Симулятор движения - Motion simulator

Платформа движения базой для тренажера дает все шесть степеней свободы в имитаторе, установленный на опорной плите, используя шесть гнезд, как правило, известные как насекомого

А симулятор движения или же платформа движения это механизм, который создает ощущение присутствия в реальной движущейся среде.^[1] В симуляторе движение синхронизируется с визуальным отображением сцены внешнего мира (OTW). Платформы движения могут обеспечивать движение во всех шесть степеней свободы (DOF), который может испытывать объект, который может свободно перемещаться, например, самолет или космический корабль :.^[1] Это три степени свободы вращения (крен, тангаж, рыскание) и три поступательные или линейные степени свободы (помпаж, вертикальная качка, качание).

Типы

Симуляторы движения могут быть классифицированы в зависимости от того, управляет ли водитель транспортным средством (например, в авиасимуляторе для обучения пилотов) или находится ли пассажир в пассивный всадник, например, в симулятор езды или кинотеатр.^[2]

Пример полнопилотажного тренажера (FFS) с 6-осевой платформой движения гексапода

• Примеры симуляторов движения, управляемых пассажирами: авиасимуляторы, симуляторы вождения, и автогонки игры. Другое, контролируемое жильцом симуляторы транспортных средств имитировать управление лодками, мотоциклами, американскими горками, военными автомобилями, квадроциклами или космическими кораблями, а также другими типами судов.^[3]
• Примеры симуляторов пассивной езды: тематический парк едет, где целая театральная система, с проекционный экран перед сиденьями установлен на исполнительных механизмах, которые автомобиль повышенной подвижности. Видеть Симулятор езды и Симулятор езды раздел этой статьи для получения более подробной информации о симуляторах пассивного движения.

Платформа движения гексапода, используемая в другом симуляторе полета

Платформы движения для авиасимуляторов находятся на высоком уровне, плюс некоторые из более дорогих аттракционов в парках развлечений, в которых используется движущаяся база типа симулятора; аркадные развлекательные устройства находятся посередине, а подвижные платформы для домашнего использования недороги, но не так хороши, как устройства более высокого уровня.

Многие подвижные платформы используются в авиасимуляторах, используемых для обучения пилотов.^[4]

История движения платформ

Одна из первых подвижных платформ, Sanders Teacher, была создана в 1910 году. Это была модель самолета, соединенная с землей универсальным шарниром. При наличии ветра пилот на тренировке мог использовать управляющие поверхности самолета для перемещения модели в трех направлениях. степени свободы тангаж, крен и рыскание.

В 1929 году был достигнут значительный прогресс в технологии подвижных платформ благодаря патенту Эдвина Линка, который стал известен как «Link Trainer». Это использовало ручку управления пилота и органы управления рулем направления для управления мехами органного типа под кабиной тренажера. Сильфоны могли надуваться или сдуваться, создавая движение по тангажу, крену и рысканью.

В 1958 году в имитаторе полета самолета Comet 4 использовалась гидравлическая система с тремя степенями свободы.

Платформы для симуляторов движения сегодня используют 6 домкратов («шестигранники»), обеспечивающие все шесть степеней свободы, три угла поворота по тангажу, крену и рысканью, а также три поступательных движения - подъем (вверх и вниз), качание (вбок) и всплеск (продольный ).

Движения 6 степеней свободы - мощные сигналы в сочетании с изображениями внешнего мира (OTW). Платформы движения вместе с изображениями OTW используются в: симуляторе полета, симуляторе вождения, аттракционах и небольших домашних симуляторах.

Платформа движения используется в военных и коммерческих летная инструкция обучающие приложения. Также в развлекательных устройствах в тематических парках, где пользователи, от одиноких до многих, сидят рядами перед экранами, на которых проецируются изображения, синхронизированные с движениями платформы под кабиной симулятора.

Недорогая система домашнего движения с 3 степенями свободы вращения

Типичная высокопроизводительная система движения - это Платформа Стюарта, который обеспечивает полные 6 степеней свободы (3 перемещения и 3 вращения) и использует сложные алгоритмы для обеспечения точных движений и ускорений. Они используются в ряде приложений, в том числе авиасимуляторы для обучения пилотов.

В середину спектра входят подвижные платформы в аркадных играх, аттракционах и других устройствах. Эти системы находятся в ценовом диапазоне от 10 000 до 99 000 долларов США. Обычно требования к пространству для такой платформы скромные, требуется только часть зала игровых автоматов, а меньший диапазон движения обеспечивается за счет аналогичных, менее дорогих, Системы управления чем платформы высокого класса.

К недорогим системам относятся домашние подвижные платформы, которые в последнее время стали более распространенным устройством, используемым для улучшения видеоигр, моделирования и виртуальной реальности. Эти системы находятся в диапазоне цен от 1000 до 9000 долларов США. В течение 2000-х (десятилетие) несколько физических и юридических лиц разработали эти более мелкие и доступные системы движения. Большинство этих систем были разработаны в основном энтузиастами моделирования полета, продавались как сделай это сам проекты и могут быть собраны дома из общих компонентов примерно за тысячу долларов США (1000 долларов США).^[5] В последнее время на рынке наблюдается повышенный интерес к подвижным платформам для более личного использования в домашних условиях. Применение этих систем управления движением выходит за рамки простого моделирования летных тренировок на более крупный рынок более обобщенных, «ориентированных на ремесло» моделирования, развлечений и виртуальная реальность системы.^[6]

Общее использование

Инженерный анализ

Платформы движения обычно используются в области инженерии для анализа и проверки характеристик и конструкции транспортных средств. Возможность связать компьютерную динамическую модель конкретной системы с физическим движением дает пользователю возможность почувствовать, как транспортное средство будет реагировать на управляющие воздействия, без необходимости создания дорогостоящих прототипов. Например, инженер, проектирующий внешний топливный бак для самолета, может попросить пилота определить влияние на летные качества, или инженер-механик может почувствовать влияние новой тормозной системы, не создавая никакого оборудования, что сэкономит время и деньги.

Авиационные тренажеры также используются производителями самолетов для тестирования нового оборудования. Путем подключения смоделированной кабины с визуальным экраном к реальной системе управления полетом в лаборатории, интеграции пилота с электрическими, механическими и гидравлическими компонентами, имеющимися на реальном летательном аппарате, можно провести полную оценку системы до первоначальных летных испытаний. Этот тип тестирования позволяет моделировать «засеянные неисправности» (т.е. умышленную утечку гидравлической жидкости, ошибку программного обеспечения или выключение компьютера), которые служат для подтверждения того, что избыточные конструктивные особенности самолета работают должным образом. Пилот-испытатель также может помочь выявить недостатки системы, такие как неадекватные или отсутствующие предупреждающие индикаторы или даже непреднамеренное движение ручки управления. Это испытание необходимо для моделирования событий с чрезвычайно высоким риском, которые невозможно провести в полете, но тем не менее необходимо продемонстрировать. Хотя для этого типа испытаний нет необходимости в перемещении с 6 степенями свободы, визуальный экран позволяет пилоту «управлять» летательным аппаратом, одновременно вызывая неисправности.

Симуляторы езды

Основная статья: Симулятор езды

Симуляторы движения иногда используются в парки развлечений или парки развлечений, чтобы дать гостям парка имитацию полета или другого движения.

Некоторые примеры:

• Звездные туры: Приключения продолжаются, расположен в Диснейленд и другие Тематические парки Диснея, используйте специально модифицированные военные симуляторы полета, известные как Симуляторы передовых технологий для досуга (ATLAS) для моделирования полета в космическом пространстве.
• Войны тела (сейчас закрыто) была достопримечательностью в Чудеса жизни павильон в Epcot который использовал ту же технологию, что и Star Tours, чтобы имитировать поездку через человеческое тело.
• Дикая Арктика в SeaWorld Орландо и SeaWorld Сан-Диего.
• Соарин над Калифорнией, находится в Дисней Калифорния Приключения, использует IMAX купольный экран и дельтаплан симуляция, чтобы обеспечить красивый симулированный полет над многими живописными местами Калифорнии.
• StormRider это симулятор езды на Tokyo DisneySea.
• Звездный путь: Опыт был расположен в Лас-Вегасе Хилтон в период с 1998 по 2008 годы. Его «Klingon Encounter» завершился современным полетом на симуляторе полета с 6 степенями свободы, включая соответствующие кадры из фильма о космических битвах.
• Назад в будущее: поездка, симулятор езды на основе Назад в будущее серия фильмов, находится по адресу Юниверсал Студиос Япония, а ранее в Юниверсал Студиос Флорида и Юниверсал Студиос Голливуд. Поездка использовалась DeLorean автомобили-симуляторы, которые смотрели на купольный экран IMAX высотой 70 футов. В 2008 году его заменили в парках Флориды и Голливуда на другой симулятор, Поездка Симпсонов.
• Фантастический мир Ханны-Барбера (сейчас закрыта) была одной из первых достопримечательностей Universal Studios Florida. В поездке использовались ракетные тренажеры и экран размером с театр.
• Nicktoon Blast Джимми Нейтрона (ныне закрытый) находился в тематическом парке Universal Studios во Флориде, где находился «Фантастический мир Ханны-Барбера». В поездке использовались ракетные тренажеры и экран размером с театр.
• В Национальный музей авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия, находится галерея, полная двухместных интерактивных авиасимуляторов, выполняющих вращение ствола на 360 градусов в воздушном бою.^[7][8]
• Европа в воздухе, симулятор езды, расположенный в Busch Gardens Вильямсбург, использует движущуюся платформу, кадры высокой четкости и эффекты ветра для имитации полета над Европа примечательные значки.

Видеоигры

Некоторые игры-симуляторы вождения и полета позволяют использовать специализированные контроллеры, такие как рули, ножные педали или джойстики. В некоторых игровых контроллерах, разработанных в последние годы, используются тактильная технология чтобы обеспечить пользователю тактильную обратную связь в режиме реального времени в виде вибрации от контроллера. Симулятор движения делает следующий шаг, обеспечивая тактильную обратную связь всего тела игрока. Игровые кресла Motion могут катиться влево и вправо, а также наклоняться вперед и назад, чтобы имитировать повороты, ускорения и замедления. Платформы движения обеспечивают более стимулирующий и потенциально реалистичный игровой процесс и обеспечивают еще большую физическую корреляцию со зрением и звуком в игре.

Как физиология человека обрабатывает и реагирует на движение^[9]

То, как мы воспринимаем свое тело и наше окружение, зависит от того, как наш мозг интерпретирует сигналы от наших различных сенсорных систем, таких как зрение, звук, баланс и осязание. Специальные сенсорные устройства (или сенсорные «подушечки»), называемые рецепторами, преобразуют стимулы в сенсорные сигналы. Внешние рецепторы (экстероцепторы) реагируют на раздражители, возникающие вне тела, такие как свет, стимулирующий глаза, звуковое давление, стимулирующее ухо, давление и температура, стимулирующие кожу, и химические вещества, стимулирующие нос и рот. Внутренние рецепторы (энтерорецепторы) реагируют на стимулы, исходящие из кровеносных сосудов.

Постуральная устойчивость поддерживается вестибулярными рефлексами, воздействующими на шею и конечности. Эти рефлексы, которые являются ключом к успешной синхронизации движений, находятся под контролем трех классов сенсорной информации:

• Проприоцепторы это рецепторы, расположенные в мышцах, сухожилиях, суставах и кишечнике, которые посылают в мозг сигналы о положении тела. Пилоты самолетов иногда называют этот тип сенсорной информации «сиденьем штанов», например, увеличение давления на тело, которое ощущается при маневрах с петлей, подтягиваниях и крутых поворотах.
• В вестибулярный аппарат состоит из левого и правого органов «внутреннего уха», каждый из которых имеет полукружные каналы и отолиты. Вращательные ускорения по тангажу, крену и рысканью воспринимаются через движение жидкости в трех полукружных каналах. «Отолиты», представляющие собой сенсорные волоски с небольшой массой карбоната кальция наверху, воспринимают линейные ускорения при подъеме, раскачивании и волоске, так что они изгибаются под действием линейного ускорения.
• Визуальный ввод от глаза передает информацию в мозг о положении, скорости и высоте аппарата относительно объектов в визуальной сцене внешнего мира (OTW). Скорость изменения перспективы движущейся визуальной сцены является сильным сигналом в реальном мире, и визуальная система в симуляторе использует компьютерную графику для моделирования реальной сцены.

Проприоцепторы^[9]

Проприорецепторы - это рецепторы, расположенные в мышцах, сухожилиях, суставах и кишечнике, которые посылают сигналы в мозг пропорционально ускорениям, которым подвержено тело. Примером «популярного» проприорецептора, упомянутого пилотами самолетов, является ощущение «сиденья штанов». Проприорецепторы реагируют на стимулы, генерируемые движением мышц и напряжением мышц. Сигналы, генерируемые экстероцепторами и проприорецепторами, переносятся сенсорными нейронами или нервами и называются электрохимическими сигналами. Когда нейрон получает такой сигнал, он отправляет его соседнему нейрону через мост, называемый синапсом. Синапс «зажигает» импульс между нейронами с помощью электрических и химических средств. Эти сенсорные сигналы обрабатываются мозгом в ответ на сигналы, проходящие по двигательным нервам. Моторные нейроны со своими особыми волокнами передают эти сигналы мышцам, которым предписывается сокращаться или расслабляться.

Все это датчики ускорения и не реагируют при достижении постоянной скорости или скорости. При постоянной скорости визуальные подсказки подают сигналы движения, пока не произойдет еще одно ускорение, и датчики движения тела снова не отправят сигналы в мозг.

В платформах движения имитатора после того, как начальное ускорение произведено, платформа повторно устанавливается в нейтральное положение со скоростью ниже порога движения человека, так что субъект не обнаруживает так называемую фазу «размывания» при подаче сигнала имитатора движения. Затем система движения готова сделать следующее ускорение, которое будет обнаружено объектом, как в реальном мире. Эта так называемая «сигнализация начала ускорения» является важным аспектом в симуляторах с движущимися платформами и моделирует то, как люди ощущают движения в реальном мире.

Вестибулярная система^[9]

Вестибулярная система - это система баланса и равновесия тела, которая включает в себя левый и правый вестибулярные органы «внутреннего уха». Он состоит из трех полукруглых каналов или трубок, расположенных под прямым углом друг к другу. Каждый канал выстлан волосками, соединенными с нервными окончаниями, и частично заполнен жидкостью. Когда голова испытывает ускорение, жидкость движется по каналам, заставляя волосяные фолликулы смещаться с их первоначальной ориентации. В свою очередь, нервные окончания сигнализируют мозгу, который интерпретирует их как ускорение трех вращений: тангажа, крена или рыскания.

Вестибулярная система генерирует рефлексы для поддержания стабильности восприятия и осанки, по сравнению с другими чувствами зрения, осязания и звука, вестибулярный вход регистрируется мозгом быстро, тогда как визуальные изменения, такие как движение перспективы и горизонта, происходят вскоре после этого.^[10] Следовательно, в симуляторе важно, чтобы визуальные подсказки не воспринимались до тех пор, пока не возникнут реплики движения, обратная ситуация в реальном мире или так называемая «симуляторная болезнь».^[11] Во-вторых, если голова испытывает устойчивое ускорение порядка 10-20 секунд, волосяные фолликулы возвращаются в «нулевое» или вертикальное положение, и мозг интерпретирует это как прекращение ускорения. Кроме того, существует более низкий порог ускорения около 2 градусов в секунду, который мозг не может воспринять. Другими словами, медленное движение ниже порога не вызовет вестибулярных сигналов. Как обсуждалось в предыдущем разделе «Проприоцепторы», это позволяет «размывать» движение симулятора ниже порогового значения, чтобы оно было готово к следующему ускорению, которое будет произведено движущейся платформой и определено субъектом симулятора.

Визуальные входы^[9]

В человеческий глаз является важным источником информации при моделировании движения, когда доступно изображение с высоким разрешением, например, днем ​​при хорошей видимости. Глаз передает в мозг информацию о положении, скорости и положении аппарата относительно земли. В результате для реалистичного моделирования важно, чтобы сигналы от движущейся платформы (если она установлена) работали синхронно с внешней визуальной сценой. Как обсуждалось выше, в реальном мире сигналы движения обрабатываются мозгом до визуальных изменений, и это должно сопровождаться симулятором, иначе у некоторых людей может возникнуть тошнота, так называемая «симуляторная болезнь».

Например, если пассажир дает команду автомобилю повернуть влево, визуальные дисплеи также должны катиться с той же силой и с той же скоростью. Одновременно кабина наклоняет пассажира, имитируя движение. Проприорецепторы и вестибулярный аппарат человека ощущают это движение. Движение и изменение визуальных входов должны согласовываться достаточно хорошо, чтобы любое несоответствие было ниже порога агента, позволяющего обнаруживать различия в движении.

Чтобы быть эффективным устройством для тренировки или развлечения, сигналы, которые мозг получает от каждого сенсорного ввода, должны согласовываться.

Симулятор операций

В большинстве существующих систем физически невозможно правильно смоделировать крупномасштабное движение в ограниченном пространстве, доступном в симуляторе. Стандартный подход - как можно точнее имитировать сигналы начального ускорения.^[12]

Линейные движения

В принципе, скорость не может быть непосредственно воспринята с помощью одних только относительных сигналов, таких как сигналы вестибулярной системы. Для такой системы полет в космосе с некоторой постоянной скоростью не отличается от сидения в кресле. Однако изменение скорости воспринимается как ускорение или сила, действующая на человеческое тело. В случае постоянного линейного ускорения замена реальной ситуации проста. Поскольку амплитуда ускорения не очень хорошо воспринимается людьми, можно наклонить объект назад и использовать вектор силы тяжести в качестве замены правильной результирующей силы от силы тяжести и ускорения вперед. В этом случае наклон симулятора назад и поворот визуального изображения на один и тот же угол дает субъекту силу на спине, которая воспринимается как ускорение вперед.

Линейные ускорения^[13]

Линейные ускорения обнаруживаются по отолитам. Структура отолита проще, чем трехосные полукружные каналы, регистрирующие угловые ускорения. Отолиты содержат частицы карбоната кальция, которые отстают от движения головы, отклоняя волосковые клетки. Эти клетки передают информацию о движении в мозг и глазодвигательные мышцы. Исследования показывают, что отолиты обнаруживают тангенциальную составляющую приложенных сил. Модель передаточной функции между воспринимаемой силой ${\displaystyle y(s)}$ и приложенные силы ${\displaystyle f(s)}$ дан кем-то:

${\displaystyle {\frac {y(s)}{f(s)}}={\frac {2.02(s+0.1)}{s+0.2}}}$

На основе экспериментов на центрифуге пороговые значения 0,0011 фут / с² сообщалось; значения до 0,4 фут / с² были зарегистрированы на основе исследований с воздуха в СССР. Те же исследования показывают, что порог не является линейным ускорением, а, скорее, рывком (третья производная от положения по времени), а зарегистрированное пороговое значение составляет порядка 0,1 фут / с.³. Эти результаты подтверждаются ранними исследованиями, показывающими, что кинематика движений человека представлена ​​характеристиками профилей рывков.^[14]

Угловые ускорения^[13]

Угловые ускорения регистрируются полукружными каналами. Три полукружных канала взаимно ортогональны (подобно трехосному акселерометру) и заполнены жидкостью, называемой эндолимфой. В каждом канале есть участок, диаметр которого больше диаметра остального канала. Эта часть называется ампулой и закрывается клапаном, называемым купулой. Угловые ускорения обнаруживаются следующим образом: угловое ускорение заставляет жидкость в каналах перемещаться, отклоняя купулу. Нервы в куполе сообщают о движении как мозгу, так и глазодвигательным мышцам, стабилизируя движения глаз. Модель передаточной функции между воспринимаемым угловым смещением ${\displaystyle y(s)}$ и фактическое угловое смещение ${\displaystyle phi(s)}$ является:

${\displaystyle {\frac {y(s)}{phi(s)}}={\frac {0.07s^{3}(s+50)}{(s+0.05)(s+0.03)}}}$

Модель угла купулы второго порядка ${\displaystyle \theta }$ дан кем-то

${\displaystyle {\ddot {\theta }}+2\zeta \omega _{n}{\dot {\theta }}+\omega _{n}\theta =u(t)}$

куда ${\displaystyle \zeta }$ коэффициент демпфирования, ${\displaystyle \omega _{n}}$ - собственная частота купулы, а ${\displaystyle u(t)}$ - входное угловое ускорение. Ценности ${\displaystyle \zeta }$ сообщалось, что они находятся между 3,6 и 6,7, в то время как значения ${\displaystyle \omega _{n}}$ сообщалось, что оно составляет от 0,75 до 1,9. Таким образом, система чрезмерно демпфированный с отчетливыми, настоящими корнями. Более короткая постоянная времени составляет 0,1 секунды, а более длительная постоянная времени зависит от оси, относительно которой испытуемый ускоряется (крен, тангаж или рыскание). Эти постоянные времени на один-два порядка больше, чем более короткая постоянная времени.

Эксперименты показали, что подопытный человек не может обнаружить угловые ускорения ниже определенного уровня. Ценности ${\displaystyle 0.5^{\circ }/\sec ^{2}}$ сообщалось об ускорениях по тангажу и крену в имитаторе полета.

Подразумеваемое

Вышеупомянутые исследования показывают, что вестибулярная система пилота обнаруживает ускорения до того, как их отображают приборы самолета. Это можно рассматривать как внутренний контур управления, в котором пилоты реагируют на ускорения, которые возникают в симуляторах полного движения и самолетах, но не на стационарных симуляторах. Этот эффект показывает, что при переходе от стационарного тренажера к летательному аппарату существует потенциальный негативный перенос обучения, и указывает на необходимость систем движения для полноценного обучения пилотов.

Физически невозможно точно смоделировать крупномасштабное реальное движение в ограниченном пространстве лаборатории. Стандартный подход к моделированию движения (так называемая метка движения) состоит в том, чтобы как можно точнее имитировать «соответствующие» сигналы, которые запускают восприятие движения. Эти сигналы могут быть визуальными, слуховыми или соматосенсорными по своей природе. Визуальные и слуховые сигналы позволяют людям воспринимать свое местоположение в пространстве в абсолютном масштабе, тогда как соматосенсорные сигналы (в основном проприоцепция и другие сигналы вестибулярной системы) обеспечивают только обратную связь об ускорениях.

Например, рассмотрим поездку в автомобиле, движущемся с произвольной постоянной скоростью. В этой ситуации наше зрение и звук являются единственными подсказками (за исключением вибрации двигателя), что автомобиль движется; на пассажиров автомобиля не действуют другие силы, кроме силы тяжести. Затем рассмотрим тот же пример автомобиля, движущегося с постоянной скоростью, за исключением того, что на этот раз все пассажиры автомобиля с завязанными глазами. Если бы водитель нажал на педаль газа, автомобиль разогнался бы вперед, прижимая каждого пассажира к сиденью. В этой ситуации каждый пассажир почувствовал бы увеличение скорости, ощущая дополнительное давление подушки сиденья.

Реализация с использованием смывных фильтров

Промывочные фильтры являются важным аспектом реализации движущихся платформ, поскольку они позволяют системам движения с их ограниченным диапазоном движения моделировать диапазон моделируемой динамики транспортного средства. Поскольку человек вестибулярный аппарат автоматически повторно центрируется во время устойчивых движений, размывающие фильтры используются для подавления ненужных низкочастотных сигналов при возвращении симулятора в нейтральное положение при ускорениях ниже порога человеческого восприятия. Например, пилот в имитаторе движения может выполнять устойчивый горизонтальный разворот в течение продолжительного периода времени, что потребовало бы, чтобы система оставалась под соответствующим углом крена, но смывающий фильтр позволяет системе медленно возвращаться в положение равновесия при скорость ниже порога, который может обнаружить пилот. Это позволяет более высокоуровневой динамике вычисляемого транспортного средства предоставлять реалистичные сигналы для человеческого восприятия, оставаясь в рамках ограничений симулятора.^[15][16]

Три распространенных типа промывных фильтров включают классический, адаптивный и оптимальный промывные фильтры. Классический размывающий фильтр состоит из линейных фильтров нижних и верхних частот. Сигнал в фильтре делится на поступательный и вращательный сигналы. Фильтры верхних частот используются для моделирования переходных поступательных и вращательных ускорений, а фильтры нижних частот используются для моделирования поддерживающих ускорений.^[17] В адаптивном фильтре смыва используется классическая схема смывающего фильтра, но используется механизм самонастройки, которого нет в классическом фильтре смыва. Наконец, оптимальный фильтр смыва учитывает модели вестибулярной системы.^[16]

Классическое представление управления

Классический промывной фильтр - это просто комбинация высокая частота и фильтры нижних частот; таким образом, реализация фильтра довольно проста. Однако параметры этих фильтров необходимо определять эмпирически. Входными данными для классического фильтра вымывания являются силы и угловая скорость, характерные для транспортного средства. Оба входа выражаются в фиксированной рамке транспортного средства. Поскольку низкочастотная сила является доминирующей в движущей силе, сила фильтруется с помощью фильтра верхних частот и дает переводы симулятора. Примерно такая же операция выполняется для угловой скорости.

Чтобы определить наклон движущейся платформы, механизм наклона сначала подает низкочастотную составляющую силы для расчета вращения. Затем высокочастотная составляющая f используется для ориентации вектора гравитации g платформы симулятора:

${\displaystyle \beta =\sin ^{-1}({\frac {f}{g}})}$

Обычно, чтобы найти положение, фильтр нижних частот (при настройке непрерывного времени) представлен в s-домен со следующими функция передачи:

${\displaystyle LP(s)={\frac {1}{1+sT}}}$

Затем входные данные для фильтра верхних частот рассчитываются в соответствии со следующим уравнением:

${\displaystyle U(s)=(\beta +LP(s))X(s)}$

куда ${\displaystyle X(s)}$ - силовые входы. Тогда фильтр верхних частот может быть представлен согласно (например) следующей серии:

${\displaystyle HP(s)={\frac {Y(s)}{U(s)}}={\frac {s^{2}T_{2}^{2}}{1+s2dT_{2}+s^{2}T_{2}^{2}}}({\frac {1}{s}}){\frac {sT_{1}}{1+sT_{1}}}({\frac {1}{s}})}$

Два интеграторы в этой серии представляют интеграцию ускорения в скорость и скорость в положение соответственно. ${\displaystyle T,}$ ${\displaystyle T_{1}}$, и ${\displaystyle T_{2}}$ представляют параметры фильтра. Очевидно, что выходной сигнал фильтра будет исчезать в установившемся состоянии, сохраняя положение точек равновесия разомкнутого контура. Это означает, что в то время как переходные входы будут «пропущены», входы установившегося состояния не будут, таким образом выполняя требования фильтра.^[18]

Настоящая практика эмпирического определения параметров в фильтре вымывания представляет собой процесс субъективной настройки методом проб и ошибок, посредством которого опытный пилот-оценивающий выполняет заранее определенные маневры. После каждого полета впечатление пилота о движении передается специалисту по фильтрам вымывания, который затем регулирует коэффициенты фильтра вымывания в попытке удовлетворить пилота. Исследователи также предложили использовать парадигму настройки и фиксировать ее с помощью экспертной системы.^[19]

Нелинейный размывающий фильтр

Этот размывающий фильтр можно рассматривать как результат комбинации адаптивного и оптимального размывающего фильтров. Нелинейный подход желателен для дальнейшего максимизации доступных сигналов движения в рамках аппаратных ограничений системы движения, что, таким образом, приводит к более реалистичному восприятию. Например, алгоритм, описанный Даниэлем и Аугусто, вычисляет коэффициент усиления α как функцию состояний системы; таким образом, вымывание меняется во времени. Усиление «α» будет увеличиваться по мере того, как состояния платформы увеличивают свою величину, освобождая место для более быстрого действия управления, чтобы быстро вымыть платформу в исходное положение.Противоположный результат происходит, когда величина состояний платформы мала или уменьшается, продлевая сигналы движения, которые будут поддерживаться в течение более длительных периодов.^[20]

Точно так же работа Телбана и Кардулло добавила интегрированную модель восприятия, которая включает как зрительные, так и вестибулярные ощущения, чтобы оптимизировать восприятие движений человеком. Эта модель, как показано, улучшает реакцию пилота на сигналы движения.^[21]

Адаптивный промывной фильтр

Этот адаптивный подход был разработан в НАСА в Лэнгли. Он состоит из комбинации эмпирически определенных фильтров, в которых несколько коэффициентов изменяются заданным образом, чтобы минимизировать заданную целевую функцию (стоимость). В исследовании, проведенном в Университете Торонто, скоординированный адаптивный фильтр обеспечил «самые благоприятные оценки пилотов» по ​​сравнению с двумя другими типами фильтров смыва. Преимущества этого типа промывного фильтра можно резюмировать двумя основными моментами. Во-первых, адаптивные характеристики дают более реалистичные сигналы движения, когда симулятор находится вблизи своего нейтрального положения, и движение уменьшается только в пределах возможностей системы движения, что позволяет лучше использовать возможности системы движения. Во-вторых, функция стоимости или целевая функция (с помощью которой оптимизируется фильтр вымывания) очень гибкие, и для включения моделей с более высокой точностью могут быть добавлены различные члены. Это позволяет создать расширяемую систему, которая может изменяться с течением времени, в результате чего система реагирует наиболее точно на протяжении всего имитационного полета. Недостатки в том, что поведение трудно отрегулировать, в первую очередь из-за перекрестных каналов. Наконец, время выполнения относительно велико из-за большого количества требуемых вызовов производных функций. Кроме того, по мере введения более сложных функций стоимости соответствующее необходимое время вычислений будет увеличиваться.^[22]

Ограничения

Хотя размывающие фильтры действительно обеспечивают большую полезность для моделирования более широкого диапазона условий, чем физические возможности движущейся платформы, существуют ограничения их производительности и практичности в приложениях моделирования. Фильтры размывания используют ограничения человеческого восприятия для появления большей среды моделирования, чем существует на самом деле. Например, пилот в имитаторе движения может выполнять устойчивый горизонтальный разворот в течение продолжительного периода времени, что потребует от системы нахождения под соответствующим углом крена. В этой ситуации смывной фильтр позволяет системе медленно возвращаться в положение равновесия со скоростью ниже порога, который может обнаружить пилот. Преимущество этого состоит в том, что теперь система движения имеет больший диапазон движения, доступный, когда пилот выполняет свой следующий маневр.

Такое поведение легко применить в контексте моделирования самолетов с очень предсказуемыми и постепенными маневрами (например, для коммерческих самолетов или более крупных транспортных средств). Однако эта медленная, плавная динамика существует не во всех практических средах моделирования и снижает отдачу от размывающих фильтров и системы движения. Возьмем, к примеру, подготовку пилотов-истребителей: в то время как устойчивый крейсерский режим самолета-истребителя может быть хорошо смоделирован в рамках этих ограничений, в ситуациях воздушного боя маневры полета выполняются очень быстро и до крайностей. В этих сценариях у размывающего фильтра нет времени среагировать, чтобы вернуть систему движения в равновесие по диапазону, в результате чего система движения быстро выходит за пределы своего диапазона ограничений движения и фактически перестает точно моделировать динамику. Именно по этой причине системы, основанные на фильтрах движения и размывки, часто зарезервированы для тех, кто испытывает ограниченный диапазон условий полета.

Сами фильтры также могут вводить ложные сигналы, определяемые как: 1) сигнал движения в симуляторе, который находится в направлении, противоположном направлению движения в самолете, 2) сигнал движения в симуляторе, когда в самолете ничего не ожидалось, и 3 ) относительно высокочастотное искажение устойчивой реплики в имитаторе для ожидаемой продолжительной реплики в самолете. Предыдущее определение группирует вместе все ошибки меток, которые приводят к очень значительному снижению воспринимаемой точности движения.^[19] Шесть потенциальных источников ложных сигналов:

• Программное или аппаратное ограничение: когда симулятор приближается к пределу смещения, предоставляются два метода защиты: 1) ограничение программного обеспечения и 2) ограничение оборудования. В любом случае симулятор замедляется, чтобы предотвратить повреждение системы движения. С этим замедлением часто связаны большие ложные сигналы.
• Возврат к нейтрали: этот ложный сигнал связан с перерегулированием фильтров высоких частот для входов ступенчатого типа. Этот тип ответа возникает только в том случае, если используются фильтры верхних частот второго или третьего порядка.
• G-Tilt
• Угловая скорость наклона и координации
• Остаток координации наклона: при устойчивом воздействии удельной силы при раскачивании или волнах симулятор будет достигать установившегося угла наклона или крена из-за координации наклона. Если входной сигнал завершается внезапно, то ответная реакция удельной силы фильтра верхних частот первоначально нейтрализует удельную силу, связанную с наклоном, но только на короткое время, прежде чем ограниченное смещение симулятора запретит поступательное ускорение симулятора. Если наклон убрать быстро, то возникнет ложный сигнал угловой скорости координации наклона; в противном случае оставшийся наклон создаст ощущение ускорения, называемое ложным сигналом остатка координации наклона.
• Координация наклона Угловое ускорение: эта ложная подсказка вызвана угловым ускорением, возникающим в результате координации наклона относительно точки, отличной от головы пилота. Угловое ускорение в сочетании с плечом момента от центра вращения к голове пилота приводит к ложному сигналу удельной силы в голове пилота. Точка, о которой угловые повороты моделируются (так называемой контрольной точка), как правило, в центре тяжести верхней рамы блока опорной для систем движения гексапод.

Влияние

Влияние движения на моделирование и игры^[2][9]

Использование физического движения, применяемого в авиасимуляторах, было предметом дискуссий и исследований. Инженерный отдел Университет Виктории провела серию испытаний в 1980-х годах, чтобы количественно оценить восприятие пилотов авиакомпаний при моделировании полета и влияние движения на среду моделирования. В конце концов, было обнаружено, что наблюдалось определенное положительное влияние на то, как пилоты воспринимали среду моделирования, когда присутствовало движение, и почти единодушная неприязнь к среде моделирования, в которой отсутствует движение.^[23] Вывод, который можно сделать на основании результатов исследования Response of Airline Pilots, заключается в том, что реалистичность моделирования находится в прямой зависимости от точности моделирования на пилоте. Применительно к видеоиграм и оценке в рамках нашего игрового опыта реализм может быть напрямую связан с получением удовольствия от игры игроком. Другими словами, - игры с поддержкой движения более реалистичны, следовательно, более повторяемы и более стимулирующие. Тем не менее, есть неблагоприятные последствия использования движения в моделировании, которые могут отойти от основной цели использования симулятора в первую очередь, например: Морская болезнь. Например, были сообщения о том, что военные пилоты теряли свой вестибулярный аппарат из-за того, что двигали головой в симуляторе, подобно тому, как они делали бы это в реальном самолете, чтобы сохранить свою чувствительность к ускорениям. Однако из-за ограничений на ускорение симулятора этот эффект становится пагубным при переходе обратно к реальному самолету.

Побочные эффекты (симуляторная болезнь)

Болезнь движения или симулятора: Симуляторы работают, «обманывая» разум, заставляя его поверить в то, что входные данные, которые он получает от визуальных, вестибулярных и проприоцептивных входов, представляют собой определенный тип желаемого движения. Когда один из сигналов, полученных мозгом, не коррелирует с другими, может возникнуть укачивание. В принципе, симуляторная болезнь - это просто форма укачивания, которая может возникнуть в результате несоответствия между сигналами от трех физических источников входных сигналов. Например, поездка на корабле без окон посылает сигнал о том, что тело ускоряется и вращается в различных направлениях от вестибулярной системы, но зрительная система не видит движения, так как комната движется так же, как и человек. В этой ситуации многие почувствовали бы укачивание.

Наряду с болезнью от симулятора после воздействия симуляции движения наблюдались дополнительные симптомы. Эти симптомы включают в себя чувство тепла, бледности и потливости, депрессию и апатию, головную боль и чувство полноты в голове, сонливость и усталость, трудности с фокусировкой глаз, напряжение глаз, нечеткое зрение, отрыжку, трудности с концентрацией внимания и визуальные воспоминания. Длительные эффекты этих симптомов иногда продолжались до одного-двух дней после воздействия симулятора движения.

Факторы, способствующие развитию болезни на тренажере

Несколько факторов способствуют развитию симуляционной болезни, которую можно разделить на человеческие факторы, использование симулятора и оборудование. Общие человеческие переменные факторы включают восприимчивость, часы полета, физическую форму и лекарства / наркотики. Различия индивидуальной восприимчивости к укачиванию являются доминирующим фактором, способствующим болезни на тренажере. Увеличение количества часов налета также является проблемой для пилотов, поскольку они привыкают к реальному движению в автомобиле. Факторами, способствующими использованию симулятора, являются адаптация, искаженное или сложное содержание сцены, большая продолжительность симуляции и замораживание / сброс. Фиксация / сброс относится к начальной или конечной точкам моделирования, которые должны быть как можно ближе к устойчивым и ровным условиям. Ясно, что если симуляция завершается в середине экстремального маневра, то система IMU испытуемых, вероятно, будет искажена. Факторами оборудования тренажера, которые способствуют укачиванию, являются качество системы движения, качество визуальной системы, внеосевое наблюдение, плохо выровненная оптика, мерцание и задержка / несоответствие между визуальной и двигательной системами. Проблема задержки / несоответствия исторически была проблемой в технологии симуляторов, где временная задержка между вводом данных пилотом и системами визуализации и движения может вызвать путаницу и в целом снизить производительность симулятора.

Повышение производительности с помощью симуляторов движения

Платформы движения могут воспроизводить ощущение реального движения только при начальном ускорении. Его нельзя поддерживать из-за физических ограничений размера движущейся платформы. Однако датчики движения человеческого тела реагируют на ускорения, а не на устойчивое движение, и поэтому движущаяся платформа может воспроизводить сигналы движения. Датчики движения человека состоят из внутреннего уха (вестибулярного аппарата) с тремя полукружными каналами для определения вращения и отолит органы для измерения линейных ускорений. Платформы движения Hexapod используются в полнопилотажных тренажерах, которые используются для обучения пилотов гражданской авиации во всем мире в соответствии с правилами Международной организации гражданской авиации (ИКАО) и региональных органов гражданской авиации, таких как EASA.^{[требуется разъяснение ]} в Европе и FAA^{[требуется разъяснение ]} в США.

Преимущества и недостатки моделирования в обучении

Преимущества

• Тренажеры являются безопасным средством обучения управлению потенциально опасными летательными аппаратами (например, самолетами).
• Стоимость обучения на реальном оборудовании иногда может превышать стоимость симулятора.
• Время между тренировками может быть сокращено, поскольку это может быть так же просто, как сброс системы движения до начальных условий.

Недостатки

• Истинная среда не может быть воспроизведена идентично; поэтому пилот / гонщик может быть сбит с толку отсутствием ожидаемых ощущений или не подготовлен к реальной обстановке.
• Выравнивание всех входных сигналов датчиков для устранения или, по крайней мере, снижения риска «симуляционной болезни» может оказаться сложной задачей.^[24]
• Возраст участников, а также количество опыта в реальной среде изменяют реакцию на моделируемую среду.^[24]

Смотрите также

• Степени свободы (механика)
• Симулятор вождения
• Полнофункциональный гоночный симулятор
• Симулятор полета
• Кинематика
• Симулятор болезни
• Платформа Стюарта
• Вестибулярная система

Рекомендации

^[18]

1. «Платформы для движения или сиденья для движения?» (PDF). Филип Денн, Transforce Developments Ltd., 1 сентября 2004 г. Архивировано из оригинал (PDF) 31 марта 2010 г.. Получено 2010-03-21.
2. "SimCraft :: Полноформатные симуляторы военного уровня для SimRacing и FlightSim". SimCraft Corporation. 2006-06-12.
3. Роллингс, Андрей; Эрнест Адамс (2003). Эндрю Роллингс и Эрнест Адамс о дизайне игр. Издательство «Новые райдеры». С. 395–415. ISBN  1-59273-001-9.
4. Пейдж, Рэй Л. "Краткая история моделирования полета". В SimTechT 2000 Труды. Сидней: Организационный и технический комитет SimtechT 2000, 2000
5. «Сообщество XSimulator DIY Motion Simulator». xsimulator.net. 2013-09-24.
6. Николя А. Пулио; Клеман М. Госслен; Мейер А. Нахон (январь 1998 г.). «Возможности моделирования движения тренажера с тремя степенями свободы». Журнал самолетов. 35 (1): 9–17. Дои:10.2514/2.2283.
7. «Симуляторы». Архивировано из оригинал на 2008-09-30. Получено 2008-09-24.
8. «Интерактивный имитатор полета И-360». Архивировано из оригинал на 2008-10-03. Получено 2008-09-24.
9. «Платформы движения». Moorabbin Flying Services. 2006-06-12. Архивировано из оригинал на 2009-08-30. Получено 2009-08-12.
10. Barnett-Cowan, M .; Харрис, Л. Р. (2009). «Воспринимаемое время вестибулярной стимуляции относительно прикосновения, света и звука». Экспериментальное исследование мозга. 198 (2–3): 221–231. Дои:10.1007 / s00221-009-1779-4. PMID  19352639.
11. Грант, П; Ли, ПТС (2007). «Движение-визуальное обнаружение фазовой ошибки в имитаторе полета». J Aircr. 44 (3): 927–935. Дои:10.2514/1.25807.
12. Маркус фон дер Хейде и Бернхард Э. Рике (декабрь 2001 г.). «Как жульничать в моделировании движения - сравнение инженерного подхода и подходов к управлению движением». CiteSeerX  10.1.1.8.9350.
13. "Аллертон, Д. (2009). Принципы имитации полета. John Wiley & Sons, Ltd.
14. Флэш, Тамар; Хоган, Невилл (1985). «Координация движений рук: экспериментально подтвержденная математическая модель». Журнал неврологии. 5 (7): 1688–1703. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.05-07-01688.1985. ЧВК  6565116. PMID  4020415.
15. Chen, S.H .; Фу, Л. (2010). «Оптимальная конструкция фильтра смыва для подвижной платформы с бессмысленными маневрами углового масштабирования». Труды Американской конференции по контролю: 4295–4300.
16. Grant, P.R .; Рид, Л. (1997). «Настройка фильтра смыва движения: правила и требования». Журнал самолетов. 34 (2): 145–151. Дои:10.2514/2.2158.
17. Springer, K .; Gattringer, H .; Бремер, Х. (2011). «К концепциям размывающих фильтров для симуляторов движения на основе платформы Стюарта». ПАММ. 11 (1): 955–956. Дои:10.1002 / pamm.201110448.
18. Р. Граф и Р. Диллманн, «Активная компенсация ускорения с помощью платформы Стюарта на мобильном роботе», в Proc. 2-й семинар Euromicro Advanced Mobile Robots, Брешия, Италия, 1997, стр. 59-64.
19. Grant, P.R .; Рид, Л. (1997). «ПРОТЕСТ: Экспертная система для настройки промывных фильтров симулятора». Журнал самолетов. 34 (2): 145–151. Дои:10.2514/2.2158.
20. Даниэль, Б. «Движение в симуляторе вождения Чалмерса: подход к управлению на основе оптимизации» (PDF). Университет Чалмерса. Получено 14 апреля 2014.
21. Телбан, Р.Дж. (Май 2005 г.). Разработка алгоритма подсказки движения: ориентированный на человека линейный и нелинейный подходы (PDF). Отчет подрядчика НАСА CR-2005-213747.
22. Nahon, M.A .; Рид, Л. (1990). "Алгоритмы движения-привода тренажера - взгляд конструктора". Журнал руководства, управления и динамики. 13 (2): 356–362. Bibcode:1990JGCD ... 13..356N. Дои:10.2514/3.20557.
23. Ллойд Д. Рид; Мейер А. Нахон (июль 1988 г.). «Реакция пилотов авиакомпаний на вариации алгоритмов движения авиасимулятора». Журнал самолетов. 25 (7): 639–646. Дои:10.2514/3.45635.
24. Исследовательский институт поведенческих и социальных наук армии США (апрель 2005 г.). «Введение и обзор исследований болезни на тренажерах» (PDF).