TWI708165B

TWI708165B - 動感模擬系統

Info

Publication number: TWI708165B
Application number: TW108113453A
Authority: TW
Inventors: 黃勤鎰
Original assignee: 黃勤鎰
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-10-21
Also published as: TW202040318A

Abstract

一種控制一運動平台的動感模擬系統。該動感模擬系統包含一動感沖淡濾波模組。該動感沖淡濾波模組包括一取得一載具輸入訊號的載具狀態參數輸入單元、一接收該載具輸入訊號並計算出一載具導引訊號的第一人類動感感知單元、一接收該載具輸入訊號並計算出一動感沖淡濾波訊號的動感沖淡濾波單元、一接收該動感沖淡濾波訊號並計算出一模擬輸入訊號的運動平台動態模擬單元、一接收該模擬輸入訊號並計算出一模擬導引訊號的第二人類動感感知單元，及一比較該載具導引訊號及該模擬導引訊號的動感資訊輸出單元。

Description

動感模擬系統

一種模擬系統，尤其是一種可以模擬人體感覺的動感模擬系統

早期模擬人體感知的體感平台，是以固定的影片資訊，以及配合該影片資訊的平台控制程式，提供乘坐於該體感平台的人員體感，撥放固定的影片程式及體感程式，造成體感平台的運定自由度不佳。

參閱中華民國專利I554985，揭露一種運動模擬控制系統，包括一一沖淡濾波器，該沖淡濾波器控制一模擬器運動。其中，該沖淡濾波器自定義人體感受力，造成該模擬器運動與實際人體的體感有所差異，在體感不真實的狀況下，容易產生暈眩的狀況。

雖然上述運動模擬控制系統可以提供人體體感，但實際使用時仍具有下列缺點：

一、無法即時提供體感：早期的體感平台為一種被動式模擬運動平台，是以固定的影片資訊以及配合該影片資訊的平台控制程式，提供乘坐於該體感平台的人員被動的感受體感，體感平台每一次的運動固定，無法提供人員即時操控並即時提供體感。

二、每人的感受不同：雖然體感平台每一次運動的模式相同，但是不同人員的體感並不相同，不同之人員乘坐相同的體感平台，就會有不同的體感。

三、提供的體感並不真實：早期的沖淡濾波器是自定義體感的力量，與實際人體感受有所差異，因此人體實際感受的力量並不真實。

因此，如何達成即時體感控制，並讓人體的體感真實，是相關技術人員亟需努力的目標。

有鑑於此，本發明之目的是在提供一種動感模擬系統，適用於控制一運動平台，該動感模擬系統包含一動感沖淡濾波模組。

該動感沖淡濾波模組包括：一載具狀態參數輸入單元，用以取得一載具輸入訊號。

一第一人類動感感知單元，與該載具狀態參數輸入單元連接，以接收該載具輸入訊號並計算出一載具導引訊號。

一動感沖淡濾波單元，與該載具狀態參數輸入單元連接，以接收該載具輸入訊號並計算出一動感沖淡濾波訊號。

一運動平台動態模擬單元，與該動感沖淡濾波單元連接，以接收該動感沖淡濾波訊號並計算出一模擬輸入訊號。

一第二人類動感感知單元，與該運動平台動態模擬單元連接，以接收該模擬輸入訊號並計算出一模擬導引訊號。

一動感資訊輸出單元，與該第一人類動感感知單元及該第二人類動感感知單元連接，以比較該載具導引訊號及該模擬導引訊號，並提供該動感沖淡濾波單元運算，並使該動感沖淡濾波模組控制該運動平台。

本發明的又一技術手段，是在於該動感模擬系統更包含一無感沖淡濾波模組，該無感沖淡濾波模組包括一原點回歸單元，及一無感運動單元，原點回歸單元提供該無感沖淡濾波模組控制該運動平台移動至一原點位置，該無感運動單元提供該無感沖淡濾波模組控制該運動平台之移動。

本發明的另一技術手段，是在於無感沖淡濾波模組具有一線性力量門檻參數，及一轉動角速率門檻參數，該線性力量門檻參數提供該無感沖淡濾波模組控制該運動平台之線性移動，該轉動角速率門檻參數提供該無感沖淡濾波模組控制該運動平台之轉動移動。

本發明的再一技術手段，是在於該線性力量門檻參數為0.17m/s²~0.28m/s²，該轉動角速率門檻參數為2.6deg/s~3.6deg/s。

本發明的又一技術手段，是在於該動感模擬系統更包含一載具物理訊號輸出模組，與該動感沖淡濾波模組連接，該載具物理訊號輸出模組用以輸出該載具輸入訊號。

本發明的另一技術手段，是在於該動感模擬系統更包含一資訊傳輸模組，該資訊傳輸模組分別與該動感沖淡濾波單元及該運動平台動態模擬單元連接，以傳輸該動感沖淡濾波模組及該運動平台間之資訊。

本發明的又一技術手段，是在於該運動平台選自於並列式工作平台、串列式工作平台、複合式工作平台、飛行模擬工作平台，其中之一，及其組合。

本發明的另一技術手段，是在於該第一人類動感感知單元及該第二人類動感感知單元分別具有一半規管動力式、一轉動角速率門檻參數，及一神經延遲式。

本發明的再一技術手段，是在於該第一人類動感感知單元及該第二人類動感感知單元分別具有一內耳石動力式、一線性力門檻參數，及一神經感應式。

本發明之有益功效在於，該第一人類動感感知單元及該第二人類動感感知單元具有內耳前庭系統的運算式，以使該動感沖淡濾波單元穩定控制該運動平台動態模擬單元之運動平台移動，在比較該載具導引訊號及該模擬導引訊號後可以提供乘坐於該運動平台的人員感受真實的體感。

3:載具物理訊號輸出模組

4:動感沖淡濾波模組

41:載具狀態參數輸入單元

42:第一人類動感感知單元

43:動感沖淡濾波單元

44:運動平台動態模擬單元

45:第二人類動感感知單元

46:動感資訊輸出單元

5:無感沖淡濾波模組

6:資訊傳輸模組

7:運動平台

801:線性力量

802:內耳石動力式

803:線性力門檻參數

804:神經感應式

805:人體感知加速度或傾斜度

811:轉動角速率

812:半規管動力式

813:轉動角速率門檻參數

814:神經延遲式

815:人體感知角速率815

圖1是一裝置示意圖，說明本發明一種動感模擬系統之一較佳實施例；圖2是一裝置示意圖，說明於該較佳實施例中，一動感沖淡濾波模組的組成態樣；圖3是一裝置示意圖，說明於該較佳實施例中，該動感沖淡濾波模組與一無感沖淡濾波模組相配合運作的態樣；圖4是一示意圖，說明模擬人類內耳前庭系統之內耳石感受線性力量的數學模型圖；及圖5是一示意圖，說明模擬人類內耳前庭系統之半規管感受轉動角速率的數學模型圖。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。

參閱圖1、2、3，為本發明一種動感模擬系統之一較佳實施例，該動感模擬系統包含一載具物理訊號輸出模組3、一動感沖淡濾波模組4、一無感沖淡濾波模組5、一資訊傳輸模組6，及一運動平台7。

該載具物理訊號輸出模組3與該動感沖淡濾波模組4及該無感沖淡濾波模組5連接。該資訊傳輸模組6與該動感沖淡濾波模組4及該無感沖淡濾波模組5連接。該資訊傳輸模組6與該運動平台7連接。較佳地，該載具物理訊號輸出模組3設置於一台電腦裝置(圖式未示出)中，該動感沖淡濾波模組4與該無感沖淡濾波模組5也設置於該電腦裝置中，實際實施時，該載具物理訊號輸出模組3可以是陀螺儀及加速度感測元件，並設置於任何可以移動的物品上，再以無線傳輸作為資訊傳輸的技術手段，不應以本較佳實施例之舉例為限。

該載具物理訊號輸出模組3與該動感沖淡濾波模組4及該無感沖淡濾波模組5連接，該載具物理訊號輸出模組3用以輸出該載具輸入訊號。舉例來說，該載具物理訊號輸出模組3可以是電腦裝置中的遊戲程式輸出體感指令，該載具物理訊號輸出模組3就可以將體感指令轉成該載具輸入訊號並提供該動感沖淡濾波模組4運算。於該較佳實施例，該載具物理訊號輸出模組3為單純的應用程式，例如一種模擬汽車載具的應用程式，該載具物理訊號輸出模組3只提供程式中虛擬的線性力或角速率，該載具物理訊號輸出模組3不會收到該動感沖淡濾波模組4或該無感沖淡濾波模組5的回饋資訊，單純的載具物理訊號輸出模組3只是一台遊戲機。

該動感沖淡濾波模組4包括一載具狀態參數輸入單元41、一第一人類動感感知單元42、一動感沖淡濾波單元43、一運動平台動態模擬單元44、一第二人類動感感知單元45，及一動感資訊輸出單元46。

該載具狀態參數輸入單元41取得該載具物理訊號輸出模組3輸出之一載具輸入訊號，該載具物理訊號輸出模組3可以接收遊戲或相關動態的應用程式的體感資訊，並轉換成該載具輸入訊號，再提供給該動感沖淡濾波模組4之載具狀態參數輸入單元41及該動感沖淡濾波單元43。

較佳地，該載具狀態參數輸入單元41是一種資訊轉換電路，用來接收該載具物理訊號輸出模組3的訊號，並將訊號轉成該第一人類動感感知單元42及該動感沖淡濾波單元43可以運算的資訊，實際實施時，該載具狀態參數輸入單元41可以設置於該載具物理訊號輸出模組3中，讓該載具物理訊號輸出模組3直接將該載具輸入訊號傳輸給該第一人類動感感知單元42及該動感沖淡濾波單元43。當該載具物理訊號輸出模組3輸出的訊號符合該第一人類動感感知單元42及該動感沖淡濾波單元43的資訊時，也可以不設置該載具狀態參數輸入單元41，不應以此為限。

該第一人類動感感知單元42與該載具狀態參數輸入單元41連接，該第一人類動感感知單元42接收該載具輸入訊號並計算出一載具導引訊號。該動感沖淡濾波單元43與該載具狀態參數輸入單元41連接，該動感沖淡濾波單元43接收該載具輸入訊號並計算出一動感沖淡濾波訊號。該運動平台動態模擬單元44與該動感沖淡濾波單元43連接，該運動平台動態模擬單元44是一種數學運算式，用以模擬該運動平台7的物理動作，該動感沖淡濾波單元43將該動感沖淡濾波訊號傳輸該運動平台動態模擬單元44，該運動平台動態模擬單元44接收該動感沖淡濾波訊號並計輸出一模擬輸入訊號。該第二人類動感感知單元45與該運動平台動態模擬單元44連接，該第二人類動感感知單元45接收該模擬輸入訊號並計算出一模擬導引訊號。

該動感資訊輸出單元46與該第一人類動感感知單元42及該第二人類動感感知單元45連接，該動感資訊輸出單元46比較該載具導引訊號及該模擬導引訊號，再將比較後所得的差異值傳輸至該動感沖淡濾波單元43，可以使該動感沖淡濾波單元43自動修正該動感沖淡濾波訊號，最終讓該動感沖淡濾波模組4可以穩定的控制該運動平台7運動，並使乘坐於該運動平台7的人員感受穩定且真實體感。

該動感沖淡濾波模組4為一種沖淡濾波器(washout filter)，沖淡濾波器主要是將由物理動態模型運算得到的運動軌跡，再濾除人體無法感受的高頻和低頻部份，減少該運動平台7的動作量，並使乘坐於該運動平台7的感受體感。

該無感沖淡濾波模組5與該動感沖淡濾波模組4連接，該無感沖淡濾波模組5包括一原點回歸單元，及一無感運動單元，原點回歸單元提供該無感沖淡濾波模組5控制該運動平台7移動至一原點位置，該無感運動單元提供該無感沖淡濾波模組5控制該運動平台7之移動。當該運動平台7移動至該原點位置後，可以提供該運動平台7足夠的移動空間來提供下一次模擬體感的運動。

該無感沖淡濾波模組5是另一種沖淡濾波器(washout filter)，該無感沖淡濾波模組5可以將該運動平台7的位置帶回到原點，以提供該運動平台7較大的運動空間。因此，該動感沖淡濾波模組4及該無感沖淡濾波模組5相配合，可以令該運動平台7能在不超過移動的極限空間下進行移動，並使的乘坐於該運動平台7之人員感受到真實體感的受力感覺。

該無感沖淡濾波模組5具有一線性力量門檻參數，及一轉動角速率門檻參數，該線性力量門檻參數提供該無感沖淡濾波模組5控制該運動平台7之線性移動，該轉動角速率門檻參數提供該無感沖淡濾波模組5控制該運動平台7之轉動移動。

該線性力量門檻參數為0.17m/s²~0.28m/s²，該轉動角速率門檻參數為2.6deg/s~3.6deg/s。小於該線性力量門檻參數及該轉動角速率門檻參數之該運動平台7的移動可以使人員無法感受該運動平台7移動時所帶來的體感。在該運動平台7實際運動時，可以將乘坐人員之坐姿或站姿看成一倒單擺運動，並控制該運動平台7在執行倒單擺的運動變化於該線性力量門檻參數及該轉動角速率門檻參數內，使該運動平台7穏定。由於該無感沖淡濾波模組5是提供該運動平台7進行無體感的運動，因此該無感沖淡濾波模組5中不會具有產生真實體感的數學式或參數。

較佳地，該資訊傳輸模組6為一種資訊傳輸電路介面，可以連接該運動平台7及該動感沖淡濾波模組4或該無感沖淡濾波模組5之間的資訊傳輸。實際實施時，該資訊傳輸模組6可以設置資訊放大器來控制該運動平台7中之複數馬達，該運動平台7中可以設置複數偵測器並將偵測資訊傳輸給該資訊傳輸模組6，以使該動感沖淡濾波模組4與該運動平台7可以相互傳輸資訊。其中，該資訊傳輸模組6可以使用無線或有線的方式來進行資訊的傳輸，以提供該載具物理訊號輸出模組3或該動感沖淡濾波模組4及該無感沖淡濾波模組5設置的靈活度。

該運動平台選自於並列式工作平台、串列式工作平台、複合式工作平台、飛行模擬工作平台，其中之一，及其組合。其中，史都華平台(Stewart)為一種並列式工作平台，將多個旋轉馬達串聯的機械手臂來控制平台之移動為串列式工作平台，而複合式工作平台為多種工作平台之組合。於該較佳實施例，該運動平台7是使用史都華平台，因此該運動平台7具有前後移動(surge)、左右平移(sway)、升降起伏(heave)、左右傾斜(roll)、前後翻滾(pitch)及左右搖擺(yaw)，由於史都華平台為常用的體感平台，於此不再詳加贅述，實際實施時，該運動平台7可以使用其他提供體感的工作平台，不應以此為限。

人類對於運動的感受，最主要的感覺器官為內耳前庭系統(vestibular system)中的內耳石(otolith)與半規管(semicircular canals)。內耳石感受線性力量，半規管感受轉動角速率。

配合參閱圖4，為內耳石對線性力量的模型圖，其中：內耳石動力式802為

線性力門檻參數803為0.17m/s²~0.28m/s²。

神經感應式804為τ _p s+1。

上述內耳石對線性力量的模型圖中，K _o為比例常數，τ _d s及τ _s s為各種時間常數，線性力量801為施加於內耳前庭系統之直線型的力量，內耳石動力式802為人類內耳前庭系統之內耳石感受線性力量801的數學式，線性力門檻參數803為人類內耳前庭系統之內耳石感受線性力量801的最小值，線性力量801必須大於線性力門檻參數803人類才有可能感受到線性力量801，神經感應式804為人類內耳前庭系統將資訊傳輸至大腦的數學式，以使人類大腦可以感受人體感知加速度或傾斜度805。

藉由上述內耳石對線性力量的模型圖，可以確實地計算出人體感受加速度或傾斜度的體感，該第一人類動感感知單元42及該第二人類動感感知單元45都具有上述之內耳石對線性力量的模型圖的相關運算參數，以使該動感沖淡濾波模組4操控該運動平台7進行線性移動時，施加於人類的加速度或傾斜度更為真實。

配合參閱圖5，為半規管對轉動角速率的模型圖，其中：半規管動力式812為

轉動角速率門檻參數813為2.6deg/s~3.6deg/s。

神經延遲式814為

上述半規管對轉動角速率的模型圖中，τ ₁ s、τ _L s、τ ₂ s及τ _a s為各式時間常數，轉動角速率811為施加於內耳前庭系統之轉動型或旋轉型的力量，半規管動力式812為人類內耳前庭系統之半規管感受轉動角速率811的數學式，轉動角速率門檻參數813為人類內耳前庭系統之半規管感受轉動角速率811的最小值，轉動角速率811必須大於轉動角速率門檻參數813人類才有可能感受到轉動角速率811，神經延遲式814為人類內耳前庭系統將資訊傳輸至大腦的數學式，以使人類大腦感受人體感知角速率815。

藉由上述半規管對轉動角速率的模型圖，可以確實地計算出人體感受角速率的體感，該第一人類動感感知單元42及該第二人類動感感知單元45都具有上述之半規管對轉動角速率的模型圖的相關運算參數，以使該動感沖淡濾波模組4操控該運動平台7進行轉動移動時，施加於人類的角速率為真實。

人類運動感覺模型大致上的組成為一個「帶通濾波器」與一個「非線性衰減器」，相對「帶通濾波器」該第一人類動感感知單元42及該第二人類動感感知單元45利用上述內耳石對線性力量的模型圖進行模擬計算，相對「非線性衰減器」該第一人類動感感知單元42及該第二人類動感感知單元45利用上述半規管對轉動角速率的模型圖進行模擬計算，以使該乘坐於該運動平台7的人員接收的體感更為真實。

該第一人類動感感知單元42及該第二人類動感感知單元45藉由上述之內耳石對線性力量的模型圖及半規管對轉動角速率的模型圖之數學模型的基礎上，再結合該運動平台7的移動限制空間，令該運動平台7可以讓人員無感的回到原點，該動感沖淡濾波模組4與該無感沖淡濾波模組5相配控制該運動平台7，該動感沖淡濾波模組4於提供人員體感時運作，該無感沖淡濾波模組5於維持人員體感或不提供人員體感時運作，以將該運動平台7回到原點，並提供足夠的運動空間。

由上述說明可知，本發明一種動感模擬系統確實具有下列功效：

一、提供更真實的體感：該第一人類動感感知單元42及該第二人類動感感知單元45利用內耳石對線性力量的模型圖及半規管對轉動角速率的模型圖進行模擬計算，以使該動感沖淡濾波模組4控制該運動平台7，並使乘坐於該運動平台7上的人員接收的體感更為真實。

二、無體感移動至原點：該無感沖淡濾波模組5在不需要提供人員體感時，或是提供人員固定的線性力量(傾斜度)時，可以在該人員沒有感覺下，將該移動平台移動至原點，並提供該運動平台7充足的移動空間來執行下一的體感運動。

三、可以即時提供體感：該載具物理訊號輸出模組3可以接收遊戲程式的體感指令，在輸入於該動感沖淡濾波模組4中進行運算，在遊戲中即時提供遊戲者體感，以使本發明之動感模擬系統是一種主動式模擬運動平台。

綜上所述，該載具物理訊號輸出模組3可以提供該載具輸入訊號給該動感沖淡濾波模組4及該無感沖淡濾波模組5，以使該動感沖淡濾波模組4即時控制該運動平台7執行體感運動，該第一人類動感感知單元42及該第二人類動感感知單元45可以提供該動感沖淡濾波模組4控制該運動平台7移動出讓人類感受的體感更為真實，該無感沖淡濾波模組5可以在人員沒有感受到體感時將該運動平台7移動至原點，故可以達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之一個較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

4‧‧‧動感沖淡濾波模組

41‧‧‧載具狀態參數輸入單元

42‧‧‧第一人類動感感知單元

43‧‧‧動感沖淡濾波單元

44‧‧‧運動平台動態模擬單元

45‧‧‧第二人類動感感知單元

46‧‧‧動感資訊輸出單元

Claims

一種動感模擬系統，適用於控制一運動平台，其包含：一動感沖淡濾波模組，包括：一載具狀態參數輸入單元，用以取得一載具輸入訊號；一第一人類動感感知單元，與該載具狀態參數輸入單元連接，以接收該載具輸入訊號並計算出一載具導引訊號；一動感沖淡濾波單元，與該載具狀態參數輸入單元連接，以接收該載具輸入訊號並計算出一動感沖淡濾波訊號；一運動平台動態模擬單元，與該動感沖淡濾波單元連接，以接收該動感沖淡濾波訊號並輸出一模擬輸入訊號；一第二人類動感感知單元，與該運動平台動態模擬單元連接，以接收該模擬輸入訊號並計算出一模擬導引訊號；及一動感資訊輸出單元，與該第一人類動感感知單元及該第二人類動感感知單元連接，以比較該載具導引訊號及該模擬導引訊號，並提供該動感沖淡濾波單元運算，並使該動感沖淡濾波模組控制該運動平台；及一無感沖淡濾波模組，與該動感沖淡濾波模組連接，並包括：一原點回歸單元，提供該無感沖淡濾波模組控制該運動平台移動至一原點位置；及一無感運動單元，提供該無感沖淡濾波模組控制該運動平台之移動。
依據申請專利範圍第1項所述動感模擬系統，其中，無感沖淡濾波模組具有一線性力量門檻參數，及一轉動角速率門檻參數，該線性力量門檻參數提供該無感沖淡濾波模組控制該運動平台之線性移動，該轉動角速率門檻參數提供該無感沖淡濾波模組控制該運動平台之轉動移動。
依據申請專利範圍第2項所述動感模擬系統，其中，該線性力量門檻參數為0.17m/s²~0.28m/s²，該轉動角速率門檻參數為2.6deg/s~3.6deg/s。
依據申請專利範圍第1項所述動感模擬系統，更包含一載具物理訊號輸出模組，與該動感沖淡濾波模組連接，該載具物理訊號輸出模組用以輸出該載具輸入訊號。
依據申請專利範圍第1項所述動感模擬系統，更包含一資訊傳輸模組，該資訊傳輸模組分別用以傳輸該動感沖淡濾波模組及該運動平台間之資訊。
依據申請專利範圍第1項所述動感模擬系統，其中，該運動平台選自於並列式工作平台、串列式工作平台、複合式工作平台、飛行模擬工作平台，其中之一，及其組合。
依據申請專利範圍第1項所述動感模擬系統，其中，該第一人類動感感知單元及該第二人類動感感知單元分別具有一半規管動力式、一轉動角速率門檻參數，及一神經延遲式。
依據申請專利範圍第1項所述動感模擬系統，其中，該第一人類動感感知單元及該第二人類動感感知單元分別具有一內耳石動力式、一線性力門檻參數，及一神經感應式。