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Die Erfindung betrifft einen Ausbildungs- und Trainingssimulator für Bedienpersonal, wie Flurförderzeugführen von Gabelstaplern und anderen Flurförderzeugen, zu Trainings- und Ausbildungszwecken im Logistikbereich von Unternehmen und Fahrschulen.
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Bekannt ist eine PC-Software „Gabelstapler-Simulator 2009” mit Gabelstaplern der Firma STILL. Nachteilig ist daran, dass damit keine realitätsnahe Steuerung mittels Lenkrad oder Joystick möglich ist. Diese ist für Ausbildungs- und Trainingszwecke von Bedienpersonal völlig ungeeignet (Astragon Computerspiele GmbH, Mönchengladbach).
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Bekannt ist auch ein interaktiver Forschungs- und Entwicklungssimulator für mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere zur Fahrdynamikbewertung von schweren Baumaschinen, bei welchen die jeweiligen Fahrerkabinen in den Simulator eingebaut werden. Die Simulatorplattform ist dabei auf einem Bewegungssystem angeordnet, welches die beim Betrieb auftretenden Bewegungen, Beschleunigungen und Verzögerungen realistisch nachbildet und von einer gewölbten Projektionsfläche zur Umgebungsdarstellung umgeben ist.
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Nachteilig ist daran, dass dieser Simulator ausschließlich stationär ist und nur für Forschungs- und Entwicklungszwecke von Industrie- und Forschungseinrichtungen geeignet ist, nicht jedoch für die Aus- und Weiterbildung von Bedienpersonal für Flurförderzeuge (Hersteller: EADS/Dornier GmbH Friedrichshafen, Standort Technische Universität Dresden).
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Bekannt ist auch eine Trainingsstation zur Ausbildung von Straßenfahrzeugführern, welche jedoch nicht für die Ausbildung und das Training von Flurförderzeugführen geeignet ist (
EP 0 836 169 A1 ).
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Bekannt ist weiterhin ein Fahrer- Übungs- und Testgerät für Bediener von schweren, großen oder Komplizierten Fahrzeugen, wie LKW mit Anhänger, Omnibussen, Militärfahrzeugen usw..
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Dieses Testgerät ist für das Bedienpersonal von Flurförderzeugen ebenfalls ungeeignet (
DE 690 25 535 T2 ).
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Aufgabe der Erfindung ist es einen Simulator für die Ausbildung und das Training von Gabelstablerführen und anderen Flurförderzeugführern sowie für Gassenfahrzeuge und Schubmastfahrzeuge unter Realbedingungen, insbesondere in Bezug auf Gefahrensituationen, zu schaffen. Um sämtliche Anforderungen erfüllen zu können, sollen neben originalen Eingabegeraten verschiedene Technologien einsetzbar und kombinierbar sein, um einen hohen Grad von Realität zu realisieren. Der auszubildende Flurförderzeugführer soll sich realitätsnah in dem Arbeitsumfeld wiederfinden, in welchen er auch tatsachlich arbeiten wird. Der Simulator soll nicht stationär sondern mobil sein. Der Bedienerplatz soll dabei mittels eines originalen Flurförderzeuges im Simulator integrierbar sein oder es soll ein nachgebildeter Bedienerplatz im Simulator angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß ist der Fahrsimulator zur Ausbildung und zum Training von Flurförderzeugführern mit
- a) einer dreidimensional beweglichen computersteuerbaren Rahmenplattform mit 6-achsigem Bewegungssystem,
- b) einem Operatorcomputer und einen Hauptcomputer mit fünf Renderclients zur realitätsnahen Darstellung von verschiedenen realitätsnahen Szenarien, wie Be- und Endladungsvorgängen, Lagersystemen mit Kippgestellen und Hochregallagern, Verkehrsmanagement, Verhalten in Gefahrensituationen und Darstellung von Flurförderzeugen sowie einer realitätsnahen physikalischen Darstellung der Flurförderzeugführer-Umgebung innerhalb und außerhalb des Führerstandes sowie zur Leistungsmessung und zur Auswertung des absolvierten Trainings,
- c) auf der Rahmenplattform modular anzuordnender unterschiedlicher modularer Führerstände/Cockpits und/oder originaler Flurförderzeuge,
- d) einer den Führerstand umschließenden Kabine als Rahmengestell mit transparenten oder weißen opaken Kabinenwänden und Kabinendecke, inclusive Eingangstür, als Projektionsflächen für eine Umgebungsdarstellung
- e) einem computergesteuerten Projektionssystem mit mindestens fünf, außerhalb oder innerhalb der Kabine angeordneten Projektoren mit Projektionsrichtung direkt oder über Umlenkspiegel auf die Kabinenwände und Kabinendecke sowie je einem Projektor zugeordneten Renderclient mit Filter,
- f) einem Headtracking-Gerät mit Sender und Empfänger als Sichtsystem für den Flurförderzeugführer, welches mit einem Image-Generator zusammen geschaltet ist,
- g) einem am Körper des Flurförderzeugführers anzubringenden Sender und/oder einer Kamera mit auf den Flurförderzeugführer gerichteten Fokus, wobei der Sender oder die Kamera mit mehreren Empfängern am Projektionssystem zusammen geschaltet ist und mit diesen kommuniziert,
- h) Simulation von Bewegung, Beschleunigung oder Verzögerung des Flurförderzeuges durch Ansteuerung der Rahmenplattformmechanik mittels Hauptcomputer und Operatorcomputer,
wobei die Beschleunigung durch nach hinten kippen des Führerstandes und die Verzögerung durch nach vorn kippen des Führerstandes sowie Kurvenfahrt und Lastwechsel durch Ladungsveränderung simuliert wird,
- i) Simulation von Kurvenfahrt durch Weiterführung der Drehbewegung über das Sichtsystem mit mindestens zwei Aktuatoren zur Generierung von vertikalen und horizontalen Bewegungen, wobei das Bewegungssystem einen „Anschubs-Effekt” auslöst und dann unmerklich in die Ausgangslage zurück kehrt,
- j) einer Software zur Einspielung von Umgebungsansichten auf die Projektionsflächen der Kabinenwandungen über die Projektoren rundum und nach oben sowie Bewegungs-, Sicht- und Reaktionsabläufen in das Simulationssystem,
- k) einer Kamera zur Aufnahme in Verfolgerperspektive, dem damit zusammen geschalteten Operator-Computer und einer Auswertungssoftware zur Beurteilung des Szenariums und einer Leistungsbewertung des Flurförderzeugführers,
- l) einem System mit haptischer Rückmeldung von Transportkontakten, Kollisionen und Fahrbahnunebenheiten,
- m) einem Auswertplatz mit Operationscomputer und mindesten einem Monitor sowie
- n) einem Audiosystem zur Flurförderzeugführerinformation
gestaltet.
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Alle Hardware ist mit geeigneter Software programmiert, Computerperipheriegeräte, Baugruppen und Bauelemente des Ausbildungs- und Trainingssimulators sind gemäß Blockschaltbild so miteinander verschaltet, dass eine optimale Simulation des Betriebszustandes realisierbar ist. Mittels einer zugehörigen Software sind verschiedene realitätsnahe Szenarien initiierbar, wie die Darstellung von Be- und Entladung von LKW, Containern, Transportzügen, Förderbändern und/oder Umgang mit modernen Lagersystemen wie Kippgestellen, Hochregallager usw., Umgang mit Ablaufmanagementsystemen und Verkehrsmanagement sowie Behältermanagement, Verhalten in Gefahrensituationen, Prozesstrainings. oder die Darstellung verschiedener Arten von Gabelstaplern und Flurförderzeugen, wie Gabelstapler, Gassenfahrzeugen, Schubmastfahrzeugen sowie der Leistungsmessung und Auswertung der absolvierten Trainingseinheiten des Flurförderzeugführers inklusive Bewertungssystem.
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Der Ausbildungs- und Trainingssimulator ist mobil, d. h. transportabel gestaltet und ist bedarfsgerecht aufstellbar. Auf der Rahmenplattform ist sowohl eine Flurförderzeugführerstand-Nachbildung als auch ein original Flurförderzeug mit sensorischer Kopplung mit dem Operatorcomputer und dem Hauptcomputer installierbar.
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Zur Arretierung der auf der Rahmenplattform des Bewegungssystems zu platzierenden Flurförderzeugführerstände oder originalen Flurförderzeuge sind dort unterschiedliche Adapter angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist vorteilhaft, mittels einer VR-Software, eine 5-Seiten CAVE Projektion zu steuern und damit die Projektionen auf 5 Render-Clients individuell zu verteilen. Eine integrierte Kameramatrix sorgt dabei immer für einen passgenauen Übergang der einzelnen Projektionsleinwände, so dass es möglich ist die Anzahl der Projektionsflächen zu variieren und die Anzahl derselben den Trainingsprogramm individuell anzupassen.
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Das Headtracking-System gewährleistet, dass sich die Perspektive aus Sicht des Flurförderzeugführers dynamisch anpasst, womit störende Verzerrungen und perspektivische Fehler vermieden werden.
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Das sechsachsige Motionssystem ist dabei per Ethernet-Schnittsteile mit der VR-Software so verbunden, dass neben Beschleunigungskräften auch Fahrbahnunebenheiten, Kollisionen, Gewichtsverlagerungen und Belastungen des Flurförderzeuges auf das Gespür des Flurförderzeugführers übertragen werden.
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Mit dem in die VR-Software integriertem Physikmodell ist eine sehr realistische Simulation der Fahrphysik von Flurförderzeugen realisierbar, so wie es bis jetzt noch in keinem bekannten Simulator möglich ist.
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Nachstehend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In der zugehörigen Zeichnung sind mit
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1 ein Ausbildungs- und Trainingssimulator in perspektivischer Ansicht und mit
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2 ein solcher Simulator in rückwärtiger Ansicht und mit
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3 ein solcher Simulator in Seitenansicht und mit
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4 ein solcher Simulator in Draufsicht und mit
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5 ein Blockschaltbild der Simulatorsteuerung schematisch dargestellt.
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Beispiel
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Der Ausbildungs- und Trainingssimulator besteht im Wesentlichen aus dem Rahmengestell 15, mit den Projektionswänden, der Decke und der Rahmenplattformmechanik 2, eine geschlossene Kabine bildend. Innerhalb der Kabine ist als Führerstand/Cockpit 11 ein original Gabelstapler auf der Rahmenplattformmechanik 2 mittels des Adapters 14 platziert. Auf die Projektionsflächen sind die Projektoren 6 bis 6d über Umlenkspiegel 1 bis 1d gerichtet. Die Bedienelemente des Gabelstaplers, die Rahmenplattformmechanik 2 sowie die Projektoren 6 bis 6a sind mit dem Hauptcomputer sowie dem Operatorcomputer 9 am Auswertplatz 9 zusammen geschaltet. Die Rahmenplattformmechanik 2 sowie die Projektoren 6 bis 6d sind mittels spezieller Software steuerbar, wobei die Projektionssignale jeweils von den Renderclients 17–17d und den Filtern 19–19d aufbereitet werden. In dem Simulator findet sich der Flurförderzeugführer in seinem gewohnten oder künftigen Arbeitsumfeld wieder, in welchen er auch tatsächlich arbeitet.
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In Funktion des Ausbildungs- und Trainingssimulators werden im Hauptcomputer 16 desselben mittels der Software alle Betriebszustände berechnet und die Inputs von Lenkung, Gas, Eingabegeräte sowie dem Headtrackingsystem 12, 13 ebenfalls mit berechnet und auf die Renderclients 17–17d verteilt. Die Renderclients 17–17d erhalten so alle relevanten Positionsdaten vom Hauptcomputer 16 über Ethernet synchronisiert und berechnen danach die Darstellung auf der Projektionsleinwand, inclusive der Geräuschwiedergabe über das Audiosystem 20 des Ausbildungs- und Trainingssimulators.
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Über den Operatorcomputer 9 kann der Trainer die Szenarien auswählen und so ganze System steuern.
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Der Hauptcomputer 16 überträgt ebenfalls per Ethernet die Physikdaten synchronisiert an den Motion Control 18. Diese übersetzt die Physikdatensignale in die Wege- und Geschwindigkeiten für die sechs Aktuatoren der Rahmenplattformmechanik 2, die hieraus eine realistische Bewegung des Führerstandes berechnet und als Feedback an den Fahrer meldet.
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Der Operatorcomputer 9 ist mit dem System zusammen geschaltet und dient insbesondere zur Steuerung aller Komponenten vom Auswertplatz aus. Er verfügt über drei Monitore 3, 3a, 3b die so geschaltet sind, dass mit
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Monitor 3
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- die Motion Control 18 bedient wird, konfiguriert wird so wie ein- und ausgeschaltet wird, und mit
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Monitor 3a
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- die Simulationssoftware bedient wird,
verschiedenen Szenarien geladen werden,
die Motion Control 18 aktiviert oder deaktiviert wird sowie ein Eingriff in das gesamte Szenarium ermöglicht wird und mit
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Monitor 3b
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- die visuelle Darstellung erfolgt und
diese beliebig umgestellt werden kann z. B. auf Vogelperspektive,
die Replay Funktion sowie
die Auswertefunktion realisierbar ist.
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Alle Funktionen werden dabei vom Operatorcomputer 9 überwacht und gespeichert.
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Projektion
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Das optimale Sichtsystem für den modularen Aufbau des Trainingssimulators eignet sich für alle Flurförderzeuge und Routenzüge. Mittels der CAVE-Projektion ist beim Führen von Flurförderzeugen, ebenso bei Routenzügen immer die gesamte Verkehrssituation vor, hinter und neben dem Fahrzeug im Blick und in der Aufmerksamkeit des Fahrers vorhanden.
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Der Fahrer ist rundum von der 3D-Umgebung umschlossen und wird so Teil der virtuellen Umgebung.
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Neben der kompletten Rundumsicht ist eine Sicht nach oben, durch die 5-Seiten-CAVE-Projektion mit variabler Seitenanpassung seitens des Operatorcomputers 9 und des Hauptcomputers 16 gewährleistet. Es werden insgesamt 6 Projektoren eingesetzt mit einer Auflösung von je 2400 px × 1050 px (SXGA+). Um den Simulator betreten zu können, ist die gesamte rückwärtige Projektionsfläche 4 mittels einer Rollschiene 5 verschiebbar.
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Headtracking
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Der Headtracker 12, 13 ist ein Gerät, das die Position, Lage und Bewegungen vom Kopf des Flurförderzeugführers erfasst, um eine dem Blickwinkel entsprechende Darstellung bereitzustellen oder andere Positionierungen daraus abzuleiten. Mittels Headtracking 12, 13 wird eine Kamera über Aktoren gesteuert und das Kamerabild auf einem Display wiedergegeben.
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Schaut der Betrachter (Flurförderzeugführer) nach links, bewegt sich die Kamera automatisch auch nach links.
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Schaut der Betrachter nach rechts, bewegt sich die Kamera automatisch auch nach rechts. Der Einsatz eines Headtracking-System ermöglicht es dem Flurförderzeugführer die virtuelle Simulationsumgebung perspektivisch zu betrachten und am Transportgut oder anderen Sichthindernissen vorbei zu schauen. Dies ist ohne Headtracking weder bei 2D noch bei 3D Projektionen möglich. Die Position des Flurförderzeugführers im Verhältnis zum virtuellen Raum ist dem Operatorcomputer 9 und dem Hauptcomputer 16 (Image-Generator) zu jedem Zeitpunkt bekannt. Die Ermittlung der Fahrerposition erfolgt mittels eines Infrarot-Senders 8. Dieser Infrarot-Sender 8 kommuniziert mit mehreren Infrarot-Empfängern 12 die am Bügel eines Headsets am Headtracking-Gerät 13 montiert sind, welches der Flurförderzeugführer trägt. In Abhängigkeit der Kopfposition berechnet der Hautcomputer 16 die 3D-Darstellung auf den fünf Projektionsflächen so, dass die Perspektive für den Fahrer auf allen Projektionsflächen perspektivisch korrekt und verzerrungsfrei aufgezeigt wird.
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Bewegungssystem
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Das 6-achsige Bewegungssystem der Rahmenplattformmechanik 2 des Simulators ist ein elementarer Teil der gesamten Simulation. Zusammen mit der CAVE-Projektion, dem Audio-System 20, der audiovisuelle Eindrücke und den realen Bedienelementen für haptisches Empfinden, verstärkt das Bewegungssystem das propriozeptives Empfinden, wie Wahrnehmung von Körperlage und -bewegung im Raum sowie den Grad an Realismus erheblich. Das Zusammenspiel von audiovisuellen Informationen über Auge und Ohr, Haptik, Wahrnehmung der Stellung und Bewegung des Körpers im Raum und die Erkennung von Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen durch das Gleichgewichtsorgan (vestibuläres System) ergeben den zu simulierenden Gesamteindruck.
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Das Beschleunigen und Verzögern beim Fahren gehört zu den horizontalen Bewegungsänderungen. Beim Beschleunigen wird die Gewichtskraft des Flurförderzeugführers erhöht und drückt den Körper des selben in den Sitz oder den Führerstand/Cockpit 11. Beim Abbremsen wird der Flurförderzeugführer aus dem Sitz oder Führstand/Cockpit 11 gehoben. In der Simulation werden horizontale Kräfte durch Längsneigung des Simulators abgebildet. Beim Beschleunigen wird der Simulator vorn angehoben, so dass mittels der Gravitation die horizontale Beschleunigungsbewegung simuliert wird. Die Kraftrichtung, die auf den Flurförderzeugfahrer wirkt, entsprich der Kraftrichtung beim Beschleunigen, wird aber durch Gravitation erzeugt. Beim Verzögern wird die Kraftrichtung umgekehrt.
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Bei Rampenfahrten, Steigungen oder Unebenheiten ergeben sich vertikale Bewegungsänderungen. Diese werden 1:1 simuliert. Bei Kurvenfahrten empfindet der Fahrer ebenfalls einen signifikanten Eindruck der Bewegungsänderung. Es wird im Simulator der Eindruck einer beginnenden Bewegungsänderung ausgelöst, da der Mensch eine sich anschließende gleichförmige Bewegung nicht von einer ruhenden Situation unterscheiden kann. Durch die Weiterführung der Drehbewegung über das Sicht-System entsteht ein Eindruck der Kurvenfahrt. Das Bewegungssystem „schubst” den Simulator in die entsprechende Richtung und kehrt unterhalb der Wahrnehmungsschwelle des Menschen in die Ausgangsposition zurück um für eine neue Bewegung den maximalen Spielraum zur Verfügung zu haben. Zur optimalen Simulation von Flurförderzeugbetriebszuständen, speziell von Gabelstaplern, Schubmastfahrzeugen und Routenzügen dient die speziell angepasste, sechsachsige Rahmeplattformmechanik 2 des Bewegungssystem. Durch Kombination der sechs Aktuatoren desselben wird die gesamte Bandbreite möglicher Bewegungen simuliert. Das Bewegungssystem 7 ist per Ethernet-Schnittstelle mit der Software zusammen geschaltet und verbunden, so dass neben Beschleunigungskräften, Fahrbahnunebenheiten und Kollisionen auch Gewichtsverlagerungen und Belastungen des Flurförderzeugführers übertragen werden. Unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften durch den Beladungszustand des Flurförderzeuges sind für jedes Flurförderzeug angepasst in die Software integriert und wirken sich auf das 3D-Modell des Flurförderzeuges aus. Bei schwerer Last wird simuliert „das Flurförderzeug geht in die Knie”, wird die Last falsch aufgenommen und der Schwerpunkt verlagert sich nach außerhalb der Stabilitätsgrenze, wird simuliert „der Stapler kippt über die jeweilige Kippkante”. Alle diese Effekte werden kombiniert an das Bewegungssystem weitergeleitet, so dass der Flurförderzeugführer direktes Feedback erlebt.
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Nimmt er eine schwere, oder ungleich verteilte Last auf, spürt das Bewegungssystem diese Schwerpunktverlagerung.
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Ist die Last zu schwer, neigt sich das Flurförderzeug nach vorn. Alle Werte und Größen sind dabei realistisch, so dass die Neigung in Weg und Intensität der aufgenommenen Last entspricht. So sind auch Schwerpunktverlagerungen des Flurförderzeuges im Simulator deutlich spürbar.
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Austauschbare Aufbauten (Modulbauweise) Auf der Rahmenplattformmechanik 2 des Bewegungssystems ist ein ausgewählter Adapter 14 befindlich, welcher die Anordnung unterschiedlicher Flurförderzeuge und Nachbildungen deren Führerstände auf der Rahmenplattformmechanik 2 mittels eines Rollwagens 10 ermöglicht.
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Die Kommunikation der originalen Eingabegeräte mit der Software erfolgt über den, in den Eingabegeräten herstellerseitig vorhandenen, CanBus.
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Software
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Die Software ist so gestaltet, dass die abgebildeten Umgebungen austauschbar und den Erfordernissen anpassbar sind. Die Übungseinheiten sind für jedes Flurförderzeug in Szenarien gegliedert, die je nach Übungsstand individuell und separat auswählbar sind.
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Die einzelnen Szenarien sind mit einem Punktesystem versehen, um eine Leistungsbewertung der Flurförderzeugführer zu ermöglichen. Die Auswertungssoftware befindet sich auf dem Operator-Computer 9 am Auswertplatz.
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Die Fahrt wird von einer separaten Kamera in Verfolgerperspektive aufgenommen und kann dann im Replay auf einen der Monitore 3–3b angesehen werden. Ein Bewertungs-Algorithmus, basierend auf einem definierten Punktesystem, addiert Kollisionen, inhaltliche Fehler und einen Zeitbonus um am Ende jeder Simulation eine Leistungsbewertung vorzunehmen. Die Simulationen werden in Log-Files gespeichert und den einzelnen Flurförderzeugführern zugeordnet. Zur weiteren Optimierung der Simulation sind freie ”Events” per Auswahlmenü zu triggern. So können plötzlich auftauchende Verkehrsteilnehmer zu- und abgeschaltet werden oder Gefahrensituationen eingeblendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a, 1b, 1c, 1d
- Umlenkspiegel
- 2
- Rahmenplattformmechanik mit Bewegungssystem
- 3, 3a, 3b
- (Monitor, Replay)
- 4
- rückwärtige Schiebetür (Projektionsfläche)
- 5
- Rollschiene
- 6, 6a, 6b, 6c, 6d
- Projektor
- 7
- Bewegungssystem
- 8
- Headtracking-Infrarotsender
- 9
- Operatorcomputer/Auswertplatz
- 10
- Rollwagen für Führerstand (Modul)
- 11
- Führerstand/Cockpit (Modul)
- 12
- Headtracking-Infrarotempfänger
- 13
- Headtracking-Gerät
- 14
- Adapter
- 15
- Rahmengestell mit Projektionsfläche
- 16
- Hauptcomputer
- 17, 17a, 17b, 17c, 17d
- Renderclient
- 18
- Motion Control
- 19, 19a, 19b, 19c, 19d
- Filter
- 20
- Audio-System
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0836169 A1 [0005]
- DE 69025535 T2 [0007]
