JP3094921U

JP3094921U - 運転模擬装置

Info

Publication number: JP3094921U
Application number: JP2002008241U
Authority: JP
Inventors: 三輝國分; 哲郎倉橋; 浩之古西
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2003-07-11
Anticipated expiration: 2008-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】実写映像の利用により、制作費用や工数も非常
に少なくて済み、被験者に与える映像のリアリティも向
上する運転模擬装置を提供する。【解決手段】被験者によってアクセルペダル、ブレー
キペダルが踏み込まれると、スロットル開度、ブレーキ
ペダル踏み込み量をポテンショメーター１、２によって
電気的信号に変換し、それぞれの踏み込み量として計測
値を得る。ここで、フットブレーキによる自動車の減速
度は、ブレーキを踏み込む圧力によって決定されるた
め、ブレーキペダルが踏み込まれるとブレーキ液圧が発
生するような構造とし、被験者によるブレーキ踏み込み
圧力を圧力計３によって電気的信号に変換する。計算機
８では、サンプリングされたこれらの操作量をもとに、
運転模擬による仮想速度を計算する。仮想速度にもとづ
いてビデオの再生速度を変更し、映像表示手段７に対し
てビデオ映像を表示させる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、被験者の運転操作量に基づいて前記被験者に提示映像を表示する運転模擬装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

実開昭６３−２６３６２「移動運動競技模擬型トレーニングマシン用映像装置」では、実写ビデオ映像を用いた模擬装置を考案している。本装置では、自転車様のペダルを回転させると、その回転速度に比例した速度で実写ビデオ映像の再生装置の再生速度を決定している。特開平９−２２０３０８「映像の収録装置及び再生装置」では、実開昭６３− ２６３６２の発明において用いるビデオの撮影装置として、ビデオ映像の撮影を、一般的な毎秒30フレームといった方式でなく、撮影装置を搭載した移動体の移動距離に応じて撮影する方法を考案している。

【０００３】実開平５−２１７４「模擬運転装置」や特開平９−２３７０３１「教育用運転模擬装置」などにおいては、実写ビデオによる運転模擬の自由度を高めるために、実写ビデオ映像に加えて、ＣＧ映像も同時に生成させてビデオ映像に重畳表示させることで、運転模擬のリアリティを高める方法を考案している。上述の実開昭６３−２６３６２「移動運動競技模擬型トレーニングマシン用映像装置」では、実写ビデオ撮影時の移動体の速度とは無関係に、ペダルの回転速度のみによって再生速度が決定される。通常、実写ビデオ撮影時には、撮影装置を搭載した移動体は、周囲の環境状況（例えば交通状況）や路面状況との関係で、一定速度を保つことは不可能である。ここで、一定速度でない速度で移動する移動体から撮影されたビデオ映像を、ペダル回転速度などと比例させた再生速度で再生すると、ペダル回転速度が変わらないにも関わらずビデオ映像内の移動速度が変化することとなり、ユーザーは不自然さを感じてしまう。

【０００４】特開平９−２２０３０８「映像の収録装置及び再生装置」では、この課題を解決するために、ビデオ映像の撮影を、一般的な毎秒30フレームといった方式でなく、撮影装置を搭載した移動体の移動距離に応じて撮影する方法を考案している。これにより、ペダル回転速度や模擬運転装置での仮想速度に応じて比例的にビデオ映像の再生速度を変更させても、違和感のない映像を再生することが可能となる。しかしながら、撮影には特殊な撮影装置が必要となり、撮影装置として世の中で一般的に広く利用されているビデオカメラを用いることができない。また、ユーザーが模擬する自車（あるいは何らかの移動体）の速度は滑らかとなるが、周囲にある車両などの移動速度が不自然となる場合がある。例えば、撮影装置を搭載した移動体の速度が充分遅いとき、移動距離が少ないので撮影されるコマ数は減ってしまうために、その瞬間に充分に速度が速い対象物が画面内を通過した場合、その対象物は突然画面内に現れて即座に画面内から消えてしまうなどといった現象が予想される。また、実開平５−２１７４「模擬運転装置」や特開平９−２３７０３１「教育用運転模擬装置」の発明は、模擬映像のリアリティを向上させるには良い方法であるが、設計者はビデオ映像の撮影とＣＧの作成の両方を行う必要があるため、設計者の工数が増加するとともに、ビデオ映像再生用とＣＧ生成用として複数の計算機を導入したり、ビデオ映像とＣＧ映像を合成させるための特殊な機器を導入する必要があるため、非常に高価となってしまう。本考案では、これらの問題点を解決し、映像の情報量が多い実写映像を用いつつ、しかしながら、滑らかで自然な運転模擬を可能とし、かつ、費用や工数を大幅に減らすことができる運転模擬装置を提供するものである。

【０００５】

【考案の解決しようとする課題】

運転模擬用の映像素材としてはＣＧを利用することが一般的である。ＣＧを用いることで、被験者（ドライバー）は運転操作によって計算機内に構築された仮想空間内を自由に移動できる。また、設計者は、仮想空間内の街や道路を設計でき、道路を通行する車両・歩行者等を仮想空間内の自由な位置に配置して、それらの動きも自由に制御できる。つまり、ＣＧを利用するメリットは、仮想空間の設計と仮想空間内の移動の自由度が高いことである。しかしながら、ＣＧによる運転模擬装置を運用するためには、ＣＧの素材を作成するための高速で高価な計算機を要するし、ＣＧ素材を作成する過程は非常に複雑であり、その習得には多くの期間を要し、習得後も作業には多くの時間を要してしまう。また、多額の費用と多くの時間をかけて作成したとしても、被験者（ドライバー）にとってはリアリティが低いと感じられてしまうことが多い。これは、ＣＧが線や面の組み合わせ（ポリゴン）によって作成されたものであるために映像の情報量が少ないことが原因である。運転模擬用の映像素材として実写ビデオを用いることで、映像の情報量を実車運転時と同じに保つことができ、被験者に与える映像のリアリティが向上する。また、ビデオ映像の撮影はビデオカメラ等を用いるだけであるため、費用や工数も非常に少なくて済み、実測速度はスピードメーターの信号やＧＰＳ信号などから容易に計測・記録することができるため、設計者の負担も軽くなる。

【０００６】ただし、ビデオは通常、毎秒30フレームの静止画の連続として撮影されており、通常の方法で再生すると毎秒30フレームで再生されてしまい、運転模擬を行うことはできない。本発明では、ビデオ映像に加え、ビデオ撮影時に記録された車両の速度を用いており、ビデオ撮影時の速度（実測速度）とドライバーの模擬運転によって作り出された速度（仮想速度）との比を計算し（下式）、その比に基づいてビデオの再生速度を逐次変更することで、ドライバーによる車速制御を模擬することを可能とする。例えば、現在計算機上で広く利用されているAVIやMPE Gといったデジタルビデオは、その再生速度を変更することが容易に可能である。ビデオ再生速度[frames/s]＝仮想速度／実測速度×撮影時毎秒フレーム数（一般的には30）

【０００７】もちろん、本考案の運転模擬装置では、ＣＧのように仮想空間内を自由に移動するといった自由度は得られない。しかし、運転模擬装置を用いて車両の研究・開発や運転教育を行う場合、設計者が予め設定した道路（コース）を走行することが一般的であり、ユーザーが自由にコースを選択するといった状況は稀である。また、本発明の運転模擬装置では、先行車との車間距離や走行したい車線といった、ユーザーが一般的に自由に選択すべき状況も選択することはできないが、車間距離の維持や車線変更を伴わない用途に限れば問題は生じないし、上述請求項６あるいは請求項７に記載の考案を用いることで、車線内での走行位置の選択に関しては模擬が可能である。さらに、本考案の運転模擬装置では、自車以外の車両や歩行者等を状況に応じて自由に制御することはできないが、予めビデオの撮影時に役者（エキストラ）やスタントマンなどによって、試験の際に必要な交通状況を再現することで解決できる。以上のような理由により、本考案の運転模擬装置は、リアリティの高い運転模擬を行うことができるとともに、その運用のコストを削減することができる。

【０００８】

【実施例】

自動車の運転模擬装置として本考案を実施した実施形態の例を図１、図５に示す。本運転模擬装置では、実車ビデオ映像とビデオ撮影時の移動体の速度（実測速度）を予め用意する必要がある。そこで例えば、自動車の車内バックミラー下方に設置したビデオカメラにより、自動車走行中のビデオ映像を録画する。また、自動車スピードメーターの車速パルス信号をもとに、計算機などによって実測速度を計測・記録する。撮影されたビデオ映像を横640×縦480ピクセルの大きさ、毎秒30フレームのサンプリングレートによって計算機で取り込み、ＡＶＩやＭＰＥＧ等といった形式によってデジタルビデオとして計算機に接続された映像記憶手段５（ハードディスク等）に保存する。また、ビデオ映像のような動画に代えて連続した静止画を映像記憶手段に記憶しても良い。実測速度は、上述のデジタルビデオと同じサンプリングレートに変換して、計算機に接続された移動時速度記憶手段６（ハードディスク等）に保存する。実測速度は、多少精度は落ちるが、ＧＰＳ装置から得られる現在位置情報から自動車の移動量を求めたＧＰＳ車速として得ることも可能である。また、実測速度に代えて現在位置情報そのものを速度記憶手段に記憶することも可能である。

【０００９】本運転模擬装置（図５）は運転模擬手段として、実車と同様の動作機構を持つアクセルペダル、ブレーキペダルを有している。被験者（ドライバー）によってアクセルペダルが踏み込まれると、スロットルワイヤーを通してスロットルを開閉させる。このスロットル開度をポテンショメーター１によって電気的信号に変換し、アクセルペダルの踏み込み量として計測値を得る。また、ユーザーによってブレーキペダルが踏み込まれると、ブレーキペダルのアーム等に接続されたポテンショメーター２によってブレーキペダルの踏み込み量を電気的信号に変換する。ここで、フットブレーキによる自動車の減速度は、ブレーキの踏み込み量とともに、ブレーキを踏み込む圧力によって決定されるため、実車と同様のブレーキ機構を備えて、ブレーキペダルが踏み込まれるとブレーキ液圧が発生するような構造とし、被験者によるブレーキ踏み込み圧力を圧力計３によって電気的信号に変換する。これら運転模擬手段から電気信号として得られたアクセルペダル踏み込み量、ブレーキペダル踏み込み量又はブレーキペダル踏み込み圧力は、A/D変換装置を介して提示映像／移動音選択手段としての計算機(コンピューター）にデジタル値としてサンプリングされる。計算機では、サンプリングされたこれらの操作量をもとに、下式によって、運転模擬による仮想速度を計算する。

【数１】

【００１０】ここで、v_tは時刻tにおける仮想速度、A_tは時刻（ビデオフレーム番号）tにおけるアクセルペダルの踏み込み量、B_tは時刻tにおけるブレーキペダルの踏み込み量又はブレーキペダルの踏み込み圧を示す。また、eはペダル操作が無くともエンジンブレーキや路面抵抗により車速が減少することを示す係数である。係数 aとbはそれぞれ、アクセルペダルの踏み込み量とブレーキペダルの踏み込み量が仮想速度与える影響を調整するためのもので、例えばaを調整することにより、エンジン性能や車重の異なる車両を模擬することができ、例えばbを調整することにより、ブレーキ性能や車重の異なる車両を模擬することができる。また、a 、b、eを随時調整することにより、上り坂や下り坂での車両の挙動を模擬することもできる。さらに計算機では、予め準備された撮影時速度記憶手段から、時刻tにおける実測速度を読み込み、実測速度と仮想速度を用いて下式によって、ビデオ映像の再生速度を決定する。

【００１１】

【数２】ここで、f_tは時刻tにおけるビデオ再生速度（frame rate）、r_tは時刻tにおいて計測された実測速度、sはビデオ映像の毎秒フレーム数（一般的には30[frames /s]）を示す。仮想速度vと実測速度rが一致した場合（つまり再生速度の変化が不要な場合）は、撮影時と同じ速度でビデオが再生され、仮想速度vの大きさに応じてビデオの再生速度を変化させる。（図６）次に計算機は、計算されたビデオ再生速度f_tにもとづいてビデオの再生速度を変更し、映像表示手段（ＣＲＴディスプレイ）に対してビデオ映像を表示させる（図２）。以上のようにして、被験者（ドライバー）の運転模擬操作によってビデオ映像の再生速度が変更され、速度の調節を模擬することができる。本実施形態における運転模擬装置では、以下に示すような機能の置き換えや追加が可能である。

【００１２】本運転模擬装置では、映像表示手段７として、ＣＲＴディスプレイ以外に、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、プロジェクター及びスクリーン等を用いることができる。また、模擬運転用の映像として計算機にビデオをサンプリングする際のビデオの大きさ、サンプリングレートは上述の限りではなく、用途、映像表示手段のサイズや解像度などにより、任意に変更して利用することができる。本運転模擬装置では、運転模擬手段として、実車のアクセルペダルやブレーキペダルを用いなくとも、ゲーム用コントローラーのペダルを用いることもできる。また、ペダルでなくとも、車両の速度を変化させるような手段であれば、ジョイスティック、レバー、ダイヤル等の形状や方式でもかまわない。

【００１３】本運転模擬装置では、計算機でビデオの再生速度f_tを決定する際、f_tがあまりにも遅い／速い速度での再生を行うと、ユーザーに対して、明らかにコマ送りや早送り映像として感じられることも考えられるため、再生速度の計算の際、0.5 < v_t / r_t < 1.5といった条件を設けて、ビデオ再生速度の変化幅を限定してもよい。本運転模擬装置では、運転模擬手段として、ステアリングホイールを追加することができる。この場合、ユーザーによってステアリングホイールが回転させられると、ステアリングシャフトに接続された回転式のポテンショメーター４により、ステアリング角度を電気的信号に変換する。ステアリング角度はA/D変換装置を介して計算機にデジタル値としてサンプリングされる。計算機はステアリング角度をもとに、映像表示手段内でのビデオの表示座標位置を左右方向に変化させることにより提示映像を選択する。この際、映像表示手段に出力させるビデオは、予めビデオの左右部分をマスキングしておき、ステアリングを右に回転させた場合、映像表示手段内でビデオ映像を左方向にスライドさせ、マスキングによって隠されていた右側の映像部分を表示させ、逆にステアリングを左に回転させた場合、映像表示手段内でビデオ映像を右方向にスライドさせ、マスキングによって隠されていた左側の映像部分を表示させる（図７）。なお、ステアリング角度とビデオ映像のスライド量は、例えば下式によって、ステアリング角度とスライド量を比例させるように決定する。

【００１４】

【数３】ここでxはビデオ映像の左右へのスライド量を示し、例えば、右へのスライドの場合を正、左へのスライドの場合を負となるようにする。θはステアリング角 [deg]を示し、右へのステアリング回転の場合を負、左へのステアリング回転の場合を正となるようにする。θ_maxはステアリングが左または右に回転できる角度の最大値を示し、一般的な自動車のステアリングの場合、±700deg程度（２回転弱）である。wはマスキングによってビデオ映像が隠されている幅を示す。この式によれば、左右一杯にステアリングを回転させた場合にマスキングによって隠されたビデオ映像部分がすべてスライドされて表示されることとなる（図７）。本運転模擬装置では、運転模擬手段からの被験者の入力にもとづいて計算機で計算された仮想速度から求められる仮想的な加速度・減速度にもとづいて、映像表示手段内でのビデオの表示座標位置を上下方向に変化させる機能を追加することができる。この際、映像表示手段に出力させるビデオは、予めビデオの上下部分をマスキングしておき、加速度（アクセルによる加速の程度）の大きさに応じて、映像表示手段内でビデオ映像を下方向にスライドさせ、マスキングによって隠されていた上側の映像部分を表示させ、逆に減速度（ブレーキによる減速の程度）の大きさに応じて、映像表示手段内でビデオ映像を上方向にスライドさせ、マスキングによって隠されていた下側の映像部分を表示させる（図８）。なお、加速度・減速度とビデオ映像のスライド量は、例えば下式によって、加速度・減速度とスライド量を比例させるように決定する。

【数４】ここでyはビデオ映像の上下へのスライド量を示し、例えば、下へのスライドの場合を正、上へのスライドの場合を負となるようにする。Ａは加速度[m/s²]を示し、加速の場合を正、減速の場合を負とする。hはマスキングによってビデオ映像が隠されている高さを示す。

【００１５】本運転模擬装置では、予め録音した実車のエンジン音、走行時の音（風切り音やロードノイズ等）など、あるいは、電気的に合成されたこれらの音声を計算機のハードディスクやメモリー等の記憶手段に蓄えておくとともに、計算機で計算された仮想速度にもとづいて、または、アクセルペダルの踏み込み量にもとづいて、それら音声再生時の周波数または再生ピッチ、音量などを変化させて、スピーカーなどの移動音発生手段により走行音を提示する機能を追加することができる。例えば、実車のエンジン音をテープレコーダー等により録音し、予めコンピューターによりデジタル音声として１秒間程度の長さでサンプリングしておき、運転模擬中にこの音声をループさせて繰り返し再生することでエンジン音を発生させる。このとき、アクセルの踏み込み量に比例するようにこのエンジン音の再生ピッチを変更し、また、再生音量を上げることで、エンジンの回転数が上昇する音を模擬するように移動音を選択することができる。同様に、予め録音しサンプリングされたロードノイズ音を運転模擬中にループ再生させ、計算機で計算された仮想速度に比例するようにこのロードノイズ音の再生ピッチと再生音量を変化させることで速度の上昇に伴うロードノイズの変化を模擬するように移動音を選択することができる。

【００１６】本運転模擬装置では、映像記憶手段に蓄えるビデオ映像として、自動車走行中の前方映像のみでなく、これに自動車走行中の後方映像を合成して車内バックミラーや車外ミラーの映像を模擬したビデオ映像を蓄えることができる（図９）。

【００１７】

【考案の効果】

運転模擬装置の映像素材として、一般的に利用されるコンピューター・グラフィクス（ＣＧ）に代えて、実写ビデオ映像を用いた場合は、模擬運転時のリアリティが向上し、被験者はより現実の運転に近い感覚を得ることができる。そのため、運転模擬により被験者から得られるペダルやステアリングなどに対する各種操作量、視線の動きや確認動作、生理量等が、実際の実車運転時のものとして代用・近似することが可能となり、車両の研究・開発や運転教育などにおける被験者の行動の計測・評価に有用なデータを提供することができる。これにより有効な移動体の安全装置やより有効な運転教育を行うことが可能となり、自動車に応用した場合は交通事故の低減に寄与することができる。また、本考案の運転模擬装置をゲーム機等のアミューズメント用途や、ランニング、サイクリング、ボート等の移動を伴うスポーツのトレーニング機器に応用すれば、ユーザーの楽しさが向上する。これにより、アミューズメントへの没入感が増したり、トレーニングを飽きずに行うことが可能となり、アミューズメントやトレーニングの効果が高まることが期待される。

【００１８】また、ＣＧに代えて実写ビデオ映像を用いるため、高価なＣＧ用システムを導入したり、複雑なＣＧ作成システムを運用する必要がなく、運転模擬用の素材作成のための費用や工数を削減することができる。これにより、設計者側は、運転模擬装置から得られたデータの分析や次の試験のための企画等により多くの時間を割いて専念することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の運転模擬装置（構成１）

【図２】本考案の運転模擬装置（構成２，３，６）

【図３】本考案の運転模擬装置（構成４）

【図４】本考案の運転模擬装置（構成５）

【図５】本考案の運転模擬装置の模式図

【図６】本考案の走行速度模擬の模式図

【図７】本考案の提示映像の表示部分変更の模式図（左
右方向）

【図８】本考案の提示映像の表示部分変更の模式図（上
下方向）

【図９】本考案の提示映像の表示例

【符号の説明】

１アクセル操作量検出手段２ブレーキ操作量検出手段３ブレーキ操作圧力検出手段４ステアリング操作量検出手段５映像記憶手段６移動速度記憶手段７表示手段、移動音発生手段８提示映像／移動音選択手段

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】移動体の移動中に撮影された映像を記憶
した映像記憶手段と、該映像が撮影されている時間にお
ける前記移動体の移動速度を記憶した移動速度記憶手段
と、被験者の運転操作量と前記移動速度記憶手段の移動
速度とに基づいて前記映像記憶手段の映像の中から被験
者に提示する提示映像を選択する提示映像選択手段と、
選択した提示映像を表示する表示手段と、を含むことを
特徴とする運転模擬装置。
【請求項２】前記提示映像選択手段において、運転操
作量として少なくともアクセルペダルの踏み込み量とブ
レーキペダルの踏み込み量の計測値に基づいて被験者の
仮想移動速度を演算し、該仮想移動速度と前記移動速度
としての実測移動速度との比率に基づいて前記映像の再
生速度を変化させることによって提示映像を選択するこ
とを特徴とする請求項１記載の運転模擬装置。
【請求項３】前記提示映像選択手段において、運転操
作量として少なくともアクセルペダルの踏み込み量とブ
レーキペダルの踏み込み量の計測値の履歴に基づいて前
記提示映像を選択することを特徴とする請求項１記載の
運転模擬装置。
【請求項４】前記移動体は車両であって、前記映像デ
ータにおいて、車両の移動中に撮影された車両前方映像
と車両後方映像を含むことを特徴とする請求項１記載の
運転模擬装置。
【請求項５】移動体の移動中の移動音を記憶した移動
音データと、被験者の運転操作量に基づいて前記被験者
に提示する移動音を選択する移動音選択手段と、選択し
た移動音を発生する移動音発生手段と、を更に有するこ
とを特徴とする請求項１記載の運転模擬装置。
【請求項６】被験者の前記運転操作量として、移動体
の移動方向変更手段を更に含み、該移動方向変更手段の
操作量に基づいて前記提示映像の中から表示手段で表示
する表示部分を変更する表示部分変更手段と、を更に有
することを特徴とする請求項１記載の運転模擬装置。
【請求項７】被験者の運転操作量に基づいて演算され
る移動体の加速度あるいは減速度に応じて、前記提示映
像の中から表示手段で表示する表示部分を左右方向ある
いは／及び上下方向に変更する表示部分変更手段と、を
更に有することを特徴とする請求項１記載の運転模擬装
置。