DE10009615A1 - Bewegungssystem für Fahrsimulatoren - Google Patents

Abstract

Zur Breitenanwendung von Fahrsimulatoren, insbesondere in Fahrschulen, spielt die Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle. Ein aufwendiges Bewegungssystem verbietet sich wegen der hohen Anschaffungskosten. In der vorliegenden Patentanmeldung ist deshalb eine Vorrichtung beschrieben, die auf sehr einfache und preisgünstige Art bewirkt, daß beim simulierten Fahren der Eindruck sowohl von Quer- als auch von Längsbeschleunigungen entsteht. Unter Vernachlässigung der langfristigen Komponente von Querbeschleunigungen beschränkt sich die entsprechende Antriebsvorrichtung auf eine reine und kurzhubige Querbewegung einer Trägerplatte, auf die die Fahrzeug-Attrappe zu montieren ist. Der Eindruck von Längsbeschleunigungen und Bremsverzögerungen wird unter Verzicht auf eine Längsbewegung und eine Nickdrehung der Fahrzeug-Attrappe dadurch bewirkt, daß beim Bremsen die Sitzlehne nach vorne gedreht und daß gleichzeitig das Lenkrad nach vorne verschoben wird. Dadurch wird der Rücken des Fahrers stärker gegen die Sitzlehne gedrückt, und die Arme werden gegen das Lenkrad gestaucht, ohne daß der Abstand zwischen Pedalen und Sitz dabei verändert wird. Beim Beschleunigen vollziehen sich diese Bewegungen in umgekehrter Richtung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bewegungssystem für Fahrsimulatoren, welches dazu dient, die menschlichen Sinne bei simulierten Beschleunigungen in Übereinstimmung mit dem visuellen Eindruck über das Sichtsystem des Fahrsimulators zu täuschen. Solche Bewegungssysteme sind bekannt. Für Fahrsimulatoren werden üblicherweise transiente lineare Bewegungen des echten Fahrzeugs durch entsprechende transiente lineare Bewegungen der Simulatorattrappe in den drei Achsen Längsbewegung, Querbewegung und Vertikalbewegung nachgebildet. Zur Nachbildung der langfristigen Beschleunigungen in Längs- und Querrichtung wird die Fahrerkabine in eine Winkelneigung versetzt, wobei die langfristigen Beschleunigungskräfte durch die Gravitationskraftkomponenten des gesamten Systems einschließlich Fahrer ersetzt werden. Zur Nachbildung der Gierbewegung eines echten Autos wird die Fahrzeugattrappe um ihre vertikale Achse gedreht.

Ein typisches Bewegungssystem für einen Fahrsimulator besteht deshalb aus einer Bewegungsplattform, auf der die Fahrzeugattrappe montierbar ist, wobei die Montageplattform sechs Freiheitsgrade hat, nämlich Längsbewegung, Querbewegung, Vertikalbewegung, Rollwinkel, Nickwinkel und Gierwinkel. Damit der Fahrer im Simulator die Bewegungen des Systems visuell nicht erkennt, ist der Raum abzudunkeln oder die Kabine ist abzukapseln. Es wird davon ausgegangen, daß der visuelle Eindruck zusammen mit dem durch die Kräfte vermittelten Eindruck auf den Körper einerseits gegenüber dem Eindruck durch das Gleichgewichtsorgan im Innenohr, welches auch Winkeldrehungen registriert, andererseits dominiert.

Das oben erwähnte 6-Achsen-Bewegungssystem hat den Nachteil, aufwendig zu sein. Es ist deshalb für Serienanwendungen wie zum Beispiel in Fahrschulen wirtschaftlich nicht einzusetzen.

Es gibt auch vereinfachte Ausführungen solcher Bewegungsantriebe mit nur wenigen Freiheitsgraden:

In der Patentanmeldung Runkel, Krauss-Maffei AG: "Bewegungssystem für die Fahrschülerkabine eines Panzerfahrsimulators, P 2231039.0 vom 24.06.1972 ist ein solches System mit beweglicher Montageplattform beschrieben.

In der automobiltechnischen Zeitschrift wurde 1977 eine Beschleunigungsdarstellung in Fahrsimulatoren beschrieben, bei der die Fahrerkabine in eine Nickbewegung versetzt wird.

In der Patentanmeldung Foerst: "Fahrtsimulator" vom 11.12.1981, P 3149063.8 ist eine Vorrichtung für einen Gierantrieb eines Fahrsimulators mit Hilfe eines Drehtellers beschrieben. Die Nachbildung der Gierdrehung eines Fahrzeugs ist aber für die natürliche Wirkung der Fahrt im Simulator von weniger vorrangiger Bedeutung.

In der Patentschrift Foerst: DE 34 00 518 C1 vom 10.01.1984 wird eine Vorrichtung zum Verschwenken eines Unterhaltungsfahrtsimulators beschrieben. Hierbei ist ein Schwenkkörper vorgesehen, der mit einem schmalen Luftspalt in einem Rahmen zwischen zwei Trittbrettern drehbar gelagert ist.

In der Patentanmeldung Foerst: "Vorrichtung zum Rollen und Nicken eines Fahrtsimulators" 3643445.0 vom 19.12.1986 wird eine mechanische Konstruktion eines kardanischen Doppelschwenkständers mit virtuellen, oben liegenden Drehachsen beschrieben, der raumsparend und sicher ist.

In der Patentanmeldung Foerst: "Fahrsimulator mit Antriebsvorrichtung für Roll- und Nickbewegung" P 4434660.3 vom 28.09.1994 ist ebenfalls eine Vorrichtung zum Rollen und Nicken eines Fahrsimulators beschrieben.

Alle diese Vorrichtungen aus den Anfangsjahren der Simulationsentwicklung sind, obwohl sie nicht alle sechs Freiheitsgrade berücksichtigen, für Serienanwendungen, wie für Fahrschulen, zu aufwendig, d. h. zu teuer. Man hat deshalb andere Lösungen zur Sinnestäuschung des Fahrers im Simulator ersonnen:

In der amerikanischen Patentschrift Helmore: 3,309,795 vom 21.03.1967 "Mechanisms for simulating the movement of vehicles" wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der der Sitz des Fahrers im Simulator mechanisch in Bewegung gesetzt wird.

In der Patentanmeldung Foerst: "Fahrtsimulator" DE 30 32 250 A1 vom 27.08.1980 wird neben einer Antriebsvorrichtung für eine Rollbewegung eine Bewegung der Sitzlehne zur Simulation von Längsbeschleunigungen beschrieben. Auch diese ist jedoch für einen wirtschaftlichen Einsatz von Seriensimulatoren zu aufwendig.

In der Deutschen Patentanmeldung Foerst: P 3726976.3 "Fahrtsimulator" vom 13.08.1987 hat der Fahrersitz ein mittels eines motorischen Antriebs gegen einen Gurt verschiebbares Fahrersitzteil. Bei dieser Vorrichtung wird der Fahrersitz beim Bremsen elektromotorisch nach vorne geschoben. Hiermit wird bewirkt, daß die Arme des Fahrers beim Bremsen gegenüber dem Lenkrad gestaucht werden. Sie hat jedoch den Nachteil, daß beim Bremsen der rechte Fuß des Fahrers gegen das Bremspedal gestaucht wird. Dadurch ergibt sich zum einen eine unerwünschte positive Rückwirkung des Vorgangs auf das Signal der Bremsverzögerung. Zum anderen wirkt die Kraft des rechten Beines beim Bremsen der Vorwärtsbewegung des Sitzverschiebemotors entgegen und mindert dadurch seine Wirkung.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die es mit einfachen und wirtschaftlichen Mitteln erlaubt, die Sinne des Fahrers im Simulator so zu täuschen, daß der Eindruck von Quer- und Längsbeschleunigungen entsteht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird hier davon ausgegangen, daß die Simulation der transienten Querbeschleunigung für das Fahrgefühl wichtiger ist als die Simulation der langfristigen Querbeschleunigungen. Es hat sich gezeigt, daß bei einem Fahrsimulator ohne Querbeschleunigungssimulation der Lenkvorgang recht instabil ist und zu Oszillationen der Fahrspur neigt. Dies liegt daran, daß im Regelkreis des Abstandes der Fahrspur vom rechten Straßenrand Veränderungen des Ist-Wertes nur über das Sichtsystem vom Auge erfaßbar wird, nicht aber vom ganzen Körper. Eine reine und kurzhubige Lateralbewegung genügt aber schon, um das Gefühl für Spurabweichungen zu verbessern. Der Lenkvorgang wird dadurch stabiler. Der Vorteil einer solchen Lösung ist, daß eine Horizontalverschiebung mit kurzen Hub (ca. +/-20 cm) wesentlich preisgünstiger ist als ein Drehantrieb der Fahrerkabine.

Bei der Lösung der gestellten Aufgabe, Längsbeschleunigungen zu simulieren, wird davon ausgegangen, daß hier eher die langfristige Komponente einen Einfluß auf das Fahrgefühl hat. Da aber ein Nickantrieb der gesamten Kabine für Serienausführungen zu aufwendig ist, eignen sich zur Simulation andere Phänomene, die bei Längsbeschleunigungen über die Sinnesorgane wahrnehmbar sind, besser.

Beim Bremsen bewegt sich der Oberkörper des Fahrers nach vorne, so daß der Druck zwischen Rücken und Lehne geringer wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch simuliert, daß die Sitzlehne beim Bremsen nach hinten gedreht wird. Im übrigen werden beim Bremsen die Arme des Fahrers gegen das Lenkrad gestaucht. Da sich eine Vorwärtsbewegung des Sitzes gegenüber dem Lenkrad nicht bewährt hat, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Lenkrad, und nicht die Pedale, beim Bremsen in Richtung auf den Sitz zuzubewegen. Der Abstand zwischen Sitzteil und Pedalen bleibt dabei unverändert erhalten, so daß diese Art der Beschleunigungssimulation keine Rückwirkung auf die Betätigung des Gaspedals und des Bremspedals hat.

Die Aufgaben, die laterale und die longitudinale Beschleunigung auf wirtschaftliche Art zu simulieren, wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Eine Ausgestaltung der Teilaufgabe, die lateralen Beschleunigungskräfte zu simulieren, wird in dem Unteranspruch 2 beschrieben.

Eine regelungstechnische Ausgestaltung der Vorrichtung zur lateralen Beschleunigungssimulation wird in dem Unteranspruch 3 beschrieben.

Eine Ausgestaltung des Antriebssystems zum Drehen der Sitzlehne wird in dem Unteranspruch 4 beschrieben.

Eine regelungstechnische Ausgestaltung der Vorrichtung zum Drehen der Sitzlehne wird in dem Unteranspruch 5 beschrieben.

Eine Ausgestaltung des Antriebssystems zum Verschieben des Lenkrades wird in dem Unteranspruch 6 beschrieben.

Eine regelungstechnische Ausgestaltung der Vorrichtung zum Verschieben des Lenkrades wird in dem Unteranspruch 7 beschrieben.

Die Erfindung sei nun anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Strukturbild des Bewegungssystems gemäß Anspruch 1. Die Fahrzeug-Attrappe (5) des Fahrsimulators ist auf der Trägerplatte 2 montiert, die mittels der beiden Linearlager (3a und 3b) gegenüber der Bodenplatte (1) in lateraler Richtung verschiebbar ist. Diese Verschiebung wird durch ein Antriebssystem (4) bewirkt, welches unter Verwendung einer Steuereinheit (7) vom Fahrcomputer (6) nach Maßgabe der Querbeschleunigungskräfte, die im Fahrcomputer berechnet werden, ansteuerbar ist. Dieses System hat durch seinen modularen Aufbau den Vorteil, daß man aus wirtschaftlichen Gründen die Fahrzeug-Attrappe vom Bewegungssystem trennen kann.

Fig. 1 zeigt gemäß Anspruch 1 weiterhin den Fahrersitz, der aus der Sitzlehne (8) und dem Sitzteil (9) besteht. Bei allen Fahrzeugen ist die Sitzlehne um eine unten liegende Drehachse zur bequemen Körperhaltung beim Fahren verstellbar. Erfindungsgemäß wird nun der Winkel zwischen Sitzteil (9) und Sitzlehne (8) mit dem Antriebssystem (10) verändert. Dabei wird das Antriebssystem (10) von Fahrcomputer (6) mit Hilfe der Steuereinheit (11) so angesteuert, daß sich bei Bremsverzögerungen die Sitzlehne nach vorne bewegt, wobei sie einen Druck auf den Rücken des Fahrers ausübt. Bei Beschleunigungen bewegt sie sich nach hinten, so daß der Andruck des Rückens gegen die Lehne schwächer wird.

Die Abweichung des Lehnenwinkels gegenüber dem Normalwinkel ist dabei gemäß Anspruch 5 der Längsbeschleunigung proportional.

Das Antriebssystem (10) kann gemäß Anspruch 4 dabei aus einem zusätzlichen Elektrogetriebemotor bestehen, der im Stande ist, die Sitzlehne zu drehen. In modernen PKWs gibt es aber Servomechanismen, die standardmäßig bereits über einen Elektromotor verfügen, so daß nur noch dafür zu sorgen ist, daß dieser vorhandene Elektromotor mittels der Steuereinheit (11) vom Fahrcomputer (6) ansteuerbar ist. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß der Winkel der Sitzlehne zum Zwecke seiner Einregelung gemäß Anspruch 5 meßtechnisch erfaßt wird.

Fig. 1 zeigt gemäß Anspruch 1 weiterhin die Lenkradeinheit (13), die lenkradseitig in dem Lager (20) gelagert ist, und die mit Hilfe des Antriebssystems (14) in Längsrichtung verschiebbar ist.

Diese Verschiebung wird gemäß Anspruch 4 mit Hilfe einer Steuereinheit (15) vom Fahrcomputer (6) aus bewirkt, wobei der Schiebehub gemäß Anspruch 7 dem Beschleunigungssignal proportional sein muß. Um diese Proportionalität zu erreichen, ist ein Schiebehubregelkreis notwendig, der über eine Meßeinrichtung zur Erfassung des Ist-Wertes des Schiebehubes verfügen muß. Wenn das simulierte Fahrzeug beschleunigt, wird das Lenkrad nach vorne bewegt. Wird es abgebremst, so wird es nach hinten bewegt, so daß sie Arme des Fahrers gegen das Lenkrad gestaucht werden. Dieser Staucheffekt wird noch verstärkt durch die Vorwärtsbewegung der Sitzlehne, wodurch der Tastsinn des Fahrers in doppelter Hinsicht genutzt wird, um das Gefühl einer Verzögerung vorzutäuschen.

Fig. 2 zeigt die Sicht von unten auf die Trägerplatte (2) der Vorrichtung zur Nachbildung der lateralen Beschleunigungskräfte. Die Trägerplatte (2) ist mit den beiden Linearlagern (3a und 3b) in Querrichtung gegenüber der Bodenplatte verschiebbar. Der Elektromotor (16), der auf der Bodenplatte montiert ist, treibt mit Hilfe seines Abtriebszahnrades (17) und eines Zahnriemens (18) die Trägerplatte (2) an.

Dabei sorgt die Querschiebehubregelung gemäß Anspruch 3 dafür, daß die Trägerplatte (2) zum einen zur Nachbildung von Querbeschleunigungen in optimaler Weise angetrieben wird, und zum anderen, daß sie sich bei Geradeausfahrt des simulierten PKWs in Mittellage befindet. Die Ansteuerung geschieht dabei derart, daß das Querbeschleunigungssignal über ein Hochpaßfilter auf die Steuereinheit (7) einwirkt. Hiermit wird erreicht, daß kurzfristige Lateralbeschleunigungen in eine Querbewegung umgesetzt werden, daß aber bei längerfristigen Querbeschleunigungen die Querbewegung allmählich reduziert wird.

Fig. 3 zeigt die Sicht auf die Vorrichtung zur lateralen Verschiebung der Fahrzeug- Attrrappe von hinten.

Das Bewegungssystem gemäß der Erfindung ist sowohl für PKW- als auch für LKW- und Bus- sowie für andere Fahrsimulatoren anwendbar.

Claims (7)

1. Bewegungssystem für Fahrsimulatoren, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Nachbildung der lateralen Beschleunigungskräfte eine Bewegungskonsole vorgesehen ist, die aus einer feststehenden Bodenplatte (1), einer horizontal verschiebbar gelagerten Trägerplatte (2), zwei Linearlagern, (3a und 3b) und einem Antriebssystem (4) besteht, daß die Fahrzeug-Attrappe (5) auf der Trägerplatte (2) montierbar ist, daß das Antriebssystem zur Nachbildung lateraler transienter Beschleunigungskräfte vom Fahrcomputer (6) unter Verwendung einer Steuereinheit (7) ansteuerbar ist,
daß die Sitzlehne (8) der Fahrzeug-Attrappe (5) gegenüber dem Sitzteil (9) mit Hilfe eines Antriebssystems (10) unter Verwendung einer Steuereinheit (11) um ihre Drehachse antreibbar ist, daß das Antriebssystem (10) vom Fahrcomputer (6) in Übereinstimmung mit den longitudinalen Beschleunigungs- und Verzögerungskräften ansteuerbar ist,
daß die Lenkradeinheit (13) gegenüber dem Boden der PKW-Attrappe (5) und dem Sitzteil (9) horizontal mittels eines Antriebssystems (14) nach vorne und hinten antreibbar ist, und daß das Antriebssystem (14) in Übereinstimmung mit den longitudinalen Beschleunigungs- und Verzögerungskräften vom Fahrcomputer (6) unter Verwendung einer Steuereinheit (15) ansteuerbar ist.

2. Antriebssystem (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb der Trägerplatte (2) ein Elektromotor (16) mit Zahnrad (17) und ein Zahnriemen (18) vorgesehen sind, daß der Elektromotor (16) auf der Bodenplatte zu befestigen ist, und daß das Zahnriemen-Gegenlager an der Trägerplatte (2) zu befestigen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebssystem (4) eine Meßeinrichtung für den Querschiebehub-Istwert enthält und dass ein Querschiebehub-Regelkreis vorgesehen ist, der bewirkt, daß der Querschiebehub dem hochfrequenten Anteil des Beschleunigungssignals in proportionaler Abhängigkeit folgt.

4. Antriebssystem (10) zur Neigung der Sitzlehne (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Fahrcomputer (6) ansteuerbarer Elektromotor vorgesehen ist, der die Sitzlehne um seine Achse dreht, oder daß ein handelsüblicher Servomotor verwendet wird, wobei mit Hilfe der Steuereinheit (11) der handelsübliche Servomotor vom Fahrcomputer (6) ansteuerbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebssystem (10) eine Meßeinrichtung für den Winkel-Istwert der Sitzlehne enthält und dass ein Winkel-Regelkreis vorgesehen ist, der bewirkt, daß der Winkel dem Beschleunigungssignal in proportionaler Abhängigkeit folgt.

6. Antriebssystem (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkradeinheit (13) der PKW-Attrappe in Längsrichtung des Autos oder in Richtung der Lenkspindel mit Hilfe einer geeigneten Lagerung (20) und eines Elektro-Getriebemotors verschiebbar ist, und daß dieser Elektromotor vom Fahrcomputer (6) über die Steuereinheit (15) ansteuerbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebssystem (14) eine Meßeinrichtung für den Längsschiebehub-Istwert der Lenkradeinheit enthält und dass ein Längsschiebehub-Regelkreis vorgesehen ist, der bewirkt, daß der Längsschiebehub dem Beschleunigungssignal in proportionaler Abhängigkeit folgt.