自調式沖淡濾波器

 
自調式沖淡濾波器之發展及其於虛擬實境船舶動態模擬系統之應用
Auto-tuning Washout Filter and its Application to
VR-based Ship Dynamic Simulation System
主  題
  結合虛擬實境(virtual reality)技術及動作平台(motion platform)的動感模擬器,應用於各種運輸載具的駕駛員訓練,可不受時間、場地及天候之限制,具有相當的便利性和安全性。對於一些昂貴或大型的運輸載具而言,更具有降低訓練成本和縮短訓練時程等優點。除了應用於駕駛員訓練外,在軍事模擬、娛樂、教育…等方面也可見到動感模擬器的應用。

  動感模擬器之原理是利用移動可動平台,讓駕駛員感受到相當程度的直線和旋轉的速度和加速度,以達到模擬的效果。然而史都華平台的工作空間是有限的,所以我們需要利用沖淡濾波器(Washout Filter),將人體無法感受的高頻和低頻部份濾除,減少史都華平台的動作量,同時還要保留駕駛時的各種感受;並在適當的時候將平台的位置帶回到原點附近,以提供較大的工作空間。因此動感模擬器所提供的動作提示(motion cues)是否逼真,沖淡濾波器是一個相當重要的關鍵。

  本論文以沖淡濾波器為主體,透過對人體平衡器官及人類運動感覺模型的了解,利用汽車動態模型對沖淡濾波器之功能做驗證,並結合史都華六軸運動平台與實驗室自行發展的船舶動態模型,完成一個完整的虛擬實境船舶動態模擬系統。

  在沖淡濾波器設計方面,本論文利用模糊控制器,修正動感模擬器的錯誤動作,並基於適應性控制法則及類神經模糊網路理論,設計具自我調整能力之沖淡濾波器架構。

說  明
  動感模擬器之原理,是讓駕駛員能感受到相當程度的直線和旋轉的速度和加速度,以達到逼真的模擬效果。理論上,我們只要利用動作平台重現各種模擬對象的動作,即可達到模擬的效果。然而史都華平台的工作空間是有限的,所以我們需要利用沖淡濾波器(Washout Filter),使史都華平台的運動保持在工作空間內,同時還要保留駕駛時的各種感受。
傳統型沖淡濾波器

  目前在商業模擬訓練器上,使用最廣泛的沖淡濾波器為傳統型沖淡濾波器,其架構如下:


圖(1):傳統型沖淡濾波

  傳統型沖淡濾波器主要是由固定係數(fixed coefficient)的線性高通濾波器(high-pass filter)和低通濾波器(low-pass filter)所組成。其輸入為駕駛員所受的比例力 和角速度 ,輸出為六軸平台所需的控制資料(X、Y、Z、α、β、γ),其架構可分為三個通道:

  (1) 高頻平移運動通道
  (2) 高頻轉動運動通道
  (3) 低頻平移運動通道

  其中,高頻平移運動通道和高頻轉動運動通道是為了避免低頻訊號進入運動平台,主要的原因是這些低頻的訊號會導致模擬器超過它所能實際運動的工作空間。而低頻平移運動通道則是藉由傾斜模擬器的座艙,而達到持續慣性加速度的模擬。

高頻平移運動通道

  高頻平移運動之通道如下圖所示,主要是用來濾除可能會使模擬器有大位移(large displacement)動作的低頻訊號。


圖(2):高頻平移運動之模擬

利用高頻平移運動之通道,我們可以得到平台三個軸所對應的動作姿態 的值,這三個值就是模擬操縱者在模擬器中的受力情形所對應的位移運動。

高頻轉動運動通道

  高頻轉動運動通道其動作原理和高頻平移運動通道類似,主要是用來濾除低頻部份,保留高頻的訊號。高頻轉動運動之通道如下圖所示。


圖(3):高頻轉動運動之模擬

利用高頻轉動運動通道,我們可以得到,而是駕駛者在模擬器中受到轉動運動所對應的角度,但輸入平台的角度還必須加上傾斜座標所產生的傾斜角

低頻平移運動通道

  由於平台的工作空間有限,無法模擬長時間持續加速的位移。但是對人體而言,所能感受到的只有開始加速時身體受到慣性作用而向後傾,與加速結束時身體向前傾,這兩種屬於高頻部份的受力,而中間等加速度運動的這段時間大多是沒有感覺的。而此低頻平移運動通道,就是用來模擬低頻部份的受力。

  低頻平移運動通道的作法是利用重力加速度在X-Y平面上的分量,來模擬持續加速(受力)的部份,其方法稱為傾斜座標系(tilt-coordination)。低頻平移運動通道如下圖所示。


圖(4):低頻平移運動之模擬

  首先,將經過非線衰減器的比例力通過一個低通濾波器(low-pass filter),消除平移運動所能模擬的高頻部份,而保留不能實現、會造成大動作位移的低頻部份。接著我們利用重力加速度來產生X-Y平面上之分量=[,其關係與求法可由下圖求得=[ 0


圖(5):傾斜座標-對y軸和對x軸作旋轉

  最後將斜傾座標所產生的與轉動運動所產生的相加,可得到平台所需的α、β、γ三個轉動角度。至此,我們可得到控制史都華平台的(x、y、z、α、β、γ)六個自由度的姿態命令。

沖淡濾波器之調整機制

  針對沖淡濾波器之參數調整,我們提出的方法分別為模糊規則控制器、適應性控制法及類神經模糊網路等。其中,模糊規則控制器主要是針對模擬器錯誤動作的修正,而適應性控制法和類神經模糊網路則是用來設計自調式沖淡濾波器。

模糊規則控制器之架構

  我們所使用的模糊規則控制器(Fuzzy Logic Controller, FLC)是一具有自我組織能力之控制器,其架構如下圖所示。


圖(6):具自我組織能力模糊規則控制器架構

 

利用適應性控制法調整沖淡濾波器參數

  由於低頻平移通道中的傾斜座標對駕駛員來說是一種欺騙感覺的技巧(trick),所以我們必須隨時知道低通濾波器的運作情形,並確保其運作不會和高頻轉動部份混淆,因此其參數並不需要隨時間而改變。所以,我們所要調整的濾波器參數分別為高頻平移通道與高頻轉動通道中的兩個高通濾波器。

  由於X軸方向之加速度運動經過低頻平移通道中的傾斜座標後,會造成俯仰(pitch)的角度。因此我們將俯仰(pitch)與X軸(surge)之運動視為一組,並利用一代價函數來調整。相同地,旋轉(roll)及Y軸(sway)、側轉(yaw)及Z軸(heave)之運動亦利用一代價函數來調整。因此,在此架構中,我們會利用三組代價函數來進行參數之調整。

  以旋轉(roll)及Y軸(sway)之運動為例,我們定義一個二階之代價函數如下:

自調式沖濾波器與船舶動態場景之系統整合

  在前面的章節中,我們已對於史都華六軸運動平台控制及沖淡濾波器的架構原理有詳細的說明,並以一汽車動態模型對沖淡濾波器的功能做驗證。同時對於沖淡濾波器之設計及參數調整,提出模糊控制器、適應性控制及類神經模糊網路之架構。接下來,我們將整合虛擬實境船舶動態場景,構成一個完整的虛擬實境船舶動態模擬系統。

  虛擬場景端和平台控制端是以TCP/IP做連線,控制端電腦在接收加速度與角速度等資料後,會先透過沖淡濾波器的運算,再以六軸運動平台來表現乘船時的受力情形。其完整架構如圖(7)。


圖(7):虛擬實境動態模擬系統之架構

結論與展望
  在本論文中,我們分別對於史都華六軸運動平台的控制方法、沖淡濾波器的架構、運作原理及特性有詳細的探討,並以汽車動態模型對沖淡濾波器之功能做模擬驗證。在沖淡濾波器設計與參數調整方面,我們提出利用適應性控制之概念及類神經模糊網路的架構來設計自調式之沖淡濾波器;而對於人體的感覺和模擬器的錯誤動作,則利用一模糊規則控制器來做修正。同時我們將沖淡濾波器與實驗室自行發展的船舶動態模型結合,完成一個逼真的虛擬實境船舶動態模擬系統。

  最後,對本論文後續的研究,提供以下建議:

  實驗室目前之史都華平台系統,只能得到六軸之腳長訊號,在設備上若能加入加速規及角規來測量六軸平台所輸出的力及角速度,藉由比較真實系統和我們所設計的沖淡濾波器及動感模擬系統的逼真程度,可做為設計時的參考。另外,目前我們所完成的虛擬實境船舶動態模擬系統,其效果的好壞是由人的主觀感覺來判斷,若試著加入人體感覺模型於系統中,對於沖淡濾波器參數之設計及調整結果,可以有較客觀的評斷標準。