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Die Erfindung betrifft einen Fahrsimulator zur Simulation von Fahrbewegungen eines Fahrzeugs in drei räumlichen Translationsfreiheitsgraden und drei Rotationsfreiheitsgraden, wobei der Fahrsimulator ein Basisbauteil zum Aufstellen des Fahrsimulators, einen Aufnahmeplatz für einen Fahrer und einen sechsachsigen Bewegungsmechanismus hat, über den der Aufnahmeplatz auf dem Basisbauteil aufgelagert ist.
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Für einen solchen Hochleistungs-Fahrsimulator mit insgesamt sechs Freiheitsgraden werden gemäß dem Stand der Technik großvolumige, technisch sehr komplexe Vorrichtungen verwendet, um die gewünschten Translations- und Rotationsbewegungen präzise zu simulieren. Den industriellen Standard bildet dabei die Stewart-Gough-Plattform (auch Hexapod genannt), eine auf sechs sphärisch gelagerten Linearantrieben befestigte Plattform. Wegen der Komplexität eines solchen Aufbaus gibt es auch Vorschläge für vereinfachte Fahrsimulatoren in kompakterer Bauweise. Dort ist allerdings die Anzahl der Bewegungsfreiheitsgrade verringert, was zu Einbußen bezüglich der Realitätsnähe der Simulation führt. So ist beispielsweise aus der
US 7,033,177 ein Bewegungssimulator bekannt, der nur drei Bewegungsfreiheitsgrade unterstützt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungs-Fahrsimulator mit den vollen sechs Bewegungsfreiheitsgraden anzugeben, der mit geringerem technischem Aufwand zu realisieren ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Fahrsimulator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der sechsachsige Bewegungsmechanismus genau drei voneinander beabstandete, parallel wirkende Tragbeine hat, wobei jedes Tragbein über ein erstes Gelenk mit dem Basisbauteil gekoppelt ist und über ein zweites Gelenk mit dem Aufnahmeplatz gekoppelt ist. Auf diese Weise kann ein kompakter und relativ leichter Fahrsimulator geschaffen werde, mit dem die gewünschte Hochleistungs-Fahrsimulation in sechs Freiheitsgraden möglich ist. Der Fahrsimulator ist dabei vergleichsweise einfach transportierbar und kann in einem relativ kleinen Raum mit normaler Deckenhöhe aufgestellt werden. Durch das geringe Gewicht des erfindungsgemäßen Fahrsimulators werden auch übliche Deckentraglasten nicht überschritten. Der Fahrsimulator benötigt im Vergleich zu Systemen aus dem Stand der Technik nur eine geringe Standfläche. Der Fahrsimulator kann zudem mit einer günstigen Einstiegshöhe realisiert werden, sodass eine Person den Aufnahmeplatz für den Fahrer auch ohne besondere Hilfsmittel einnehmen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Fahrsimulator werden trotz der vereinfachten Bauweise hohe Auslenkungen, Drehungen und Beschleunigungen erreicht, die bei Hochleistungssimulationen erwartet werden.
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Der Fahrsimulator eignet sich für die Simulation von Fahrbewegungen von Fahrzeugen jeglicher Art, d.h. sowohl für Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge als auch für Wasserfahrzeuge. Beispielsweise können mit dem erfindungsgemäßen Fahrsimulator im Bereich der Landfahrzeuge Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Motorräder simuliert werden, im Bereich der Luftfahrzeuge z.B. Flugzeuge oder Hubschrauber, und im Bereich der Wasserfahrzeuge Schiffe jeglicher Art oder U-Boote.
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Soweit nachfolgend auf bestimmte Koordinatenachsen Bezug genommen wird, sei angenommen, dass die Richtung der X-Achse sich in Vorwärts-Fahrtrichtung des zu simulierenden Fahrzeuges erstreckt, die Y-Achse in Querrichtung und die Z-Achse die Hochachse bildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der sechsachsige Bewegungsmechanismus über einen Linearverschiebemechanismus mit dem Basisbauteil gekoppelt ist, derart, dass jedes Tragbein über sein erstes Gelenk mit dem einem durch den Linearverschiebemechanismus linear gegenüber dem Basisbauteil verschieblichen Aufnahmeelement des Linearverschiebemechanismus gekoppelt ist. Durch einen solchen Linearverschiebemechanismus wird zwar der technische Aufwand für den Fahrsimulator wieder leicht erhöht, dafür kann insbesondere bei häufig auftretenden Fahrbewegungen, die bei einem bestimmten Fahrzeugtyp zu erwarten sind, die Belastung der Tragbeine reduziert werden, insbesondere die Belastung der ersten und zweiten Gelenke.
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Soll beispielsweise ein Straßenfahrzeug mit dem Fahrsimulator simuliert werden, ist es vorteilhaft, den Linearverschiebemechanismus derart anzuordnen, dass eine Linearverschiebung gegenüber dem Basisbauteil in Vorwärts-/Rückwärts-Fahrtrichtung des Fahrzeuges möglich ist (bzw. in Richtung der X-Achse, wenn das zuvor erläuterte Koordinatensystem angewandt wird).
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die drei Tragbeine jeweils als serielle Kinematik mit zwei Verstellfreiheitsgraden ausgebildet sind. Auf diese Weise können mit dem zuvor bereits erwähnten geringen technischen Aufwand die gewünschten sechs Bewegungsfreiheitsgrade realisiert werden. Der Bewegungsmechanismus ist somit eine Kombination aus Parallelkinematik und serieller Kinematik.
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Um die gewünschte Fahrsimulation durchzuführen, hat der Fahrsimulator für die sechs Bewegungsfreiheitsgrade zumindest sechs motorische Antriebe, die entweder an den Tragbeinen angeordnet sind oder mit den Tragbeinen verbunden sind. Ist der Linearverschiebemechanismus vorhanden, weist dieser einen zusätzlichen (siebten) motorischen Antrieb auf. Ein solcher motorischer Antrieb kann zum Beispiel einen Elektromotor aufweisen, gegebenenfalls auch ein Getriebe.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem, zwei oder drei Tragbeinen das erste Gelenk als motorisch in wenigstens einem Freiheitsgrad verstellbares aktives Gelenk ausgebildet ist. Auf diese Weise können bereits drei Bewegungsfreiheitsgrade mit geringem technischem Aufwand im Bereich der ersten Gelenke der Tragbeine realisiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Gelenk nur in genau einem Rotationsfreiheitsgrad motorisch verstellbar ist. Dies erlaubt ebenfalls eine einfache technische Realisierung eines motorisch verstellbaren Gelenks. Das erste Gelenk kann in wenigstens einem weiteren Freiheitsgrad passiv verstellbar sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem, zwei oder drei Tragbeinen der Abstand zwischen dem ersten Gelenk und dem zweiten Gelenk motorisch verstellbar ist. Dies kann z.B. dadurch realisiert werden, dass ein prismatisches Gelenk im Verbindungsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Gelenk angeordnet wird. Das prismatische Gelenk kann z.B. motorisch mittels eines Schneckenantriebs angetrieben werden, oder durch Realisierung einer Kolben-/Zylinder-Anordnung. Es sind aber auch andere Mechanismen denkbar, die zur motorischen Verstellung des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Gelenk am jeweiligen Tragbein angeordnet sein können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem, zwei oder drei Tragbeinen das zweite Gelenk als passives Gelenk ohne motorischen Antrieb ausgebildet ist. Dies erlaubt eine vergleichsweise einfache Kopplung des Aufnahmeplatzes für den Fahrer mit den Tragbeinen. Insbesondere ist auch eine einfache Demontage der Teile des Fahrsimulators möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem, zwei oder drei Tragbeinen das erste Gelenk als Universalgelenk, insbesondere als Kardangelenk, ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das erste Gelenk mit geringem technischem Aufwand sehr robust gestaltet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem, zwei oder drei Tragbeinen das zweite Gelenk als Kugelgelenk ausgebildet ist. Dies erlaubt vielfältige Bewegungsmöglichkeiten des Aufnahmeplatzes für den Fahrer. Zudem ist eine einfache Demontage der Anordnung möglich, z.B. bei einem Transport des Fahrsimulators.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest zwei der drei Tragbeine oder alle drei Tragbeine identisch ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass der Fahrsimulator in einer Serienproduktion besonders günstig hergestellt werden kann, da eine hohe Zahl von Gleichteilen vorhanden ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schwerpunkt des Aufnahmeplatzes für den Fahrer zwischen den Verbindungspunkten der drei Tragbeine mit dem Aufnahmeplatz angeordnet ist. Dies erlaubt eine gleichmäßige Verteilung der zu tragenden Last auf die drei Tragbeine.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Bezug auf eine Vorwärtsfahrtrichtung des vom Fahrsimulator simulierten Fahrzeugs zwei Tragbeine nebeneinander im hinteren Bereich des Aufnahmeplatzes und ein Tragbein im vorderen Bereich des Aufnahmeplatzes angeordnet ist. Dies erlaubt eine günstige Schwerpunktlage des Aufnahmeplatzes für den Fahrer und eine gleichmäßige Verteilung der zu tragenden Last auf die drei Tragbeine.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das vorne angeordnete Tragbein am ersten Gelenk um die Längsachse des vom Fahrsimulator simulierten Fahrzeugs (X-Achse) motorisch verstellbar ist und die zwei hinten angeordneten Tragbeine am ersten Gelenk um die Querachse des vom Fahrsimulator simulierten Fahrzeugs (Y-Achse) motorisch verstellbar sind. Dies erlaubt eine realistische Fahrsimulation bei zugleich einfachem und robustem Aufbau des Fahrsimulators.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Breite des Fahrsimulators geringer ist als dessen Länge. Die Breite kann dabei die Abmessung in Querrichtung sein, die Länge die Abmessung in Längsrichtung, d. h. in Vorwärtsfahrtrichtung. Im Gegensatz zu einem Fahrsimulator auf Basis eines Hexapod kann somit der erfindungsgemäße Fahrsimulator relativ schmal bauend realisiert werden. Insbesondere kann der Fahrsimulator derart gestaltet werden, dass er so schmal ist, dass durch eine normale Tür hindurch passt. Dafür kann der Fahrsimulator aber vergleichsweise langbauend gestaltet werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Breite des Fahrsimulators geringer als 1,2 m, oder geringer als 1 m, oder geringer als 0,9 m. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Breite des Fahrsimulators geringer als 50 % der Länge des Fahrsimulators. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand der zwei nebeneinander im hinteren Bereich des Aufnahmeplatzes angeordneten Tragbeine voneinander geringer als deren jeweiliger Abstand zum Tragbein im vorderen Bereich des Aufnahmeplatzes.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aufnahmeplatz für den Fahrer einen Sitzplatz und/oder Bedienelemente des vom Fahrsimulator simulierten Fahrzeugs und/oder Anzeigeelemente des vom Fahrsimulator simulierten Fahrzeugs hat. Die Bedienelemente können z.B. bei einem Landfahrzeug ein Beschleunigungspedal, ein Bremspedal und ein Lenkrad sein oder bei einem Luftfahrzeug ein Steuerknüppel sowie Seitenruderpedale. Die Anzeigeelemente sind ebenfalls je nach Art des zu simulierenden Fahrzeuges festzulegen, beispielsweise als Geschwindigkeitsanzeige oder Anzeige sonstiger Fahrzustände.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fahrsimulator eine Steuereinheit zur Ansteuerung von sechs motorischen Antrieben der drei Tragbeine hat, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, einen Datensatz, der eine zu simulierende reale Umgebung wiedergibt, zu empfangen und daraus, ggf. unter Berücksichtigung von Sensorsignalen, die Ansteuersignale für die Ansteuerung der sechs motorischen Antrieben der drei Tragbeine zu bestimmen. Auf diese Weise wird eine einfache Schnittstelle zur Benutzung des Fahrsimulators für beliebige Fahrsituationen, die auch schon für andere Fahrsimulatoren programmiert sein können, geschaffen. Bei einem Landfahrzeug kann der Datensatz z.B. den Verlauf von Straßen, das Höhenprofil und eventuelle Hindernisse beinhalten.
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Der Fahrsimulator kann zudem Sensoren enthalten, durch die Sensorsignale bereitgestellt werden, die die tatsächlichen Bewegungen des Aufnahmeplatzes für den Fahrer erfassen. Auf diese Weise kann die Steuereinheit unter Berücksichtigung dieser Sensorsignale eine geregelte Ansteuerung der sechs motorischen Antriebe durchführen.
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Weist der Fahrsimulator zusätzlich den erwähnten Linearverschiebemechanismus auf, kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, zusätzlich Ansteuersignale für die Ansteuerung eines siebten motorischen Antriebs des Linearverschiebemechanismus zu bestimmen und an den Antrieb auszugeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 einen Fahrsimulator in einer ersten Ausführungsform in Seitenansicht,
- 2 den Fahrsimulator gemäß 1 in einer Ansicht schräg von vorn,
- 3 einen Fahrsimulator in einer zweiten Ausführungsform in Seitenansicht,
- 4 eine schematische Darstellung eines Tragbeins.
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Der in den 1 und 2 erkennbare Fahrsimulator hat ein Basisbauteil 1, einen Aufnahmeplatz 2 für einen Fahrer und einen sechsachsigen Bewegungsmechanismus, über den der Aufnahmeplatz 2 auf dem Basisbauteil 1 aufgelagert ist. Der sechsachsige Bewegungsmechanismus wird durch drei Tragbeine 3, 4, 5 gebildet. Jedes Tragbein 3, 4, 5 ist über ein erstes Gelenk 7 mit dem Basisbauteil 1 und über ein zweites Gelenk 8 mit dem Aufnahmeplatz 2 gekoppelt. Auf diese Weise kann der Aufnahmeplatz 2 gelenkig gegenüber dem Basisbauteil 1 bewegt werden. In der Verbindung zwischen dem ersten Gelenk 7 und dem zweiten Gelenk 8 befindet sich ein Mechanismus zur Verstellung des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Gelenk 7, 8. Der Mechanismus kann z.B. als prismatisches Gelenk 9 ausgebildet sein.
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Sämtliche ersten Gelenke 7 sind als motorisch verstellbare aktive Gelenke ausgebildet, insbesondere als Gelenke, die nur in genau einem Rotationsfreiheitsgrad motorisch verstellbar sind. Sämtliche prismatischen Gelenke 9 sind als motorisch verstellbare Gelenke ausgebildet, die eine Linearverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Gelenk 7, 8 erlauben. Die zweiten Gelenke 8 sind als passive Gelenke ohne motorischen Antrieb ausgebildet. Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform können sämtliche zweiten Gelenke 8 als Kugelgelenke ausgebildet sein.
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Der Fahrsimulator weist außerdem eine Steuereinheit 10 auf. Durch die Steuereinheit 10 werden die sechs motorischen Antriebe der drei Tragbeine 3, 4, 5 in der gewünschten Weise angesteuert, um eine Fahrsimulation durchzuführen.
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Die 3 zeigt eine Ausführungsform des Fahrsimulators, bei dem im Unterschied zur 1 die Tragbeine 3, 4, 5 über ihre ersten Gelenke 7 indirekt mit dem Basisbauteil 1 gekoppelt sind. Bei der Ausführungsform der 3 ist ein Linearverschiebemechanismus mit einem Aufnahmeelement 6 vorhanden. Die Tragbeine 3, 4, 5 sind über ihre ersten Gelenke 7 mit dem verschieblichen Aufnahmeelement 6 gekoppelt. Durch den Linearverschiebemechanismus kann das gegenüber dem Basisbauteil 1 linear verschiebliche Aufnahmeelement 6 motorisch in X-Richtung verstellt werden. Durch den weiteren Bewegungsfreiheitsgrad, den der Linearverschiebemechanismus ermöglicht, kann die Belastung an den Tragbeinen 3, 4, 5 reduziert werden. So kann zum Beispiel in dieser Ausführungsform das zweite Gelenk 8 des vorderen Tragbeins 5 als Universalgelenk ausgebildet sein, zum Beispiel als Kardangelenk.
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Die Steuereinheit 10 ist in diesem Fall auch zur Ansteuerung eines weiteren motorischen Antriebs des Linearverschiebemechanismus eingerichtet, um die Linearverstellung des Aufnahmeelementes 6 gegenüber dem Basisbauteil 1 zu steuern.
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Die 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Tragbeins, hier anhand des hinteren Tragbeins 3. Das Tragbein 3 weist einen Teil des ersten Gelenks 7, das prismatische Gelenk 9 sowie einen Teil des zweiten Gelenks 8 auf. Das erste Gelenk 7 kann über einen am Tragbein 3 befestigten ersten Motor 12 motorisch verstellt werden. Der erste Motor 12 kann zum Beispiel über ein Getriebe, beispielsweise ein Schneckengetriebe, mit einer Drehachse des ersten Gelenks 7 gekoppelt sein. Das prismatische Gelenk 9 kann über einen am Tragbein 3 befestigten zweiten Motor 11 motorisch verstellt werden. Der zweite Motor 11 kann zum Beispiel über ein Getriebe mit einer Gewindespindel gekoppelt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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