JP4761309B2 - ドライビングシミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、ドライビングシミュレータに関する。

自動車運転の教習所などにおいて、車両の運転を模擬的に体験することのできる車両シミュレータ（ドライビングシミュレータとも呼ばれる）が用いられている。こうしたシミュレータにおいては、運転によって変化する道路の周りの景色が表示装置によって表示される。更に、仮想的な運転を行う運転手が搭乗するキャビンがアクチュエータによって動かされることにより、車両の運転や道路の状況によって発生する加速度を仮想的に体感することが可能である。

現実に車両を運転している最中に地震が発生することがある。自動車に走行中に地震が発生した場合、その揺れに対応した安全な運転を行うことが求められる。

本発明に関連して、以下の特許文献を挙げる。特許文献１には、タイヤのパンク等のアクシデントを体験できるシミュレータが開示されている。特許文献２には、模擬地震動を作成する技術が開示されている。
特開２００３−３１６２５１号公報 特開平１０−３１９８２９号公報

教習所などの訓練において、現実の地震時の運転を体験させることは実際上無理である。もしシミュレータにより地震時の運転を模擬的に再現できれば、現実の地震が発生したときに安全な対応を取ることが容易になる。

また、走行中の自動車に乗っている者が感じる地震の揺れは、通常の地面上で感じる揺れの体感とは異なる。場合によっては、車両の走行に異常が感じられても、例えば「ハンドルが取られる」と感じられるだけで、その異常が地震によるものだとは気づかれない場合もあり得る。こうした事情からも、予め地震発生時の運転を体験しておくことは、地震時に状況を正しく把握し、安全な回避行動を取るために有益である。

そこで本発明の目的は、地震時の車両の走行を体感的に再現することのできる車両シミュレータを提供することである。

更に、こうした車両シミュレータは、当然に安価であることが望まれる。従来の車両シミュレータの構成を大きく変えないで適用できることが望まれる。

そこで本発明の他の目的は、地震時の車両の走行を体感的に再現することのできる車両シミュレータを簡易な手段で提供することである。

更に、地震時に車両が高架道路や橋梁などの構造物に支持されている場所を走行している場合、それらの構造物は、地面の揺れをそのまま反映するのではなく、構造物に特有な振動伝達により揺れる。それらの構造物の振動によって走行が大きな影響を蒙る恐れがある。こうした場合の対処法を学習しておくことは安全上、有益である。

そこで本発明の更に他の目的は、地震時に構造物上を走行する車両の運転を体感的に再現することのできる車両シミュレータを提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による車両シミュレータは、模擬的に車両を運転するための操作を受け付ける操作部（８０）と、操作に応答して操作が行われる運転席に車両の運動によって発生する加速度を模擬する模擬加速度を与える制御部（１４）と、地震による大地の振動を示す地震データを用いて、地震が発生したときの模擬加速度を算出する地震模擬部（１１９）とを備える。

好ましくは、本発明による車両シミュレータは、地図上での車両の仮想的な位置を示す位置情報を生成する位置情報生成部（図示せず）と、位置情報に対応する位置での運転席からの視界を仮想的に運転席に対して表示する表示部（９２、１０２）とを備える。地震データは、過去に発生した地震において地理上の位置と振動とを対応づけて記録したデータである。地震模擬部（１１９）は、地震データにおいて位置情報に対応する位置での振動を用いて模擬加速度を算出する。

好ましくは、本発明による車両シミュレータは、地図上での車両の仮想的な位置を示す位置情報を生成する位置情報生成部（図示せず）と、位置情報に対応する位置での運転席からの視界を仮想的に運転席に対して表示する表示部（９２、１０２）と、地図上に位置づけられ、車両が走行する走行面を構成する構築物の振動の固有周期を記憶する固有周期データベース（１２７）とを備える。地震模擬部（１１９）は、位置情報が構築物の位置を示すとき、固有周期を用いて模擬加速度を算出する。

好ましくは、本発明による車両シミュレータにおいて、地震データには振動が東西方向の振動成分と南北方向の振動成分とに分解して記録される。地震模擬部（１１９）は、地震データを路面に平行な車両の進行方向の成分と進行方向に直交する方向の成分とに変換して模擬加速度を算出する。

本発明により、地震時の車両の走行を体感的に再現することのできる車両シミュレータが提供される。

更に本発明により、地震時の車両の走行を体感的に再現することのできる車両シミュレータが簡易な手段で提供される。

更に本発明により、地震時に構造物上を走行する車両の運転を体感的に再現することのできる車両シミュレータが提供される。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本実施の形態における車両シミュレータの構成を示す。この車両シミュレータは４輪車をシミュレーションの対象としているが、以下の説明は２輪車に対しても同様に適用できる。車両シミュレータは、床面に対して固定される基台１５を備える。基台１５には、それぞれ電気信号に応答して伸縮する６本のアクチュエータ１４を介して揺動台１３が取り付けられる。アクチュエータ１４と基台１５との間にはユニバーサルジョイント４１が介設される。アクチュエータ１４と揺動台１３との間にもユニバーサルジョイント４０が介設される。揺動台１３は、アクチュエータ１４によって、基台１５に対して６自由度の加速度を与えられる。

揺動台１３にはキャビン１２が設置される。キャビン１２は、運転手、すなわち仮想的なドライビングを体験する被験者が搭乗するためのコックピット１１を備える。コックピット１１の内部には、運転手が着席するシート７２が設置される。キャビン１２には、シート７２に着席した運転手に対して、路上における車両の運転席から見た視界を仮想的に再現するためのスクリーン９２とプロジェクタ１０２とが設置される。

コックピット１１の内部には、運転手が仮想的な車両の操作を行うための操作部８０が設けられる。操作部８０は、ステアリングホイール、アクセルペダル、ブレーキペダル、クラッチペダル及びシフトレバーを含む。操作部８０は、運転手によって加えられた操作を示す操作情報を含む電気信号を生成して出力する。

車両シミュレータは、制御装置１１０を備える。制御装置１１０は、メイン映像発生装置１１１、駆動系サーボアンプ装置１１４、入力部１１５及びメインコンピュータ１１６を備える。メインコンピュータ１１６は外部コンピュータ１１７に接続される。

入力部１１５は、操作部８０から受信した操作情報をメインコンピュータ１１６に中継する。メインコンピュータ１１６は、受信した操作情報と外部コンピュータ１１７から受信する信号とに応答して、アクチュエータ１４の動作を指示する動作指令を生成して駆動系サーボアンプ装置１１４に送信する。駆動系サーボアンプ装置１１４は、アクチュエータ１４が動作指令に応じた動作をするような電気信号を生成してアクチュエータ１４に送信する。

メインコンピュータ１１６はさらに、受信した操作情報と外部コンピュータ１１７から受信する信号とに応答して、スクリーン９２に投影すべき映像を指示するために用いられる操作情報をメイン映像発生装置１１に送信する。メイン映像発生装置１１は、スクリーン９２に投影する映像の映像信号を生成してプロジェクタ１０２に送信する。

図２は、車両シミュレータの制御系の構成を示す。図１との対照は、以下のようになっている。入力部１１５及び駆動系サーボアンプ装置１１４は双方の図に記載されている。車両運動演算処理部１２０、キャビン動作演算処理部１２１、モーションベースロッドストローク演算処理部１２２及び固定道路データベース１２４はメインコンピュータ１１６に含まれる。地震データ取得タイミング処理部１２５、地震データベース１２６及び構造体固有周期データ１２７は外部コンピュータ１１７に含まれる。モータ部１２３はアクチュエータ１４に含まれる。

入力部１１５は、運転手により操作部８０に加えられた操作を示す操作情報を入力する。操作情報は、スロットル開度１１５、（左前輪ＦＬ、右前輪ＦＲ、左後輪ＲＬ及び右後輪ＲＲのそれぞれの）ブレーキ圧、ステアリング角度及びシフトポジションを含む。

車両運動演算処理部１２０は、入力部１１５から操作情報を入力する。演算部１１５は更に、固定道路データベース１２４から道路情報を入力する。この道路情報は、通常のドライビングシミュレータで走行路を模擬的に再現するために用いられる情報であり、地図における道路の位置、道幅、勾配、周辺の状況などの情報を含む。

車両運動演算処理部１２０は、入力した操作情報と道路情報とに基づいて、運転手に与えられるべき加速度を計算する。計算される加速度は６自由度の加速度である。すなわち、ｘ方向の加速度α_Ｘ、ｙ方向の加速度α_Ｙ、ｚ方向の加速度α_Ｚ、ロールレート、ヨーレート及びピッチレートである。車両運動演算処理部１２０は更に、入力した操作情報と道路情報とに基づいて、道路情報に示される地図上における車両の現在位置を示す位置情報を更新する。

これらの加速度情報は、キャビン動作演算処理部１２１に渡される。キャビン動作演算処理部１２１は、受け取った加速度情報を用いて、各時刻においてキャビン１２が取る位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（φ，θ、ψ）を示す６自由度の姿勢情報を計算する。モーションベースロッドストローク演算処理部１２２は、その姿勢情報に示される位置及び姿勢を実現するために６軸のアクチュエータ１４がそれぞれ取るべき動作を示すストローク情報を計算する。キャビン動作演算処理部１２１においては更に、運転手が体感するために出力される映像や音響等を、アクチュエータ１４の動作と同期するように算出する。

駆動系サーボアンプ装置１１４は、そのストローク情報に基づいて動作指令を生成してモータ部１２３に送信する。モータ部１２３が動作指令に応答して動作することにより、６軸のアクチュエータ１４（シリンダ）がそれぞれ動作し、揺動台１３が基台１５に対して６自由度の運動を行う。

メイン映像発生装置１１１は、メインコンピュータ１１６から受信する信号に応答して、固定道路データ１２４と現在位置とに基づいて運転手から見た車外の眺めを模擬的に表現する映像情報を生成する。プロジェクタ１０２はその映像情報に基づく映像をスクリーン９２に投影する。

こうした動作によって、通常のドライビングシミュレーションが実現される。すなわち、運転手は、操作部８０に操作を加えることにより、予め記憶された地図上の道路を仮想的にドライブし、車両の運動や道路の状態によって運転手が受ける加速度を模擬的に体感することができる。

この動作に加えて、車両運動演算処理部１２０は、外部コンピュータ１１７から地震に関する地震データを取得することにより、運転手に地震時の運転を体感させることができる。以下、この地震時の運転を体感させる動作について説明する。

地震データ取得タイミング処理部１２５は、ドライビングシミュレータのシミュレーション内時間における予め設定された時刻において、あるいは操作部８０または外部コンピュータ１１７の入力装置からの入力操作に応じて、地震時の運転を再現するために、地震に関するデータを取得する。

地震データベース１２６は、地震に関するデータを蓄積している。特に、過去に実際に発生した地震に関するデータを蓄積している。このデータは、気象庁等に蓄積されている過去の地震の履歴データを取得したものである。車両シミュレータは、地震データベース１２６を内蔵していても良いし、車両シミュレータの外部にあるデータベースのデータを利用してデータが必要となったときにオンラインで取得しても良い。

図３に示されるように、地震データベース１２６は、地震名称と、地震の発生した日時と、その地震の振動が観測された観測点を特定する識別子である観測点コードとを格納する。地震データベース１２６は更に、観測点のそれぞれに対応して、震度と、３成分の加速度（または３成分の変位）の時系列データと、各軸（３成分の各々）の最大加速度の絶対値とを格納する。

図４は、ある一つの地震のある一つの観測点における３成分の加速度の時系列データの例を示す。図４（ａ）は南北方向の振動の加速度、（ｂ）は東西方向の振動の加速度、（ｃ）は上下方向の振動の加速度を示す。

図３に戻って、構造体固有周期データベース１２７は、ドライビングシミュレーションが行われる地図内に存在する高架道路や橋など、車両が走行することができる構造体について、振動の固有周期が登録されるデータベースである。構造体固有周期データベース１２７には、構造体の名称と、構造体の位置を示す位置データと、構造体毎に一意に割り当てられた構造体コードと、予め計算された構造体固有周期とが登録される。

構造体固有周期データベース１２７を用いたデータ処理について更に説明する。地震の揺れ、すなわち地震波には様々な周波数の波が含まれている。地震波を複数周期の振動が合成されたものと捉え、夫々の周期ごとの地震波の強さに分解して表すために、フーリエ変換が実行される。地震加速度算出部１１９は、地震データベース１２６から取得した地震波のデータをフーリエ変換することによりフーリエスペクトルを得る。

一般的には、地震波が構造体に及ぼす影響を地震波のフーリエスペクトルから読み取るのは難しい。地震波によって構造体がどのように振舞うのかを知る方法として、応答スペクトルを用いる方法がある。応答スペクトルは、構造物が様々な固有周期および減衰定数を持つ１質点・１自由度（定められた線状の軌跡に沿った往復運動のみ可能な質点）の系と考えたときに、構造物がある地震波にさらされたときの最大応答値をスペクトルで表したものであり、応答値が加速度の場合、加速度応答と呼ばれる。地震波の加速度に対して、構造物のゆれ具合がその構造物の固有周期に対応するので、構造体の固有周期を構造体固有周期データベース１２７に登録しておくことにより、構造体のゆれ具合を近似的に再現することが可能となる。

次に、図３を参照して、車両シミュレータの制御系の動作について説明する。

ステップＳ１：通常のドライビングシミュレーションが実行されている最中に、地震データ取得タイミング処理部１２５は、地震データベース１２６から地震データを取得する。地震データを取得するタイミングは、予め設定されるか、操作部８０からの入力により、あるいは外部コンピュータ１１７からの入力により決まる。

取得される地震データは、たとえば車両の現在位置（シミュレーション内で車両が模擬的に走行している場所）の近くで過去に観測された地震のデータである。車両の現在位置が品川であったとすると、過去に品川で観測された地震の振動のデータが取得される。こうしたデータは、多数存在する観測点（平成１７年４月時点で、気象庁：６０２地点、地方公共団体：２８４６地点、防災科学技術研究所：３２０地点）で観測された既存のデータを用いることにより取得できる。

車両の現在位置での地震データが用いられることにより、その場所の地質学的な振動特性を再現することが可能になる。スクリーン９２には車両の現在位置が表示されているため、運転手は、模擬的に走行している場所において過去に現実に発生した地震を視覚と加速度の両方でリアルに体感することができる。特に、地震データは東西・南北・上下の振動成分を格納しているため、走行の方向に対応して過去に現実に発生した振動をリアルに体感することができる。

あるいは、車両の現在位置とは独立に、過去に任意の場所で発生した地震のデータを、操作部８０あるいは外部コンピュータ１１７から選択することにより設定してもよい。これにより、過去の様々な地震を任意の場所で体感することができる。

道路情報が現実に存在する場所でなく架空のデータの場合は、地震データは任意のもの、例えば入力装置から指定された地震の震央のデータが用いられる。

通常は、測定された地震波の加速度あるいは変位のデータは様々な周波数成分を含んでいる。非常に低い周波数成分と非常に高い周波数成分は体感にあまり影響しないため、計算量を減らすためにカットされる。そのために、低周波数側のカットオフ周波数と高周波数側のカットオフ周波数が設定される。

ステップＳ２：地震加速度算出部１１９は、取得された地震データの加速度または変位に、任意に設定された倍率をかける。この処理により、ゆれの周期は同じだが加速度の異なる地震を体感することができる。更に、揺れの時間的な長さが設定できるようにすることも好ましい。

ステップＳ３：地震加速度算出部１１９は、取得した地震データの東西・南北・上下の３成分の加速度を、ドライビングシミュレータのｘ軸・ｙ軸・ｚ軸からなる座標系の成分に変換する。この変換は、例えば車両の走行方向の東西成分と南北成分の比率に応じた重み付け係数を地震の加速度データの東西成分と南北成分にかけて足すことによって実現できる。さらに、坂道においては車両のｚ軸が鉛直方向に一致しないため、上下の地震の加速度データは坂道の勾配に応じて変換される。

ステップＳ４：地震加速度算出部１１９は、車両の現在位置を検索キーとして構造体固有周期データベース１２７を検索し、車両の現在位置と重なる位置に存在する構造体のデータを抽出する。構造体のデータには構造体固有周期が含まれる。

ステップＳ５：地震加速度算出部１１９は、取得された地震データと抽出された構造体のデータとに基づいて、固有周期をもつ構造体が地震に応答して起こす振動の特性を示す応答波形を計算する。具体的には、例えば、構造物がある固有周期と減衰定数とを持つ１質点・１自由度系であると考えたとき、構造物がある地震波にさらされたときの最大応答値をスペクトルで表した応答スペクトルが計算される。この応答スペクトルを用いて、地震の揺れの３成分の加速度データから構造体の揺れの３成分の加速度データを算出する。

ステップＳ６：地震加速度算出部１１９は、車両の現在位置が構造体固有周期データベース１２７に登録された構造体の位置にない場合はステップＳ３で計算された加速度を地震加速度として採用する。車両の現在位置が構造体の位置に重なる場合はステップＳ５で計算された構造体の加速度データを地震加速度として採用する。この地震加速度は、地震によって車両に加えられる加速度Δα_Ｘ、Δα_Ｙ、Δα_Ｚを示している。地震波のデータがロール、ヨー及びピッチ成分を含むデータによって与えられるときは、さらに地震によって車両に加えられるロール、ヨー及びピッチ成分の加速度も計算される。車両運動演算処理部１２０は、これらの地震加速度の成分を、車両の運動と路面の状態によって決定される通常の車両の加速度の成分にそれぞれ加えて、キャビン動作演算処理部１２１に渡す。

キャビン動作演算処理部１２１とモーションベースドストローク演算処理部１２２とは、路面が固定しており地震の動きが再現されない場合と同じ手順により計算をする。その計算結果によってアクチュエータ１４が駆動されることにより、揺動台１３は車両の操作と固定された路面の状態による動きに地震の揺れによる動きが加えられた動作をする。これにより運転手は地震発生時の運転を体感することができる。

シミュレーションにシナリオが設定され、運転手が予め決められたコースに沿って仮想的に車両を走行させる場合、地震を発生させる場所や、スタートしてから地震が発生するまでの時間を設定する機能を備えていることが望ましい。こうした機能により、例えば交差点で地震が発生した場合、橋で地震が発生した場合などの体感を得ることができる。

こうした車両シミュレータは、駆動系として従来の車両シミュレータのアクチュエータ等をそのまま使用することができる。さらに、アクチュエータ１４の動作を制御するプログラムも、ほとんどそのまま用いることができる。そのため、従来の車両シミュレータを改変して安価に地震シミュレーションを実現することが簡単にできる。

図１は、車両シミュレータの構成を示す。 図２は、車両シミュレータの制御系の構成を示す。 図３は、車両シミュレータの制御系の動作を示す。 図４は、地震の加速度データの例を示す。

符号の説明

１１…コックピット
１２…キャビン
１３…揺動台
１４…アクチュエータ
１５…基台
４０…ユニバーサルジョイント
４１…ユニバーサルジョイント
７２…シート
８０…操作部
９２…スクリーン
１０２…プロジェクタ
１１０…制御装置
１１１…メイン映像発生装置
１１４…駆動系サーボアンプ装置
１１５…入力部
１１６…メインコンピュータ
１１７…外部コンピュータ
１１９…地震加速度算出部

Claims (4)

1. 模擬的に車両を運転するための操作を受け付ける操作部と、
   前記操作に応答して前記操作が行われる運転席に前記車両の運動によって発生する加速度を模擬する模擬加速度を与える制御部と、
   地震による大地の振動を示す地震データを用いて地震加速度を算出し、この地震加速度を前記模擬加速度に加算することにより、地震が発生したときに対応する前記模擬加速度を算出する地震模擬部
   とを具備する
   車両シミュレータ。
2. 請求項１に記載の車両シミュレータであって、
   更に、地図上での前記車両の仮想的な位置を示す位置情報を生成する位置情報生成部と、
   前記位置情報に対応する位置での前記運転席からの視界を仮想的に前記運転席に対して表示する表示部
   とを具備し、
   前記地震データは、過去に発生した地震において地理上の位置と振動とを対応づけて記録したデータであり、
   前記地震模擬部は、前記地震データにおいて前記位置情報に対応する位置での前記振動を用いて前記地震が発生したときに対応する前記模擬加速度を算出する
   車両シミュレータ。
3. 請求項１に記載された車両シミュレータであって、
   更に、地図上での前記車両の仮想的な位置を示す位置情報を生成する位置情報生成部と、
   前記位置情報に対応する位置での前記運転席からの視界を仮想的に前記運転席に対して表示する表示部と、
   前記地図上に位置づけられ、前記車両が走行する走行面を構成する構築物の振動の固有周期を記憶する固有周期データベース
   とを具備し、
   前記地震模擬部は、前記位置情報が前記構築物の位置を示すとき、前記固有周期を用いて前記地震が発生したときに対応する前記模擬加速度を算出する
   車両シミュレータ。
4. 請求項１に記載された車両シミュレータであって、
   前記地震データには前記振動が東西方向の振動成分と南北方向の振動成分とに分解して記録され、
   前記地震模擬部は、前記地震データを前記路面に平行な前記車両の進行方向の成分と前記進行方向に直交する方向の成分とに変換して前記地震が発生したときに対応する前記模擬加速度を算出する
   車両シミュレータ。

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