DE102016220337A1

DE102016220337A1 - Verfahren zum Einstellen eines Simulators

Info

Publication number: DE102016220337A1
Application number: DE102016220337.1A
Authority: DE
Inventors: Willibald Brems; Richard Uhlmann
Original assignee: Audi AG; Universitaet Stuttgart
Current assignee: Audi AG; Universitaet Stuttgart
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Simulators für ein Fahrzeug, wobei der Simulator eine bewegliche Plattform aufweist, wobei vorgesehen ist, dass das Fahrzeug bei einer Simulation eine Strecke (6) befährt, deren Verlauf durch eine Längskoordinate l definiert wird, wobei die Strecke (6) als erste reale Streckengröße ein Höhenprofil z_Strecke (l) und als zweite reale Streckengröße einen Orientierungswinkel γ_Strecke (l) aufweist, wobei für die Plattform des Simulators als erste Betriebsgröße eine relative Höhe z_rel (l), die von dem Höhenprofil z_Strecke (l) abhängig ist, und als zweite Betriebsgröße ein relativer Drehwinkel γ_rel (l), der von dem Orientierungswinkel γ_Strecke (l) abhängig ist, einstellbar ist, wobei bei Durchführung des Verfahrens für mindestens eine der beiden realen Streckengrößen zumindest abschnittsweise eine Glättung durchgeführt und eine daraus resultierende Vorpositionierung ermittelt wird, wobei mindestens eine der beiden Betriebsgrößen aus einer Differenz der realen Streckengröße und der daraus resultierenden Vorpositionierung ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Simulators und ein System zum Einstellen eines Simulators.
Ein sog. Motion Cueing Algorithmus kann in einem Simulator eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, um simulierte Bewegungen des Kraftfahrzeugs in einem limitierten Bewegungsraum einer Bewegungsplattform, z. B. einem Hexapod, darzustellen. Dabei soll der Algorithmus derart gestaltet sein, dass die für den Fahrer wahrnehmbaren Bewegungen und Kräfte abgebildet werden und nicht wahrnehmbare Bewegungen herausgefiltert werden. Ein konventioneller Ansatz dazu ist eine Verwendung eines Hochpassfilters, so dass während der Simulation in Echtzeit nur die hochfrequenten Anteile einer Bewegung dargestellt werden. Je nach Plattformgröße, Raumrichtung und Kraftfahrzeug sind dies Bewegungen mit einer Frequenz, die größer als 0,5 Hz ist. Niederfrequentere Anteile der Bewegung werden herausgefiltert und durch die Bewegungsplattform nicht dargestellt.
Weiterhin wird auf folgende Druckschriften verwiesen: Pitz J., Rothermel T., Kehrer M., Reuss H.-C.: Predictive Motion Cueing Algorithm for Development of Interactive Assistance Systems; In: 16. Internationales Stuttgarter Symposium, Stuttgart; 2016, und Pitz J.: Promotionsvortrag: Vorausschauender Motion-Cueing-Algorithmus für den Stuttgarter Fahrsimulator; Universität Stuttgart, Fakultät für Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik; 20.09.2016. Aus diesen Druckschriften ist bekannt, dass online für die simulierte Bewegung eines Kraftfahrzeugs in einem Fahrsimulator mit einer Bewegungsplattform Informationen und Parameter der momentanen und vorausliegenden Fahrstrecke und des aktuellen und prognostizierten Bewegungszustands des Kraftfahrzeugs, z. B. für eine Vorpositionierung einer Bewegungsplattform in lateraler oder longitudinaler Richtung, verwendet werden. Eine derartige Vorpositionierung wird für eine Bewegungsplattform mit mehreren Metern Arbeitsraum in lateraler oder longitudinaler Richtung durchgeführt. Für kleinere Bewegungsplattformen ist dies nur eingeschränkt anwendbar.
Aus der Druckschrift Neubeck, J.; Next Generation Evaluation Methods in Vehicle Dynamics. Shanghai Stuttgart Symposium, Shanghai, 2016, ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem vor einer Bewegungssimulation eines Kraftfahrzeugs ein Preprocessing von Fahrstreckeninformation stattfindet, um die für die Bewegungssimulation des Fahrzeuges und die für die Fahrerwahrnehmung relevanten sowie für das Bewegungssystem darstellbaren Frequenzinhalte zu isolieren. Allerdings bleibt hier ein Einfluss des realen Streckenprofils bei der dynamischen Bewegungssimulation des Kraftfahrzeugs unberücksichtigt.
Aus der Druckschrift DE 10 2013 224 510 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem vordefinierte Fahrmanöver offline simuliert werden und ein Bewegungsverhalten einer Plattform auf genau dieses vordefinierte Fahrmanöver hin optimiert wird.
Allerdings können Hochpassfilter zu sogenannten False Cues, also Bewegungen führen, die nicht in die gleiche Richtung orientiert sind, wie die zu Grunde liegende Bewegung des Kraftfahrzeugs, oder die zu der zu Grunde liegenden Bewegung des Kraftfahrzeugs zeitlich versetzt sind. Diese False Cues werden vom Fahrer im Simulator als störend wahrgenommen und können wesentlich zu einer sogenannten Simulator-Krankheit beitragen. Weiterhin beeinträchtigen False Cues eine Bewertung von Eigenschaften des Kraftfahrzeugs negativ, was bis hin zur Unmöglichkeit einer differenzierten Bewertung der Eigenschaften führen kann.
Bei dem Verfahren aus der Druckschrift DE 10 2013 224 510 A1 werden False Cues durch eine Offline Optimierung vermieden. Außerdem wird durch die Offline Optimierung ein manöverabhängiges Sollsignal definiert. Allerdings ist diese Optimierung nur für ein bestimmtes, in engen Grenzen vordefiniertes Manöver mit einem bestimmten Kraftfahrzeug gültig. Möchte der Fahrer im Simulator z. B. eine andere Geschwindigkeit wählen, ist das mit diesem Ansatz nicht möglich. Wird ein sogenannter Open Loop Motion Cueing Ansatz verwendet, kann der Fahrer als Proband ein Manöver gar nicht beeinflussen und erlebt dieses nur als Passagier. Gerade hinsichtlich der Bewertung einer Querdynamik ist für den Fahrer jedoch eine Rückmeldung am Lenkrad eine wichtige Größe. Die Verwendung eines Lenkrads setzt jedoch voraus, dass der Fahrer Teil eines Regelkreises (Closed Loop) ist. Demnach sind die Ansätze aus der Druckschrift DE 10 2013 224 510 A1 nicht zur Anwendung in der Querdynamik geeignet. Mit dem darin beschriebenen kombinierten Ansatz aus Open Loop und Closed Loop Motion Cueing werden nur kleine Abweichungen von einer Solltrajektorie toleriert. Weicht der Fahrer etwas weiter von der Solltrajektorie für das Kraftfahrzeug ab, entstehen wie bei einem konventionellen Ansatz mit einem Hochpassfilter False Cues, die einen Bewertungseindruck verzerren können. Außerdem können die hier angeführten Größen zu den erlaubten Abweichungen von einem Sollmanöver zu gering sein, um den Ansatz sinnvoll nutzen zu können. Weiterhin ist es mit den angegebenen Spezifikationen zur Dynamik der Bewegungsplattform, bspw. bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 1 m/s, nicht möglich, angegebene Querdynamikmanöver, bspw. schnelle Spurwechsel, wie beschrieben und/oder gefordert ohne Skalierung durchzuführen.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, einen Simulator für ein Kraftfahrzeug genauer einzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren und einem System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen des Verfahrens und des Systems gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Einstellen eines bspw. als Fahrsimulator ausgebildeten Simulators für ein bspw. als Kraftfahrzeug ausgebildetes Fahrzeug vorgesehen, wobei der Simulator eine bewegliche Plattform aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass das Fahrzeug bei einer Simulation eine Strecke mit einem zweidimensionalen Profil befährt, deren Verlauf durch eine Längskoordinate l (x, y) definiert wird, die wiederum durch eine erste Koordinate x und eine zweite Koordinate y definiert wird. Die Strecke weist als erste reale Streckengröße ein Höhenprofil z_Strecke (l) und als zweite reale Streckengröße einen Orientierungswinkel γ_Strecke (l) auf. Für die Plattform des Simulators ist als erste Betriebsgröße eine relative Höhe z_rel (l), die von dem Höhenprofil z_Strecke (l) abhängig ist, und als zweite Betriebsgröße ein relativer Drehwinkel γ_rel (I), der von dem Orientierungswinkel γ_Strecke (l) abhängig ist, einzustellen. Bei Durchführung des Verfahrens wird für mindestens eine der beiden realen Streckengrößen, d. h. für das Höhenprofil z_Strecke (l) und/oder den Orientierungswinkel γ_Strecke (I), zumindest abschnittsweise eine Glättung durchgeführt und eine daraus resultierende Vorpositionierung z_vor (l) für die relative Höhe z_rel (l) und/oder γ_vor (l) für den relativen Drehwinkel γ_rel (l) ermittelt. Hierbei entspricht die jeweilige Vorpositionierung z_vor (l) für die relative Höhe z_rel (l) bzw. γ_vor (l) für den relativen Drehwinkel γ_rel (l) der zumindest abschnittsweise geglätteten Streckengröße des Höhenprofils z_Strecke (l) bzw. des Orientierungswinkels γ_Strecke (l). Dabei wird mindestens eine der beiden Betriebsgrößen, d. h. die relative Höhe z_rel (l) und/oder der relative Drehwinkel γ_rel (I), aus einer Differenz der realen Streckengröße und der daraus resultierenden Vorpositionierung in der Regel vor der Simulation offline ermittelt, bspw. berechnet.
Zum Ermitteln der Vorpositionierung z_vor (I), γ_vor (l) für die mindestens eine der beiden realen Streckengrößen wird als die zumindest abschnittsweise durchzuführende Glättung eine zumindest abschnittsweise Linearisierung vorgenommen und/oder ermittelt.
In Ausgestaltung wird das Höhenprofil z_Strecke (l) als reale Streckengröße zumindest abschnittsweise linearisiert und daraus eine Vorpositionierung z_vor (l) für die relative Höhe z_rel (l) als Betriebsgröße ermittelt, wobei die relative Höhe z_rel (l) aus einer Differenz aus dem Höhenprofil z_Strecke (l) und der Vorpositionierung z_vor (l) in der Regel offline ermittelt, bspw. berechnet wird.
Alternativ oder ergänzend wird der Orientierungswinkel γ_Strecke (l) als reale Streckengröße zumindest abschnittsweise linearisiert und daraus eine Vorpositionierung γ_vor (l) für den relativen Drehwinkel γ_rel (l) als Betriebsgröße ermittelt, wobei der relative Drehwinkel γ_rel (l) aus einer Differenz aus dem Orientierungswinkel γ_Strecke (l) und der Vorpositionierung γ_vor (l) in der Regel offline ermittelt, bspw. berechnet wird.
Weiterhin wird die mindestens eine Betriebsgröße, d. h. die relative Höhe z_rel (l) und/oder der relative Drehwinkel γ_rel (l) zweimal nach der Zeit abgeleitet, wobei aus einer resultierenden zweiten Ableitung der mindestens einen Betriebsgröße eine Beschleunigung für eine Bewegung der Plattform ermittelt wird. Somit ist es möglich, eine Beschleunigung der relativen Höhe z_rel (l) und/oder eine Beschleunigung des relativen Drehwinkels γ_rel (l) zu ermitteln und den Simulator hiermit anzusteuern.
Außerdem ist es möglich, dass die mindestens eine Betriebsgröße kubisch interpoliert wird, bevor sie zweimal nach der Zeit abgeleitet wird.
In möglicher Ausgestaltung wird die relative Höhe z_rel (l) bzw. z_rel (x, y) als erste Betriebsgröße ausgehend von einer ursprünglichen relativen Höhe z_rel (l₀) bzw. z_rel (x₀, y₀) der Plattform und der relative Drehwinkel γ_rel (l) bzw. γ_rel (x, y) als zweite Betriebsgröße ausgehend von einem ursprünglichen relativen Drehwinkel γ_rel (l₀) bzw. γ_rel (x₀, y₀) der Plattform eingestellt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die ursprüngliche relative Höhe z_rel (l₀) zu einem Ausgangswert z_Strecke (l₀) bzw. z_Strecke (x₀, y₀) des Höhenprofils z_Strecke (l) bzw. z_Strecke (x, y) und der ursprüngliche relative Drehwinkel γ_rel (x₀, y₀) zu einem Ausgangswert γ_Strecke (l₀) bzw. γ_Strecke (x₀, y₀) des Orientierungswinkels γ_Strecke (l) bzw. γ_Strecke (x, y) korreliert ist, wobei die Strecke an einer ursprünglichen Längskoordinate l₀ bzw. einer ersten ursprünglichen Koordinate x₀ und an einer zweiten ursprünglichen Koordinate y₀ beginnt.
Das erfindungsgemäße System ist zum Einstellen eines Simulators für ein Kraftfahrzeug ausgebildet und umfasst eine Recheneinheit. Dabei weist der Simulator eine bewegliche Plattform auf. Es ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug bei einer Simulation eine Strecke mit einem zweidimensionalen Profil befährt, deren Verlauf durch eine Längskoordinate l (x, y), die von einer ersten Koordinate x und einer zweiten Koordinate y abhängig ist, definiert ist, wobei die Strecke als erste reale Streckengröße ein Höhenprofil z_Strecke (l) und als zweite reale Streckengröße einen Orientierungswinkel γ_Strecke (l) aufweist. Für die Plattform des Simulators ist als erste Betriebsgröße eine relative Höhe z_rel (I), die von dem Höhenprofil z_Strecke (l) abhängig ist, und als zweite Betriebsgröße ein relativer Drehwinkel γ_rel (I), der von dem Orientierungswinkel γ_Strecke (l) abhängig ist, einstellbar bzw. einzustellen. Die Recheneinheit des Systems ist dazu ausgebildet, für mindestens eine der beiden realen Streckengrößen, also für das reale Höhenprofil z_Strecke (l) und/oder den realen Orientierungswinkel γ_Strecke (l), zumindest abschnittsweise eine Glättung durchzuführen, eine aus der Glättung der realen Streckengröße resultierende Vorpositionierung z_vor (I), γ_vor (l) zu ermitteln und mindestens eine der beiden Betriebsgrößen aus einer Differenz der realen Streckengröße und der daraus resultierenden Vorpositionierung offline und somit vor der Simulation zu ermitteln und/oder zu berechnen.
Die Recheneinheit ist zudem dazu ausgebildet, eine Mechanikanordnung des Simulators unter Berücksichtigung mindestens einer der beiden Betriebsgrößen, d. h. des relativen Drehwinkels γ_rel (l) und/oder der relativen Höhe z_rel (l) und/oder mindestens einer zweiten zeitlichen Ableitung der Betriebsgrößen, d. h. einer Beschleunigung d²/dt² z_rel (l) der relativen Höhe z_rel (l) und/oder einer Beschleunigung d²/dt² γ_rel (l) des relativen Drehwinkels γ_rel (I), anzusteuern und in Bewegung zu versetzen.
Mit dem Verfahren kann für den Simulator u. a. ein Motion Cueing Algorithmus mit einer streckenbasierten Vorpositionierung realisiert werden.
Bei einer Fahrt auf einer vordefinierten Strecke und somit einem vordefinierten Kurs, z. B. einer Rundstrecke, sind die Werte für das Höhenprofil z_Strecke (l) einer Fahrbahn und der Orientierungswinkel des Kraftfahrzeugs, der dem Orientierungswinkel γ_Strecke (l) der Strecke entsprechen kann, um eine Vertikalachse (Gierachse bzw. Gierkoordinate) des Kraftfahrzeugs in einem engen Korridor nur von der Längskoordinate l der Strecke abhängig. Im Rahmen des Verfahrens ist es nun vorgesehen, das streckenabhängige Höhenprofil und den Orientierungswinkel für die Vorpositionierung einer Bewegungsplattform als bewegliche Plattform zu nutzen. Die Werte für die Vorpositionierung können vor einer Fahrt im Simulator offline nur anhand von Bewegungsraumgrenzen des Simulators und einer Führung der Strecke berechnet werden. Dabei sind die berechneten Werte von Fahrstil, Kraftfahrzeug und Fahrer vollkommen unabhängig. Während der eigentlichen Simulation der Fahrt werden die von einem virtuellen Modell des Kraftfahrzeugs berechneten Werte für das Höhenprofil (z-Koordinate) und den Orientierungswinkel als Vertikalorientierung (Gierkoordinate) mit den jeweiligen zu der Längskoordinate l bzw. zu einer Position entlang der Strecke gehörigen Werten der Vorpositionierung verrechnet, wobei nur die Differenz aus einer realen Größe des Kraftfahrzeugs und der offline berechneten, nur von der Längskoordinate der Strecke abhängigen, Vorpositionierung ein Soll-Signal für eine Bewegung der Plattform, bspw. der Bewegungsplattform, des Simulators bildet.
Wenn das Fahrzeug auf dem Rundkurs z. B. bei Kilometer 1,234 fährt, befindet es sich beispielsweise ca. 3,45 m über einer Referenzhöhe und somit dem Ausgangswert des Höhenprofils und ist verglichen mit der Orientierung einer Anfangsposition, z. B. auf einer Start-/Ziel-Gerade, um einen vorgegebenen Ausgangswert des Orientierungswinkels, beispielsweise um ca. 56° gedreht. Diese Werte für die z-Koordinate bzw. das reale Höhenprofil z_Strecke (l) und die Gierkoordinate bzw. den realen Orientierungswinkel γ_Strecke (l) sind unabhängig vom Fahrstil, dem Kraftahrzeug und der Geschwindigkeit, da sie nur von der Längskoordinate l der Strecke abhängig sind. Ein anderer Fahrer könnte bei einer anderer Linienwahl an der gleichen Anfangsposition durchaus auch einen Orientierungswinkel von 54° oder 59° aufweisen, jedoch wird der Orientierungswinkel nie mehr als +/-10° von einem vorgegebenen Wert abweichen. Ähnlich verhält es sich mit dem Ausgangswert des Höhenprofils über der Referenzhöhe. Bei Motorsportfahrzeugen und professionellen Fahrern kann ein derartiger Korridor um eine Ideallinie herum noch deutlich geringer sein.
Mit dem Verfahren können die z-Koordinate bzw. das Höhenprofil und die Gierkoordinate bzw. der Orientierungswinkel phasenfrei und ohne wahrnehmbare False Cues im Simulator abgebildet werden. Die z-Koordinate trägt hierbei wesentlich zur Immersion, d. h. zum Eintauchen in eine virtuelle Welt, bei. Weiterhin ist es mit dem Verfahren möglich, eine Vertikaldynamik des Kraftfahrzeugs subjektiv zu bewerten. Die Gierkoordinate ist eine Bewertungsgröße für eine Bewertung der Querdynamik des Kraftfahrzeugs, wobei Gierreaktionen des Kraftfahrzeugs quasi fehlerfrei dargestellt werden können. Die bei klassischen Hochpassfiltern auftretenden False Cues, wonach sich die Bewegungsplattform wahrnehmbar in entgegengesetzter Richtung zu der Drehrichtung bzw. Bewegungsrichtung des Kraftfahrzeugs dreht bzw. in Vertikalrichtung bewegt, werden dabei vermieden.
Weiterhin kann durch die Offline-Simulation vorab das Bewegungsverhalten des Simulators im Fahrbetrieb abgeschätzt werden, wodurch Grenzen eines Bewegungsraums berücksichtigt werden können. Das vorgestellte Verfahren basiert nur auf Streckengrößen bzw. Streckendaten der Strecken und ist von Fahrstil, Fahrer und Fahrzeug unabhängig. Die für die Bewertung der Fahrdynamik relevanten Unterschiede zwischen verschiedenen Fahrzeugen werden ungefiltert und damit phasenrichtig dargestellt. Damit ist eine verzerrungsfreie Fahrdynamikbewertung möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sowie ein Beispiel für einen Fahrsimulator.
2 zeigt ein erstes Diagramm, das bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt wird.
3 zeigt ein zweites Diagramm, das bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt wird.
4 zeigt ein drittes Diagramm, das bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt wird.
5 zeigt ein viertes Diagramm, das bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt wird.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Bezugsziffern sind dieselben Komponenten oder Aspekte zugeordnet.
Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 50 für einen hier als Fahrsimulator 52 ausgebildeten Simulator umfasst hier diesen Simulator bzw. Fahrsimulator 52 und mindestens eine Recheneinheit 54 zum Kontrollieren und somit zum Steuern und/oder Regeln des Fahrsimulators 52 bzw. eines Betriebs des Fahrsimulators 52. Der Fahrsimulator 52 umfasst hier ein reales Modell 56 bzw. einen Nachbau eines Kraftfahrzeugs, wobei zumindest ein Innenraum 58 des Modells 56 genauso wie das originale Kraftfahrzeug ausgebildet sein und sämtliche Bedienelemente, bspw. Lenkrad, Bremspedal, Gaspedal und ggf. Kupplungspedal, zum Kontrollieren einer Fahrt des mit dem Fahrsimulator 52 simulierbaren Kraftfahrzeugs aufweisen kann. Das Modell 56 ist auf einer Plattform 60 angeordnet, die wiederum auf einer Mechanikanordnung 62 angeordnet ist, die mehrere mechanische Elemente 64, hier in ihrer Länge verstellbare bzw. teleskopierbare Stelzen oder Stützen, umfasst, die wiederum auf einem Untergrund 66 angeordnet sind. Durch Veränderung einer Länge mindestens eines mechanischen Elements 64 sind die Plattform 60 und das Modell 56 im Schwerefeld der Erde bewegbar. Somit ist eine derartige Bewegung auch durch einen Fahrer, der sich in dem Innenraum 58 befindet und eine hier als Fahrsimulation ausgebildete Simulation durchführt, spürbar.
Das Diagramm aus 2 umfasst eine Abszisse 2 und eine Ordinate 4, entlang denen jeweils Koordinaten x, y, bspw. Ortskoordinaten bzw. Raumkoordinaten, und somit Werte für eine Strecke bzw. einen Abstand in Metern aufgetragen sind. Innerhalb des Diagramms aus 2 ist exemplarisch ein Ausschnitt einer von einem Kraftfahrzeug befahrbaren Strecke 6, bspw. Rundstrecke, in Draufsicht dargestellt, wobei für diese Strecke 6 neben Fahrbandrändern noch eine Mittellinie dargestellt ist. Hierbei ist aus Gründen der Übersicht nur der Ausschnitt und nicht die komplette als Rundstrecke ausgebildete Strecke 6 dargestellt.
Das Diagramm aus 3 umfasst eine Abszisse 8, entlang der eine Längskoordinate l (x, y) der Strecke 6 aufgetragen ist. Diese Längskoordinate l (x, y) ist von den beiden Koordinaten x, y abhängig und ergibt sich entlang der Strecke 6, wobei die Längskoordinate l (x, y) eine Position entlang der Strecke 6 und/oder einen Wert einer entlang der Strecke zurückgelegten oder zurückzulegenden Distanz beschreibt. Entlang einer Ordinate 10 des Diagramms aus 3 ist eine vertikale Änderung der Strecke 6 aufgetragen. Innerhalb des Diagramms aus 3 ist durch eine erste Kurve 12 ein reales Höhenprofil z_Strecke (l) einer Oberfläche der Strecke 6 aufgetragen. Eine zweite gestrichelte Kurve 14 zeigt eine aus dem realen Höhenprofil z_Strecke (l) durch abschnittsweise Glättung resultierende Vorpositionierung z_vor (l). Eine dritte strichpunktierte Kurve 16 zeigt eine relative Höhe z_rel (l) der Plattform 60 des Fahrsimulators 52.
Das Diagramm aus 4 umfasst ebenfalls die Abszisse 8 mit der Längskoordinate und eine Ordinate 18, entlang der Werte für einen Winkel aufgetragen sind. Eine erste durchgezogene Kurve 20 zeigt einen realen Orientierungswinkel γ_Strecke (l) der Strecke 6. Eine zweite gestrichelte Kurve 22 zeigt eine aus dem realen Orientierungswinkel γ_Strecke (l) durch abschnittsweise Glättung resultierende Vorpositionierung γ_vor (l) eines als Gierwinkel ausgebildeten Orientierungswinkels der Plattform 52. Eine dritte strichpunktierte Kurve 24 zeigt einen relativen Drehwinkel γ_rel (l) der Plattform 52 um eine Hochachse des Kraftfahrzeugs.
Entlang der Abszisse 8 des Diagramms aus 5 ist ebenfalls die Längskoordinate l in Metern aufgetragen. Entlang einer Ordinate 26 des Diagramms aus 5 sind Werte für eine normierte Beschleunigung eines relativen Winkels und somit für dessen zweite Ableitung aufgetragen. In dem Diagramm aus 5 zeigt eine erste durchgezogene Kurve 28 eine zweite zeitliche Ableitung d²/dt² γ_Strecke (l) des Orientierungswinkels γ_Strecke (l) des Verlaufs der Strecke 6 und eine zweite strichpunktierte Kurve 30 die zweite zeitliche Ableitung d²/dt² γ_rel (l) des relativen Drehwinkels γ_rel (l) der Plattform 60.
Anhand dieser Diagramme wird für die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Offline Berechnung mindestens einer Vorpositionierung z_vor (l) für die relative Höhe z_rel (l) und/oder γ_vor (l) für den relativen Drehwinkel γ_rel (l) der Plattform 60 des Fahrsimulators 52 zur Simulation der Strecke 6 erläutert.
Dabei werden in einem ersten Schritt anhand von Daten der Strecke 6 Werte für die Vorpositionierung z_vor (l), γ_vor (l) bereits vor Durchführung der Simulation offline berechnet. Dazu wird der Orientierungswinkel γ_Strecke (l) der Strecke 6 bzw. Straße (hier ein Integral über einen Krümmungsverlauf der Strecke) über der Längskoordinate l in Längsrichtung der Strecke 6 aufgetragen. In dem Diagramm aus 3 zeigt die durchgezogene Kurve 12 das genaue, reale Höhenprofil z_Strecke (l) der Strecke 6 über der Längskoordinate l bzw. Längsrichtung. Die daraus ermittelte Vorpositionierung z_vor (l) bzw. Kompensation ist anhand der gestrichelten Kurve 14 dargestellt. Die Vorpositionierung z_vor (l) wird durch Tiefpassfilterung des Höhenprofils z_Strecke (l) der Fahrbahn der Strecke 6 erzeugt. Da die Vorpositionierung z_vor (l) offline berechnet wird, kann die Tiefpassfilterung phasenfrei erzeugt werden. Eine andere Methode zum Bestimmen der Vorpositionierung z_vor (l) besteht darin, dass zur Vorpositionierung z_vor (l) das abschnittsweise linearisierte Höhenprofil z_Strecke (l) der Strecke 6 verwendet wird. Dabei wird berücksichtigt, dass zwischen linearisierten Abschnitten des Höhenprofils z_Strecke (l) ein stetiger und differenzierbarer Übergang gewährleistet ist.
Die berechnete Vorpositionierung z_vor (l) wird dann in einer Umsetzungstabelle (Lookup-Table) in Abhängigkeit von der Längskoordinate l der Strecke 6 abgespeichert.
Es wird angenommen, dass das Kraftfahrzeug während einer Simulation ungefähr dem Höhenprofil z_Strecke (l) der Strecke 6 folgt (durchgezogene Kurve 12). Wird von diesem Höhenprofil z_Strecke (l) positionsabhängig ein zugehöriger Wert der Vorpositionierung z_vor (l) subtrahiert, ergibt sich für die Plattform 60 die strichpunktierte Kurve 16 für eine relative Höhe z_rel (l) als Sollgröße und/oder Regelgröße. Hierbei ist ersichtlich, dass die Strecke 6 durch eine Senke hindurchführt, wobei ca. 8 m Höhenunterschied auftreten. Durch Berücksichtigung der Vorpositionierung z_vor (l) reduziert sich jedoch eine Höhenamplitude der Bewegungsplattform auf ca. 1 m.
Zum Ermitteln einer Orientierung und/oder Drehung im Raum ist eine analoge Vorgehensweise vorgesehen, wobei das Ergebnis in dem Diagramm aus 4 dargestellt ist. Der Fahrer nimmt über seine Haut und sein Gleichgewichtsorgan jedoch keine Positionen und Orientierungen sondern Beschleunigungen und Kräfte wahr, die benötigt werden, um eine jeweils vorgesehene Position und/oder Orientierung der Strecke l zu erreichen. Das Diagramm aus 5 stellt die rotatorische Beschleunigung d²/dt² γ_Strecke (l) des Orientierungswinkels γ_Strecke (l) der Strecke 6 und die rotatorische Beschleunigung d²/dt² γ_rel (l) des relativen Drehwinkels γ_rel (l) der Plattform 60 gegenüber, die benötigt werden, um die in dem Diagramm aus 4 durch die Kurven 20, 22, 24 gezeigten Orientierungen zu erreichen. Dabei zeigen sich nur geringe Abweichungen zwischen den Beschleunigungen der Plattform 60 und dem simulierten Verlauf des Kraftfahrzeugs bzw. der Strecke 6. Hier wurde zur besseren Übersicht die Annahme getroffen, dass das Kraftfahrzeug genau dem Orientierungsverlauf der Strecke 6 folgt.
Während einer Online Anwendung der Simulation wird nun die Position und somit die Längskoordinate l des Kraftfahrzeugs auf der Strecke 6 bestimmt. Dabei wird ermittelt, wie weit das Kraftfahrzeug von einem definierten Startpunkt l₀ der Strecke 6 entfernt ist. Abhängig davon wird ein zugehöriger Wert des Höhenprofils z_Strecke (l) und/oder des Orientierungswinkels γ_Strecke (l) für die Vorpositionierung z_vor (l), γ_vor (l), die aus einer zumindest abschnittsweise Glättung des Höhenprofils z_Strecke (l) und/oder des Orientierungswinkels γ_Strecke (l) resultiert, aus der Umsetzungstabelle ausgelesen. Der Wert für die jeweilige Vorpositionierung wird anschließend von der realen Streckengröße des Kraftfahrzeugs subtrahiert, wobei eine Differenz eine Sollvorgabe für die Betriebsgröße der Plattform 60 bildet.
Während der Simulation kann die Plattform 60 nunmehr bzgl. der Position und der Beschleunigung geregelt werden, wobei eine Beschleunigungsgröße des virtuellen Kraftfahrzeugs mit ausgegeben wird. Im Rahmen des Verfahrens wird in der Umsetzungstabelle eine kubische Interpolation durchgeführt. Danach kann die jetzt kubisch interpolierte Vorpositionierung z_vor (l), γ_vor (l) in fast allen Punkten zweifach stetig nach der Zeit abgeleitet werden. Weiterhin wird die so entstehende Beschleunigung d²/dt² z_vor (I), d²/dt² γ_vor (l) der Vorpositionierung z_vor (I), γ_vor (l) von der Beschleunigung des virtuellen Kraftfahrzeugs subtrahiert, wodurch auch für die beschleunigungsgeregelte Plattform 60 eine Sollgröße ermittelt werden kann. Dies ist bei einer einfach linear interpolierten Umsetzungstabelle nicht möglich, da bereits die erste Ableitung Sprünge aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013224510 A1 [0005, 0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Pitz J., Rothermel T., Kehrer M., Reuss H.-C.: Predictive Motion Cueing Algorithm for Development of Interactive Assistance Systems; In: 16. Internationales Stuttgarter Symposium, Stuttgart; 2016 [0003]
Pitz J.: Promotionsvortrag: Vorausschauender Motion-Cueing-Algorithmus für den Stuttgarter Fahrsimulator; Universität Stuttgart, Fakultät für Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik; 20.09.2016 [0003]
Neubeck, J.; Next Generation Evaluation Methods in Vehicle Dynamics. Shanghai Stuttgart Symposium, Shanghai, 2016 [0004]

Claims

Verfahren zum Einstellen eines Simulators für ein Fahrzeug, wobei der Simulator eine bewegliche Plattform (60) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass das Fahrzeug bei einer Simulation eine Strecke (6) befährt, deren Verlauf durch eine Längskoordinate l definiert wird, wobei die Strecke (6) als erste reale Streckengröße ein Höhenprofil z_Strecke (l) und als zweite reale Streckengröße einen Orientierungswinkel γ_Strecke (l) aufweist, wobei für die Plattform (60) des Simulators als erste Betriebsgröße eine relative Höhe z_rel (I), die von dem Höhenprofil z_Strecke (l) abhängig ist, und als zweite Betriebsgröße ein relativer Drehwinkel γ_rel (l), der von dem Orientierungswinkel γ_Strecke (l) abhängig ist, einstellbar ist, wobei bei Durchführung des Verfahrens für mindestens eine der beiden realen Streckengrößen zumindest abschnittsweise eine Glättung durchgeführt und eine daraus resultierende Vorpositionierung ermittelt wird, wobei mindestens eine der beiden Betriebsgrößen aus einer Differenz der realen Streckengröße und der daraus resultierenden Vorpositionierung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Ermitteln der Vorpositionierung für die mindestens eine der beiden realen Streckengrößen als zumindest abschnittsweise Glättung eine zumindest abschnittsweise Linearisierung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Höhenprofil z_Strecke (l) zumindest abschnittsweise geglättet und daraus eine Vorpositionierung z_vor (l) für die relative Höhe z_rel (l) ermittelt wird, wobei die relative Höhe z_rel (l) aus einer Differenz aus dem Höhenprofil z_Strecke (l) und der Vorpositionierung z_vor (l) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Orientierungswinkel γ_Strecke (l) zumindest abschnittsweise geglättet und daraus eine Vorpositionierung γ_vor (l) für den relativen Drehwinkel γ_rel (l) ermittelt wird, wobei der relative Drehwinkel γ_rel (l) aus einer Differenz aus dem Orientierungswinkel γ_Strecke (l) und der Vorpositionierung γ_vor (l) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Betriebsgröße zweimal nach der Zeit abgeleitet wird, wobei aus einer resultierenden zweiten Ableitung der mindestens einen Betriebsgröße eine Beschleunigung für eine Bewegung der Plattform (60) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die mindestens eine Betriebsgröße kubisch interpoliert wird, bevor sie zweimal nach der Zeit abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die relative Höhe z_rel (l) als erste Betriebsgröße ausgehend von einer ursprünglichen relativen Höhe z_rel (l₀) der Plattform (60) und der relative Drehwinkel γ_rel (l) als zweite Betriebsgröße ausgehend von einem ursprünglichen relativen Drehwinkel γ_rel (l₀) der Plattform eingestellt wird, wobei die ursprüngliche relative Höhe z_rel (l₀) zu einem Ausgangswert z_Strecke (l₀) des Höhenprofils z_Strecke (l) und der ursprüngliche relative Drehwinkel γ_rel (l₀) zu einem Ausgangswert γ_Strecke (l₀) des Orientierungswinkels γ_Strecke (l) korreliert ist, wobei die Strecke (6) an einer ursprünglichen Längskoordinate l₀ beginnt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein virtuelles Modell des Fahrzeugs verwendet wird.
System zum Einstellen eines Simulators für ein Fahrzeug, wobei der Simulator eine bewegliche Plattform (60) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass das Fahrzeug bei einer Simulation eine Strecke (6) befährt, deren Verlauf durch eine Längskoordinate l definiert ist, wobei die Strecke (6) als erste reale Streckengröße ein Höhenprofil z_Strecke (l) und als zweite reale Streckengröße einen Orientierungswinkel γ_Strecke (l) aufweist, wobei für die Plattform (60) des Simulators als erste Betriebsgröße eine relative Höhe z_rel (I), die von dem Höhenprofil z_Strecke (l) abhängig ist, und als zweite Betriebsgröße ein relativer Drehwinkel γ_rel (l), der von dem Orientierungswinkel γ_Strecke (l) abhängig ist, einstellbar ist, wobei das System (50) eine Recheneinheit (54) aufweist, die dazu ausgebildet ist, für mindestens eine der beiden realen Streckengrößen zumindest abschnittsweise eine Glättung durchzuführen, eine daraus resultierende Vorpositionierung zu ermitteln und mindestens eine der beiden Betriebsgrößen aus einer Differenz der realen Streckengröße und der daraus resultierenden Vorpositionierung zu ermitteln.
System nach Anspruch 9, bei dem die Recheneinheit (54) dazu ausgebildet ist, eine Mechanikanordnung (62) des Simulators unter Berücksichtigung mindestens einer der beiden Betriebsgrößen anzusteuern und in Bewegung zu versetzen.