SimCENTER Hungary

Ez a dokumentum fellebbenti a fátylat a 301-es működési elvéről; azokról a technikai megoldásokról, melyektől ez a berendezés egy egyedülálló, high performance autószimulátor. A már létező szórakoztató/arcade szimulátorok hasonló, de mégis eltérő technikát használnak.

• The Force Dynamics 301 and 401 series are small, high performance motion simulators used mainly for event marketing, LBE and training.
• The platforms' provide motion via pitch, roll, yaw, heave, and depending on configuration, surge and sway. Motion range and capability can be specified based on configuration, platform load and software setup.
• The 301 and 401 series system may be customized to meet client specification for payload, size, and so forth, without changes to the basic motion system itself.

A tér 3 dimenziójában, egy merev szerkezet 6 DOF-jét az alábbiakban szokták hajózási kifejezésekkel jellemezni:
(DOF = degree of freedom)

1. Mozgás fel és le (heaving);
2. Mozgás jobbra és balra (swaying);
3. Mozgás előre és hátra (surging);
4. Billenés/dőlés előre és hátra (pitching);
5. Forgás jobbra és balra (yawing);
6. Billenés/dőlés oldaltól oldalig (rolling).

forrás: wikipedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Degrees_of_freedom_(mechanics)

A 301-esben használt mozgás-szimuláció technológia már évek óta ismert és elérhető. Számos, kereskedelmi forgalomban kapható platform nyújtja ezt a fizikai élményt. Mitől különleges akkor a 301-es? Mert ugyanazokat a fizikai hatásokat nyújtja sokkal kisebb hardverrel és sokkal kedvezőbb áron. Szakmai bemutatókon a 301-es olyan versenytársakkal szemben vizsgázott sikeresen vezetési élmény szempontjából, amelyek tízszer drágábbak és tízszer nehezebbek. A Force Dynamics a többletteljesítményt úgy érte el, hogy a 301-est specifikusan az adott feladat teljesítésére tervezték, szemben egy meglévő technológia adaptálásával, amelyet eredetileg nagyobb tömegek másirányú mozgatására hoztak létre.

Aki már találkozott azzal a kifejezéssel, hogy „motion simulator” (mozgó szimulátor v. mozgást szimuláló berendezés), annak feltehetően egy óriásméretű, a polgári repülés és a légierő által pilóták számára tervezett kiképző szimulátor fog az eszébe jutni. Az elmúlt évtizedben a mozgó szimulátorok megjelentek a szórakoztatóiparban; egy magára valamit is adó vidám parkban legalább egy “mozgó színház” van, többszemélyes “mozgó padok” tűnnek fel egy-egy bemutatón vagy vásáron, és az elmúlt néhány évben megjelentek olyan játéktermi mozgó gépek (motion arcades), mint a Silicon Motorspeedway vagy a Nextel Kupa versenysorozat pályáit végigkísérő NASCAR alváz-a-platformon road show-ja.

A mozgás szimulálásának első fele a fülünkben megy végbe, pontosan az egyensúly érzékelésének feladatát ellátó vesztibuláris rendszerben*. Leegyszerűsítve a dolgot, a belső fül folyadékkal telített, e folyadék orientációját agyunk értelmezi, és megfejti, hogy forgást vagy gyorsítást tapasztalunk.

A trükk az, hogy az agyunk, külső vizuális támpont hiányában nem tudja megkülönböztetni, hogy most a hátunkon fekszünk, netán gyorsítunk 1 G-vel. Tehát a mozgó szimulátor úgy működik, hogy a valódi gyorsulás érzését helyettesítjük azzal az erővel, ami a gravitációból adódóan hat ránk.

A mozgás szimulálásának második és egyben nélkülözhetetlen összetevője, amit mi a Force Dynamics-nál létrehozunk, maga a platform: ahogyan ez teljesít, ahogyan építettük és ahogyan a mi szempontjaink eltérnek a konkurrenciáétól.
Hogy bármilyen mozgást visszaadjunk, a felépítménynek mozognia kell. Ennek érdekében, három a Force Dynamics-nál készült csapágyas menetes szár ( ball-screw) alapú lineáris működtető szerkezet ( linear actuator) van megvezetve hálózatba kötött, 3-tengelyes digitális szervó hajtással. Az actuator motorok 3 LE csúcs és 230 kg csúcs értékű lökésre képesek egyenként; minden actuator 46 cm-t képes kimozdulni. Az iparágban egyedülálló híd-szerű, trapézoid rúd alakzat gondoskodik a merevítésről a nagy oldalterhelésekkel szemben, amelyek a gyors mozgásoknál lépnek fel, lehetővé téve a gép számára a gyorsabb és megbízhatóbb mozgásokat hosszú távon is – ellentétben a standard csőszerű merevítőkkel szerelt gépekkel.

Amint az actuator-ok megmozdítják a felépítményt, ezt meggyőző, nyugodt/kellemes módon teszik. A 301-es megemelt forgatási központja – összehasonlítva más létező mozgató rendszerekkel – egy kiemelkedően magas minőségű ún. onset cueing**-ot biztosít, és csökkenti a káros erőhatásokat, amelyek szédülést vagy tengeribetegséget okozhatnak. Statisztikailag a kipróbálók kevesebb, mint 1%-a jelzett mozgásból eredő diszkomfortot.

Egy másik jellegzetessége a „sűllyesztett ülés” dizájn, aminek a 301-es az egyedülállóan kis méretét és a könnyű ki-beszállást köszönheti. Más platformok a hasonló nagyságú mozgás leképezéséhez legalább kétszer ilyen magasak és létrán vagy egyéb emelő segítségével lehet őket megközelíteni és beleülni. Hogy a 301-est vezethessük, csak fellépünk egy lépcsőfoknyit és beleülhetünk.

Csaknem minden létező mozgó platform tervezésekor egy adott mérethez optimalizálják a mozgási burkológörbe útját. Ez azt jelenti, hogy a forgatási központ az alátámasztás központjára esik, az ülés alá. Ennek eredményeként nemcsak a vezető feje mozdul ellenkező irányba a tervezett erőhatás irányához képest, de minden másodlagos szerepkör (övfeszítés, az ülés nyomóhatása a vezetőre stb.) is ellentétesen hat. Amikor a gázra lépünk, az agyunk gyorsulást vár, de a testünk fékezést érez.

A Force Dynamics egyedi platform elgondolása lehetővé teszi, hogy méretben és teljesítményben egy magasan lévő forgatási központhoz igazodó megoldást építsen. Ez nemcsak kijavítja a hagyományos elrendezésből adódó ellenkező (felcserélt) erőhatás problémát, de azonnali korrekt, valóságos erőket produkál. Amikor a gázra lépünk, az ülésünk nem hátrafelé, hanem a gyorsulás irányába, előre mozdul el.

Most, hogy a platform már meggyőzően mozgatható, hozzá kell hangolni a szimulációs szoftverhez, ami a vezetési környezetet nyújtja a pilótának. Ethernet-alapú szervó rendszer biztosítja a szinte azonnali reakciót a játékbeli eseményekhez, és lehetővé tesz extrém magas, csekély kimozdulással járó sávszélességet.
Ahelyett, hogy egy szétfolyó "varázsszőnyeg"-szerű lebegést éreznénk, ami gyakori más kisméretű mozgató rendszereknél, a 301-es a megfelelő szoftverekkel képes fizikailag visszaadni egy autó motorjának vibrációját, az útfelület milyenségét, és magas frekvenciájú felfüggesztés vibrációkat. Ez a kis "szelete" a szimulációnak legalább annyira fontos a vezető szempontjából, mint a teljes összhatás. Képzeljük csak el milyen lehet úgy mozifilmet nézni, hogy a kép nem éles: nem tudjuk megmondani mi történik a vásznon; ez nem valami lenyűgöző hatás. A 301-es gyors reakciójával egy kimerítően pontos, koncetrált szimulációt eredményez.

Összehasonlítva más arcade szimulátor gyártók hidraulikán vagy lassú szervomotorokon alapuló kisebb berendezéseivel, amelyek akár fél másodpercet is késhetnek az adatbevitel idejéhez képest, és túllőnek a megadott értékeken, ami leginkább "zavaros" vagy eltorzult vezetési élményt eredményez, ilyenkor a mozgó platform megegyezik egy távolról torzítva szóló hangfallal. A 301-es azonnal mozdul akkor, amikor az utasítást megkapja, és megáll, amint a parancsot kiadják, ezzel egy hibátlan és tiszta vezetési élményt nyújt.

Most, hogy a platform már jól dolgozik, meg kell határozni, hogy mit tegyen. A Force Dynamics Windows-alapú kontrol szoftvere csak Ethernet kapcsolatot igényel (pl. nincs szükség PCI bővítőkártyára) és a frissítéseket online lehet letölteni. A könnyű kezelői felületen keresztül precízen beállítható a szimuláció karakterisztikája, beleértve a kimeneti jelek nagyságát, a lágyító szűrőket és a játék előválasztó beállításait.
Ráadásul a 301-es nyílt támogatású API***-t használ a könnyebb bővíthetőség és szoftvertámogatás végett; a berendezés nem függ egyetlen, hamarosan idejétmúlttá váló szoftvertől. Ez a könnyebbség, amivel járulékos kiegészítő szoftvereket hozhatunk létre a 301-eshez, teszik lehetővé, hogy ugyanolyan könnyedén szimuláljunk hajót mint autót, repülőt vagy nehéz fegyverzettel ellátott óriási sétáló robotot.

Egy mondatban összefogalva a 301-es lényegét: egy olyan magas színvonalú, alacsony költségű berendezés, mely az erőket és hatásokat valósághűen szimulálva az igazi vezetés élményét nyújta a benne ülőnek, legyen szó arcade vagy más szimulációs játékról.

*A vesztibuláris rendszer működése
A gerincvelői motoros neuron nem önállóan működik, hanem sok ezer idegsejtvégződéssel alkot szinapszist, melyeken keresztül az agy és a test különféle részeiből hozzá továbbított jeleket fogja. Az izmok egy részének a test nyugalmi helyzetének megőrzése és módosítása közben folyamatosan kompenzálnia kell a testre ható gravitációs erőt, melyet a vázizomzat hajtat végre a csontrendszerrel. A Föld középpontja felé ható gravitációs gyorsulás pontos és folyamatos ellensúlyozását a halántékcsontba ágyazott labirintusszerv végzi, mely a belső fül közvetlen közelében három egymásba torkolló, körív alakú hártyás csövecskéből, azaz ívjáratokból és két kicsiny tömlőből, az utriculusból és a sacculusból áll. A gravitációs erőt mérő speciális érzékszerv az utriculus, a félkörös ívjáratok pedig a mozgás közben fellépő erőket mérik. Az utriculus érzősejtjeinek apró nyúlványai együttesen egyfajta felületet, mintegy bolyhos szőnyeget alkotnak, és a nyúlványok kocsonyás anyagból kiálló vékony rétegbe ágyazódnak, mely rétegen speciális kristályhalmaz helyezkedik el. A fej elmozdulásakor ez is mozgásba jön, és elhajlítja az érzékszervekből a kocsonyás rétegbe terjedő apró nyúlványokat. Ezt az elmozdulást érzősejtek érzékelik, melyek elektromos jelekké alakítják a mechanikai mozgást, és továbbítják a központi idegrendszer belsőbb rendszerei felé. A vesztibuláris rendszer a térbeli mozgás és testtartás egyik fő idegrendszeri szabályozója és irányítója, enélkül az izomzat nem lenne képes végrehajtani a központi idegrendszerből érkező, mozgásokat irányító utasításokat. Ez a gravitációt mérő receptorrendszer folyamatos hatást gyakorol a testtartásra, a mozgásra és az egyensúlyozásra: az ívjáratok működésekor összekapcsolja a tér három síkjából érkező ingerületeket, és válaszul különböző szervrendszereket mozgósít,a nyak, a törzs és a szem izmait, s ezeken át adaptálja a szervezet helyzetét a tér fizikai tényezőihez. Az egyenes testtartáshoz és a két lábon járáshoz elengedhetetlen egyensúlyozás ugyanis nem más, mint a szervezet és a gravitáció közti viszony állandó szabályozottsága.

** onset cueing
Az emberi test mozgásérzékelő szervei (belső fül, izmok - és ízületek visszajelzései, a test mozgása) a gyorsulásra erősebben reagálnak, mint a folyamatos, állandó mozgásra, egy határérték alatt azonban ez a reakció/visszajelzés nem (is) érzékelhető. A mód, ahogyan a test jelzi a mozgást az agynak megegyezik a szimulátoroknál alkalmazott acceleration-onset cueing-gal.

*** Application Programming Interface = Alkalmazás Programozói Felület

"The maximum static load is 475 kg per machine including the rider. The dynamic loads can reach 500 kg over a 1 to 3 Hz bandwidth. We estimated the dynamic loads from observing the deflections of the isolation mounts during operation. The dynamic loads can occur on any of the four feet and can shift rapidly between them. The response of the isolator is lenear and has a rate of 270 kg/cm if you wish to confirm our estimates."