JP2866118B2 - ドライビングシミユレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、運転者が例えば自動車等を運転するときの
体感をシミユレートするためのドライビングシミユレー
タに関し、特に、シミユレーション精度の改良と、装置
の小型化に関する。

（従来の技術） 従来のシミユレーション制御、例えば自動車分野にお
けるそれでは、横加速度を模擬するために次のような方
向を用いている。

：走行中の道路の曲率半径Ｒを求める。

：車速Ｖを求める。

：この時の乗員に働く遠心力、即ち、V²/Rを計算す
る。

：この遠心力を、乗員の乗っているキャビンを角度φ
だけ傾けることにより、乗員に働く重力の横方向の分力
として疑似的に作用される。この角度φは、Ｇを重力加
速度とすれば、 一方、前後方向の制御については、車両の前後方向の
加速度を計算し、シミユレータ・キヤビンを前後方向に
傾ける方法を取っている。

また、実際にシミユレータキヤビンを駆動する機構と
しては、例えば特開昭61−194465により、６自由度リン
ク方式の油圧駆動型の運動模擬装置が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、前後，横方向の過渡的運動に対しては、高
周波での精度の高い運動特性が要求される。このため、
従来の６自由度リンク方式油圧駆動型の運動模擬装置で
は、ハードの性能限界から高周波域の加速度運動は再現
できず、精度よく模擬できないという問題点があった。
これは、従来では、道路上を走行することを前提に考え
ているために、高い振動数の横方向の運転をシミユレー
トする必要はないという事情から由来するものと考えら
れる。従って、従来の技術では、道路上からそれた場合
のような緊急状態の運動を模擬することは困難であっ
た。

また、シミユレータで直線運動を模擬する場合は、運
転席（キャビン）全体を平行移動するわけであるが、シ
ミユレーション精度を上げるためには、最低限２方向
（キャビンの前後方向と横方向）でキャビンを移動させ
る必要がある。ところが、低周波の直線運動をシミユレ
ートするためには、かなり長い（例えば、数ｍにも及
ぶ）直線運動を行なう必要があるために、２次元でこれ
を行なえば、シミユレータ全体の規模が莫大なものとな
る。即ち、シミユレーション精度の向上と規模の小型化
とは相反するものであった。

また、上述したように、低周波域の直線運動をシミユ
レートするために数ｍにも及ぶ直線部も小型上の障害に
なっていた。

そこで、本発明は高周波域でシミユレーション精度を
向上したドライビングシミユレータを提案することを目
的とする。

本発明の他の目的は、キャビンの前後方向の駆動を不
要とすることにより、装置の小型化を実現したドライビ
ングシミユレータを提案することを目的とする。

本発明のさらに他の目的は、キャビンの直線運動の移
動量を短くすることにより、装置の小型化を実現したド
ライビングシミユレータを提案することを目的とする。

（課題を達成するための手段及び作用） 上記課題を達成するための本発明の構成は、運転者が
乗り込むキャビン部と、このキャビン部を、少なくとも
ロール方向について回転させるロール方向駆動部と、キ
ャビン部を横方向に並動させる横方向駆動部と、運転者
の運転操作情報に基づいて、キャビン部の、少なくとも
ロール方向の回転加速度と横方向移動加速度とを演算す
る演算手段と、前記演算手段で得られたロール方向加速
度と、前記演算手段で得られた横方向加速度の低周波成
分とに基づいてロール方向駆動部を駆動すると共に、前
記演算手段で得られた横方向加速度の高周波成分に基づ
いて横方向駆動部を駆動するように制御する制御手段と
を具備することを特徴とする。

高周波追随の困難なロール方向の駆動部には、横横行
の運動の低周波成分のみが送られ、その高周波部分は追
随の楽な横方向駆動部に送られる。そのために、高周波
域でのシミユレーションの精度を上げることができる。

本発明の他の構成は、運転者が乗り込むキャビン部
と、このキャビン部を、少なくともピッチ方向について
回転させるピッチ方向駆動部と、キャビン部を横方向に
並動させる横方向駆動部と、運転者の運転操作情報に基
づいて、キャビン部の、少なくともピッチ方向の回転加
速度と前後方向の移動加速度とを演算する演算手段と、
前記演算手段で得られたピッチ方向加速度と、前記演算
手段で得られた前後方向加速度の低周波成分とに基づい
てピッチ方向駆動部を駆動する共に、前記演算手段で得
られた前後方向加速度の高周波成分に基づいて横方向駆
動部を駆動するように制御する制御手段とを具備する。

即ち、前後方向加速度は横方向の運動とピッチ方向の
運動に変換されるために、キャビンの前後方向の駆動が
不要になる。

本発明の他の構成は、運転者が乗り込むキャビン部
と、このキャビン部を、少なくとも横方向に移動される
横方向駆動部と、キャビン部を横方向に並動させる横方
向駆動部と、運転者の運転操作情報に基づいて、キャビ
ン部の、少なくとも横方向の移動加速度と前後方向の移
動加速度とを演算する演算手段と、前記演算手段で得ら
れた、前後方向加速度の高周波成分と横方向加速度の高
周波成分とに基づいて横方向駆動部を駆動するように制
御する制御手段とを具備する。

人間の骨格構造情報、前後方向の高周波運動は横横行
の振動として感じ取られるので、この前後方向の高周波
運動を横方向の振動に変換することにより、キャビンの
前後方向の駆動が不要になる。

本発明の更に他の構成は、運転者が乗り込むキャビン
部と、このキャビン部を、少なくとも直線的に移動する
運動を起こさせる直線方向駆動部と、キャビン部を、前
記直線方向と直交する方向の軸回りに回転運動を行なわ
せる回転駆動部と、運転者の運転操作情報に基づいて、
キャビン部の、前記直線方向の移動の加速度と、前記直
線方向と直交する方向の軸回りの回転加速度とを演算す
る演算手段と、前記演算手段で得られた直線方向の移動
の加速度の低周波成分と、前記演算手段で得られた回転
加速度とに基づいて前記回転駆動部を駆動するように制
御する制御手段とを具備する。

即ち、キャビンの直線方向の移動（例えば、横方向、
または前後方向）の低周波成分は、回転（例えば、ロー
ル方向、ピッチ方向）運動に変換されるので、その直線
方向の移動量は低減される。

（実施例） 以下添付図面を参照しつつ、自動車用のドライビング
シミユレータであって、ロール，ピッチ，ヨー，横並動
の４自由度の運動を運転度に加えることにより、ロー
ル，ピッチ，ヨー，横並動、前後運動の５自由度の運動
を運動者に体感されるドライビングシミユレータに適用
した実施例を説明する。この実施例によれば、過渡的な
高周波域での運動特性を高精度に模擬することができる
と共に、前後方向の直線運動を不要とすることが可能で
あり、そして横方向の移動距離を短くすることが可能と
なる。

第２図は実施例に係るドライビングシミユレータ装置
システムの全体図である。装置の本体は、レール９上に
乗った台座12上に設けられている。台座12には補助輪が
設けられており、台座12を支持すると共に、台座12自体
を移動自在のもとしている。また、このレール９上に
は、二次側のリニアモータ18が敷かれている。台座12
は、一次側リニアモータ17が、二次側のリニアモータ18
から受ける駆動力により、「横方向」に直線運動を行な
う。リニアモータは、回転運動支持台全体を、磁気面の
磁気密度を制御して横方向に並動させることができる。

第３図はキャビン４の運動を説明する図である。第２
図と第３図とを伴せて見ることにより、キャビン４の運
動が理解される。

運転者13はキャビン４内に着座し、プロジェクタ６か
らスクリーン５上に投射される映像を見ながら運転動作
をシミユレートする。キャビン４は、その周囲の略全体
を前後方向に覆うフレーム20により所定の支点で支持さ
れており、モータ７によりこの支点の回りに、ロール方
向に回動する。フレーム20は、このフレーム20に直交す
るフレーム21により固定されている。フレーム21は、Ｙ
軸支持台２により所定の２つの支点において支持されて
いる。第３図に示すように、フレーム21は、モータ８
（第２図）によりこの支点の回りに、即ち、ピッチ方向
に回動する。Ｙ軸支持台２は、モータ11により、水平面
に垂直な軸の回りに、即ち、ヨー方向に回動する。

かくして、第３図に模式的に示すように、キャビン４
は、モータ７によりロール方向に、モータ８によりピッ
チ方向に、モータ11によりヨー方向に、夫々回転運動さ
せられ、また、リニアモータ17,18により軸方向に直線
運動をさせられる。即ち、本実施例のドライビングシミ
ユレータは、ロール方向、ピッチ方向、ヨー方向、横方
向という４自由度の運動が実現できる。キャビン４に与
えられるこの４自由度の運動により、運転者がロール方
向、ピッチ方向、ヨー方向、横方向に加えて前後方向の
運動を疑似的に体感できる原理は以下の説明で明らかと
なる。

第４図は、実施例のシミユレーションシステムの制御
系の構成を示すブロツク図である。図中、コンピユータ
100は、運転者が操作するステアリング、ブレーキ、ア
クセル等の操作量に基づいて、キャビン４に加えるべ
き、ロール方向、ピッチ方向、ヨー方向、横方向、前後
方向の加速度を演算して、これらの変換装置101に出力
するデータ処理装置である。例えば、ロール方向加速度
は、現在車両が走行している道路の曲率から前述した手
法により計算する。

また、コンピユータ100は、車両の現在の仮想位置に
関する情報とその車両が向かっている方向とを画像処理
装置102に与える。画像処理装置102はこれらのデータを
元に三次元の画像処理を行なって二次元像を生成し、プ
ロジェクタ６に送る。

変換装置101は、５方向（ロール方向、ピッチ方向、
ヨー方向、横方向、前後方向）の運動を、４方向（ロー
ル方向、ピッチ方向、ヨー方向、横方向）の運動でも疑
似的に体感できるように変換するものであり、その詳細
は第１図に示される。

第１図によりこの変換装置について説明する。この変
換装置は主に５つのフィルタと３つの加算器からなる。
尚、これらのフィルタ及び加算器はアナログ式でもデジ
タル式でも可能である。

ヨー方向の運動について説明する。ヨー方向の運動は
過渡的な高周波域の特性のみが模擬される。具体的には
模擬に必要な計算上の駆動部へのヨー方向の信号に対
し、第5A図のような高周波特性を持つ過渡運動域にウエ
イトをかけた周波数特性のハイパス・フイルタ200を、
通過させた信号をヨー方向の駆動信号として、駆動部11
に入力する。

ロール方向の運動は、実際のロール方向の運動とカー
ブを曲る時に生じるような定常的な低周波域の横加速度
を生じる運動を模擬するために用いる。定常的な横加速
度はキヤビンを傾けて重力を乗員の横方向の力学的に分
解させることで生みだすことができる。具体的には、模
擬に必要な計算上の駆動部へのロール方向の入力信号
（ロール角加速度）と、横方向加速度の信号に対して第
5B図のような低周波特性を持つ定常運動域にウエイトを
かけるローパス・フイルタ202を通過させた信号とを、
加算器201で加算して、ロール方向の駆動信号とし駆動
部７に入力する。横方向加速度の低周波成分を、ロール
角度変化に変換することにより、横方向の変位量が相対
的に減少する。即ち、装置全体の横方向の長さが短いも
ので済むようになるという長所が生まれる。

さて、横方向の運動は、実際の横方向の高周波域の過
渡的運動と高周波特性を持った過渡的な前後方向加速度
とが人体に加わることにより２次的に生じる横方向運動
を模擬するために用いる。具体的には模擬に必要な計算
上の横加速度入力に対し、第5C図のような高周波特性を
持つ過渡的運動域にウエイトをかけたハイパス・フイル
タ203を通過させた信号を加算器205に入力する。また、
コンピユータ100からの計算上の前後方向加速度入力
を、第5D図のような高周波域の過渡的運動成分を取りだ
す周波数特性を有するハイパス・フイルタ204を通過さ
せて得た信号を加算器205の他方の端子に入力する。加
算器205は、これら２つの入力を混合して横加速度の駆
動信号として駆動部11に入力する。

第１図をみても分るように、加算器205に入力される
信号は、２つ共高周波信号である。換言されば、本実施
例では、かかる高周波信号をロール角駆動部７及びピッ
チ角駆動部８に入力していない。これは、高周波の運動
を回転運動により模擬することは困難であり、それより
も、高周波域の過渡的運動特性の優れたリニアモータを
用いて、横並動させることにより模擬するようにしてい
るのである。また、低周波域の定常的な横加速はシミユ
レータキヤビンのロール方向の傾斜状態維持により模擬
する。

本実施例では、これにより低周波域から高周波域に渡
り横方向の運動をなめらかに模擬することができるとい
う効果を得ている。

前後方向の加速度の模擬について説明する。前後方向
の加速度は、人間の腰椎に加わると、回転運動として感
じ取られる。そこで、本実施例では、この回転運動を横
方向加速度に変換している。ところで、この加算器205
は前後方向の体感を振動感覚で模擬することを目的とす
るために、最適な体感となるよう前後方向加速度との混
合比を運転者により変えることができる調合調整器とし
ている。調合比率は個人により異なるため一意的に定め
ることはできないので、ヒトにより最適な値となるよう
調整可能なものとする。

更に詳しく説明する。人間工学的に、着座姿勢の人体
に前後方向の加速度を加えた場合、腰推を軸に姿勢保持
を図ろうとする。このため、人体の姿勢維持の力と外的
な力とが作用し、前後左右方向の運動を誘引する。こう
した前後方向を中心とした「振られる」運動を前庭器管
が検出し、その結果、ヒトは前後方向の加速度を働いた
と認識する。このことは、ヒトの前後方向の加速度に対
する感覚の精度は横方向ほど優れておらず、多少の前後
方向の加速度に対し横方向の並動の付加するとで、実際
の前後方向の加速度よりは小さい加速度で体感上、同等
の感覚を模擬できることを意味する。また、車両運動の
特性において、横方向の加速度に比べ、前後方向の加速
度が小さいことより、運動模擬の上から考えても、横方
向ほど高精度な運動は必要でない。そこで、上述したよ
うに、本実施例の前後方向の模擬は、この人体上の感覚
特性を活用し、低周波の定常的な前後方向加速度はピツ
チ方向の運動で模擬し、この運動と連動させ、横並動方
向の運動を付加する。これにより人体を前後を主に左右
に振ることにより、前後方向の過渡的な高周波の加速度
感覚を模擬することができる。換言すれば、本実施例に
よれば、前後方向の運動は、装置として模擬する部分は
不要となるのである。

ピッチ方向の模擬について説明する。ピッチ方向の運
動は実際のピッチ方向の運動と前後方向の低周波域の特
性を持つ定常的な前後加速度を模擬するために用いる。
この定常的加速度は、キヤビン４を前方、または後方に
傾けることにより重力を乗員の前後方向に分解すること
で生みだすことができる。

具体的には、模擬に必要なコンピユータ100からのピ
ッチ方向の加速度信号を加算器207の一方の入力に入力
し、前後方向の加速度信号を第5E図のような低周波特性
を持ち、定常運動域にウエイトをかけたローパス・フイ
ルタ206に通して加算器207に入力する。加算器207で
は、これらの２つの入力を加算してピッチ方向の駆動信
号として駆動部８に入力する。

以上説明した実施例の装置によれば、これまで実現で
きなかつた過渡的な高周波域での運動を上記の運動模擬
機構と高周波域と低周波域に分けた制御則を適用するこ
とにより、より現実の車両走行に近い状態で模擬するこ
とができる。

具体的には、 ：横方向加速度の高周波成分（前後方向の運動の高周
波成分も）は過渡的運動特性の優れたリニアモータによ
る横運動としてシミユレーションされるので、シミユレ
ーション精度は高いものとなる。

：横方向速度の低周波の変動成分はロール角の変動に
変換されるので、横方向の運動のストロークは短いもの
となり、大きなリニアモータは不要となる。横方向加速
度の低周波の変動成分をロール角の変動に変換しても、
低周波故に十分に追従できる。

：人間工学を考慮して、前後方向の運動の高周波成分
が巧みに横方向の運動に変換される。即ち、前後方向の
高周波運動は、人間には横方向の振動として感じられる
と共に、その感覚精度は高くない。従って、前後方向の
運動を横方向の振動に変換しても、精度を落すことな
く、適正に体感させることができる。換言すれば、前後
方向の駆動部分が不要となる。

：前後方向加速度の低周波の変動成分はピッチ角の変
動に変換されるので、前後方向の高周波運動のストロー
クは短いものとなり、大きなリニアモータは不要とな
る。また、前後方向加速度の低周波の変動成分をピッチ
角の変動に変換しても、低周波故に十分に追従できる。

本発明はその主旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能
である。

例えば、前述の実施例では、ロール駆動部等は電動モ
ータは使用していたが、油圧駆動を利用してもよい。ま
た、前記実施例は５自由度を４自由度で実現するもので
あったが、上下方向の直線運動を加えて、６自由度の運
動を５自由度で実現してもよい。

（発明の効果） 以上説明したように本発明のドライビングシミユレー
タは、運転者が乗り込むキャビン部と、このキャビン部
を、少なくともロール方向について回転されるロール方
向駆動部と、キャビン部を横方向に並動させる横方向駆
動部と、運転者の運転操作情報に基づいて、キャビン部
の、少なくともロール方向の回転加速度と横方向移動加
速度とを演算する演算手段と、前記演算手段で得られた
ロール方向加速度と、前記演算手段で得られた横方向加
速度の低周波成分とに基づいてロール方向駆動部を駆動
すると共に、前記演算手段で得られた横方向加速度の高
周波成分に基づいて横方向駆動部を駆動するように制御
する制御手段とを具備することを特徴とする。

そのため、高周波追随の困難なロール方向の駆動部に
は、横方向の運動の低周波成分のみが送られ、その高周
波部分は追随の楽な横方向駆動部に送られる。そのため
に、高周波域でのシミユレーションの精度を上げること
ができる。

本発明の他の構成は、運転者が乗り込むキャビン部
と、このキャビン部を、少なくともピッチ方向について
回転させるピッチ方向駆動部と、キャビン部を横方向に
並動させる横方向駆動部と、運転者の運転操作情報に基
づて、キャビン部の、少なくともピッチ方向の回転加速
度と前後方向の移動加速度とを演算する演算手段と、前
記演算手段で得られたピッチ方向加速度と、前記演算手
段で得られた前後方向加速度の低周波成分とに基づいて
ピッチ方向駆動部を駆動すると共に、前記演算手段で得
られた前後方向加速度の高周波成分に基づいて横方向駆
動部を駆動するように制御する制御手段とを具備するよ
うになっている。

即ち、前後方向加速度は横方向の運動とピッチ方向の
運動に変換されるために、キャビンの前後方向の駆動が
不要になる。

本発明の他の構成は、運転者が乗り込むキャビン部
と、このキャビン部を、少なくとも横方向に移動させる
横方向駆動部と、キャビン部を横方向に並動させる横方
向駆動部と、運転者の運転操作情報に基づいて、キャビ
ン部の、少なくとも横方向の移動加速度と前後方向の移
動加速度とを演算する演算手段と、前記演算手段で得ら
れた、前後方向加速度の高周波成分と横方向加速度の高
周波成分とに基づいて横方向駆動部を駆動するように制
御する制御手段とを具備する。

人間の骨格構造情報、前後方向の高周波運動は横方向
の振動として感じ取られるので、この前後方向の高周波
運動を横方向の振動に変換することにより、キャビンの
前後方向の駆動が不要になる。

本発明の更に他の構成は、運転者が乗り込むキャビン
部と、このキャビン部を、少なくとも直線的に移動する
運動を起こさせる直線方向駆動部と、キャビン部を、前
記直線方向と直交する方向の軸回りに回転運動を行なわ
せる回転駆動部と、運転者の運転操作情報に基づいて、
キャビン部の、前記直線方向の移動の加速度と、前記直
線方向と直交する方向の軸回りの回転加速度とを演算す
る演算手段と、前記演算手段で得られた直線方向の移動
の加速度の低周波成分と、前記演算手段で得られた回転
加速度とに基づいて前記回転駆動部を駆動するように制
御する制御手段とを具備するようになっている。

即ち、キャビンの直線方向の移動（例えば、横方向、
または前後方向）の低周波成分は、回転（例えば、ロー
ル方向、ピッチ方向）運動に変換されるので、その直線
方向の移動量は低減される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した実施例における５自由度の運
動が４自由度の運動に変換される変換部101の構成を示
した図。 第２図は本実施例の全体斜視図、 第３図は第２図実施例におけるキャビンの運動を説明す
る。 第４図は実施例装置の制御系のブロツク図、 第5A図乃至第5E図は第１図実施例の変換装置に用いられ
る各種フィルタの特性を表わす図である。 図中、 ２……Ｙ軸支持台、４……キャビン、５……スクリー
ン、６……プロジェクタ、７……ロール方向駆動モー
タ、８……ピッチ方向駆動モータ、９……レール、11…
…ヨー方向駆動モータ、12……台座、13……運転者、17
……一次側リニアモータ、18……二次側リニアモータ、
20,21,22……フレーム、100……コンピユータ、101……
変換部、102……画像処理装置、200,202,203,204,206…
…フィルタ、201,205,207……加算器である。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】運転者が乗り込むキャビン部と、 このキャビン部を、少なくともロール方向について回転
   させるロール方向駆動部と、 キャビン部を横方向に並動させる横方向駆動部と、 運転者の運転操作情報に基づいて、キャビン部の、少な
   くともロール方向の回転加速度と横方向移動加速度とを
   演算する演算手段と、 前記演算手段で得られたロール方向加速度と、前記演算
   手段で得られた横方向加速度の低周波成分とに基づいて
   ロール方向駆動部を駆動すると共に、前記演算手段で得
   られた横方向加速度の高周波成分に基づいて横方向駆動
   部を駆動するように制御する制御手段； とを具備することにより、高周波域でのシミユレーショ
   ンの精度を上げたことを特徴とするドライビングシミユ
   レータ。
2. 【請求項２】運転者が乗り込むキャビン部と、 このキャビン部を、少なくともピッチ方向について回転
   させるピッチ方向駆動部と、 キャビン部を横方向に並動させる横方向駆動部と、 運転者の運転操作情報に基づいて、キャビン部の、少な
   くともピッチ方向の回転加速度と前後方向の移動加速度
   とを演算する演算手段と、 前記演算手段で得られたピッチ方向加速度と、前記演算
   手段で得られた前後方向加速度の低周波成分とに基づい
   てピッチ方向駆動部を駆動すると共に、前記演算手段で
   得られた前後方向加速度の高周波成分に基づいて横方向
   駆動部を駆動するように制御する制御手段； とを具備することにより、キャビンの前後方向の駆動を
   不要にしたことを特徴とするドライビングシミユレー
   タ。
3. 【請求項３】運転者が乗り込むキャビン部と、 このキャビン部を、少なくとも横方向に移動させる横方
   向駆動部と、 キャビン部を横方向に並動させる横方向駆動部と、 運転者の運転操作情報に基づいて、キャビン部の、少な
   くとも横方向の移動加速度と前後方向の移動加速度とを
   演算する演算手段と、 前記演算手段で得られた、前後方向加速度の高周波成分
   と横方向加速度の高周波成分とに基づいて横方向駆動部
   を駆動するように制御する制御手段； とを具備することにより、キャビンの前後方向の駆動を
   不要にしたことを特徴とするドライビングシミユレー
   タ。
4. 【請求項４】運転者が乗り込むキャビン部と、 このキャビン部を、少なくとも直線的に移動する運動を
   起こさせる直線方向駆動部と、 キャビン部を、前記直線方向と直交する方向の軸回りに
   回転運動を行なわせる回転駆動部と、 運転者の運転操作情報に基づいて、キャビン部の、前記
   直線方向の移動の加速度と、前記直線方向と直交する方
   向の軸回りの回転加速度とを演算する演算手段と、 前記演算手段で得られた直線方向の移動の加速度の低周
   波成分と、前記演算手段で得られた回転加速度とに基づ
   いて前記回転駆動部を駆動するように制御する制御手
   段； とを具備することにより、前記キャビンの前記直線方向
   の移動量を低減したことを特徴とするドライビングシミ
   ユレータ。