Je leest:

Vluchtsimulatie

Vluchtsimulatie

Auteur: | 10 april 2004

Simona, de nieuwste vluchtsimulator van de luchtvaartindustrie, maakt het mogelijk om te bepalen welke combinaties van visuele en mechanische beweging als realistisch worden ervaren. Deze kennis is nodig om allerlei apparaten aan te sturen die bewegingen simuleren. De grootste toepassing ligt op het gebied van voertuigsimulatoren.

SIMONA heet de nieuwe belofte van de luchtvaartindustrie. De faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de Technische Universiteit Delft bouwde in samenwerking met de faculteiten Ontwerp, Constructie en Productie en Informatietechnologie en Systemen een simulator die door het gebruik van lichte materialen en een gevoelig bestuuringssysteem uniek is. Deze vluchtsimulator biedt de mogelijkheid geavanceerde technieken te testen, zoals de space plane, een vliegtuig voor lange afstanden dat een groot gedeelte van de vlucht buiten de dampkring uitvoert. Dit vliegtuig heeft een glass cockpit: alle relevante informatie wordt op computer-displays weergegeven.

Stel je eens voor: een beweging wordt gesimuleerd waarbij het vliegtuig over een hoek van 30 graden rechtsom rolt. In de natuurlijke situatie zijn de visuele en de mechanische beweging even groot maar tegengesteld van richting. Door het beeld eenvoudigweg 30 graden linksom te draaien is de beweging voor het oog makkelijk te simuleren. Is het echter ook nodig een mechanische beweging van 30 graden rechtsom te maken of voldoet een kleinere hoek van bijvoorbeeld 29 graden of zelfs 10 graden aan de voorwaarden voor een realistische waarneming?

Uit onderzoek dat de TU Delft in samenwerking met het Nationaal Lucht-en Ruimtevaartlaboratorium uitvoerde blijkt hoe groot de mechanische beweging moet zijn om de visueel gesimuleerde beweging echt te laten lijken. Soms is mechanische beweging helemaal niet nodig om toch de sensatie van een realistische zelf-beweging op te wekken.

Je zit in de trein aan het raam, je hoort het fluitje van de conducteur, de trein vertrekt. Je voelt dat je langzaam in beweging komt. Plotseling ontdekt je dat je helemaal niet vooruitgaat. Het is de trein op het andere spoor die ervandoor gaat! Zelf zit je nog steeds stil. Dit voorbeeld laat zien dat er geen echte beweging nodig is om toch het gevoel op te wekken dat je beweegt. In het geval van de trein laten we ons vooral leiden door ons visuele systeem.

Het zichtsysteem in een simulator genereert visuele bewegingen. We zien onze beweging, althans, zo nemen we dat waar. Een hydraulisch platform veroorzaakt de mechanische bewegingen. De vraag is nu: welke combinaties van visuele en mechanische bewegingen foppen onze zintuigen zodanig, dat ze realistisch lijken? Om de ervaring van zelfbeweging in de simulator zoveel mogelijk overeen te laten komen met een echte vlucht is kennis van deze combinaties nodig.

De piloot voelt een sterke druk op zijn lichaam. Zojuist is zijn vliegtuig vanaf een vliegtuigschip gekatapulteerd. Hij heeft de neiging het toestel naar beneden te sturen, om te corrigeren voor de achterwaartse kanteling die hij voelt ten gevolge van de hoge versnelling voorwaarts. De instrumenten in de cockpit laten echter zien dat het vliegtuig een horizontale positie inneemt. De vlieger heeft geleerd in deze situatie op zijn instrumenten te vertrouwen. Menige collega van hem stuurde omlaag door de katapult-illusie, een berucht voorbeeld van een ‘bedrogen’ zintuig, dat vliegtuigen in zee deed belanden.

Evenwichtszintuig

Hoewel ons evenwichtszintuig uitstekend is uitgerust voor de registratie van ‘normale’ lichaamsbewegingen, komt het in de problemen bij mechanische bewegingen die buiten het normale bereik vallen. Deze leiden tot desoriëntatie. Een grote beweging kan leiden tot een verstoorde waarneming. Aan de andere kant kan een mechanische beweging zo klein zijn dat zij in het geheel niet wordt opgemerkt. De beweging valt dan onder de drempelwaarde voor perceptie. Zo kan de trein waarin je zit reeds gestart zijn, zonder dat je het gemerkt hebt.

De Oostenrijkse natuurkundige en filosoof Ernst Mach onderzocht aan het eind van de vorige eeuw de waarneming van zelfbeweging. Hij richtte zich voornamelijk op het evenwichtsorgaan en het visuele systeem. Het is reeds lang bekend dat vrijwel elk zintuig een bijdrage levert aan de ervaring van zelfbeweging. Het evenwichtsorgaan en de ogen blijken echter de grootste rol te spelen.

Een van de oudste zintuigen in het menselijk lichaam is het vestibulaire systeem, gebaseerd op het vestibulaire orgaan of evenwichtsorgaan. Zoals de naam suggereert, zorgt dit orgaan ervoor dat wij ons evenwicht kunnen bewaren. Het zintuig geeft ons informatie over ‘onder en boven’ en het geeft aan hoe mechanische krachten en momenten ons lichaam in beweging zetten. Dankzij het evenwichtsorgaan kunnen we tijdens het fietsen even onze ogen sluiten, zonder dat we van de fiets vallen. Het zorgt ervoor dat we weten of we rechtop zitten of niet. Beelden op ons netvlies blijven stabiel door signalen die direct uit het evenwichtsorgaan naar de oogspieren worden gestuurd. De resulterende oogreflex zorgt ervoor dat de ogen tegengesteld aan het hoofd bewegen: de zogenaamde ves-tibulo-oculaire reflex. Op deze manier stabiliseert het beeld zich en kunnen we dingen scherp zien terwijl we ons hoofd bewegen.

Vestibulo-oculaire reflex

Schematische weergave van de vestibulo-oculaire reflex. De vloeistof in de halfronde kanalen van het evenwichtsorgaan in het oor beweegt tegengesteld aan de rotatierichting en stuurt via de zenuwbanen de ogen aan.

Meestal zijn wij ons niet bewust van de reflex die het evenwichtsorgaan veroorzaakt. Onbewust maken we er echter voortdurend gebruik van. Dat het evenwichtsorgaan actief is, kan een klein experiment met de vestibulo-oculaire reflex demonstreren. Neem dit tijdschrift in je handen en houd het een halve meter voor je ogen. Als je nu het tijdschrift voortdurend van links naar rechts en weer terug beweegt, zul je meer moeite hebben om deze zinnen goed te kunnen lezen naarmate je het tijdschrift sneller beweegt. Als je nu in plaats van het tijdschrift je hoofd beweegt, blijft het beeld stabiel op je netvlies. Het evenwichtsorgaan registreert de beweging van het hoofd en laat de ogen precies de tegenovergestelde beweging uitvoeren.

Simulatie

Al vanaf het begin van deze eeuw zijn met proefpersonen experimenten uitgevoerd met onder andere vluchtsimulators en optokinetische trommels. Tijdens de experimenten krijgt de proefpersoon gelijktijdig mechanische en visuele bewegingen aangeboden. In de natuurlijke situatie zijn deze even groot. Door steeds verder af te wijken van de normale toestand, blijkt binnen welke grenzen de proefpersoon een beweging als realistisch ervaart. Als de proefpersoon de beweging niet realistisch waarneemt, geeft hij dat aan. De visuele omgeving is dan instabiel, zoals bij misselijkheid of dronkenschap.

Het komt regelmatig voor dat proefpersonen ziek worden tijdens de experimenten. Dit geeft aan dat er een koppeling is tussen bewegingsziekte en ongewone gelijktijdige simulatie van visuele en mechanische bewegingen. Het belangrijkste resultaat van de experimenten is echter dat bij een relatief groot verschil tussen de visuele en mechanische beweging de eigen beweging toch als realistisch wordt ervaren. Deze toelaatbare verschillen zijn toegepast in SIMONA om een realistische vlucht te simuleren.

Transparante tunnel

Een van de laatste ontwikkelingen die door simulatorproeven mogelijk wordt, is de tunnel in the sky display. De computer berekent het beste traject van het vliegtuig naar de landingsbaan. Dit traject wordt op een beeldscherm gepresenteerd als een transparant skelet van een tunnel. Een symbool geeft op het scherm het vliegtuig aan. Als de piloot het vliegtuigsymbool door deze tunnel vliegt, komt het toestel vanzelf op de landingsbaan uit. Zoals de strepen op de snelweg de automobilist helpen om op koers te blijven, zo ondersteunt de tunnel de vlieger om bij de landingsbaan uit te komen. Het verschil met de autosnelweg is de mogelijkheid om voor elk vliegtuig een aparte tunnel te berekenen. Daardoor kunnen verschillende vliegtuigen met ieder een eigen traject de baan naderen. Het lijkt op een computerspelletje, maar een brede toepassing van dit soort technieken kan grote gevolgen hebben voor de aanvliegroutes bij vliegvelden en daarmee voor de problematiek rond de vliegveiligheid en de milieubelasting door vliegverkeer.

Met de vluchtsimulator kan de besturing van het vliegtuig gecontroleerd worden getest en kunnen situaties eindeloos worden herhaald. Dat alles kan veilig op de grond. Dat zijn de grote voordelen van testen in een simulator boven testen in een vliegtuig. Daarnaast kost een nagebootste vlucht met een simulator veel minder dan een echte vlucht met een vliegtuig.

De essentie van een goede vluchtsimulatie is dat het gedrag van de vlieger in de simulator overeenkomt met het gedrag van de vlieger in het vliegtuig. Dit houdt in dat de piloot de simulatie in ieder geval als ‘echt’ moet ervaren.

In de simulator moeten alle omstandigheden hetzelfde zijn als in het vliegtuig. De cockpit moet er hetzelfde uitzien. Alles moet op dezelfde plek zitten. De stuurknuppel of stuurkolom moet hetzelfde aanvoelen bij het maken van manoeuvres. Het uitzicht vanuit de cockpit moet realistisch zijn. De laatste jaren is grote vooruitgang geboekt met de simulatie van zicht vanuit de simulatorcockpit. Snelle grafische computersystemen genereren natuurgetrouwe beelden van de omgeving. Pas wanneer het gedrag van de vlieger voldoende overeenkomt met de vlucht in een vliegtuig zijn testen met nieuwe technieken betrouwbaar.

Stroomveld

Onze ogen geven de meeste informatie over de beweging van ons lichaam. Het netvlies van het oog is de receptor van dit zintuig. De lens van het oog projecteert de buitenwereld op het netvlies. Als we bewegen, ontstaat een optisch stroomveld van de buitenwereld op het netvlies. Eigenschappen van dit stroomveld karakteriseren de beweging. Als we bijvoorbeeld recht vooruit lopen, heeft het stroomveld een verdwijnpunt recht voor ons en één recht achter ons. Deze verdwijnpunten staan stil. Alle visuele objecten tussen de twee verdwijnpunten bewegen over ons netvlies. De grootte van deze bewegingen is afhankelijk van de afstand van het object tot ons oog. Hoe groter de afstand, des te kleiner is de beweging over ons netvlies. Als we recht vooruit door een straat lopen, bewegen de huizen sneller over ons netvlies dan de zon die veel verder weg staat. Het stroomveld ziet er heel anders uit wanneer we een rotatie uitvoeren. Als we bijvoorbeeld op een bureaustoel om onze verticale as draaien, beweegt de visuele omgeving met dezelfde hoeksnelheid als die waarmee wij zelf draaien, maar dan wel in tegengestelde richting. Bij een rotatie maakt de afstand van de objecten tot ons netvlies niet uit. De hoeksnelheid van elk visueel object ten opzichte van ons lichaam is hetzelfde.

Mechanische beweging

Hoewel onze ogen een sterk zintuig zijn voor het waarnemen van onze lichaamsbeweging, blijkt dat er ook een mechanische beweging nodig is om de waarneming natuurgetrouw te laten lijken. Voor een realistische ervaring zijn signalen uit het vestibulair orgaan nodig. Bij kleine, langzame versnellingen, zoals bij het voorbeeld van de trein, is geen mechanische beweging nodig voor een realistische simulatie. Daar volstaat de informatie van ons visueel systeem. Het vestibulaire orgaan speelt nauwelijks een rol gedurende dergelijke bewegingen. Het blijft onopgemerkt dat signalen uit dit orgaan ontbreken. Voor kortere, meer plotselinge versnellingen is mechanische beweging vaak wel nodig om realisme te waarborgen. Bijvoorbeeld bij het nabootsen van de vliegtuig-beweging tijdens turbulentie. Moderne vluchtsimulatoren zijn daarom uitgerust met een bewegingssysteem dat in elke richting mechanische bewegingen kan toevoegen om het evenwichtsorgaan te stimuleren. Het bewegingssysteem kan echter slechts beperkte bewegingen aanbieden. De vraag is: hoe groot moeten de mechanische bewegingen zijn om het vestibulair orgaan voldoende te stimuleren om realistische waarneming van zelfbeweging te bewerkstelligen.

Weergave

Eén computerdisplay kan verschillende instrumenten naast elkaar of na elkaar weergeven. De piloot beschikt over een uitgebreid arsenaal aan instrumenten waarmee hij de beweging van het vliegtuig, en dus van zichzelf, visueel kan aflezen: snelheid, hoogte, koers. Traditioneel zijn dit de vele klokjes met wijzers en getallen uit de klassieke cockpit. Met de introductie van de computer kan de informatie op een meer geavanceerde manier worden aangegeven. Verder kan de computer niet alleen de beweging en de positie van het vliegtuig laten zien, maar ook weergeven waar het vliegtuig zich over een aantal seconden bevindt en met welke snelheid en op welke hoogte.

Tests met vluchtsimulatoren laten zien hoe visuele informatie over de beweging en de positie van het vliegtuig het best op instrumenten aan de vlieger kan worden gepresenteerd zodat de piloot deze informatie snel en nauwkeurig kan zien. Een getal op een beeldscherm bijvoorbeeld is nauwkeurig af te lezen maar dat aflezen kost enige tijd. De stand van een wijzer, aan de andere kant, levert minder precieze informatie maar deze is wel in een oogopslag te zien. Afhankelijk van het soort informatie wordt een keuze gemaakt tussen verschillende vormen van weergave.

Uitdaging

De grote uitdaging voor de simulatietechnologie luidt om ondanks de beperkte mechanische beweging van de simulator, een vlucht toch realistisch na te bootsen. Het onontkoombare verschil tussen een vluchtsimulator en een vliegtuig blijft dat een simulator in een hal staat en daar blijft. Terwijl een vliegtuig van A naar B vliegt, blijft een simulator in C. In vergelijking met een vliegtuig heeft een simulator een zeer beperkte bewegingsruimte. Daardoor kan een vluchtsimulator de mechanische beweging die het vliegtuig maakt, slechts gedeeltelijk nabootsen.

Daarnaast vormt bewegingsziekte een probleem voor het simuleren van zelfbeweging. De oorzaak voor dit verschijnsel ligt waarschijnlijk in de strijdige gelijktijdige mechanische en visuele beweging. De bewegingen horen dan eigenlijk niet bij elkaar. Aan de TU Delft wordt onderzoek uitgevoerd dat ingaat op deze consequenties van de beperkte mechanische beweging. Het onderzoek concentreert zich op het realisme. Bij TNO-Technische Menskunde in Soesterberg wordt het aspect van bewegingsziekte onderzocht.

Een simulator wordt doorgaans gebruikt om piloten te trainen, zowel tijdens gebruikelijke manoeuvres als tijdens kritieke omstandigheden, zoals bij motoruitval of onder gevaarlijke weersomstandigheden. Trainingssimulatoren zijn voor één bepaald type vliegtuig geschikt. Onderzoeksinstituten en vliegtuigfabrikanten gebruiken simulatoren voornamelijk voor onderzoek en ontwikkeling, zowel op het gebied van technologie als psychologie. In dat geval zijn de machines vaak algemeen toepasbaar, dus voor meer dan één type, zoals SIMONA.

Het onderzoek dat met deze vluchtsimulator zal worden uitgevoerd, is noodzakelijk voor innovaties in de luchtvaarttechnologie, zoals instrumenten in de cockpit die de positie van het vliegtuig weergeven. Daarnaast is het mogelijk om met SIMONA te bepalen welke combinaties van mechanische en visuele bewegingen een maximaal realisme teweegbrengen. Deze kennis is toepasbaar bij de aansturing van allerlei apparaten die beweging visueel en mechanisch simuleren. Dit kan in bewegingsattracties zoals Villa Volta van de Efteling, maar de grootste markt voor toepassing van deze kennis ligt op het gebied van voertuigsimulatoren. Uiteindelijk zullen vliegers zich met vluchtsimulatoren laten omscholen op een nieuw vliegtuigtype zonder ook maar één ‘echte’ traningsvlucht te hebben gemaakt. Hun eerste vlucht op het nieuwe type voeren ze dan met passagiers uit!

Bewegingsziekte

Ondanks grote inspanningen van veel onderzoekers is het nog steeds niet precies duidelijk hoe het komt dat mensen bewegingsziek worden. Een paar opmerkelijke fenomenen zijn wel zichtbaar. Bewegingsziekte treedt namelijk vrijwel uitsluitend op in voertuigen: in de auto, op een schip, in de achtbaan. Daarnaast worden mensen zonder evenwichtsorgaan niet ziek. Bij het ontstaan van bewegingsziekte speelt het evenwichtsorgaan dus een grote rol.

Een speciaal geval van bewegingsziekte is ‘ruimteziekte’. Meer dan de helft van de astronauten is ruimteziek gedurende de eerste paar dagen van een ruimtevlucht. Dit gaat gepaard met onder andere misselijkheid, braken en concentratiestoornis en hindert het functioneren van de astronaut. Ruimtevaartorganisaties doen er dan ook veel aan om vooraf te bepalen of een kandidaatastronaut bewegingsziek wordt of niet. Met allerlei bewegingstests worden de kandidaten hierop onderzocht. Een groep Nederlandse onderzoekers, waaronder de astronaut Wubbo Ockels, ontdekte eind jaren tachtig dat een ‘mensencentrifuge’ verschijnselen kan opwekken die lijken op ruimteziekte. Sindsdien wordt daar onderzoek naar gedaan bij TNO-Technische Menskunde en NLR Geneeskundig Centrum.

Bronnen

Van der Steen FAM. Self-motion perception. Proefschrift TU Delft 1998.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 april 2004
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.