基于模糊控制的分段洗出算法

姚通 甘屹 孫福佳

摘 要：洗出算法優(yōu)劣對汽車模擬器運(yùn)動(dòng)模擬逼真度具有重大影響。針對經(jīng)典洗出算法模擬逼真度不高以及濾波器參數(shù)固定的問題，提出一種優(yōu)化方法。運(yùn)用人體主觀相等點(diǎn)理論，對輸入的加速度信號進(jìn)行分段處理，同時(shí)將模糊控制理論應(yīng)用到經(jīng)典洗出算法中，實(shí)時(shí)確定加速度高通濾波通道、加速度低通通道與角速度高通濾波通道中濾波器的自然頻率，最后在SIMULINK中對優(yōu)化的洗出算法進(jìn)行仿真與分析。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后的洗出算法相比經(jīng)典洗出算法感知誤差降低了68.4%，該結(jié)果表明優(yōu)化后的洗出算法可以提高模擬逼真度。

關(guān)鍵詞：汽車模擬器;洗出算法;主觀相等點(diǎn);模糊控制;SIMULINK仿真

DOI：10. 11907/rjdk. 191820 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號：TP312文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0056-05

0 引言

汽車模擬器是模擬駕駛的重要設(shè)備，其接收汽車加速度、角速度等信號，經(jīng)過坐標(biāo)變換、濾波及補(bǔ)償?shù)确椒?，將信號輸入到六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作出相應(yīng)動(dòng)作，令使用者獲得身臨其境的感受。由于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)空間有限，接收的信號完成一次相應(yīng)動(dòng)作之后，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需要以低于人類感知的動(dòng)作回到平衡位置[1]，為下次運(yùn)動(dòng)作準(zhǔn)備。因此，汽車模擬器模擬的逼真與否將嚴(yán)重影響使用者體驗(yàn)。

為了給使用者提供更加真實(shí)的駕駛體驗(yàn)，需要采用洗出算法。經(jīng)典洗出算法具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算速度快及參數(shù)調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用，但仍存在一定缺點(diǎn)。為此，很多學(xué)者對其進(jìn)行了改進(jìn)。如王輝、李儒周等[2]對經(jīng)典洗出算法中加速度高通通道進(jìn)行信號補(bǔ)償，解決了速度信號丟失與相位誤差暗示的問題;洪振宇等[3]提出一種適用于兩轉(zhuǎn)一移并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的洗出算法;羅竹輝等[4]對汽車模擬器的高幅值輸入信號進(jìn)行縮放處理，將低幅值輸入信號乘上一個(gè)時(shí)變比例系數(shù)，以提高模擬逼真度;Asadi等[5]采用模糊控制對經(jīng)典洗出算法中的3個(gè)通道進(jìn)行補(bǔ)償;Miunske等[6]采用新的傾斜協(xié)調(diào)通道，以減少算法對人體的負(fù)面影響。

雖然經(jīng)典洗出算法已得到廣泛應(yīng)用，但其存在模擬逼真度不高以及濾波器參數(shù)固定的問題，嚴(yán)重影響了使用者體驗(yàn)。針對這些問題，運(yùn)用人體主觀相等點(diǎn)PSE[7]（Point of Subjective Equality）理論，對輸入的加速度進(jìn)行劃分，采用參數(shù)補(bǔ)償方法提高模擬逼真度。同時(shí)采用模糊控制方法，實(shí)時(shí)選擇濾波器的自然頻率，以解決經(jīng)典洗出算法中參數(shù)固定的缺點(diǎn)。最后利用SIMULINK對優(yōu)化后的算法進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證該優(yōu)化方法的有效性。根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)可知，該優(yōu)化方法具有一定參考價(jià)值。

1 經(jīng)典洗出算法

經(jīng)典洗出算法由坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)、傾斜協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)等組成[8]。其中，坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)使用旋轉(zhuǎn)變換矩陣[LS]和歐拉角變換矩陣[TS]將六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的上平臺(tái)動(dòng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為下平臺(tái)參考靜坐標(biāo)系。其中旋轉(zhuǎn)變換矩陣[LS]為：

濾波環(huán)節(jié)包括：加速度高通濾波通道、加速度低通濾波通道和角速度高通濾波通道[9]。經(jīng)典洗出算法的加速度高通濾波通道將輸入的加速度信號先經(jīng)過坐標(biāo)變換矩陣[LS]，再通過高通濾波器得到瞬時(shí)加速度，將瞬時(shí)加速度經(jīng)過積分變換得到平臺(tái)位移，該通道濾波器傳遞函數(shù)為[10]：

在式（3）中，[abX]、[abhX]表示濾波前后的加速度信號，[ξahx]、[ωahx]為濾波器的阻尼比和截止頻率，[ωx]為一階環(huán)節(jié)響應(yīng)頻率，一般取1。

加速度低通濾波通道將輸入信號洗出為持續(xù)加速度信號，用來模擬持續(xù)加速度。輸入信號先經(jīng)低通濾波器，再經(jīng)過傾斜協(xié)調(diào)，最后經(jīng)過幅度限制，將其輸出幅值限制在低于人體感知門限內(nèi)。該通道濾波器傳遞函數(shù)為[10]：

2 人體感知模型

人體利用前庭器官感知運(yùn)動(dòng)，前庭器官中的耳石和半規(guī)管分別用于感知運(yùn)動(dòng)中縱向、側(cè)向與垂向的比力[11]及角速度變化。人體能夠感受到的比力[fAA]信號是相對加速度，即平移加速度減去重力加速度。

心

3 分段洗出算法

3.1 人體主觀相等點(diǎn)理論

人體前庭器官與運(yùn)動(dòng)信號在感知上的相互耦合，以及洗出算法中輸入信號處理的不協(xié)調(diào)，是影響汽車模擬器逼真度的主要原因[14]。針對洗出算法中對低頻信號與高頻信號處理不協(xié)調(diào)的問題，運(yùn)用人體主觀相等點(diǎn)（PSE）理論有利于解決該問題。人體主觀相等點(diǎn)理論指出人體判斷運(yùn)動(dòng)模擬逼真與否和駕駛者感受到的平移加速度與傾斜協(xié)調(diào)產(chǎn)生的加速度之間比率大小有關(guān)。當(dāng)駕駛者感受到的加速度比率過大或過小，都會(huì)出現(xiàn)模擬失真現(xiàn)象。圖1為理想加速度比率與加速度關(guān)系曲線。

由圖1可以看出，人體感受到的加速度可分為3部分：當(dāng)加速度0<[a]≤1時(shí)，平移加速度占50%以上，此時(shí)平移加速度起主要作用，需要增加一個(gè)系數(shù)提高模擬逼真度;當(dāng)加速度1<[a]<4時(shí)，平移和傾斜加速度共同作用，不需要添加系數(shù);當(dāng)加速度[a]≥4時(shí)，傾斜協(xié)調(diào)加速度起主要作用，此時(shí)也需增加一個(gè)系數(shù)提高模擬逼真度。

3.2 分段洗出算法

經(jīng)典洗出算法中濾波器的主要參數(shù)為阻尼比和自然頻率，其數(shù)值相對固定，因而會(huì)影響模擬駕駛逼真度[15]。研究發(fā)現(xiàn)，濾波器阻尼比對輸出信號影響較小，自然頻率變化對輸出信號影響較大，因此可以只對濾波器的自然頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)[16]。

針對經(jīng)典洗出算法存在的模擬逼真度不足以及濾波器參數(shù)固定問題，本文將人體主觀相等點(diǎn)理論以及模糊控制方法運(yùn)用到經(jīng)典洗出算法中，提出分段洗出算法。該算法采用人體主觀相等點(diǎn)理論，對輸入的加速度作分段處理，并采用模糊控制方法實(shí)時(shí)確定濾波器的自然頻率。分段洗出算法具有以下特點(diǎn)：

（1）對輸入的加速度信號進(jìn)行分段處理，將加速度較低的部分（0<[a]≤1）從信號中分離出來，先經(jīng)坐標(biāo)變換，再經(jīng)高通濾波器濾波，最后加入系數(shù)K1進(jìn)行積分，得到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中心的位移信號。

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