JP3959624B2

JP3959624B2 - 模擬振動発生装置及び方法

Info

Publication number: JP3959624B2
Application number: JP2002154151A
Authority: JP
Inventors: 幹之赤松; 正明大貫
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Mitsubishi Precision Co Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Mitsubishi Precision Co Ltd
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-05-28
Also published as: JP2003345233A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は模擬振動発生装置及び方法に係り、特に、自動車等の乗り物のシミュレータに適用した場合に実際に近い振動を発生することの可能な模擬振動発生装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、自動車をはじめとする種々の乗り物（自動車、鉄道、船舶、航空機、宇宙船等）の操縦者を育成するため、又はアミューズメント施設としてシミュレータが多用されている。
【０００３】
乗り物は走行時に必ず動揺するので、シミュレータの真迫性を向上するためには乗り物の動揺も模擬する必要があり、従来から種々の方法が既に提案されている。
【０００４】
一つはフーリエ級数を適用するものであり、振動の基本角周波数とその高調波を重畳することにより動揺を模擬する方法であるが、動揺に繰り返し性が発生するだけでなく、繰り返し性を目立たなくしようとすると計算が複雑化するという問題がある。
【０００５】
他の方法は、実際の乗り物の動揺をテープレコーダのような記録装置に記録し、その再生信号でシミュレータに動揺を発生させる方法であるが、走行速度に応じて動揺波形を変更することが困難であるという問題がある。
【０００６】
さらに、乗り物の固有角周波数及び減衰係数によって規定される自由減衰振動係に乱数を入力し、その出力をシミュレータに印加して乗り物の動揺を模擬する方法も提案されている（特公平６−１６２１９号公報）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方法において例えば自動車のピッチングを模擬するためには、路面及びタイヤ剛性並びにサスペンションの定数に基づいて固有角周波数及び減衰係数を決定する必要があるが、実際には路面及びタイヤ剛性並びにサスペンションの定数を正確に求めることは困難である。
【０００８】
さらに、運転状況の変化（例えば速度の変化）に応じて固有角周波数及び減衰係数を変更することが必要となるが、各種の運転状況に応じた路面及びタイヤ剛性並びにサスペンションの定数を決定することはさらに困難である。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、乗り物のシミュレータに適用した場合に実際に近い振動を発生することの可能な模擬振動発生装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の形態によれば、乗り物の動作状態において前記乗り物に発生する振動の計測値に基づいて前記乗り物に発生する振動の自己回帰モデルを生成する自己回帰モデル生成手段と、前記乗り物のシミュレータ運転時に、前記自己回帰モデル生成手段で生成された自己回帰モデルに基づいて前記シミュレータを振動するシミュレータ振動付与手段を有する模擬振動発生装置であって、前記自己回帰モデル生成手段が、前記乗り物の動作状態において前記乗り物に発生する振動を計測する計測手段と、前記計測手段で計測された振動値からユール・ウォーカの方程式を使用して自己回帰モデルの係数を決定する自己回帰モデル係数決定手段と、前記自己回帰モデル係数決定手段で決定された係数を使用した特性方程式の特性根を求める求根手段と、を具備し、且つ、前記シミュレータ振動付与手段が、前記求根手段で求められた特性根に基づいてシミュレータの模擬状態に対応する特性根を決定する特性根決定手段と、前記特性根決定手段で決定された特性根からシミュレータの模擬状態に対応する特性方程式の係数を決定する係数決定手段と、前記係数決定手段で決定された係数を使用した自己回帰モデルにより決定された振動を前記シミュレータに出力する振動出力手段と、を具備することを特徴とする模擬振動発生装置が提供される。
本発明の第２の形態によれば、乗り物の動作状態において前記乗り物に発生する振動の計測値に基づいて前記乗り物に発生する振動の自己回帰モデルを生成する自己回帰モデル生成段階と、前記乗り物のシミュレータ運転時に、前記自己回帰モデル生成段階で生成された自己回帰モデルに基づいて前記シミュレータを振動するシミュレータ振動付与段階と、を具備する模擬振動発生方法であって、前記自己回帰モデル生成段階が、前記乗り物の動作状態において前記乗り物に発生する振動を計測する計測段階と、前記計測段階で計測された振動値からユール・ウォーカの方程式を使用して自己回帰モデルの係数を決定する自己回帰モデル係数決定段階と、前記自己回帰モデル係数決定段階で決定された係数を使用した特性方程式の特性根を求める求根段階と、を具備し、前記シミュレータ振動付与段階が、前記求根段階で求められた特性根に基づいてシミュレータの模擬状態に対応する特性根を決定する特性根決定段階と、前記特性根決定段階で決定された特性根からシミュレータの模擬状態に対応する特性方程式の係数を決定する係数決定段階と、前記係数決定段階で決定された係数を使用した自己回帰モデルにより決定された振動を前記シミュレータに出力する振動出力段階と、を具備することを特徴とする模擬振動発生方法が提供される。
第一の発明に係る模擬振動発生装置及び方法は、乗り物の動作状態において前記乗り物に発生する振動の計測値に基づいて乗り物に発生する振動の自己回帰モデルを生成し、乗り物のシミュレータ運転時に生成された自己回帰モデルに基づいてシミュレータを振動する。
【００１１】
本発明にあっては、実際の乗り物に発生する振動に基づいて自己回帰モデルが同定され、この自己回帰モデルに基づいて乗り物のシミュレータに付与される振動が生成される。
【００１２】
第二の発明に係る模擬振動発生装置及び方法は、乗り物の動作状態において乗り物に発生する振動を計測し、計測された振動値からユール・ウォーカ方程式を使用して自己回帰モデルの係数を決定し、この係数を使用した特性方程式の特性根を求め、求められた特性根に基づいてシミュレータの模擬状態に対応する特性根を決定し、決定された特性根からシミュレータの模擬状態に対応する特性方程式の係数を決定し、決定された係数を使用した自己回帰モデルにより決定された振動をシミュレータに出力する。
【００１３】
本発明にあっては、ユール・ウォーカ方程式により自己回帰モデルの係数が決定され、特性方程式の特性根が求められる。この特性根に基づいてシミュレータの模擬状態に対応する特性根が決定され、この特性根からシミュレータの模擬状態に対応する特性方程式の係数が決定され、この係数を使用した自己回帰モデルから決定された振動がシミュレータに出力される。
【００１４】
第三の発明に係る模擬振動発生装置及び方法は、特性根を極座標表示に変換し、極座標表示に変換された特性根を使用して内挿法によりシミュレータの模擬状態に対応する極座標表示特性根を求め、極座標表示特性根を直交座標表示に変換する。
【００１５】
本発明にあっては、極座標表示を使用してシミュレータの模擬状態に対応する特性根が決定される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る模擬振動発生装置を適用した自動車シミュレータの構成図であって、基板１０の上にアクチュエータ１１を介してプラットフォーム１２が搭載され、プラットフォーム１２上には運転席１２１、ステアリング１２２、インスツルメントパネル１２３及びディスプレイ１２４が搭載されている。
【００１７】
ホスト計算機１３は、ディスプレイ１２４に表示する画像及びスピーカ１３１に出力する音声を発生するだけでなく、ステアリング振動発生部１３２及び動揺発生部１３３に振動生成信号を出力する。
【００１８】
ステアリング振動発生部１３２はステアリング１２２に対して振動を与え、動揺発生部１３３はアクチュエータ１１を駆動してプラットフォーム１２に対して動揺を与える。
【００１９】
振動生成信号はホスト計算機１３に組み込まれた模擬振動発生装置で生成されるが、模擬振動発生装置の処理はオフライン処理及びオンライン処理に分割される。
【００２０】
即ち、オフライン処理では実際の乗り物に発生する振動を収録して自己回帰モデルの係数を決定し、特性方程式の特性根を算出する。
【００２１】
オンライン処理では、運転状態に応じた特性根を求めて線形予測式の係数に変換する。そしてこの線形予測式に基づいて振動波形を生成する。
【００２２】
図２は模擬振動発生装置で実行されるオフライン処理のフローチャートであって、ステップ２０において実測データを取得する。
【００２３】
例えば、自動車のシミュレータに本発明に係る模擬振動発生装置を適用する場合には走行状態で自動車に発生する振動を成分（ローリング、ピッチング、ヨーイング及びステアリングの振動）ごとに記録する。
【００２４】
次にステップ２１において、この記録に基づいて自己回帰モデルの係数を算出する。
【００２５】
例えば、自動車のローリングの時系列信号をｘ_iとすると、時系列信号をｘ_iは白色信号ｗ_iを入力とする離散時間系線形フィルタの出力であると考えることができ、［数１］によって表すことができる。
【００２６】
【数１】

【００２７】
一方過去ｐ個の時系列｛ｘ_i-1, ｘ_i-2,…,ｘ_t-p｝に基づき時刻ｔにおける時系列値を予測する線形予測器は［数２］によって表される。
【００２８】
【数２】

【００２９】
時刻ｔにおける実測値と線形予測器により予測された予測値との誤差を最小とする線形予測器の係数は［数３］のユール・ウォーカ方程式から求めることができる。
【００３０】
【数３】

【００３１】
［数２］の特性方程式は［数４］で表される。
【００３２】
【数４】

【００３３】
次にステップ２１において、特性方程式の根を適当な解法を用いて求める。
【００３４】
現在値の推定に用いる過去値の数ｐ（即ち特性方程式の次数）は任意に定めることができるが、本実施形態においては実用的な観点からｐ＝５としている。
【００３５】
ｐ＝５とすれば、その特性根は［数５］で表される２組の複素根と、１つの実根となる。
【００３６】
【数５】

【００３７】
さらに、複素根については［数６］に示す極座標表示に変換して、オフライン処理を終了する。
【００３８】
【数６】

【００３９】
上記は自動車の一つの定常走行状態（例えば毎時４０キロメートルで走行している状態）の処理について説明したが、シミュレータの模擬範囲で走行速度をパラメータとして適当な数の実測値を取得し、それぞれについてオフライン処理を実行する。
【００４０】
例えば、自動車のシミュレータの場合には、走行速度を毎時５、２０、５０、８０、１１０キロメートルの五つの走行状態についてローリングを実測し、各データについてオフライン処理を実行することが必要である。さらに走行場所を例えば市街地、高速道路等に変更して振動を計測してもよい。
【００４１】
以上はローリングの処理について説明したが、ピッチング、ヨーイング及びステアリング振動についても同様の処理を実行する。
【００４２】
図３はホスト計算機１３で実行されるオンライン処理のフローチャートであって、例えば１ミリ秒毎の割り込み処理として実行される。
【００４３】
まずステップ３０において、シミュレータで現在模擬している走行状態、例えば走行速度ｖを読み込む。
【００４４】
次にステップ３１において、現在の走行速度ｖに対応する特性根を求める。
【００４５】
図４はステップ３１で実行される一つの特性根決定ルーチンのフローチャートであって、ステップ３１０で実測した走行状態の番号を表すインデックスｊを初期値“１”に設定する。
【００４６】
ステップ３１１で現在の走行速度ｖがどの走行状態の間にあるか、即ちv(j)とv(j+1)の間にあるかを判定する。
【００４７】
ステップ３１１で否定判定されたときは、ステップ３１２でインデックスｊをインクリメントしてステップ３１１を繰り返す。
【００４８】
ステップ３１１で肯定判定されたときは、ステップ３１３で周知の線形内挿法によって走行速度ｖのときの一つの特性根を極座標表示した場合の絶対値ｒ及び偏角θを求めてこのルーチンを終了する。
【００４９】
上記の手続が、もう一組の複素根及び一つの実根に対しても適用され、現在の走行速度に対する二組の複素根及び実根が決定される。
【００５０】
図３のオンライン処理に戻り、ステップ３２で平面座標に変換した特性根を用いて［数７］により特性方程式の係数を算出する。
【００５１】
【数７】

【００５２】
次にステップ３３で［数８］に基づき現時点における振動が算出され、ステップ３４においてステアリング振動発生部１３２及び動揺発生部１３３に出力してこのルーチンを終了する。
【００５３】
【数８】

【００５４】
以上説明したように、本発明に係る模擬振動発生装置においては、実際の自動車を複数の状態で運転して振動を計測し、この計測結果から自己回帰モデルを同定するので、シミュレータに印加される振動の真迫性を向上することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に係る模擬振動発生装置及び方法によれば、実際の乗り物に発生する振動から同定された自己回帰モデルを使用して乗り物のシミュレータに付加される振動を生成するので、シミュレータで実際に近い振動を模擬することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る模擬振動発生装置を適用した自動車シミュレータの構成図である。
【図２】オフライン処理のフローチャートである。
【図３】オンライン処理のフローチャートである。
【図４】特性根決定ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０…基板
１１…アクチュエータ
１２…プラットフォーム
１２１…運転席
１２２…ステアリング
１２３…インスツルメントパネル
１２４…ディスプレイ
１３…ホスト計算機
１３１…スピーカ
１３２…ステアリング振動発生部
１３３…動揺発生部

Claims

乗り物の動作状態において前記乗り物に発生する振動の計測値に基づいて前記乗り物に発生する振動の自己回帰モデルを生成する自己回帰モデル生成手段と、前記乗り物のシミュレータ運転時に、前記自己回帰モデル生成手段で生成された自己回帰モデルに基づいて前記シミュレータを振動するシミュレータ振動付与手段を有する模擬振動発生装置であって、
前記自己回帰モデル生成手段が、
前記乗り物の動作状態において前記乗り物に発生する振動を計測する計測手段と、
前記計測手段で計測された振動値からユール・ウォーカの方程式を使用して自己回帰モデルの係数を決定する自己回帰モデル係数決定手段と、
前記自己回帰モデル係数決定手段で決定された係数を使用した特性方程式の特性根を求める求根手段と、を具備し、且つ、
前記シミュレータ振動付与手段が、
前記求根手段で求められた特性根に基づいてシミュレータの模擬状態に対応する特性根を決定する特性根決定手段と、
前記特性根決定手段で決定された特性根からシミュレータの模擬状態に対応する特性方程式の係数を決定する係数決定手段と、
前記係数決定手段で決定された係数を使用した自己回帰モデルにより決定された振動を前記シミュレータに出力する振動出力手段と、を具備することを特徴とする模擬振動発生装置。
前記自己回帰モデル生成手段が、前記求根手段で求められた特性根を極座標表示に変換する極座標変換手段をさらに具備し、
前記特性根決定手段が、
前記極座標変換手段により極座標表示に変換された特性根を使用して内挿法によりシミュレータの模擬状態に対応する極座標表示特性根を求める内挿手段と、
前記内挿手段により求められた極座標表示特性根を直交座標表示に変換する直交座標表示変換手段と、を具備する請求項１に記載の模擬振動発生装置。
乗り物の動作状態において前記乗り物に発生する振動の計測値に基づいて前記乗り物に発生する振動の自己回帰モデルを生成する自己回帰モデル生成段階と、前記乗り物のシミュレータ運転時に、前記自己回帰モデル生成段階で生成された自己回帰モデルに基づいて前記シミュレータを振動するシミュレータ振動付与段階と、を具備する模擬振動発生方法であって、
前記自己回帰モデル生成段階が、
前記乗り物の動作状態において前記乗り物に発生する振動を計測する計測段階と、
前記計測段階で計測された振動値からユール・ウォーカの方程式を使用して自己回帰モデルの係数を決定する自己回帰モデル係数決定段階と、
前記自己回帰モデル係数決定段階で決定された係数を使用した特性方程式の特性根を求める求根段階と、を具備し、
前記シミュレータ振動付与段階が、
前記求根段階で求められた特性根に基づいてシミュレータの模擬状態に対応する特性根を決定する特性根決定段階と、
前記特性根決定段階で決定された特性根からシミュレータの模擬状態に対応する特性方程式の係数を決定する係数決定段階と、
前記係数決定段階で決定された係数を使用した自己回帰モデルにより決定された振動を前記シミュレータに出力する振動出力段階と、を具備することを特徴とする模擬振動発生方法。
前記自己回帰モデル生成段階が、前記求根段階で求められた特性根を極座標表示に変換する極座標変換段階をさらに具備し、
前記特性根決定段階が、
前記極座標変換段階により極座標表示に変換された特性根を使用して内挿法によりシミュレータの模擬状態に対応する極座標表示特性根を求める内挿段階と、
前記内挿段階により求められた極座標表示特性根を直交座標表示に変換する直交座標表示変換段階と、を具備する請求項３に記載の模擬振動発生方法。