KR20190096659A - 인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 시뮬레이터 운전 시 발생하는 시점에 의한 멀미와 괴리감을 개선하기 위해 차량 운전자를 모사하는 인체 모델을 개발하고, 모델링은 신체의 머리, 목, 허리, 하체를 질량, 스프링 그리고 댐퍼 시스템으로 가정하여 수학적으로 표현하며, 차량 동역학 모델의 결과인 가속도를 입력으로 인체 모델의 시점 좌표를 실시간으로 출력하도록 한 인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은 운전자(14)로부터 눌려지는 압력에 따른 악셀페달변위값을 출력하는 악셀페달(11)과, 운전자(14)로부터 눌려지는 압력에 따른 브레이크페달변위값을 출력하는 브레이크페달(12)과, 운전자(14)로부터 회동되는 각도에 따른 회전각도값을 출력하는 스티어링휠(13); 상기 악셀페달(11)로부터 전달된 악셀페달변위값과 상기 브레이크페달(12)로부터 전달된 브레이크페달변위값과 상기 스티어링휠(13)로부터 전달된 회전각도값과 로드데이터맵모듈(17)로부터 전달된 지면의 상태 정보를 통해 차량의 거동 특성을 계산하고, 실시간으로 해석하여 비주얼환경모듈(16)로 목표 차량의 위치와 자세를 전달하고 실시간으로 업데이트하는 자동차 동역학 모듈(15)과 운전자(14) 신체의 머리, 목, 허리, 하체를 질량, 스프링 그리고 댐퍼 시스템으로 가정하여 수학적으로 표현하고, 차량 동역학 모델의 결과인 가속도를 입력으로 인체의 시점 좌표를 실시간으로 출력하는 인체모델모듈(18)을 포함하여, 상기 인체모델모듈(18)은 현실과 동일한 운전자 시점을 생성하기 위해서 차량의 가속도 값을 입력으로 하는 인체 모델링을 통해 차량 좌표와 상대적인 관계를 가지는 운전자 시점 좌표를 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성 시스템{Vehicle Driver Point Creation System Using Human Body Model}

본 발명은 인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 차량 시뮬레이터 운전 시 발생하는 시점에 의한 멀미와 괴리감을 개선하기 위해 차량 운전자를 모사하는 인체 모델을 개발하고, 모델링은 신체의 머리, 목, 허리, 하체를 질량, 스프링 그리고 댐퍼 시스템으로 가정하여 수학적으로 표현하며, 차량 동역학 모델의 결과인 가속도를 입력으로 인체 모델의 시점 좌표를 실시간으로 출력하도록 한 인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성 시스템에 관한 것이다.

본 발명이 속하는 기술분야의 종래기술을 살펴보도록 한다.

1)공개번호 10-2017-0127871(차량 시뮬레이터 및 그 제어방법)호에 따르면, "차량 시뮬레이터는, 운전자의 스티어링 휠, 브레이크, 가속 페달 조작에 따른 차량 조작값을 검출하는 운전자 입력부와, 운전자 입력부가 검출한 차량 조작값에 따라 차량의 운동을 수학적인 운동방정식을 통해 시뮬레이션하는 동역학 연산부와, 지형데이터 편집 프로그램을 이용하여 폴리곤 데이터로 생성된 지형 데이터를 높이 맵으로 변환하여 동역학 연산부에 제공하는 지형데이터 편집부와, 폴리곤 데이터로 생성된 지형데이터를 저장하고 동역학 연산부와 통신하면서 지형데이터에 따른 영상을 생성 및 처리하는 그래픽영상 처리부와, 그래픽영상 처리부에서 생성 및 처리된 영상을 표시하는 디스플레이부를 포함한다."라고 개시된 바가 있다.

2)등록번호 10-1747778(전동 차량 교육용 시뮬레이터)호에 따르면, "전동 차량 교육용 시뮬레이터는 교육용 차량이 위치하는 플랫폼(10); 상기 플랫폼(10)의 일측에 인접한 상태로 배치되는 경사 플레이트(20); 상기 플랫폼(10) 상에 회전 가능하게 배치되는 롤러 모듈(30); 상기 플랫폼(10)의 상하 이동을 가능하게 하는 승강 액츄에이터(40); 상기 승강 액츄에이터(40)와 진입 방지 플레이트(50)에 전기적으로 연결되는 제어부(70); 및 상기 플랫폼(10)의 전후방에 배치되는 스크린부(91,96);을 포함하며, 상기 롤러 모듈(30)은, 상기 플랫폼(10) 상면 일측에 배치되는 전방 롤러부(31) 및 상기 플랫폼(10) 상면 타측에 배치되는 후방 롤러부(36)를 포함하며, 상기 전방 롤러부(31) 및 후방 롤러부(36)는 각각 한쌍의 롤러 부재들로 이루어지고, 상기 플랫폼(10)의 롤러 모듈(30) 상에 교육용 차량의 차륜이 위치한 상태에서 운전 교육을 실시하는 경우에, 상기 제어부(70)는 상기 롤러 모듈(30)에 선택적으로 제동을 가한다."라고 개시된 바가 있다.

3)등록번호 10-1638087(차량 브레이크의 페달 시뮬레이터)호에 따르면, "차량 브레이크의 페달 시뮬레이터는, 브레이크 페달이 설치된 마스터 실린더의 내압이 내부로 전달되는 하우징과, 상기 하우징 내에 상하로 이동 가능하게 설치되며, 내부로 전달되는 내압에 의해 하부로 이동되는 피스톤과, 상기 피스톤의 하단을 탄성 지지하며, 상기 피스톤이 하부로 이동시 압축되어 반발력을 작용시키는 제1댐퍼와, 상기 제1댐퍼의 하단을 지지하는 상태에서 상하로 이동가능하게 설치되며, 상기 제1댐퍼가 하강시 하부로 이동되는 서포트와, 상기 서포트의 하단을 탄성 지지하며, 상기 서포트가 하부로 이동시 압축되면서 반발력을 작용시키는 제2댐퍼 및, 상기 서포트의 하단 테두리 부위를 탄성 지지하며, 상기 서포트가 하부로 이동시 상기 제2댐퍼와 함께 압축되어 반발력을 작용시키는 탄성부재를 포함한다."라고 개시된 바가 있다.

4)등록번호 10-1405209(차량용 브레이크 페달 시뮬레이터)호에 따르면, "차량용 브레이크 페달 시뮬레이터는 스트로크별 브레이크 페달에 작용하는 답력의 변화를 구현하기 위한 것으로, 프레임 일측에 일단이 힌지 연결되고, 선단에는 패드가 장착되는 페달 암과, 프레임과 페달 암 사이에 복수개의 링크가 상호 연결되어 링크 작동하는 링크수단 및 링크수단에 구성되어 페달 암에 작용하는 답력에 의한 스트로크에 따라 페달 암에 탄성력에 의한 반력을 형성하는 탄성부재를 포함한다."라고 개시된 바가 있다.

1)공개번호 10-2017-0127871(차량 시뮬레이터 및 그 제어방법) 2)등록번호 10-1747778(전동 차량 교육용 시뮬레이터) 3)등록번호 10-1638087(차량 브레이크의 페달 시뮬레이터) 4)등록번호 10-1405209(차량용 브레이크 페달 시뮬레이터)

시뮬레이터는 20세기 초반부터 성장하여, 근래에는 입/출력 장치를 통한 환경 모사와 물리 엔진을 통한 현상 모사를 기반으로 하여 다양한 분야에서 적용되고 있다. 특히 차량 시뮬레이터는 차량의 거동을 수학적으로 표현한 동역학 모델(물리 엔진)을 실시간 해석하고 그 결과를 그래픽 환경(출력 장치)의 목표 차량에 적용하여 운전자 입력(입력 장치)에 따른 차량의 움직임을 모사한다.

일반적으로 차량 시뮬레이터 운전자의 시점은 차량에 고정되어 있는 그래픽 환경의 가상 카메라에 의해 표현 되지만, 실제 차량 운전자의 시점은 차량 거동에 따른 인체의 상대 움직임을 통해 발생된다.

따라서 실제 차량의 거동을 동일하게 나타내는 동역학 모델이라도 실제 차량 운전자의 시점을 나타내지 못하기 때문에 차량 시뮬레이터 운전 시 현실감이 떨어지고 멀미가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 차량 시뮬레이터 운전 시 발생하는 시점에 의한 멀미/괴리감을 개선하기 위해 차량 운전자를 모사하는 인체 모델을 개발하고, 모델링은 신체의 머리, 목, 허리, 하체를 질량, 스프링 그리고 댐퍼 시스템으로 가정하여 수학적으로 표현하며, 차량 동역학 모델의 결과인 가속도를 입력으로 인체의 시점 좌표를 실시간으로 출력하도록 한 인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 구현하기 위한 본 발명은 운전자(14)로부터 눌려지는 압력에 따른 악셀페달변위값을 출력하는 악셀페달(11)과, 운전자(14)로부터 눌려지는 압력에 따른 브레이크페달변위값을 출력하는 브레이크페달(12)과, 운전자(14)로부터 회동되는 각도에 따른 회전각도값을 출력하는 스티어링휠(13); 상기 악셀페달(11)로부터 전달된 악셀페달변위값과 상기 브레이크페달(12)로부터 전달된 브레이크페달변위값과 상기 스티어링휠(13)로부터 전달된 회전각도값과 로드데이터맵모듈(17)로부터 전달된 지면의 상태 정보를 통해 차량의 거동 특성을 계산하고, 실시간으로 해석하여 비주얼환경모듈(16)로 목표 차량의 위치와 자세를 전달하고 실시간으로 업데이트하는 자동차 동역학 모듈(15)을 포함하는 인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성 시스템이다.

본 발명의 주요 특징을 살펴보면, 운전자(14) 신체의 머리, 목, 허리, 하체를 질량, 스프링 그리고 댐퍼 시스템으로 가정하여 수학적으로 표현하고, 차량 동역학 모델의 결과인 가속도를 입력으로 인체의 시점 좌표를 실시간으로 출력하는 인체모델모듈(18)을 포함하고, 상기 인체모델모듈(18)은 현실과 동일한 운전자 시점을 생성하기 위해서 차량의 가속도 값을 입력으로 하는 인체 모델링을 통해 차량 좌표와 상대적인 관계를 가지는 운전자 시점 좌표를 생성하는 것이다.

실시예에서, 상기 인체의 시점좌표는 상기 비주얼환경(16)에서 상기 운전자(14)에게 제공되는 그래픽화면에 적용되는 것이다.

실시예에서, 상기 인체모듈모듈(18)에서 인체 모델은 질량, 스프링 그리고 댐퍼를 통해 물리적으로 모사된 것이다.

본 발명의 바람직한 효과에 따르면, 실제와 같은 운전자 시점을 생성하여 차량 시뮬레이터 운전 시 시점에 의한 멀미와 괴리감을 대폭 낮추어서 교육, 훈련, 엔터테인먼트 분야에서 가상 운전 환경에 대한 몰입감을 높이는 장점을 가진다.

도 1은 일반적인 차량시뮬레이터 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량시뮬레이터 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따라서 인체를 구성하는 각 신체부위별 기능을 역학적으로 정의한 인체모델 자유물체도이다.
도 4는 본 발명에 따라서 인체모델을 토대로 차량 종방향 혹은 수직방향 가속도에 의한 전진, 수직, 전방기울임에 대한 시점변화를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

1)제 1 실시예

제 1 실시예는 인체모델모듈이 구성되지 않은 실시예이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 차량시뮬레이터 시스템의 블록도로서, 운전자(14)로부터 눌려지는 압력에 따른 악셀페달변위값을 출력하는 악셀페달(11)과, 운전자(14)로부터 눌려지는 압력에 따른 브레이크페달변위값을 출력하는 브레이크페달(12)과, 운전자(14)로부터 회동되는 각도에 따른 회전각도값을 출력하는 스티어링휠(13)이 구비된다.

상기 악셀페달(11)로부터 전달된 악셀페달변위값과 상기 브레이크페달(12)로부터 전달된 브레이크페달변위값과 상기 스티어링휠(13)로부터 전달된 회전각도값과 로드데이터맵모듈(17)로부터 전달된 지면의 상태 정보를 통해 차량의 거동 특성을 계산하고, 실시간으로 해석하여 비주얼환경모듈(16)로 목표 차량의 위치와 자세를 전달하고 실시간으로 업데이트하는 자동차 동역학 모듈(15)을 포함하여 구성된다.

따라서, 운전자(14)는 비주얼환경모듈(16)에서 제공하는 그래픽화면을 보면서 악셀페달(11), 브레이크페달(12), 스티어링휠(13)을 조종하면서 운전하게 된다.

2)제 2 실시예

제 2 실시예는 인체모델모듈이 구성된 실시예이다.

참고로, 본 명세서에 기재된 인체모델에 대하여 살펴보도록 한다.

인체 모델은 외력에 의해 발생하는 인체의 동적 움직임을 수학적으로 표현한 것이고, 인체는 골격과 근육으로 이루어져 있으며, 골격은 질량과 기구학 관계식에 의해 표현되고 근육은 스프링과 뎀퍼로 특성을 나타낸다. 차량 연구 분야에서 이러한 인체 모델은 차량 진동에 의한 탑승자의 승차감 분석에 이용되며, 차량 운전자는 좌석에 착석한 상태로 운전하기 때문에 다리를 제외한 하체, 상체, 머리에 대한 인체 모델링을 수행하므로, 차량 급출발, 급 정지시 관성에 의하여 운전자는 차량과 상대 운동을 하게 된다. 이때, 관성에 의한 상대 가속도를 외력으로 가정하여 인체 모델을 통해 운전자 상대 변위를 계산하고, 이를 운전자 시점으로 표현한다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 차량시뮬레이터 시스템의 블록도로서, 운전자(14)로부터 눌려지는 압력에 따른 악셀페달변위값을 출력하는 악셀페달(11)과, 운전자(14)로부터 눌려지는 압력에 따른 브레이크페달변위값을 출력하는 브레이크페달(12)과, 운전자(14)로부터 회동되는 각도에 따른 회전각도값을 출력하는 스티어링휠(13)이 구비된다.

상기 악셀페달(11)로부터 전달된 악셀페달변위값과 상기 브레이크페달(12)로부터 전달된 브레이크페달변위값과 상기 스티어링휠(13)로부터 전달된 회전각도값과 로드데이터맵모듈(17)로부터 전달된 지면의 상태 정보를 통해 차량의 거동 특성을 계산하고, 실시간으로 해석하여 비주얼환경모듈(16)로 목표 차량의 위치와 자세를 전달하고 실시간으로 업데이트하는 자동차 동역학 모듈(15)이 구비된다.

또한, 운전자(14) 신체의 머리, 목, 허리, 하체를 질량, 스프링 그리고 댐퍼 시스템으로 가정하여 수학적으로 표현하고, 차량 동역학 모델의 결과인 가속도를 입력으로 인체의 시점 좌표를 실시간으로 출력하는 인체모델모듈(18)을 포함하여 구성된다. 이때, 운체모델모듈(18)은 현실과 동일한 운전자 시점을 생성하기 위해서 차량의 가속도 값을 입력으로 하는 인체 모델링을 통해 차량 좌표와 상대적인 관계를 가지는 운전자 시점 좌표를 생성한다. 이러한 인체의 시점좌표는 상기 비주얼환경(16)에서 상기 운전자(14)에게 제공되는 그래픽화면에 적용된다.

따라서, 운전자(14)는 비주얼환경모듈(16)에서 제공하는 그래픽화면을 보면서 악셀페달(11), 브레이크페달(12), 스티어링휠(13)을 조종할 때, 멀미가 줄어들고 괴리감이 줄어들기 때문에 운전자에게 쾌적한 가상운전환경을 제공하는 작용효과를 가진다.

한편, 인체모듈모듈(18)에서, 인체 모델은 질량, 스프링 그리고 댐퍼를 통해 물리적으로 모사할 수 있으며 인체를 구성하는 각 신체는 도 3과 같은 역할을 수행하고, 그 기호표는 표 1과 같다.

도 3은 본 발명에 따라서 인체를 구성하는 각 신체부위별 기능을 역학적으로 정의한 인체모델 자유물체도로서, 표 1은 그 기호를 표로 정리한 것이다.

도 3에서 1번태그(K₁, C₁, M₁)는 운전자좌석과 전진방향 상대운동을 나타내는 하체를 의미하고, 도 3에서 2번태그(K₂, C₂, M₂)는 하체와 전방기울임에 대한 상대운동을 나타내는 허리를 의미하며, 도 3에서 3번태그(K₃, C₃, M₃)는 상체에 대한 수직방향 상대운동을 의미한다.

이러한 인체모델을 적용하여 위와 같은 인체 모델링 구성을 통해 차량 종방향, 수직방향 가속도에 의한 전진, 수직, 전방 기울임에 대한 시점 변화를 살펴보면 도 4와 같다.

도 4는 본 발명에 따라서 인체모델을 토대로 차량 종방향 혹은 수직방향 가속도에 의한 전진, 수직, 전방기울임에 대한 시점변화를 나타낸 도면으로서, 차량의 가속 또는 감속에 따라서 운전시점이 변화하는 상태를 시뮬레이션으로 나타낸 것이다. 예컨대, 도 4에서 (a) 내지 (e)는 가감속에 의해서 운전자의 높이 변화는 적지만, 하체가 전진 또는 후진하거나 상체가 기울어지는 등의 변화들을 시뮬레이션으로 표현한 것이다.

11 ; 악셀페달 12 ; 브레이크페달
13 ; 조향휠 14 ; 운전자
15 ; 자동차 동역학 모듈 16 ; 비쥬얼환경 모듈
17 ; 로드 데이터맵 모듈 18 ; 운전자 인체 모듈

Claims (3)

1. 운전자(14)로부터 눌려지는 압력에 따른 악셀페달변위값을 출력하는 악셀페달(11)과, 운전자(14)로부터 눌려지는 압력에 따른 브레이크페달변위값을 출력하는 브레이크페달(12)과, 운전자(14)로부터 회동되는 각도에 따른 회전각도값을 출력하는 스티어링휠(13); 상기 악셀페달(11)로부터 전달된 악셀페달변위값과 상기 브레이크페달(12)로부터 전달된 브레이크페달변위값과 상기 스티어링휠(13)로부터 전달된 회전각도값과 로드데이터맵모듈(17)로부터 전달된 지면의 상태 정보를 통해 차량의 거동 특성을 계산하고, 실시간으로 해석하여 비주얼환경모듈(16)로 목표 차량의 위치와 자세를 전달하고 실시간으로 업데이트하는 자동차 동역학 모듈(15)하는 인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성 시스템에 있어서,
   운전자(14) 신체의 머리, 목, 허리, 하체를 질량, 스프링 그리고 댐퍼 시스템으로 가정하여 수학적으로 표현하고, 차량 동역학 모델의 결과인 가속도를 입력으로 인체의 시점 좌표를 실시간으로 출력하는 인체모델모듈(18)을 포함하고,
   상기 인체모델모듈(18)은 현실과 동일한 운전자 시점을 생성하기 위해서 차량의 가속도 값을 입력으로 하는 인체 모델링을 통해 차량 좌표와 상대적인 관계를 가지는 운전자 시점 좌표를 생성하는 것을 특징으로 하는 인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 인체의 시점좌표는 상기 비주얼환경(16)에서 상기 운전자(14)에게 제공되는 그래픽화면에 적용되는 것을 특징으로 하는 인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성 시스템.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인체모듈모듈(18)에서 인체 모델은 질량, 스프링 그리고 댐퍼를 통해 물리적으로 모사된 것을 특징으로 하는 인체모델을 이용한 차량운전자 시점 생성 시스템.

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