DE10158101A1 - Fahrsimulator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrsimulator für Bewegungen bodengebundener Fahrzeuge und von Wasserfahrzeugen, mit einer Trägereinheit, die eine Bodenplatte, auf der ein Versuchsfahrzeug aufstellbar ist, aufweist, wobei die Trägereinheit zumindest drei Bewegungsmodule umfasst, von denen jedes zumindest ein auf einer Bodenfläche abrollendes Rad besitzt, welches bezüglich der Vertikalachse zur Bodenfläche lenkbar und antreibbar ist. Zur Simulation von Wank- und Nickbewegungen des Versuchsfahrzeugs ist die Bodenplatte gegenüber der Trägereinheit bewegbar. Dabei ist die Bodenplatte um eine parallel zur Längsachse des Versuchsfahrzeugs verlaufende Längs-Schwenkachse sowie um eine hierzu senkrechte Quer-Schwenkachse verschwenkbar. Die Längs-Schwenkachse und die Quer-Schwenkachse verlaufen zumindest annähernd durch den Bereich des Innenrohrs einer im Versuchsfahrzeug sitzenden Person. Bevorzugt ist die Bodenplatte bewegbar auf kreisförmigen Bahnsegmenten abgestützt, und zwar nach Art einer kardanischen Aufhängung, wobei das oder die Bahnelement(e) zur Realisierung einer der beiden Schwenkachsen direkt oder indirekt auf dem oder den Bahnelement(en) zur Realisierung der anderen Schwenkachse beweglich gelagert ist/sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Fahrsimulator, insbesondere für die Simulation von Bewegungen bodengebundener Fahrzeuge und von Wasserfahrzeugen, mit einer Trägereinheit, die eine Bodenplatte, auf der ein Versuchsfahrzeug oder eine Versuchsattrappe aufstellbar ist, aufweist, und wobei die Trägereinheit zumindest drei Bewegungsmodule umfasst, von denen jedes zumindest ein auf einer Bodenfläche abrollendes Rad besitzt, welches bezüglich der Vertikalachse zur Bodenfläche lenkbar und antreibbar ist. Ein derartiger Fahrsimulator ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 101 06 150 beschrieben.
• Fahrsimulatoren sind seit langer Zeit bekannt. Beispielsweise wird besonders für Simulationen im Bereich der Luftfahrt ein "6-Bein- Bewegungssystem" verwendet, welches den Anforderungen in diesem Anwendungsbereich entgegenkommt. Für volldynamische Simulationen wird dieses 6-Bein Bewegungssystem um einen in x- und y-Richtung beweglichen Schlitten erweitert. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Bewegungssysteme für die Simulation von Bewegungen bodengebundener Fahrzeuge sehr komplex, schwergewichtig und kostenintensiv sind. Überdies lassen sich die bei bodengebundenen Fahrzeugen auftretenden Kräfte und Momente mit dieser Simulationsmethode nur mit einem enormen Energieeinsatz erzeugen.
• In der o. g. nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 101 06 150 ist ein Fahrsimulator beschrieben, mit dem für die Erlebbarkeit fahrdynamischer Grenzbereichsmanöver Beschleunigungen durch ein Bewegungssystem nahezu optimal dargestellt werden können. Bei bodengebundenen Fahrzeugen verlangt nämlich die Abbildung von translatorischen Beschleunigungen im Simulationsbereich eine Veränderung gegenüber der realen Situation, weil translatorische Bewegungen aus der vergleichsweise "unendlichen Dimension des realen Straßennetzes" auf eine endliche Dimension einer Bewegungsfläche projiziert werden müssen. Die rotatorischen Freiheitsgrade der Bewegung hingegen lassen sich je nach gewähltem Konzept des Bewegungssystems im Unterschied zu den translatorischen Freiheitsgraden auch in einem mehr oder minder begrenzten Bewegungsraum vollständig in realer Größe abbilden.
• Der in der DE 101 06 150 beschriebene Fahrsimulator umfasst demzufolge eine Trägereinheit, die ein (Versuchs-)Fahrzeug oder eine Fahrzeugattrappe (sog. Mockup) aufnimmt und in der erforderlichen Weise über eine im wesentlichen horizontale Bodenfläche bewegt werden kann. Im Unterschied zu den in der Regel verwendeten "Sechs-Bein-Bewegungssystemen" basiert das in dieser DE 10 10 6150 vorgestellte Konzept auf einem autonom geführten Objekt, bei dem die Trägereinheit mit einer steifen Bodenplatte auf ihren eigenen Rädern aufgestellt ist und mit diesen Rädern bzw. sog. Bewegungsmodulen bewegt wird. Diese Bewegungsmodule erlauben eine Bewegung der Trägereinheit zumindest in der Horizontalen.
• Zur optischen Simulation kann diese vorbeschriebene Trägereinheit eine Projektionsfläche aufweisen, auf die über zumindest einen Projektor Bilder bzw. ein Film zu einer Fahrsimulation projiziert werden kann. Ebenso kann eine Geräusch-Simulationseinrichtung vorgesehen sein, wobei dieser Fahrsimulator in seiner Gesamtheit von einem sog. Simulations-Rechner (elektronische Steuereinheit) geeignet (an)gesteuert wird.
• Hiermit soll nun aufgezeigt werden, wie die Fahr-Simulation weiter verbessert werden kann, d. h. wie an einem Fahrsimulator nach dem Oberbegriffdes Anspruchs 1 weitere Bewegungen, so insbesondere Nick- und/oder Wankbewegungen eines bodengebundenen Mehrspur-Fahrzeugs, optimal auf relativ einfache Weise simuliert werden können ( = Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
• Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte, auf der das Versuchs-Fahrzeug oder die (Versuchs-)Attrappe aufgestellt ist, gegenüber der Trägereinheit bewegbar ist. Insbesondere kann hierbei die Bodenplatte zumindest um eine parallel oder quer zur Längsachse des Versuchsfahrzeugs oder der Versuchsattrappe verlaufende Schwenkachse verschwenkbar sein.
• Mit einem Fahrsimulator, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist, lassen sich Längsbeschleunigungen sowie Querbeschleunigungen, die ein in einem realen bodengebunden Fahrzeug sitzender Insasse empfindet, praktisch optimal simulieren, wenn diese Person in der auf der Bodenplatte des Fahrsimulators befestigten Versuchs-Attrappe oder dgl. Platz nimmt. Die gewünschten Längsbeschleunigungen und Querbeschleunigungen sind dann durch geeignete Bewegungen der Trägereinheit simulierbar. Beschleunigungen in anderen Richtungen des Raumes sind beim vorbeschriebenen Fahrsimulator jedoch (noch) nicht simulierbar. Hier schafft nun die vorliegende Erfindung Abhilfe, indem die sog. Bodenplatte, auf der die Attrappe (oder das Versuchs-Fahrzeug) abgestellt bzw. befestigt ist, und in der eine Person Platz nehmen kann, um beliebige Fahrsituationen möglichst real simuliert zu bekommen, gegenüber der genannten Trägereinheit (abermals von einem Simulations-Rechner gezielt gesteuert) bewegt werden kann. Grundsätzlich kommen hierfür Bewegungen in Betracht, die eine parallel zur Bodenfläche, auf der der Fahrsimulator verfahren wird, ausgerichtete Ebene verlassen, also insbesondere Hubbewegungen und Schwenkbewegungen.
• Im weiteren wird die Beschreibung auf einen Fahrsimulator beschränkt, derals Versuchs-Fahrzeug oder Attrappe (bzw. Mockup) ein Mehrspur- Fahrzeug, insbesondere einen PKW oder relevante Teile desselben, also bspw. eine sog. Sitzkiste oder dgl. trägt bzw. enthält, in dem/der eine Person wie in einem richtigen Fahrzeug/PKW Platz nehmen kann. Jedoch ist die vorliegende Erfindung ausdrücklich nicht auf einen solchen Fahrsimulator beschränkt. Vielmehr können bspw. auch Bewegungen eines Schiffes bzw. Beschleunigungen, die ein Schiffspassagier erfährt, mit einem erfindungsgemäßen Simulator optimal simuliert werden.
• Eine Wankbewegung, bei welcher die Attrappe (oder ein Mehrspurfahrzeug bzw. Kfz bzw. PKW) um eine zu ihrer/seiner Längsachse parallele Achse schwenkt, lässt sich somit relativ einfach reproduzieren, wenn die die Attrappe tragende Bodenplatte um diese genannte Achse geschwenkt werden kann. Ebenso kann eine sog. Nickbewegung, bei welcher die Attrappe (oder ein Mehrspurfahrzeug bzw. Kfz bzw. PKW) um eine zu ihrer/seiner Querachse parallele Achse schwenkt, relativ einfach reproduziert werden, wenn die die Attrappe tragende Bodenplatte um diese zur Querachse parallele Achse geschwenkt werden kann.
• Damit diese Bewegungen möglichst realitätsnah durchgeführt werden können, sollte die sog. Längs-Schwenkachse und/oder die hierzu im wesentlichen senkrechte Quer-Schwenkachse, um welche die Bodenplatte geschwenkt werden kann, zumindest annähernd durch den Bereich des Innenohrs einer im Versuchsfahrzeug oder in der Versuchsattrappe sitzenden Person verlaufen. Dies lässt sich besonders einfach dann umsetzen, wenn die Bodenplatte bewegbar auf zumindest einem geeignet ausgebildeten und geeignet angeordneten kreisförmigen Bahnsegment abgestützt ist. Ähnlich wie auf einem Schaukelpferd sitzend kann dann dem Insassen der Fahrsimulator-Attrappe bspw. eine Nickbewegung simuliert werden. Wie bei einem Schaukelpferd verläuft dann das genannte Bahnsegment in Längsrichtung der Attrappe oder des im Fahrsimulator befindlichen Versuchs-Fahrzeugs, um eine Schwenkbewegung um die Fzg.- Querachse, d. h. eine sog. Nickbewegung, zu erzielen. Entsprechendes gilt für die Erzeugung einer Wankbewegung, wenn das hierfür vorgesehene Bahnsegment in Querrichtung des im Fahrsimulator befindlichen Versuchs- Fahrzeugs oder Mockups bzw. in einer zur Bodenfläche senkrechten Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Mockups oder der Attrappe oder des im Fahrsimulator befindlichen Versuchs-Fahrzeugs verläuft.
• Was die konstruktive Ausgestaltung betrifft, so kann oder können das oder die Bahnsegment(e) als Schienensegment(e) ausgebildet sein, auf dem/denen letztlich die Bodenplatte gleitend oder über Wälzelemente gelagert ist. Um sowohl Wankbewegungen als auch Nickbewegungen gleichzeitig erzeugen zu können, kann oder können dabei nach Art einer kardanischen Aufhängung das oder die Bahnelement(e) zur Realisierung einer der beiden Schwenkachsen direkt oder indirekt auf dem oder den Bahnelement(en) zur Realisierung der anderen Schwenkachse beweglich gelagert sein, so wie dies auch aus der folgenden Beschreibung eines in der beigefügten Zeichnung lediglich prinzipiell und demzufolge stark vereinfacht dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung hervorgeht.
• Mit der Bezugsziffer 1 ist eine nicht näher dargestellte Trägereinheit bezeichnet, die Bestandteil eines erfindungsgemäßen Fahrsimulators ist und die (unter anderem) eine Bodenplatte 2 trägt, auf der ein Versuchs-Fahrzeug 3 oder allgemein eine Attrappe 3 (sog. Sitzkiste oder dgl.) abgestellt und befestigt ist, in dem oder der zumindest eine Person Platz nehmen kann. Der Einfachheit halber nicht dargestellt sind sog. Bewegungsmodule mit Rädern, mit Hilfe derer die Trägereinheit 1 bevorzugt auf einer ebenen Bodenfläche beliebig bewegt werden kann. Dabei verläuft diese Bodenfläche parallel zu der Bodenplatte 2 unterhalb der Trägereinheit 1, wenn diese Bodenplatte 2, die - wie später näher erläutert wird - gegenüber der Trägereinheit 1 bewegbar ist, die figürlich dargestellte Position einnimmt. Die Attrappe 3 (auch Mockup genannt) ist auf der Bodenplatte 2 fest verspannt und somit gegenüber dieser im wesentlichen nicht bewegbar. Die hierzu erforderlichen Verspannelemente sind ebenso wenig figürlich dargestellt wie weitere Bestandteile des u. a. durch die Trägereinheit 1 gebildeten Fahrsimulators, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind. Bspw. ist über die Trägereinheit 1 eine Kuppel oder dgl. gestülpt, deren Innenseite als Leinwand ausgebildet ist, auf die geeignete Bilder bzw. ein geeigneter Film projiziert werden kann, um einer in der Attrappe 3 sitzenden Person auch optisch eine der Bewegung der Trägereinheit 1 entsprechende Fortbewegung vorzuspielen. Zu all den nicht dargestellten Elementen sowie zum Fahrsimulator allgemein wird auf die eingangs genannte deutsche Patentanmeldung 101 06 150 verwiesen.
• Die Bodenplatte 2 ist gegenüber der Trägereinheit 1 bewegbar. Konkret ist innerhalb der Trägereinheit 1 auf nicht detailliert dargestellte Weise im wesentlichen im Bereich jeder Ecke der Bodenplatte 2 jeweils ein als Schienensegment ausgebildetes kreisförmiges Bahnsegment 4 vorgesehen, d. h. jedes Schienensegment beschreibt eine sich über ein Kreissegment erstreckende Bahn, wobei jede dieser Bahnen und somit jedes Schienensegment bzw. Bahnsegment 4 in einer Ebene liegt, die zur Längsachse der Attrappe 3 bzw. des Versuchs-Fahrzeugs 3 parallel ist. Zwei dieser Bahnsegmente 4 liegen somit bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene linksseitig des Versuchs-Fahrzeugs 3 und die anderen beiden Bahnsegmente 4 abermals bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene rechtsseitig des Versuchsfahrzeugs 3.
• Auf diesen an der Trägereinheit 1 befestigten Bahnsegmenten 4 ist über nicht dargestellte Wälzelemente eine Zwischenstruktur 5 abgestützt, derart dass diese Zwischenstruktur 5 über die besagten Wälzelemente auf den Bahnsegmenten 4 gegenüber der Trägereinheit 1 bewegt oder geringfügig verfahren werden kann. Nachdem der Radius aller vier Bahnsegmente 4- gleich groß ist und nachdem diese vier Bahnsegmente 4 wie dargestellt, nämlich von der Attrappe 3 aus betrachtet konkav angeordnet sind, schwenkt die Zwischenstruktur 5 bei Bewegung gegenüber der Trägereinheit 1 um eine sog. Quer-Schwenkachse 6. Diese Quer-Schwenkachse 6, die bezüglich des Versuchs-Fahrzeugs 3 die Nickachse darstellt, ist die durch die Mittelpunkte der kreisförmigen Bahnsegmente 4 verlaufende Achse. Um dies figürlich besser zu verdeutlichen, ist jeweils ein Radien-Strahl der beiden auf einer Seite des Versuchs-Fahrzeugs 3 bzw. der Attrappe 3 liegenden Bahnsegmente 4 zur Quer-Schwenkachse 6 hin gezeichnet und die von diesen eingeschlossenen Fläche durch Schraffur hervorgehoben.
• An der geeignet gestalteten, nicht näher dargestellten Zwischenstruktur 5 sind an deren einander gegenüberliegenden Enden, die unterhalb des Bereichs der Vorderkante bzw. Hinterkante der Bodenplatte 2 und somit auch unterhalb des Bereichs der Stirnseite bzw. des Hecks des Versuchs- Fahrzeugs 3 liegen, jeweils ein als Schienensegment ausgebildetes kreisförmiges Bahnsegment 7 vorgesehen, d. h. jedes Schienensegment 7 bzw. Bahnsegment 7 beschreibt eine sich über ein Kreissegment erstreckende Bahn, wobei jede dieser Bahnen und somit jedes Schienensegment bzw. Bahnsegment 7 in einer Ebene liegt, die zur Querachse der Attrappe 3 bzw. des Versuchs-Fahrzeugs 3 parallel ist und die ebenfalls zur Quer- Schwenkachse 6 parallel ist.
• Auf diesen beiden an der Zwischenstruktur 5 befestigten Bahnsegmenten 7 ist über nicht dargestellte Wälzelemente die Bodenplatte 2 abgestützt, derart dass die Bodenplatte 2 über die besagten Wälzelemente auf den Bahnsegmenten 7 gegenüber der Zwischenstruktur 5 bewegt oder geringfügig verfahren werden kann. Nachdem der Radius der beiden Bahnsegmente 7 gleich groß ist und nachdem diese beiden Bahnsegmente 7 wie dargestellt, nämlich von der Attrappe 3 aus betrachtet konkav angeordnet sind, schwenkt die Bodenplatte 2 bei Bewegung gegenüber der Zwischenstruktur 5 um eine sog. Längs-Schwenkachse 8. Diese Längs-Schwenkachse 8 ist die durch die Mittelpunkte der kreisförmigen Bahnsegmente 7 verlaufende Achse und steht senkrecht auf der sog. Quer-Schwenkachse 6. Um dies figürlich besser zu verdeutlichen, ist jeweils ein Radien-Strahl der beiden bezüglich des Versuchs-Fahrzeugs 3 bzw. der Attrappe 3 vorne bzw. hinten liegenden Bahnsegmente 7 zur Längs-Schwenkachse 8 hin gezeichnet und die von diesen eingeschlossenen Fläche durch Schraffur hervorgehoben. Im übrigen stellt die Längs-Schwenkachse 8 bezüglich des Versuchs-Fahrzeugs 3 die Wankachse dar.
• Die Radien aller genannten Bahnsegmente 4 und 7 sind nun so gewählt und diese Bahnsegmente 4 und 7 sind nun sämtlich derart angeordnet, dass die Quer-Schwenkachse 6 und die Längs-Schwenkachse 8 in einer gemeinsamen Ebene liegen, die parallel zu derjenigen Bodenfläche ist, auf der die Trägereinheit 1 bzw. der gesamte Fahrsimulator bewegt, genauer verfahren werden kann. Dabei schneiden sich die Quer-Schwenkachse 6 und die Längs-Schwenkachse 8 in einem Punkt 9, der im wesentlich im Bereich des Innenohres einer Person liegt, die im Mockup bzw. im Versuchs-Fahrzeug 3 Platz genommen hat. Da die Längs-Schwenkachse 8 parallel zur Längsachse des Versuchs-Fahrzeugs 3 verläuft, kann durch ein Verschwenken der Bodenplatte 2 um diese Längs-Schwenkachse 8 somit äußerst wirklichkeitsnah eine Wankbewegung des (Versuchs-)Fahrzeugs 3 simuliert werden. Nachdem weiterhin die Quer-Schwenkachse 6 parallel zur Querachse des Versuchs-Fahrzeugs 3 verläuft, kann durch ein Verschwenken letztlich der Bodenplatte 2, direkt jedoch der Zwischenstruktur 5 um diese Quer- Schwenkachse 6 somit äußerst wirklichkeitsnah eine Nickbewegung des (Versuchs-)Fahrzeugs 3 simuliert werden.
• Ähnlich wie auf einem Schaukelpferd sitzend kann einer in der Attrappe 3 sitzenden Person mit dem beschriebenen Fahrsimulator neben der nur kurz erwähnten, da in der älteren deutschen Patentanmeldung 101 06 150 beschriebenen Längs- und Querbeschleunigung somit auch noch eine Wankbewegung sowie eine Nickbewegung simuliert werden. Möglich ist dies auf relativ einfache Weise durch die quasi kardanische Aufhängung der die Attrappe 3 tragenden Bodenplatte 2, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (7)

1. Fahrsimulator, insbesondere für die Simulation von Bewegungen bodengebundener Fahrzeuge und von Wasserfahrzeugen, mit einer Trägereinheit (1), die eine Bodenplatte (2), auf der ein Versuchs- Fahrzeug (3) oder eine Versuchs-Attrappe (3) aufstellbar ist, aufweist, und wobei die Trägereinheit (1) zumindest drei Bewegungsmodule umfasst, von denen jedes zumindest ein auf einer Bodenfläche abrollendes Rad besitzt, welches bezüglich der Vertikalachse zur Bodenfläche lenkbar und antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (2) gegenüber der Trägereinheit (1) bewegbar ist.

2. Fahrsimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (2) um eine parallel zur Längsachse des Versuchs-Fahrzeugs (3) oder der Versuchs- Attrappe (3) verlaufende Längs-Schwenkachse (8) verschwenkbar ist.

3. Fahrsimulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (2) um eine quer zur Längsachse des Versuchs-Fahrzeugs (3) oder der Versuchs-Attrappe (3) verlaufende Quer-Schwenkachse (6) verschwenkbar ist.

4. Fahrsimulator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längs-Schwenkachse (8) und/oder die hierzu im wesentlichen senkrechte Quer-Schwenkachse (6) zumindest annähernd durch den Bereich des Innenohrs einer im Versuchs-Fahrzeug (3) oder in der Versuchs-Attrappe (3) sitzenden Person verläuft/verlaufen.

5. Fahrsimulator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (2) bewegbar auf zumindest einem kreisförmigen Bahnsegment (4, 7) abgestützt ist.

6. Fahrsimulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Bahnsegment(e) (4, 7) als Schienensegment(e) ausgebildet ist/sind, auf dem/denen letztlich die Bodenplatte (2) gleitend oder über Wälzelemente gelagert ist.

7. Fahrsimulator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Art einer kardanischen Aufhängung das oder die Bahnsegment(e) zur Realisierung einer der beiden Schwenkachsen direkt oder indirekt auf dem oder den Bahnsegment(en) zur Realisierung der anderen Schwenkachse beweglich gelagert ist/sind.