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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Simulators zur Simulation eines translatorischen und/oder rotatorischen Bewegungsverhaltens eines Fahrzeuges, bei dem basierend auf einem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges die in den Fahrzeugachsen des zu simulierenden Fahrzeuges wirkenden spezifischen Kräfte bereitgestellt und in Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators umgewandelt werden, um das translatorische und/oder rotatorische Bewegungsverhalten durch Bewegung einer Simulatorkabine des Simulators zu simulieren. Die Erfindung betrifft ebenso ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln hierzu sowie einen derart eingerichteten Simulator.
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Bewegungssysteme von Simulatoren werden nach derzeitigem Stand der Technik über Filter angesteuert. Diese wandeln die vom Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges ermittelten spezifischen Kräfte in den jeweiligen Fahrzeugachsen in Steuerbefehle für die einzelnen Aktuatoren um, um das Bewegungssystem des Simulators anzusteuern und so die spezifischen Kräfte in entsprechende Bewegungen der Simulatorkabine des Simulators umzuwandeln. Die spezifischen Kräfte, die aus dem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges ermittelt werden, können dabei auch in Form von Beschleunigungswerten bereitgestellt werden, die Äquivalente zu den in den Fahrzeugachsen des zu simulierenden Fahrzeuges wirkenden spezifischen Kräften darstellen.
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Durch das Umsetzen der auf dem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges ermittelten spezifischen Kräfte in Bewegungen der Simulatorkabine des Simulators lassen sich Bewegungen eines Fahrzeuges in der realen Welt simulieren, sodass der Fahrer des Fahrzeuges bzw. des Simulators das Gefühl vermittelt bekommt, als ob er ein Fahrzeug tatsächlich durch die reale Welt steuern würde. Führt der Fahrer des Fahrzeugsimulators nun Steuerungsaufgaben durch, wie bspw. Beschleunigen, Abbremsen oder Lenkeingaben, so werden diese Steuereingaben in entsprechende Bewegungen des Simulators umgesetzt, die aus dem Simulationsmodell als spezifische Kräfte bzw. Beschleunigungen bereitgestellt werden. Da im Sichtfeld des Fahrers mit Hilfe einer Bildprojektionseinrichtung ein Bild der äußeren Umgebung des Fahrzeuges angezeigt wird, die eine Rückkopplung des Bewegungsverhaltens aus dem Simulationsmodell über den visuellen Kanal darstellt, wird so der Immersionseffekt verstärkt.
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Dieser Simulationsansatz sieht vor, dass die durch die Modulierung des Fahrzeuges in der Simulation gewonnenen Bewegungs- und/oder Beschleunigungswerte bzw. Kräfte in den Bewegungsraum des Bewegungssystems abgebildet werden, wobei die hochfrequenten Anteile der Translationsbeschleunigungen sowie die hochfrequenten Anteile der Rotationsbeschleunigungen direkt in den entsprechenden Freiheitsgraden des Simulators nachvollzogen werden. Die niederfrequenten Anteile der Translationsbeschleunigung in der Längsachse bzw. in der Querachse werden dagegen durch das Kippen der Simulatorkabine gegenüber dem Erdlot (Winkel zwischen der Hochachse und dem Erdlot) dargestellt, wodurch sich der Scheingewichtsvektor in der Kabine verändert. Da die übrigen, dem Benutzer zur Verfügung stehenden Lagedarstellungen wie Außenansicht oder Instrumente weiterhin die ursprüngliche Lage beschreiben, entsteht bei dem Fahrer des Simulators der Eindruck einer langanhaltenden translatorischen Beschleunigung in der Längsachse oder der Querachse, die auf die Erdbeschleunigung in der jeweiligen Achse zurückzuführen ist.
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Allerdings muss für eine richtige Darstellung der niederfrequenten translatorischen Beschleunigung durch das Kippen der Bewegungsplattform gegenüber dem Erdlot sichergestellt werden, dass die Drehung bzw. Neigung der Simulatorkabine unterhalb der Wahrnehmungsschwelle erfolgt, sodass von dem Fahrzeugführer in dem Simulator nur die Änderung des Scheingewichtsvektors wahrgenommen wird, nicht aber die Drehung der Simulatorkabine selbst. Andernfalls entsteht ein Simulationsfehler bei der kognitiven Verarbeitung durch den Fahrzeugführer, der unangenehm und im schlechtesten Fall zu der sogenannten Simulatorkrankheit führen kann.
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Neben der physiologischen Wahrnehmungsschwelle liegt eine weitere Grenze eines solchen Verfahrens grundsätzlich darin, dass dieses nur für longitudinale (Längsachse) und laterale (Querachse) Beschleunigungszustände denkbar ist, da nur hierfür korrespondierende rotatorische Freiheitsgrade zur Einstellung eines Scheingewichtsvektors mit Hilfe des Erdlots zur Verfügung stehen. So sind longitudinale Beschleunigungen durch eine Nicklage, laterale durch eine Rolllage der Simulatorkabine darstellbar. Für Lastvielfache in der vertikalen Richtung (z-Achse bzw. Hochachse) ist dieses als Tilt-Coordination bekannte Verfahren nicht anwendbar, da ein über die aus dem Erdlot resultierende Gewichtskraft hinausgehendes Lastvielfaches durch ein Kippen der Simulatorkabine nicht darstellbar ist. Demzufolge können Beschleunigungen in der vertikalen Fahrzeugachse (z-Achse, Hochachse) nur durch translatorische Beschleunigungen der Simulatorkabine abgebildet werden, wodurch derartige Lastvielfache auf hochfrequente Anteile beschränkt sind. Niederfrequente, langanhaltende Beschleunigungen in der vertikalen Fahrzeugachse lassen sich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren indes jedoch nicht darstellen.
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Gerade bei einem koordinierten Kurvenflug oder in einem Abfangbogen treten in Folge der zusätzlichen Fliehkräfte jedoch spezifische Kräfte in der vertikalen Fahrzeugachse auf, die nicht durch eine translatorische Bewegung der Simulatorkabine zur Darstellung der Beschleunigungskräfte darstellbar sind, da diese Beschleunigungskräfte niederfrequenter Art sind. Diese Lastvielfachen in der Hochachse des Fahrzeuges, die aus einem solchen Kurvenflug bzw. Abfangbogen resultieren, lassen sich derzeit somit mit Hilfe eines Simulators in der Simulatorkabine nicht abbilden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren, Computerprogramm sowie Simulator bereitzustellen, mit dem Lastvielfache, insbesondere niederfrequenter Art, in der vertikalen Fahrzeugachse für den Fahrzeugführer in der Simulatorkabine simuliert werden können.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1, dem Computerprogramm gemäß Anspruch 7 sowie dem Simulator gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Ansteuern eines Simulators zur Simulation eines translatorischen und/oder rotatorischen Bewegungsverhaltens eines Fahrzeuges vorgeschlagen, bei dem basierend auf einem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges die in den Fahrzeugachsen des zu simulierenden Fahrzeuges wirkenden spezifischen Kräfte bzw. Beschleunigungen bereitgestellt und in Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators umgewandelt werden, um das translatorische und/oder rotatorische Bewegungsverhalten durch Bewegung einer Simulatorkabine des Simulators zu simulieren.
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Um die in Richtung der Hochachse des Fahrzeuges wirkenden spezifischen Kräfte bzw. Beschleunigungen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens abbilden zu können, werden zunächst die aus dem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges stammenden spezifischen Kräfte bzw. Beschleunigungen in der vertikalen Fahrzeugachse bereitgestellt, die als translatorische Beschleunigungen in der vertikalen Fahrzeugachse durch den Simulator simuliert werden sollen. Diese Lastvielfachen in der vertikalen Fahrzeugachse stammen dabei aus dem Simulationsmodell bei der Simulation des Bewegungsverhaltens des Fahrzeuges und entstehen bspw. bei einem koordinierten Kurvenflug oder einem Abfangbogen, bei dem in longitudinaler sowie lateraler Richtung der Pilot von Kräften freigestellt und aufgrund der Fliehkräfte lediglich Lastvielfache in der Hochachse des Fahrzeuges wahrnehmen würde.
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Anschließend wird ein Nicklagewinkel der Simulatorkabine zwischen der Horizontalebene und der Längsachse der Simulatorkabine in Abhängigkeit von der bereitgestellten Kraft bzw. Beschleunigung berechnet, wobei der Nicklagewinkel durch eine Drehung der Simulatorkabine um die Querachse der Simulatorkabine einstellbar ist. Ein Nicklagewinkel zwischen der Horizontalebene (bzw. Horizont) und der Längsachse der Simulatorkabine führt dabei auch zu einer Winkelablage zwischen Erdlot und Hochachse (z-Achse) der Simulatorkabine.
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Basierend darauf werden rotatorische Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators in Abhängigkeit von dem berechneten Nicklagewinkel der Simulatorkabine generiert und der Simulator dann basierend auf den generierten rotatorischen Steuerbefehlen angesteuert, um die in der vertikalen Fahrzeugachse wirkende translatorische Kraft durch den Nicklagewinkel zu simulieren.
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Erfindungsgemäß werden demzufolge Lastvielfache in der Hochachse des Fahrzeuges durch Einstellen einer Nicklage bzw. eines Nicklagewinkels des Fahrzeuges simuliert, indem die Fahrzeugkabine basierend auf dem Lastvielfachen um die Querachse gedreht wird, wodurch der Nicklagewinkel eingestellt wird.
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Der Erfinder hat dabei erkannt, dass ein solches Lastvielfaches in der Fahrzeughochachse deshalb durch einen Nicklagewinkel der Simulatorkabine simuliert werden kann, da aufgrund der sich ändernden Sitzposition dem Fahrzeugführer das Gefühl vermittelt wird, dass auf ihn ein Lastvielfaches in der Hochachse wirkt, auch wenn dies real gar nicht der Fall ist. Diese Erkenntnis beruht auf der Analyse der Sitzposition des Fahrzeugführers in einem Fahrzeug und der daraus resultierenden Wirkung langanhaltender vertikaler Lastvielfachen auf den Körper. Während des unbeschleunigten Geradeausfluges bspw. verspürt ein Pilot durch Schwerkrafteinwirkung sowohl auf der Sitzfläche als auch in Folge der Neigung der Sitzlehne einen Druck. Da die Neigung der Sitzlehne normalerweise klein ist, ist auch der Anteil an der Erdbeschleunigungskraft, welche in Blickrichtung und senkrecht zur Sitzlehne wirkt, klein. Die parallel zur Sitzlehne wirkende Kraftkomponente ist dagegen fast nicht spürbar, da der Großteil der vertikal wirkenden Kräfte über die Sitzfläche aufgenommen wird. Zusätzlich erfolgt eine gewisse Gewöhnung an diesen Anteil der Kraft in Richtung der Körperhochachse.
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Wird in Folge eines Lastvielfachen die vertikale spürbare Kraft erhöht, erhöht sich zum einen der Druck an der Sitzfläche und zum anderen der Druck an der Lehne in Blickrichtung. Während die Erhöhung des Drucks an der Sitzfläche aufgrund der Gewöhnung nicht sonderlich wahrgenommen wird, ist der zunehmende Druck an der Lehne sehr wohl spürbar. Diesen Umstand macht sich die vorliegende Erfindung zu nutzen. Durch das Neigen der Simulatorkabine um die Querachse und Einstellen einer Nicklage wird der Druck an der Sitzlehne ebenfalls erhöht. Zwar geht dies grundsätzlich zu Lasten des Drucks an der Sitzfläche. Jedoch wird dieses aufgrund der Gewöhnung nicht so stark wahrgenommen wie der Druck im Rücken. Der zusätzliche Druck auf die Sitzlehne aufgrund der Neigung der Simulatorkabine wird jedoch aufgrund der nicht vorhandenen Gewöhnung stärker wahrgenommen, sodass das Gefühl entsteht, dass auf den Piloten ein Lastvielfaches in der Hochachse wirkt. Durch die Darstellung der äußeren Umstände innerhalb der Simulatorkabine mit Hilfe einer Bildprojektionseinheit wird dem Piloten darüber hinaus visuell dargelegt, dass das vollzogene Manöver zu Lastvielfachen in der Hochachse führen würde, wodurch die Neigung der Simulatorkabine und dem daraus resultierenden Druck auf die Rückenlehne als genau dieses wahrgenommen und interpretiert wird.
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Somit lassen sich durch Neigen der Simulatorkabine und entsprechender Darstellung der Instrumente und Anzeige innerhalb der Simulatorkabine bzgl. des Zustands der Bewegung des Fahrzeuges und der Außendarstellung entsprechende Lastvielfache in der Hochachse ohne translatorische Bewegung der Simulatorkabine in der Hochachse für den Fahrzeugführer simulieren.
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Vorteilhafterweise wird ein niederfrequenter Anteil der in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft bzw. Beschleunigung mittels eines Tiefpassfilters ermittelt und der Nicklagewinkel dann in Abhängigkeit von dem ermittelten niederfrequenten Anteil der in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft bzw. Beschleunigung berechnet, sodass insbesondere niederfrequente translatorische Beschleunigungen bzw. Kräfte durch ein Neigen der Simulatorkabine abgebildet werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Drehrate (Drehwinkel pro Zeit) der Simulatorkabine um die Querachse der Simulatorkabine zur Einstellung des berechneten Nicklagewinkels in Abhängigkeit von dem berechneten Nicklagewinkel berechnet, so dass durch Generieren von rotatorischen Steuerbefehlen basierend auf der berechneten Drehrate die Simulatorkabine entsprechend um die Querachse gedreht werden kann.
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Vorteilhafterweise wird dabei die Drehrate auf einen Wert begrenzt, der unterhalb der physiologischen Wahrnehmungsschwelle liegt, sodass die Drehung um die Querachse der Simulatorkabine durch den Fahrzeugführer des Simulators nicht wahrgenommen wird und lediglich die Zunahme der wirkenden Kraft spürbar wird. Daher eignen sich für das Verfahren insbesondere jene niederfrequenten Anteile der zu simulierenden Kraft bzw. Beschleunigung in der Hochachse des Fahrzeuges, die aufgrund der Begrenzung der Drehrate unterhalb der physiologischen Wahrnehmungsschwelle einstellbar sind. Hochfrequente Anteile, die nur kurz wirken, lassen sich bei einer Begrenzung der Drehrate unterhalb der physiologischen Wahrnehmungsschwelle nur bedingt abbilden.
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Daher ist es vorteilhaft, wenn die Drehrate auf einen Wert von weniger oder gleich 3° pro Sekunde begrenzt wird, damit die Drehung bzw. die Einstellung der Nicklage der Simulatorkabine durch den Fahrzeugführer nicht wahrgenommen wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden mit Hilfe eines Hochpassfilters die hochfrequenten Anteile der in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft ermittelt, wobei diese hochfrequenten Anteile nicht durch eine Drehung der Simulatorkabine simuliert werden, sondern durch eine translatorische Bewegung der Simulatorkabine in der Hochachse. Hierfür werden basierend auf den ermittelten hochfrequenten Anteilen der translatorisch wirkenden Kraft bzw. Beschleunigung entsprechende Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators generiert, um die Simulatorkabine in Richtung der Hochachse der Simulatorkabine zu beschleunigen. Die Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators werden dann zur Ansteuerung des Simulators genutzt, um die in der vertikalen Fahrzeugachse wirkende translatorische Kraft bzw. Beschleunigung durch die translatorische Beschleunigung der Simulatorkabine zu simulieren.
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Dabei ist es denkbar, dass durch einen entsprechenden Filter bzw. Filteranordnung das Signal sowohl durch einen Hochpassfilter als auch durch einen Tiefpassfilter geleitet wird. Weist die in der Hochachse wirkende spezifische Kraft lediglich einen hochfrequenten Anteil auf, so ist das Ergebnis des Tiefpassfilters Null, während der Hochpassfilter den entsprechenden hochfrequenten Anteil liefert. Weist die in der Hochachse wirkende spezifische Kraft bzw. Beschleunigung, die aus dem Simulationsmodell stammt, lediglich niederfrequente Anteile auf, so ist das Ergebnis des Hochpassfilters Null, während der Tiefpassfilter den entsprechenden niederfrequenten Anteil liefert. Im ersteren Fall würde lediglich die Simulatorkabine in der Hochachse des Simulators beschleunigt (innerhalb von Systemgrenzen), während im zweiten Fall erfindungsgemäß die Simulatorkabine um die Querachse gedreht wird, um den entsprechenden Nicklagewinkel einzustellen.
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Denkbar ist aber auch, dass die aus dem Simulationsmodell stammende und in der Hochachse des Fahrzeuges wirkende spezifische Kraft sowohl einen hochfrequenten als auch einen niederfrequenten Anteil hat, sodass sowohl Steuerbefehle für eine translatorische Bewegung in der Hochachse der Simulatorkabine generiert werden, um die hochfrequenten Anteile zu simulieren, als auch gleichzeitig Steuerbefehle zur Einstellung der Nicklage generiert werden, um die niederfrequenten Anteile abzubilden. Hierdurch lassen sich insbesondere Simulationsfehler vermeiden, die dadurch entstehen, dass bei herkömmlichen Filteranordnungen zwar die hochfrequenten Anteile durch eine translatorische Beschleunigung abgebildet werden, die niederfrequenten Anteile jedoch dann nicht mehr. Die vorliegende Erfindung schließt diese Lücke durch Einstellen einer Nicklage, wodurch die Wahrnehmung innerhalb der Simulatorkabine erzeugt wird, dass ein Lastvielfaches in der Hochachse wirkt.
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Wenn nun der Wert der zu simulierenden translatorischen Kraft in der Hochachse aus dem Simulationsmodell langsam abnimmt, bspw. weil in dem Simulationsmodell kein Lastvielfaches in der Hochachse mehr auftritt, so wird die Simulatorkabine wieder in die horizontale Lage gebracht und der Nicklagewinkel auf Null gesetzt. Basierend auf der Rückdrehrate zum Rückdrehen der Simulatorkabine werden dann entsprechende Steuerbefehle generiert, um den Simulator zu anzusteuern, dass die Simulatorkabine wieder in die horizontale Lage zurückgedreht wird. Selbstverständlich erfolgt dies vorzugsweise ebenfalls unterhalb der physiologischen Wahrnehmungsschwelle.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Darstellung einer schematischen Filteranordnung zur Ansteuerung des Simulators;
- 2 schematische Darstellung des Wirkprinzips.
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1 zeigt eine Filteranordnung, auf dessen Basis die zu simulierenden Werte ermittelt und so basierend darauf die Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators ermittelt werden können. Als Eingangssignal erhält der Filter die Vertikalbeschleunigung in der Hochachse des Fahrzeuges als die in der vertikalen Fahrzeugachse wirkende translatorische Kraft faaz. Da diese jedoch die Erdbeschleunigung beinhaltet, muss diese, um auf die tatsächlich gewünschte Beschleunigung der Kabine zu kommen, im simualtorfesten Koordinatensystem subtrahiert werden (P1). Das Ergebnis ist ein Lastvielfaches Zpp in der vertikalen Hochachse des Fahrzeuges.
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Dieses Lastvielfache Zpp in der Hochachse des Fahrzeuges wird dann als Eingang in einen Hochpassfilter HP geleitet, der bspw. ein Hochpassfilter dritter Ordnung sein kann. Der Hochpassfilter HP filtert dabei die hochfrequenten Anteile des Lastvielfachen Zpp heraus und leitet dieses Ergebnis Zpp,HP an einen Signallimitierer weiter. Der Signallimitierer limitiert dabei das Ergebnis Zpp,lim auf einen für den Simulator darstellbaren Wert, sodass hier insbesondere die Systemgrenzen des Simulators Berücksichtigung finden.
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Das Ergebnis dieses so aus dem Stand der Technik bekannten Filters wird dann zur Ansteuerung des Simulators verwendet, um den Simulator in der Hochachse translatorisch zu bewegen und so die hochfrequenten Anteile der translatorischen Beschleunigung in der Hochachse simulieren zu können.
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Erfindungsgemäß werden nun allerdings die Tiefpassanteile des Eingangssignals verwendet, indem von dem Lastvielfachen Zpp (ohne Erdbeschleunigungsanteil) der hochfrequente Anteil Zpp,HP abgezogen wird, was in Punkt P2 geschieht. Das Ergebnis ist der tieffrequente Anteil Zpp,TP des Lastvielfachen Zpp, das nun erfindungsgemäß weiter verarbeitet wird. Im unteren Teil der 1 ist dabei der erfindungsgemäße Filter für den tieffrequenten Anteil der Vertikalbeschleunigung zu sehen.
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Der untere Teil der 1 beschreibt die Bestimmung des endgültigen Nicklagewinkels der Simulatorplattform bzw. der Simulatorkabine (θS,gCorr) als die Summe (P4) des Nicklagewinkels infolge einer spezifischen Kraft in Längsrichtung (θ□x) und eines zusätzlichen Nicklagewinkels infolge des oben beschriebenen tieffrequenten Anteils der translatorischen Beschleunigung in vertikaler Richtung (θfz). Letzterer wird aus dem tieffrequenten Anteil der Beschleunigung der Kabine in vertikaler Richtung (Zpp,TP) berechnet. Mittels Division durch die Erdbeschleunigung g wird dieses Signal in einen äquivalenten Winkel gewandelt. Die anschließende Multiplikation mit einem Faktor Fak stellt die Einstellbarkeit dieser Winkelkorrektur für anwendungsspezifische Randbedingungen sicher. Ein weiterer Parameter ist der maximal zulässige Nicklagewinkel für diese Methode (θmax), welcher den oben gefundenen zusätzlichen Nicklagewinkel mit Hilfe der Limitierungsfunktion (L) beschränkt.
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2 zeigt anhand eines Beispiels einer sitzenden Person das Wirkprinzip der vorliegenden Erfindung. Im Beispiel der 2 ist die Simulatorkabine bereits um eine Nicklage gedreht. Die Erdbeschleunigung wirkt dabei unverändert auf den Körper, wobei jedoch der Anteil g1 gegenüber der normalen, ungedrehten Sitzposition verringert wird, während der Anteil g2, der senkrecht zur Sitzlehne 1 steht, gegenüber der normalen, ungedrehten Position vergrößert wird. Dies hat zur Folge, dass der Druck auf die Sitzfläche 2 verringert wird, während der Druck auf die Sitzlehne 1 vergrößert wird.
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Aufgrund der Gewöhnung an die sitzende Position wird die Verringerung der Kraft auf die Sitzfläche 2 weniger stark wahrgenommen, als die Erhöhung des Druckes auf die Sitzlehne 1. Da ein Lastvielfaches in der Hochachse im Ergebnis auch zu einer Erhöhung des Drucks auf die Sitzlehne führt, was in der Regel stärker wahrgenommen wird, als die Erhöhung des Drucks auf die Sitzfläche 2, kann durch ein Kippen der Sitzposition der Druck auf die Sitzlehne 1 erhöht werden, was deutlich stärker wahrgenommen wird, als die Verringerung auf die Sitzfläche 1. Dies hat zur Folge, dass der Eindruck entsteht, als würde eine vertikale Beschleunigung in der Hochachse des Fahrzeuges auf den Simulator wirken. Somit lassen sich langanhaltende, translatorische Beschleunigungskräfte, wie sie bspw. bei Fliehkräften im Kurvenflug auftreten, simulieren.
