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Virtueller Fahrerplatz

In keinem anderen Fahrzeugtyp ist die Verbindung von Fahrer und Fahrzeug so intensiv wie in einem Sportwagen. Die Simulation im virtuellen Fahrerplatz optimiert die Weiterentwicklung von Ergonomie und Nutzerfreundlichkeit.

Mit dem virtuellen Fahrerplatz der zweiten Generation verfugt Porsche über ein hochmodernes Entwicklungswerkzeug, um die Verbindung von Fahrer und Fahrzeug weiter zu verbessern und auf die gesamte Porsche-Produktpalette zu übertragen. Der Simulator ermöglicht präzise Tests der Interaktion zwischen Mensch und Technik praktisch in jeder Phase der Entstehung neuer Fahrzeuge, Systeme oder Funktionen. Das Anwendungsspektrum reicht von der Darstellung virtueller Realität inner- und außerhalb des Autos bis hin zu Versuchen mit kompletten Fahrzeugen. Fahrsimulatoren sind in der Fahrzeugentwicklung die frühe Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Sie ermöglichen „Testfahrten“ mit virtuellen Fahrzeugen in jeder beliebig digitalisierten Umgebung. Kritische Situationen können risikofrei und reproduzierbar „durchfahren“ werden. Und sie verkürzen die Entwicklungszeiten deutlich: Der Austausch realer Bauteile ist in kürzester Zeit möglich, virtuelle Elemente können auf Knopfdruck verändert werden.

Neuer virtueller Fahrerplatz: mehr Variabilität und breites Einsatzspektrum

Den ersten virtuellen Fahrerplatz für die Untersuchung des Zusammenspiels von Mensch und Maschine hat Porsche bereits 2007 in Betrieb genommen. Basierend auf den Erfahrungen mit diesem Simulator entstand die zweite Generation dieses Entwicklungswerkzeugs. Einige Konzepte des ersten Systems konnten übernommen werden, andere wurden weiterentwickelt oder neu konzipiert. Der neue virtuelle Fahrerplatz zeichnet sich vor allem durch seine Variabilität und das breite Einsatzspektrum aus. Auf der Plattform eines Hexapoden können beliebige Nutzlasten mit einem Gewicht von bis zu 1.500 kg montiert werden – angefangen von einfachen Sitzen bis hin zu komplexen Sitzkisten und sogar ganzen Fahrzeugen, bei denen kleinere Bewegungsimpulse über die Vorderachse eingeleitet werden. Die Entwicklungsingenieure unterscheiden drei Grundfunktionen:

Hexapod mit sechs Freiheitsgraden simuliert Beschleunigungen

  • Das Bewegungssystem

    Eine Kernkomponente des virtuellen Fahrerplatzes ist das Bewegungssystem. Es besteht aus sechs unabhängig voneinander ansteuerbaren elektrischen Aktuatoren und einer Plattform für Nutzlasten. Dieser Hexapod mit sechs Freiheitsgraden übernimmt die Darstellung der Beschleunigungen, die im Fahrzeug herrschen. Er ist in einer Grube im Simulatorraum eingebaut und verfügt über einen Bewegungsraum von jeweils rund ±40 Zentimetern in Längs-, Quer- und Hochrichtung und jeweils ±30- Grad-Rotation (Nicken, Rollen und Gieren). Ein speziell entwickeltes Zugangssystem zur Plattform sorgt dafür, dass Nutzlasten einfach und ohne Zuhilfenahme eines Krans montiert werden können und das Einsteigen in die Sitzkiste keine Treppe oder Leiter erfordert. Neben der leichten Zugänglichkeit spielt Sicherheit eine zentrale Rolle im Konzept des Simulators. Ein Zaun, Überwachungskameras und zahlreiche Sensoren beispielsweise an Gurtschloss und Türen gewährleisten den gefahrlosen Betrieb.

  • Der Simulatoraufbau

    Der Simulatoraufbau ermöglicht es, Längs- und Querbeschleunigung, Aufbaubewegungen (beispielsweise bei Fahrten am Hang oder in Querneigung zur Straße) sowie Schwingungen, wie sie bei Fahrbahnunebenheiten auftreten, nachzubilden. Längs- und Querdynamik eines Fahrzeugs werden im virtuellen Fahrerplatz auf zwei verschiedene Arten dargestellt:

    Translation der Plattform erzeugt ein realistisches Fahrgefühl. Durch die eingeschränkten Verfahrwege aber können die Beschleunigungen zeitlich nur relativ kurz dargestellt werden. Rotation der Plattform vermittelt dem Fahrer durch langsames Verkippen der Plattform einen Eindruck von lang andauernder Beschleunigung. Dabei wird die Physiologie des Menschen ausgenutzt: Er nimmt schnelle Drehungen auch tatsächlich als Drehung wahr, langsame jedoch als Änderung der wirkenden Beschleunigung.

  • Realistisches Fahrgefühl

    Die gleichzeitige Nutzung beider Bewegungsarten erzeugt ein möglichst realistisches Fahrgefühl. Die dargestellte Umgebung passt sich den Bewegungen an. Die Bewegung des virtuellen Fahrzeugs wird anhand von echtzeitfähigen Berechnungsmodellen ermittelt, welche intern vom entsprechenden Entwicklungsbereich aufgebaut und bereitgestellt werden. Neben der Berechnung der Position des Fahrzeugs in der virtuellen Umgebung erfolgt ebenso die Bestimmung von Beschleunigungen, der Aufbaubewegungen und der Lenkkräfte. Die Eingaben des Fahrers wie Lenkwinkel und Pedalstellungen dienen als elektronische Eingangssignale in die Fahrdynamikberechnungen. Im sogenannten Motion Cueing werden die berechneten Beschleunigungen im Fahrzeug auf die Bewegung des Hexapoden übertragen.

Dreidimensionale Visualisierung über Rückprojektionsscheiben

Computergenerierte Bilder auf drei hochauflösende Stereoprojektoren

Die Darstellung der Umgebung und der Fahrzeugkomponenten, die nicht physisch vorhanden sind, erfolgt durch Projektion auf bis zu sechs Seiten eines Quaders. Bis zu 15 Projektoren erzeugen die Grafiken auf speziell beschichteten Rückprojektionsscheiben. Der Quader verfügt über eine Kantenlänge von 4,2 × 4,2 × 2,6 Metern. Diese Anordnung wird Cave Automatic Virtual Environment (CAVE) genannt. Pro Seite erzeugen die Projektoren rund 3.840 × 2.160 Pixel. Das entspricht in etwa der heute in digitalen Kinos verwendeten sogenannten 4K-Auflösung. Durch ein aktives Stereoverfahren können dreidimensionale Grafiken generiert werden, die der Betrachter über spezielle Brillen als räumliches Bild wahrnimmt.

Ein optisches Trackingsystem ermöglicht das Messen der genauen Position des Fahrerkopfes innerhalb der CAVE. Diese Information wird von den Grafi k-PCs benötigt, um die physikalisch korrekte Perspektive des Fahrers darzustellen. Das hat zur Wirkung, dass der Fahrer je nach Kopfposition einen Fußgänger sehen kann oder nicht, weil dieser zum Beispiel von der A-Säule des Fahrzeugs verdeckt ist. Für eine realistische Immersion, wie das Eintauchen in die virtuelle Realität genannt wird, ist auch die Simulation von Sound nötig. Hierbei werden nicht nur die Geräusche des eigenen Fahrzeugs erzeugt, sondern auch die der Umgebung, wie zum Beispiel vorbeifahrender Autos. Alle Systeme des Fahrsimulators sind echtzeitfähig und kommunizieren untereinander mit sehr hohen Datenraten. So wird die Eingabe eines neuen Lenkwinkels über einen Datenbus an die Fahrdynamiksimulation übermittelt, welche daraus die neue Position des Fahrzeugs in der virtuellen Umgebung errechnet und anschließend die Koordinaten via Netzwerk an die Grafik-PCs versendet, wo dann die 3D-Visualisierung erstellt wird. Das alles erfolgt mit Taktraten von 60 Hertz (Visualisierung) bis 1.000 Hertz (Fahrdynamikberechnung).

Testkandidaten: Rückspiegel, Kofferräume, Assistenzsysteme

  • Ergonomie und Mensch-Maschine-Interaktion

    Porsche setzt den virtuellen Fahrerplatz für neue Fahrzeugkonzepte wie den vollelektrischen Mission E ebenso ein wie für die Weiterentwicklung aller bestehenden Baureihen. Unter anderem geht es dabei um die beiden Schwerpunkte Ergonomie und Mensch-Maschine-Interaktion (HMI). Bei der Ergonomie stehen beispielsweise Sichtuntersuchungen etwa von Rückspiegeln, Form und Lage der Fahrzeugscheiben sowie Kamerasystemen auf der Agenda. Dazu gehören aber auch die Überprüfungen von aktiven Sicherheitsfunktionen und von Fahrzeugkonzepten, zum Beispiel Kofferraumvarianten. Im HMI-Bereich geht es beispielsweise um das Testen von Fahrerassistenzsystemen und um die Gestaltung von Informationsübermittlungen – mit dem Ziel, die entsprechenden Komponenten so anzuordnen, dass der Fahrer Informationen schnell aufnehmen und entsprechend zügig reagieren kann.

  • Verhalten von Fahrzeug und Fahrer

    Um reale Fahrzeugkomponenten als Teil der Simulation verwenden zu können ist es nötig, Steuergeräte – etwa ein Kombiinstrument oder Taster – über CAN-Bus anzusteuern und die Funktion durch Restbussimulation zu gewährleisten. Ein elementarer Bestandteil des Simulators ist das Erfassen und Speichern der relevanten Daten einer virtuellen Fahrt. Dabei geht es nicht nur um das Verhalten des simulierten Fahrzeugs allein, sondern auch um die physiologischen Daten des Fahrers in Bezug auf seine Umgebung. Dadurch können Einflüsse und Wechselwirkungen, beispielsweise durch die Position der simulierten Fahrzeuge in der Nähe und Fahrerreaktionen wie Augenposition oder Kopfdrehwinkel, untersucht und bewertet werden.

Simulator bewährt sich als fachübergreifendes Entwicklungstool

Die Testergebnisse aus dem Simulator ermöglichen, im Fahrzeugentwicklungsprozess sehr früh Aussagen über die Funktion und Wirkung des Fahrzeugs und darin implementierter Komponenten zu treffen. Insbesondere Systeme, bei denen der Mensch mit dem Fahrzeug interagiert, sind für die Analyse in dieser Simulationsumgebung prädestiniert. Darüber hinaus nutzt Porsche den virtuellen Fahrerplatz auch als Plattform, auf der die Ingenieure der verschiedenen Disziplinen fachbereichsübergreifend Themen testen, diskutieren und präsentieren sowie über diese entsprechend entscheiden können.

Die Vorteile zahlen sich unmittelbar im Entwicklungsprozess aus: Die Ergebnisse, die im virtuellen Fahrerplatz ermittelt werden, tragen dazu bei, durch vorgelagerte virtuelle Entwicklungszyklen die Qualität der später hergestellten Prototypenfahrzeuge zu steigern und frühzeitig Entscheidungen mit hoher Tragweite zu ermöglichen. Somit führt der virtuelle Fahrerplatz insgesamt zu einer Verkürzung der Entwicklungszeit und zum effektiveren Einsatz der realen Erprobungskomponenten.