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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung einer in einem
Kraftfahrzeug während
der Fahrt auf den Fahrer einwirkenden Längsbeschleunigung des Kraftfahrzeugs
in einer Fahrsimulation mit Hilfe eines Fahrsimulators gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1, wie es aus der
US 53 53 242 A bekannt ist.
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Fahrsimulationen
in Fahrsimulatoren spielen eine immer größere Rolle in der Kraftfahrzeugentwicklung,
da sie die Möglichkeit
bieten, lange vor dem Aufbau von Prototypen kostengünstige und
reproduzierbare Grundsatzuntersuchungen durchzuführen. Bei der Fahrsimulation
befindet sich ein Proband in einer Kabine, die mittels eines Bewegungssystems
in unterschiedliche Raumrichtungen beschleunigt und/oder gedreht
bzw. geschwenkt wird. Durch den generell in Fahrsimulatoren zur
Verfügung stehenden
begrenzten Bewegungsraum tritt das Problem auf, dass nicht genügend Weg
für den
Aufbau von Beschleunigungen zur Verfügung steht, die während der
Fahrt auf den Fahrer einwirken. Insbesondere bei der Darstellung
von Beschleunigungen in Längsrichtung
des Kraftfahrzeugs, wie sie zum Beispiel bei Beschleunigungs- oder
Abbremsvorgängen auftreten,
schlägt
der fehlende Bewegungsraum zu Buche.
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Zur
Lösung
des Problems wird bisher versucht, die Längsbeschleunigungen darzustellen,
indem die Kabine mit dem Probanden bei der Fahrsimulation um eine
quer zur Beschleunigungsrichtung liegende Achse geneigt wird; der
Proband empfindet den in Richtung der geneigten Kabinenlängsachse wirkenden
Anteil der Erdbeschleunigung als Längsbeschleunigung. Dieser Vortäuschung
von Längsbeschleunigung
durch Neigung sind jedoch durch die Wahr nehmung des Probanden enge
Grenzen gesetzt. Ab einer bestimmten Neigungs-Winkelgeschwindigkeit
erkennt der Proband die Neigebewegung als solche. So existieren
starke Beschränkungen
bei der Darstellung von Längsbeschleunigungen in
einem Fahrsimulator.
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Ein
Verfahren zur Lösung
dieses Problems ist aus der
DE-OS
28 42 409 bekannt. Hier wird der Proband in der Kabine
mit Hilfe des Bewegungssystems des Fahrsimulators auf einer Kreisbahn
um einen festen Drehpunkt bewegt, wobei die Kabine so ausgerichtet
ist, dass die Kabinenlängsachse
radial ausgerichtet ist. Dabei wird die auf den Probanden wirkende
Zentrifugalbeschleunigung zur Darstellung von Längsbeschleunigungen genutzt.
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Dieses
Verfahren weist allerdings den Nachteil auf, dass durch die Bewegung
auf einer Kreisbahn, bei der die Kabinenlängsachse tangential ausgerichtet
ist, hohe Störkräfte bzw.
Störbeschleunigungen
in Querrichtung, also in tangentialer Richtung auftreten, die das
Empfinden massiv stören.
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Aus
der
EP 580 086 A1 ist
eine Vorrichtung zur Darstellung einer auf den Fahrer einwirkenden Längsbeschleunigung
bei gleichzeitiger Winkelbeschleunigung gekannt.
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Die
SU 13 60 443 A1 beschreibt
eine Darstellung der auf eine Person einwirkenden Belastung bei
einer Überlagerung
von Tangential- und Zentripetalbeschleunigung.
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Aus
der
DE 41 09 827 A1 ist
bekannt, dass ein Radius für
die Schwenkbewegung, also die Kippachsen, im Kopfbereich des Probanden
verlaufen.
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Aus
der gattungsbildenden
US
5 353 242 A1 ist ein Verfahren zur Darstellung einer in
einem Kraftfahrzeug während
der Fahrt auf den Fahrer einwirkenden Längsbeschleunigung des Kraftfahrzeugs
in einer Fahrsimulation mit Hilfe eines Fahrsimulators bekannt,
wobei ein Proband in einer Kabine mit Hilfe eines Bewegungssystems
auf einer Kreisbahn bewegt wird. Zur Darstellung der Längsbeschleunigung wird
die bei der Bewegung auf der Kreisbahn in einem raumfesten Koordinatensystem
auftretende Tangentialbeschleunigung verwendet, wobei die Kabine
zur Kompensation der dabei auf den Probanden einwirkenden Zentripetalbeschleunigung
um eine zur Tangentialrichtung parallele Kippachse so gekippt wird.
Die Kabinenhochachse wird dabei kollinear zu dem resultierenden
Vektor aus Erdbeschleunigung und Zentrifugalbeschleunigung ausgerichtet,
wobei die Kabine während
der Bewegung auf der Kreisbahn um eine zur Kabinenquerachse parallele
Neigeachse geneigt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen,
mit dem langanhaltende und hohe auf einen Fahrer einwirkende Längsbeschleunigungen
realistisch in einem Fahrsimulator dargestellt werden können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Im Unterschied zum Stand der Technik, in dem die Zentrifugalbeschleunigung
zur Darstellung der Längsbeschleunigung
genutzt wird, wird erfindungsgemäß die bei
einer Bewegung der Kabine auf einer Kreisbahn auftretende Tangentialbeschleunigung
zur Darstellung von Längsbeschleunigung
verwendet. Um die dabei gleichzeitig auf den Probanden einwirkende
Zentripetalbeschleunigung, die das Empfinden einer reinen Längsbeschleunigung
stört,
zu kompensieren, wird die Kabine während der Kreisbewegung um
eine zur Kabinenlängsrichtung
parallele Achse gekippt. Dabei wird bei der Bewegung auf der Kreisbahn
die Längsachse
der Kabine näherungsweise parallel
zur Tangentialrichtung ausgerichtet. So bleiben die Störkräfte, die
in der Querrichtung auf den Probanden einwirken, minimal und es
kann eine reine Längsbeschleunigung
dargestellt werden. Eine zusätzliche
vorteilhafte Wirkung wird erzielt, wenn die Kabine während der
Kreisbewegung um eine Kabinenquerachse geneigt wird. Diese Neigung
entspricht der oben beschriebenen klassischen Nickneigung und hat
den Vorteil, dass durch diese Nickneigung zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Kreisbahn-Verfahren
das Intervall der darzustellenden Beschleunigungen noch vergrößert werden
kann. Mit dieser gleichzeitigen Kippung und Neigung ist man in der
Lage, im Fahrsimulator auch Manöver
darzustellen, die zur Bewertung der Eigenschaften des Triebstrangs
eines Kraftfahrzeugs verwendet werden können. Diese Manöver gehen
einher mit großen
Beschleunigungsintervallen oder hohen Beschleunigungen. Die darzustellende
Längsbeschleunigung
wird in einen hochfrequenten und einen niederfrequenten Anteil aufgespalten.
Abhängig
von der maximalen Kreisbahngeschwindigkeit wird der niederfrequente Anteil
noch in einen Tangential- und einen Neigeanteil aufgespalten. Anschließend werden
Tangential- und hochfrequenter Anteil durch Tangentialbeschleunigung
dargestellt, während
der Neigeanteil durch Neigung um die Kabinenquerachse dargestellt
wird. Durch diese Geschwindigkeits-Abhängigkeit kann das Verfahren
leicht auf unterschiedliche Wahrnehmungsschwellen oder verschiedene
Bahnradien angepasst werden.
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Ein
Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es im Gegensatz zu dem
oben beschriebenen klassischen Neigungsverfahren keine Wegbegrenzung gibt,
also die Kabine nicht nach dem Aufbau einer gewissen, relativ geringen
Längsbeschleunigung
wieder abgebremst werden muss. Es kann daher eine betragsmäßig höhere Beschleunigung
aufgebaut und verwendet werden. Gleichzeitig werden die im gattungsgemäßen Verfahren
auftretenden Störkräfte in Querrichtung
vermieden.
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Ferner
ist man mit Hilfe dieses Verfahrens in der Lage, eine hohe und langanhaltende
bei einer realen Autofahrt auf den Fahrer einwirkende Längsbeschleunigung
darzustellen. Diese Längsbeschleunigung
bereitet bisher bei der Durchführung
von Fahrsimulatoruntersuchungen die meisten Probleme, da in dieser
Richtung bei einer realen Autofahrt betragsmäßig hohe und langanhaltende
Beschleunigungen auftreten, die bei beschränktem Platzangebot des Fahrsimulators
nicht oder nur sehr schlecht darzustellen sind.
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Weiterhin
empfindet der Proband die Zentripetalkraft während der Fahrsimulation nicht,
wenn die Kabine zur Kompensation der Zentripetalbeschleunigung um
die zur Kabinenlängsrichtung
parallele Achse gekippt wird, so dass die Kabinenhochachse kolinear
zu dem resultierenden Vektor aus Erdbeschleunigung und Zentrifugalbeschleunigung ausgerichtet
wird. Auf den Probanden wirkt dann nur eine Beschleunigung in Vertikalrichtung,
die eine erhöhten
Erdbeschleunigung entspricht, sowie eine Längsbeschleunigung.
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Vorteilhafterweise
verläuft
die Achse, um die die Kabine gekippt wird, näherungsweise durch den Kopf
des Probanden. Die Kippung um diese Achse ist wahrnehmungstechnisch
sehr günstig,
da am Kopf die Gleichgewichtsorgane, die für die Wahrnehmung von Beschleunigungen
zuständig
sind, angesiedelt sind. Bei Kippung um diese Achse wird den Gleichgewichtsorganen
ein beschleunigungsfreier Zustand vorgegaukelt (Anspruch 2).
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Vorteilhafterweise
wird die Kabine vor Beginn der Darstellung der Längsbeschleunigung in eine konstante
Geschwindigkeit in die der Richtung der späteren Kreisbewegung entgegengesetzte Richtung versetzt.
So kann wie durch eine Nullpunktverschiebung der Betrag maximal
in der Simulation darstellbaren Beschleunigung erhöht werden
(Anspruch 3).
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.
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In
den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen
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1 eine
Draufsicht auf eine Kabine, die auf einer Kreisbahn bewegt wird,
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2 eine
seitliche Schnittansicht der Kabine der I
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3 eine
Seitenansicht der Kabine bei zusätzlicher
Neigung um die Querachse, sowie
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4 ein
Blockschaltbild des Algorithmus bei zusätzlicher Neigung um die Querachse.
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In
den Zeichnungen ist das Verfahren zur Darstellung einer Längsbeschleunigung 1,
die während
einer Fahrt in einem Kraftfahrzeug auf einen Fahrer einwirkt, mit
Hilfe eines Fahrsimulators 2 dargestellt. Dabei soll mit
dem Verfahren nur die reine Längsbeschleunigung 1 dargestellt
werden, wie sie beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang oder
einem Schaltvorgang auftritt. Auf diese Weise sollen durch Fahrsimulatoruntersuchungen
valide Aussagen über
das reale Verhalten des Triebstrangs eines Kraftfahrzeugs in einem
sehr frühen
Stadium der Kraftfahrzeugentwicklung getroffen werden.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf eine (Fahrzeug-)Kabine
3 eines Fahrsimulators
2.
Dabei ist es für
das Verfahren einerseits denkbar, dass die Kabine
3 sich
autonom auf einer Grundfläche
4 bewegt.
Andererseits kann die Kabine
3 inertial, zum Beispiel über eine
Portalbrücke,
geführt
sein. Fahrsimulatoren
2, mit denen derartige Bewegungen
der Kabine
3 darstellbar sind, sind in der
DE 10150382 A1 offenbart.
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In
der Kabine 3, deren Innenraum 5 wie der eines
realen Kraftfahrzeugs gestaltet ist, befindet sich ein Proband 6.
Der Proband 6 sitzt auf einem Fahrersitz 7 und
kann auf die ähnlich
wie in einem Kraftfahrzeug vorhandene Instrumentierung 8 wie Lenkrad 9,
Gaspedal 10 etc. zugreifen. Die Kabine 3 wird
nun auf einer Kreisbahn 11 mit einem Radius 12 um
eine raumfeste Drehachse 13 bewegt und besitzt dabei eine
Winkelgeschwindigkeit 14. Die Kabinenlängsachse 15 ist näherungsweise
parallel zur Tangentialrichtung 16 der Kreisbahn 11 ausgerichtet.
Die bei der Kreisbewegung in Tangentialrichtung 16 in einem
raumfesten Koordinatensystem 17 auftretende Tangentialbeschleunigung 18 empfindet
der Proband 6 in einem kabinenfesten Koordinatensystem 19 als in
Richtung der Kabinenlängsachse 15 wirkende Längsbeschleunigung 1.
Dabei tritt jedoch zusätzlich eine
Zentripetalbeschleunigung 20 auf, die zur Drehachse 13 hin
gerichtet ist. Diese Zentripetalbeschleunigung 20 stört das Empfinden
des Probanden 6, der ja nur eine reine Längsbeschleunigung 1 wahrnehmen
soll.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieses
Problems besteht darin, die Kabine 3 um eine zur Kabinenlängsachse 15 parallele
Kippachse 25 zu kippen; dies ist in 2 in einer
Seitenansicht der Kabine 3 dargestellt. Hier ist erkennbar,
wie die Bewegung der Kabine 3 prinzipiell erfolgen kann.
Neben einer großen
Bewegung auf der Grundfläche 4 des
Fahrsimulators 2, in diesem Beispiel durch einen Schlitten 21, der
auf Luftlagern 22 auf der Grundfläche 4 bewegbar ist,
kann die Kabine 3 auch relativ zum Schlitten 21 bewegt
werden. Dies geschieht durch ein zusätzliches Bewegungssystem 23.
Dieses kann beispielsweise in Form von vertikal wirkenden Aktuatoren 24, wie
hier gezeigt, ausgestaltet sein. Denkbar ist auch ein Hexapod, mit
dem eine dreidimensionale Bewegung der Kabine 3 relativ
zum Schlitten 21 erreicht wird.
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Bei
der oben schon erläuterten
Bewegung der Kabine 3 auf der Kreisbahn 11 um
die Drehachse 13 wird nun die Zentripetalbeschleunigung 20 durch eine
Kippung der Kabine 3 um die zur Kabinenlängsachse 15 parallele
Kippachse 25, die hier senkrecht auf der Zeichenebene steht,
kompensiert. Bei dieser Kippung nimmt die Kabinenhochachse 26 einen
bestimmten Kippwinkel 27 zu einer raumfesten Senkrechten 28 ein.
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Wird
der Kippwinkel 27 wie in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass
die gekippte Kabinenhochachse 26 mit dem resultierenden
Vektor 29 aus der auf den Probanden 6 wirkenden
Erdbeschleunigung 30 und der Zentrifugalbeschleunigung 31 zusammenfällt, dann
empfindet der Proband 6 keine störende Querbeschleunigung mehr,
sondern nur eine erhöhte
Erdbeschleunigung 30 in vertikaler Richtung. Wie in diesem
Ausführungsbeispiel
dargestellt, ist es günstig,
die horizontale Kippachse 25, um die die Kabine 3 gekippt
wird, näherungsweise
durch den Kopf 32 des Probanden 6 zu legen. Dies
ist sinnvoll, da am Kopf 32 des Probanden 6, genauer
in seinem Innenohr, die Vestibulärorgane
angesiedelt sind, die für
die Wahrnehmung von Beschleunigungen zuständig sind.
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Die
mit diesem Verfahren darstellbaren maximalen Längsbeschleunigungen 1 sind
nach oben begrenzt; der Grund dieser Begrenzung liegt in der Tatsache,
dass der Proband 6 ab einer bestimmten Längsbeschleunigung 1 den
scheinbaren Zuwachs der Erdbeschleunigung 30 empfindet,
der durch die kompensierte Zentripetalbeschleunigung 20 verursacht
wird. Dieser Grenzwert, ab dem der Schwerezuwachs empfunden wird,
liegt etwa bei 6% der Erdbeschleunigung. Eine Maßnahme, um das Intervall der
in der Simulation darstellbaren Längsbeschleunigung 1 zu
vergrößern, besteht
darin, dass vor der oben beschriebenen Simulation der Längsbeschleunigung 1 durch
die Bewegung auf der Kreisbahn 11 die Kabine 3 in
die der späteren
Bewegungsrichtung entgegengesetzte Richtung in eine bestimmte konstante
Winkelgeschwindigkeit versetzt wird. So kann durch eine Nullpunktverschiebung hin
zu negativen Startgeschwindigkeiten als Endwert eine höhere Längsbeschleunigung 1 erreicht
werden.
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Eine
zusätzliche
Möglichkeit,
um größere Beschleunigungsintervalle
darstellen zu können,
liegt in der Kombination des oben dargestellten Verfahrens mit einem
zusätzlichen
Neigungsalgorithmus. Die Durchführung
dieses Verfahrens ist in 3 dargestellt. Neben der in 2 dargestellten
Kippung um die Kabinenlängsachse 15 wird
während
der Bewegung auf der Kreisbahn 11 die Kabine 3 zusätzlich um
eine zu einer Kabinenquerachse 33 parallele Neigeachse 34,
die hier senkrecht zur Zeichenebene steht, geneigt. Dabei schließt die geneigte
Kabinenlängsachse 15 mit
der Horizontalen 35 einen Neigungswinkel 36 ein.
Bei dieser Neigung wirkt ein Anteil 37 der auf den Probanden 6 einwirkenden
Erdbeschleunigung 30 in Richtung der geneigten Kabinenlängsachse 15.
Diesen Anteil 37 empfindet der Proband 6, solange
eine bestimmte Neigungsgeschwindigkeit nicht überschritten wird, als Längsbeschleunigung 1.
Auch hier wird die Neigeachse 34 vorteilhafterweise aus
den oben beschriebenen Gründen durch
den Kopf 32 des Probanden 6 gelegt.
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4 zeigt
ein Blockschaltbild 38 einer Ausführungsform dieser gleichzeitigen
Kippung und Neigung. Ziel ist es, die Anteile der darzustellenden Längsbeschleunigung 1,
die unterhalb der oben beschriebenen Grenzwertes, ab dem ein Schwerezuwachs
vom Probanden empfunden wird, liegen, durch Tangentialbeschleunigung 18 darzustellen, während Beschleunigungsanteile
oberhalb dieses Grenzwerts durch zusätzliche Neigung dargestellt werden.
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Dabei
wird zu Beginn ausgegangen von einer in der Simulation darzustellenden
Längsbeschleunigung 1,
die zunächst
in zwei Anteile aufgespalten wird, wobei ein hochfrequenter Anteil 39 die zu
hohen Frequenzen gehörenden
Signalanteile und ein niederfrequenter Anteil 40 die zu
niedrigen Frequenzen gehörenden
Signalanteile beinhaltet. Diese Aufspaltung erfolgt mit Hilfe eines
Hochpassfilters 41 und eines Tiefpassfilters 42.
Der niederfrequente Anteil 40 wird durch einen Integrator 43 integ riert
und auf Geschwindigkeitsebene durch eine nichtlineare Funktion 44 wiederum
in zwei Anteile aufgespalten. Diese Aufspaltung ist abhängig von
einem Schwellenwert 45, der durch die maximale Geschwindigkeit gebildet
ist, die gerade noch mit Hilfe der Tangentialbeschleunigung 18 bei
der in 1 und 2 dargestellten reinen Bahnbewegung
ohne empfundenen Schwerezuwachs darstellbar ist. Beschleunigungen, die
zu Geschwindigkeiten unterhalb dieses Schwellenwertes 45 führen, können als
Tangentialanteil 46, nachdem sie zu dem hochfrequenten
Anteil 39 addiert werden, allein durch die Tangentialbeschleunigung 1 dargestellt
werden.
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Der
Neigeanteil 47 der Längsbeschleunigung 1,
der über
den Schwellenwert 45 hinausgeht, wird durch die in 3 verdeutlichte
Neigung um die zur Kabinenquerachse 33 parallele Neigeachse 34 dargestellt.
Dabei ergibt sich der benötigte
Neigungswinkel 36 aus dem Neigeanteil 47 und der
Erdbeschleunigung 30.
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Das
Verfahren ist nicht beschränkt
auf die oben dargestellten Ausführungsbeispiele.
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Bei
der Bewegung der Kabine 3 auf der Kreisbahn 11 ist
es prinzipiell möglich,
sie gegenüber der
Tangentialrichtung 16 auch in einem beliebigen anderen
Winkel auszurichten. So kann das Verfahren grundsätzlich auch
zur Darstellung von Querbeschleunigungen verwendet werden. Dabei
wird man jedoch, je größer die
Abweichungen von der Tangentialrichtung 16 werden, immer
größere Störbeschleunigungen,
die in Richtung der Kabinenquerachse 33 auf den Probanden 6 einwirken,
erhalten. Da das Verfahren vor allem zur Simulation von Längsbeschleunigungen 1 eingesetzt
wird, wird in den meisten Fällen
die oben beschriebene nahezu tangentiale Ausrichtung der Kabine 3 besser
sein.
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Ferner
ist es nicht zwingend erforderlich, die jeweilige Achse 25, 34,
um welche die Kabine 3 gekippt oder geneigt wird, durch
den Kopf 32 des Probanden 6 zu legen. Abweichungen – z.B. in nerhalb der
Größenunterschiede
unterschiedlicher Probanden 6 – sind durchaus denkbar.
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Weiterhin
ist auch ein anderer Algorithmus als der in 4 dargestellte
zur Kombination der beiden Verfahren, der reinen Bewegung auf einer
Kreisbahn 11 mit der zusätzlichen Neigung der Kabine 3 vorstellbar.