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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung einer in
einem Kraftfahrzeug während der Fahrt auf den Fahrer
einwirkenden Längsbeschleunigung des Kraftfahrzeugs in einer
Fahrsimulation mit Hilfe eines Fahrsimulators gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Fahrsimulationen in Fahrsimulatoren spielen eine immer größere
Rolle in der Kraftfahrzeugentwicklung, da sie die Möglichkeit
bieten, lange vor dem Aufbau von Prototypen kostengünstige und
reproduzierbare Grundsatzuntersuchungen durchzuführen. Bei der
Fahrsimulation befindet sich ein Proband in einer Kabine, die
mittels eines Bewegungssystems in unterschiedliche
Raumrichtungen beschleunigt und/oder gedreht bzw. geschwenkt wird. Durch
den generell in Fahrsimulatoren zur Verfügung stehenden
begrenzten Bewegungsraum tritt das Problem auf, dass nicht
genügend Weg für den Aufbau von Beschleunigungen zur Verfügung
steht, die während der Fahrt auf den Fahrer einwirken.
Insbesondere bei der Darstellung von Beschleunigungen in
Längsrichtung des Kraftfahrzeugs, wie sie zum Beispiel bei
Beschleunigungs- oder Ahbremsvorgängen auftreten, schlägt der fehlende
Bewegungsraum zu Buche.
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Zur Lösung des Problems wird bisher versucht, die
Längsbeschleunigungen darzustellen, indem die Kabine mit dem Probanden
bei der Fahrsimulation um eine quer zur Beschleunigungsrichtung
liegende Achse geneigt wird; der Proband empfindet den in
Richtung der geneigten Kabinenlängsachse wirkenden Anteil der
Erdbeschleunigung als Längsbeschleunigung. Dieser Vortäuschung von
Längsbeschleunigung durch Neigung sind jedoch durch die
Wahrnehmung des Probanden enge Grenzen gesetzt. Ab einer bestimmten
Neigungs-Winkelgeschwindigkeit erkennt der Proband die
Neigebewegung als solche. So existieren starke Beschränkungen bei der
Darstellung von Längsbeschleunigungen in einem Fahrsimulator.
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Ein Verfahren zur Lösung dieses Problems ist aus der
gattungsbildenden DE-OS 28 42 409 bekannt. Hier wird der Proband in der
Kabine mit Hilfe des Bewegungssystems des Fahrsimulators auf
einer Kreisbahn um einen festen Drehpunkt bewegt, wobei die
Kabine so ausgerichtet ist, dass die Kabinenlängsachse radial
ausgerichtet ist. Dabei wird die auf den Probanden wirkende
Zentrifugalbeschleunigung zur Darstellung von
Längsbeschleunigungen genutzt.
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Dieses Verfahren weist allerdings den Nachteil auf, dass durch
die Bewegung auf einer Kreisbahn, bei der die Kabinenlängsachse
tangential ausgerichtet ist, hohe Störkräfte bzw.
Störbeschleunigungen in Querrichtung, also in tangentialer Richtung
auftreten, die das Empfinden massiv stören.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
vorzuschlagen, mit dem langanhaltende und hohe auf einen Fahrer
einwirkende Längsbeschleunigungen realistisch in einem
Fahrsimulator dargestellt werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Hauptanspruchs gelöst. Im Unterschied zum Stand der Technik, in dem
die Zentrifugalbeschleunigung zur Darstellung der
Längsbeschleunigung genutzt wird, wird erfindungsgemäß die bei einer
Bewegung der Kabine auf einer Kreisbahn auftretende
Tangentialbeschleunigung zur Darstellung von Längsbeschleunigung
verwendet. Um die dabei gleichzeitig auf den Probanden einwirkende
Zentripetalbeschleunigung, die das Empfinden einer reinen
Längsbeschleunigung stört, zu kompensieren, wird die Kabine
während der Kreisbewegung um eine zur Kabinenlängsrichtung
parallele Achse gekippt.
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Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es im Gegensatz
zu dem oben beschriebenen klassischen Neigungsverfahren keine
Wegbegrenzung gibt, also die Kabine nicht nach dem Aufbau einer
gewissen, relativ geringen Längsbeschleunigung wieder
abgebremst werden muss. Es kann daher eine betragsmäßig höhere
Beschleunigung aufgebaut und verwendet werden. Gleichzeitig
werden die im gattungsgemäßen Verfahren auftretenden Störkräfte in
Querrichtung vermieden.
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Ferner ist man mit Hilfe dieses Verfahrens in der Lage, eine
hohe und langanhaltende bei einer realen Autofahrt auf den
Fahrer einwirkende Längsbeschleunigung darzustellen. Diese
Längsbeschleunigung bereitet bisher bei der Durchführung von
Fahrsimulatoruntersuchungen die meisten Probleme, da in dieser
Richtung bei einer realen Autofahrt betragsmäßig hohe und
langanhaltende Beschleunigungen auftreten, die bei beschränktem
Platzangebot des Fahrsimulators nicht oder nur sehr schlecht
darzustellen sind.
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Weiterhin empfindet der Proband die Zentripetalkraft während
der Fahrsimulation nicht, wenn die Kabine zur Kompensation der
Zentripetalbeschleunigung um die zur Kabinenlängsrichtung
parallele Achse gekippt wird, so dass die Kabinenhochachse
kolinear zu dem resultierenden Vektor aus Erdbeschleunigung und
Zentrifugalbeschleunigung ausgerichtet wird. Auf den Probanden
wirkt dann nur eine Beschleunigung in Vertikalrichtung, die
eine erhöhten Erdbeschleunigung entspricht, sowie eine
Längsbeschleunigung.
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Zweckmäßigerweise wird bei der Bewegung auf der Kreisbahn die
Längsachse der Kabine näherungsweise parallel zur
Tangentialrichtung ausgerichtet. So bleiben die Störkräfte, die in der
Querrichtung auf den Probanden einwirken, minimal und es kann
eine reine Längsbeschleunigung dargestellt werden (Anspruch 2).
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Vorteilhafterweise verläuft die Achse, um die die Kabine
gekippt wird, näherungsweise durch den Kopf des Probanden. Die
Kippung um diese Achse ist wahrnehmungstechnisch sehr günstig,
da am Kopf die Gleichgewichtsorgane, die für die Wahrnehmung
von Beschleunigungen zuständig sind, angesiedelt sind. Bei
Kippung um diese Achse wird den Gleichgewichtsorganen ein
beschleunigungsfreier Zustand vorgegaukelt (Anspruch 3).
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Vorteilhafterweise wird die Kabine vor Beginn der Darstellung
der Längsbeschleunigung in eine konstante Geschwindigkeit in
die der Richtung der späteren Kreisbewegung entgegengesetzte
Richtung versetzt. So kann wie durch eine Nullpunktverschiebung
der Betrag der maximal in der Simulation darstellbaren
Beschleunigung erhöht werden (Anspruch 4).
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Eine zusätzliche vorteilhafte Wirkung wird erzielt, wenn die
Kabine während der Kreisbewegung um eine Kabinenquerachse
geneigt wird. Diese Neigung entspricht der oben beschriebenen
klassischen Nickneigung und hat den Vorteil, dass durch diese
Nickneigung zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Kreisbahn-
Verfahren das Intervall der darzustellenden Beschleunigungen
noch vergrößert werden kann. Mit dieser gleichzeitigen Kippung
und Neigung ist man in der Lage, im Fahrsimulator auch Manöver
darzustellen, die zur Bewertung der Eigenschaften des
Triebstrangs eines Kraftfahrzeugs verwendet werden können. Diese
Manöver gehen einher mit großen Beschleunigungsintervallen oder
hohen Beschleunigungen (Anspruch 5).
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser gleichzeitigen
Kippung und Neigung wird die darzustellende Längsbeschleunigung in
einen hochfrequenten und einen niederfrequenten Anteil
aufgespalten. Abhängig von der maximalen Kreisbahngeschwindigkeit
wird der niederfrequente Anteil noch in einen Tangential- und
einen Neigeanteil aufgespalten. Anschließend werden Tangential-
und hochfrequenter Anteil durch Tangentialbeschleunigung
dargestellt, während der Neigeanteil durch Neigung um die
Kabinenquerachse dargestellt wird. Durch diese Geschwindigkeits-
Abhängigkeit kann das Verfahren leicht auf unterschiedliche
Wahrnehmungsschwellen oder verschiedene Bahnradien angepasst
werden (Anspruch 6).
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus
der Beschreibung hervor.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Kabine, die auf einer
Kreisbahn bewegt wird,
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Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht der Kabine der Fig. 1,
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Fig. 3 eine Seitenansicht der Kabine bei zusätzlicher Neigung
um die Querachse, sowie
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Fig. 4 ein Blockschaltbild des Algorithmus bei zusätzlicher
Neigung um die Querachse.
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In den Zeichnungen ist das Verfahren zur Darstellung einer
Längsbeschleunigung 1, die während einer Fahrt in einem
Kraftfahrzeug auf einen Fahrer einwirkt, mit Hilfe eines
Fahrsimulators 2 dargestellt. Dabei soll mit dem Verfahren nur die reine
Längsbeschleunigung 1 dargestellt werden, wie sie
beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang oder einem Schaltvorgang
auftritt. Auf diese Weise sollen durch
Fahrsimulatoruntersuchungen valide Aussagen über das reale Verhalten des
Triebstrangs eines Kraftfahrzeugs in einem sehr frühen Stadium der
Kraftfahrzeugentwicklung getroffen werden.
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Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine (Fahrzeug-)Kabine 3 eines
Fahrsimulators 2. Dabei ist es für das Verfahren einerseits
denkbar, dass die Kabine 3 sich autonom auf einer Grundfläche 4
bewegt. Andererseits kann die Kabine 3 inertial, zum Beispiel
über eine Portalbrücke, geführt sein. Fahrsimulatoren 2, mit
denen derartige Bewegungen der Kabine 3 darstellbar sind, sind
in der DE . . . (noch nicht veröffentlicht, amtl. Aktz.
101 50 382.2-35) offenbart.
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In der Kabine 3, deren Innenraum 5 wie der eines realen
Kraftfahrzeugs gestaltet ist, befindet sich ein Proband 6. Der
Proband 6 sitzt auf einem Fahrersitz 7 und kann auf die ähnlich
wie in einem Kraftfahrzeug vorhandene Instrumentierung 8 wie
Lenkrad 9, Gaspedal 10 etc. zugreifen. Die Kabine 3 wird nun
auf einer Kreisbahn 11 mit einem Radius 12 um eine raumfeste
Drehachse 13 bewegt und besitzt dabei eine
Winkelgeschwindigkeit 14. Die Kabinenlängsachse 15 ist näherungsweise parallel
zur Tangentialrichtung 16 der Kreisbahn 11 ausgerichtet. Die
bei der Kreisbewegung in Tangentialrichtung 16 in einem
raumfesten Koordinatensystem 17 auftretende
Tangentialbeschleunigung 18 empfindet der Proband 6 in einem kabinenfesten
Koordinatensystem 19 als in Richtung der Kabinenlängsachse 15
wirkende Längsbeschleunigung 1. Dabei tritt jedoch zusätzlich eine
Zentripetalbeschleunigung 20 auf, die zur Drehachse 13 hin
gerichtet ist. Diese Zentripetalbeschleunigung 20 stört das
Empfinden des Probanden 6, der ja nur eine reine
Längsbeschleunigung 1 wahrnehmen soll.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems besteht darin, die
Kabine 3 um eine zur Kabinenlängsachse 15 parallele Kippachse
25 zu kippen; dies ist in Fig. 2 in einer Seitenansicht der
Kabine 3 dargestellt. Hier ist erkennbar, wie die Bewegung der
Kabine 3 prinzipiell erfolgen kann. Neben einer großen Bewegung
auf der Grundfläche 4 des Fahrsimulators 2, in diesem Beispiel
durch einen Schlitten 21, der auf Luftlagern 22 auf der
Grundfläche 4 bewegbar ist, kann die Kabine 3 auch relativ zum
Schlitten 21 bewegt werden. Dies geschieht durch ein
zusätzliches Bewegungssystem 23. Dieses kann beispielsweise in Form von
vertikal wirkenden Aktuatoren 24, wie hier gezeigt,
ausgestaltet sein. Denkbar ist auch ein Hexapod, mit dem eine
dreidimensionale Bewegung der Kabine 3 relativ zum Schlitten 21 erreicht
wird.
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Bei der oben schon erläuterten Bewegung der Kabine 3 auf der
Kreisbahn 11 um die Drehachse 13 wird nun die
Zentripetalbeschleunigung 20 durch eine Kippung der Kabine 3 um die zur
Kabinenlängsachse 15 parallele Kippachse 25, die hier senkrecht
auf der Zeichenebene steht, kompensiert. Bei dieser Kippung
nimmt die Kabinenhochachse 26 einen bestimmten Kippwinkel 27 zu
einer raumfesten Senkrechten 28 ein.
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Wird der Kippwinkel 27 wie in diesem Ausführungsbeispiel so
gewählt, dass die gekippte Kabinenhochachse 26 mit dem
resultierenden Vektor 29 aus der auf den Probanden 6 wirkenden
Erdbeschleunigung 30 und der Zentrifugalbeschleunigung 31
zusammenfällt, dann empfindet der Proband 6 keine störende
Querbeschleunigung mehr, sondern nur eine erhöhte Erdbeschleunigung
30 in vertikaler Richtung. Wie in diesem Ausführungsbeispiel
dargestellt, ist es günstig, die horizontale Kippachse 25, um
die die Kabine 3 gekippt wird, näherungsweise durch den Kopf 32
des Probanden 6 zu legen. Dies ist sinnvoll, da am Kopf 32 des
Probanden 6, genauer in seinem Innenohr, die Vestibulärorgane
angesiedelt sind, die für die Wahrnehmung von Beschleunigungen
zuständig sind.
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Die mit diesem Verfahren darstellbaren maximalen
Längsbeschleunigungen 1 sind nach oben begrenzt; der Grund dieser Begrenzung
liegt in der Tatsache, dass der Proband 6 ab einer bestimmten
Längsbeschleunigung 1 den scheinbaren Zuwachs der
Erdbeschleunigung 30 empfindet, der durch die kompensierte
Zentripetalbeschleunigung 20 verursacht wird. Dieser Grenzwert, ab dem der
Schwerezuwachs empfunden wird, liegt etwa bei 6% der
Erdbeschleunigung. Eine Maßnahme, um das Intervall der in der
Simulation darstellbaren Längsbeschleunigung 1 zu vergrößern,
besteht darin, dass vor der oben beschriebenen Simulation der
Längsbeschleunigung 1 durch die Bewegung auf der Kreisbahn 11
die Kabine 3 in die der späteren Bewegungsrichtung
entgegengesetzte Richtung in eine bestimmte konstante
Winkelgeschwindigkeit versetzt wird. So kann durch eine Nullpunktverschiebung
hin zu negativen Startgeschwindigkeiten als Endwert eine höhere
Längsbeschleunigung 1 erreicht werden.
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Eine zusätzliche Möglichkeit, um größere
Beschleunigungsintervalle darstellen zu können, liegt in der Kombination des oben
dargestellten Verfahrens mit einem zusätzlichen
Neigungsalgorithmus. Die Durchführung dieses Verfahrens ist in Fig. 3
dargestellt. Neben der in Fig. 2 dargestellten Kippung um die
Kabinenlängsachse 15 wird während der Bewegung auf der Kreisbahn
11 die Kabine 3 zusätzlich um eine zu einer Kabinenquerachse 33
parallele Neigeachse 34, die hier senkrecht zur Zeichenebene
steht, geneigt. Dabei schließt die geneigte Kabinenlängsachse
15 mit der Horizontalen 35 einen Neigungswinkel 36 ein. Bei
dieser Neigung wirkt ein Anteil 37 der auf den Probanden 6
einwirkenden Erdbeschleunigung 30 in Richtung der geneigten
Kabinenlängsachse 15. Diesen Anteil 37 empfindet der Proband 6,
solange eine bestimmte Neigungsgeschwindigkeit nicht
überschritten wird, als Längsbeschleunigung 1. Auch hier wird die
Neigeachse 34 vorteilhafterweise aus den oben beschriebenen Gründen
durch den Kopf 32 des Probanden 6 gelegt.
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Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild 38 einer Ausführungsform
dieser gleichzeitigen Kippung und Neigung. Ziel ist es, die
Anteile der darzustellenden Längsbeschleunigung 1, die unterhalb der
oben beschriebenen Grenzwertes, ab dem ein Schwerezuwachs vom
Probanden empfunden wird, liegen, durch
Tangentialbeschleunigung 18 darzustellen, während Beschleunigungsanteile oberhalb
dieses Grenzwerts durch zusätzliche Neigung dargestellt werden.
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Dabei wird zu Beginn ausgegangen von einer in der Simulation
darzustellenden Längsbeschleunigung 1, die zunächst in zwei
Anteile aufgespalten wird, wobei ein hochfrequenter Anteil 39 die
zu hohen Frequenzen gehörenden Signalanteile und ein
niederfrequenter Anteil 40 die zu niedrigen Frequenzen gehörenden
Signalanteile beinhaltet. Diese Aufspaltung erfolgt mit Hilfe
eines Hochpassfilters 41 und eines Tiefpassfilters 42. Der
niederfrequente Anteil 40 wird durch einen Integrator 43integriert und auf Geschwindigkeitsebene durch eine nichtlineare
Funktion 44 wiederum in zwei Anteile aufgespalten. Diese
Aufspaltung ist abhängig von einem Schwellenwert 45, der durch die
maximale Geschwindigkeit gebildet ist, die gerade noch mit
Hilfe der Tangentialbeschleunigung 18 bei der in Fig. 1 und Fig. 2
dargestellten reinen Bahnbewegung ohne empfundenen
Schwerezuwachs darstellbar ist. Beschleunigungen, die zu
Geschwindigkeiten unterhalb dieses Schwellenwertes 45 führen, können als
Tangentialanteil 46, nachdem sie zu dem hochfrequenten Anteil 39
addiert werden, allein durch die Tangentialbeschleunigung 1
dargestellt werden.
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Der Neigeanteil 47 der Längsbeschleunigung 1, der über den
Schwellenwert 45 hinausgeht, wird durch die in Fig. 3
verdeutlichte Neigung um die zur Kabinenquerachse 33 parallele
Neigeachse 34 dargestellt. Dabei ergibt sich der benötigte
Neigungswinkel 36 aus dem Neigeanteil 47 und der Erdbeschleunigung 30.
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Das Verfahren ist nicht beschränkt auf die oben dargestellten
Ausführungsbeispiele.
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Bei der Bewegung der Kabine 3 auf der Kreisbahn 11 ist es
prinzipiell möglich, sie gegenüber der Tangentialrichtung 16 auch
in einem beliebigen anderen Winkel auszurichten. So kann das
Verfahren grundsätzlich auch zur Darstellung von
Querbeschleunigungen verwendet werden. Dabei wird man jedoch, je größer die
Abweichungen von der Tangentialrichtung 16 werden, immer
größere Störbeschleunigungen, die in Richtung der Kabinenquerachse
33 auf den Probanden 6 einwirken, erhalten. Da das Verfahren
vor allem zur Simulation von Längsbeschleunigungen 1 eingesetzt
wird, wird in den meisten Fällen die oben beschriebene nahezu
tangentiale Ausrichtung der Kabine 3 besser sein.
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Ferner ist es nicht zwingend erforderlich, die jeweilige Achse
25,34, um welche die Kabine 3 gekippt oder geneigt wird, durch
den Kopf 32 des Probanden 6 zu legen. Abweichungen - z. B.
innerhalb der Größenunterschiede unterschiedlicher Probanden 6 -
sind durchaus denkbar.
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Weiterhin ist auch ein anderer Algorithmus als der in Fig. 4
dargestellte zur Kombination der beiden Verfahren, der reinen
Bewegung auf einer Kreisbahn 11 mit der zusätzlichen Neigung
der Kabine 3 vorstellbar.