JP3637348B1

JP3637348B1 - シミュレーション装置

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Publication number: JP3637348B1
Application number: JP2003402291A
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: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2023-12-01
Also published as: JP2005164868A

Abstract

【課題】過度の回転運動を生じることなく被験者に違和感を感じさせることのないシミュレータ制御方法及びシミュレーション装置を提供する。
【解決手段】旋回軸と複数のジンバル軸とからなる複数の軸を回転駆動させることにより実機の揺動を再現するシミュレーション装置であり、被験パイロット３０により入力された操作情報に基づき仮想の乗り物の運動モデルを演算する手段１４と、前記運動モデルに基づき前記旋回軸の旋回速度を算出する旋回速度算出手段１１と、ジンバル角度より被験者に作用している並進加速度と角速度とを夫々算出する加速度角速度算出手段１３と、前記算出された並進加速度及び角速度と前記運動モデルの偏差と、前記旋回軸の角速度とによりジンバル角度の修正量を算出する角度算出手段１２と、を備え、前記算出された各運動データに基づき回転駆動機構を駆動し、被験者に作用する並進加速度とともに回転角速度を再現することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シミュレーション装置に関し、特に乗り物の運転操作に伴い体感する加速度を模擬的に再現するシミュレーション装置に関する。

航空機、車両等のような乗り物において、搭乗者の運転により発生する揺動を仮想的に体験するために、走行路や周囲の状況を視覚的に再現するとともに、操作者の運転操作に伴う乗り物の運動を被験者に模擬的に体感させるシミュレーション装置が用いられている。このようなシミュレーション装置は、例えば飛行訓練用のフライトシミュレータ、ドライビングシミュレータ、又はアミューズメント施設などで広く使用されている。

従来、シミュレーション装置における乗り物の模擬は、加速度の大きさ、即ち加速度の絶対値を主たる体感因子としてとらえ、操作者に加速度を知覚させるような制御が一般に行なわれている。
このような乗り物の模擬方法としては、重力を利用して座席の角度を変化させる方法が知られており、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、かかる装置では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。

また、４〜６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シミュレーション装置が知られており、かかる装置によれば被験者は重力加速度より大きい加速度を知覚することができるが、このような装置は被験者に大きい加速度を持続して与えることができないという問題点を有する。
また、旋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装置が特許文献１及び特許文献２に開示されている。このような装置によれば、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、このような装置は加速度の急激な変化を模擬することができない。

特開平７−３３４０７１号公報特開平７−３３４０７２号公報特願２００３−０４９２０５号

シミュレーション装置では被験者に乗り物の運動を模擬体感させるために、重力や回転による遠心力により被験者に作用する加速度を模擬し、被験者に乗り物の運動を体感させるようにしている。
しかし、重力やアームの遠心力の制御のみで加速度を再現しても、上記したように実際の乗り物の揺動を精度良く再現することは困難であった。
そこで本出願人は、特願２００３−０４９２０５号（特許文献３）にて現実的な加速度を感覚させることを可能とした加速度シミュレーション装置及び加速度シミュレータ制御装置を提案している。

かかる装置では、再現すべき並進加速度ベクトルの大きさにアーム先端加速度が一致するようにアーム旋回軸の角加速度と角速度を調整したうえで、ジンバルを回転させ被験者の並進加速度ベクトルの向きを実際の乗り物で被験者が受ける加速度ベクトルに一致させるようにジンバル角度を調整している。
このような装置は、被験者が配置される座席のある空間に働く加速度を実際の乗り物の加速度に合わせるために重力と遠心力に加えてさらに回転による接線加速度までを考慮し、この３つの合成加速度が常に乗り物の合成加速度、即ち重力と乗り物運動による加速度の和に等しくなるように制御することにより、本物の乗り物と同じ加速度環境を被験者に与えることができるものである。

しかしながら、前記シミュレーション装置では、並進３軸方向の加速度を忠実に模擬しようとするあまり、過度の回転運動が発生するという問題があった。過度の運動が発生すると、並進加速度が完全に再現できたとしても、被験者に違和感を与え、さらにはこの違和感が継続することにより被験者が車酔いし、訓練そのものが不可能になるという問題が発生する惧れがある。
従って本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、本物の乗り物とほぼ同じ加速度環境を被験者に体感させることができるとともに、過度の回転運動を生じることなく被験者に違和感を感じさせることのないシミュレーション装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、鉛直方向に設けられている旋回軸にその基端が取り付けられた旋回アームの先端に取り付けられた３座標軸のジンバル軸を介して被験者が配置される座席が設けられた空間を具え、
前記座席に位置する被験者の操作情報に基づき仮想の乗り物の運動モデルを演算するシミュレータ制御機構と、前記運動モデルに基づいて前記旋回軸と３座標軸のジンバル軸を介して夫々回転駆動させるシミュレータ駆動機構とにより被験者に重力加速度を体感させるシミュレーション装置であって、
前記シミュレータ制御機構は、前記運動モデルに基づき前記旋回アームの旋回速度を算出する旋回速度算出手段と、前記３座標軸のジンバル軸夫々のジンバル角度より被験者に作用している３座標軸夫々の並進加速度と回転角速度とを夫々算出する加速度角速度算出手段と、前記算出された並進加速度及び前記旋回軸の旋回角速度と前記運動モデルにおけるシミュレーション制御機構の演算のタイムステップに基づく偏差とにより前記ジンバル角度の修正量を算出する角度算出手段と、を備え、
前記修正されたジンバル角度（に対応する被験者の姿勢角）と、算出された３軸の並進加速度と、旋回軸の旋回角速度に基づき前記旋回軸と３座標軸のジンバル軸を回転駆動し、被験者に作用する並進加速度とともに回転角速度を再現することを特徴とする。

かかる発明によれば、被験者に作用する並進加速度を高精度で以って再現することができ、さらに角速度も考慮してジンバル軸を回転させるため過大な角速度の発生を抑えることができ、体感精度が向上するとともにシミュレータ酔いを防止することが可能となる。
尚、前記乗り物の運動モデルは、被験者の操作情報に基づき演算された機体の３軸方向の並進加速度と３軸回りの角速度からなることが好適である。前記運動データとは、旋回軸、ジンバル軸の並進加速度及び角速度、ジンバル軸の角度等を含み前記乗り物の位置、姿勢及び揺動を決定するものである。

また、鉛直方向に設けられている旋回軸にその基端が取り付けられた旋回アームの先端に取り付けられた３座標軸のジンバル軸を介して被験者が配置される座席が設けられた空間を具え、
前記座席に位置する被験者の操作情報に基づき仮想の乗り物の運動モデルを演算するシミュレータ制御機構と、前記運動モデルに基づいて前記旋回軸と３座標軸のジンバル軸を介して夫々回転駆動させるシミュレータ駆動機構により被験者に重力加速度を体感させるシミュレーション装置であって、
前記シミュレータ制御機構は、ジンバル角度より被験者に作用する並進加速度と角速度とを夫々算出する加速度角速度算出手段と、機体運動モデル演算手段と、旋回軸とジンバル軸の４軸指令算出手段とから構成され、
前記機体運動モデル演算手段は、被験者より入力された操作情報から３軸方向の並進加速度及び３軸回りの角速度からなる機体運動モデルを演算し、また、前記４軸指令算出手段は、前記機体運動モデルより前記旋回軸の角速度を算出するとともに、前記算出された並進加速度及び角速度と前記運動モデルにおけるシミュレーション制御機構の演算のタイムステップに基づく偏差とによりジンバル角度の修正量を算出し、
前記修正されたジンバル角度（に対応する被験者の姿勢角）と、算出された３軸の並進加速度と、旋回軸の旋回角速度に基づき前記旋回軸と３座標軸のジンバル軸を回転駆動し、被験者に作用する並進加速度とともに回転角速度を再現することを特徴とする。
かかる発明によれば、被験者への体感精度の向上及びシミュレータ酔いの防止が達成できるとともに、旋回軸とジンバル軸とに負荷が均等に分散されるので回転軸のトルク飽和や速度飽和による模擬精度の劣化を防止できる。

さらに、前記加速度角速度算出手段により求められた加速度及び角速度のうち何れかの再現精度を重視するような重み係数を設定する再現精度設定手段を備えたことを特徴とする。これによれば、シミュレーションの使用目的に応じて並進加速度の再現を重視するかあるいは角速度の再現を重視するかを設定することが可能となり、模擬精度が向上する。
さらにまた、前記再現精度設定手段が、乗り物の運動モデルに基づき前記重み係数を逐次的に変化させることが好適で、これによれば飛行状態等の運転条件に応じて、人体の感度が最も小さい運動軸に再現誤差を集中させることにより、その瞬間において最善の体感再現精度を得ることが可能となる。

さらに、前記再現精度指定手段が、被験者が重み係数を入力するためのインターフェイス手段を備えることが好ましく、これにより、個々の被験者の感覚に合わせた模擬精度を調整することができる。このとき、被験者自身が模擬精度を微調整することも可能である。尚、前記インターフェイスは、被験者若しくは整備作業員等が重み係数を適宜グラフ若しくは数式で容易に入力することができるようにすることが好適である。

以上記載のごとく本発明によれば、被験者がより現実的な加速度を体感することができるとともに、本発明では並進加速度とともに角速度も考慮してジンバルを回転させているため、過大な角速度の発生を抑えることができ、被験者に違和感を与えることを防げる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
本実施形態に係るシミュレーション装置は、乗り物を操縦する被験者が体感する揺動を模擬的に生成する装置であり、本実施形態では例示的に飛行機の揺動を再現するものとするが、特にこれに限るものではなく例えば自動車やアミューズメント装置等の揺動を発生する乗り物に適用できる。

図１は本発明の実施形態に係るシミュレーション装置の概略を示すブロック図、図２は本第１実施例に係るシミュレーション装置の制御機構と駆動機構の構成を示すブロック図、図３〜図６は本実施形態に係るシミュレータ機構を示す図である。
本第１実施例に係るシミュレーション装置１００は、図１に示されるようにシミュレータ制御機構１０１と、シミュレータ駆動機構１０２と、シミュレータ機構１０３とを主要構成とし、相互に情報を伝達可能に接続されて設けられている。
前記シミュレータ制御機構１０１は、被験パイロットが入力した操作情報を基に機体運動モデルを演算し、各種運動データを算出する機能を有し、前記シミュレータ駆動機構１０２は、前記各種運動データに基づき被験パイロットに対して揺動を与える機能を有し、前記シミュレータ機構は１０３は、実機を再現するために構成される各種機器類である。

ここで、図５及び図６を参照して具体的なシミュレータ機構１０３の一実施例につき説明する。シミュレータ機構１０３は、旋回装置４３と、旋回アーム４４とを備え、該旋回装置４３は図示されていない旋回軸受けとサーボモータとから形成されている。該旋回軸受けは、旋回アーム４４の一端に同体に接合され、地面４５に対して旋回軸４６を中心に旋回アーム４４を回転可能に支持している。旋回軸４６は鉛直方向に設けられている。また、該サーボモータはシミュレータ制御機構１０１から出力される電気信号に応答して、旋回軸４６を中心に旋回アーム４４を回転させる。

さらに、シミュレータ機構１０３は、旋回アーム４４の旋回装置４３と接合されている一端と反対側の他端にコックピット５１と複数のフレームとを備えている。該フレームは、ヨーフレーム５２と、ピッチフレーム５３とから形成されている。
旋回アーム４４とヨーフレーム５２との間には、ヨー軸回転装置５４が設けられている。ヨー軸回転装置５４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。該軸受けは、ジンバル軸であるヨー軸を５５を中心に回転可能に旋回アーム４４にヨーフレーム５２を支持している。前記ヨー軸５５は、常に、点Pを通り旋回軸４６に平行である。前記サーボモータはシミュレータ制御機構１０１から出力される電気信号に応答して、ヨー軸５５を中心にヨーフレーム５２を回転させる。

前記ヨーフレーム５２と前記ピッチフレーム５３との間には、ピッチ軸回転装置５６が設けられている。ピッチ軸回転装置５６は、図示されていない軸受けとサーボモータから形成されている。該軸受けは、ジンバル軸であるピッチ軸５７を中心に回転可能にヨーフレーム５２にピッチフレーム５３を支持している。ピッチ軸５７は、常に、点Pを通りヨー軸５５に垂直である。前記サーボモータは、シミュレータ制御機構１０１から出力される電気信号に応答して、ピッチ軸５７を中心にピッチフレーム５３を回転させる。

前記ピッチフレーム５３と前記コックピット５１との間には、図６に示されているように、ロール軸回転装置５８が設けられている。ロール軸回転装置５８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。該軸受けは、ジンバル軸であるロール軸５９を中心に回転可能にピッチフレーム５３にコックピット５１を支持している。ロール軸５９は、常に、点Pを通りピッチ軸５７に垂直である。前記サーボモータは、シミュレータ制御機構１０１から出力される電気信号に応答して、ロール軸を中心にコックピット５１を回転させる。

前記コックピット５１は、その内部に被験パイロットが配置される。コックピット５１は、図示されていない表示装置、座席及び操縦盤等を備えている。該表示装置は、シミュレータ制御機構１０１により作成される映像を表示する。前記座席は、着席する被験パイロットの頭部が点Pと重なるように設置されている。前記操縦盤は、被験パイロットにより運転操作される操作内容を示す操作情報を電気信号としてシミュレータ制御機構１０１に出力する。

図３は本発明の実施形態に係るシミュレータ機構１０３の動作を説明する図である。
前記シミュレータ機構１０３は旋回装置４３に取付けられた旋回アーム４４の先端に被験パイロットの座席が配置されており、該旋回アーム４４を旋回させて遠心力を発生し、被験パイロットに数Ｇの加速度を体感させるようになっている。
シミュレーション機構１０３の操作量として有効なものは、ヨー軸の変位角ψ、ピッチ軸の変位角θ、ロール軸の変位角φからなる被験パイロットの姿勢角と、旋回アーム回転角速度ω_ａと、旋回アーム回転角加速度である。再現すべき実機と同じ加速度αを被験者に与えるためには、アーム先端の加速度α_ｂの実機の加速度αとアーム先端の加速度α_ｂの大きさを一致させる必要がある。これに加えて本実施例では、回転角速度も考慮した制御を行なうため、ヨー軸、ピッチ軸、ロール軸の夫々の並進加速度ω_ａとこれらのジンバル軸ω_ｘ、ω_ｙ、ω_ｚを中心とした角速度も制御する。このとき、被験パイロットに感覚される加速度は、図３に示されるように、３つのベクトルＸ、Ｙ、Ｚの座標系により表現する。Ｘ軸方向は旋回接線方向を指し、Ｙ軸方向とは旋回中心方向を指し、Ｚ軸方向とは鉛直方向を指すものとし、これらは相互に垂直の関係にある。

図２は、本第１実施例におけるシミュレーション装置１００が具備するシミュレータ制御機構１０１と駆動機構１０２を示す。
シミュレータ制御機構１０１は、アーム旋回速度算出手段１１と、ジンバル角度算出手段１２と、シミュレータ加速度角速度算出手段１３と、機体運動モデル演算手段１４と、から構成される。前記機体運動モデル演算手段１４は、被験パイロット３０が操作盤により入力した操作情報から図１に示したＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の並進加速度及び３軸回りの角速度からなる機体運動モデルを演算し、前記アーム旋回速度算出手段１１は、該機体運動モデルより前記旋回アームの旋回速度を算出して後述する旋回駆動手段２１に電気信号により指令を出す。また、前記シミュレータ加速度角速度算出手段１３は、前記ジンバル軸のジンバル角度から被験パイロットに作用している並進加速度と角速度を算出し、前記ジンバル角度算出手段１２は前記機体運動モデルと前記算出された加速度及び角速度との偏差、及び旋回軸の角速度に基づきジンバル角度を算出して後述するジンバル軸駆動手段２２に電気信号により指令を出す。

また、前記駆動機構１０２は、旋回アームを回転駆動させる旋回駆動手段２１と、ジンバル軸駆動手段２２とからなり、該ジンバル軸駆動手段２２は、前記ヨー軸回転装置５４を回転駆動させるヨー軸駆動手段２２ａ、前記ピッチ軸回転装置５６を回転駆動させるピッチ軸駆動手段２２ｂ、前記ロール軸回転装置５８を回転駆動させるロール軸駆動手段２２ｃとから構成される。
かかるシミュレータ制御機構１０１及びシミュレータ駆動機構１０２によりシミュレータ機構１０３は以下のようなフローにより動作する。

まず最初に、前記機体運動モデル演算手段１４は、被験パイロット３０が入力した操作情報、即ち運転操作の量や方向等から被験パイロット３０が位置する座席のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の理論上の並進加速度と角速度からなる機体運動モデルを演算する。
そして、再現すべき並進加速度ベクトルの大きさのアーム先端の加速度が一致するよう
にアーム旋回速度算出手段１１により旋回速度を算出し、前記旋回駆動手段２１を必要量だけ回転駆動させる。
一方、前記シミュレータ加速度角速度算出手段１３により、前記ヨー軸５５、ピッチ軸５７、ロール軸５９の夫々のジンバル角度と被験パイロットの回転角速度ベクトルとを回転変換する処理を施して関連付け、各ジンバル角速度を設定し、並進加速度と回転角速度とを一致させるための演算処理を行い、並進加速度と角速度とを算出する。

ここで、アーム旋回速度算出手段１１における演算、及びシミュレータ加速度角速度算出手段１３における演算の一実施例について説明する。
先に、シミュレータ加速度角速度演算手段１３における演算を行なう。該演算では、まずかかるシミュレータ機構１０３における運動自由度を選択する。該シミュレータ機構１０３の運動自由度は航空機の運動自由度６より小さいので、ここでは並進自由度（ｘ、ｙ、ｚ自由度）を再現することに着目した制御方式について検討する。Ｇベクトルは本来６個の要素をもつ６xlの列ベクトルであるが、並進自由度のみに着目する本実施例では簡素化のために、Ｇベクトルは並進の３自由度に相当する要素のみをもつ３xlのベクトルとして表記する。

図３に示すように、旋回アーム４４の先端のＧベクトルをα_ｂとし、旋回接線方向をｘ軸、旋回中心方向をｙ軸、上方向をｚ軸とする。
そして、α_ｂが与えられると、‖α_ｂ‖＝‖α_ｍ‖であるならば、被験パイロットの姿勢角を適当に変えることにより、α＝α_ｍとすることができるはずである。このときの姿勢角の探索方式は以下の通りである。
即ち、ｘ、ｙ、ｚ軸についてそれぞれ、角度φ、θ、ψだけ回転する変換を次式で表す。

α_ｂが与えられた時、被験パイロットをｘ、ｙ、ｚ軸について、それぞれ角度φ、θ、ψだけ回転すると、被験パイロットに作用するＧベクトルは次式（１）となる。関数Ｅ_αｂはｘ軸に関する回転と、ｙ軸に関する回転と、さらにｚ軸に関する回転を連続的に行なうことを一括して示している。

このように、上記式（１）について、収束演算によりα＝α_ｍとするジンバル角度φ、θ、ψの数値解を得ることができる。

次に、前記アーム旋回速度算出手段１１における演算を行なう。上記したように、前記シミュレータ加速度角速度演算手段１３における演算にて、‖α_ｂ‖＝‖α_ｍ‖となることを仮定したが、実際にこのようになることは難しい。そこで、アーム旋回速度算出手段１１により、‖α_ｂ‖＝‖α_ｍ‖が確実に成り立つように、アームの旋回速度と加速度を調整する。アームの長さをＬ_ａとすると、先端の加速度は次式となる。座標系は航空機の慣例に従い、鉛直下方向をｚの正とする右手系とする。図４にアーム先端加速度の各成分を示す。

よって、‖α_ｂ‖＝‖α_ｍ‖を成立させるためには、アームの角加速度を次式（２）ように定めればよい。

上式は、ωについての微分方程式であるので、実装時には離散化して数値積分してω_ａの解軌道を求めるようにする。

このようにして前記アーム旋回速度算出手段１１及びシミュレータ加速度角速度演算手段１３における演算にて解を得られたら、前記機体運動モデル演算手段１４により導出された機体運動モデルと、該加速度角速度算出手段１３により算出された並進加速度及び角速度の偏差、及び前記旋回軸の角速度に基づきジンバル角度算出手段１２でジンバル角度の修正量を算出し、前記ジンバル軸駆動手段２２に電気信号により指令を出す。

ここで、ジンバル角度算出手段１２における演算の一実施例について説明する。
シミュレータ機構１０３に作用する並進加速度と回転角速度とを完全に一致させるためには、並進加速度に関する上記式（１）と、回転角速度に関する下記式（３）の合計６本の式（４）を同時に満たさなければならない。
尚、回転角速度に関する式（３）は、被験パイロットの回転角速度ベクトルと、ジンバルの回転角速度とから以下のように表される。

また、式（４）は次の通りである。

しかし、上記（４）式は、ジンバル角度についての非線形連立方程式であるので、解析解を導出するのは困難である。そこで、以下の手順により数値的に解くこととする。
かかるシミュレータ制御機構１０１では、次のタイムステップで出力するジンバル角度の数値が計算できればよい。現在の時刻をｔとし、シミュレーション制御機構１０１の演算のタイムステップをｄｔとすると、時刻ｔ＋ｄｔにおいて上記（４）式を成立させるようにジンバル角度を修正する。時刻ｔにおけるジンバル角度の値と、実機コックピットの並進加速度と回転角速度を原点の周りでの摂動δで表すことにする。

上記（４）式を時刻ｔと時刻ｔ+ｄｔで離散化すると次式（５）を得る。微係数は数値微分である。

ここで、記号αとＲ_gimは上記（４）式の右辺を簡略表記したものであって、次式である。

補足すると、αはアーム先端の並進加速度ベクトルα_ｂを被験パイロットの並進加速度ベクトルに変換した値で、Ｒ_gimはジンバルの回転角速度を被験パイロットの回転角速度に変換する行列で、Ｘは次の行列を簡略表記したものである。

上記（５）式において、δαおよびδωを時刻ｔ+ｄｔにおける実機コックピットの加速度・角速度と、現時刻ｔでのシミュレーション装置１００の再現加速度・角速度との差にとれば、（５）式の逆演算からジンバル角度の修正量が求められる。即ち、時刻ｔから時刻ｔ+ｄｔにおけるジンバル角度修正量は形式的に次式（６）のように表される。

しかし、行列Ｘのサイズは６x3であるのでＸには逆行列がなく、このままの形では実装できない。Ｘが逆行列を持たないのは、合計５個の加速度・角速度があるのに、シミュレーション装置１００には操作できるジンバルが３個しかなく、操作量の数が足りないことに原因がある。操作量の数が足りない時には、最小二乗法を適用するのが一般的であり、本実施例でもこれを用いる。
上記（６）式を最小二乗法で解くと、ジンバル角度指令は次式（７）で求められる。

かかるフローによれば、従来のように並進加速度を忠実に被験パイロットに体感させることができるのみならず、角速度を考慮したシミュレートを行うような制御としているため、被験パイロットに与えるシミュレータ酔い等の不快感を取り除くことができる。

図７は本発明にかかる第２実施例を示す図で、第１実施例と同様にかかるシミュレーション装置１００は、シミュレータ制御機構１０１とシミュレータ駆動機構１０２とシミュレータ機構１０３とから構成されており、該シミュレータ駆動機構１０２及びシミュレータ機構１０３は前記第１実施例と同様の構成を有しているため説明を省略する。
本第２実施例において、前記シミュレータ制御機構１０１は、シミュレータ加速度角速度算出手段１３と、機体運動モデル演算手段１４と、４軸指令算出手段１５とから構成される。

前記機体運動モデル演算手段１４は、被験パイロットにより入力された操作情報から３軸方向の並進加速度及び３軸回りの角速度からなる機体運動モデルを演算し、前記シミュレータ加速度角速度算出手段１３は、前記ジンバル軸のジンバル角度から被験パイロット３０に作用している並進加速度と角速度を算出する。また、前記４軸指令算出手段１５は、前記機体運動モデルより前記旋回軸の角速度を算出するとともに、前記算出された並進加速度及び角速度と前記運動モデルの偏差と、前記旋回軸の角速度とによりジンバル角度の修正量を算出する。即ち、前記旋回軸とジンバル軸の合計４軸を完全協調させて、旋回軸及びジンバル軸を回転駆動させる。

ここで、４軸指令算出手段１５における演算の実施例について説明する。
上記した実施例１では、旋回アームの角速度を決定した後に２軸ジンバルによる回転変換を行なうというように、旋回アームが主で、ジンバルがこれに従うという制御を行なっていた。本実施例では、旋回アームに用いられるアクチュエータに過度の負担をかけないことを目的とし、旋回アームとジンバル３軸の合計４軸を完全協調する制御を行なう。
本実施例において、シミュレータ機構１０３の加速度と角速度は次式（８）で表される。

上記式（７）につき、時刻ｔにおける諸量の周りの微小変化について線形近似する。
表記の簡単化のために、３x3の変換行列Ｒ_gimの各列ベクトルをｇ_１、ｇ_２、ｇ_３と表す。即ち、[ｇ_１ｇ_２ｇ_３]：＝Ｒ_gimである。
δα及びδωを時刻ｔ＋ｄｔにおける実機コックピットの加速度・角速度と、現時刻ｔでのシミュレーション機構１０３の再現加速度・角速度との差にとれば、次式（９）の逆演算からシンバル角度の修正量が求められる。

即ち、時刻ｔから時刻ｔ＋ｄｔにおける４軸の角度修正量は形式的に次式（１０）のように表される。

さらに、実施例１と同様に、自由度毎に再現精度を指定するための係数行列Ｗを導入し、さらに左辺の摂動の原点を時刻ｔにおける４軸の角度または角速度として式を整理すると、時刻ｔ＋ｄｔの４軸への指令値として以下（１１）式を得る。

かかる実施例によれば、駆動装置への負荷の均等配分が可能となり、回転軸のトルク飽和や速度飽和による模擬精度の劣化を防止することができる。

図８は本発明に係るシミュレーション装置の第３実施例を示す。尚、図８において前記図１と同様の構成については説明を省略する。
本第３実施例にかかるシミュレーション装置１００は、シミュレータ制御機構１０１と、シミュレータ駆動機構１０２と、シミュレータ機構１０３（図１参照）とから構成され、前記シミュレータ制御機構１０１はアーム旋回速度算出手段１１と重み付きジンバル角度算出手段１２とシミュレータ加速度角速度算出手段１３と機体運動モデル演算手段１４と再現精度設定手段１６とから構成されている。
また、前記シミュレータ駆動機構１０２は、旋回駆動手段２１とジンバル軸駆動手段２２とから構成され、該ジンバル軸駆動手段２２はヨー軸駆動手段２２ａ、ピッチ軸駆動手段２２ｂ、ロール軸駆動手段２２ｃからなる。

かかる実施例では、前記再現精度設定手段１６を第１実施例に組み込んだ構成を採っており、該再現精度設定手段１６はシミュレーションの使用目的に応じて加速度と角速度の再現精度を指定するための重み係数を出力する機能を有している。重み係数は並進加速度３個および回転角速度３個の合計５個の自由度に対して１つずつ設定する。
重み係数の設定方法の一例として、例えば前記第１実施例におけるジンバル角度の修正量を算出する際に、並進加速度を正確に再現する場合には並進加速度の重み係数を１とし回転角速度の重み係数を０とする、回転角速度を正確に再現する場合には回転角速度の重み係数を１とし並進加速度の重み係数を０とする、又は全ての自由度を均等の精度で再現する場合には全ての重み係数を１とする、などのように重み係数を付与する。

この重み係数に基づいて、重み付きジンバル角度算出手段１２’ではジンバル角度指令を算出する。重み付きジンバル角度算出手段１２’の演算の実施例について説明する。重み付きジンバル角度算出手段１２’の演算は図２のジンバル角度算出手段１２に対し、以下の修整を施したものである。
即ち、自由度毎に再現精度を指定するのは、前記実施例１に示した式（６）の左辺に対角の重み行列Ｗを以下のように付加する。

このように、シミュレーションの使用目的に応じて重み係数を設定することにより、模擬精度を向上させることが可能となる。
尚、かかる再現精度設定手段１６は前記第２実施例に適用することも可能であることは勿論である。

図９及び図１０は、図８の再現精度設定手段１６の応用例であり、図９は再現精度設定手段１６において、前記機体運動モデルの出力する飛行状態等に基づいて再現精度を指定するための重み係数を時々刻々変化させるようにしたものである。
これによれば、飛行状態等の運転条件に応じて、人体の感度が最も小さい運動軸に再現誤差を集中させることにより、その瞬間において最善の体感再現精度を得ることが可能となる。
図１０は、被験パイロットが重み係数を調整するための重み係数を数式またはグラフで入力するためのインターフェイス手段１７を設けている。これにより個々のパイロットの感覚に合わせて模擬精度を調整することができる。また、被験パイロットが自分で模擬精度を微調整することも可能である。

本実施形態は航空機のシミュレーションの他に、例えば自動車やアミューズメント装置等の揺動装置全般に適用することができる。このとき、自由度を適宜変更するなどして使用目的に応じて詳細設計を変更する。

本発明の実施形態に係るシミュレーション装置の概略を示すブロック図である。本第１実施例に係るシミュレーション装置の制御機構と駆動機構の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るシミュレータ機構を示す説明図である。本第１実施例に係るシミュレータ機構のアーム先端加速度を説明する図である。本発明の実施形態に係るシミュレータ機構を示す立面図である。本発明の実施形態に係るシミュレータ機構を示す正面図である。本第２実施例に係るシミュレーション装置の制御機構と駆動機構の構成を示すブロック図である。本第３実施例に係るシミュレーション装置の制御機構と駆動機構の構成を示すブロック図である。図７における再現精度設定手段の別の実施例を示すブロック図である。図８の別の実施例を示すブロック図である。

符号の説明

１１アーム旋回速度算出手段
１２ジンバル角度算出手段
１３シミュレータ加速度角速度算出手段
１４機体運動モデル演算手段
１５４軸指令算出手段
１６再現精度設定手段
１７ユーザインタフェース手段
２１旋回駆動手段
２２ジンバル軸駆動手段
４３旋回装置
４４旋回アーム
４６旋回軸
５４ヨー軸回転装置
５５ヨー軸
５６ピッチ軸回転装置
５７ピッチ軸
５８ロール軸回転装置
５９ロール軸
１００シミュレーション装置
１０１シミュレータ制御機構
１０２シミュレータ駆動機構
１０３シミュレータ機構

Claims

鉛直方向に設けられている旋回軸にその基端が取り付けられた旋回アームの先端に取り付けられた３座標軸のジンバル軸を介して被験者が配置される座席が設けられた空間を具え、
前記座席に位置する被験者の操作情報に基づき仮想の乗り物の運動モデルを演算するシミュレータ制御機構と、前記運動モデルに基づいて前記旋回軸と３座標軸のジンバル軸を介して夫々回転駆動させるシミュレータ駆動機構とにより被験者に重力加速度を体感させるシミュレーション装置であって、
前記シミュレータ制御機構は、前記運動モデルに基づき前記旋回アームの旋回速度を算出する旋回速度算出手段と、前記３座標軸のジンバル軸夫々のジンバル角度より被験者に作用している３座標軸夫々の並進加速度と回転角速度とを夫々算出する加速度角速度算出手段と、前記算出された並進加速度及び前記旋回軸の旋回角速度と前記運動モデルにおけるシミュレーション制御機構の演算のタイムステップに基づく偏差とにより前記ジンバル角度の修正量を算出する角度算出手段と、を備え、
前記修正されたジンバル角度と、算出された３軸の並進加速度と、旋回軸の旋回角速度に基づき前記旋回軸と３座標軸のジンバル軸を回転駆動し、被験者に作用する並進加速度とともに回転角速度を再現することを特徴とするシミュレーション装置。
鉛直方向に設けられている旋回軸にその基端が取り付けられた旋回アームの先端に取り付けられた３座標軸のジンバル軸を介して被験者が配置される座席が設けられた空間を具え、
前記座席に位置する被験者の操作情報に基づき仮想の乗り物の運動モデルを演算するシミュレータ制御機構と、前記運動モデルに基づいて前記旋回軸と３座標軸のジンバル軸を介して夫々回転駆動させるシミュレータ駆動機構により被験者に重力加速度を体感させるシミュレーション装置であって、
前記シミュレータ制御機構は、ジンバル角度より被験者に作用する並進加速度と角速度とを夫々算出する加速度角速度算出手段と、機体運動モデル演算手段と、旋回軸とジンバル軸の４軸指令算出手段とから構成され、
前記機体運動モデル演算手段は、被験者より入力された操作情報から３軸方向の並進加速度及び３軸回りの角速度からなる機体運動モデルを演算し、また、前記４軸指令算出手段は、前記機体運動モデルより前記旋回軸の角速度を算出するとともに、前記算出された並進加速度及び角速度と前記運動モデルにおけるシミュレーション制御機構の演算のタイムステップに基づく偏差とによりジンバル角度の修正量を算出し、
前記修正されたジンバル角度と、算出された３軸の並進加速度と、旋回軸の旋回角速度に基づき前記旋回軸と３座標軸のジンバル軸を回転駆動し、被験者に作用する並進加速度とともに回転角速度を再現することを特徴とするシミュレーション装置。
前記加速度角速度算出手段により求められた加速度及び角速度のうち何れかの再現精度を重視するような重み係数を設定する再現精度設定手段を備えたことを特徴とする請求項１若しくは２記載のシミュレーション装置。
請求項３記載の再現精度設定手段が、乗り物の運動モデルに基づき前記重み係数を逐次的に変化させることを特徴とするシミュレーション装置。
請求項３記載の再現精度指定手段が、被験者が重み係数を入力するためのインターフェイス手段を備えたことを特徴とするシミュレーション装置