Механизмы движения: от симуляторов до аттракционов.

Введение

Тип механизма

Движущийся тренажер или платформа движения – это механизм, создающий ощущение движения в реальной среде. В симуляторе движение синхронизировано с визуальным отображением сцены внешнего мира (OTW). Платформы движения могут обеспечивать перемещение во всех шести степенях свободы (DOF), которые может испытывать свободно движущийся объект, например, самолет или космический корабль. Примерами пассивных симуляторов движения являются аттракционы в парках развлечений, где перед посетителями располагается целая театральная система с проекционным экраном. База платформы движения также может быть портативной, как, например, в транспортном средстве с улучшенной динамикой. Подробнее о пассивных симуляторах движения см. в разделах "Симуляторы аттракционов" и "Симуляторы поездок" данной статьи. Платформы движения для авиасимуляторов относятся к премиум-классу, а также некоторые дорогие аттракционы в парках развлечений, использующие платформу движения, подобную симулятору; аркадные развлекательные устройства занимают средний ценовой диапазон, а платформы движения для домашнего использования отличаются низкой стоимостью, но уступают по возможностям более продвинутым моделям. Многие платформы движения используются в авиационных тренажерах для обучения пилотов.

История платформ движения

Одна из первых платформ для движения, Sanders Teacher, была создана в 1910 году. Это была модель самолета, соединенная с землей карданным соединением. При наличии ветра, обучающийся пилот мог использовать органы управления самолетом для перемещения модели во всех трех степенях свободы вращения: тангаж, крен и рыскание. В 1929 году был сделан значительный шаг в развитии технологии платформ движения с патентом Эдвина Линка на то, что стало известно как "Тренер Линка". Он использовал ручку управления и педали пилота для управления меховыми сильфонами под кабиной симулятора. Сильфоны могли надуваться и сдуваться, обеспечивая движение в тангаже, крене и рыскании. В 1958 году в симуляторе полета для самолета Comet 4 использовалась гидравлическая система с тремя степенями свободы. Современные платформы движения симуляторов используют 6 домкратов ("Hexapods"), обеспечивающих все шесть степеней свободы: три вращательных – тангаж, крен и рыскание, и три поступательных – вертикальное (вверх-вниз), боковое (влево-вправо) и продольное (вперед-назад). Движения по 6 степеням свободы являются мощными сигналами, особенно в сочетании с визуализацией внешнего мира (OTW). Платформы движения в сочетании с OTW-визуализацией используются в: авиасимуляторах, автосимуляторах, аттракционах и небольших домашних симуляторах. Платформы движения применяются в военных и коммерческих программах обучения пилотов. Также в развлекательных устройствах в парках аттракционов, где пользователи – от одного до нескольких человек – сидят рядами перед экранами, на которых проецируются изображения, синхронизированные с движениями платформы под кабиной симулятора. Типичная высокопроизводительная система движения – платформа Стюарта, обеспечивающая полные 6 степеней свободы (3 поступательных и 3 вращательных) и использующая сложные алгоритмы для обеспечения высокой точности движений и ускорений. Они применяются в различных областях, включая авиасимуляторы для обучения пилотов. Средний ценовой сегмент включает платформы движения в аркадных играх, аттракционах и других конфигурациях. Стоимость таких систем варьируется от 10 000 до 99 000 долларов США. Как правило, для установки такой платформы требуется небольшое пространство – лишь часть аркадной комнаты, а диапазон движений меньше, чем у высококлассных платформ, благодаря использованию аналогичных, но менее дорогих систем управления. В 1980-х годах в аркадных видеоиграх стало популярным использование гидравлических симуляторов движения. Эту тенденцию задали игры Sega "taikan", где "taikan" означает "ощущение тела" на японском языке. Команда Suzuki в Sega продолжила эту тенденцию, разработав гидравлические кабины-симуляторы движения для игр в жанре rail shooter, таких как Space Harrier (1985), гоночных игр, таких как Out Run (1986), и аркадных симуляторов боевых полетов, таких как After Burner (1987) и G LOC: Air Battle (1990). Одним из самых сложных шкафов-симуляторов движения в аркадах был Sega R360 (1990), который имитировал полный 360-градусный поворот самолета. Sega продолжала производить шкафы-симуляторы движения для аркадных игр вплоть до 2010-х годов. В последнее время наблюдается растущий интерес рынка к платформам движения для более личного, домашнего использования. Область применения этих систем движения выходит за рамки простого моделирования летной подготовки, охватывая более широкий рынок обобщенных "ориентированных на мастерство" симуляций, развлечений и систем виртуальной реальности.

One of the first motion platforms, the Sanders Teacher, was created in 1910. This was a model aircraft connected to the ground by a universal joint. When wind was present, the pilot in training was able to use the aircraft's control surfaces to move the model in the three rotational degrees of freedom pitch, roll and yaw. In 1929 a significant advance in motion platform technology was made with the patent by Edwin Link for what became known as the "Link Trainer". This used the pilot's control stick and rudder controls to control organ type bellows under the simulator cockpit. The bellows could inflate or deflate, giving movement in pitch, roll, and yaw. In 1958 a flight simulator for the Comet 4 aircraft used a three degrees of freedom hydraulic system. Simulator motion platforms today use 6 jacks ("Hexapods") giving all six degrees of freedom, the three rotations pitch, roll and yaw, plus the three translational movements heave (up and down), sway (sideways) and surge (longitudinal). 6 Dof motions are powerful cues when combined with outside world (OTW) imagery. Motion platforms together with OTW imagery are used in : flight simulation, driving simulation, amusement rides, and small home based simulators. The motion platform is used in military and commercial flight instruction training applications. Also in entertainment devices in theme parks, with users from single people to many, seated in rows in front of screens in which pictures are projected, synchronised with motions from the platform under the simulator cab. A typical high end motion system is the Stewart platform, which provides full 6 degrees of freedom (3 translation and 3 rotation) and employs sophisticated algorithms to provide high fidelity motions and accelerations. These are used in a number of applications, including flight simulators for training pilots. The middle of the spectrum includes motion platforms in arcade amusement games, rides, and other arrangements. These systems fall into a price range from $10,000 to US$99,000. Typically the space requirements for such a platform are modest requiring only a portion of an arcade room and a smaller range of motion is provided via similar, less expensive, control systems than the high end platforms. In the 1980s, it became a trend for arcade video games to use hydraulic motion simulator arcade cabinets. The trend was sparked by Sega's "taikan" games, with "taikan" meaning "body sensation" in Japanese. Suzuki's team at Sega followed it with hydraulic motion simulator cockpit cabinets for rail shooters such as Space Harrier (1985), racing games such as Out Run (1986), and arcade combat flight simulators such as After Burner (1987) and G LOC: Air Battle (1990). One of the most sophisticated motion simulator cabinets in arcades was Sega's R360 (1990), which simulated the full 360 degree rotation of an aircraft. Sega have since continued to manufacture motion simulator cabinets for arcade games through to the 2010s. Recently, there has been increased market interest in motion platforms for more personal, in home, use. The application of these motion systems extends beyond just flight training simulation into a larger market of more generalized "craft oriented" simulation, entertainment, and virtual reality systems.

Инженерный анализ

Двигательные платформы широко используются в инженерной практике для анализа и проверки характеристик и конструкции транспортных средств. Возможность связать компьютерную динамическую модель конкретной системы с физическим движением позволяет пользователю ощутить, как транспортное средство отреагирует на управляющие воздействия, без необходимости создания дорогостоящих прототипов. Например, инженер, разрабатывающий внешний топливный бак для самолета, может привлечь пилота для оценки влияния на летные качества, а инженер-механик – оценить эффект от новой тормозной системы, не прибегая к изготовлению оборудования, что экономит время и средства. Авиастроительные компании также используют авиасимуляторы для испытаний нового оборудования. Подключая имитируемую кабину пилота с визуальным экраном к реальной системе управления полетом в лаборатории и интегрируя пилота с электрическими, механическими и гидравлическими компонентами, аналогичными тем, что установлены на реальном самолете, можно провести полную оценку системы до начала летных испытаний. Такой вид испытаний позволяет моделировать "заложенные неисправности" (например, преднамеренную утечку гидравлической жидкости, программную ошибку или отключение компьютера), что служит для подтверждения работоспособности резервных конструктивных элементов самолета. Летчик-испытатель также может помочь выявить недостатки системы, такие как недостаточные или отсутствующие предупреждающие индикаторы, или даже нежелательное движение ручки управления. Данное тестирование необходимо для имитации крайне рискованных ситуаций, которые невозможно воспроизвести в полете, но демонстрация которых является обязательной. Хотя для этого типа испытаний не требуется движение по 6 степеням свободы, визуальный экран позволяет пилоту "летать" на самолете, одновременно с имитацией возникновения неисправностей.

Линейные движения

В принципе, скорость не может быть непосредственно воспринята исключительно относительными сигналами, такими как сигналы от вестибулярной системы. Для такой системы полет в космосе с постоянной скоростью неотличим от сидения в кресле. Однако изменение скорости воспринимается как ускорение, или сила, действующая на тело человека. В случае постоянного линейного ускорения, имитация реальной ситуации достаточно проста. Поскольку амплитуда ускорения не очень хорошо воспринимается человеком, можно наклонить испытуемого назад и использовать вектор силы тяжести в качестве замены правильной результирующей силы от гравитации и ускорения вперед. В этом случае, наклоняя симулятор назад и поворачивая визуальную картину на тот же угол, испытуемый ощущает силу давления на спину, которая воспринимается как ускорение вперед.

Адаптируемый фильтр отмывания

Этот адаптивный подход был разработан в NASA Langley. Он представляет собой комбинацию эмпирически определенных фильтров, в которых несколько коэффициентов изменяются по заданному алгоритму для минимизации целевой (стоимостной) функции. В исследовании, проведенном в Университете Торонто, скоординированный адаптивный фильтр обеспечил "наиболее благоприятные оценки пилотов" по сравнению с двумя другими типами фильтров с отмыванием. Преимущества данного типа фильтра можно суммировать двумя основными пунктами. Во-первых, адаптивные характеристики обеспечивают более реалистичные ощущения движения, когда симулятор находится вблизи нейтрального положения, а снижение движения происходит только на пределе возможностей системы движения, что позволяет более эффективно использовать ее ресурсы. Во-вторых, стоимостная или целевая функция (по которой оптимизируется фильтр с отмыванием) отличается высокой гибкостью, и в нее можно добавлять различные компоненты для включения более точных моделей. Это позволяет создать масштабируемую систему, способную изменяться со временем, что обеспечивает наиболее точную реакцию на протяжении всего имитируемого полета. К недостаткам относится сложность настройки поведения, главным образом из-за взаимосвязанных каналов. Наконец, время вычислений относительно велико из-за большого количества вызовов функций производных. Кроме того, с увеличением сложности стоимостных функций потребуется больше вычислительного времени.

Влияние движения в симуляции и играх

Использование физического движения в авиационных тренажерах является предметом дискуссий и исследований. Инженерный факультет Университета Виктории в 1980-х годах провел серию тестов для количественной оценки восприятия пилотов авиакомпаний в симуляции полета и влияния движения на симуляционную среду. В итоге было установлено, что присутствие движения оказывает выраженный положительный эффект на восприятие симуляционной среды пилотами, в то время как отсутствие движения вызывало практически единодушное неприятие. Из результатов исследования "Реакция пилотов авиакомпаний" можно сделать вывод, что реалистичность симуляции напрямую связана с точностью ее соответствия ощущениям пилота. Применительно к видеоиграм и оцениваемому в игровом опыте, реализм может быть напрямую связан с удовольствием, которое игрок получает от игры. Иными словами, игры с поддержкой движения более реалистичны, следовательно, более увлекательны и стимулируют. Однако использование движения в симуляции имеет и негативные последствия, которые могут отвлекать от основной цели использования тренажера, например, укачивание. Так, поступали сообщения о том, что военные пилоты нарушали работу своей вестибулярной системы, совершая движения головой в тренажере, аналогичные тем, что они выполняли бы в реальном самолете для сохранения чувствительности к ускорениям. Однако из-за ограничений по ускорению в тренажере этот эффект становится контрпродуктивным при переходе обратно в реальный самолет.

Нежелательные эффекты (симуляторная болезнь)

Болезнь движения или симуляторная болезнь: Симуляторы работают, "обманывая" мозг, заставляя его верить, что поступающие от зрительной, вестибулярной и проприоцептивной систем сигналы соответствуют определенному типу желаемого движения. Когда какие-либо сигналы, получаемые мозгом, не согласуются друг с другом, может возникнуть укачивание. По сути, симуляторная болезнь – это просто форма болезни движения, возникающая из-за рассогласования сигналов от трех физических источников. Например, нахождение на корабле без окон посылает вестибулярной системе сигнал об ускорении и вращении тела в различных направлениях, в то время как зрительная система не воспринимает движения, поскольку помещение движется вместе с находящимся в нем человеком. В такой ситуации многие люди испытывают укачивание. Помимо симуляторной болезни, после воздействия имитации движения наблюдаются и другие симптомы, такие как ощущение тепла, бледность и потливость, депрессия и апатия, головная боль и чувство распирания в голове, сонливость и усталость, трудности с фокусировкой взгляда, напряжение глаз, размытость зрения, отрыжка, трудности с концентрацией внимания и зрительные вспышки. Продолжительное действие этих симптомов иногда может сохраняться до одного-двух дней после воздействия симулятора движения.

Факторы, способствующие болезни симулятора

Несколько факторов способствуют развитию симуляционной болезни, которые можно классифицировать на человеческие факторы, особенности использования симулятора и характеристики оборудования. К распространенным человеческим факторам относятся восприимчивость, налет часов, физическая подготовка и прием лекарств/наркотиков. Индивидуальная предрасположенность к морской болезни является доминирующим фактором, способствующим развитию симуляционной болезни. Увеличение налета часов также является проблемой для пилотов, поскольку они привыкают к реальному движению в транспортном средстве. Факторы, связанные с использованием симулятора, включают адаптацию, искаженное или сложное содержание сцены, продолжительность симуляции и остановку/перезапуск. Остановка/перезапуск относится к начальным и конечным точкам симуляции, которые должны быть максимально приближены к устойчивым и ровным условиям. Очевидно, что если симуляция завершается в середине экстремального маневра, то инерциальная измерительная система (ИМС) испытуемого, вероятно, будет искажена. Факторы, связанные с оборудованием симулятора и способствующие развитию симуляционной болезни, включают качество системы движения, качество визуальной системы, просмотр вне оси, плохо выровненная оптика, мерцание и задержка/рассинхронизация между визуальной и движущейся системами. Проблема задержки/рассинхронизации исторически была актуальна для технологий симуляторов, где временной лаг между действиями пилота и визуальной и движущейся системами может вызывать дезориентацию и в целом снижать эффективность симулятора.

Улучшение производительности с помощью симуляторов движения

Платформы движения могут воспроизводить ощущение реального движения только на начальном этапе ускорения. Поддерживать это ощущение невозможно из-за физических ограничений, связанных с размерами платформы. Однако датчики движения человеческого тела реагируют на ускорения, а не на продолжительное движение, поэтому платформа движения способна создавать иллюзию движения. Датчики движения человека включают внутреннее ухо (вестибулярный аппарат) с тремя полукружными каналами, воспринимающими вращения, и отолитовые органы, воспринимающие линейные ускорения. Шестиосные платформы движения используются в полнофункциональных авиационных тренажерах, применяемых для подготовки пилотов гражданской авиации по всему миру в соответствии с правилами Международной организации гражданской авиации (ИКАО) и региональных органов гражданской авиации, таких как EASA в Европе и FAA в США.

Преимущества

Симуляторы предоставляют безопасный способ обучения управлению потенциально опасной техникой (например, самолетами). Затраты на обучение на реальном оборудовании иногда могут превышать стоимость симулятора. Интервалы между тренировками могут быть сокращены, так как для этого может потребоваться лишь возврат системы движения в исходное положение.

Недостатки

Реальная среда может быть не полностью идентично воссоздана, поэтому пилот/райдер может быть дезориентирован отсутствием ожидаемых ощущений или оказаться недостаточно подготовленным к реальным условиям. Согласование всех входных сигналов от датчиков для устранения или хотя бы смягчения риска "симуляционной болезни" может быть непростой задачей. Возраст участника и его опыт в реальных условиях влияют на реакцию на симулированную среду.