DE69112451T2

DE69112451T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausbildung für das Führen von Fahrzeugen.

Info

Publication number: DE69112451T2
Application number: DE69112451T
Authority: DE
Inventors: Bernard Langlais; Christian Saunier
Original assignee: FAROS
Current assignee: FAROS
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1991-02-18
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2011-02-19
Also published as: EP0443928B1; EP0443928A1; DE69112451D1; CA2036458A1; FR2658642A1; ATE127260T1; FR2658642B1; US5184956A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Vorrichtungen und Techniken, die es erlauben die Fahrbedingungen fahrbarer Objekte zu simulieren, um so die Aufgabe einer Schulung van Fahrschülern an solchen Objekten zu erfüllen. Sie beschäftigt sich insbesondere mit Anwendungen, die sich auf das Führen von Kraftfahrzeugen beziehen, insbesondere Personenkraftwagen und andere Landfahrzeuge, unabhängig davon, ob die Fahrzeuge mit Rädern oder mit Ketten ausgestattet sind.
Verschiedene mehr oder weniger komplizierte und kostspielige Techniken wurden bereits vorgeschlagen, um eine Landschaft zu simulieren, die vor dem mit einem fest installierten Fahrerplatz übenden Fahrschüler vorüberzieht. Dabei wird zur Visualisierung von Bildern ein Bildschirm oder eine Leinwand benutzt, der bzw. die dem Fahrsimulator gegenüber installiert wird und worauf Bildabfolgen, die aus zuvor gemachten Aufnahmen entnommen werden, gezeigt werden; dabei kann es sich um Film- oder Videoaufnahmen von realen Umgebungen handeln, wie in der französischen Patentanmeldung Nr. 83 20136, eingereicht am 15. Dezember 1983, veröffentlicht unter der Nr. 2 556 866, oder um synthetische Bilder.
Aus dem Dokument EP-A-0 183 497 ist ein Verfahren bekannt, nach dem sowohl die frontalen als auch die rückwärtigen simulierten Sichten auf der Grundlage einer einfachen Videobildaufnahine (Bildabfolge) erzeugt werden, welche vor Ort mit Hilfe einer im Fahrzeug befindlichen Kamera aufgenommen worden ist, das ein erfahrener Fahrer steuert. Diese Bilder werden auf einem Bildschirm oder einer Leinwand eines Sichtgerätes sichtbar gemacht, die Bilder der rückwärtigen Sicht werden dabei in die der Frontalsicht entsprechenden Bilder integriert.
Auf diese Weise ist der Inhalt jedes dieser Bilder unveränderlich, d.h. er kann nicht modifiziert werden. Lediglich die Geschwindigkeit des Ablauf s der Bilder und ihre seitliche Position auf dem Bildschirm werden in Abhängigkeit von den vom Schüler an den Steuerungsmitteln des Fahrerplatzes gegebenen Fahrbefehlen modifiziert.
Daraus ergibt sich, daß die Wirklichkeitsnähe, mit der die Umgebung um das Fahrzeug herum simuliert wird, deutlich verringert ist, da weder der Blickwinkel noch die Größe der Objekte dieser Umgebung modifiziert werden, wenn die Fahrstrecke des simulierten Fahrzeugs von derjenigen des realen Fahrzeugs abweicht, das zur Aufnahme der Videobildabfolge gedient hat.
Zu diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Ausbildung zum Führen von Fahrzeugen, bei dem eine simulierte Frontalsicht und mindestens eine simulierte rückwärtige Sicht realisiert wird, indem auf Leinwand- oder Bildschirmmitteln, die gegenüber einem Fahrerplatz für einen Fahrschüler angeordnet sind, eine Abfolge von frontalen Hauptbildern sowie mindestens eine Abfolge von rückwärtigen Sekundärbildern sichtbar gemacht werden, und bei dem diese Ansichten in Abhängigkeit von Steuerbefehlen entwickelt werden, die von dem genannten Fahrerplatz vorgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Hauptbilder und die genannten Sekundärbilder von einem Rechner auf der Grundlage einer Datenbank synthetisch erzeugte Bilder sind, wobei die Datenbank die dreidimensionale Beschreibung einer Fahrstrecke enthält; die genannte simulierte rückwärtige Sicht, erzeugt aus der genannten Sekundärbildabfolge, wird mittels eines ausrichtbaren materiellen Mittels, das einen Rückspiegel simuliert (Rückspiegelsimulationsmittel), sichtbar gemacht, und die genannte rückwärtige Sicht wird in Abhängigkeit von der Ausrichtung des genannten materielien Rückspiegelsimulationsmittels derart modifiziert, daß diese Sicht sich erkennbar wie in einem echten Fahrzeugrückspiegel entwickelt.
Die Erfindung eignet sich durch die Technik der synthetischen Bilderzeugung besonders gut für die Reproduktion des visuellen Umfeldes des Fahrers. Die Hauptbilder und die Sekundärbilder können von einem Rechner auf der Grundlage einer Datenbank, die die dreidimensionale Beschreibung einer Fahrstrecke enthält, gleichzeitig auf ein und demselben Bildschirm erzeugt werden. Die Tatsache, daß alle diese Bilder auf ein und demselben Bildschirm erzeugt werden, ist besonders vorteilhaft und führt zu einer im Vergleich mit dem frontalen Hauptbild vereinfachten oder stilisierten Darstellung der ruckwärtigen Bilder. Außerdem wird verständlich, daß diese Sekundärbilder, auf der Grundlage der aus der Datenbank stammenden Informationen, aus dem Hauptbild erzeugt und darin integriert werden, um Blickfeldern hinter dem Fahrer zu entsprechen, so wie es bei einem echten Fahrerplatz in einem Kraftfahrzeug der Fall ist, und daß das Hauptbild auf der Grundlage von Informationen erzeugt wird, die einem Blickfeld nach vorn entsprechen.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine Vorrichtung für die Ausbildung zum Führen eines Kraftfahrzeugs, die gegenüber einem Fahrerplatz für einen Fahrschüler folgendes aufweist: mindestens einen Bildschirm zur Bildvisualisierung, erste Mittel zur Erzeugung einer frontalen Hauptbildabfolge, die von den Fahrbefehlen abhängig ist, die von dem genannten Fahrerplatz vorgegeben werden, mindestens zweite Mittel zur Erzeugung mindestens einer ersten rückwärtigen Sekundärbildabfolge, die in die genannte Frontalbildabfolge auf einem ersten Teilbereich des genannten Bildschirms integriert ist, und erste optische Mittel zum Einfangen und zur Reflexion der genannten ersten Sekundärbildabfolge auf ein erstes materielles Rückspiegelsimulationsmittel, das einen zentralen Rückspiegel simuliert, um eine zentrale rückwärtige Sicht zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Bilder von einem Rechner auf der Grundlage einer Datenbank erzeugt werden, wobei die Datenbank eine dreidimensionale Beschreibung einer Fahrstrecke enthält, daß das genannte erste Rückspiegelsimulationsmittel ausrichtbar ist und daß es mit Sichteinstellmitteln verbunden ist, die für die Ausrichtung dieses ersten Mittels empfindlich sind, und so die genannte zentrale rückwärtige Sicht in Abhängigkeit von der genannten Ausrichtung verändern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen Vorrichtung ist der Videomonitor in ein Gehäuse integriert, das den Bildschirm im unteren Teilbereich auf der Höhe der Sekundärbilder verdeckt, die mindestens einem Seitenaußenspiegel entsprechen, und dieses Gehäuse enthält einen Spiegel zur Reflexion der Sekundärbilder auf den genannten Seitenaußenspiegel.
Bei einer Variante der Ausführungsform der Erfindung enthält die Vorrichtung überdies zwei Videomonitore, die dazu dienen, seitliche Hauptbilder auf beiden Seiten des frontalen Hauptbildes wiederzugeben.
Es wird jetzt eingehender eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die die wichtigen Eigenschaften und die Vorteile besser verständlich macht, wobei diese Ausführungsform jedoch als ein Beispiel zu verstehen ist, das keinesfalls einschränkenden Charakter hat; ihre Beschreibung wird durch die beigefügten Abbildungen illustriert.
- Figur 1 zeigt schematisch die verschiedenen Blickfelder eines Fahrers am Steuer eines Kraftfahrzeugs;
- Figur 2A zeigt schematisch, perspektivisch eine Simulationsvorrichtung gemäß der Erfindung, die es erlaubt, eine Darstellung der visuellen Umgebung des Fahrers zu zeigen, und Figur 2B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Details aus Figur 2A;
- Figur 3A zeigt schematisch von vorn den Bildschirm der Vorrichtung, die in Figur 1 gezeigt wird, und die Figuren 3B und 3C illustrieren schematisch in der Draufsicht die Mittel zum Einfangen und zur Reflexion der Sekundärbilder gemäß der Erfindung;
- Figur 4 zeigt eine perspektivische Sicht einer Visualisierungskonsole gemäß der Erfindung, die besonders die optischen Strahlenwege illustriert;
- Figur 5 zeigt eine perspektivische Sicht einer zweiten Ausführungsform einer Simulationsvorrichtung gemäß der Erfindung;
- und Figur 6 zeigt das schematische Blockbild der Funktionen der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Figur 1 illustriert schematisch die verschiedenen Blickfelder, über die ein Autofahrer verfügt und die die Erfindung in ihrer Simulationsvorrichtung reproduzieren möchte.
Diese Blickfelder werden in Bezug auf die Position der beiden Augen 1 und 2 des Fahrers definiert und man erkennt:
- ein unmittelbar frontales Blickfeld, markiert durch Pfeil 3, vom Fahrzeug aus nach vorn und begrenzt durch die gestrichelten Linien 4;
- ein Blickfeld einer zentralen rückwärtigen Sicht nach hinten, markiert durch Pfeil 5 und mit Hilfe eines Innenrückspiegels 6 auf die Augen des Fahrers zurückgeworfen;
- ein erstes Blickfeld einer seitlichen rückwärtigen Sicht, markiert durch Pfeil 7 und mit Hilfe eines ersten Seitenaußenrückspiegels 8 auf die Augen des Fahrers zurückgeworfen;
- und eventuell ein zweites Blickfeld einer seitlichen rückwärtigen Sicht, markiert durch Pfeil 9 und mit Hilfe eines zweiten Seitenaußenrückspiegels 10 auf die Augen des Fahrers zurückgeworfen;
Auf der Abbildung von Figur 1 entsprechen die rückwärtigen Blickfelder denjenigen eines Fahrzeugs, das mit Linkslenkung ausgestattet ist, das erste Blickfeld der seitlichen rückwärtigen Sicht nach hinten ist dasjenige, welches der linke Seitenaußenrückspiegel 8 liefert und das zweite Blickfeld der seitlichen rückwärtigen Sicht nach hinten 9 ist dasjenige, welches der rechte Seitenaußenrückspiegel 10 liefert.
Für den Fall eines Fahrzeugs, das mit Rechtslenkung ausgestattet ist, wäre das erste Blickfeld der seitlichen rückwärtigen Sicht nach hinten dasjenige, welches der rechte erste Seitenaußenrückspiegel liefert und das zweite Blickfeld der seitlichen rückwärtigen Sicht nach hinten wäre dasjenige, welches der linke zweite Seitenaußenrückspiegel liefert.
Die Wahl der Anzahl der Bilder der rückwärtigen Sicht hängt wesentlich vom Fahrzeugtyp ab, dessen Fahrt simuliert werden soll. Es können z.B. nur die zwei Bilder der seitlichen rückwärtigen Sicht erzeugt werden, wenn es sich um einen Lastkraftwagen handelt, oder das zentrale rückwärtige Bild und das erste Bild der seitlichen rückwärtigen Sicht, wenn ein Fahrzeug simuliert werden soll, das nicht mit einem zweiten Außenrückspiegel ausgestattet ist.
Die Figur 2A zeigt ausschnittweise einen Fahrerplatz eines Autofahrsimulators, so daß die Visualisierungskonsole dieses Fahrerplatzes hervortritt.
Der Fahrerplatz eines Autofahrsimulators besteht, abgesehen von den reproduzierten Fahrinstrumenten eines Autos wie dem Lenkrad 11, dem Armaturenbrett 12, dem Schaltknüppel 13, der Handbremse, dem Pedalblock mit einem Gaspedal, einem Bremspedal und einem Kupplungspedal und dem Sitz 14, aus einer Visualisierungskonsole 15, die in Form eines Fernsehbildschirms 16 ausgebildet ist, einem Lautsprecher, einem Wiedergabemodul der physikalischen Effekte am Lenkrad und einer Funktionstastatur, die einem Fahrlehrer zu Verfügung steht, um die Bildabfolgen und die Umgebung abzurufen, die auf dem Bildschirm 16 wiedergegeben werden; dabei nimmt ein Fahrschüler 17 auf dem Sitz 14 Platz, so wie er es in einem Auto tun würde.
Die Steuerung der Vorrichtung ist in herkömmlicher Weise der Kontrolle eines Rechners (nicht abgebildet) unterworfen, der Informationen von der Funktionstastatur des Fahrlehrers erhält, dazu Informationen über die Position der Handbremse, Informationen, die, in Abhängigkeit von der Position des Schaltknüppels 13, die vom Fahrschüler 17 gewählte Geschwindigkeit angeben, und Informationen, die von den Meßwertgebern des Pedalblocks kommen und den Grad der Betätigung des Gas-, Brems- oder Kupplungspedals angeben oder eine simultane Betätigung mehrerer dieser Pedale. Ein solcher Simulator besitzt im allgemeinen ebenfalls ein Wiedergabemodul der physikalischen Effekte am Lenkrad, das mit einem Meßwertgeber zur Aufnahme des Drehwinkels des Lenkrads 11 und einem Motor zur Wiedergabe der beim Lenken entstehenden und von den Rädern herstammenden Reaktionskräfte auf das Lenkrad 11 ausgestattet ist.
In Abhängigkeit von der Gesamtheit dieser Informationen steuert der Rechner den Motor des Wiedergabemoduls der physikalischen Effekte am Lenkrad, um die Reaktionskräfte der Lenkung am Lenkrad zu simulieren, die Kontrolleuchten und Skalen, die auf dem Armaturenbrett erscheinen, die Geräusche, die vom Lautsprecher erzeugt werden, und die Bilder, die auf dem Bildschirm 16 gezeigt werden sollen. Der Rechner ist ebenfalls mit einer Schnittstellen-Elektronik zu den Bedienungseinrichtungen des Fahrerplatzesausgestattet.
Der Rechner ist mit ersten Mitteln zur Erzeugung eines synthetischen Frontalhauptbildes 18 ausgestattet, das auf den Bildschirm 16 projiziert werden soll. Diese ersten Mittel zur Bilderzeugung nutzen dafür eine Datenbank (Figur 6), auf deren Grundlage die Bilder erzeugt werden. Diese Datenbank enthält die dreidimensionale Beschreibung einer oder mehrerer Fahrstrecken, die aus Straßen, Gebäuden, Bäumen, Fahrzeugen, etc. bestehen. Sie kann Fahrszenen in der Stadt, auf der Landstraße und auf der Autobahn zur Verfügung stellen. Während der Simulation lädt der Rechner in Abhängigkeit von der sich verändernden Position und Ausrichtung des Fahrzeugs auf der Fahrstrecke diejenigen Elemente aus der Datenbank, die zur Rekonstruktion der für den Fahrschüler 17 bestimmten Frontalsicht erforderlich sind. Dieses frontale Hauptbild entspricht dem direkten Blickfeld des Fahrers aus dem Fahrzeug nach vorn, das in Figur 1 mit der Bezugsziffer 3 bezeichnet ist.
Der Rechner ist ebenfalls mit zweiten Mitteln zur Erzeugung eines ersten rückwärtigen Sekundärbildes 19 (Figur 28) ausgestattet, welches in das frontale Hauptbild 18 integriert werden soll und welches das zentrale rückwärtige Blickfeld darstellt, das in Figur 1 mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet ist. Ein zentraler Rückspiegel 20 ist vor diesem ersten ruckwärtigen Sekundärbild angebracht und stellt erste Mittel zum Einfangen und zur optischen Reflexion dieses ersten Sekundärbildes dar. Der Rückspiegel 20 besteht daher aus einer Fresnellinse, die eine solche optische Übertragung gewährleistet, daß das Sekundärbild 19 in Richtung auf die Augen des Fahrschülers 17 abgelenkt wird. Diese Fresnellinse bezweckt, daß das Bild 19 eine Richtwirkung bekommt, um den Fahrschüler zu zwingen, den Rückspiegel 20 vor dem Beginn einer Fahrstunde einzustellen, und zwar in gleicher Weise wie ein Fahrer seinen Rückspiegel vor der Fahrt mit einem echten Fahrzeug einstellen muß. Dieses Fresnellinsensystem kann bei einer anderen Variante durch einen Richtungsfilter oder jedes andere funktionsgleiche System ersetzt werden, wie beispielsweise durch eine Modifikation des im Hauptbild integrierten Sekundärbildes, die von der Betätigung eines Regelungssystems durch den Schüler gesteuert wird, welches das integrierte Bild mit Hilfe der zweiten Mittel zur Bilderzeugung modifiziert. Der Rückspiegel 20 kann zum Beispiel mit Hilfe eines Befestigungsfusses 21 im oberen Teil des Bildschirms 16 befestigt werden. Der Befestigungsfuß 21 verfügt vorzugsweise über ein kugelkopfgelagertes Einstellsystem, das dem eines echten Rückspiegels gleicht.
Der Rechner ist ebenfalls mit dritten Mitteln zur Erzeugung eines zweiten rückwärtigen Sekundärbildes (22 Figur 3A) ausgestattet, das in das frontale Hauptbild 18 integriert ist und ein erstes rückwärtiges Blickfeld seitlich nach hinten darstellt, bezeichnet durch Bezugsziffer 7 in Figur 1, sowie möglicherweise vierte Mittel zur Erzeugung eines dritten rückwärtigen Sekundärbildes (23 Figur 3A), das in das frontale Hauptbild 18 integriert ist und das zweite rückwärtige Blickfeld seitlich nach hinten wiedergibt, bezeichnet durch Bezugsziffer 9 in Figur 1. Diese zwei seitlichen rückwärtigen Sekundärbilder sind vorzugsweise in den unteren Teilbereich des Frontalbildes 18 integriert.
Die Visualisierungskonsole 15 enthält ebenfalls ein Gehäuse 24, das zweite und dritte Mittel zum Einfangen und zur optischen Reflexion von zweiten und dritten Sekundärbildern auf einen ersten Seitenaußenspiegel 25 beziehungsweise auf einen zweiten Seitenaußenspiegel 26 bildet. Diese Rückspiegel können aus herkömmlichen Rückspiegeln bestehen, mit denen Kraftfahrzeuge gewöhnlich ausgestattet sind, und sie werden zum Beispiel beiderseits des Bildschirms 16 an dessen Seitenwänden befestigt. Die Rückspiegel 25 und 26 sind in ihrer Ausrichtung einstellbar, was den Fahrschüler 17 zwingt, sie ordnungsgemäß auszurichten, um die rückwärtigen Bilder 22 und 23, die auf dem Bildschirm 16 erzeugt werden, vollständig zu sehen.
Das Gehäuse 24 ist so gestaltet, daß es die direkte Sicht des Fahrschülers 17 auf die Sekundärbilder 22 und 23 versperrt. Es ist innen mit zwei Spiegeln 27 und 28 ausgestattet, die das Bild 22 beziehungsweise das Bild 23 auf den Rückspiegel 25 oder 26 durch eine Öffnung 29 oder 30 hindurch reflektieren, die in einer rechten oder linken Seitenwand des Gehäuses 24 ausgespart ist.
In einer Ausführungsvariante der zweiten und dritten Mittel zum Einfangen und zur optischen Reflexion der seitlichen Sekundärbilder können die Spiegel 27 und 28 durch Prismen ersetzt werden, die die Strahlenwege zwischen dem Bildschirm und den Rückspiegeln festlegen.
Die Figur 3A stellt schematisch die jeweiligen Positionen dar, wo die rückwärtigen Sekundärbilder 19, 22 und 23 in das auf dem Bildschirm 16 gezeigte Hauptbild 18 integriert werden.
Die Figur 38 zeigt in einer Draufsicht schematisch die Strahlenwege für die seitlichen rückwärtigen Bilder 22 und 23, ausgehend von dem Bildschirm 16 bis zu den Augen des Fahrschülers, die durch den Punkt 31 dargestellt werden. Es wird deutlich, daß jedes dieser seitlichen rückwärtigen Bilder zu allererst reflektiert und dabei von einem der Spiegel 27 oder 28 in Richtung auf den zugehörigen Seitenaußenspiegel 25 oder 26 abgelenkt wird, der seinerseits das entsprechende Bild zum Punkt 31 reflektiert.
Die Figur 3C zeigt in einer Draufsicht schematisch den Strahlenweg für das erste rückwärtige Bild 19, das dem Blickfeld einer zentralen rückwärtigen Sicht entspricht, ausgehend von dem Bildschirm 16 bis zu den Augen des Fahrschülers, die durch den Punkt 32 dargestellt werden. Es wird deutlich, daß dieses erste rückwärtige Bild durch den Rückspiegel 20 hindurchgeht, der von einer Fresnellinse gebildet wird, und der, wenn är richtig eingestellt ist, dieses Bild in Richtung auf den Punkt 32 ablenkt, was den Fahrschüler in die Lage versetzt, das rückwärtige Bild 19 zu sehen.
Bei Betrachtung von Figur 4, die die Visualisierungskonsole 15 perspektivisch und darüber hinaus die Strahlenwege vom Bildschirm 16 bis zu den Augen des Fahrschülers, durch Punkt 33 bezeichnet, zeigt, wird deutlich, daß das frontale Hauptbild einen direkten Strahlenweg 34 zurücklegt, während die in das Hauptbild integrierten Sekundärbilder abgelenkt werden, um zum Punkt 33 reflektiert zu werden. Das erste zentrale rückwärtige Bild legt einen Weg 35 zurück nachdem es den Rückspiegel 20 durchquert hat, und die beiden seitlichen rückwärtigen Sekundärbilder legen die Wege 36 bzw. 37 zurück, nachdem sie durch die Spiegel 27 bzw. 28 des Gehäuses 24 reflektiert worden sind, sodann eine der Öffnungen 29 oder 30 durchquert haben, und schließlich durch den dazugehörigen Seitenaußenrückspiegel 25 oder 26, auf den Punkt 33 reflektiert worden sind.
Die Figuren 38, 3C und 4, die die Konvergenz der vom Innenrückspiegel 20 und den Außenrückspiegeln 25 und 26 gelieferten rückwärtigen Bilder, auf den die Augen des Fahrschülers darstellenden Punkt hin, illustrieren, zeigen deutlich, wie es erfindungsgemäß gelingt, die verschiedenen Blickfelder, auch die rückwärtigen, so wie sie in Figur 1 dargestellt sind, für die Sicht des Fahrschülers wiederherzustellen, wobei auf diese Weise die visuelle Umgebung des Fahrzeugs in Simulation reproduziert wird, was eine starke Annäherung an die realen Bedingungen der Autofahrt ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgesehen, daß die Rückspiegel 20, 25 und 26 so in ihrer Ausrichtung einstellbar sind, daß die realen Bedingungen einer Autofahrt so exakt wie möglich wiedergegeben werden können, und der Fahrschüler dazu angeregt wird, deren Ausrichtung in Abhängigkeit zum Beispiel von seiner eigenen Größe und seiner Position in Bezug auf den Fahrerplatz zu verändern, um die Sekundärbilder vollständig zu sehen.
Gemäß einer anderen Variante ist es von besonderem Vorteil, wenn vorgesehen wird, daß die Sekundärbilder 19, 22 und 23 in das Hauptbild 18 in Teilbereiche des Bildschirms 16 integriert werden, die derart dimensioniert sind, daß das für den Fahrschüler in einem Rückspiegel sichtbare Bild stärker verkleinert wird als das Sekundärbild, das in das Hauptbild 18 integriert ist. Aufgrund dessen verändert der Fahrschüler, indem er die Ausrichtung der Rückspiegel verändert, die Ausrichtung dieser rückwärtigen Blickfelder und befindet sich so in sehr realitätsnahen Simulationssituationen.
Die Sekundärbilder werden in diesem Fall mit Hilfe der ihnen zugehörigen Mittel zum Einfangen und zur Reflexion teilweise eingefangen, so daß es mittels der Einstellung eines Rückspiegels möglich wird, den eingefangenen Teilbereich des zugehörigen Sekundärbildes zu verändern.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ebenfalls vorgesehen werden, daß die Rückspiegel 20, 25 und 26 durch zusätzliche Bildschirme in rückspiegelgerechter Größe ersetzt werden und die entsprechenden rückwärtigen Bilder direkt auf diesen Bildschirmen erzeugt werden.
Die Figur 5 zeigt ausschnittweise eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Fahrerplatzes zur Fahrsimulation, die zwei seitliche Bildschirme 38 und 39 aufweist, die beiderseits des Bildschirms 16 angebracht sind, und die es ermöglichen, ein großflächiges Bild anzuzeigen, das nicht nur auf dem Bildschirm 16 das Hauptbild 18 simuliert, sondern auch auf den Bildschirmen 38 und 39 seitliche Bilder 40 und 41, die den seitlichen Blickfeldern aus dem Fahrzeug entsprechen und so die Umgebung der Fahrstrecke vervollständigen, indem sie ein vollständiges direktes Blickfeld des Fahrers wiedergeben, so wie es durch die Bezugsziffer 3 in Figur 1 bezeichnet wird.
Der Rechner weist für diesen Zweck fünfte Mittel zur Erzeugung von synthetischen Bildern auf, die die Erzeugung der Bilder 40 und 41 ermöglichen. In der Darstellung in Figur 5 sind die Bildschirme 38 und 39 in bezug auf den Bildschirm 16 so angeordnet, daß das direkte Blickfeld des Fahrschülers 17 vergrößert wird. Bei dieser Variante kann das Weglassen der seitlichen Rückspiegel 25 und 26 und die Integration der rückwärtigen Sekundärbilder 22 und 23 in den unteren Teilbereich des Bildschirms 38 und 39 vorgesehen werden.
In Abhängigkeit von der gewünschten Visualisierung kann ebenfalls vorgesehen werden, diese seitlichen Bildschirme 38 oder 39 auszurichten und fünfte Bilderzeugungsmittel in Abhängigkeit von dieser Ausrichtung zu definieren, derart, daß diese Bildschirme entweder das direkte Blickfeld des Fahrers vergrößert zeigen, so wie es Figur 5 zeigt, oder die seitlichen Blickfelder aus dem Fahrzeug, so wie diese unter realen Bedingungen durch den Blick aus den seitlichen Fahrzeugfenstern definiert sind.
Die Figur 6 zeigt ein Blockbild der Funktionen des Simulators, der, ausgehend von den Bedienungselementen 60 des Fahrzeugs, bestehend aus dem Lenkrad 11, dem Gaspedal, der Kupplung, der Bremse, dem Schaltknüppel und den Instrumenten des Armaturenbretts 12, die Betätigungshandlungen des Fahrers über einen Anschluß 62a an ein Programm zur Modellierung des Fahrzeugs 61 überträgt, das es dem Rechner ermöglicht, die Reaktionen des Fahrzeugs auf die Fahrbefehle des Fahrschülers zu berechnen. Diese Reaktionen werden über einen Anschluß 62b so auf die Bedienungselemente 60 des Fahrzeugs übertragen, daß die physikalischen Effekte am Lenkrad reproduziert und die Kontrolleuchten und die Instrumente des Armaturenbretts gesteuert werden. Diese Berechnung ermöglicht die Übertragung der Informationen bezüglich Position und Winkel des Fahrzeugs, über den Anschluß 63 an ein Mittel zur Steuerung der Szenarien 64. Dieses Mittel zur Steuerung der Szenarien erhält über den Anschluß 65 die Befehle, die der Fahrlehrer auswählt, um den Ablauf der Szenarien so zu beeinflussen, daß verschiedene Verkehrsbedingungen und durch in der Frontalsicht oder der rückwärtigen Sicht gezeigte Hindernisse hervorgerufene Gefahrensituationen wiedergegeben werden. Des weiteren kann der Fahrlehrer visuelle Effekte auswählen, mit denen besondere Fahrbedingungen wiedergegeben werden können, so wie zum Beispiel die Fahrt bei Nacht, bei Regen oder im Schnee, im Nebel etc. Das Mittel zur Steuerung der Szenarien 64 erhält über einen Anschluß 66 die notwendigen Daten zur Hauptbild- und Sekundärbilderzeugung aus einer Datenbank 67, in der verschiedene Darstellungen von Fahrstrecken gespeichert sind, die eine Reproduktion der Verkehrsbedingungen in der Stadt, auf der Landstraße und auf der Autobahn erlauben. Das Mittel zur Steuerung der Szenarien 64 sendet über den Anschluß 68 zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder benötigte Informationen an ein Mittel zur Erzeugung dieser Bilder 69, das dem Rechner die Berechnung der Haupt- und Sekundärbilder für die Frontalsicht, die zentrale rückwärtige Sicht und die seitlichen rückwärtigen Sichten ermöglicht. Das Mittel zur Steuerung der Szenarien 64 sendet in Abhängigkeit von dem Szenario über einen Anschluß 70 zur Aktualisierung der Datenbank 67 benötigte Informationen. Ebenso ermöglicht es ein Anschluß 71 diesem Mittel zur Steuerung der Szenarien 64, Informationen an ein Geräuscherzeugungsmittel 72 zu senden, die es erlauben, die Geräusche des Motors, des Schaltknüppels, der Fahrt und der Alarmanlage zu erzeugen, welche sodann über einen Anschluß 73 auf einen Lautsprecher 74 gegeben werden.
Der Erzeuger der dreidimensionalen Bilder 69 überträgt mittels eines Anschlusses 75 die anzuzeigenden Bilder auf den Bildschirm 16 der Visualisierungskonsole. Diese Bilder enthalten gleichzeitig das frontale Hauptbild und die in das Hauptbild integrierten rückwärtigen Sekundärbilder.
Die Bilderzeugung funktioniert nun folgendermaßen: Ausgehend von der simulierten Position des Fahrzeugs auf der in der Datenbank enthaltenen Fahrstrecke werden der Datenbank 67 diejenigen Bilder entnommen, die dem Blickwinkel des zu erzeugenden Bildes entsprechen. Ausgehend von dieser Position bestimmt das System die zur Bilderzeugung zu entnehinenden Informationen, wobei der dem zu erzeugenden Bild zugehörige Blickwinkel und die Konvergenz des Blickfeldes berücksichtigt werden.
Die zur Bilderzeugung benötigten Informationen sind in der Datenbank 67 in kartesischen Koordinaten gespeichert und werden zur Anzeige auf dem Bildschirm, in Abhängigkeit von den Blickwinkeln, der Position und der dem simulierten Fahrzeug vorgegebenen Richtung, dieser Datenbank entnommen.
Im Hinblick auf die Tatsache, daß die rückwärtigen Sekundärbilder auf kleinen Teilbereichen des Bildschirms gezeigt werden, sind diese Sekundärbilder mit einer geringeren Auflösung als die Frontalbilder definiert. Dazu können für die rückwärtigen Bilder stärker stilisierte Bilder benutzt werden als für die Frontalbilder.
Tatsächlich erzeugt der Rechner das Frontalbild und die rückwärtigen Bilder auf der Grundlage der Daten, die von der Datenbank stammen, in Abhängigkeit von der simulierten Position des Fahrzeugs auf der Fahrstrecke, und zwar derart, daß die Bilderzeugung in Abhängigkeit vom entsprechenden Blickwinkel auf die Fahrstrecke erfolgt; dabei werden aber, egal welches Bild betrachtet wird, die selben Grunddaten verwendet.
So weisen die rückwärtigen Bilder, die auf kleineren Bildschirmteilbereichen als das Frontalbild erzeugt werden, ein geringere Auflösung auf als das letztgenannte.
Der Rechner hat die Möglichkeit, statische oder bewegte Bildabfolgen zu zeigen, zum Beispiel mit zweidimensionalen Zeichen. Diese Abfolgen werden dann hauptsächlich in den ersten Fahrstunden verwendet, um den Schüler die Funktion der Bedienungselemente zur Fahrzeugsteuerung ausprobieren zu lassen und sie zu erklären. Der Rechner sorgt für die Berücksichtigung der Stellung der verschiedenen Bedienungselemente, die der Schüler betätigt, wie zum Beispiel den Zündschlüssel, die Schalter der Lichtanlage und der Warnblinkanlage, die Stellung des Lenkrads 11, der Pedale, des Schaltknüppels 13, der Handbremse, des Sicherheitsgurtes und der Funktionstastatur des Fahrlehrers. Er führt ebenfalls die Modellierung der Dynamik des Autos in Echtzeit und die Modellierung der Funktionen des Motors, des Getriebes, der Kupplung, der Bremsanlage, der Griffigkeit der Fahrbahn, der Lenkung aus. Solch eine algorithmische Verarbeitung erlaubt jederzeit den neuen Zustand des Fahrzeugs zu berechnen, das heißt die Position, die Ausrichtung, die Geschwindigkeit sowie die Stellung der verschiedenen Instrumente und Anzeigen, und zwar in Abhängigkeit von den vom Schüler gegebenen Fahrbefehlen, von den durch die simulierte äußere Umgebung vorgebenen Bedingungen und von dem vorangegangenen Zustand des Fahrzeugs. Der Rechner sorgt ebenfalls für die Erzeugung von Ausgangssignalen, wie zum Beispiel die Steuerung der Geschwindigkeitsanzeige im Armaturenbrett, die Erzeugung physikalischer Effekte am Lenkrad, das Aufleuchten und Erlöschen der Kontrolleuchten im Armaturenbrett, die Eigengeräusche bei der Fahrt und die gesprochenen Mitteilungen als Hilfe beim Lernen. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Rechners ist so hoch, daß die oben beschriebenen Berechnungen 15 bis 20 mal pro Sekunde wiederholt werden können.
Das derart beschriebene Verfahren und die derart beschriebene Vorrichtung ermöglichen es, eine Simulation zu erzielen, die den realen Bedingungen beim Führen eines Autos näher kommt, indem insbesondere nicht nur die Umgebung, die der Fahrschüler unter realen Bedingungen vor sich beobachten würde, sondern mit Hilfe der Rückspiegel auch die Umgebung hinter dem Fahrzeug wiedergegeben wird.

Claims

1. Verfahren zur Ausbildung zum Führen von Fahrzeugen, bei dem eine simulierte Frontalsicht und mindestens eine simulierte rückwärtige Sicht realisiert wird, indem auf Leinwand- oder Bildschirmmitteln (16, 38, 39), die gegenüber einem Fahrerplatz (11 bis 14, 20, 25, 26) für einen Fahrschüler (17) angeordnet sind, eine Abfolge von frontalen Hauptbildern (18) sowie mindestens eine Abfolge von rückwärtigen Sekundarbildern (19, 22, 23) sichtbar gemacht werden, und bei dem diese Ansichten in Abhängigkeit von Steuerbefehlen entwickelt werden, die von dem genannten Fahrerplatz vorgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Hauptbilder (18) und die genannten Sekundärbilder (19, 22, 23) von einem Rechner (61 bis 66, 68 bis 70) auf der Grundlage einer Datenbank (67) synthetisch erzeugte Bilder sind, wobei die Datenbank die dreidimensionale Beschreibung einer Fahrstrecke enthält; die genannte simulierte rückwärtige Sicht, erzeugt aus der genannten Sekundärbildabfolge (19, 22, 23), wird mittels eines ausrichtbaren materiellen Mittels, das einen Rückspiegel simuliert (Rückspiegelsimulationsmittels) (20, 25, 26), sichtbar gemacht, und die genannte rückwärtige Sicht wird in Abhängigkeit von der Ausrichtung des genannten materiellen Rückspiegelsimulationsmittels (20, 25, 26) derart modifiziert, daß diese Sicht sich erkennbar wie in einem echten Fahrzeugrückspiegel entwickelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten rückwärtigen Sekundärbilder (19, 22, 23) mit einer geringeren Auflösung erzeugt werden, als die Auflösung, mit der die Hauptbilder (18) erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Sekundärbildabfolge (19, 22, 23) auf einem Teilbereich eines Frontalbildschirms (16) sichtbar gemacht wird, von dem sie optisch eingefangen und auf ein zugehöriges materielles Rückspiegelsimulationsmittel (20, 25, 26) optisch reflektiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Sekundärbildabfolge (19) erzeugt wird, die eine Sekundärbildabfolge einer inneren rückwärtigen Sicht ist, hervorgehend aus Informationen, die einem zentralen Blickfeld hinter dem Fahrer entsprechen, die auf einem ersten Teilbereich eines Frontalbildschirms (16) sichtbar gemacht wird, von wo sie auf ein erstes ausrichtbares materielles Rückspiegelsimulationsmittel (20) reflektiert wird, das einen zentralen Rückspiegel simuliert und/oder daß eine zweite Sekundärbildabfolge einer äußeren rückwärtigen Sicht (22) aus Informationen erzeugt wird, die einem ersten seitlichen Blickfeld hinter dem Fahrer (17) entsprechen, die auf einem zweiten Teilbereich des genannten Frontalbildschirms (16) sichtbar gemacht wird, von wo sie auf ein zweites ausrichtbares materielles Rückspiegelsimulationsmittel (25) reflektiert wird, das einen ersten Seitenrückspiegel simuliert, und/oder daß eine dritte Sekundärbildabfolge einer rückwärtigen Sicht (23) aus Informationen erzeugt wird, die einem zweiten seitlichen Blickfeld hinter dem Fahrer (17) entsprechen, die auf einem dritten Teilbereich des genannten Frontalbildschirms (16) sichtbar gemacht wird, von wo sie auf ein drittes ausrichtbares materielles Rückspiegelsimulationsmittel (26) reflektiert wird, das einen zweiten Seitenrückspiegel simuliert.

5. Vorrichtung für die Ausbildung zum Führen eines Kraftfahrzeugs, die gegenüber einem Fahrerplatz (11 bis 14, 20, 25, 26) für einen Fahrschüler (17) folgendes aufweist: mindestens einen Bildschirm (16) zur Bildvisualisierung (18, 19, 22, 23), erste Mittel zur Erzeugung einer frontalen Hauptbildabfolge (18), die von den Steuerbefehlen abhängig ist, die von dem genannten Fahrerplatz vorgegeben werden, mindestens zweite Mittel zur Erzeugung mindestens einer ersten rückwärtigen Sekundärbildabfolge (19), die in die genannte Frontalbildabfolge auf einem ersten Teilbereich des genannten Bildschirms (16) integriert ist, und erste optische Mittel zum Einfangen und zur Reflexion der genannten ersten Sekundärbildabfolge (19) auf ein erstes materielles Rückspiegelsimulationsmittel (20), das einen zentralen Rückspiegel simuliert, um eine zentrale rückwärtige Sicht zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Bilder von einem Rechner (61 bis 66, 68 bis 70) auf der Grundlage einer Datenbank (67) erzeugt werden, wobei die Datenbank eine dreidimensionale Beschreibung einer Fahrstrecke enthält, daß das genannte erste Rückspiegelsimulationsmittel (20) ausrichtbar ist und daß es mit Sichteinstellmitteln verbunden ist, die für die Ausrichtung dieses ersten Mittels empfindlich sind, und so die genannte zentrale rückwärtige Sicht in Abhängigkeit von der genannten Ausrichtung verändern.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes aufweist: dritte Mittel zur Erzeugung einer zweiten rückwärtigen Sekundärbildabfolge (22), die in die genannte Frontalbildabfolge (18) auf einem zweiten Teilbereich des genannten Bildschirms (16) integriert ist, und zweite optische Mittel (24, 27, 29) zum Einfangen und zur Reflexion der genannten zweiten Sekundärbildabfolge (22) auf ein zweites ausrichtbares materielles Rückspiegelsimulationsmittel (25), um eine erste seitliche rückwärtige Sicht zu liefern, die einen ersten Seitenrückspiegel simuliert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes aufweist: vierte Mittel zur Erzeugung einer dritten rückwärtigen Sekundärbildabfolge (23), die in die genannte Frontalbildabfolge (18) auf einem dritten Teilbereich des genannten Bildschirms (16) integriert ist, und dritte optische Mittel (24, 28, 30) zum Einfangen und zur Reflexion der genannten dritten Sekundärbildabfolge (23) auf ein drittes ausrichtbares materielles Rückspiegelsimulationsmittel (26), um ein zweite seitliche rückwärtige Sicht zu liefern, wobei dieses dritte Mittel einen zweiten Seitenrückspiegel simuliert und mit Sichteinstellmitteln verbunden ist, die für seine Ausrichtung empfindlich sind, und so die von ihm gelieferte rückwärtige Sicht in Abhängigkeit von dieser Ausrichtung verändert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Bildschirm (26) in ein Gehäuse (24) integriert ist, das den Bildschirm im unteren Teil auf der Höhe von mindestens einem der genannten Bildschirmteilbereiche für die Anzeige einer Sekundärbildabfolge (22, 23) verdeckt, und daß das genannte Gehäuse (24) mindestens einen Spiegel (27, 28) zur Reflexion der genannten Sekundärbildabfolge (22, 23) in Richtung auf das der genannten Bildabfolge zugehörige materielle Rückspiegelsimulationsmittel (25, 26) aufweist, das einen dazugehörigen Seitenrückspiegel simuliert; das genannte Gehäuse (24) bildet dabei die genannten Mittel zum optischen Einfangen und zur optischen Reflexion der genannten Sekundärbildabfolge (22, 23) aus.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte erste materielle Rückspiegelsimulationsmittel (20) eine Fresnellinse oder einen Richtungsfilter aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärbilder (19, 22, 23), integriert in die genannten Hauptbilder (18), derart dimensioniert sind, daß diese Sekundärbilder mit Hilfe der ihnen zugehörigen genannten Mittel zum Einfangen und zur Reflexion teilweise eingefangen werden, so daß es möglich wird, durch die Ausrichtung eines der genannten materiellen Rückspiegelsimulationsmittel (20, 25, 26) den eingefangenen Teilbereich der ihnen zugehörigen Sekundärbilder (19, 22, 23) zu verändern.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie darüber hinaus folgendes aufweist: zwei seitliche Bildschirme (38, 39), die zu beiden Seiten des ersten Bildschirms (16) angeordnet sind, und fünfte Mittel zur Erzeugung von seitlichen Hauptbildabfolgen (40, 41) auf diesen seitlichen Bildschirmen, die den seitlichen Blickfeldern des Fahrers entsprechen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche (5 bis 11), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ausrichtbaren materiellen Rückspiegelsimulationsmittel ein zusätzlicher Bildschirm von der Größe ist, die einem Rückspiegel entspricht, und daß die zugehörige rückwärtige Sekundärbildabfolge auf der Grundlage der genannten Datenbank (67) direkt auf dem zusätzlichen Bildschirm erzeugt wird.