Dynamische Fahrsimulatoren

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Regelkreis Fahrer-Fahrzeug-Umwelt

3. Prinzipieller Aufbau eines Fahrsimulators

4. Informationskanäle und deren Darstellung

5. Bewegungssysteme

6. Vor- und Nachteile von Fahrsimulatoren

7. Fallbeispiel: Forschungssimulator MARS am IFAS

8. Fazit

Abbildungsverzeichnis

Quellen- und Literaturverzeichnis

1. Einleitung

„Sag mir was du fährst und ich sage dir wer du bist!“ Dieses Sprichwort zeigt, dass das Auto in der heutigen modernen Welt mehr als nur ein Fortbewegungsmittel ist. Das Fahrzeug wird zunehmender zum Ausdruck der eigenen Persönlichkeit benutzt. Die gefragten Attribute elegant, sportlich, innovativ, komfortable und vor allem sicher kennzeichnen die Basisanforderungen an einem Auto des 21. Jahrhunderts. Hierbei spielt der Faktor „sicher“ eine immer mehr bedeutungsvollere Rolle, denn Sicherheit ist ein Grundbedürfnis aller Menschen. Sich sicher zu fühlen stellt zudem ein angenehmer Zustand dar. Menschen orientieren sich geradezu an die Sicherheit: sie möchten sichere Arbeitsplätze, sie ziehen in sichere Städte, sie verbringen ihren Urlaub in sogenannten sichere Länder, sie verlangen ein sicheres Sozialsystem, Unsicherheiten werden systematisch über Versicherungspolicen abgesichert, usw. Der Fahrer wird dementsprechend ein Fahrzeugmodell aussuchen, das seinem Sicherheitsbedürfnis subjektiv am besten entspricht.1

Die aktive und passive Fahrzeugsicherheit hat sich innerhalb der letzten 100 Jahre stark entwickelt - von Sicherheitsgurten über Airbags bis hin zu Kollisionswarnsysteme. Neben diesen Verbesserungen kamen ebenso schnellere Geschwindigkeiten und ein größeres Verkehrsaufkommen. Das Autofahren gilt folglich heutzutage immer noch als gefährlich. Wie können sicherere Fahrzeuge gebaut werden unter Berücksichtigung des tatsächlichen FahrerFahrzeug-Verhaltens? Wie kann man Realismus ohne Risiko erzeugen? Hier können Fahrsimulatoren in der Automobilindustrie Abhilfe leisten. Ein solches Tool, in dem man Menschen in einer sehr sicheren und kontrollierbaren Umgebung setzen kann und es ihnen trotzdem ermöglicht das Fahrzeug auf die Art und Weise wie im echten Leben zu führen, ist von unschätzbarem Wert für die Forschung, um den Verlust von Menschenleben im Straßenverkehr zu reduzieren.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Bedeutung der Darstellung eines wirklichkeitsnahen Fahrgefühls bei Fahrsimulatoren mit dynamischen Bewegungssystemen aufzuzeigen. Denn je realistischer eine Simulation ist, desto besser können die Forschungsergebnisse zur Sicherheit im Straßenverkehr beitragen. Damit dies möglich ist, soll zuerst der Regelkreis MenschFahrzeug-Umwelt dargestellt werden. Danach soll der prinzipielle Aufbau eines¹

Fahrsimulators erläutert werden. Im Anschluss, sollen die für die Fahrzeugführung relevanten Informationskanäle beleuchtet sowie im nächsten Kapitel die Bewegungssysteme und deren Entwicklung ins Zentrum der Betrachtung gestellt werden. Daran anknüpfend sollen Vor- und Nachteile von Fahrsimulatoren genannt werden. Als Fallbeispiel soll dann der Forschungssimulator MARS am Institut für Fahrzeugtechnik und Antriebssystemtechnik (IFAS) an der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg exemplarisch aufgeführt werden. Zum Schluss soll in einem abschließenden Fazit die aufgezeigten Ergebnisse zusammengefasst werden.

2. Regelkreis Fahrer-Fahrzeug-Umwelt

Der Fahrsimulator im Bereich der Fahrzeugtechnik stellt ein Prüfstand zum Test von Systemen im geschlossenen Regelkreis Fahrer-Fahrzeug-Umwelt (closed-loop) dar.² In diesem Kapitel werden daher die Grundlagen über die Rolle des Menschen in diesem geschlossenen Regelkreis beschrieben, also der Prozess der Fahrzeugführung.

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Abb. 1: Regelkreis Fahrer-Fahrzeug-Umwelt

Der Vorgang der Fahrzeugführung ist durch das dynamische Zusammenspiel von Fahrer, Fahrzeug und Umwelt in dem sogenannten Standardregelkreis gekennzeichnet (Abbildung 1). Der Fahrer repräsentiert im oben genannten Regelkreis den Regler. Die ihm zufallende Regeltätigkeit wird auch die „Fahraufgabe“ genannt. Diese Fahraufgabe kann in primäre, sekundäre und tertiäre Teilaufgaben unterteilt werden. Zur primären Fahraufgabe gehören diejenigen Aktivitäten, welche für das Zustandekommen der Bewegung des Fahrzeuges notwendig sind, wozu neben der Regelung des Kurses in Längs- und Querrichtung auch planerische Tätigkeiten gehören (s. u. „Drei-Ebenen-Modell der Fahrzeugführung“). Sekundäre Fahraufgaben ergeben sich aus der Verkehrs- und Umweltsituation (Blinken, Hupen, Abblenden, Betätigung von Licht und Scheibenwischer, Kuppeln, Schalten, Fahrerassistenzsysteme). Tertiäre Fahraufgaben sind Nebentätigkeiten, die das Komfort-, Unterhaltungs- oder Informationsbedürfnis des Fahrers befriedigen (Bedienung von Radio, Heizung, Telefon, Klimaanlage, Unterhaltungselektronik und Informationssysteme).³ In der Navigationsebene, muss der Fahrer zuerst aus einer Reihe von Alternativrouten die für die beabsichtigte Fahrt zweckmäßigste Fahrtroute aussuchen. Dies geschieht in der Regel bereits vor Antritt der Fahrt z. B. anhand von Karten oder Plänen. Während des Fahrvorganges muss dann die ausgewählte Fahrtroute im Straßennetz lokalisiert werden. Im Gegensatz zu rein technischen Regelsystemen liegt in diesem Fall kein objektiver Sollwert als Führungsgröße vor. Die Führungsgröße wird durch die Umwelt in Form von Straßenverlauf, Mit- und Gegenverkehr, sowie auftretenden Störungen wie z. B. Straßenschäden, vorgegeben. Das heißt, dass der Fahrer den Sollkurs selbst bilden muss, indem er Informationen aus der Umwelt verarbeitet. Der Fahrer nimmt in der Fahrzeugführungsebene die Führungsgrößen mit seinen Sinnen wahr und leitet daraus den Sollkurs und die Sollgeschwindigkeit ab. In der Stabilisierungsebene während der Fahrt entscheidet der Fahrer sich zu jedem Zeitpunkt für eine Sollstellung und -bewegung (Position, Richtung, Geschwindigkeit) seines Fahrzeuges, wobei er durch Vergleich des Istkurses und mit Hilfe von zusätzlichen Informationen, z. B. seine Bedienelemente an der Regelstrecke „Fahrzeug“, eine gegebene Kursabweichung wahrnimmt. Es besteht dann die Möglichkeit anhand der Stellgröße Lenkwinkel eventuelle Regelabweichungen zu kompensieren.⁴

Ein Fahrsimulator kann mit gewissen Einschränkungen diesen Regelkreis simulieren. Während die Regelstrecke „Fahrzeug“ durch einen mathematischen Modellansatz gut simuliert werden kann, ist es bis heute noch nicht gelungen eine allgemeingültige theoretische Beschreibung der menschlichen Regeleigenschaften zu erfassen. Die mathematische Analyse der Fahrzeugführung in seiner Gesamtheit ist zu komplex, denn das Regelverhalten wird auch auf einer nicht-deterministischen Weise durch die menschliche Informationsaufnahme, Informationsspeicherung, Informationsverarbeitung, und Informationsweiterleitung vorgeschrieben. Demzufolge ist es schwierig die Prozesse, welche sich im Gehirn des Fahrers abspielen, analytisch zu untersuchen. Der Mensch (hier: Fahrer) verbleibt also als Echtteil in die Simulation.⁵

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Abb. 2: Informationsaustausch zwischen Fahrer, Fahrzeug und Umgebung sowie fahrzeuginterne Wechselwirkungen

Die zahlreichen in der Literatur modifizierten Regelkreismodelle lassen sich schließlich auf folgendes Prinzip zurückführen (Abbildung 3):

Festzuhalten ist, dass die Aufgabe ein Fahrzeug zu bewegen - sprich die „Fahraufgabe“ -, sich zusammenfassend in einem hierarchisch (primäre, sekundäre und tertiäre) gegliederten System von Teilaufgaben, also dem „Drei-Ebenen-Modell der Fahrzeugführung“, darstellen lässt, die sich in den drei folgenden Ebenen abspielen: A) Navigationsebene, B) Fahrzeugführungsebene und C) Stabilisierungsebene.⁶ Eine Verbesserung der Fahrsicherheit ist vor allem durch eine Optimierung des geschlossenen Regelkreises Fahrer-FahrzeugUmwelt möglich. Diese „closed-loop“ Fahrversuche ermöglichen eine bessere Datenerfassung zur Analyse der menschlichen Reglereigenschaften und tragen dazu bei, mathematische Ansätze zur Beschreibung des Fahrerverhaltens zu finden. Die Wechselwirkungen zwischen Fahrer, Fahrzeug und Umgebung sind besonders bei der Realisierung eines Fahrsimulators zu berücksichtigen.

3. Prinzipieller Aufbau eines Fahrsimulators

Im vorherigen Kapitel sollte deutlich gemacht werden, dass der Mensch (hier: Fahrer) in den Simulationskreis miteingebunden wird und demzufolge die Aufgabe des Menschen im Regelkreis bei der Realisierung eines Fahrsimulators berücksichtigt sowie gut überdacht werden muss. Man stellt die Leistungsfähigkeit des Menschen und der Technik gegenüber, um die jeweiligen Aufgaben, die dem Menschen und der Technik übertragen werden, abzugrenzen. Hinsichtlich der Anpassungsfähigkeit, dem Erkennen außergewöhnlicher Situationen und der Entscheidungsbildung ist der Mensch als Echtteil ohne Zweifel der Technik überlegen. Nichtdestotrotz, ist die Technik bei festgeregelten Abläufen in Sache Ausführungsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit dem Menschen überlegen. Aus diesem Grund ist es von großer Wichtigkeit ein möglichst gutes Zusammenspiel von Mensch und Maschine bei der Simulation von Fahrabläufen zu finden.⁷ Wie bereits oben erwähnt gibt es schon Ansätze zur Beschreibung der menschlichen Leistungsfähigkeit im geschlossenen Regelkreis „Fahrer-Fahrzeug-Umwelt“, aber es ist noch ein langer Weg bis völlig befriedigende mathematische Messergebnisse errechnet werden können.

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen ein Blockschaltbild für den prinzipiellen Aufbau eines Fahrsimulators, beziehungsweise das Konzept eines Mensch-Maschine-Regelsystems in einem Simulationsversuch.

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Abb. 4: Prinzipieller Aufbau eines Fahrsimulators

Es wird eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMI = Man-Machine Interface) benötigt, die aus zwei Teile besteht, um den Menschen (hier: Fahrer) in den Simulationskreis einzubinden.

1.) Der Eingabeteil: Der Fahrer steuert die Simulation über Bedienelemente. Bei einfachen Konzepten werden grafische Elemente (z. B. Schalter und Schieberegler) auf einem Computerbildschirm dargestellt und mittels Maus oder Tastatur betätigt. Allerdings ist diese Ausführung realitätsfern, weshalb die Resultate der Simulation wenig aussagekräftig sind. Demgegenüber stellen aufwendigere Fahrsimulatoren einen ergonomischen Fahrersitz mit realen Bedienelementen wie Lenkrad und Pedalerie zur Verfügung.⁸
2.) Der Rückmeldeteil: Der Fahrer erhält Informationen über den Betriebszustand des simulierten Fahrzeuges. Bei einfachen Aufbauten werden Instrumente, Lampen, usw. auf einem Bildschirm dargestellt. Verbesserte Realisierungen stellen wiederum realitätsnahe Rückmeldungen (optisch, akustisch, haptisch, etc.; siehe hierzu Kap. 4) zur Verfügung.⁹

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Abb. 5: Das Prinzip des Mensch-Maschine-Regelsystems in ausführlicherer Darstellung

Festzuhalten ist, dass die realisierten Fahrsimulatoren von einfachen Sitzkisten, also Fahrzeugkarosserien, deren Innenleben vollständig erhalten geblieben sind, mit davor montierten Monitoren zur Darstellung der Umgebung bis hin zu komplexen Systemen reichen, die alle menschlichen Sinne zu täuschen versuchen, um eine reale Fahrsituation zu simulieren. Grundsätzlich gilt, dass die Ausstattung und Fähigkeit eines Fahrsimulators sich nach dem Untersuchungsgegenstand der Forschung richten sollte. Bei der Kategorisierung von Fahrsimulatoren wird auch von „low fidelity“, „medium fidelity“ und „high fidelity“ gesprochen. In anderen Worten: Fahrsimulatoren von geringer, mittlerer und hoher Abbildungstreue. So werden die anfangs geschilderten einfachen Konzepte der „low fidelity“ Simulatoren zugeordnet. Zu der Kategorie „medium fidelity“ gehören die statische Aufbauten mit vollständiger Sitzkiste und besserer Bildprojektion mit einem erweitertem Sichtfeld, welche über viele, jedoch nicht alle mögliche Sinnesreize verfügen. Dynamische Fahrsimulatoren versuchen alle für die Fahrzeugführung relevanten Sinneseindrücke zu simulieren und werden deshalb als „high fidelity“ deklariert.¹⁰

4. Informationskanäle und deren Darstellung

Beim Führen eines Fahrzeuges nimmt der Fahrer seine Umwelt anhand der Beurteilung vieler Sinnesreize wahr. Fahrsimulatoren müssen einen Teil dieser Sinnesreize künstlich erzeugen, um die Fahrsituationen so realistisch wie möglich abzubilden, weshalb die sensorische Fähigkeiten des Menschen in diesem Kapitel erläutert werden.

Allerdings ist der Mensch nicht in der Lage alle Informationen gleichzeitig aufzunehmen. Aufgrund der begrenzten Aufnahmefähigkeit wird nur eine reduzierte Informationsmenge verarbeitet. Je nach Literaturangabe wird einer Aufnahmekapazität von 109 bis 10¹¹ bit/sec eine Verarbeitungskapazität von 16 bis 100 bit/sec gegenübergestellt. Abbildung 6 zeigt die Informationsaufnahme nach Durth. Hierbei soll betont werden, dass die weitergeleiteten Informationen nicht nur aufgrund bewusster Aktionen erfolgen, sondern auch durch unbewusste Reaktionen und Reflexe des Fahrzeugführers (gemeint sind „remnante“ Bewegungen / Eigenrauschen). Dies bedeutet, dass dem Fahrer auch Informationen im Fahrsimulator anzubieten sind, die nicht originär für die Fahraufgabe relevant erscheinen.11

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Abb. 6: Informationsaufnahme nach Durth (bit/sec)

In Abbildung 7 werden die für die Fahraufgabe relevanten Informationen aufgeführt, die der Mensch mit seinen Sinnesorganen wahrnehmen kann. Voraussetzung für die Wahrnehmung ist, dass bestimmte Merkschwellen überschritten werden, die von Intensität und Einwirkdauer abhängig sind.12

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Abb. 7: Für die Fahrzeugführung relevante Informationen und die dabei aktivierten Sinnesorgane

Entscheidend für die Fahrsimulation sind fünf Wahrnehmungsarten: Die optische, vestibuläre, epikritische, haptische und akustische Informationen. Diese Reihenfolge stellt gleichzeitig die Rangfolge hinsichtlich der Wichtigkeit des Wahrnehmungsbereiches bei der Fahrzeugführung dar.

[...]

¹ Vgl. FREYMANN, R., Prof. Dr.-Ing. habil.: Auto und Fahrer im 21. Jahrhundert, in: Der Fahrer im 21. Jahrhundert. Anforderungen, Anwendungen, Aspekte für Mensch-Maschine-Systeme, VDI-Berichte 1768, hrsg. v. Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2003, S. 9ff.

² Zur Untersuchung des Gesamtsystems „Fahrzeugführung" können zwei Methoden angewandt werden: Prüfungen im geschlossenem Regelkreis „closed loop", d. h. Bewegungsabläufe eines Fahrzustandes unter Voranstellung der Führungsaufgaben und unter Einbeziehung des Lenkvermögens des Fahrers. Demgegenüber Prüfungen im offenen Regelkreis „open loop", d. h. Versuch den Fahrereinfluss auszuschalten, indem mit Brems- und Lenkmaschinen definierte Eingabedaten produziert werden.

³ Vgl. KRAFT, Christian: Gezielte Variation und Analyse des Fahrverhaltens von Kraftfahrzeugen mittels elektrischer Linearaktuatoren im Fahrwerksbereich, Dissertation am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2007, S. 8f.

⁴ Vgl. NEGELE, Hans J.: Anwendungsgerechte Konzipierung von Fahrsimulatoren für die Fahrzeugentwicklung, Dissertation an der Technischen Universität München 2007, S. 4f.

⁵ Vgl. TOMASKE, Winfried: Einfluß der Bewegungsinformation auf das Lenkverhalten des Fahrers sowie Folgerungen für die Auslegung von Fahrsimulatoren, Dissertation an der Hochschule der Bundeswehr Hamburg 1983, S. 10.

⁶ Vgl. ARAND, W., Prof. Dr.-Ing. habil.: Anforderungen an Fahrsimulatoren zur Untersuchung des FahrerFahrzeug-Verhaltens sowie der verkehrstechnisch relevanten Eigenschaften von Straßenentwürfen, hrsg. v. Bundesminister für Verkehr, Abteilung Straßenbau, Bonn-Bad Godesberg, Heft 375/1982, S. 8.

⁷ Vgl. ARAND, W., Prof. Dr.-Ing. habil.: Anforderungen an Fahrsimulatoren zur Untersuchung des FahrerFahrzeug-Verhaltens sowie der verkehrstechnisch relevanten Eigenschaften von Straßenentwürfen, hrsg. v. Bundesminister für Verkehr, Abteilung Straßenbau, Bonn-Bad Godesberg, Heft 375/1982, S. 9.

⁸ Vgl. BAUMANN, Gerd: Werkzeuggestützte Echtzeit-Fahrsimulation mit Einbindung vernetzter Elektronik, Dissertation an der Universität Stuttgart 2003, S. 52.

⁹ Vgl. Ebenda, S. 53.

¹⁰ Vgl. KNAPPE, Gwendolin: Empirische Untersuchungen zur Querregelung in Fahrsimulatoren. Vergleichbarkeit von Untersuchungsergebnissen und Sensitivität von Messgrößen, Inaugural-Dissertation der FriedrichAlexander-Universität Erlangen-Nürnberg 2009, S. 39.

¹¹ Vgl. TOMASKE, Winfried: Einfluß der Bewegungsinformation auf das Lenkverhalten des Fahrers sowie Folgerungen für die Auslegung von Fahrsimulatoren, Dissertation an der Hochschule der Bundeswehr Hamburg 1983, S. 12.