モーションシミュレーター

モーションプラットフォームは、車両の性能や設計の分析・検証のために、工学分野で広く利用されています。特定のシステムのコンピュータベースの動的モデルを実際の動きにリンクさせることで、高価なプロトタイプを製作することなく、車両が制御入力にどのように反応するかを体感できます。例えば、航空機の外部燃料タンクを設計するエンジニアは、パイロットに飛行特性への影響を判断させたり、機械エンジニアはハードウェアを製作することなく新しいブレーキシステムの効果を体感したりすることができ、時間とコストを節約できます。

航空機メーカーは、新しいハードウェアのテストにもフライトシミュレーターを使用します。シミュレーションされたコックピットと視覚スクリーンを実験室の実際の飛行制御システムに接続し、パイロットを実際の航空機に存在する電気、機械、油圧コンポーネントと統合することで、最初の飛行テストの前に完全なシステム評価を実施できます。この種のテストでは、「意図的な故障」（つまり、意図的な油圧漏れ、ソフトウェアエラー、またはコンピュータのシャットダウン）をシミュレートすることができ、航空機の冗長設計機能が意図どおりに機能することを検証できます。テストパイロットは、不十分または欠落した警告表示、あるいは意図しない操縦桿の動きなど、システムの欠陥を特定することもできます。このテストは、飛行中に実施できないものの、実証する必要がある極めてリスクの高い事象をシミュレートするために必要です。この種のテストでは6自由度の動きは必須ではありませんが、視覚スクリーンにより、パイロットは故障が同時に発生する中で航空機を「操縦」することができます。

テーマパークや遊園地では、来場者に飛行やその他の動きを体験させるために、モーションシミュレーターが使用されることがある。

いくつかの例を挙げます。

• ディズニーランドをはじめとするディズニーのテーマパークにある「スター・ツアーズ：アドベンチャーズ・コンティニュー」では、高度技術レジャーアプリケーションシミュレーター（ATLAS）と呼ばれる、特別に改造された軍用フライトシミュレーターを使用して、宇宙空間を飛行する体験をシミュレーションしている。
• ボディ・ウォーズ（現在は閉鎖）は、エプコットのワンダーズ・オブ・ライフ館にあったアトラクションで、スター・ツアーズと同じ技術を用いて人体の中を巡る体験をシミュレーションしていた。
• シーワールド・オーランドとシーワールド・サンディエゴのワイルド・アークティック。
• ディズニー・カリフォルニア・アドベンチャー内にある「ソアリン・オーバー・カリフォルニア」は、 IMAXドームスクリーンとハンググライダーのシミュレーション装置を用いて、カリフォルニアの数々の景勝地の上空を飛行する体験を提供する。
• ニモ＆フレンズ・シーライダーは、東京ディズニーシーにあるシミュレーター型アトラクションです。
• 「スタートレック：ザ・エクスペリエンス」は、1998年から2008年までラスベガス・ヒルトンにありました。その「クリンゴンとの遭遇」は、最先端の6自由度フライトシミュレーターと、それに関連する宇宙戦闘映画の映像で最高潮に達しました。
• 映画『バック・トゥ・ザ・フューチャー』シリーズを題材にしたシミュレーターライド「バック・トゥ・ザ・フューチャー：ザ・ライド」は、ユニバーサル・スタジオ・フロリダ、ユニバーサル・スタジオ・ハリウッド、ユニバーサル・スタジオ・ジャパンに設置されていました。このライドでは、デロリアンを模したシミュレーターカーが、高さ70フィート（約21メートル）のIMAXドームスクリーンに向かって走行する仕組みになっていました。2008年、フロリダとハリウッドのパークでは、別のシミュレーターライド「ザ・シンプソンズ・ライド」に置き換えられました。
• ハンナ・バーベラのファンタスティック・ワールド（現在は閉鎖）は、ユニバーサル・スタジオ・フロリダの初期アトラクションの一つでした。このアトラクションでは、ロケットを搭載したシミュレーターカーと劇場サイズのスクリーンが使用されていました。
• ジミー・ニュートロンのニックトゥーン・ブラスト（現在は閉鎖）は、かつてハンナ・バーベラのファンタスティック・ワールドがあった場所に位置する、ユニバーサル・スタジオ・フロリダのテーマパーク内にありました。このアトラクションは、ロケットを搭載したシミュレーターカーと劇場サイズのスクリーンを使用していました。
• ワシントンDCにある国立航空宇宙博物館には、空中戦で360度バレルロールを行う2人乗りのインタラクティブなフライトシミュレーターが並ぶギャラリーがある。^{[ 11 ] [ 12 ]}
• ブッシュガーデンズ・ウィリアムズバーグにあるシミュレーターアトラクション「ヨーロッパ・イン・ザ・エア」は、モーションプラットフォーム、高精細映像、風の効果を用いて、ヨーロッパの有名な名所の上空を飛行する体験をシミュレートします。
• VRMスイスとエアバス・ヘリコプターズが協力し、EASA規制に基づき世界初のH125仮想現実飛行訓練装置レベル3の認証を取得
• ボルケーノ・エクスプレスは、アイスランドのレイキャビクにあるハルパ・コンサートホールに2025年3月にオープンしたライドシミュレーター兼観光アトラクションです。映画のような体験とライドシミュレーターを組み合わせることで、地震の感覚、溶岩の熱、飛行の感覚を再現します。^{[ 13 ]}
• RiseNYは、 2022年にタイムズスクエアで一般公開されたニューヨーク市のシミュレーターライドです^{[ 14 ]}。このライドでは、ニューヨークの5つの行政区のさまざまな場所を飛行する体験ができます^{[ 15 ] 。}

運転シミュレーションゲームや飛行シミュレーションゲームの中には、ハンドル、フットペダル、ジョイスティックなどの専用コントローラーを使用できるものがあります。近年開発されたゲームコントローラーの中には、ハプティック技術を採用し、コントローラーからの振動という形でリアルタイムの触覚フィードバックをユーザーに提供するものもあります。モーションシミュレーターは、プレイヤーに全身の触覚フィードバックを提供することで、さらに一歩進んだ体験を実現します。モーションゲーミングチェアは、左右に回転したり、前後に傾いたりすることで、カーブを曲がる動作、加速、減速をシミュレートできます。モーションプラットフォームは、より刺激的で、潜在的にリアルなゲーム体験を可能にし、ゲームプレイにおける視覚や聴覚との身体的な相関性をさらに高めます。

出典: ^{[ 16 ]}

固有受容体は、筋肉、腱、関節、腸に存在する受容体で、身体が受ける加速度に比例して脳に信号を送ります。航空機のパイロットがよく挙げる「一般的な」固有受容体の例としては、「お尻」の感覚があります。固有受容体は、筋肉の動きや筋肉の緊張によって生じる刺激に反応します。外受容体と固有受容体によって生成された信号は、感覚ニューロンまたは神経によって伝達され、電気化学信号と呼ばれます。ニューロンがこのような信号を受け取ると、シナプスと呼ばれる橋を介して隣接するニューロンに信号を送ります。シナプスは、電気的および化学的な手段によってニューロン間のインパルスを「発生」させます。これらの感覚信号は、運動神経に沿って伝わる信号に応じて脳によって処理されます。運動ニューロンは、特殊な線維によってこれらの信号を筋肉に伝え、筋肉は収縮または弛緩するように指示されます。

これらはすべて加速度センサーであり、一定の速度に達すると反応しなくなります。一定速度では、視覚的な手がかりが動きの合図となり、再び加速が起こると、身体の動きを感知するセンサーが脳に信号を送ります。

シミュレーターのモーションプラットフォームでは、初期加速が発生した後、被験者がシミュレーターのモーションキューイングにおけるいわゆる「ウォッシュアウト」フェーズを感知しないように、プラットフォームは人間の運動閾値以下の速度でニュートラルポジションにリセットされます。その後、モーションシステムは、現実世界と同様に被験者が感知する次の加速を行う準備が整います。このいわゆる「加速開始キューイング」は、モーションプラットフォームを備えたシミュレーターにおいて重要な側面であり、現実世界で人間が動きを感じる方法をモデル化しています。

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前庭系は、体の平衡感覚を司るシステムであり、内耳にある左右の前庭器官から構成されています。前庭系は、互いに直角に配置された3つの半規管（管）から成ります。各半規管の内側には神経終末につながる毛が生えており、内部は液体で満たされています。頭部が加速すると、半規管内の液体が動き、毛包が元の向きからずれます。すると、神経終末が脳に信号を送り、脳はそれをピッチ、ロール、ヨーの3つの回転方向の加速として解釈します。

前庭系は知覚と姿勢の安定性を維持するための反射を生成します。視覚、触覚、聴覚といった他の感覚と比較すると、前庭入力は脳によって迅速に記録されますが、遠近法や地平線の動きといった視覚の変化はその後すぐに続きます。^{[ 17 ]}したがって、シミュレーターでは、現実世界とは逆の状況、いわゆる「シミュレーター酔い」が発生する可能性がある、運動の合図よりも先に視覚の合図が知覚されないようにすることが不可欠です。^{[ 18 ]}第二に、頭部が10～20秒程度の持続的な加速度を受けると、毛包は「ゼロ」または垂直位置に戻り、脳はこれを加速度が停止したと解釈します。さらに、脳が知覚できない約2度/秒の低い加速度閾値があります。言い換えれば、閾値以下のゆっくりとした動きでは前庭の合図は生成されません。前述の「固有受容体」のセクションで説明したように、これによりシミュレーターの動きが閾値以下に「洗い流され」、モーションプラットフォームによって生成され、シミュレーターの被験者によって感知される次の加速度に備えることができる。

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人間の目は 、日中の良好な視界など、高解像度の画像が得られる状況では、モーションシミュレーションにおいて重要な情報源となります。目は、機体の位置、速度、および地上に対する姿勢に関する情報を脳に伝達します。そのため、リアルなシミュレーションを実現するには、モーションプラットフォーム（搭載されている場合）からの情報が外部の視覚シーンと同期して動作することが不可欠です。前述のように、現実世界では、視覚の変化よりも先に脳がモーション情報を処理します。シミュレーターでもこの処理を再現しなければ、人によってはめまいや吐き気などの症状、いわゆる「シミュレーター酔い」を引き起こす可能性があります。

例えば、乗員が車両を左に傾けるよう指示した場合、視覚ディスプレイも同じ大きさ、同じ速度で傾く必要があります。同時に、運転席は乗員の動きに合わせて傾きます。乗員の固有受容体と前庭系はこの動きを感知します。動きと視覚入力の変化は、乗員が動きの違いを感知できる閾値以下になるように、十分に一致している必要があります。

効果的な訓練装置または娯楽装置となるためには、身体の各感覚入力によって脳が受け取る合図が一致していなければならない。

シミュレーターの限られた空間では、既存のほとんどのシステムで大規模な動きを正確にシミュレートすることは物理的に不可能です。標準的なアプローチは、初期加速の手がかりをできるだけ忠実にシミュレートすることです。^{[ 19 ]}

古典的なウォッシュアウトフィルタは、ハイパスフィルタとローパスフィルタの組み合わせにすぎないため、フィルタの実装は比較的容易です。ただし、これらのフィルタのパラメータは経験的に決定する必要があります。古典的なウォッシュアウトフィルタへの入力は、車両固有の力と角速度です。どちらの入力も、車両本体固定座標系で表されます。低周波の力が運動ベースの駆動に支配的であるため、力はハイパスフィルタでフィルタリングされ、シミュレータの並進運動が得られます。角速度についても、ほぼ同様の処理が行われます。

モーションプラットフォームの傾きを特定するために、まず傾斜機構は回転計算のための力の低周波成分を供給します。次に、高周波成分「f」を使用してシミュレータプラットフォームの重力ベクトル「g」の向きを決定します。

${\displaystyle \beta =\sin ^{-1}({\frac {f}{g}})}$

通常、位置を求めるために、ローパスフィルタ（連続時間設定の場合）は、s領域において次の伝達関数で表されます。

${\displaystyle LP(s)={\frac {1}{1+sT}}}$

ハイパスフィルタへの入力は、次の式に従って計算されます。

${\displaystyle U(s)=(\beta +LP(s))X(s)}$

どこ${\displaystyle X(s)}$これらは力入力です。ハイパスフィルタは、例えば次の系列のように表すことができます。

${\displaystyle HP(s)={\frac {Y(s)}{U(s)}}={\frac {s^{2}T_{2}^{2}}{1+s2dT_{2}+s^{2}T_{2}^{2}}}({\frac {1}{s}}){\frac {sT_{1}}{1+sT_{1}}}({\frac {1}{s}})}$

この系列の2つの積分器は、それぞれ加速度を速度に、速度を位置に積分することを表しています。 ${\displaystyle T,}$${\displaystyle T_{1}}$、 そして${\displaystyle T_{2}}$フィルタパラメータを表す。フィルタの出力は定常状態では消滅し、開ループ平衡点の位置が維持されることは明らかである。これは、過渡的な入力は「通過」するが、定常状態の入力は通過しないことを意味するため、フィルタの要件を満たす。^{[ 25 ]}

ウォッシュアウトフィルタ内のパラメータを経験的に決定する現在の方法は、熟練した評価パイロットがあらかじめ決められた操縦を行う試行錯誤の主観的な調整プロセスです。各飛行後、パイロットの動きの印象がウォッシュアウトフィルタの専門家に伝えられ、専門家はパイロットを満足させるためにウォッシュアウトフィルタの係数を調整します。研究者たちは、調整パラダイムの使用と、エキスパートシステムを使用したその取得も提案しています。^{[ 26 ]}

このウォッシュアウトフィルタは、適応型ウォッシュアウトフィルタと最適型ウォッシュアウトフィルタの組み合わせの結果とみなすことができます。モーションシステムのハードウェア制限内で利用可能なモーションキューをさらに最大化するために非線形アプローチが望まれ、その結果、よりリアルな体験が得られます。たとえば、DanielとAugustoによって記述されたアルゴリズムは、システム状態の関数としてゲインαを計算します。したがって、ウォッシュアウトは時間とともに変化します。プラットフォームの状態の大きさが大きくなるにつれてゲイン「α」が増加し、より速い制御アクションでプラットフォームを元の位置に素早くウォッシュアウトする余地が生まれます。プラットフォームの状態の大きさが小さいか減少している場合は、反対の結果が発生し、モーションキューが長くなり、より長い時間持続します。^{[ 27 ]}

同様に、テルバンとカルドゥロの研究では、人間の運動知覚を最適化するために、視覚と前庭感覚の両方を含む統合知覚モデルが追加されました。このモデルは、パイロットの運動キューに対する反応を改善することが示されています。^{[ 28 ]}

この適応型アプローチはNASAラングレー研究所で開発されました。これは、経験的に決定されたフィルターの組み合わせで構成されており、いくつかの係数は、設定された目的（コスト）関数を最小化するために所定の方法で変化します。トロント大学で行われた研究では、この協調型適応フィルターは、他の2種類のウォッシュアウトフィルターと比較して「最も好ましいパイロット評価」を提供しました。このタイプのウォッシュアウトフィルターの利点は、主に2つの点にまとめられます。まず、適応特性により、シミュレーターが中立位置に近いときに、より現実的な動きの手がかりが得られ、動きはモーションシステムの能力の限界でのみ減少するため、モーションシステムの能力をより良く使用できます。次に、コスト関数または目的関数（ウォッシュアウトフィルターを最適化するもの）は非常に柔軟で、より忠実度の高いモデルを組み込むためにさまざまな項を追加できます。これにより、時間の経過とともに変化できる拡張可能なシステムが実現し、シミュレーションされた飛行全体を通して最も正確な方法で応答するシステムになります。欠点としては、主にクロスフィードチャネルのために動作の調整が難しいことが挙げられる。また、必要な微分関数呼び出しの数が多いため、実行時間が比較的長くなる。さらに、より複雑なコスト関数が導入されると、必要な計算時間も増加する。^{[ 29 ]}

ウォッシュアウトフィルタは、モーションプラットフォームの物理的な能力を超える広範囲の条件をシミュレーションできるという点で非常に有用ですが、シミュレーションアプリケーションにおけるその性能と実用性には限界があります。ウォッシュアウトフィルタは、人間の感覚の限界を利用して、実際よりも大きなシミュレーション環境を再現します。たとえば、モーションシミュレータのパイロットが長時間にわたって安定した水平旋回を行う場合、システムは関連するバンク角を維持する必要があります。このような状況では、ウォッシュアウトフィルタによって、パイロットが感知できる閾値以下の速度でシステムがゆっくりと平衡位置に戻ることができます。この利点は、パイロットが次の操縦を行う際に、モーションシステムがより広い可動範囲を利用できることです。

このような挙動は、非常に予測可能で緩やかな操縦を行う航空機シミュレーション（商用機や大型輸送機など）においては容易に適用できます。しかし、このような緩やかで滑らかなダイナミクスは、実際のシミュレーション環境すべてに存在するわけではなく、ウォッシュアウトフィルタやモーションシステムの有効性を低下させます。例えば、戦闘機パイロットの訓練を考えてみましょう。戦闘機の安定した巡航飛行は、こうした制約内で十分にシミュレートできるかもしれませんが、空中戦では、飛行操縦は物理的な極限まで非常に迅速に行われます。このような状況では、ウォッシュアウトフィルタが反応してモーションシステムを平衡状態に戻す時間がなく、モーションシステムはすぐに可動範囲の制限に達し、ダイナミクスを正確にシミュレートできなくなります。そのため、モーションとウォッシュアウトフィルタに基づくシステムは、限られた範囲の飛行条件を経験する場合にのみ使用されることが多いのです。

フィルター自体も、次のような誤った手がかりを引き起こす可能性があります。1) シミュレーター内の動きの手がかりが航空機内の動きの手がかりと逆方向である場合、2) 航空機内で動きの手がかりが想定されていなかった場合にシミュレーター内で動きの手がかりが発生する場合、3) 航空機内で持続的な手がかりが想定されていたにもかかわらず、シミュレーター内の持続的な手がかりが比較的高周波で歪んでいる場合。上記の定義は、知覚される動きの忠実度を著しく低下させるすべての手がかりエラーをまとめたものです。^{[ 26 ]} 誤った手がかりの潜在的な原因は 6 つあります。

• ソフトウェアまたはハードウェアによる制限：シミュレータが変位制限に近づくと、2つの保護方法が提供されます。1) ソフトウェアによる制限、2) ハードウェアによる制限です。いずれの場合も、モーションシステムへの損傷を防ぐためにシミュレータは減速されます。この減速に伴い、大きな誤認識が発生することがよくあります。
• ニュートラル状態への復帰：この誤った合図は、ステップ入力に対するハイパスフィルタのオーバーシュートに起因します。このタイプの応答は、2次または3次のハイパスフィルタを使用した場合にのみ発生します。
• G傾斜
• 傾斜調整角速度
• 傾斜協調残余効果：揺れや突入時に持続的な特定力入力が加えられると、傾斜協調効果によりシミュレータは定常状態のピッチ角またはロール角を維持します。入力が突然終了すると、ハイパスの特定力応答によって傾斜に伴う特定力が一時的に相殺されますが、シミュレータの変位が制限されるため、シミュレータの並進加速が妨げられるまでの短い時間に限られます。傾斜が速やかに除去されると、傾斜協調角速度の誤認識が生じます。そうでない場合は、残存する傾斜によって加速感が生じ、これを傾斜協調残余効果による誤認識と呼びます。
• 傾斜協調角加速度：この誤ったキューは、パイロットの頭部以外の点を中心に発生する傾斜協調によって生じる角加速度が原因です。回転中心からパイロットの頭部までのモーメントアームと角加速度が組み合わさることで、パイロットの頭部に特定の力の誤ったキューが発生します。角回転がシミュレートされる点（いわゆる基準点）は、通常、六脚式モーションシステムの上部ベアリングブロックフレームの重心にあります。

フライトシミュレーターに適用される物理的な動きの使用は、議論され研究されてきたトピックです。ビクトリア大学の工学部は、1980年代に一連のテストを実施し、フライトシミュレーションにおける航空会社のパイロットの認識と、シミュレーション環境に対する動きの影響を定量化しました。最終的に、動きがある場合、パイロットがシミュレーション環境をどのように認識するかに明確なプラスの効果があり、動きのないシミュレーション環境に対してはほぼ全員が嫌悪感を示したことがわかりました。^{[ 30 ]}航空会社のパイロットの反応に関する研究の結果から導き出せる結論は、シミュレーションのリアリズムは、パイロットに対するシミュレーションの正確さと直接関係があるということです。ビデオゲームに適用され、ゲーム体験内で評価される場合、リアリズムはゲームプレイヤーによるゲームの楽しさと直接関係があります。言い換えれば、動きが可能なゲームはよりリアルであり、したがってより反復的でより刺激的です。しかし、シミュレーションでの動きの使用には、乗り物酔いなど、シミュレーターを使用する本来の目的を損なう悪影響があります。たとえば、軍のパイロットが、実際の航空機で加速度に対する感度を維持するために頭を動かすのと同様に、シミュレーター内で頭を動かしたために前庭系が狂ってしまったという報告があります。しかし、シミュレーターの加速度には制限があるため、この影響は実際の航空機に戻るときに悪影響を及ぼします。^{[ 2 ] [ 16 ]}

乗り物酔いまたはシミュレーター酔い：シミュレーターは、視覚、前庭感覚、固有受容感覚から得られる入力が特定の種類の望ましい動きであると脳に「錯覚」させることで機能します。脳が受け取る合図のいずれかが他の合図と一致しない場合、乗り物酔いが発生する可能性があります。原則として、シミュレーター酔いは、3つの物理的な入力源からの合図の不一致によって生じる乗り物酔いの一種です。たとえば、窓のない船に乗っていると、前庭系から体が加速してさまざまな方向に回転しているという合図が送られますが、視覚系は、乗員と同じように部屋が動いているため、動きを認識しません。このような状況では、多くの人が乗り物酔いを感じるでしょう。

シミュレーター酔いに加えて、モーションシミュレーションへの曝露後には、他にも様々な症状が観察されています。これらの症状には、熱感、顔面蒼白、発汗、抑うつ感、無気力、頭痛、頭重感、眠気、倦怠感、焦点調節困難、眼精疲労、視界のぼやけ、げっぷ、集中力低下、そして視覚的なフラッシュバックなどが含まれます。これらの症状は、モーションシミュレーターへの曝露後、1～2日間続く場合があることが観察されています。

モーションプラットフォームは、最初の加速時のみ実際の動きの感覚を再現できます。モーションプラットフォームのサイズの物理的な限界により、その感覚を持続させることはできません。しかし、人体のモーションセンサーは持続的な動きではなく加速度に反応するため、モーションプラットフォームは動きのキューイングを生み出すことができます。人間のモーションセンサーは、回転を感知する3つの半規管と直線加速度を感知する耳石器からなる内耳（前庭器官）で構成されています。ヘキサポッドモーションプラットフォームは、国際民間航空機関（ICAO）および欧州のEASAや米国のFAAなどの地域民間航空当局の規則に基づき、世界中の民間航空でパイロットの訓練に使用されるフルフライトシミュレーターで使用されています。

• シミュレーターは、潜在的に危険な乗り物（例えば航空機）の操作に関する安全な訓練手段を提供する。
• 実機を使った訓練費用は、シミュレーターの費用を上回る場合がある。
• トレーニングセッション間の時間は、動作システムを初期状態にリセットするだけで済む場合もあるため、短縮される可能性がある。

• 実際の環境を完全に再現できるとは限らないため、操縦者／搭乗者は期待していた感覚が得られないことに戸惑ったり、実際の環境への準備が不十分だったりする可能性がある。
• すべてのセンサー入力を揃えて「シミュレーター酔い」のリスクを排除または少なくとも軽減することは困難である。^{[ 31 ]}
• 参加者の年齢や実際の環境での経験量によって、シミュレーション環境に対する反応が変化する。^{[ 31 ]}