모션 시뮬레이터

모션 시뮬레이터 또는 모션 플랫폼은 실제 모션 ^[1]환경에 있는 느낌을 만드는 메커니즘입니다.시뮬레이터에서 움직임은 외부 세계(OTW) 장면의 시각적 디스플레이와 동기화됩니다.모션 플랫폼은 항공기나 우주선과 같이 자유롭게 움직일 수 있는 물체가 경험할 수 있는 모든 6가지 자유도(DOF)의 움직임을 제공할 수 있습니다.^[1]3개의 회전 자유도(롤, 피치, 요)와 3개의 좌우 또는 선형 자유도(서지, 히브, 흔들림)가 있습니다.

종류들

모션 시뮬레이터는 탑승자가 차량을 제어하고 있는지(예: 조종사 교육을 위한 Flight Simulator) 또는 탑승자가 시뮬레이터 승차 또는 모션 ^[2]시어터와 같은 수동 라이더인지 여부에 따라 분류할 수 있습니다.

• 승객 제어 모션 시뮬레이터의 예로는 비행 시뮬레이터, 운전 시뮬레이터, 레이싱 게임 및 기타 아케이드 비디오 게임을 위한 유압 아케이드 캐비닛 등이 있습니다.다른 탑승자 제어 차량 시뮬레이션 게임은 보트, 오토바이, 롤러코스터, 군용 차량, ATV 또는 우주선의 제어를 시뮬레이션합니다.^[3]
• 패시브 라이드 시뮬레이터의 예로는 극장 시스템 전체가 라이더 앞에 있는 테마파크 라이드가 있습니다.모션 시뮬레이터 베이스도 확장 모션 차량과 마찬가지로 휴대할 수 있습니다.패시브 모션 시뮬레이터에 대한 자세한 내용은 이 문서의 시뮬레이터 승차 및 승차 시뮬레이터 섹션을 참조하십시오.

항공기 시뮬레이터를 위한 모션 플랫폼은 하이엔드에 있으며, 시뮬레이터형 모션 베이스를 사용하는 보다 비싼 놀이공원 놀이기구도 일부 있다. 아케이드 놀이 장치는 중간에 있으며, 가정용 모션 플랫폼은 저비용이지만 높은 수준의 장치를 사용할 수 없다.

많은 모션 플랫폼이 ^[4]조종사를 훈련시키기 위해 사용되는 비행 시뮬레이터에 사용됩니다.

이 섹션은 확인을 위해 추가 인용문이 필요합니다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 기사를 개선하는 데 도움을 주십시오. 조달되지 않은 자재는 제거될 수 있습니다.(2022년 8월) (이 템플릿메시지를 삭제하는 방법과 타이밍에 대해 알아보기)

모션 플랫폼의 역사

최초의 모션 플랫폼 중 하나인 Sanders Teacher는 1910년에 만들어졌다.이것은 범용 이음매로 지상에 연결된 모형 항공기였다.바람이 있을 때, 훈련 중인 조종사는 항공기의 제어 표면을 사용하여 3개의 회전 자유도 피치, 롤링, 요로 모델을 이동할 수 있었다.

1929년 에드윈 링크의 "링크 트레이너" 특허로 모션 플랫폼 기술이 크게 발전했습니다.이것은 조종사의 조종봉과 방향타 컨트롤을 사용하여 시뮬레이터 조종석 아래에 있는 오르간 형태의 벨로우즈를 조종했다.벨로즈는 팽창 또는 수축하여 피치, 롤링 및 요의 움직임을 제공할 수 있습니다.

1958년 Comet 4 항공기의 비행 시뮬레이터는 자유도 3도 유압 시스템을 사용했다.

오늘날 시뮬레이터 모션 플랫폼은 6개의 잭("헥사포드")을 사용하여 6개의 자유도, 3개의 회전 피치, 롤링 및 요, 그리고 3개의 회전 이동(상하 이동), 흔들림(측면 이동), 서지(종방향)를 제공합니다.

6 도프 모션은 외부(OTW) 이미지와 결합하면 강력한 신호입니다.모션 플랫폼은 OTW 이미지와 함께 비행 시뮬레이션, 주행 시뮬레이션, 놀이 기구 및 소형 가정용 시뮬레이터에 사용됩니다.

모션 플랫폼은 군사 및 상업용 비행 지침 훈련 애플리케이션에 사용됩니다.또한 테마파크의 엔터테인먼트 기기에서는 싱글 유저부터 다수의 유저가, 사진이 투영되는 화면 앞에 일렬로 앉아, 시뮬레이터 캡 아래의 플랫폼으로부터의 움직임과 동기합니다.

전형적인 하이엔드 모션 시스템은 Stewart 플랫폼입니다.Stewart 플랫폼은 완전한 자유도(3번 변환 및 3번 회전)를 제공하며, 고도의 알고리즘을 사용하여 높은 충실도의 모션과 가속을 제공합니다.이들은 조종사 훈련을 위한 비행 시뮬레이터를 포함한 많은 응용 프로그램에 사용된다.

스펙트럼의 중앙에는 아케이드 오락 게임, 놀이기구 및 기타 배치의 모션 플랫폼이 포함됩니다.이러한 시스템의 가격은 10,000달러에서 99,000달러 사이입니다.일반적으로 이러한 플랫폼의 공간 요건은 아케이드 룸의 일부만을 필요로 하며, 하이엔드 플랫폼보다 더 적은 범위의 움직임이 유사하고 저렴한 제어 시스템을 통해 제공됩니다.

1980년대에는 아케이드 비디오 게임이 유압 모션 시뮬레이터 아케이드 ^[5][6]캐비닛을 사용하는 것이 유행이 되었다.이러한 경향은 세가의 "태권" 게임에 의해 촉발되었으며,^[6] "태권"은 일본어로 "몸의 감각"을 의미한다.세가가 모션 시뮬레이터 캐비닛을 사용한 첫 번째 게임은 Space Tactics(1981년)로, 화면상의 ^[5]액션과 동시에 화면이 움직이는 조종석 캐비닛을 가지고 있었다.이후 세가(현 세가 AM2)의 스즈키 유우('')의 팀이 게임 내 ^[7]액션을 제어하기 위해 플레이어가 앉아서 오토바이를 움직이는 레이싱 비디오 게임 행온(1985년)을 개발하면서 대칸 추세가 시작됐다.세가의 스즈키 팀은 스페이스 해리어(1985년), 아웃런(1986년), 애프터 버너(1987년), G-LOC: 에어 배틀(1990년)과 같은 전투 비행 시뮬레이터를 위한 유압 모션 시뮬레이터 조종실 캐비닛을 가지고 그것을 따랐다.오락실의 가장 정교한 모션 시뮬레이터 캐비닛 중 하나는 ^[5][8]세가의 R360(1990)으로, 항공기의 360도 회전을 시뮬레이션했다.Sega는 이후 ^[5]2010년대까지 아케이드 게임용 모션 시뮬레이터 캐비닛을 계속 제작해 왔다.

저비용 시스템에는 가정용 모션 플랫폼이 포함되어 있으며, 최근에는 비디오 게임, 시뮬레이션 및 가상 현실을 향상시키는 데 사용되는 더 일반적인 장치가 되었습니다.이러한 시스템의 가격은 1,000달러에서 9,000달러 사이입니다.2000년대(10년) 동안 여러 개인과 사업체가 보다 작고 저렴한 모션 시스템을 개발했습니다.이러한 시스템의 대부분은 주로 비행 시뮬레이션 애호가들에 의해 개발되었으며, 자체 프로젝트와 마찬가지로 판매되었으며, 일반 부품에서 약 1,000달러(약 1,000달러)^[9]로 가정에서 조립할 수 있었습니다.최근, 보다 개인적이고 가정적인 사용을 위한 모션 플랫폼에 대한 시장의 관심이 높아지고 있습니다.이러한 모션 시스템의 적용은 단순한 비행 훈련 시뮬레이션을 넘어 보다 일반화된 "공예 지향"^[10] 시뮬레이션, 엔터테인먼트 및 가상 현실 시스템의 더 큰 시장으로 확대됩니다.

일반적인 용도

엔지니어링 분석

모션 플랫폼은 일반적으로 엔지니어링 분야에서 차량 성능 및 설계의 분석 및 검증을 위해 사용됩니다.특정 시스템의 컴퓨터 기반 동적 모델을 물리적 움직임과 연결할 수 있는 기능은 사용자가 값비싼 프로토타입을 제작할 필요 없이 제어 입력에 차량이 어떻게 반응하는지 느낄 수 있는 능력을 제공합니다.예를 들어, 항공기용 외부 연료 탱크를 설계하는 엔지니어는 조종사에게 비행 품질에 미치는 영향을 결정하게 하거나 기계 엔지니어는 하드웨어를 구축하지 않고도 새로운 브레이크 시스템의 영향을 느껴 시간과 비용을 절약할 수 있다.

비행 시뮬레이터는 항공기 제조사에서도 새로운 하드웨어를 테스트하기 위해 사용됩니다.시각화면이 있는 모의 조종석을 실험실의 실제 비행제어시스템에 연결하고 조종사를 실제 항공기에 존재하는 전기, 기계, 유압 부품과 통합함으로써 초기 비행시험 전에 완전한 시스템 평가를 실시할 수 있다.이러한 유형의 시험을 통해 항공기의 중복 설계 기능이 의도한 대로 작동하는지 검증하는 역할을 하는 "시드 결함"(즉, 의도적인 유압 누출, 소프트웨어 오류 또는 컴퓨터 종료)을 시뮬레이션할 수 있다.또한 테스트 파일럿은 경고등이 불충분하거나 누락되거나 의도하지 않은 컨트롤 스틱 동작 등의 시스템 결함을 식별하는 데 도움이 됩니다.이 시험은 비행 중 수행될 수 없는 극도로 높은 위험 사건을 시뮬레이션하기 위해 필요하지만 그럼에도 불구하고 입증되어야 한다.이러한 유형의 테스트에는 6 자유도가 필요하지 않지만, 시각적 화면을 통해 조종사는 고장이 동시에 트리거되는 동안 항공기를 "비행"할 수 있다.

라이드 시뮬레이터

모션 시뮬레이터는 테마파크나 놀이공원에서 가끔 사용되어 공원 투숙객들에게 비행이나 다른 동작의 시뮬레이션을 제공한다.

몇 가지 예:

• 스타 투어: 디즈니랜드와 다른 디즈니 테마파크에 위치한 어드벤처 컨티뉴는 첨단 기술 레저 애플리케이션 시뮬레이터(ATLAS)로 알려진 목적에 맞게 수정된 군사 비행 시뮬레이터를 사용하여 우주 공간을 통한 비행을 시뮬레이션합니다.
• 바디워즈(현재는 폐쇄)는 엡콧에 있는 생명의 불가사의 전시관에 있는 명소로, 인체를 통과하는 탑승을 시뮬레이션하기 위해 스타 투어와 같은 기술을 사용했다.
• SeaWorld Orlando와 SeaWorld San Diego의 야생 북극.
• Disney California Adventure에 위치한 Soarin' Over California는 IMAX 돔 스크린과 행글라이더 시뮬레이션을 사용하여 캘리포니아의 많은 경치 좋은 장소들 위를 아름다운 모의 비행을 제공한다.
• Nemo & Friends SeaRider는 도쿄 디즈니 바다의 시뮬레이터 놀이기구입니다.
• 스타트렉: 더 익스피리언스는 1998년과 2008년 사이에 라스베이거스 힐튼에 있었다.'클링온 인튜드'는 최첨단 비행 시뮬레이터로 절정을 이뤘다.여기에는 우주 전투 영상도 포함되어 있다.
• 미래로 돌아가기: 백 투 더 퓨처 영화 시리즈를 기반으로 한 시뮬레이터 라이드(The Ride)는 유니버설 스튜디오 플로리다, 유니버설 스튜디오 할리우드, 유니버설 스튜디오 재팬에 위치해 있었다.이 놀이기구는 70피트 높이의 아이맥스 돔 스크린을 마주한 드로리언 기반의 시뮬레이터 자동차를 사용했다.2008년 플로리다와 할리우드 공원에서 심슨 라이드라는 또 다른 시뮬레이터 놀이기구로 대체되었다.
• Funtastic World of Hanna-Barbera(현재는 폐쇄)는 유니버설 스튜디오 플로리다의 오리지널 어트랙션 중 하나였다.이 놀이기구는 로켓 기반의 시뮬레이터 자동차와 극장 크기의 스크린을 사용했다.
• 지미 뉴트론의 닉툰 블라스트(현재 폐쇄)는 펀타스틱 월드 오브 한나 바베라가 있던 플로리다 유니버설 스튜디오 테마파크에 있었다.이 놀이기구는 로켓 기반의 시뮬레이터 자동차와 극장 크기의 스크린을 사용했다.
• 워싱턴 D.C.에 있는 국립항공우주박물관에는 공중전에서 ^[11][12]360도 회전하는 2인승 인터랙티브 비행 시뮬레이터가 전시되어 있습니다.
• Europe in the Air는 Busch Gardens Williamsburg에 위치한 시뮬레이터 놀이기구로서 모션 플랫폼, 고화질 영상 및 바람 효과를 사용하여 유럽의 주목할 만한 아이콘 위를 비행하는 것을 시뮬레이션합니다.
• VRM 스위스와 Airbus 헬리콥터는 EASA 규정에 따라 세계 최초의 H125 가상현실 비행 훈련 장치 레벨 3에 따라 협력하고 자격을 부여합니다.

비디오 게임

일부 주행 및 비행 시뮬레이션 게임에서는 스티어링 휠, 풋 페달 또는 조이스틱과 같은 특수 컨트롤러를 사용할 수 있습니다.최근 몇 년간 설계된 일부 게임 컨트롤러는 컨트롤러로부터의 진동 형태로 사용자에게 실시간 촉각 피드백을 제공하기 위해 햅틱 기술을 채택했습니다.모션 시뮬레이터는 유기자에게 전신 촉각 피드백을 제공함으로써 다음 단계를 밟는다.모션 게임용 의자는 좌우로 롤링하여 앞뒤로 회전, 가속 및 감속 시뮬레이션을 할 수 있습니다.모션 플랫폼은 보다 자극적이고 잠재적으로 사실적인 게임 경험을 가능하게 하며, 게임 플레이에서 시각과 소리와의 물리적 상관 관계를 더욱 높일 수 있습니다.

인간의 생리학이 움직임을 처리하고 반응하는^[13] 방법

우리가 우리의 몸과 주변을 인식하는 방법은 우리의 뇌가 시각, 소리, 균형 그리고 촉각과 같은 다양한 감각 시스템으로부터 오는 신호를 해석하는 방법의 기능이다.수용체라고 불리는 특별한 감각 픽업 유닛(또는 감각 "패드")은 자극을 감각 신호로 변환합니다.외부 수용체(외수용체)는 눈을 자극하는 빛, 귀를 자극하는 음압, 피부를 자극하는 압력과 온도, 코와 입을 자극하는 화학물질 등 몸 밖에서 발생하는 자극에 반응한다.내부 수용체(장수용체)는 혈관 내에서 발생하는 자극에 반응한다.

목과 팔다리에 작용하는 전정반사를 통해 자세의 안정성이 유지됩니다.움직임 동기화에 중요한 이러한 반사 작용은 세 가지 종류의 감각 입력에 의해 제어됩니다.

• 자가수용체는 근육, 힘줄, 관절, 그리고 내장에 위치한 수용체로 몸의 위치에 관한 신호를 뇌에 보낸다.항공기 조종사는 이러한 유형의 감각 입력을 "바지의 좌석"이라고 부르기도 한다. 예를 들어 루프 기동, 풀업 및 가파른 선회 시 신체에 가해지는 압력 증가이다.
• 전정계는 "내이"의 왼쪽과 오른쪽 장기로 구성되어 있으며, 각각의 장기는 반고리관과 이석을 가지고 있습니다.피치, 롤 및 요의 회전 가속도는 세 개의 반원형 관로 내 유체의 이동을 통해 감지됩니다.히브, 흔들림, 서지에서의 선형 가속은 "이토리스"에 의해 감지되는데, "이토리스"는 위에 작은 탄산칼슘 덩어리가 있어 선형 가속으로 구부러집니다.
• 눈으로부터의 시각적 입력은 외부 세계(OTW) 시각 장면에서 사물에 대한 비행체의 위치, 속도 및 고도에 대한 정보를 뇌에 전달합니다.움직이는 시각 장면의 원근법 변화 속도는 현실에서 강력한 신호이며 시뮬레이터의 시각 시스템은 실제 장면을 모델링하기 위해 컴퓨터 그래픽을 사용합니다.

프로퍼셉터^[13]

자가수용체는 근육, 힘줄, 관절 및 내장에 위치한 수용체로, 신체가 영향을 받는 가속도에 비례하여 뇌에 신호를 보낸다.항공기 조종사들이 언급한 "인기 있는" 소유자의 예는 "바지의 좌석"에 있는 느낌이다.고유 수용체는 근육의 움직임과 근육의 긴장에 의해 생성된 자극에 반응한다.외부 수용체와 자체 수용체에 의해 생성된 신호는 감각 뉴런이나 신경에 의해 전달되며 전기화학적 신호라고 불립니다.뉴런이 그러한 신호를 받으면, 시냅스라고 불리는 다리를 통해 인접한 뉴런에 신호를 보낸다.시냅스는 전기와 화학적 수단을 통해 뉴런 사이의 자극을 "스파크"한다.이 감각 신호들은 운동 신경을 따라 이동하는 신호에 반응하여 뇌에 의해 처리된다.운동 신경 세포는 특별한 섬유와 함께 이러한 신호를 근육으로 전달하는데, 근육은 수축하거나 이완하도록 지시받습니다.

모두 가속도 센서이며 일정한 속도 또는 속도에 도달하면 반응하지 않습니다.일정한 속도에서, 시각적인 신호들은 다른 가속이 일어날 때까지 움직임의 신호를 주고 몸의 움직임 센서는 다시 한번 뇌로 신호를 보냅니다.

시뮬레이터 모션 플랫폼에서는 초기 가속도가 생성된 후 피험자가 시뮬레이터 모션 큐잉의 이른바 "세척" 위상을 검출하지 않도록 플랫폼이 사람의 모션 임계값보다 낮은 속도로 중립 위치로 재설정된다.그런 다음 모션 시스템은 실제 세계에서와 같이 피험자가 감지할 다음 가속을 할 준비가 됩니다.이른바 "가속 시작 신호"는 모션 플랫폼을 갖춘 시뮬레이터에서 중요한 측면이며 실제 세계에서 인간이 움직임을 느끼는 방식을 모델링합니다.

전정계^[13]

전정계는 "내이"의 좌우 전정기관을 포함하는 신체의 균형과 평형 시스템이다.그것은 서로 직각으로 배치된 세 개의 반원형 관, 즉 튜브로 구성되어 있다.각각의 관은 신경 말단에 연결된 털로 되어 있고 부분적으로 액체로 채워져 있다.머리가 가속을 경험할 때 액체가 관 안에서 움직이며 모낭이 초기 방향에서 움직이게 됩니다.차례로, 신경 말단은 뇌로 신호를 보내고, 이것은 세 번의 회전 피치, 롤링 또는 요에서의 가속으로 해석됩니다.

전정계는 지각과 자세의 안정성을 유지하기 위해 반사작용을 발생시키는데, 다른 시각, 촉각, 소리 감각에 비해 전정 입력은 뇌에 의해 빠르게 등록되는 반면, ^[14]원근법이나 수평선 움직임과 같은 시각적 변화는 곧 뒤따른다.따라서 시뮬레이터에서는 동작 신호, 실제 상황의 반대 또는 소위 "시뮬레이터 질병"이 ^[15]발생하기 전에 시각적 신호를 인식하지 않는 것이 필수적이다.둘째, 만약 머리가 10초에서 20초 정도의 지속적인 가속을 경험한다면, 모낭은 "제로" 또는 수직 위치로 돌아가고 뇌는 이것을 가속이 멈추는 것으로 해석합니다.게다가, 뇌가 감지할 수 없는 초당 약 2도의 낮은 가속 역치가 있다.즉, 임계값 미만의 느린 동작은 전정 신호를 생성하지 않습니다.앞의 "수용체" 섹션에서 설명한 바와 같이, 이를 통해 시뮬레이터 모션을 임계값 이하로 "세척"하여 모션 플랫폼에 의해 생성되고 시뮬레이터 피사체에 의해 감지되는 다음 가속을 준비할 수 있습니다.

시각적^[13] 입력

인간의 눈은 낮과 같이 가시성이 좋은 고해상도 사진을 사용할 수 있는 모션 시뮬레이션에서 중요한 정보원이다.눈은 우주선의 위치, 속도, 지면에 대한 자세에 대한 정보를 뇌에 전달합니다.따라서 모션 플랫폼(장착된 경우)의 신호가 외부 시각 장면과 동기화하여 작동하는 현실적인 시뮬레이션이 필수적이다.위에서 논의한 바와 같이, 현실에서 동작 신호는 시각적인 변화 전에 뇌에 의해 처리되며, 이는 시뮬레이터나 어지럼증 그리고 심지어 메스꺼움까지 일부 사람들에게 발생할 수 있습니다. 이른바 "시뮬레이터 병"입니다.

예를 들어, 탑승자가 차량을 좌측으로 롤링하도록 명령하는 경우 시각적 디스플레이도 동일한 크기와 속도로 롤링해야 합니다.동시에 캡은 탑승자를 기울여 동작을 모방한다.탑승자의 자체 수용체와 전정 시스템이 이 움직임을 감지합니다.시각적 입력의 움직임과 변화는 움직임의 차이를 감지할 수 있도록 탑승자의 임계값보다 낮게 조정되어야 합니다.

효과적인 훈련이나 오락 장치가 되기 위해서, 뇌가 신체의 각 감각 입력에 의해 받는 신호들은 일치해야 한다.

시뮬레이터 조작

대부분의 기존 시스템에서는 시뮬레이터에서 사용할 수 있는 제한된 공간에서 대규모 동작을 정확하게 시뮬레이션하는 것이 물리적으로 불가능합니다.표준 접근법은 초기 가속 신호를 가능한 ^[16]한 가깝게 시뮬레이션하는 것이다.

선형 이동

원칙적으로 속도는 전정계의 신호처럼 상대적인 신호만으로는 직접 지각될 수 없다.그러한 시스템에서 일정한 속도로 우주를 비행하는 것은 의자에 앉아 있는 것과 다르지 않다.그러나 속도 변화는 가속 또는 인체에 작용하는 힘으로 인식된다.일정한 직선 가속의 경우, 실제 상황을 대체하는 방법은 간단하다.가속도의 진폭이 사람에 의해 잘 인식되지 않기 때문에, 피사체를 뒤로 기울일 수 있고 중력 벡터를 중력과 전진 가속도의 정확한 결과 힘에 대한 대체물로 사용할 수 있다.이 경우 시뮬레이터를 뒤로 젖히고 동일한 각도로 시각 사진을 회전시키면 피사체가 전진 가속도로 인식되는 힘을 등에 가할 수 있습니다.

선형 가속^[17]

선형 가속은 이석에 의해 검출됩니다.이석 구조는 각가속도를 검출하는 3축 반원관보다 단순합니다.이석은 머리 움직임에 뒤처져 머리카락 세포를 비껴가는 탄산칼슘 입자를 포함하고 있다.이 세포들은 운동 정보를 뇌와 안구 운동 근육으로 전달합니다.연구에 따르면 이석은 가해진 힘의 접선 성분을 감지하는 것으로 나타났다.$인식$된 힘$(\$$displaystyle$ y$(s))$와 적용된 $힘{\displaystyle }$ f$(s) 사이$의 전달 함수 모델은 다음과 같습니다.

${\displaystyle {y(s)}{f(s)}=420frac {2.02(s+0.1)}{s+0}.2}}}$

원심분리 실험을 바탕으로 임계값이 0.0011 ft²²/s로 보고되었으며, 최대 값은 구소련의 공중 연구에 기초해 보고되었다.동일한 연구에 따르면 임계값은 선형 가속이 아니라 젝크 모션(위치의 세 번째 시간 파생)이며 보고된 임계값은 0.1ft³/s이다.이러한 발견들은 인간의 움직임 운동학이 저크 ^[18]프로파일의 특성으로 대표된다는 것을 보여주는 초기 연구에 의해 뒷받침된다.

각가속도^[17]

각가속도는 반고리관에 의해 검출된다.세 개의 반고리관은 서로 직교하고(3축 가속도계와 유사) 내림프라고 불리는 유체로 채워져 있습니다.각 운하에는 운하의 나머지 부분보다 지름이 큰 부분이 있습니다.이 부분은 앰풀라라고 불리며 큐풀라라고 불리는 플랩에 의해 밀봉된다.각가속도는 다음과 같이 감지됩니다. 각가속도는 관로 내 유체를 이동시켜 큐플라를 편향시킵니다.큐플라의 신경은 그 움직임을 뇌와 안구 운동 근육에 보고하여 눈의 움직임을 안정시킵니다.인식된 각도 $변위{\displaystyle }$ y$(s)\$displaystyle${\displaystyle }$y($)$와 실제 각도 $변위{\displaystyle }$ ${\displaystyle \mathrm{phi}}$(s)\$displaystyle phi(s)$ 사이의$$ 전달 함수 모델은 다음과 같습니다.

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

큐풀라$$ $각도$의 2차 모델은 $다음$과 같다$.$

${\displaystyle\ddot\theta}+2\zeta_{n}{\dot {theta}+\Omega_{n}\theta=u(t)}$

여기서$\delta {\displaystyle }$ {$displaystyle \zeta}$는 댐핑 비율, $\delta {\displaystyle }$$$n { $displaystyle \obega$ _${n}$은 큐풀라의 고유 주파수,${\displaystyle }$u($)$ {$display$ u$(t)}$는 입력 각도 가속도입니다.${\$ { $displaystyle$\ $zeta }$ $values$ 、 3 . 6 . 6 . 7 、$n$ n \$displaystyle$ \ $obega$ _ { n$$} of 1 、 0 . 75 ~1.9 。따라서, 시스템은 뚜렷한 실제 뿌리로 과잉 감액되어 있습니다.짧은 시간 상수는 0.1초이며 긴 시간 상수는 테스트 대상자가 가속하는 축(롤, 피치 또는 요)에 따라 달라집니다.이러한 시간 상수는 더 짧은 시간 상수보다 1~2배 큽니다.

실험 결과 일정 수준 이하의 각가속도는 인체 실험 대상자가 감지할 수 없는 것으로 나타났다.0.${\displaystyle {\mathrm{5\mu }}^{}}$/${\displaystyle {sec\mathrm{}}^{}}$2({디스플레이스타일 0.5$^{\circ$}/\$sec ^{2$}})의 $값$은 비행 시뮬레이터의 피치 및 롤 가속에 대해 보고되었습니다.

시사점

위의 연구는 조종사의 전정 시스템이 가속도를 항공기 계기에 표시하기 전에 감지한다는 것을 보여준다.이는 조종사가 풀모션 시뮬레이터와 항공기에서 발생하는 가속에 반응하는 내부 제어 루프라고 볼 수 있지만 고정 시뮬레이터에서는 반응하지 않는다.이 효과는 고정 기반 시뮬레이터에서 항공기로 전환할 때 잠재적으로 부정적인 훈련 이전이 있음을 보여주며, 완전한 파일럿 훈련을 위한 모션 시스템의 필요성을 나타낸다.

실험실의 제한된 공간에서 대규모 실제 움직임을 정밀하게 시뮬레이션하는 것은 물리적으로 불가능하다.모션 시뮬레이션에 대한 표준 접근법(이른바 모션 큐잉)은 모션 인식을 트리거하는 "관련" 신호를 최대한 가깝게 시뮬레이션하는 것이다.이러한 신호들은 본질적으로 시각, 청각 또는 신체 감각일 수 있다.시각적 및 청각적 단서는 인간이 절대적 규모로 우주에서 자신의 위치를 인지할 수 있도록 하는 반면, 체감각 단서(주로 전정계로부터의 고유 수용 및 기타 신호)는 가속에 대한 피드백만 제공한다.

예를 들어, 임의의 일정한 속도로 이동하는 차를 타는 것을 고려해 보십시오.이 상황에서 우리의 시각과 소리는 차가 움직이고 있다는 신호(엔진 진동 제외)를 제공할 뿐이며, 중력을 제외한 다른 힘은 차량 승객에게 작용하지 않습니다.다음으로, 같은 예로 자동차가 일정한 속도로 움직이는 것을 생각해 보자. 하지만 이번에는 모든 승객들이 눈을 가리고 있다.만약 운전자가 액셀을 밟게 된다면, 자동차는 앞으로 가속을 해서 승객들을 좌석으로 밀어넣을 것이다.이 상황에서 각 승객은 시트 쿠션의 추가 압력을 감지하여 속도 증가를 인지하게 됩니다.

세척 필터를 사용한 구현

워시아웃 필터는 제한된 모션 범위로 모션 시스템이 시뮬레이션되는 차량 다이내믹스의 범위를 시뮬레이션할 수 있도록 하기 때문에 모션 플랫폼 구현의 중요한 측면입니다.인간의 전정 시스템은 정상 동작 중에 자동으로 다시 중심을 잡기 때문에 불필요한 저주파 신호를 억제하기 위해 워시아웃 필터를 사용하여 시뮬레이터를 인간의 지각 임계값보다 낮은 속도로 중립 위치로 되돌린다.예를 들어, 모션 시뮬레이터의 파일럿은 시스템이 관련 뱅크 각도에 머무르는 것을 필요로 하는 장시간 안정된 수평 회전을 실행할 수 있지만, 워시아웃 필터를 통해 시스템은 파일럿이 검출할 수 있는 임계값보다 낮은 속도로 천천히 평형 위치로 되돌아갈 수 있다.이를 통해 계산된 차량의 높은 수준의 역학은 ^[19][20]시뮬레이터의 한계 내에 머무르면서 인간의 지각에 현실적인 신호를 제공할 수 있다.

일반적으로 사용되는 세 가지 유형의 세척 필터에는 클래식, 적응형 및 최적 세척 필터가 있습니다.기존의 워시아웃 필터는 선형 로우패스 및 하이패스 필터로 구성됩니다.필터의 신호는 변환 신호와 회전 신호로 분할됩니다.하이패스 필터는 일시적인 변환 및 회전 가속도를 시뮬레이션하는 데 사용되며, 로우패스 필터는 ^[21]지속적인 가속도를 시뮬레이션하는 데 사용됩니다.어댑티브 워셔아웃 필터는 기존의 워셔아웃 필터 방식을 사용하지만, 기존 워셔아웃 필터에는 없는 자체 조정 메커니즘을 사용합니다.마지막으로, 최적의 세척 필터는 전정 시스템의 ^[20]모델을 고려합니다.

고전적인 제어 표현

기존의 워시아웃 필터는 단순히 하이패스 필터와 로우패스 필터의 조합이기 때문에 필터 구현이 용이합니다.단, 이들 필터의 파라미터는 경험적으로 결정되어야 한다.기존 워시아웃 필터에 대한 입력은 차량 고유의 힘과 각도 속도입니다.두 입력 모두 차체 고정 프레임으로 표현된다.운동 베이스의 구동에는 저주파 힘이 지배적이기 때문에 힘이 하이패스 필터링되어 시뮬레이터 변환이 이루어집니다.거의 동일한 작업이 각 속도에 대해 수행됩니다.

운동 플랫폼의 기울기를 식별하기 위해 틸트 메커니즘은 먼저 회전 계산을 위해 힘의 저주파 성분을 공급합니다.그런 다음 고주파 성분 'f'를 사용하여 시뮬레이터 플랫폼의 중력 벡터 'g'의 방향을 결정합니다.

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

일반적으로 위치를 찾기 위해 로패스 필터(연속 시간 설정)는 다음 전송 함수와 함께 s-domain에 표시됩니다.

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

그런 다음 다음 다음 방정식에 따라 하이패스 필터에 대한 입력이 계산됩니다.

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

$여기$서 X${\displaystyle }$(${\displaystyle s}$) {$displaystyle$X ($$s )는 힘 입력입니다.다음으로 하이패스 필터는 (예를 들어) 다음 시리즈에 따라 표시할 수 있습니다.

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

이 시리즈의 두 적분자는 각각 가속도가 속도에, 속도가 제 위치에 통합되는 것을 나타냅니다.${\displaystyle T}$, {\$displaystyle$ T$,}$ $T$${\displaystyle {}_{}}$ {\$displaystyle$ T_${1}$및 ${\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$2 {\$displaystyle T_{2}}$는 필터 파라미터를 나타냅니다.필터의 출력은 정상 상태에서 사라지며 개방 루프 평형점의 위치를 유지합니다.즉, 과도 입력은 "통과"되지만 정상 상태 입력은 통과되지 않으므로 ^[22]필터의 요구 사항을 충족합니다.

워시아웃 필터 내의 파라미터를 경험적으로 결정하는 현재의 관행은 숙련된 평가 조종사가 미리 결정된 기동을 비행하는 시행착오 주관적 조정 프로세스이다.각 비행 후, 조종사의 움직임의 인상은 조종사를 만족시키기 위해 세척 필터 계수를 조정하는 세척 필터 전문가에게 전달됩니다.연구자들은 또한 튜닝 패러다임을 사용하고 ^[23]전문가 시스템을 사용하여 이러한 패러다임을 포착할 것을 제안했다.

비선형 세척 필터

이 세척 필터는 어댑티브 및 Optimal 세척 필터의 조합으로 간주할 수 있습니다.움직임 시스템의 하드웨어 한계 내에서 사용 가능한 움직임 신호를 더욱 극대화하여 보다 현실적인 경험을 얻기 위해 비선형 접근법이 바람직하다.예를 들어 Daniel과 Augusto에 의해 기술된 알고리즘은 시스템 상태의 함수로서 게인α를 계산하기 때문에 워시아웃은 시간이 변동한다.플랫폼 상태의 크기가 커짐에 따라 'α' 이득이 증가하므로 플랫폼을 원래 위치로 빠르게 씻어낼 수 있는 더 빠른 제어 조치가 필요합니다.플랫폼 상태의 크기가 작거나 감소하여 더 오랜 기간 ^[24]동안 지속되는 움직임 신호를 연장할 경우 반대의 결과가 발생합니다.

마찬가지로, Telban과 Cardullo의 연구는 시각과 전정 감각을 모두 포함하는 통합 지각 모델을 추가하여 인간의 움직임 인식을 최적화했다.이 모델은 모션 ^[25]신호에 대한 조종사의 반응을 개선합니다.

어댑티브 워셔아웃 필터

이 적응적 접근법은 NASA 랭글리에서 개발되었습니다.이것은 설정된 목표(비용) 함수를 최소화하기 위해 여러 계수를 정해진 방식으로 변경하는 경험적으로 결정된 필터의 조합으로 구성된다.토론토 대학에서 실시된 연구에서 조정된 적응형 필터는 다른 두 가지 유형의 세척 필터와 비교하여 "가장 유리한 파일럿 등급"을 제공했습니다.이 스타일의 워시아웃 필터의 장점은 크게 두 가지로 요약할 수 있습니다.첫째, 적응 특성은 시뮬레이터가 중립 위치 근처에 있을 때 보다 사실적인 모션 신호를 제공하며 모션 시스템 기능의 한계에서만 모션이 감소하여 모션 시스템의 기능을 더 잘 활용할 수 있도록 합니다.둘째, 비용 함수 또는 목적 함수(세척 필터가 최적화됨)는 매우 유연하며, 보다 충실도가 높은 모델을 통합하기 위해 다양한 용어를 추가할 수 있습니다.따라서 시간이 지남에 따라 변경될 수 있는 확장 가능한 시스템이 가능해져 시뮬레이션 비행 내내 가장 정확한 방식으로 응답하는 시스템이 탄생합니다.단점은 주로 크로스 피드채널로 인해 동작을 조정하기 어렵다는 것입니다.마지막으로, 필요한 파생 함수 호출 수가 많기 때문에 실행 시간이 상대적으로 길다.또, 보다 복잡한 코스트 기능이 도입됨에 따라,^[26] 필요한 컴퓨팅 시간도 증가합니다.

제한 사항

워시아웃 필터는 모션 플랫폼의 물리적 기능보다 더 넓은 범위의 조건을 시뮬레이션할 수 있는 뛰어난 유틸리티를 제공하지만 시뮬레이션 애플리케이션의 성능과 실용성에는 한계가 있습니다.워시아웃 필터는 실제 존재하는 것보다 더 큰 시뮬레이션 환경의 외관에 대한 인체 감지 한계를 활용합니다.예를 들어, 모션 시뮬레이터의 조종사는 시스템이 관련 뱅크 각도에 머물러야 하는 장시간 안정된 수평 회전을 수행할 수 있습니다.이 상황에서는 워시아웃 필터를 사용하여 시스템이 파일럿이 검출할 수 있는 임계값보다 낮은 속도로 천천히 평형 위치로 돌아갈 수 있습니다.이것의 이점은 운동 시스템이 지금 움직임에 대한 확대는 조종사 다음 기동을 집행에 사용할 수 있다.

이러한 동작은 매우 예측 가능하고 점진적인 기동(예: 상업용 항공기 또는 대형 수송기)을 통해 항공기 시뮬레이션의 맥락에서 쉽게 적용할 수 있다.그러나 이러한 느리고 부드러운 역학이 모든 실제 시뮬레이션 환경에 존재하는 것은 아니며 워시아웃 필터와 모션 시스템의 리턴을 감소시킵니다.예를 들어 전투기 조종사들의 훈련을 들어보자: 전투기들의 안정적인 순항 체제는 이러한 한계 내에서 잘 시뮬레이션될 수 있지만, 공중 전투 상황에서는 비행 기동은 물리적인 극단까지 매우 빠른 방식으로 실행된다.이러한 시나리오에서는 워시아웃 필터가 반응하여 운동 시스템을 범위 평형으로 되돌릴 시간이 없으며, 그 결과 운동 시스템이 운동 한계에 빠르게 도달하고 역학을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 효과적으로 멈춘다.이러한 이유로 모션 및 워시아웃 필터 기반 시스템은 제한된 범위의 비행 조건을 경험하는 시스템을 위해 종종 예약됩니다.

필터 자체도 거짓 신호를 도입할 수 있는데, 이는 1) 항공기의 움직임 신호와 반대 방향인 시뮬레이션의 움직임 신호 2) 항공기에 아무 것도 예상되지 않았을 때 시뮬레이터의 움직임 신호 3) 항공기에서 예상되는 지속 신호에 대한 비교적 높은 주파수 왜곡으로 정의된다.항공기로 이동합니다.이전 정의에서는 인식된 동작 ^[23]충실도의 매우 큰 감소를 초래하는 모든 신호 오류를 함께 그룹화합니다.잘못된 단서의 6가지 잠재적 원인은 다음과 같습니다.

• 소프트웨어 또는 하드웨어 제한:시뮬레이터가 변위 한계에 도달하면 1) 소프트웨어 제한과 2) 하드웨어 제한의 두 가지 보호 방법이 제공됩니다.두 경우 모두 모션 시스템의 손상을 방지하기 위해 시뮬레이터가 감속됩니다.큰 거짓 신호들은 종종 이 감속과 관련이 있다.
• 중립으로 돌아가기:이 잘못된 큐는 하이패스필터의 스텝타입 입력 오버슈트에 기인합니다.이 유형의 응답은 2차 또는 3차 하이패스필터가 사용되는 경우에만 발생합니다.
• G-틸트
• 틸트-조정 각도 속도
• 틸트-조정 잔여:흔들림 또는 서지에서의 지속적인 특정 힘의 입력에 대해 시뮬레이터는 틸트 조정으로 인해 정상 상태의 피치 또는 롤링 각도를 달성합니다.입력이 갑자기 종료되면 하이패스 비력 응답은 처음에 틸트와 관련된 특정 힘을 상쇄하지만 제한된 시뮬레이터 변위가 시뮬레이터의 변환 가속을 금지할 때까지 잠시 동안만 상쇄합니다.틸트를 빠르게 제거할 경우 틸트 좌표 각도 속도 거짓 신호가 발생하고, 그렇지 않을 경우 나머지 틸트는 틸트 좌표 잔여 거짓 신호라고 하는 가속감을 생성합니다.
• 틸트 좌표 각도 가속도:이 잘못된 신호는 조종사의 머리 이외의 지점에서 발생하는 틸트 조정에 의해 발생하는 각도 가속도에 의해 발생합니다.회전 중심에서 조종사의 머리까지의 모멘트 암과 결합된 각도 가속은 조종사의 머리에 특정한 힘의 잘못된 신호를 발생시킨다.각도 회전이 시뮬레이션되는 지점(일명 기준점)은 일반적으로 육각동물의 경우 상부 베어링 블록 프레임의 중심에 있습니다.

영향

시뮬레이션 및 게임에^[2][13] 대한 모션의 영향

비행 시뮬레이터에 적용된 물리적 움직임의 사용은 논의되고 연구된 주제이다.빅토리아 대학의 공학부는 1980년대에 비행 시뮬레이션에서 항공사 조종사의 인식과 시뮬레이션 환경에 미치는 움직임을 정량화하기 위해 일련의 테스트를 수행했다.결국, 모션이 존재할 때 조종사들이 시뮬레이션 환경을 인식하는 방법에 분명한 긍정적인 영향이 있었고 ^[27]모션이 결여된 시뮬레이션 환경에 대해 거의 만장일치로 반대한다는 것이 밝혀졌다.항공사 조종사 응답 연구의 결과에 대해 도출할 수 있는 결론은 시뮬레이션의 현실성이 조종사에 대한 시뮬레이션의 정확성과 직접적인 관련이 있다는 것이다.비디오 게임에 적용하여 자체 게임 경험 내에서 평가할 때, 사실성은 게임 플레이어의 게임 재미와 직접 관련될 수 있습니다.즉, 모션이 가능한 게임이 더 현실적이기 때문에 더 반복적이고 자극적입니다.그러나 시뮬레이션에서 모션 사용에는 멀미와 같은 시뮬레이터 사용의 일차적인 목적을 앗아갈 수 있는 역효과가 있다.예를 들어, 군 조종사들이 가속에 대한 민감도를 유지하기 위해 실제 항공기에서와 비슷하게 시뮬레이터에서 머리를 움직이기 때문에 전정계를 벗어 던졌다는 보고가 있었다.그러나 시뮬레이터 가속의 한계로 인해 실제 항공기로 다시 전환할 때 이러한 효과는 악화된다.

부작용(시뮬레이터 질병)

모션 또는 시뮬레이터 멀미: 시뮬레이터는 시각적, 전정적 및 고유 수용적 입력으로부터 받는 입력이 원하는 동작의 특정 유형이라고 믿도록 마음을 "속임"으로써 작동합니다.뇌가 받은 신호들 중 하나가 다른 신호들과 상관관계가 없을 때, 멀미가 발생할 수 있다.원칙적으로 시뮬레이터 멀미는 단순히 세 가지 물리적 소스 입력의 신호들 사이의 불일치로 인해 발생할 수 있는 멀미의 한 형태이다.예를 들어, 창문이 없는 배를 타면 전정계에서 여러 방향으로 몸이 가속하고 회전하고 있다는 신호를 보내지만, 방이 승객과 같은 방식으로 움직이기 때문에 시각 시스템은 움직임을 보지 못한다.이 상황에서, 많은 사람들은 멀미를 느낄 것이다.

시뮬레이터 멀미와 함께 모션 시뮬레이션에 노출된 후 추가적인 증상이 관찰되었습니다.이러한 증상들은 따뜻함, 창백함, 땀, 우울증과 무관심, 두통과 충만한 머리, 졸음과 피로, 눈의 초점이 맞지 않는 것, 눈의 피로감, 시야가 흐릿한 것, 트림, 집중하기 어려운 것, 그리고 시각적 섬광을 포함한다.이러한 증상의 여파는 때때로 모션 시뮬레이터에 노출된 후 하루 또는 이틀까지 지속되는 것으로 관찰되었다.

시뮬레이터 질병 유발 요인

시뮬레이션 질병에는 몇 가지 요인이 작용하며, 이는 인체 변수, 시뮬레이터 사용 및 장비로 분류될 수 있다.일반적인 인적 변수 요인에는 감수성, 비행 시간, 적합성 및 의약품/약물이 포함된다.멀미에 대한 개인의 감수성 차이는 시뮬레이터 멀미의 주요 원인이다.조종사들이 실제 차량 동작에 익숙해질수록 비행 시간을 늘리는 것도 문제다.시뮬레이터 사용으로 인한 기여 요인으로는 적응, 왜곡 또는 복잡한 장면 내용, 긴 시뮬레이션 길이, 프리즈/리셋 등이 있습니다.동결/재설정은 시뮬레이션의 시작점 또는 종료점을 말하며, 가능한 한 안정적이고 수평적인 조건에 가까워야 합니다.극한 기동 도중에 시뮬레이션이 종료되면 시험 대상 IMU 시스템이 왜곡될 가능성이 높다.멀미를 유발하는 시뮬레이터 장비 요소로는 모션 시스템의 품질, 시각 시스템의 품질, 축 외 보기, 정렬 불량 광학, 깜박임, 시각 시스템과 모션 시스템 간의 지연/불일치가 있습니다.지연/불일치 문제는 파일럿 입력과 시각 및 모션 시스템 사이의 시간 지연이 혼란을 야기하고 일반적으로 시뮬레이터 성능을 저하시킬 수 있는 시뮬레이터 기술에서 역사적으로 우려되어 왔다.

모션 시뮬레이터를 통한 성능 향상

모션 플랫폼은 초기 가속 시 실제 모션의 느낌만 재현할 수 있습니다.모션 플랫폼 크기의 물리적 한계 때문에 지속할 수 없습니다.하지만, 인체의 움직임 센서는 지속적인 움직임보다는 가속에 반응하기 때문에, 움직임 플랫폼은 움직임 신호를 생성할 수 있습니다.인간의 동작 센서는 회전을 감지하기 위한 세 개의 반원형 관을 가진 내이(전정 기구)와 선형 가속을 감지하기 위한 이석 기관으로 구성됩니다.헥사포드 모션 플랫폼은 국제 민간 항공 기구(ICAO)와 유럽의^{[clarification needed]} EASA 및 미국의^{[clarification needed]} FAA와 같은 지역 민간 항공 당국의 규정에 따라 전 세계 민간 항공 조종사의 훈련에 사용되는 풀 플라이트 시뮬레이터에 사용된다.

훈련 시뮬레이션의 장점과 단점

이점

• 시뮬레이터는 잠재적으로 위험한 항공기(예: 항공기)의 운용에 대한 안전한 훈련 수단을 제공한다.
• 실제 장비에 대한 훈련 비용은 시뮬레이터 비용을 초과할 수 있습니다.
• 모션 시스템을 초기 조건으로 재설정하는 것만큼 간단하므로 교육 세션 사이의 시간이 단축될 수 있습니다.

단점들

• 실제 환경은 똑같이 모방되지 않을 수 있습니다.따라서 파일럿/라이더는 예상된 감각이 부족하거나 실제 환경에 적절하게 준비되지 않아 혼란스러울 수 있습니다.
• "시뮬레이터 질병"의 위험을 제거하거나 최소한 완화하기 위해 모든 센서 입력을 정렬하는 것은 ^[28]어려울 수 있습니다.
• 참가자의 연령과 실제 환경에서의 경험에 따라 시뮬레이션 ^[28]환경에 대한 반응이 달라집니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 자유도(메트릭)
• 드라이빙 시뮬레이터
• 풀모션 레이싱 시뮬레이터
• 비행 시뮬레이터
• 운동학
• 시뮬레이터 병
• 스튜어트 플랫폼
• 전정계

레퍼런스