AT7838U1 - Simulationsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Simulationsvorrichtung zum Simulieren von Flug- oder Fahrbewegungen von Luft-, Land- oder Wasserfahrzeugen mit einer beweglich gelagerten Kanzel (5), welche mit Mittel zur Bewegung der Kanzel (5) und mit einer zentralen Steuereinheit (7) verbunden ist, welche die Mittel zur Bewegung der Kanzel (5) sowie im Inneren der Simulationsvorrichtung angeordnete optische und akustische Informationswidergabevorrichtungen aufgrund eines Simulationsprogrammes und in Reaktion auf in der Kanzel (5) vorgenommene menschliche Interaktionen steuert. Um das mögliche Bewegungspotenzial weitestgehend auszunutzen, ist vorgesehen, dass die Mittel zur Bewegung der Kanzel (5) eine Rotation derselben um drei im Sinne eines kartesischen Koordinatensystems orthogonal aufeinander stehende Drehachsen (x,y,z) ermöglicht.

Description

2 AT 007 838 U1

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Simulationsvorrichtung zum Simulieren von Flug- oder Fahrbewegungen von Luft-, Land- oder Wasserfahrzeugen mit einer beweglich gelagerten Kanzel, welche mit Mittel zur Bewegung der Kanzel und mit einer zentralen Steuereinheit verbunden ist, welche die Mittel zur Bewegung der Kanzel sowie im Inneren der Simula-5 tionsvorrichtung angeordnete optische und akustische Informationswidergabevorrichtungen aufgrund eines Simulationsprogrammes und in Reaktion auf in der Kanzel vorgenommene menschliche Interaktionen steuert gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Für die Ausbildung von Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffpersonal, für Testzwecke und auch zu io Trainings- und Unterhaltungszwecken werden Simulatoren eingesetzt, die die Flug- oder Fahrbewegungen von Flugzeugen, Fahrzeugen oder Schiffen möglichst naturgetreu simulieren.

Solche Simulatoren verfügen im Allgemeinen über Kanzeln, die im Innenraum den zu simulierenden Fahrzeugen nachgebaut sind, insbesondere was die Anordnung der Steuerinstrumente 15 betrifft und verfügen anstelle von Fenstern über Bildschirme und Lautsprecher, welche die Bewegungen und Vorgänge in der Außenwelt in Abhängigkeit von der Fahrzeugbewegung optisch und akustisch simuliert darstellen.

Bei bekannten Simulatoren nach dem Stand der Technik ist die Kanzel mit einer Anzahl von 20 hydraulisch verstellbaren, linearen Aufhängungen oder Stützen (Teleskopbeine) ausgestattet, die es ermöglichen die Kanzel in die im dreidimensionalen Raum verfügbaren sechs Bewegungsrichtungen (gemäß einem kartesischen Koordinatensystem) zu bewegen. Diese Bewegungen sind auf Grund der Bauart endlich und durch die lineare Bewegungsfähigkeit der Aufhängungen oder Stützen begrenzt. Endlose Bewegungen wie beispielsweise 360° Komplettdre-25 hungen sind bei bekannten Simulatoren, die auch eine entsprechende optische und akustische Simulation bieten, nicht möglich. Dies führt dazu, dass bei solchen bekannten Simulatoren lediglich 10%-15% des möglichen Bewegungspotentials ausgenutzt werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung diesen Nachteil zu verhindern und durch 30 eine neue Anordnung der Aufhängung der Kanzel mehrere Freiheitsgrade der Bewegung ohne Beschränkung, dh. endlos zu gestalten.

Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. 35 Durch die vorgesehenen Mittel zur Bewegung der Kanzel kann diese um 360° um alle drei Raumachsen Rotationen durchführen. Solche kompletten Rotationsbewegungen konnten bei den im Oberbegriff beschriebenen Simulatoren bislang aus den erwähnten Gründen nicht durchgeführt werden. Aber auch einfache begrenzte Kippbewegungen der Kanzel mussten bislang in der Praxis durch Kippbewegungen, die durch unterschiedlich starkes Ausfahren von 40 die Kanzel tragenden Teleskopbeinen simuliert werden. Durch die Möglichkeit der „echten“ Rotation der Kanzel um die drei Raumachsen können die in der Praxis auftretenden Bewegungen sehr eindrucksvoll und wesentlich besser als bei bekannten Simulatoren simuliert werden. Gleichzeitig können aber auch translatorische Bewegungen, insbesondere Bewegungsänderungen simuliert werden wie bisher, nämlich durch Kippen, also Drehungen um einen begrenz-45 ten Winkel. Da die in der Kanzel befindlichen Personen optisch und akustisch von der Umwelt abgekoppelt sind und zusätzlich mit dem momentanen Simulationszustand angepassten Bildern und Tönen beaufschlagt werden, nehmen sie, wie allgemein bekannt, ein solches Kippen nicht als Drehung wahr sondern als translatorische Bewegung bzw. Bewegungsänderung. Typisch für die Anwendung solcher Drehungen um begrenzte Winkel sind die Simulation von Brems-50 oder Beschleunigungsvorgängen. Die vorliegenden Erfindung verbessert als die Simulationsmöglichkeit von in der Praxis auftretenden Rotationsbewegungen, bei gleichzeitigem Beibehalten der Qualität der Simulationsmöglichkeit von translatorischen Bewegungen, so dass sich insgesamt eine wesentliche Verbesserung der Gesamtsimulationsmöglichkeit ergibt. 55 Um die erfindungsgemäßen 360° Drehungen der Kanzel zu ermöglichen, sind ein unteres Ba- 3 AT 007 838 U1 siselement, ein oberes Basiselement, ein Tragarm sowie eine Haltegabel vorgesehen, wobei die Kanzel an der Haltegabel um die erste Drehachse drehbar gelagert ist, die Haltegabel am Tragarm um die zweite Drehachse drehbar gelagert ist und der Tragarm samt oberem Basiselement um die dritte Drehachse drehbar am unteren Basiselement befestigt ist. Der Tragarm 5 ist dabei seinerseits um eine Achse parallel zur ersten Drehachse drehbar am oberen Basiselement gelagert ist, wodurch sich eine weitere, allerdings lediglich begrenzte Rotationsmöglichkeit der Kanzel um die y-Achse ergibt, um eine realistischere Simulation von Brems- und Beschleunigungsvorgängen zu generieren. io Für eine wirklichkeitsnahe Simulation von Fahrzeugbewegungen sind jedoch kurzzeitig auftretende Kräfte hervorgerufen durch Vibrationen aller Art ebenfalls darzustellen. Zur Simulation auch dieser Kräfte ist gemäß kennzeichnendem Merkmal des Anspruchs 2 vorgesehen, dass das obere Basiselement in zumindest drei Richtungen translatorisch beweglich gelagert ist. Durch diese Art der Lagerung des oberen Basiselements und in weiterer Folge natürlich auch 15 der Kanzel ist eine translatorische Bewegung entsprechend den drei translatorischen Freiheitsgraden eines starren Körpers möglich. Die dadurch simulierbare Effekte sind beispielsweise Vibrationen in x,y,z Richtung, Antriebslastwechselreaktionen, Wellenschlag, Simulation von Defekten am Antriebssystem, Strömungsabriß an der Schiffsschraube, usw. 20 Selbstverständlich können die translatorischen Bewegungen auch zur Unterstützung der Rotationsbewegungen eingesetzt werden, beispielsweise um Brems- oder Beschleunigungsvorgänge zu simulieren.

Somit ist es durch die erfindungsgemäße Lagerung der Kanzel, insbesondere dann, wenn die 25 Drehachsen entsprechend den Achsen eines kartesischen Koordinatensystems angeordnet sind, möglich, alle sechs Freiheitsgrade, die der starre Körper besitzt abzudecken, nämlich die drei Rotationsfreiheitsgrade durch tatsächliche Rotation um die drei zueinander senkrecht stehenden Drehachsen und die drei Translationsfreiheitsgrade durch Simulation wie erwähnt, nämlich durch Rotation um einen geringen Winkel bzw. wie weiter unten noch genauer erläutert 30 werden wird, durch tatsächliche, allerdings endliche Translation.

Da gleichförmige translatorische Bewegungen keine Reaktionskräfte nach sich ziehen, werden diese hauptsächlich optisch und akustisch simuliert und zwar wie bereits erwähnt über im Inneren der Kanzel angeordnete Bildschirme und Lautsprecher. Brems- und Beschleunigungsvor-35 gänge entlang der x-Achse werden in der Regel, wie ebenfalls bereits erwähnt, durch Rotation mit geringem Winkel um die y-Achse simuliert.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante gemäß kennzeichnendem Merkmal des Anspruchs 3 stimmen die drei Richtungen für die translatorische Bewegung des oberen Basiselementes mit 40 den drei Drehachsen überein.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht gemäß Anspruch 4 vor, dass die Kanzel aus der Haltegabel entfembar ist. Auf diese Art und Weise kann die Kanzel sehr schnell entsprechend den Anforderungen an die Simulation ausgetauscht werden, dh. zwischen verschiedenen 45 Modellen, die simuliert werden sollen, gewechselt werden, beispielsweise verschiedene Flugzeugtypen oder Schiffsmodelle. Aufgrund der Tatsache, dass die Kanzel lediglich um eine Achse drehbar in der Haltegabel gelagert ist, kann der Austausch wesentlich rascher erfolgen als dies bei bekannten Simulationsvorrichtungen möglich war, wo ja Teleskopbeine am Boden der Kanzel fix befestigt sind. 50

Die Ansprüche 5 bis 9 beschreiben eine bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung, welche die zusätzlichen translatorischen Bewegungen der Kanzel ermöglicht.

Das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 10 sieht vor, dass die Haltegabel einseitig am 55 Tragarm gelagert ist. Mit dieser Anordnung sind gegenüber Anlagen nach dem Stand der Tech- 4 AT 007 838 U1 nik, welche eine zweifache Lagerung der Haltegabel vorsehen, Vorteile hinsichtlich der Fertigung und einer besseren Zugänglichkeit der Kanzel über eine Frontöffnung verbunden.

Im Anschluss erfolgt nun eine detaillierte Beschreibung der Erfindung anhand von Zeichnungen. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine axonometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Simulatorvorrichtung Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäßen Simulatorvorrichtung Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Simulatorvorrichtung Fig. 4 eine Rückansicht einer erfindungsgemäßen Simulatorvorrichtung Fig. 5 eine axonometrische Ansicht des Schubtisches zur Verwirklichung von Translationsbewegungen entlang der x- und y-Achse

Fig. 6 eine Seitenansicht des Schubtisches gemäß Fig. 5 entlang der Blickrichtung A Fig. 7 der Schubtisch gemäß Fig. 5 von oben gesehen

Fig. 8 eine Seitenansicht des Schubtisches gemäß Fig. 5 entlang der Blickrichtung B

Fig. 1 bis 4 zeigen ein unteres Basiselement 1 sowie ein darauf über einen Drehkranz 12 drehbar gelagertes oberes Basiselement 2. Von diesem steht ein Tragarm 3 ab, der eine U-förmige Haltegabel 4 trägt, die am Tragarm 3 ebenfalls drehbar gehalten ist. Die U-förmige Haltegabel 4 nimmt zwischen ihren Armen 4a,4b eine Kanzel 5 ebenfalls drehbar auf.

In der gezeigten Position befindet sich die Kanzel 5 in ihrer neutralen Stellung, was gemeinsam mit den in die Kanzel 5 eingespielten optischen und akustischen Effekten einer Simulation einer gleichförmigen bzw. keiner Bewegung des Fahrzeugs entspricht.

Die Drehachsen sind mit x,y,z beschriftet. Wie leicht zu erkennen ist, erfolgt eine Rotation der Kanzel 5 in der Haltegabel 4 um die y-Achse, wodurch Vorgänge wie beispielsweise Loopings, Steigflüge, Sinkflüge, Stampfen, Bergfahrten und Talfahrten simuliert werden können. Die Rotation der Haltegabel 4 am Tragarm 3 bewirkt eine Rotation der Kanzel 5 um die x-Achse, wodurch Vorgänge wie beispielsweise Rollen, Krängen und Kentern simulierbar sind und eine Rotation des oberen Basiselementes 2 am unteren Basiselement 1 bewirkt eine Rotation der Kanzel 5 um die z-Achse, wodurch Vorgänge wie beispielsweise Schleudern, Gieren und Schlingern simuliert werden können, wobei bei letzterer Rotation darauf zu achten ist, dass der Tragarm 3 bzw. die Haltegabel 4 so dimensioniert sind, dass die Kanzel 5 zentrisch über der Drehachse z positioniert ist.

Um die erwähnten Achsen sind erfindungsgemäß jeweils 360° Drehungen möglich.

Des weiteren ist der Tragarm 3 um eine Achse v, welche parallel zur Achse y ausgerichtet ist, drehbar am oberen Basiselement 2 gelagert. Die Rotation des Tragarms 3 und damit der Kanzel 5 um die Achse v ist jedoch, wie sofort ersichtlich, nur beschränkt möglich. Sie dient hauptsächlich zum Simulieren von Brems- und Beschleunigungsvorgängen.

Beispiele mittels Rotation simulierbarer Vorgänge wurden bereits weiter oben erwähnt. Die mittels endlicher Translation entlang der x-Achse simulierbaren Effekte sind beispielsweise Vibrationen in x-Richtung, Antriebslastwechselreaktionen, Wellenschlag in x-Richtung, Defekte im Antriebsystem, Strömungsabriss an der Schiffsschraube. Die mittels endlicher Translation entlang der y-Achse simulierbaren Effekte sind beispielsweise Vibrationen in y-Richtung, aerodynamische Turbulenzen, seitlicher Wellenschlag, Kurvenfahrt jenseits der Haftgrenze. Die mittels endlicher Translation entlang der z-Achse simulierbaren Effekte sind beispielsweise Vibrationen in z-Richtung, Fahrbahnunebenheiten, kurze Wellen, aerodynamische Turbulenzen, Federungsreaktionen.

Neben den erfindungsgemäßen Mitteln zur Durchführung von Rotationsbewegungen der Kanzel 5 sind auch Mittel zur Durchführung von begrenzten Translationsbewegungen der Kanzel 5 in 5 AT 007 838 U1

Richtung der Achsen x,y,z vorgesehen. Bei diesen Mittel handelt es sich um einen Schubtisch dessen Funktionsweise weiter unten detailliert beschrieben wird.

Die Steuerung der Rotations- und Translationsbewegungen erfolgt über eine zentrale Steuer-5 einheit 7, sowie Steuermotoren, beispielsweise Hydraulikmotoren bzw. -Zylinder 8,9,10,11,17. Hydraulikmotor 8 ist für die Rotation der Kanzel 5 um die x-Achse zuständig, Hydraulikmotor (-Zylinder) 10 um die begrenzte Rotation des Tragarms 3 um die v-Achse, Hydraulikmotor (-Zylinder) 17 für die translatorischen Bewegungen des oberen Basiselementes 2 entlang der x-Achse, Hydraulikmotor (-Zylinder) 9 für die translatorischen Bewegungen des oberen Basis-io elementes 2 entlang der y-Achse und Hydraulikmotor (-Zylinder) 11 für die translatorische Bewegung entlang der z-Achse.

In Fig. 5 ist der Schubtisch zur Verwirklichung von Translationsbewegungen entlang der x- und y-Achse dargestellt. Der Schubtisch besteht im wesentlichen aus zwei relativ zueinander ver-15 schiebbaren Tischebenen, wobei die erste, untere Tischebene durch zur x-Achse parallele Stützstreben 6, die durch Verstärkungsstreben 13 verbunden sind, gebildet wird, und die zweite, obere Tischebene durch zur y-Achse parallele Stützstreben 14, die durch Verstärkungsstreben 15 verbunden sind. Die Stützstreben 6 der unteren Tischebene sind mit dem Drehkranz 12 fest verbunden und die Stützstreben 14 der oberen Tischebene mit dem oberen Basiselement 20 2. Des weiteren sind beide Tischebenen miteinander verbunden, wie gleich näher erläutert werden wird.

Jeweils zwei der Stützstreben 6, in Fig. 5 etwa die jeweils zwei äußersten Stützstreben 6, sind an ihren Enden L-förmig ausgeführt und im Bereich der kürzeren Schenkel mit parallel zur 25 y-Achse verlaufenden Gleitführungen 16 verbunden, auf welche ein hydraulisch betriebenes, mit der oberen Tischebene fix verbundenes Schubelement 9 verschiebbar angeordnet ist. Eine Betätigung des Schubelementes 9 wird aufgrund der ortsfesten Fixierung der Stützstreben 6 der unteren Tischebene am Drehkranz 12 eine translatorische Bewegung der oberen Tischebene in y-Richtung bewirken. Die Schubelemente 9 sind auch in der Fig. 7 und Fig. 8 ersichtlich, 30 wobei Fig. 8 eine Seitenansicht des Aufbaus gemäß Fig. 5 entlang der Blickrichtung B darstellt.

Einander in x-Richtung gegenüberliegende Schubelemente 9 sind über zur x-Achse parallele Gleitführungen 18, die durch ein Begrenzungselement 19 voneinander beabstandet sind, verbunden. Auf diesen Gleitführungen 18 sind jeweils Schubelemente 17 angeordnet, die fix mit 35 der oberen Tischebene verbunden sind. Eine Betätigung der Schubelemente 17 bewirkt somit eine translatorische Bewegung der oberen Tischebene und damit des oberen Basiselementes 2 in x-Richtung.

Die Schubelemente 17 sind auch in der Fig. 6 und Fig. 7 ersichtlich, die eine Seitenansicht des 40 Schubtisches gemäß Fig. 5 entlang der Blickrichtung A darstellt.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind die Gleitführungen 16,18 und die Schubelemente 8,9 als hydraulische Kolben/Zylindereinheit ausgeführt. 45 In den Fig. 5 bis 8 ist der Drehkranz 12 nicht dargestellt, über den das obere Basiselement 2 sowie der Schubtisch am unteren Basiselement 1 drehbar gelagert ist. Mit Bezug auf die Fig. 5 wird der Drehkranz 12 mit der unteren Tischebene verbunden werden, etwa mit zwei der Stützstreben 6, und sich am unteren Basiselement 1 abstützen (siehe auch Fig. 2). Bei Betätigung des entsprechenden Hydraulikzylinders 11 (siehe auch Fig. 3) wird daher die erste, untere so Tischebene entlang der z-Richtung verschoben, wobei sich diese vertikale Translationsbewegung auf die zweite, obere Tischebene überträgt und somit auch auf das obere Basiselement 2.

Es ist offensichtlich, dass die translatorischen Bewegungen allesamt endlich sind, im Gegensatz zu den Rotationsbewegungen. 55

Claims (10)

1. 6 AT 007 838 U1 Die Datenverbindung zwischen Kanzel 5 und zentraler Steuereinheit zur Ansteuerung der Bildschirme und Lautsprecher sowie zur Übertragung der Eingaben der in der Kanzel 5 befindlichen Personen kann entweder mechanisch über an den Aufhängungen angebrachten Schleifringen erfolgen oder aber vorzugsweise mittels drahtloser Datenübertragung. Ansprüche: 1. Simulationsvorrichtung zum Simulieren von Flug- oder Fahrbewegungen von Luft-, Landoder Wasserfahrzeugen mit einer beweglich gelagerten Kanzel (5), welche mit Mittel (1,2,3,4) zur Bewegung der Kanzel und mit einer zentralen Steuereinheit (7) verbunden ist, welche die Mittel (1,2,3,4) zur Bewegung der Kanzel (5) sowie im Inneren der Simulationsvorrichtung angeordnete optische und akustische Informationswidergabevorrichtungen aufgrund eines Simulationsprogrammes und in Reaktion auf in der Kanzel (5) vorgenommene menschliche Interaktionen steuert, wobei die Mittel zur Bewegung der Kanzel (5) ein unteres Basiselement (1), ein oberes Basiselement (2), ein Tragarm (3) sowie eine Haltegabel (4) sind und, die Kanzel (5) an der Haltegabel (4) um die erste Drehachse (y) drehbar gelagert ist, die Haltegabel (4) am Tragarm (3) um die zweite Drehachse (x) drehbar gelagert ist und der Tragarm (3) samt oberem Basiselement (2) um die dritte Drehachse (z) drehbar am unteren Basiselement (1) befestigt ist, um eine Rotation derselben um drei im Sinne eines kartesischen Koordinatensystems orthogonal aufeinander stehende Drehachsen (x,y,z) zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragarm (3) um eine Achse (v) parallel zur ersten Drehachse (y) drehbar am oberen Basiselement (2) gelagert ist.
2. 2. Simulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Basiselement (2) in zumindest drei Richtungen translatorisch beweglich gelagert ist.
3. 3. Simulationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Richtungen mit den Drehachsen (x,y,z) identisch sind.
4. 4. Simulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanzel (5) mit der Haltegabel (4) lösbar verbunden ist.
5. 5. Simulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen oberen und unterem Basiselement (1,2) ein aus zwei relativ zueinander verschiebbar angeordneten Tischebenen aufgebauter Schubtisch angeordnet ist, wobei die obere Tischebene fix mit dem oberen Basiselement (2) und die untere Tischebene fix mit einem am unteren Basiselement (1) drehbar angeordneten Drehkranz (11) verbunden ist.
6. 6. Simulationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Tischebenen, vorzugsweise die untere, bewegliche Schubelemente (9) aufweist, welche mit der anderen Tischebene fix verbunden sind.
7. 7. Simulationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einander gegenüberliegende Schubelemente (9) der einen Tischebene über Gleitführungen (18) miteinander verbunden sind, auf welchen Schubelemente (17) der anderen Tischebene beweglich gelagert sind.
8. 8. Simulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Tischebene aus parallel zueinander angeordneten Stützstreben (6,14) besteht, welche über rechtwinkelig dazu verlaufende Verstärkungsstreben (13,15) miteinander verbunden sind.
9. 9. Simulationsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstreben 7 AT 007 838 U1 (6,14) zueinander rechtwinkelig angeordnet sind.
10. 10. Simulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltegabel (4) einseitig am Tragarm (3) gelagert ist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55