JPH02271382A - 実際の力のフィードバックを伴うビデオシュミレータ用のステアリングホイール等のコントロール装置 - Google Patents

実際の力のフィードバックを伴うビデオシュミレータ用のステアリングホイール等のコントロール装置

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JPH02271382A
JPH02271382A JP2003279A JP327990A JPH02271382A JP H02271382 A JPH02271382 A JP H02271382A JP 2003279 A JP2003279 A JP 2003279A JP 327990 A JP327990 A JP 327990A JP H02271382 A JPH02271382 A JP H02271382A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は移動装置のシュミレータ分野に関し、より詳
細にはドライバやパイロット等により操作されるコント
ロール装置に現実的な力のフィードバックを行い、近似
した状況において現実の移動装置において感するであろ
う実際の力をシュミレートする移動装置のシュミレータ
に関する。
〈従来の技術〉 移動装置シュミレータは軍隊やNASA等においてパイ
ロットのトレーニングなどに広く利用されてきている。
また一部のシュミレータはドライバのトレーニングに用
いられている。これらのシュミレータの一部は訓練者に
より操作されるコントロール装置に現実的な力のフィー
ドバックを行っているが、本願出願人が知る限り模擬車
(simulated  vaicLe)を通じて訓練
者が感するであろう力をシュミレートするのにIE!F
IJモータを使用した事例はない。
一部ビデオゲーム業界においては、一部のビデオゲーム
が電動モータを使用して模擬車のコントロール装置を振
動させている。しかし本願出願人の知る限りでは例えば
移動装置のステアリングホィール等を通じてドライバが
感するであろう実際の力をシュミレートしたものは存在
しない。高価な軍事用のシュミレータに用いられる流体
圧装置はビデオゲームにとっては高価である上に構造が
複雑であり且つ信頼性に乏しい、そのため、ビデオゲー
ム或はシュミレータにおいて移動装置の操作者が実際に
移動装置を操作する際に感する実際の力をリアルにシュ
ミレートする装置及び方法が求められている。この装置
及び方法は簡単で且つ高い信頼性を有し、全てが電子化
され且つ安価でなければならない。
〈発明の概要〉 本発明の装置は、移動装置の操作者が実際の移動装置の
コントロール装置を操作する際にシュミレートさるれ状
況において感する現実の力を電気的にシュミレートする
0本発明は他の種々の移動装置のコントロール装置1例
えば自動車のステアリングホィールや飛行機の制御杆等
に適用できるが、ここで開示される好適な実施例ではシ
ュミレートされる車のステアリングホィールが発明の説
明のために例として挙げられている。
好適な実施例においては、本発明の装置は1または1以
上のコンピュータと、電動モータ、模擬ステアリングホ
ィールと該ステアリングホィールと前記コンピュータ及
び該コンピュータの少なくとも一つにより実行され所定
のデータによりモータを制御するためのソフトウェアを
連結する変換器を備えている。一部の実施例においては
、マルチプルコンピュータにより実行される機能はすべ
て一台のコンピュータで実行可能である。
これらの機能はステアリングホィールの位置とその回転
速度及び回転方向を判定する位置読み取り変換器を含む
、この情報は次いで本発明の示唆の範囲を構成しない計
算に用いられ、同様の制御信号に対して実際の移動装置
がどの様に反応するか判定される。これらの計算結果に
よる出力データはステアリングホィールにおいて感じら
れる力を規定する。他のコンピュータまたは同一コンピ
ュータ内の他のソフトウェアプロセスはこの出力値を受
け取る。この出力値はDCモータに連結する出力を有す
るモータドライバアンプの入力に供給される。該出力は
該ドライバアンプによりモータを流れる駆動電流に変換
される。この電流はモータを駆動して幾種かの実際のリ
アルな力を模擬するステアリングホィールにトルクを生
じさせる。
これらの力は自動車の車輪からステアリングホィールへ
伝えられる力と、実際の移動装置のステアリング機構の
特性によりステアリングホィールに掛かる摩擦力及びダ
ンピング力である。他の実施例においては、他の実際の
リアルな力をシュミレートすることが可能である。
〈発明の要約〉 移動装置のステアリングホィールや他のコントロール装
置に掛かる力をシュミレートする装置と方法である。こ
の装置は好適な実施例においては、ステアリングホィー
ルに連結される電動モータを用いる。電動モータはコン
ピュータにより駆動される。aコンピュータは類似する
状況において実際の移動装置のステアリングホィールに
掛かるであろう実際の力に関するデータを受けるソフト
ウェアを走らせる。ステアリングホィール上の位置セン
サ変換器に連結するソフトウェアドライバはステアリン
グホィール位置と速度を算出し、このデータを本発明外
のモデルプロセスに送る。このモデルプロセスは次に模
擬移動装置に影響を与える条件を算出し、同様な条件下
の実際の移動装置のステアリングホィールに影響を与え
るであろう実際の力を反映するデータを出力する。この
データは力の値を計算するために用いられる。該値は今
度は模擬移動装置のステアリングホィールに連結するド
ライバアンプとモータの組合せを駆動し、実際の移動装
置のドライバが感じるであろう力をシュミレートする。
〈実施例〉 第1図に本発明の一実施例を示す。
模擬(simulated)ステアリングホィール10
は12で示す装置により機械的にモータ14に連結され
ている。好適な実施例においてはモータ14はDCブラ
シモータであり、1フィート−ポンド/アンペアのトル
ク感度を有している。
このモータは低いDC抵抗を有し、また約30ミリヘン
リのインダクタンスを有している。典型的にはモータの
最高速度は700RPMである。この好適実施例に用い
られるモータは0hio  Motor  of  B
arnardsviLle。
North  CarolinajJlのモデルNo。
B−561214x8837であるが、他の実施例にお
いては他のモータを使用することが可能である。
1またはそれ以上の位置検出トランスデユーサ16がモ
ータ14に連結されており、ライン18にモータ14の
シャフトの位置又はステアリングホィール10の位置に
関するフィードバック信号を任意の特定の時に送るよう
になっている。
モータ14は駆動アンプ20により駆動される。
この駆動アンプの目的はバス22上のデジタル入力コマ
ンドを適当なモータ瞭動電圧又は電流に変換しモータ1
4に接続するライン24に送ることにある。
バス22上のデジタル入力コマンドは単数又は複数のコ
ンピュータ26内で走るソフトウェアプロセス24から
発生する。このソフトウェアプロセス24は夫々機能の
異なる少なくとも2つのサブプロセスから構成されるm
  rdoforcewheelJと呼ばれる第1のル
ーチン28はバス30、バス32.バス34の3つのデ
ジタル人力値から計算を行いデジタルコマンドをバス2
2上に出力する。これら3つのバス上のデータは本発明
外のモデルソフトウェアプロセス36から到来する。モ
デルソフトウェアプロセス36の目的は移動装置の操作
者により操作される種々の制御器に接続されるセンサか
らのデータを模擬移動装置の動きを制御するために評価
することにある。また、そこからバス30、バス32、
バス34上のデータを含めて所定の出力データを計算す
ることにある。これらのバスはこの実施例において現実
には存在せず、かわりにバス30.バス32.バス34
上のデータがモデルソフトウェアプロセス36とプロセ
ス28の間をオーバラッピングメモリマツピング(ov
erlapping  memory  mappin
ng)により伝達される。
言い替えればモデルソフトウェアプロセス36はバス3
0、バス32、バス34上のデータを算出し、これらの
変数の電流値をメモリマツプ内の格納位置に書き込む、
該格納位置はこれらの個々の変数に専用に割り当てられ
ている。プロセス28がバス30.バス32、バス34
上のデータを必要な時は、それは単にそれらの変数に対
応した位置のメモリの内容を読むだけでよい。
バス30、バス32、バス34上のデータはシュミレー
トされるべき現実の力(real  w。
rld  fores)を表わしている。バス30上の
rforcaJデータは回転中及びオフロードの障害物
や石に当たったりした時の移動装置の車輪からステアリ
ングホィールに掛かる力の合計を表わしている。バス3
2上のrdampingJデータはステアリングホィー
ルの回転に対する抵抗を表わしている。これは実際のス
テアリングホィールが回転するときに感じられるもので
、ステアリングホィールの角速度の増加と共に増加する
ものである。バス34上のrfrictionJデータ
は移動装置が動いてない時のステアリングホィールの回
転に対する抵抗を表わしており、これはタイヤが路面を
こすることにより生ずるものである。
rwhsalposJと呼ばれる他のソフトウェアプロ
セス38はバス18上のステアリングホィール位置デー
タを受けとり、そこから各サンプリング間隔の中間にお
ける平均ステアリングホィール位置とステアリングホィ
ールの角速度を算出する。これらの2つのデータはバス
4o、バス42を介して夫々ステアリングホィール位置
と速度データとしてモデルソフトウェアプロセス36に
送られる。ここで、該データは操作者の移動装置を回転
させる速度やハードさに関係して、操作者に表示される
道路シーンの変化に対する応答を決定するのに用いられ
る。またこのデータはモデルソフトウェアプロセス36
による計算において、rforce」 rdampin
gJ  rfrictiorBに関するデータを算出す
るのに用いられる。
プロセス28には他の1の入力がある。この入力はゲー
ムソフトウェアプロセス40から来るもので、aゲーム
ソフトウェアプロセス40はドライビングゲームのルー
ルを実行する。ゲームソフトウェアプロセス40は時々
ステアリングホィールにゲームの開始時等にそうである
ようにセンタに位置するように要求する。ある実施例に
おいてはこのゲームソフトウェアプロセス40はビデオ
表示(図示せず)上に特定のシーンを表示させることも
可能である。そして、所謂アトラクトモード(attr
act  mode)においてこれらのシーンの模擬移
動装置の典型的な応答を表示しても良い、このモードに
おいて、プレーヤが実際にゲームプレイをしていなくて
もステアリングホィールを可動とし、模擬移動装置の動
きを追跡できるようにするのが望ましい。これらの操作
の伴わない動作はゲームソフトウェアプロセス40によ
りバス42上のデータをプロセス28を送ることにより
成される。
第2図にモータ14とステアリングホィール10の間の
機械的な結合の詳細を示す、第2図の実施例において、
ステアリングホィール10は直接モータシャフト48に
接続されている。またモータシャフトには50で示す安
全ロック機構が連結されている。
安全ロック機構はステアリングホィール10が時計方向
又は反時計方向に予め決められていた回数以上回転する
ことを防ぐためのものである。これは省略することも可
能である。しかし、モータ14がステアリングホィール
を高速で回転させて子供を傷つける等の危険を防止する
ことがが望ましい。
安全ロック装置はモータの喘面54にボルト止めされた
フレーム52を備えている。モータ自身はゲーム機のフ
レーム(図示せず)に固定されている。従ってフレーム
52は動かない。フレーム52には2つの開口54、開
口56が相対して設けられている(開口56は覆われて
いる)、いくつかの独立部品からなる回転部58がモー
タシャフト48上に装着されている。この回転装置はネ
ジカラー64により互いに固着された2つのアーム60
.アーム62を備えている。各アームとネジカラーはそ
こに形成された円筒孔66を有しており、この円筒孔は
モータシャフト48の円滑部68よりも若干大きな直径
を有している。カラー64の表面にはネジが形成されて
いる。2つのアーム60.アーム62とカラー64はモ
ータシャフト48上に装着されており、該円滑部68が
回転部58内に位置するようになっている。アーム60
は円筒孔66の周囲にキースロット(図示せず)を有し
ており、該円筒孔はキースロット内に装着されたキー(
図示せず)にモータシャフト48内で結合しているにれ
によりアーム60、アーム62とネジカラー64はモー
タシャフト48と共に回転する。
カラー64のネジにカプラ70がねじ込まれており、カ
プラ70はカラーとアームの回転によりカラー64のネ
ジに沿って前後方向に移動する。
カプラ7oの移動方向はモータシャフト48の回転方向
に依存する。2つのドグ72.ドグ74がカプラ7oに
固定されており、開口54、開口56を通して固定のフ
レーム52内に伸びている。
開口54.開口56はドグ72.ドグ74の回転を阻止
し、これによりカプラ70の回転が阻止される。その結
果アーム60、アーム62の回転によるカプラ70のモ
ータシャフト48の中心線に沿った直線移動が実現され
る。各アーム60、アーム62はピン76等の内面側か
ら延出するピンを有する。カプラ70とドグ72.ドグ
74は動くため、カプラ70のモータシャフト48に沿
った直線運動は結局1又は他のドグを1又は他のピンに
接続させ、アーム60.アーム62のそれ以上の動きを
防止する。カラー64上のネジはモータシャフト48の
完全な3回転によりドグ72゜ドグ74が停止位置から
停止位置まで動くようなピッチになっている。
第3図にステアリングホィール10とモータ14の機械
的な連結の他の実施例を示す、この実施例において、モ
ータ14は駆動プーリ80に連結するモータシャフト4
8を有している。駆動プーリ80は駆動ベルト82によ
り減速プーリ84に結合されており、減速プーリ84の
直径は駆動プーリ80の直径より大きくなっている。減
速プーリ84はステアリングホィール10に駆動シャフ
ト86により結合されている。2つのプーリの直径比は
モータ14が最高速度で回転している時であってもステ
アリングホィール10は若いプレーヤにとって安全な速
度で回転するような比でなければならない。
第3図の実施例では機械的停止機構を設けていない。
駆動プーリ80はモータシャフト48の位置に関する出
力データをバス90に出力する光学シャフトエンコーダ
88A、Bに接続されている。好ましい実施例において
は、光学シャフトエンコーダ88は周囲に多数の孔を有
するディスクである。
光ビームと受光器がこれらを支持する周知の直交シャフ
トエンコーディング電子装置と共に用いられており、光
ビームをディスクの孔に通過させることによりシャフト
位置を検出する。
減速プーリ84はステアリングホィール10がインデッ
クスポイントを通過した時にバス94に出力データを出
力するインデックス読取トランスデユーサ92A、Bに
連結されている。このインデックス読取トランスデユー
サ92は典型的にはインデックスポイントにおける周囲
に単一の孔を設けたディスクから構成される。光ビーム
と受光装置及び適当な周知の電子装置が用いられて、ス
テアリングホィールがインデックスポイントを通過する
時を検出する。
1方向ベルトテンシヨナ100は駆動ベルト82を張力
により所望のレベルまで締め付ける。このテンショナは
駆動ベルト82が両方向に回転するにもかかわらず、駆
動ベルト82の一側面にのみ働く、このテンショナは機
械的なダイードの形態である。幾つかのテンショナの実
施例は後述する。
第4図にステアリングホィール10とモータ14の機械
的な結合の他の実施例を示す、この実施例においては駆
動プーリ80と減速プーリ84はモータ14のインデッ
クス読取トランスデユーサ電子装W92Aとインデック
ス読取トランスデユーサディスク92B及びシャフトエ
ンコーダ電子装置88A/シヤフトエンコーダデイスク
88Bの反対側に位置している。これによりゴムのベル
トウェアからの屑やゴミがオプティカルトランスデユー
サ回路に侵入するのを防止でき、その結果動作不良の発
生を防げる0、第3図の実施例のように、減速プーリ8
4はステアリングホィール10とインデックス読取トラ
ンスデユーサディスク92Bの両方を駆動する駆動シャ
フト86を駆動する。更にモータ14は駆動プーリ80
とシャフトエンコーダディスクの両方を駆動するモータ
シャフト48を駆動する。
第5図に一方向テンショナの実施例を示す、第5図にお
いて、アイドルプーリ110は駆動ベルト82に対して
圧縮スプリング112の力により押されている。アイド
ルプーリ110は駆動ベルト82方向の動きを許容する
どのような手段によっても機械的に支持することが可能
である0例えば支持レール(図示せず)やガイドロッド
とリニアベアリング(図示せず)等が使用可能である。
アイドルプーリ110はラチェット116方向にスプリ
ング力(それ自身の)により反Z方向にバイアスされて
いる弾性ラッチ114に連結されている。ラチェット1
16はラッチ114に係合するように構成された歯を有
しており、ラッチ114を2つの歯の谷間に係合するの
に必要な範囲を除いてアイドルプーリ110のX方向の
動きを阻止する。したがって、アイドルプーリ110は
圧縮スプリング112の影響の元に反X軸に沿って一方
向にのみ動く。
一方向ベルトテンショナの他の実施例を第6図に示す、
このテンショナにおいて、アイドルプーリは回転可能に
ピボットピン124においてフレーム(図示せず)に結
合されたレバーアーム122の端部に結合されている。
アイドルホイールはフレーム(図示せず)に基部を固定
されたスプリング128により駆動ベルト82方向にバ
イアスされている。レバーアーム122はピボットピン
126により旋回可能に他のレバーアーム130に連結
されている。このレバーアーム130はピボット点13
4においてスプリングにバイアスされた回転カム132
に旋回可能に連結されている。
このカム132はスプリング(図示せず)にバイアスさ
れており、時計方向に回ろうとしている。
カム132はビン136により0字チャンネル138に
旋回可能に接続されている。
0字チャンネル138.カム132とレバーアーム13
0の関係は第7図に最もよく示されている。第7図は0
字チャンネル138の端面図であり、第6図の7−7線
矢視図である。0字チャンネル138はピボットピン1
40により回転可能にフレーム(図示せず)に装着され
ている。
動作を説明すると、スプリング128がアイドラ120
を駆動ベルト82方向にバイアスし、これによりレバー
アーム122がピボットピン126において孤142を
描く、これによりレバーアーム130を左に動かしピボ
ットピン126を左と上方向に動かす、そして、これに
よりカム132を反時計方向に回転させ0字チャンネル
138をピボットピン140を中心に反時計方向に回転
させ、レバーアーム130との平行度を保ち且つレバー
アーム130と0字チャンネル138の上腕144との
ギャップをゼロ又はほぼゼロに保つ。
この実質的にギャップゼロによりアイドラ120の駆動
ベルト82から離れる動きを阻止できる。
第8図に更にベルトテンショナの他の実施例を示す、こ
の実施例において、アイドルプーリ150は旋回可能に
ピボット154においてレバーアーム152に連結され
ている。レバーアーム152は旋回可能にピボット点1
56によりフレーム(図示せず)に装着されている。ス
プリング158はフレーム160に装着され、またレバ
ーアーム152にポイント162において装着され、ア
イドルプーリ150を駆動ベルト82方向にバイアスし
ている。固定ガイド部材161はガイド164とレバー
アーム152の間にくさび形の空間を形成するようにフ
レームに固着されている。くさび168は空間166内
をスプリング(図示せず)の影響下でスライドし、くさ
び168をバイアスして反X方向に動かす。駆動ベルト
82が緩むと、スプリング158はアイドルプーリ15
0に駆動ベルト82方向に力を加え、これによりレバー
アーム152とガイド164間の角度を増加する。孤の
角度が増加すると、くさび168は更に反X方向に動き
、角度が再び減じるのを防止する。このようにアイドル
プーリ150は2方向にのみベルトに対して可動で、ベ
ルトを締めてベルトが決して緩まないようにする。
第9図に第1図の駆動アンプ20のブロック図を示す。
この駆動アンプはソフトウェアドライバからステアリン
グホィールへのバス22上のデータを受け取る。該デー
タはステアリングホィールへ供給する力の程度を示して
いる。このデータは第9図に示される回路により所望す
る力の量がステアリングホィール10に供給されるよう
にモータ14を駆動するに適した信号に変換される。ア
ンプ20はパワーコンディショナ及びRFインターフェ
ース抑制回路180を用いており1周辺のビデオ回路を
邪魔する可能性のあるパワーサプライから発生するノイ
ズを抑制する。
入力する所望のカデータはバス22がデータを本発明外
の他の回路に自由に伝送できるようにバッファ182で
バッファされる。このバッファからのデータはバス18
4を経由してバス22,184上のサージから回路を守
るための光学アイソレータ186を通って伝達される。
そして、該データはラッチ190にラッチされる。
容量形エネルギ蓄積回路192はラッチ190と協働し
てソフトウェアドライバの故障の際にステアリングホィ
ール10に供給される力を減少させる。これは、バス1
94上をクロックパルスの形で到来するエネルギを蓄積
することにより行われる。このバス194上のクロック
信号は第1図に示すrdoforcewheelJプロ
セス28により発生され、もしソフトウェアrクラッシ
ュ」が生じたときにはクロックパルスはもはやバス19
4上に存在しないようになっている。クロックパルスが
バス194上に到来する限り容量形エネルギ蓄積回路1
92はクロックパルスから十分なエネルギを蓄積し、0
MO8のラッチ190のクリア入力に接続されたライン
196を論理1に維持する。クリア人力はアクティブロ
ーであり、ローに駆動されるとその出力バス198を全
て論理Oとする。もしソフトウェア[クラッシュノがあ
ると、即ち第1図のrdoforcewheel」プロ
セス28がもはや有効なデータをバス22に供給しない
場合、バス194上のクロックパルスは到来を停止する
。この場合容斌形エネルギ蓄積回路192のエネルギ漏
れ路はライン196に連結するキャパシタから十分なエ
ネルギを漏出し、ライン196の電圧を下げて論理Oレ
ベルとし、これによりラッチ190をクリアして力レベ
ルをゼロに落とす。
バス198上のカデータはデータをアナログ電圧に変換
してライン202に送るD/A変換器200に連結され
ている。この電圧はオペアンプ204の1の入力に供給
される。オペアンプ204はライン202の電圧とライ
ン206にパワーコンディショナ180から供給される
基準電圧の差を増幅する。ノード208における出力電
圧は抵抗212とゼナーダイオード214を介してデユ
ーティサイクルパルス幅変1[210の入力に供給され
る。デユーティサイクルパルス幅変調器210はまたラ
イン206上の基準電圧とライン216上の方向制御信
号を受け取る。方向制御信号はラッチ190の出力デー
タの1ビツトである。
デユーティサイクルパルス幅変調器210はライン21
8上の力信号とライン216の方向信号をモータ駆動直
列パルス信号に変換し、「駆動偶数J出カライン220
と「駆動奇数」出力ライン222の両方に出力する。パ
ルス幅は所望する力の量を反映しており、ライン216
上の方向信号はパルスがライン220と222のどちら
に現われるかを決定する。
出力ライン220と222はデイレイインターロック回
路230と232及びライン234.235.236.
237を通してモータ制御スイッチ224.225,2
26及び227に接続されている。デユーティサイクル
パルス幅変調器21Oは出力ライン220と222を駆
動して、モータ214が一方向に駆動される時、スイッ
チ226と225が閉じ、スイッチ224と227が開
くようにする。スイッチ226と225は、典型的には
次にライン218に呪われる力信号に対してデユーティ
サイクルパルス幅変調器210で規定されるデユーティ
サイクルで閉じられる。これにより、モータ214によ
るトルクの合計が調整される。モータが反対方向に駆動
されるときは、スイッチ224と227は適当なデユー
ティサイクルで閉じ、スイッチ226と225は開く、
スイッチ224と226はPチャンネルのFETであり
、スイッチ227と225はNチャンネルのFETであ
る。デイレイインターロック回路230と232は出力
ライン220と222の信号を適当な電圧に変換し、前
記FETスイッチ224乃至227をこれらのゲート電
極に接続するライン234乃至237を介して操作し、
安全な遅延を課す。これらの安全遅延はスイッチ224
と225及びスイッチ226と227が決して同時に閉
じないことを保証する。スイッチ224乃至227は正
のレール(rail)240がらの電力をモータからグ
ランド242を通して所定の方向にガイドし、これによ
りモータ14を適当な方向に回転させようとする、即ち
ステアリングホィール10を適当な方向に回転させよう
とする。
第10A図と第10B図にrwhaalpos」ソフト
ウェアドライバルーチンのC言語における高レベル言語
の記述を示す、この実施例ではC言語を用いているが5
本発明はこれに限定されるものではなく、どの様なプロ
グラム言語あるいはデジタルロジック(回路)でも第1
0A図及び第10B図に記載した機能と数学を実行する
ものであれば本発明の実現という目的を満たすことが出
来る。この第10A図と第10B図に示したソフトウェ
アドライバルーチンの目的は第1図のライン18上のス
テアリングホィール位置センサがらのステアリングホィ
ールの位置データを読み取り、計算を実行してステアリ
ングホィール位置と速度を出力しモデルソフトウェアプ
ロセス36の用に供することにある。
第10A図の12行のコードはステアリングホィール位
置データを標準化し、センタ位置からのステアリングホ
ィール位置を確立するように機能する。変化するrwh
eelcenter」は−度サブルーチン(図示せず)
で計算される。これによりモータ14を駆動し、ステア
リングホィールを各停止点へ動かし、各停止点でステア
リングホィール位置センサを読み取り、そしてrwhe
elcentarJ値をこれらの2つの読みの中間点と
して計算する。これはパワアップタイム(poweru
p  time)に−度行われる・好適な実施例におい
ては安全のために2つのA/D変換器が位置センサに連
結され、一方のA/D変換器に故障があってもステアリ
ングホィール位置が常に検出されるよう保証している。
1のA/D変換器は8ビツトの変換器であり、他の1は
12ビツトの変換器である。12行のコードは12ビツ
トの位置データを使用して、そこからrWheelce
nterJ値を引いている。
13行のコードはステアリングホィール位置データをス
ケールしてプラスマイナス2047間の値を得る。
14行のコードはステアリングホィール位置の変化に基
づく生のステアリングホィール速度を算出する。これは
先に第10A図と第10B図のrwhθalposJル
ーチンが実行されたためである(これは一定の間隔で実
行される)、14行のコードはまたローパスフィルタの
機能をデジタル的に実行する。この計算の出力値はrr
aWswvelJ変数であり、第1図のバス42上のデ
ータとしてモデルソフトウェアプロセス36へ出力され
る。
18行乃至28行のコードは現実の移動装置のステアリ
ングホィール機構における機械的な遊び(p l a 
y)又はスリップページ(slip  page)の設
定をデジタル的に実行する。フィジカルモデルを第11
図に示す、実際のステアリングホィール位置はブロック
280の位置で代表されている。操縦された車輪(st
esredwheelg)位置はブロック282の位置
で示されている。ブロック280と282のエツジ間の
距離は上記コードによりデジタル的に模擬される遊びで
ある。第11図のモデルはブロック280と282の距
離が移動し、ブロック280がブロック282と合致し
た後で、ステアリングホィールのブロック280がどの
様に車輪ブロック282を動かすかということを示そう
とするものである。更にブロック282が遊びの間を動
く時、操縦された車輪はステアリングホィールを動かし
得る。18行から28行において、使用されている重要
な値は、定数rpiay」 ;ブロック282の実際の
位置rplaypos」 ;及びブロック280と28
2間の実際の距離rdiff」、である、25行乃至2
8行のコードは定数rplay」の値が変数rdiff
Jの値より小さい場合。
ブロック180上の値からの合計に基づいてブロック2
82を動かす。
29行のコードは異なる周波数応答とシステムの応答を
円滑にするローパスフィルタリングのための異なるスケ
ーリングファクタと共にステアリングホィール速度を計
算する。最後に34行のコードはrplaypos」又
は操縦される車輪の位置に対する新しい値を第1図のモ
デルプロセス36に戻す。
第12A図と第12B図に第1図のバス22上の所望す
るカデータを計算するrdoforcawheθ1」プ
ロセス28の高レベル言語を示す。
第12A図と第12B図のコードはC言語により表現さ
れているが1本発明はこれに限定されるものではなく、
他のどのようなプログラム言語あるいはデジタルロジッ
クでも、それらが第12A図と第12B図に示された論
理と数学を実現するものであれば1本発明を実現するに
十分である。
第12A図の13行のコードは、第12A図と第12I
3図のdoforcewheelルーチン(時間割込み
実行ルーチン)が実行された時の4ミリ秒間のステアリ
ングホィールの平均位置を計算する。この計算はステア
リングホィール速度に4ミリ秒インターバルを掛けて2
で割った量を該インターバルのスタート点におけるステ
アリングホィール位置に加えて実行される。
安全機構は14行のコードにより実現される。
この機構は第1図のモデルソフトウェアプロセス36か
らのデータが更新される間にrd o f o rce
WhselJのルーチンの回数のインテーラブトカウン
トがなされた場合ステアリングホィールトルクをOに設
定する。従って、もしモデルプロセスがrcrashe
d」をそこに有すれば。
もはやバス30.32.34上のデータの更新は行われ
ず、第1図のrd o fo rcewhes IJプ
ロセス28はステアリングホィールトルク変数をOに設
定し、第1図のバス22上のデータをステアリングホィ
ール10がモータ14により駆動されないように制御す
る。
第1図のモデルソフトウェアプロセス36は通常はバス
30.32.34のデータを25ミリ秒毎に更新する。
これによりrgrainyJ−即ち車輪及び路面に関係
する動きからステアリングホィール10上に供給される
力における非連続的な感触を生じさせることができる。
この’grainyJを取り除くために、ローパスフィ
ルタのステップが15行のコードにより実現される。
16行のコードは第1図のバス30のカデータ又は入力
トルクを最大4096から最小512まで3位置(pl
ace)の右シフトによりスケールする。
次にバス30上のモデルソフトウェアプロセス36から
のトルク又は力は第12A図の18.19行のコードに
よりクリップされて所定の安全範囲に納まる。
ステアリングシステムに付与される力の総量に基づいて
ステアリングホィール及び車輪をどの程度動かすか計算
するために、車輪の擦れによりステアリングシステムに
掛かる摩擦力とステアリングホィールの反力と摩擦によ
りステアリングホィールに掛かるトルクとを計算する必
要がある。この計算は第13図に示すモデルに基づいて
いる。
このモデルにおいて、スプリング300は表面304上
のブロック302と力が加えられるノード306の間に
設けられている。力はスプリング300を延ばし、スプ
リング300は所定の力をブロック302に付与する。
ブロック302に与えるスプリングの力はスプリングの
伸び量とスプリング定数に依存する。ノード306上の
力がスプリングを十分に延ばして、スプリングによるブ
ロック302への力がブロックの動きに抵抗しようとす
る摩擦力に十分に達すると、ブロック302は動く。
ブロック302の動きに抵抗しようとする摩擦力は第1
図のモデルソフトウェアプロセス36からのバス34上
の摩擦データである。実際の移動装置のようにドライバ
がステアリングホィールを回転させるとき、ステアリン
グホィールと車輪の動きはタイヤが路面を擦ることによ
る摩擦により又タイヤ内の弾性のゴムにより抵抗を受け
る。ステアリングホィールによりタイヤ上に加えられる
力が摩擦力に打ち勝つのに十分なとき、車輪は動きそし
てスプリングは、スプリング定数及び伸びたスプリング
による力が動きに抵抗する摩擦力まであるいはそれ以下
に落ちるまで、runstretchJとなる。21行
のコードはどの程度スプリングが伸びるか(adjsw
pos−swfrblk)又スプリング定数(swfr
k)及びスケーリングファクタ(10x l O)に基
づいてステアリングホィールに加わるトルクを計算する
摩擦に起因するステアリングホィールトルクの計算後、
スプリング300の新しい伸び状態があった場合ブロッ
ク302が動くべきか否かを決定するために第12A図
の22乃至24行のコードが用いられる。即ち、摩擦力
によりステアリングホィールに掛かるトルクはブロック
302にかかる摩擦力と比較される。もしステアリング
ホィールに掛かる摩擦力が動きに抵抗する摩擦力より大
きければ、ブロック302は動き、スプリング300の
伸び状態がブロック302の動きに抵抗する摩擦力と等
しくなる力を生じさせてブロック302に掛ける位置ま
で動く、これは24行のコードに示されている通りであ
る。23行のコードはステアリングホィールに掛かる摩
擦力がブロック302の動きに抗するM抗力より大きい
時に実行される。そして、ステアリングホィールに掛か
るトルクを摩擦に起因するブロック302の動きに抵抗
しようとする力に等しくなるように設定する。
23.24行のコードは22行の条件が真である場合に
実行される。しかし、22行の条件が真でない場合には
、25行のコードのテストが実行され、ここではステア
リングホィールに掛かる摩擦トルクがブロック302に
掛かる摩擦による力の反力に対してテストされる。26
と27行のコードは23.24行のコードに対する反対
方向の動きのためのアナログ的な動作である。
第12A図の29.30行のコードは現在のステアリン
グホィール位置と第1図のゲームプロセス40からのバ
ス42上のデータにより決められた希望するステアリン
グホィール位置とを比較する。ステアリングホィールが
希望する位置にない場合、サーボトルクが計算され、ス
テアリングホィールが正しい位置に勘かされる。
44行乃至49行のコードは他の安全策を実行するもの
であり、ステアリングホィールが安全を越えて速く動か
ないことを保証するためのものである。このコードはス
テアリングホィール位置を8インタラブド毎にチエツク
し、ステアリングホィール位置が所定量以上変化したか
否か判断する。
もし所定量以上変化していたら、ステアリングホィール
の動きは速すぎると推定して、rforaaoffJ変
数の値をゼロに設定する。この値は後に第1図の駆動ア
ンプ20に対する駆動電圧を停止して、ステアリングホ
ィール10に対するトルクを停止するのに用いられる。
54乃至56行のコードは他の安全策を実行する。この
コードは8ビツトのA/D変換器の出力により指示され
、12ビツトA/D変換器の出力により示されたステア
リングホィール位置と比較されたステアリングホィール
位置をチエツクする。
2つの位置の指示が一致しない場合はシステムに何等か
の故障があるから、rforceoffJ変数の値をス
テアリングホィールに掛かるトルクのレベルが危険なほ
ど高くならないことを保証できるレベルに設定する。
他の安全チエツクは59.60行のコードにより実現さ
れる。このコードは12ビツトA/D変換器の出力に基
づき第10A図と第10B図に示されるステアリングホ
ィール位置ソフトウェアルーチン内で実行されるステア
リングホィール速度計算を所定の安全限界に対してチエ
ツクする。ステアリングホィール速度が該安全限界を越
えている場合、あるいはrfocθoffJ変数の値が
rforceoffJ フラグがセットされるようなも
のである場合、ステアリングホィール力はゼロにセット
され怪我などの危険が生じないことを保証する。61乃
至63行のコードは渦電流力を低い値にセットし1手動
で回転された場合ステアリングホィールが自然な渦電流
抗力のない方向に自由に回転しないようにする。即ち、
駆動アンプの回路はモータが一方向に回転している時は
モータの自然渦電流抗力があり、一方モータが反対方向
に回転するときは自然渦電流抗力があるようになってい
る。61行乃至63行のコードはこの渦電流抗力を人為
的に設定し、一方向の自然の渦電流抗力が人為的な渦電
流抗力と一致するようにする。これによりステアリング
ホィールのより自然に近い感触が得られる。
最後に67行と68行のコードはステアリングホィール
速度計算を設定する。このデータは前記した安全条件が
真でない時の通常の動作モードにおける第1図のバス2
2上の出力である。ステアリングホィール力はステアリ
ングホィールのトルクの合計として計算される。該トル
クは摩擦に第11のバス42上のゲーム入力データから
計算されたサーボトルクを加え、更にダンピング(da
mping))−ルクを加えて算出される。このダンピ
ングトルクはステアリングホィール速度とステアリング
ホィールダンピング係数とスケーリングファクタを掛け
たものに基づいて算出される。
第14図は第12A図と第12B図のソフトウェアルー
チンにおいて計算された力の数(forCe  num
ber)を調べ、これを第1図のバス22上に出力して
駆動アンプ20に送るソフトウェアルーチンを示すもの
である。力の数を出力するに先だって、力の数は定数r
sWFMAXJとr−8WFMAXJにより規定される
安全限界内にクリップされる。次に好適な実施例におい
ては、力の数は操作者が設定したシート位置に応じてス
ケーリングされる。アーケードゲームの好適な実施例に
おいては、スライドシートがドライバのために用いられ
る。ドライバはシート位置を模擬コントロール装置の操
作が最も行い易い位置に設定する。このシート位置は第
1図のバス23上のデータに代表されるデータを発生す
るセンサ図示せず)により検出される。説明のために、
第13図のルーチンが象徴的に第1図のソフトウェアド
ライバルーチンの一部になっている。小さなドライバは
シートを模擬コントロール装置に近付けるため、シート
位置が小さなドライバがゲームを行うことを示している
場合にはステアリングホィール力はスケールされて小さ
な値にされる。第13図のコードはまたアーケードオペ
レータに独立的な入力(図示せず)によりステアリング
ホィールに掛かる力をスケールさせる。最後に、第14
図のソフトウェアルーチンはクリップされた出力と、ス
ケールされた力の数を第1図のバス22上のデータとし
て出力する。
第15A図と第15B図は、変数rwhselcent
arJとrwhaalscalslの値を設定するイニ
シャライゼーションコードの高レベル言語記載を示すも
のである。これら2つの変数は第1図の38で示される
rwhealpos」ルーチンにおいて用いられる。第
15A図と第15B図のソフトウェアはソフトウェアド
ライバルーチンに対する限界を設定する。
第16図はrdo−seatJと呼ばれるルーチンの高
レベル言語記載を示すものである。このルーチンはシー
ト位置に応じて変化する力を減じて、オペレータが予め
決められた量よりも大きくシートを後ろに動かすとシー
トをアンロックする。
この発明は上記した好適な種々の実施例に基づいて記載
されたが、この技術分野の当業者であれば、他の多くの
変形例を容易に製作することが可能であることが理解で
きる。ここで教示する範囲と精神から離脱しない全ての
変形例は本願の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すハードウェアとソフト
ウェアのブロック図、第2図はステアリングホィールと
モータと緊急停止機構の機械的構造を示す分解組立図、
第3図は安全停止装置の、ないモータ駆動装置とステア
リングホィールの他の実施例のブロック図、第4図はス
テアリングホィールと安全停止装置のないモータ駆動装
置の更に他の実施例を示すブロック図、第S図は第3図
と第4図の実施例におけるベルトテンションのコントロ
ールに用いられるメカニカルダイオードの一種の概略図
、第6図は第3図と第4図の実施例におけるベルトテン
ションのコントロールに用いられるメカニカルダイオー
ドの他の実施例の概略図。 第7図は第6図の実施例におけるチャンネルの断面図、
第8図は第3図と第4図の実施例におけるベルトテンシ
ョンのコントロールに使用される他のメカニカルダイオ
ードの概略図、第9図は本発明によるモータ駆動アンプ
のブロック図、第10A図と第10B図はステアリング
ホィール位置と速度を位置センサからのデータにより計
算するソフトウェアドライバルーチンのC言語における
高レベル言語の記載、第11図は第10A図と第10B
図のコードにおいてデジタル的に実行されるステアリン
グホィールの動作の概念を示すモデルの抽象的な概念図
、第12A@は第12B図はソフトウェアドライバルー
チンのC言語における高レベル言語の記載であり、該ル
ーチンはステアリングホィール上に現在の操作条件で掛
かることになっている力を規定するモデルプロセスから
の入力データを受け、そしてモータ駆動アンプに出力さ
れるデジタル値を算出し実際のリアルな力をシュミレー
トする。第13図は第12A図と@12B図のソフトウ
ェアによりデジタル的に実行される摩擦力を説明するた
めの模式図、第14図はステアリングホィールモータに
より掛かる力のコントロールにおいて種々の限界を設定
するために用いられるルーチンの高レベル言語の記載、
第15A図と第15B図は初期値を設定しステアリング
ホィール駆動モータをコントロールする際に変化して用
いられるホイールセンタを計算するための初期化ルーチ
ン、第16図はプレーする際に安全のためにプレーヤに
よりセットされるプレーヤの座るシートに対する位置に
従ってステアリングホィールに供給される力を針側する
ルーチンである。 10ニステアリングホィール、12:装置、14:モー
タ、16:位置検出トランスデユーサ、18:バス、2
0:駆動アンプ、22:バス、24:ソフトウェアプロ
セス、26:コンピュータ。 28:プロセス、30:バス、32:バス、34:バス
%36:モデルソフトウエアプロセス、38:ソフトウ
ェアプロセス、40:ゲームソフトウエアプロセス、4
2:バス、48:モータシャフト、5o:安全ロック機
構、52:フレーム、54:開口、56:開口、58:
回転部、60:アーム、62:アーム、64:ネジカラ
ー、66二円筒孔、68二円滑部、70:カプラ、72
:ドグ、74:ドグ、76:ピン、8o:駆動プーリ、
82:駆動ベルト、84:減速プーリ、86:駆動シャ
フト、88:光学シャフトエンコーダ。 92:インデックス読取トランスデユーサ、94:バス
、100:テンショナ、110:アイドルプーリ、11
2:圧縮スプリング、114:ラッチ・ 116:ラチ
ェット、120:アイドラ、122ニレバーアーム、1
24:ピボットビン、126:ピボットピン、128ニ
スプリング、130ニレバーアーム、132:カム、1
34:ピボット点、136:ビン、138:U字チャン
ネル。 140:ビボットピン、142:弧、144:U字チャ
ンネル上アーム、150:アイドルプーリ。 152ニレバーアーム、154ニピボット、156:ピ
ボツト点、158ニスプリング、160:フレーム、1
61:固定ガイド部材、162:ポイント、164ニガ
イド、166:空間、168:くさび。 FIG、 3 FIG、5 FIG、ア が7 1ψtS  ωΦ 0− へn 寸い リ トのφ0+
  へ0寸 哨ψトωω 0− へ n −い0 トω
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!5A 手続補正書(酔) 1.事件の表示 平成2年特許願第3279号 2、発明に名称 実際の力のフィードバックを伴うビデオシュミレータ用
のステアリングホィール等のコントロール装置。 3、補正をする者 事件との関係  特許出願人 住 所 アメリカ合衆国、 95035  カリフォル
ニアミルピタス、サイカモア ドライブ 675アタリ
 ゲームズ コーポレーション デニス ウッド アメリカ合衆国 名称 代表者 【川 籍 4、代理人 〒10:3東京都中央区日本橋小舟町4番1号図 面 6、補正の内容

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)実際の移動装置の操縦装置において感じられる力を
    シュミレートする装置であって: シュミレート移動装置の操作者に操作される該シュミレ
    ート移動装置の操縦装置と; 該操縦装置に連結され該操縦装置を予め決められたトル
    ク量で駆動する電動モータ手段と;前記操縦装置に付与
    される力の量を表すデジタル信号に応じて前記電動モー
    タを駆動するためのアンプ手段と; 前記操縦装置に連結され前記操縦装置の即時位置を検出
    するセンサ手段と; 前記アンプ手段とセンサ手段とに連結し、前記操縦装置
    の動きの速度と位置を算出し、該データを出力し、実際
    の移動装置を操縦している場合に操縦装置に掛かるであ
    ろう力に関するデータを入力し、該データから前記アン
    プ手段への駆動信号を算出し、該算出値を出力して実際
    の操縦装置において感じられるであろう実際の力をシュ
    ミレートする該操縦装置において感じられるように前記
    アンプ手段に前記モータ手段を駆動させるコンピュータ
    手段と; を備えた装置。 2)前記コンピュータ手段が、前記シュミレート移動装
    置の操縦された部分に影響を与えるシュミレート条件に
    起因し、前記操縦装置に掛かる力を規定する計算データ
    を入力し且つ使用するための手段を備えた、 請求項第1項の装置。 3)前記コンピュータ手段が、前記操縦装置に掛り実際
    の移動装置において実際の操縦装置の動きに抗し又前記
    操縦装置がそれと共に動く速度に比例するダンピング力
    をシュミレートするダンピング力を規定する計算データ
    を入力し且つ使用するための手段を備えた、 請求項第2項の装置。 4)前記コンピュータ手段が、実際の移動装置における
    操縦機構の種々の要素の摩擦に起因し実際の操縦装置の
    動きに抵抗する摩擦力を規定する計算データを入力し且
    つ使用するための手段を備えた、 請求項第3項の装置。 5)前記操縦装置がステアリングホィールであり、前記
    シュミレート移動装置が車輌であり、前記摩擦を表わす
    データがステアリングホィールが回転する際の車輪との
    路面上の擦りの摩擦を表わす、 請求項第5項の装置。 6)実際の移動装置の実際の操縦装置の感触をシュミレ
    ート移動装置においてシュミレートする装置であって; シュミレート移動装置のための操縦装置と;電気的に該
    操縦装置を駆動し入力信号に応じてそれに力を付与する
    ための手段と; 前記操縦装置と前記電気的に駆動するための手段に連結
    され、前記操縦装置の動きの速度と位置を算出し、該位
    置及び速度データを出力し、近似条件のもとで実際の操
    縦装置に掛かるであろう力に関する入力データを受け取
    り、該入力データから出力信号を出力し、この出力信号
    を前記電気的に駆動するための手段に送出して該電気的
    に前記操縦装置を駆動するための手段に実際の操縦装置
    において感じられるであろう力をシュミレートする力を
    前記操縦装置において生じさせるための計算手段と; を備えた装置。 7)電気的に駆動するための手段が電動モータである請
    求項第6項の装置。 8)前記計算手段が、実際の移動装置における操縦され
    る装置に掛かる力に起因し前記操縦装置において感じら
    れであろう力を計算し、そして該計算した力を前記出力
    信号を発生するために用いるための手段、 を備えた請求項第7項の装置。 9)前記計算手段が、実際の移動装置における操縦され
    る装置の上に掛かる摩擦力に起因し前記操縦装置におい
    て感じられるであろう力を計算し、前記出力信号を発生
    する際にこれらの力を操縦される装置の上に掛かる力に
    起因し且つ操縦装置に掛かる力に加える手段、 を備えた請求項第8項の装置。 10)前記計算手段が; 実際の移動装置の操縦システムのダンピング動作に起因
    し、前記操縦装置の動きの速度に比例して前記操縦装置
    の動きに抵抗しようとし、実際の移動装置における前記
    操縦装置において感じられるであろう力を計算し、 前記出力信号を発生するに際してこの力を、摩擦力と操
    縦される装置の上に掛かる力に起因し且つ操縦装置の上
    に掛かる力とに加える手段、を備えた請求項第9項の装
    置。
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