JP3637340B2

JP3637340B2 - 加速度シミュレータ装置及び加速度シミュレータ制御装置

Info

Publication number: JP3637340B2
Application number: JP2002331804A
Authority: JP
Inventors: 伊智郎粟屋; 隆治広江
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: JP2004163796A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度シミュレータ装置及び加速度シミュレータ制御装置に関し、特に、乗り物の乗員により感覚される加速度を模擬的に生成する加速度シミュレータ装置、及び、その加速度シミュレータを制御する加速度シミュレータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の運転者により感覚される加速度を模擬的に生成するドライビングシミュレータ装置、および、飛行機の乗員により感覚される加速度を模擬的に生成してその乗員を訓練するフライトシミュレータ装置に例示される乗り物加速度模擬装置が知られている。
【０００３】
被験者が着席する座席の角度が変化する模擬装置が知られている。このような模擬装置は、模擬される仮想の乗り物の加速度の方向を鉛直方向に一致させることにより、被験者は、仮想の乗り物の加速度の方向を感覚することができる。しかし、このような模擬装置によれば、被験者は、常に一定の重力加速度を感覚し、ダイナミックに加速度が変化する状況を体感することができない。
【０００４】
４本〜６本のアクチュエータを利用して被験者が着席する座席を運動させる模擬装置が知られている。このような模擬装置によれば、被験者は、重力加速度より大きい加速度を感覚することができる。しかし、このような模擬装置は、被験者にこのような大きい加速度を持続して与えることができない。
【０００５】
せん回するアーム先端に座席をつけて遠心力により加速度を模擬する模擬装置が知られている。このような模擬装置は、特開平７−３３４０７１号公報、特開平７−３３４０７２号公報に開示されている。このような模擬装置によれば、被験者は、重力加速度より大きい加速度を持続して感覚することができる。しかし、このような模擬装置は、模擬する加速度を変化させるためにアームの回転速度を急激に変化させると、座席に着席している被験者は遠心力以外に慣性加速度を体感して違和感を覚える。このため、このような模擬装置は、加速度の急激な変化を模擬することができない。
【０００６】
被験者により現実的な加速度を感覚させる乗り物加速度模擬装置が望まれている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−３３４０７１号公報
【特許文献２】
特開平７−３３４０７２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、被験者により現実的な加速度を感覚させる加速度シミュレータ装置及び加速度シミュレータ制御装置を提供することにある。
本発明の他の課題は、被験者により感覚される加速度を多様化する加速度シミュレータ装置及び加速度シミュレータ制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
本発明による加速度シミュレータ装置（２）は、被験者が配置される座席（２１）と、互いに一致しない複数の軸（１６、２５、２７、２９）を中心に座席（２１）をそれぞれ回転させる複数の回転装置（２４、２６、２８）とを具備している。軸のうちのジンバル軸（２５、２７、２９）は、複数である。軸のうちのジンバル軸（２５、２７、２９）と異なるせん回軸（１６）は、座席（２１）を貫通していない。座席（２１）は、せん回軸（１６）を中心に回転する角速度が変更されることにより、加速度の大きさが変化する。座席（２１）は、さらに、ジンバル軸（２５、２７、２９）を中心に回転することにより、加速度の向きが変更する。
【００１１】
ジンバル軸（２５、２７、２９）は、それぞれ１つの点（Ｐ）を通っていることが好ましい。点（Ｐ）は、座席（２１）に着席する被験者の頭部に一致することがさらに好ましい。
【００１２】
ジンバル軸（２５、２７、２９）は、ヨー軸（２５）と、ヨー軸（２５）と平行ではないピッチ軸（２７）と、ピッチ軸（２７）と平行ではないロール軸（２９）とを含んでいる。すなわち、ジンバル軸（２５、２７、２９）は、３軸以上から形成されている。加速度シミュレータ装置（２）は、座席（２１）の加速度の向きを換えるときに、２軸により向きを変えるときより、各々がよりゆっくり回転することができる。このとき、被験者は、ジンバル軸（２５、２７、２９）を中心に回転するときの遠心力を受け難い。
【００１３】
ヨー軸（２５）は、せん回軸（１６）と平行であることが好ましい。
【００１４】
本発明による加速度シミュレータ制御装置（３）は、本発明による加速度シミュレータ装置（２）を制御する装置である。本発明による加速度シミュレータ制御装置（３）は、仮想の乗り物の加速度を算出するシミュレーション部（４２）と、加速度に基づいて座席（２１）がせん回軸（１６、２５、２７、２９）を中心に回転する角速度を算出するせん回軸角速度算出部（４４）と、加速度に基づいて、座席（２１）がヨー軸（２５）を中心に回転するヨー角度と座席（２１）がピッチ軸（２７）を中心に回転するピッチ角度と座席（２１）がロール軸（２９）を中心に回転するロール角度とを算出する操縦席姿勢算出部（４５）とを具備している。ヨー角度の絶対値とピッチ角度の絶対値とロール角度の絶対値との最大値は、座席（２１）がヨー軸（２５）とピッチ軸（２７）とロール軸（２９）とから選択される２軸のみを中心に回転するときのヨー角度の絶対値とピッチ角度の絶対値とロール角度の絶対値との最大値より小さい。このとき、被験者は、ジンバル軸（２５、２７、２９）を中心に回転するときの遠心力を受け難い。
【００１５】
加速度シミュレータ制御装置（３）は、座席（２１）に着席する被験者により操作盤に入力される操作内容を収集する操作内容収集部（４１）を更に具備している。シミュレーション部（４２）は、その操作内容に基づいて加速度を算出することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明による加速度シミュレータが適用された乗り物模擬装置の実施の形態を説明する。その乗り物模擬装置１は、図１に示されているように、加速度シミュレータ２が加速度シミュレータ制御装置３とともに互いに情報が伝達可能に接続されて設けられている。乗り物模擬装置１は、飛行機、自動車に例示される乗り物を操縦するパイロットが体感する加速度を模擬的に生成する。
【００１７】
図２は、加速度シミュレータ２を詳細に示している。加速度シミュレータ２は、加速度スカラー制御装置１１と、加速度ベクトル制御装置１２とから形成されている。加速度スカラー制御装置１１は、せん回装置１３とせん回アーム１４とを備えている。せん回装置１３は、図示されていないせん回軸受けとサーボモータとから形成されている。そのせん回軸受けは、せん回アーム１４の一端に同体に接合され、地面１５に対してせん回軸１６を中心にせん回アーム１４を回転可能に支持している。せん回軸１６は、鉛直方向に平行である。そのサーボモータは、加速度シミュレータ制御装置３から出力される電気信号に応答して、せん回軸１６を中心にせん回アーム１４を回転させる。
【００１８】
加速度ベクトル制御装置１２は、せん回アーム１４のせん回装置１３と接合されている一端と反対側の他端に設けられている。加速度ベクトル制御装置１２は、コクピット２１と複数のフレームとを備えている。そのフレームは、ヨーフレーム２２と、ピッチフレーム２３とから形成されている。
【００１９】
せん回アーム１４とヨーフレーム２２との間には、ヨー軸回転装置２４が設けられている。ヨー軸回転装置２４は、図示されていない軸受けとサーボモータとから形成されている。その軸受けは、ヨー軸２５を中心に回転可能にせん回アーム１４にヨーフレーム２２を支持している。ヨー軸２５は、常に、点Ｐを通り、せん回軸１６に平行である。そのサーボモータは、加速度シミュレータ制御装置３から出力される電気信号に応答して、ヨー軸２５を中心にヨーフレーム２２を回転させる。
【００２０】
ヨーフレーム２２とピッチフレーム２３との間には、ピッチ軸回転装置２６が設けられている。ピッチ軸回転装置２６は、図示されていない軸受けとサーボモータとから形成されている。その軸受けは、ピッチ軸２７を中心に回転可能にヨーフレーム２２にピッチフレーム２３を支持している。ピッチ軸２７は、常に、点Ｐを通り、ヨー軸２５に垂直である。そのサーボモータは、加速度シミュレータ制御装置３から出力される電気信号に応答して、ピッチ軸２７を中心にピッチフレーム２３を回転させる。
【００２１】
ピッチフレーム２３とコクピット２１との間には、図３に示されているように、ロール軸回転装置２８が設けられている。ロール軸回転装置２８は、図示されていない軸受けとサーボモータとから形成されている。その軸受けは、ロール軸２９を中心に回転可能にピッチフレーム２３にコクピット２１を支持している。ロール軸２９は、常に、点Ｐを通り、ピッチ軸２７に垂直である。そのサーボモータは、加速度シミュレータ制御装置３から出力される電気信号に応答して、ロール軸２７を中心にコクピット２１を回転させる。
【００２２】
コクピット２１は、その内部に被験者が配置される。コクピット２１は、図示されていない表示装置、座席および操縦盤を備えている。その表示装置は、加速度シミュレータ制御装置３により作成される映像を表示する。その座席は、着席する被験者の頭部が点Ｐと重なるように設置されている。その被験者は、その操縦盤は、その被験者により操作される操作内容を示す電気信号を加速度シミュレータ制御装置３に出力する。
【００２３】
図４は、加速度シミュレータ制御装置３を詳細に示している。加速度シミュレータ制御装置３は、ワークステーションに例示される情報処理装置（コンピュータ）であり、コンピュータプログラムである操縦内容収集部４１、シミュレーション部４２、映像作成部４３、せん回軸角速度算出部４４および操縦席姿勢算出部４５を備えている。
【００２４】
操縦内容収集部４１は、コクピット２１に備えられている座席に着席している被験者がコクピット２１に備えられている操縦盤に操作した操縦内容を加速度シミュレータ２から収集する。シミュレーション部４２は、その操縦内容に基づいて、仮想の乗り物の運動を算出する。すなわち、シミュレーション部４２は、その操縦内容に基づいて、仮想の乗り物の位置と姿勢とを算出し、仮想の乗り物の加速度の大きさと向きとを算出する。映像作成部４３は、その乗り物の位置と姿勢とに基づいて仮想の乗り物の操縦席から見える映像を作成する。このような操縦内容収集部４１、シミュレーション部４２および映像作成部４３は、公知である。
【００２５】
せん回軸角速度算出部４４は、仮想の乗り物の加速度の大きさが点Ｐの加速度の大きさと一致するせん回アーム１４の角速度を算出して、その角速度を示す電気信号を加速度シミュレータ２に出力する。操縦席姿勢算出部４５は、仮想の乗り物のコクピットに対するその乗り物の加速度の向きがコクピット２１に対する点Ｐの加速度の向きと一致するコクピット２１のせん回アーム１４に対する姿勢を算出する。その姿勢は、せん回アーム１４とヨーフレーム２２とのヨー角度、ヨーフレーム２２とピッチフレーム２３とのピッチ角度、および、ピッチフレーム２３とコクピット２１とのロール角度から表現される。操縦席姿勢算出部４５は、さらに、コクピット２１をある１つの姿勢から他の姿勢に変化させるときに、そのヨー角度の変化量、ピッチ角度の変化量およびロール角度の変化量の最大値が最小になるような、そのヨー角度、ピッチ角度およびロール角度が算出される。操縦席姿勢算出部４５は、さらに、そのヨー角度、ピッチ角度およびロール角度を示す電気信号を加速度シミュレータ２に出力する。
【００２６】
図５は、地面１５に対して固定される座標系（Ｘ_Ｅ，Ｙ_Ｅ，Ｚ_Ｅ）と被験者に感覚される加速度を表現する座標系（Ｘ_ｒ，Ｙ_ｒ，Ｚ_ｒ）との関係を示している。地面１５に対して固定される座標系は、３つの単位ベクトルＸ_Ｅ、Ｙ_ＥおよびＺ_Ｅにより表現される。Ｚ_Ｅは、鉛直方向に平行である。Ｘ_Ｅは、Ｚ_Ｅに垂直である。Ｙ_Ｅは、Ｚ_Ｅに垂直であり、かつ、Ｘ_Ｅに垂直である。
【００２７】
被験者に感覚される加速度を表現する座標系は、３つの単位ベクトルＸ_ｒ、Ｙ_ｒおよびＺ_ｒにより表現される。Ｚ_ｒは、鉛直方向に平行である。Ｙ_ｒは、Ｚ_ｒに垂直であり、点Ｐからせん回軸１６上の点Ｐ_０とを結ぶ線分に平行である。Ｘ_ｒは、Ｚ_ｒに垂直であり、かつ、Ｙ_ｒに垂直である。すなわち、Ｘ_ｒ、Ｙ_ｒは、点Ｐの位置により向きが変化する。Ｘ_ｒは、点Ｐ_０を中心に回転する点Ｐの接線方向に平行であり、Ｙ_ｒは、点Ｐ_０を中心に回転する点Ｐの半径方向と平行である。
【００２８】
このとき、点Ｐの加速度ｄ^２Ｐ／ｄｔ^２は、重力加速度ｇ、点Ｐから点Ｐ_０までの距離Ｒおよび点Ｐの角速度ω_ｒを用いて、次式：
【数３】

により表現される。
【００２９】
点Ｐの加速度ｄ^２Ｐ／ｄｔ^２の大きさ｜ｄ^２Ｐ／ｄｔ^２｜は、次式：
【数４】

により表現される。
【００３０】
点Ｐを目標加速度ｄ^２Ｐ_Ｃ／ｄｔ^２で運動させるとき、点Ｐの目標加速度の大きさ｜ｄ^２Ｐ_Ｃ／ｄｔ^２｜に関して、次式：
【数５】

が成立する。変数ｘの関数ｓｉｇｎ（ｘ）：
【数６】

を用いて、数３の式を角速度ω_ｒについて解くと、次式：
【数７】

が導出される。
【００３１】
せん回軸角速度算出部４４は、シミュレーション部４２により算出された仮想の乗り物の目標加速度ｄ^２Ｐ_Ｃ／ｄｔ^２から、数５の式を用いて点Ｐの角加速度ｄω_ｒ／ｄｔを算出する。
【００３２】
ベクトルは、一般に、２軸を中心とする回転変換させることにより任意の方向に向けることができる。加速度シミュレータ２は、コクピット２１をある１つの姿勢から他の姿勢に変化させるために、３軸を有している。このため、ヨー角度の変化量の絶対値とピッチ角度の変化量の絶対値とロール角度の変化量の絶対値とのうちの最大値は、コクピット２１がヨー軸２５とピッチ軸２７とロール軸２９とから選択される２軸のみを中心に回転するときのヨー角度の絶対値とピッチ角度の絶対値とロール角度の絶対値との最大値より小さくすることができる。
【００３３】
操縦席姿勢算出部４５は、ヨー角度の変化量の絶対値とピッチ角度の変化量の絶対値とロール角度の変化量の絶対値とのうちの最大値が最小になるような、ヨー角度とピッチ角度とロール角度とを算出する。このとき、被験者は、ヨー軸２５、ピッチ軸２７またはロール軸２９を中心に回転するときの遠心力を受け難い。
【００３４】
図６は、加速度シミュレータ制御装置３の動作を示している。被験者は、まず、コクピット２１の座席に着席して、コクピット２１の表示装置に表示される画面を閲覧して、コクピット２１の操縦盤を操作する。加速度シミュレータ制御装置３は、被験者がその操作盤を操作した操作内容を収集する（ステップＳ１）。加速度シミュレータ制御装置３は、その操作内容に基づいて、仮想の乗り物の運動を算出する（ステップＳ２）。すなわち、加速度シミュレータ制御装置３は、仮想の乗り物の位置と姿勢と加速度とを算出する。
【００３５】
加速度シミュレータ制御装置３は、その乗り物の位置と姿勢とに基づいて、仮想の操縦者から見える映像をコンピュータグラフィックにより作成し（ステップＳ３）、コクピット２１の表示装置に出力する。その表示装置は、その映像を表示する。
【００３６】
加速度シミュレータ制御装置３は、さらに、その乗り物の加速度の大きさに基づいて、せん回軸１６の角加速度を算出して（ステップＳ４）、その角加速度を示す電気信号をせん回装置１３に出力する。せん回装置１３は、その電気信号に基づいてせん回アーム１４を回転させる。加速度シミュレータ制御装置３は、その乗り物の加速度の向きに基づいて、ヨー角度、ピッチ角度およびロール角度を算出する（ステップＳ５）。加速度シミュレータ制御装置３は、さらに、そのヨー角度を示す電気信号をヨー軸回転装置２４に出力し、そのピッチ角度を示す電気信号をピッチ軸回転装置２６に出力し、そのロール角度を示す電気信号をロール軸回転装置２８に出力する。
【００３７】
ヨー軸回転装置２４は、せん回アーム１４に対してヨーフレーム２２がそのヨー角度を形成するように回転させる。ピッチ軸回転装置２６は、ヨーフレーム２２に対してピッチフレーム２３がそのピッチ角度を形成するように回転させる。ロール軸回転装置２８は、ピッチフレーム２３に対してコクピット２１がそのロール角を形成するように回転させる。
【００３８】
ステップＳ１〜ステップＳ５とは、ループを形成している。そのループのサンプリング周期は、仮想の乗り物の性能により決定される。
【００３９】
【発明の効果】
本発明による加速度シミュレータ装置及び加速度シミュレータ制御装置によれば、被験者は、より現実的な加速度を感覚することことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、乗り物模擬装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明による加速度シミュレータの実施の形態を示す立面図である。
【図３】図３は、本発明による加速度シミュレータの実施の形態を示す平面図である。
【図４】図４は、本発明による加速度シミュレータ制御装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図５】図５は、被験者により感覚される加速度を示す図である。
【図６】図６は、本発明による加速度シミュレータ制御装置の動作の実施の形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１：乗り物模擬装置
２：加速度シミュレータ
３：加速度シミュレータ制御装置
１１：加速度スカラー制御装置
１２：加速度ベクトル制御装置
１３：せん回装置
１４：旋回アーム
１５：地面
１６：旋回軸
２１：コクピット
２２：ヨーフレーム
２３：ピッチフレーム
２４：ヨー軸回転装置
２５：ヨー軸
２６：ピッチ軸回転装置
２７：ピッチ軸
２８：ロール軸回転装置
２９：ロール軸
４１：操縦内容収集部
４２：シミュレーション部
４３：映像作成部
４４：旋回軸角速度算出部
４５：操縦席姿勢算出部

Claims

被験者に着席される座席を備えるコクピットと、
互いに一致しない複数の軸を中心に前記コクピットをそれぞれ回転させる複数の回転装置とを具備し、
前記軸のうちのジンバル軸は、複数であり、
前記軸のうちの前記ジンバル軸と異なるせん回軸は、前記座席を貫通していない
加速度シミュレータ装置を制御する加速度シミュレータ制御装置であり、
前記被験者に感覚させる加速度に基づいて前記コクピットが前記せん回軸を中心に回転する角速度を算出するせん回軸角速度算出部と、
前記加速度に基づいて、前記コクピットが前記ヨー軸を中心に回転するヨー角度と前記コクピットが前記ピッチ軸を中心に回転するピッチ角度と前記コクピットが前記ロール軸を中心に回転するロール角度とを算出する操縦席姿勢算出部とを具備し、
前記角速度は、
重力加速度と、
前記角速度により生成される遠心加速度と、
前記コクピットが前記せん回軸を中心に回転する角加速度により生成される接線加速度とが合成された合成加速度の大きさと前記加速度の大きさとが一致するように、算出される
加速度シミュレータ制御装置。
請求項１において、
前記角速度ω _ｒは、
変数ｘの関数ｓｉｇｎ（ｘ）を次式：

により定義するときに、
前記重力加速度ｇと前記せん回軸から前記コクピットまでの距離Ｒと前記加速度ｄ ^２Ｐ _Ｃ／ｄｔ ^２とを用いて、

により表現される
加速度シミュレータ制御装置。
請求項１または請求項２のいずれかにおいて、
前記ジンバル軸は、
ヨー軸と、
前記ヨー軸と平行ではないピッチ軸と、
前記ピッチ軸と平行ではないロール軸とを含む
加速度シミュレータ制御装置。
請求項３において、
前記操縦席姿勢算出部は、前記ヨー角度の変化量の絶対値と前記ピッチ角度の変化量の絶対値と前記ロール角度の変化量の絶対値とのうちの最大値が最小になるように、前記ヨー角度と前記ピッチ角度と前記ロール角度とを算出する
加速度シミュレータ制御装置。
請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
前記コクピットに備えられる操縦盤に入力される操作内容を収集する操作内容収集部と、
前記操作内容に基づいて前記加速度を算出する前記シミュレーション部
とを更に具備する加速度シミュレータ制御装置。