行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 多功能虛擬實境動態模擬系統(第三年) ※
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子計畫三：多功能虛擬實境動態模擬系統中之
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六軸運動平台的智慧型控制
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計畫類別：□個別型計畫 ■整合型計畫
計畫編號：
NSC-89-2218-E-009-042
執行期間：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日
計畫主持人：林進燈 教授
共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
■赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立交通大學電機與控制工程研究所
中 華 民 國 90 年 7 月 31 日
多功能虛擬實境動態模擬系統中之
六軸運動平台的智慧型控制
Intelligent Control of Stewart Platform
in the Multipurpose Virtual-Reality-Based Motion Simulator
計畫編號：NSC-89-2218-E-009-042
執行期間：89年8月1日至90年7月31日
主持人：林進燈 教授
ctlin@fnn.cn.nctu.edu.tw執行機關：國立交通大學電機與控制工程研究所
第三年具體成果：
一、六軸平台之控制 在完成平台的各種動力學分析及位置控制 法則發展後，在第三年度裡，我們利用這些已 有的資訊，進一步發展了進似的速度控制方 式。此外為了使六軸運動模擬器能克服平台工 作空間的限制，使模擬動作能更逼真，並真正 實現六軸運動平台的速度控制與加速度控 制，我們利用「動作提示(Motion Cues)」的觀 念，以人類身体對力的感受配合眼睛在視覺上 的假像，藉由「沖淡演算法」來實現平台的速 度與加速度控制，並與實驗室自行發展的飛機 動態模型結合，完成一個完整飛機操控訓練的 虛擬實境。 1. 進似的六軸運動平台之速度控制 假設我們有一位置控制系統，其系統響應 為 C(s)，則藉助開迴路系統，我們可利用此位 置控制器來達成速度控制。其達成方式如下： ` 速度 指令 1/S 位置指令 位置控制系統C(s) 輸出位置 S 輸出速度 虛線部分只有要量 測速度時才要用到 圖(1)：利用位置控制器完成速度控制的架構圖 該架構乍看之下為開迴路架構，因此在傳 統印象中，會認為其將具有開迴路的一些缺 點。事實上，我們所提架構為開迴路和閉迴路 架構之整合，因此其並不完全具備開迴路的缺 點。事實上，除了抗雜訊能力較用閉迴路完成 的速度弱外，其它方面都表現得還不錯。傳統 上，閉迴路控制器較開迴路控制器具有四個優 點，分別為：對參數變動靈敏性較小、可調整 控制系統的暫態、較佳的抗雜訊能力及較佳的 穩態誤差。經探討，我們發現所設計的速度控 制系統除了對抗雜訊較差外，其擁有一般閉迴 路速度控制系統的優點。 2. 動作提示 Stewart Platform為一具有六自由度運動能 力之機械平台，但其運動範圍受到其工作空間 的限制，有些動作是無法達成。因此為了在其 有限空間下模擬出駕駛汽車、飛機、輪船等交 通工具時之運動感覺。所以我們以「沖淡演算 法(Washout Algorithm)」架構出「動作提示 (Motion Cues)」的完整架構，以達到我們對模 擬器的力的感受。 ”動作提示”就是要在有限的空間裡，利用 人體對力的感覺配合視覺上的假像來模擬一 些一般平台所無法達成的動作，像飛機的翻 滾、長時間的持續加速過程等動作。這對傳統 的 Stewart Platform 控制是有存在的困難點，因 一般是以位置控制為主，但要表現出模擬器力 的表現則需速度與加速度方面的資料，所以我們以模擬器所模擬的交通工具之數學 model 與
Washout Algorithm架構出「動作提示」與六軸
平台構成一完整的運動模擬器，其完整架構如 圖(2)所示。
Math
Model WashOutFilter KinmaticsInverse PlatformStewart
比例力 六軸 資料 六軸腳長 Initial condition Pilot's command Parameters of the Math Model 角速度 圖(2)：「動作提示」與六軸平台之完整架構 圖(3)為 Washout Algorithm 的架構，我們 將以此架構將模擬器上之一參考點之運動感 覺轉換為其在上平台對應點之運動。
scale X + High-passFilter 1 1s2
Low-pass
Filter 1 CoordinatesTilt LimitRate
scale X High-passFilter 2 s
1 ω f fAA v wvAA LIS TS I gv + Inverse Kinmatics z y x、、 γ β α、、 f v 1 f v 2 f v 3 aH v fL v L βv 1 ωv ω2 v SL βv SH β&v SH βv 六軸腳長 Form LIS Form TS Translation Channel
Tilt Coordinates Channel
Roation Channel 圖(3)：Washout Algorithm 架構 “沖淡演算法(Washout Algorithm)”主要是 利用人類對感覺具有門檻值(Threshold Value) 的特性，適當將某些頻率成分的線性運動或轉 動運動加以濾除，並將持續的比例力感覺用緩 慢轉動一傾斜角的方式來實現，這個傾斜角所 產生的轉動被控制在人類對轉動感覺的門檻 值以下，操作員將不會有明顯的感覺，以免混 淆原本轉動運動的感受。 3.發展以模糊控制器調整沖淡濾波器參數 當利用傳統沖淡濾波器於平台控制時，有 時會發生特別的錯誤動作(motion error)，則這 時需進一步調整濾波器的參數。在表(1)中列出 沖淡濾波器的參數與錯誤動作之間的關係，另 外錯誤動作的定義如下： (1) Motion Jerkiness：描述高頻部份的錯 誤，當出現非預期的高頻顫動動作時，稱 為急動。 (2) Motion Amplitude：描述暫態或持續動作 的大小。 (3) Motion Duration：用來描述高頻暫態的 動作是否有遺漏，當發生時，此動作的持 續期間稱為太短(too short)。
錯誤動作
自由度 濾波器參數
X、Y ↓wlpx、wlpy、 hpx w 、whpy ↓ζhpx、ζhpy Z、Yaw ↓whpz、whpϕ↓ hpz ζ 、ζhpϕ Motion Jerkiness Pitch、Roll ↓whpφ、whpθ↓ φ ζhp 、ζhpθ X、Y、Z ↓whpx、whpy、 hpz w Motion Amplitude(too small) Roll、
Pitch、Yaw ↓whpφ、whpθ 、 ϕ hp w X、Y、Z ↑whpx、whpy、 hpz w Motion Amplitude
(too large) Roll、
Pitch、Yaw ↑whpφ、whpθ 、 ϕ hp w X、Y ↓whpx、whpy↓ hpx ζ 、ζhpy Z、Pitch ↓whpz、whpφ、 θ hp w 、whpϕ Motion Duration (too short) Roll、Yaw ↓ζhpz、ζhpφ、 θ ζhp 、ζhpϕ
Motion Duration
(too long) X、Y ↑wlpx、wlpy
表(1)：錯誤動作與沖淡濾波器之參數關係 利用表(1)的對應關係，我們可以透過查表 的方式，以手動的方式改變沖淡濾波器的參 數，快速地修正模擬器的錯誤動作。並以模糊 控制的概念，透過表(1)的對應關係，在發生某 些錯誤動作時，我們可用建立完成的 IF ~ THEN形式的模糊規則庫，調整沖淡濾波器的 參數。 模糊規則控制器之架構 我們所使用的模糊規則控制器是一具有 自我組織能力之控制器。其架構如下圖所示： Performance Index Table Process (Plant) Control Rule Table FLC Output Rule Modification u e e,& Input 圖(4)：具自我組織能力模糊規則控制器架構圖 在這個架構的模糊控制器中，包含了兩個 模糊規則庫，一個是 Control Rule Table 其功能 主要是記錄輸入變數和輸出變數間的映射對 應關係，透過它我們可以很容易的對受控體做 控制，但對於可變動的受控環境，其效果並不 好，為了彌補此缺點，還需採用二個模糊規則 庫，稱為 Performance Index Table，用來調整
Control Rule Table中的模糊規則，使控制器具
有學習的能力。
Control Rule Table之建立
Control Rule Table主要是記錄輸入變數和
輸出變數間的映射對應關係。在輸入變數方 面，我們是以誤差值 e 及誤差值之變化量 e& 做 為模糊規則表的輸入變數，而在輸出變數方 面，我們並不是直接採用沖淡濾波器參數 Wn 或ζ，而是另一個轉化過的變數 W1或ζ1 ，所 以，雖然在表(1.2.2)中，我們列出的是錯誤動 作和 Wn 或ζ的關係，但是我們並不是直接針 對 Wn 或 ζ 的 值 做 控 制 ， 而 是 對 ) ( ) 1 ( ) (t Wn t W1 t Wn = − + 或是ζ(t)= tζ( −1)+ζ 1(t)的關係式，來改變 Wn 和ζ的大小。
Performance Index Table之建立及學習機制 Performance Index Table 之學習概念並不同於 Control Rule Table的設計方式，其模糊規則並
不是單純設計輸入與輸出的映射對應關係，而 是透過預測上一次的控制結果，給予一個新的 程度上的獎勵命令，並配合 Control Rule Table 做進一步的調整。，使其中的輸入與輸出關 係，具有調整性。 二、嵌入式系統之發展 在過去兩個年度裡，我們是以 PC-Based 整 合系統為發展方向，而在第三年度裡，我們的 整合系統則進一步試著朝著小型嵌入式硬體 單板的發展，以取代整台 PC 之功能。 這 裡 我 們 所 採 用 的 是 由 Apply Data
System 公司所生產的 Graphics Client Plus 產
品。選擇這塊板子的原因是因為它有豐富的序 列傳輸介面，包括 IrDA、RS-232、RS-485 及 CAN-Bus，也有內建 10Base-T 網路以及觸控式 螢幕及鍵盤等，並且支援包括 Linux、WinCE 等五種嵌入式作業系統，可以發展的嵌入式種 類及相關應用程式可謂相當豐富。此塊單板實 體圖片如下圖所示：
圖(5)：Apply Data System 公司所生產的 The
除此之外，GCPlus 所使用的微處理器為
SA-1110，而在 LART 的計畫中亦是使用 Strong
ARM 微處理器系列。所謂 LART 計畫是由國
外的 Delft University of Technology 所主持的研 究計畫，主要研究在消耗不到一瓦特功率而可 以達到 250MIPS 指令的 Linux 嵌入式系統。它 有一套較為完整的 Linux 嵌入式系統文件及 mailing list，更難得的是它將所有的軟硬體以 GPL 方式公開。因此在發展 Strong ARM1110 嵌入式系統時可以有較為完整的相關文件可 以參考。 目前我們在 GCPlus 單板上發展嵌入式系 統來控制虛擬實境動態模擬器並未完全成 功。現在已做到的為移植 Linux 作業系統至 GCPlus 單板上，使單板成為 Linux 嵌入式系 統，並成功撰寫一些周邊驅動程式。未來則打 算自己發展一塊嵌入式的板子，並加入六軸平 台的驅動電路，以完成與平台的結合。 三、飛機虛擬場景之發展 在虛擬場景的發展上，我們可分硬體及軟 體兩部份分別述說之。首先在硬體設備上，我 們在交通大學電子資訊大樓 416 室建購一個專 屬的虛擬實境展示室，其更增加了本計畫展示 上的生動效果。而在軟體發展上，我們延續以 往累積的經驗，將原有單純的虛擬實境場景擴 大發展成為分散式模擬操控訓練系統。不過由 於第三年總計畫的目的在於發展一虛擬飛機 操控系統，因此在虛擬場景的開發上，我們是 針對飛機場景來發展。下列即為軟體部分在第 三年所完成的事項：(1) SGI 飛機模擬操控訓練 系統雛型之建立、(2) PC 雙人飛機模擬操控訓 練系統雛型之建立。 1. SGI飛機模擬操控訓練系統雛型之建立 圖(6)中的虛擬實境飛機場景是使用在 SGI機器上的一套 VR 軟體 Coryphaeus 所發展 出來的，其精細度與逼真度與使用 PC 上的 VR 軟體 WTK 來發展的場景做比較，其效果要好 許多。另外場景除了有用來與六軸運動平台搭 配整合外，我們更是利用分散式系統架構，並 搭配現有的 MQM-104B 遠端無人操控飛機之 動態模擬模組(參考 S.D. Lemke 所撰寫之 「Aerodynamic and Performance Summary for
the MQM-107B Clean and with I.R. Tip Pods」技
術報告)，以完成逼真的飛機模擬操控訓練系統 之雛形。 圖(6)：飛機場景之畫面成果展示 圖(7)：MQM-107B 無人操控飛機之外觀 2. 系統整合 飛機操控模擬訓練系統，除了場景畫面與 動態模擬模組之間的搭配外，有時還必須與六 軸運動平台「位置控制器」、「Washout 控制器」 等外部硬體模組整合。為此我們在「系統整合」 當中提出通訊介面模組的觀念，透過 TCP/IP 網路通訊協定來連接操控模擬訓練系統與其
它外部硬體，以展示最終完整的分散式即時動 態視覺飛機操控訓練系統。 Share Memory Serial Joystick attached on SGI Force-Feedback Joystick control PC Position Controller Aerodynamic of MQM-107B TCP/IP RS232 Serial Joystick interface module Force-Feedback Joystick interface module Position Controller interface module Aerodynamic interface module
Virtual Reality Scene
Washout Controller #1 Washout Controller interface module #1 Washout Controller #2 Washout Controller interface module #2
Interface modules as processes
SGI Octane (High Performance Graphics Workstation)
圖(8)：虛擬實境場景底層軟體架構圖 3. PC場景開發 在本年度本計畫的虛擬實境場景開發部 分，我們除了以 SGI 工作站為場景開發的主要 平台之外，也試圖在 PC 個人電腦平台下發展 虛擬實境場景，尋求較為廉價且容易普及的解 決方案。因此在飛機場景上我們亦發展了一套 飛機模擬場景。值得一提的是這裡所發展的飛 機模擬場景是針對雙台飛機連線系統。 圖(9)：雙人飛機模擬操控訓練系統成果展示 4. 虛擬實境展示室 為增加展示上的生動效果，我們規畫了一 間虛擬實境之展示空間。設計上將室內空間區 隔成三個獨立空間，包括有機械油壓室、動作 平台展示室及控制室(見圖(10)所示)。另外在圖 (11)中展示一段實際結合平台的影片，以供參 考。 圖(10)：虛擬實境展示室 圖(11)：虛擬實境動感影片
【1】 D. Stewart, “A platform with six degrees
of freedom”, Proceedings of the
Institution of Mechanical Engineers, vol.
180, Part 1, no. 5, pp. 371-386,1965-1966.
【2】 Z.Geng, ”On the Dynamic Model and
Kinematics Analysis of a Class of Stewart Platform”, Journal of Robotics and
Automation System,Vol.9,1992.
【3】 H. Pang, ”Kinematics and Dynamics of a
Parallel Manipular with Woven Joints”,
Vibration and Dynamics of Robotics and Multibody structures, ASME, pp. 49-56,
1993.
【4】 K. Liu, J. M. Fitzgerald and F. L. Lewis,
“Kinematic analysis of a stewart platform manipulator”,IEEE Trans. on Industrial
Electronics, Vol. 40, No. 2, pp. 282-293,
April, 1993.
【5】 Idan Moshe and Nahon Meyer A.,
“Off-line comparison of classical and robust flight motion control,” Journal of
Guidance, Control, and Dynamics, vol.
22, no. 5, pp.702-709, September-October 1999.
【6】 Nicolas A. Pouliot and Clement M.
Gosselin and Meyer A. Nahon, ”Motion
Simulation Capabilities of Three-Degree-of-Freedom Flight Simulators.” Journal of Aircraft, Vol 35.
No. 1, January-February 1998.
【7】 Peter R. Grant and Lloyd D. Reid,
“Motion Washout Filter Tuning: Rules and Requirements”, Journal of Aircraft,
Vol. 34, No. 2, March-April 1997.
【8】 Grant, P. R., and Reid, L. D., “PROTEST:
An Expert System for Tuning Simulator Washout Filters,” Journal of Aircraft, Vol. 34, No. 2, March-April 1997, pp. 152-159.
【9】 Yu-Chung Wang and Kwei-Jay Lin, “Enhancing the Real-Time Capability of
the Linux Kernel,”In 5th International Conference on Real-Time Computing Systems and Applications(RTCSA’ 98), Oct 1998.
【10】 De Goyeneche, J.-M.; De Sousa, E.A.F. “ Loadable kernel modules ” IEEE
Software , Volume: 16 Issue: 1 , Jan.-Feb.
1999, pp. 65 –71.
【11】 Zuberi, K.M.; Shin, K.G. “EMERALDS:
a microkernel for embedded real-time systems” Real-Time Technology and
Applications Symposium, 1996.
Proceedings., 1996 IEEE , 1996, pp. 241 –249.
【12】 De Goyeneche, J.-M.; De Sousa, E.A.F. “ Loadable kernel modules ” IEEE
Software , Volume: 16 Issue: 1 , Jan.-Feb.
1999, pp. 65 –71.
【13】 S.D.Lemke, "Aerodynamic and
performance summary for the MQM-107B clean and with I.R. TIP PODS", ENGINEERING REPORT 1089E446, Beech Aircraft Corporaton, December 1984.
附件：參加「第九屆國際糢糊系統年會
會議」報告
一、參加會議經過
這次會議是由 International Fuzzy System Association (IFSA) 及 North American Fuzzy Information Processing Society (NAFIPS)所主辦，主要是探討模糊 理論之發展，模糊與類神經及遺傳演算法結 合系統之建立，模糊晶片之設計，以及糢糊 邏輯在控制、通訊、交通、影像處理與許多 其他領域之應用。會議從七月二十五日到七 月二十八日共有四天，在加拿大溫哥華是史 坦利公園的 Coast Plaza Suite Hotel 舉 行，第一天為 Tutorial，第二天為議程開 始，晚上有歡迎酒會，第三天晚上並有晚 宴。這次會議的主題包括 Fuzzy Control， Fuzzy Modeling，Fuzzy Clustering， Stability Analysis ， Fuzzy Logic and Genetic Algorithm ， Fuzzy Decision Making ， Fuzzy Neural Network ， Image Processing，Fuzzy Hardware，Industrial Application，Traffic Control，Medical Applications，Robotics 等等，共有來自 41 個國家的 547 篇論文以六個 Parallel Sessions 方式同時進行。我的論文被邀請在 第一天下午 13：30 發表。這一篇是以口頭 報告方式發表，當中有不少學者提出問題討 論，包括英國糢糊界大師 Prof. C. J. Harris，並有許多學者要求所發表論文的詳 細資料。 二、與會心得 由會議之論文發表情形以及現場許多海報 及業界展示看來，糢糊邏輯的應用已深入各個 領域，期中令人印象深刻的包括交通流量監 控，自動車控制，網際網路及醫學方面的應 用，由此現象可預期糢糊邏輯將有更廣大的應 用空間。同時有關糢糊控制的理論研究在這次 會議中也有不錯的論文發表，這使得糢糊控制 能逐漸脫離「在數學上不夠嚴謹」的批評。此 次會議的另一個重點是糢糊分類及糢糊影像 處理。許多論文及成果展示了糢糊邏輯在此領 域有與控制相仿的應用空間。另外，關於糢糊 系統與類神經網路及遺傳演算法的結合仍有 持續的發展。相信這些相關技術的結合是未來 智慧型系統技術的主軸。另外值得一提的，在 網際網路時代，利用糢糊邏輯技術於網路資料 的擷取（Date Mining）將有許多發揮的空間， 值得關注。 三、建議 應鼓勵工業界、企業界在發展其產品時 多考慮糢糊技術之應用以提高產品的「智慧 度」，並提高產品人機介面之人性化程度。 至於學術界則可朝糢糊技術的理論基礎發 展，以提昇其應用深度及可靠度。 四、攜回資料名及內容
Proceedings of Joint 9th IFSA World Congress and 20th NAFIPS International Conference, Vancouver, Canada, 20
