TW201715489A - 實境操控模擬系統 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種實境操控模擬系統，解決模擬不真實的問題。該系統包含一遙控載具，設有一感測組件、一整合模組及一第一傳輸模組，該整合模組電性連接該感測組件及第一傳輸模組，該整合模組依據該感測組件之輸出訊號產生數個數據，並傳送到該第一傳輸模組；及一模擬載台，設有一第二傳輸模組、一控制單元及一驅動單元，該第二傳輸模組耦接該第一傳輸模組，該控制單元電性連接該第二傳輸模組及驅動單元，該第二傳輸模組用以接收該數據，該控制單元依據該數據產生數個控制參數，供該驅動單元控制一座艙之運動狀態，藉此有效解決上述問題。

Description

實境操控模擬系統

本發明係關於一種模擬控制系統；特別是關於一種可模擬遠端物件動態之實境操控模擬系統。

隨著科技進步，休閒娛樂的方式不斷推陳出新，各種新奇的戶外活動似雨後春筍般蓬勃發展，如：賽車、快艇或輕航機等高動力載具，可帶給使用者異於平常的刺激感及新鮮感。但，使用者操作該載具實際奔馳於陸、海、空域時，不若平時位處平地般安全，可能會因氣候驟變、操作不當或機械故障等因素，而有意外伴隨的危險性。故，使用者通常需經過一定時數的模擬訓練，才可實際操控上述載具。

以飛行模擬訓練為例，習知飛控模擬系統可供使用者透過一控制介面對一控制電腦下達各種操控指令，以便各種飛行模擬情況，該控制電腦可依據一飛行控制律計算飛行器之控制面及油門角度，用以模擬飛行器的姿態變化並顯示視效，其一實施例可參酌中華民國公告第I226999號「無人載具飛控模擬及測試系統架構」專利案。

惟，上述模擬方式係依事先收集的數據產生一模擬規則(如：飛行控制律等)，其模擬結果(如：姿態變化及視效等)並非即時偵測飛行器飛行情況而產生，難免會有誤差或失真的情況，無法供使用者體驗實境操作情況。

有鑑於此，有必要改善上述先前技術的缺點，以符合實際需求，提升其實用性。

本發明係提供一種實境操控模擬系統，可依據一遙控載具之運行情況驅動一模擬載台，使該模擬載台重現該遙控載具所經歷的動態。

本發明揭示一種實境操控模擬系統，可包含：一遙控載具，設有一感測組件、一整合模組及一第一傳輸模組，該整合模組電性連接該感測組件及該第一傳輸模組，該整合模組依據該感測組件之輸出訊號產生數個數據，並傳送到該第一傳輸模組；及一模擬載台，設有一第二傳輸模組、一控制單元及一驅動單元，該第二傳輸模組耦接該第一傳輸模組，該控制單元電性連接該第二傳輸模組及該驅動單元，該第二傳輸模組用以接收該數據，該控制單元依據該數據產生數個控制參數，供該驅動單元控制一座艙之運動狀態。

所述座艙可利用該數據顯示該遙控載具之視野訊息。

所述感測組件可包含一全球定位系統、一加速度計、一陀螺儀、一磁場計、一氣壓計、一超音波計、一影像定位系統、一攝影機及一溫濕度計。

所述數據可包含一水平湧流值、一水平搖擺值、一高度起伏值、一線速度值、一線加速度值、一角速度值、一偏航角度值、一滾動角度值、一顛簸角度值及一視訊。

所述控制單元可依據一非線性比例縮放法將該數據轉換為數個控制參數，用以控制該座艙之運動狀態。

所述控制單元可依據該座體之運動狀態與一資料庫比對產生一誤差值，並依據該誤差值產生該控制參數。

所述座艙可包含一六軸運動平台。

所述遙控載具可由一遠端操作平台操控而運作。

上揭實境操控模擬系統可依據該遙控載具之運行情況驅動 該模擬載台，使該模擬載台重現該遙控載具所經歷的動作狀態及視野訊息，對於賽車、快艇或輕航機等高動力載具有駕駛需求的使用者，可提供使用者既具安全性且仿真度高的駕駛體驗，可以達成「安全地提高模擬駕駛之真實體驗感」功效，可應用於各種模擬駕駛或體感遊戲等場合，提升產業價值。

1‧‧‧遙控載具

11‧‧‧感測組件

12‧‧‧整合模組

13‧‧‧第一傳輸模組

2‧‧‧模擬載台

21‧‧‧第二傳輸模組

22‧‧‧控制單元

22A‧‧‧控制演算法

22D‧‧‧資料庫

22E‧‧‧誤差值

23‧‧‧驅動單元

24‧‧‧座艙

C1‧‧‧第一線段

C2‧‧‧第二線段

C3‧‧‧第三線段

J‧‧‧物體

P‧‧‧模擬艙

L‧‧‧軸件

S‧‧‧駕駛座

第1圖：係本發明實境操控模擬系統實施例之系統方塊圖。

第2圖：係本發明實境操控模擬系統實施例之遙控載具的動作狀態示意圖。

第3圖：係本發明實境操控模擬系統實施例之座艙形成模擬艙態樣的示意圖。

第4圖：係本發明實境操控模擬系統實施例之非線性比例的關係曲線圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之「耦接」(coupled connection)，係指二裝置之間經由無線通訊技術相互通訊，惟不以此為限，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「湧流」(Surge)，係指一物體J沿一行進方向X前後移動(如第2圖所示)，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「滾動」(Roll)，係指該物體J以該行進方向X為軸心而轉動(如第2圖所示)，係本發明所屬技術領域中具有通 常知識者可以理解。

本發明全文所述之「搖擺」(Sway)，係指該物體J沿一旁側方向Y左右移動(如第2圖所示)，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「顛簸」(Pitch)，係指該物體J以該旁側方向Y為軸心而轉動(如第2圖所示)，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「起伏」(Heave)，係指一物體J沿一縱深方向Z上下移動(如第2圖所示)，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「偏航」(Yaw)，係指該物體J以該縱深方向Z為軸心而轉動(如第2圖所示)，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

請參閱第1圖所示，其係本發明實境操控模擬系統實施例之系統方塊圖。其中，該實境操控模擬系統實施例可包含一遙控載具1及一模擬載台2，該模擬載台2可耦接該遙控載具1。

請再參閱第1圖所示，該遙控載具1可設有一感測組件11、一整合模組12及一第一傳輸模組13，該整合模組12電性連接該感測組件11及該第一傳輸模組13，該感測組件11用以感測該遙控載具1實際運作時的移動狀態；該整合模組12可依據該感測組件11之輸出訊號產生數個數據，並傳送到該第一傳輸模組13，用以傳輸該等數據至該模擬載台2。

在此實施例中，該遙控載具1之型態可為依實物(如：車輛、船艇或飛行器)之比例製作的載具(如：遙控飛機等)，該載具可由一遠端操作平台(如：遙控器等)操控而運作，該遠端操作平台可整合於該模擬載台2，惟該遠端操作平台與該模擬載台2亦可分開設置，供一操作者(如： 模擬載台2的使用者或其他人)操控該遙控載具1之運作；該感測組件11可包含一全球定位系統(GPS)、一加速度計(3D accelerometer)、一陀螺儀(3D gyroscope)、一磁場計(3D magnetometer)、一氣壓計(barometer)、一超音波計(ultrasonoscope)、一影像定位系統(Image Positioning System)、一攝影機(camera)及一溫濕度計等，如：智能眼鏡、智慧型手機、平板電腦、四軸飛行器、智能車、智能船或智能手機等，用以感測該遙控載具1移動時的三維空間座標、加速度及角速度等物理量，該等物理量亦可進一步經過濾波(雜訊濾除)、積分(平滑化)及資料比對(篩選)等步驟後，用以得出該遙控載具1的物體位置與姿態等訊息，惟不以此為限。

在此實施例中，該整合模組12可為一嵌入式系統(embedded system)等，該嵌入式系統亦可進一步整合該感測組件11，惟不以此為限。該整合模組12所產生的數個數據可包含一水平湧流(Surge)值、一水平搖擺(Sway)值、一高度起伏(Heave)值、一線速度值、一線加速度值、一角速度值、一偏航(Yaw)角度值、一滾動(Roll)角度值及一顛簸(Pitch)角度值(如第2圖所示)，該數據還可包含一視訊(video)等，惟不以此為限；該第一傳輸模組13可為習知無線通訊收發器，用以接收該遠端控制平台的控制訊號及傳送該等數據至該模擬載台2。

請再參閱第1圖所示，該模擬載台2可設有一第二傳輸模組21、一控制單元22及一驅動單元23，該第二傳輸模組21可耦接該遙控載具1之第一傳輸模組13，該控制單元22可電性連接該第二傳輸模組21及該驅動單元23，該第二傳輸模組21可用以接收該整合模組12產生的數據，該控制單元22可依據該數據產生數個控制參數，供該驅動單元23控制一座艙24之運動狀態。在此實施例中，該第二傳輸模組21為可對應接收該第一傳輸模組13之無線訊號的裝置，用以接收該等數據。

在此實施例中，該控制單元22可內含一控制演算法22A,依據一非線性比例縮放法(nonlinear factor scaling method，如：Piecewise Cubic Hermite Interpolating Polynomial等)，將該數據轉換為數個控制參數，將無限大的移動數值以非線性的方式轉換成具有極限的模擬數值，如：近距離或低速度之模擬數值以接近真實為主，對遠距離或高速度的模擬數值則以非線性比例縮小後呈現，用以控制該座艙24，惟該座艙24之運動狀態亦可回授至該控制單元22，使該控制單元22可依據該座艙24之運動狀態與一資料庫22D(如：水平湧流均值、水平搖擺均值、高度起伏均值、線速度均值、線加速度均值、角速度均值、偏航角度均值、滾動角度均值或顛簸角度均值等)比對產生一誤差值22E(越小越好，最佳為0)，並依據該誤差值產生該控制參數，該控制單元22可為姿態及速度極限控制器(gesture and velocity constraint robust controller)等，將控制範圍區域侷限在該座艙24的移動區域(即其極限範圍)內，其姿態量及速度量皆有飽和(極限)閥值。以下舉例說明上述水平湧流均值(surge average value)、水平搖擺均值(sway average value)、高度起伏均值(heave average value)、偏航角度均值(yaw average value)、滾動角度均值(roll average value)、顛簸角度均值(pitch average value)、線速度均值、線加速度均值或角速度均值之產生方式，惟不以此為限。

舉例而言，加速度計可提供三維方向的運動物體加速度，陀螺儀提供運動物體三維方向的角速度；利用數學積分及運動物體的初值條件，可以計算運動物體的瞬時運動速度(instantaneous velocity)、位置及姿態，三維的加速度量測數值，可以組合成三維加速度向量(代表線加速度)；該向量以時間為獨立變數(independent variable)，對該獨立變數進行積分。加速度經過一次積分後，可得瞬時運動速度值；再進行一次積分，可以得到運動物體的位移數值。搭配運動物體的初值條件，可以計算運動物體的 位置，也就是運動物體的水平湧流均值(surge average value)、水平搖擺均值(sway average value)、高度起伏均值(heave average value)。同理，對陀螺儀提供運動物體三維方向的角速度進行積分，在加上運動物體的初值姿態條件，可以得運動物體的偏航角度均值(yaW average value)、滾動角度均值(roll average value)、顛簸角度均值(pitch average value)，以上所得數值是依據加速度計與陀螺儀量測數據，再加上數學運算所得，按照數學常理應該是非常準確的。

另，因加速度計與陀螺儀屬於微機械及電子電路元件，其所量測數值可能含有雜訊，導致數學計算不準確而偏離正確數值。故，在此實施例中，在使用這些量測數據前，可先濾除雜訊，雜訊濾除方式可以使用卡曼濾波器(Kalman filter)或威納濾波器(Weiner filter)，其使用方式係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。

又，氣壓計、超音波計與磁場計可用來比對上述計算數值，其中氣壓計可以量測運動物體的高度，透過事先對其校準，用以準確的量測高度，該高度可用來與加速度計的高度(一般是Z軸方向)進行比對計算，通常二者的誤差可為±5%之內。藉此，可用該計算結果來推算另外二個維度的計算誤差；另，超音波計亦可用以預防萬一氣壓計損壞或失效，用來量測物體之Z軸方向高度；而磁場計則可用於比對運動物體的姿態，磁場計與運動物體的中心軸線平行，亦即，利用磁場計可知運動物體的方向，其中，常見的磁場計指北方向，利用與中心軸線的夾角，可得知運動物體角度。運用此角度與前述之數學方式計算之偏航角度均值(yaw average value)比對，一般誤差在±5%之內，可藉此對比並確認該滾動角度均值(roll average value)、顛簸角度均值(pitch average value)。

在此實施例中，該驅動單元23可依據該控制參數產生適用於該座艙24的動力及控制訊號，如：伺服馬達的驅動訊號等，又，該驅動 單元23之動力來源可來自純電力驅動器(如：交、直流伺服馬達或螺桿馬達電動缸等)或油(或氣)電驅動器(如：以電力控制油壓缸(或氣壓缸)作動產生動力)，上述驅動方式可利用一驅動控制器(如：CNC驅動控制器)將該控制演算法22A產生的輸出結果轉換為上述動力來源所需的訊息或訊號，用以產生驅使該座艙24運動所需的動力來源，惟不以此為限；該座艙24可包含一六軸運動平台(6-axes motion platform)，如：該座艙24可為習知具有六軸運動控制功能之座體，或者，如第3圖所示，該座艙24亦可形成具有六軸運動控制功能之習知模擬艙P，可由習知伺服馬達控制六自由度的軸件L(如：油壓缸、伸縮軸或連接軸等)產生不同運動型態，該模擬艙P中可設至少一駕駛座S，亦可利用各種顯示技術(如：多重投影或畫面分割等)，使該模擬艙P可重現該遙控載具1的移動狀態及視野訊息，且該座艙24還可設有溫、濕度調整裝置，如：依據該感測組件11感測的溫、濕度，在該駕駛座S上方噴霧增加溼度、抽風降低溼度、送出冷氣降低溫度、吹出暖氣提高溫度等，以便提高模擬之逼真程度，其係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述，惟不以此為限。

請參閱第4圖所示，其係本發明實境操控模擬系統實施例之非線性比例的關係曲線圖。其中，非線性比例的關係曲線分為一第一線段C1、一第二線段C2及一第三線段C3，該第一線段C1表示在距離在R1以下，可將各數據(如：遙控載具1的移動距離)以1：1的比例模擬產生該控制參數(如：座艙24的速度、加速度及距離等)，並以即時性及同步性之簡潔運算為主，不宜採用過於複雜的運算程序；該第二線段C2表示距離在R1至R2之間，可將各數據以1至n的非線性縮小比例模擬該控制參數，可採用連續軌跡預測動作，避免因數據之傳輸距離、雜訊及延遲增加，而嚴重影響物體追蹤度及模擬仿真度；該第三線段C3表示距離在R2以上，可將各數據以一定比例(n)大幅縮小模擬該控制參數，以產生對應 的模擬動作，避免因數據之傳輸延遲嚴重，導致模擬動作模糊不明顯。因此，經由上述比例之調整，可使得該遙控載具1的距離越近，該座艙24模擬的動態越明顯，該遙控載具1的距離越遠，該座艙24模擬的動態越不明顯，可避免該座艙24移動量過大而失控或緊急停止，讓使用者可真實地體驗該遙控載具1即時歷經實境(如：順、逆風等)的移動狀態。

在此實施例中，該控制參數還可用一控制演算法產生，如下式(1)所示：u(t)=ω₁．u ₁(t)+ω₂．u ₂(t)+ω₃．u ₃(t) (1)其中，u₁(t)、u₂(t)、u₃(t)分別為第一、二、三線段之控制函數；ω₁、ω₂、ω₃分別為u₁(t)、u₂(t)、u₃(t)之權重值，該權重值可依該座艙24所在環境而調整，如欲加強近距離的動態感受，則可增加權重值ω₁，餘可依此類推，容不贅述。

此外，本發明實境操控模擬系統實施例，可利用該座艙24仿真式重現該遙控載具1之動態之餘，還可利用該遙控載具1之感測組件11(如：攝影機取得視訊)取得該遙控載具1所處環境的影像，並將該影像經由該第一傳輸模組13、第二傳輸模組21傳輸至該座艙24，利用該座艙24配合相關顯示技術產生擬真式的視訊，以重現該遙控載具1之視野訊息。

綜上，本發明實境操控模擬系統實施例可利用該遙控載具1之整合模組12電性連接該感測組件11及該第一傳輸模組13，該整合模組12可依據該感測組件11之輸出訊號產生數個數據，並傳送到該第一傳輸模組13；該模擬載台2之第二傳輸模組21耦接該第一傳輸模組13，該控制單元22電性連接該第二傳輸模組21及該驅動單元23，該第二傳輸模組21可用以接收該數據，該控制單元22可依據該數據產生數個控制參數，供該驅動單元23控制該座艙24之運動狀態，該座艙24還可利用該數據顯 示該遙控載具1之視野訊息，該座艙24可避免移動量過大而失控或緊急停止，讓使用者可真實地體驗該遙控載具1即時歷經實境(如：順、逆風等)的移動狀態及視野訊息。

藉此，本發明實境操控模擬系統實施例可依據該遙控載具1之運行情況驅動該模擬載台2，使該模擬載台2重現該遙控載具1所經歷的動作狀態及視野訊息，對於賽車、快艇或輕航機等高動力載具有駕駛需求的使用者，可提供使用者既具安全性且仿真度高的駕駛體驗，可以達成「安全地提高模擬駕駛之真實體驗感」功效，可應用於各種模擬駕駛或體感遊戲等場合，提升產業價值。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧遙控載具

11‧‧‧感測組件

12‧‧‧整合模組

13‧‧‧第一傳輸模組

2‧‧‧模擬載台

21‧‧‧第二傳輸模組

22‧‧‧控制單元

22A‧‧‧控制演算法

22D‧‧‧比對資料庫

22E‧‧‧誤差值

23‧‧‧驅動單元

24‧‧‧座艙

Claims (8)

1. 一種實境操控模擬系統，係包含：一遙控載具，設有一感測組件、一整合模組及一第一傳輸模組，該整合模組電性連接該感測組件及該第一傳輸模組，該整合模組依據該感測組件之輸出訊號產生數個數據，並傳送到該第一傳輸模組；及一模擬載台，設有一第二傳輸模組、一控制單元及一驅動單元，該第二傳輸模組耦接該第一傳輸模組，該控制單元電性連接該第二傳輸模組及該驅動單元，該第二傳輸模組用以接收該數據，該控制單元依據該數據產生數個控制參數，供該驅動單元控制一座艙之運動狀態。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的實境操控模擬系統，其中該座艙利用該數據顯示該遙控載具之視野訊息。
3. 根據申請專利範圍第1或2項所述的實境操控模擬系統，其中該感測組件包含一全球定位系統、一加速度計、一陀螺儀、一磁場計、一氣壓計、一超音波計、一影像定位系統、一攝影機及一溫濕度計。
4. 根據申請專利範圍第1或2項所述的實境操控模擬系統，其中該數據包含一水平湧流值、一水平搖擺值、一高度起伏值、一線速度值、一線加速度值、一角速度值、一偏航角度值、一滾動角度值、一顛簸角度值及一視訊。
5. 根據申請專利範圍第4項所述的實境操控模擬系統，其中該控制單元依據一非線性比例縮放法將該數據轉換為數個控制參數，用以控制該座體之運動狀態。
6. 根據申請專利範圍第1或2項所述的實境操控模擬系統，其中該控制單元依據該座體之運動狀態與一資料庫比對產生一誤差值，並依據該誤差值產生該控制參數。
7. 根據申請專利範圍第1項所述的實境操控模擬系統，其中該座艙包含一 六軸運動平台。
8. 根據申請專利範圍第1項所述的實境操控模擬系統，其中該遙控載具係由一遠端操作平台操控而運作。