構、3a,3c…レール、3b,3d…ベルト、3e…移動台、3f…X並進駆動モータ、3g,3i…モータ制御部、3h…Y並進駆動モータ、4…ヘキサポッド、4a…油圧シリンダ、4b…油圧制御部、5…ターンテーブル、5a…支持台、5b…回転駆動モータ、5c…モータ制御部、6…シェーカ、6a…支持部、6b…油圧シリンダ、6c…回転軸、6d…油圧制御部、7…車両モデル、7a…操作部、7b…メータ、7c…操作反力発生部、8…スクリーン、9…プロジェクタ、10…スピーカ、11…データベース、12,22…コンピュータ