Stuttgarter Fahrsimulator
Die Kuppel des Stuttgarter Fahrsimulators bietet mit einem Durchmesser von 5,5 Metern Platz für ein Fahrzeug-Mockup einer vollständigen PKW-Karosserie. Es können Mockups auf Basis bestehender Serienfahrzeuge oder nicht fahrender Prototypen eingebracht werden. Durch standardisierte Schnittstellen des Mockups für die mechanische Befestigung in der Kuppel, elektrische Versorgung und Datenübertragung können die Fahrzeuge zügig gewechselt werden. Die Fahrgastzelle des Fahrzeugs bleibt komplett erhalten. Bedienelemente des Fahrzeugs funktionieren und werden abhängig von der behandelten Fragestellung mit unterschiedlichen Funktionen belegt. Rückstellkräfte von Bremse und Lenkrad werden durch permanenterregte Synchronservomotoren realitätstreu gestellt.
Zur Beurteilung von Fahrerreaktionen stehen Videoaufzeichnung, Eyetracking und eine Überwachung der Position des Fahrersitzes zur Verfügung. Zeitsynchron dazu werden simulierte Fahrzeugzustände oder Zustände von eingesetzten Assistenzsystemen aufgezeichnet.
Kontakt
Tel.: +49 711 685-68116
Gefördert durch:
In der ARD-Mediathek finden Sie einen Beitrag des SWR zum Stuttgarter Fahrsimulator.
Facility
Visualisierungssystem
12 ESP-LWXT-0,6 Projektoren mit WUXGA-Auflösung ermöglichen ein beeindruckendes Fahrerlebnis. Eine 241°-Frontprojektion mit ca. 10800x1920 Pixeln wird mit 9 Projektoren erreicht und 3 weitere Projektoren projizieren die entsprechenden Rückspiegelansichten an die Kuppelwand. Zusammen mit dem openWARP2-System der Firma eyevis werden die für die gewölbte Kuppelwand benötigten Geometriekorrekturen innerhalb eines Frames in Echtzeit berechnet. Eine Parametrierung der Warp-Matrizen erfolgt über das von der Firma domeprojection.com entwickelte Kamera-basierte Auto-Kalibrierungssystem. Zum Rendering der Bilder kommen leistungsfähige Grafikrechner mit i7-6850K Prozessoren und Geforce GTX 1080 TI Grafikkarten zum Einsatz.
Bewegungssystem
Das Bewegungssystem des Stuttgarter Fahrsimulators besteht aus einem Schlittensystem zur Simulation großer linearer Beschleunigungen in Fahrzeuglängs- und querrichtung sowie einem darauf installierten Hexapod. Das System verfügt somit über 8 Freiheitsgrade und kann lineare Bewegungen in einem Arbeitsraum von 10 auf 7 m ausführen. Damit sind Spurwechsel und transiente Vorgänge beim Anfahren oder Schalten ohne Skalierung darstellbar sowie kombinierte Längs- und Querbewegungen, wie sie bei normalen Fahrten sowie dem automatisierten Fahren auftreten. Es können Beschleunigungen von bis zu 8 m/s^2 erreicht sowie Roll-, Nick- und Gierbewegungen wiedergegeben werden.
Simulation von Vibrationen
Über den Hexapod, Schwingerreger an der Fahrzeugkarosserie und ein System aus Lautsprechern wird der komplette Frequenzbereich von in Fahrzeugen auftretenden Schwingungen abgedeckt. Dadurch wird eine realistische Darstellung von Umgebungsgeräuschen und Fahrzeugschwingungen erreicht sowie die gezielte Einflussnahme auf taktil und aural wahrnehmbare Schwingungen von Fahrbahn-/Reifen-, Motor- oder Karosserieanregung.
Geräuschsimulation
Zur Abbildung der Fahrgeräusche sind innerhalb der Kuppel verschiedene Lautsprecher montiert. Vier außerhalb des Fahrzeug-Mockups positionierte Lautsprecher dienen zur Positionierung und Darstellung von umgebenden Klängen wie vorbeifahrende Fahrzeuge. Diese werden auch zur Erzeugung der Wind- und Abrollgeräusche verwendet. Die Antriebsstranggeräusche werden über zwei Lautsprecher innerhalb des Mockups simuliert. Zwei weitere Bluetooth-Lautsprecher erlauben die Positionierung von zusätzlichen Klangquellen an verschiedenen Positionen. Bei der Verbindung der Lautsprecher kommen digital Formate wie MADI und AES3 zum Einsatz.
Sensorprüfstand
Zum Einbinden bzw. Testen von zum Teil intelligenten Sensoren werden in einem separaten Prüfstand entsprechende Verbindungen bereitgestellt. Dabei können GPS-Signale über eine GPS-Simulation der Firma Spirent sowie der elektronische Horizont im ADASIS Format bereitgestellt werden. Des Weiteren können Kamerasysteme mit entsprechenden synthetischen Bildern versorgt werden. Auch ein Zugang zu den Fahrzeugdaten ist über einen CAN-Zugang gewährleistet. Andere Kommunikationsmedien wie Ethernet, USB usw. können ebenfalls verwendet werden. Zum Testen neuer Sensoranwendungen stehen verschiedene Entwicklungsplattformen zur Verfügung (VRmagic D3, Nvidia PX2, BP-ECS7800, …).
Kopplung mit anderen Einrichtungen
Das Fahrsimulatorsystem kann über eine echtzeitfähige Datenverbindung mit einem Antriebsstrangprüfstand kommunizieren. Bei dieser Kombination aus Driver in the Loop und Hardware in the Loop erhält der Antriebsstrang als Eingaben die Fahrwiderstände aus der Umgebungssimulation und die Fahrereingaben wie Fahrpedalstellung. Der Fahrer erhält im Gegenzug eine direkte Rückmeldung des Triebstrangverhaltens. Beide Seiten können dadurch von einer Erhöhung der Realitätstiefe profitieren.
Kommunikationsnetzwerk
Zur Verbindung der verschiedenen Simulationssysteme werden UDP-Verbindungen aufgebaut. Eine TCP-Kommunikation erlaubt die Konfiguration der Systeme und eine Veränderung der Parameter während der Laufzeit. Das ab Dezember 2017 integrierte Reflective-Memory-Netzwerk wird die bisherige UDP-Kommunikation weitgehend ersetzen und einen schnellen synchronisierten Datenaustausch ermöglichen. Mittels eines SQL-Servers werden die Konfigurationsdaten gesichert und erlauben eine Wiederhol- und Übertragbarkeit der durchgeführten Simulation.
Technologie
Framework für die Darstellung von Fahrerassistenz- und automatisierten Fahrfunktionen
Im Stuttgarter Fahrsimulator steht ein vom FKFS entwickeltes umfangreiches Framework für die Darstellung von Fahrerassistenz- und automatisierten Fahrfunktionen in allen Automatisierungsgraden zur Verfügung. Neben Grundfunktionalitäten wie der Trajektoriengenerierung für die Längs- und Querdynamik, kann das System zur Steigerung des Funktionsumfangs beliebig erweitert werden. So können beispielsweise Systemfehler simuliert und die Beherrschbarkeit der Situation und die Akzeptanz durch den Fahrer getestet und validiert werden. Eine enge Verknüpfung mit der Umgebungssimulation sowie den Benutzerschnittstellen (aktives Fahr- und Bremspedal sowie Anzeige- und Bedienelemente), ermöglichen eine flexible Gestaltung prototypischer Gesamtsysteme.
Das FKFS bietet damit eine auf Kundenanforderungen zugeschnittene Realisierung von Gesamtszenarien zur Untersuchung von Fahrerassistenzsystemen und automatisierten Fahrfunktionen.
Anzeige- und Bedienelemente
Für die prototypische Realisierung von Benutzerschnittstellen für Fahrerassistenzsysteme, autonome Fahrfunktionen, etc. stehen die Standardbedienelemente eines Serienfahrzeugs zur Verfügung. Zusätzlich können visuelle, haptische und/oder akustische Fahrerinteraktionsschnittstellen flexibel eingesetzt und hinzugefügt werden. Für die Darstellung von haptischem Feedback an der Pedalerie stehen ein haptisches Fahr- sowie Bremspedal zur Verfügung. So können schnell und effektiv Untersuchungen von Funktionen mit Force Feedback oder dynamischen Bremspedalkennlinien durchgeführt werden. Eine elektromechanische Lenkung ermöglicht die realitätsnahe Darstellung verschiedener Lenkungscharakteristika sowie die Beaufschlagung des Lenkrads mit Momenten.
Datenerfassung
Fahrereingaben und Fahrzeugreaktionen werden als Ergebnis der Fahrdynamiksimulation mitlaufend aufgezeichnet. Die simultane Aufzeichnung mehrerer Videokanäle läuft zeitsynchron zu den Fahrzeugzuständen. Kameras sind auf das Innere der Fahrgastzelle und auf die Projektion an der Kuppelwand gerichtet. Ausgewählte Fahrzeuggrößen werden, mit Zeitstempel, direkt in den Videomitschnitt eingeblendet. Passend dazu werden Betriebszustände von Assistenzsystemen und Daten aus der Umgebungssimulation bereitgestellt.
Strecken- und Szenarienbeschreibung
Basis der virtuellen Welt am Fahrsimulator ist das Straßennetzwerk im OpenDRIVE Format. Dieses kann über Streckenmessungen oder vorhanden OpenStreetMap bzw. Intermap Daten gewonnen werden. Mikroskopische Straßeneigenschaften werden über OpenCRG beschrieben oder über deterministische Filterbanken zur Laufzeit berechnet. Die visuelle Repräsentation erfolgt anhand einer OpenSceneGraph Datei, die mittels des Tools Road Network Editor (ROD) der Firma VIRES Simulationstechnologie GmbH erstellt wird, oder über eine Unreal Engine 4 Map.
Zur visuellen Darstellung der Umgebung kommen Imagegeneratoren der Firma VIRES zum Einsatz. Auch die Simulation des Fremdverkehrs und der Passanten erfolgt mittels Virtual Test Drive VTD. Ein ScenarioEditor ermöglicht die Konfiguration der Verkehrsteilnehmer und die Beeinflussung aller VTD Komponenten über das SCP Protokoll. Dieses wurde um die eigenen Simulationspartner erweitert und erlaubt somit eine Verwirklichung jedes möglichen Szenarios. Auch kann die Abfolge der zu untersuchenden Ereignisse durch „invisble Jumps“ interhalb der Simulationswelt verändert werden.
Fahrzeugmodelle
Zur Simulation des Fahrzeugverhaltens steht IPG CarMaker mit Xpack4-Echtzeitsystem zur Verfügung. Es können kundeneigene CarMaker-Modelle eingesetzt werden oder validierte Fahrzeugmodelle des FKFS. Der modulare Aufbau der Simulationsumgebung des Stuttgarter Fahrsimulators ermöglicht Fahrdynamikmodelle unterschiedlicher Modellierungstiefe auch auf anderen Echtzeitplattformen zu verwenden, wie beispielsweise Simulink Real-Time.
Motion-Cueing-Algorithmus
Der Motion-Cueing-Algorithmus wurde von Fachleuten des FKFS speziell für das Bewegungssystem des Stuttgarter Fahrsimulators entwickelt. Dabei können je nach Anwendungsfall Parametrierungen für eine exakte Wiedergabe der Fahrzeugbewegungen, z B. für Fahrwerksabstimmungen, und für ein ganzheitliches Fahrerlebnis, z. B. für Probandenstudien, vorgenommen werden. Die Ausfallraten auf Grund von Simulatorkrankheit liegen unter 5 %.
Leistungsangebot
Unser Leistungsangebot
Für Ihre Untersuchungen steht Ihnen Europas größter Fahrsimulator sowie Experten verschiedener Fachrichtungen zur Verfügung. Unsere Leistungen passen wir auf Ihre individuellen Anforderungen an. Wir entwickeln auf Ihre Funktion abgestimmte Testszenarien und führen statistisch aussagekräftige Probandenstudien einschließlich der Befragung der Teilnehmer mittels Fragebogen oder Interview durch.
Durch eine flexible Ausrichtung wird der Stuttgarter Fahrsimulator in vielen Bereichen eingesetzt. Die folgende Auflistung gibt einen Überblick, welche Anwendungsbereiche u. a. möglich sind:
- Hochautomatisiertes Fahren und Fahrerassistenzsysteme: Untersuchung der Akzeptanz von Fahrfunktionen durch den Fahrer, sowie Test von kritischen Szenarien in einer sicheren Umgebung.
- Virtuelle Applikation: Konzept- und Variantenbewertung von Fahrzeugen oder auf Bauteilebene. Auslegung von Antriebsstrang-, Fahrwerks- und Aerodynamikkomponenten.
- Fahrerverhalten: Untersuchungen zur Interaktion des Fahrers mit einer Funktion des Fahrzeugs oder mit anderen Verkehrsteilnehmern.
- User Experience: Erlebbarkeit zukünftiger Anzeige-, Bedienungs- und Fahrzeugkonzepte.
Forschung
VALIDATE
Im Rahmen der High-Tech-Strategie und des Forschungsprogramms IKT2020 der deutschen Bundesregierung wurde ab Juli 2008 an der Universität Stuttgart das interdisziplinäre Forschungsprojekt VALIDATE, mit dem Ziel einer Reduzierung von CO2-Emissionen durchgeführt. Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung bis Dezember 2011 finanziert. Die Förderung ermöglichte den Aufbau einer einzigartigen Forschungsplattform für die Untersuchung von elektronischen Systemen zur Energieverbrauchsreduzierung, in einer teilweise oder vollständigen virtuellen Umgebung. Als Bestandteil der Forschungsplattform wurde der Stuttgarter Fahrsimulator aufgebaut.
Einerseits wurden Systeme untersucht, die den Energieverbrauch direkt durch Steuerung und Regelung des Antriebstrangs und des Bordnetzes beeinflussen. Andererseits wurden Fahrerassistenz- und Informationssysteme untersucht, die indirekt zu einer Energiereduzierung führen, indem sie den Fahrer beim Fahren unterstützen. Durch Messfahrten im Realverkehr konnte gezeigt werden, dass der Fahrstil einen hohen Einfluss auf den Energieverbrauch und die Energieverteilung im Fahrzeug hat.
Mithilfe der Forschungsplattform wurde ein neues Fahrerassistenzsystem entwickelt, das CO2-Reduzierungen von 11,3 % in einem virtuell nachgebildeten, realen Fahrzyklus ermöglicht.
ZuSE – Zuverlässigkeit und Sicherheit von Elektrofahrzeugen
Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt ZuSE wurden zusammen mit der ZF Friedrichshafen AG, dem Institut für Straßen- und Verkehrswesen und der assoziierten Adam Opel AG sicherheitsrelevante Systeme für die gesamte Bandbreite von Elektrofahrzeugen untersucht. Durch das Projekt konnte die Güte des virtuellen Fahrversuches für Elektrofahrzeuge mit dem Stuttgarter Fahrsimulator erhöht werden, so dass nun sämtliche Elektrofahrzeugspezifische Charakteristika, wie bspw. die Geräuschkulisse, simuliert werden können. In Verbindung mit dem elektrifizierten Antrieb wurde ein durchgängiger Entwicklungsprozess für Test und Validierung von semiautonomen Assistenzfunktionen als Vorstufe zur Vollautomatisierung von Straßenmessungen bis hin zu Probandenstudien im Simulator erarbeitet, der nun in weiteren Projekten Anwendung findet. Im Rahmen des Projektes wurden darüber hinaus Einflussfaktoren identifiziert, die die Akzeptanz von sicherheitsrelevanten Assistenzfunktionen erhöhen.
Simulation des Fahrens unter instationärem Seitenwind
Das FKFS-interne Projekt Simulation des Fahrens unter instationärem Seitenwind hatte das Ziel, den Einfluss von instatinärem Seitenwind auf das Verhalten des Fahrzeugs im Stuttgarter Fahrsimulator erlebbar und erfahrbar zu machen. Dazu wurde die Simulation der instationären Aerodynamik mit der Fahrdynamiksimulation gekoppelt und die Bewegungsdarstellung im Simulator optimiert. Diese gibt die Fahrzeugbewegungen sehr exakt und mit minimal möglicher zeitlicher Verzögerung wieder und gibt dem Fahrer eine entsprechende Rückmeldung über Veränderungen am Fahrverhalten. Entstanden ist ein Simulatorsetup, das es ermöglicht sowohl aerodynamische Effekte zu erleben als auch unterschiedliche Parametrierungen von Komponenten des Fahrwerks im Simulator bewerten und validieren zu können. Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit mit der Abteilung durchgeführt, die sich am FKFS mit Fahrdynamik beschäftigt.
Ermittlung des Einflusses von Antriebsgeräuschen und Schwingungen auf das Fahrerverhalten
Gefördert durch die Friedrich und Elisabeth Boysen-Stiftung wurden am Stuttgart Fahrsimulator Untersuchungen zur Darstellung eines realistischen Fahrgefühls angestellt. Dies wurde erreicht durch den Aufbau einer Anlage, die ermöglicht das gesamte Spektrum im Fahrzeug auftretender Schwingungen am Fahrsimulator wiederzugeben. Mittels aufwendiger Simulationsmodelle wird ein dem Fahrzeugtyp und Fahrzustand entsprechendes realistisches Fahrgefühl vermittelt. Zudem ermöglicht der gekoppelte Betrieb mit einem Multikonfigurations-Antriebstrangprüfstand die Wirkung eines realen Fahrzeugantriebs am Fahrsimulator wiederzugeben.
Industrieprojekte
Subjektive Bewertung der Längsdynamik verschiedener Antriebsstränge
Im Rahmen eines Industrieprojekts mit der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG wurde der Stuttgarter Fahrsimulator erfolgreich zur subjektiven Bewertung der Längsdynamik verschiedener Sportwagenkonzepte eingesetzt. Ziel dieser Fahrbarkeitsuntersuchungen war die möglichst akkurate Abbildung und Bewertung der Fahreigenschaften von digitalen Prototypen.
Die Versuchspersonen führten in der Studie verschiedene Tip-in-Manöver auf der Teststrecke und im Stuttgarter Fahrsimulator durch. Dabei kamen mehrere Sportwagenkonzepte zum Einsatz. Es zeigte sich, dass die Expertenbewertungen im Fahrsimulator und auf der Teststrecke sehr gut miteinander übereinstimmten und die Tip-in-Manöver im Stuttgarter Fahrsimulator als äußerst realitätsnah empfunden wurden. Auch die Einflüsse der verschiedenen Aufladekonzepte auf die Beschleunigungscharakteristik konnten detailgetreu im Fahrsimulator nachgebildet werden. Darüber hinaus waren die Versuchspersonen im Fahrsimulator sogar in der Lage, feine Unterschiede besser zu differenzieren als auf der Teststrecke. Dies macht den Stuttgarter Fahrsimulator auch für zukünftige Fragestellungen der virtuellen Applikation interessant.
Subjektive Bewertung der Querdynamik
Im Rahmen eines Industrieprojekts mit der Honda R&D Europe (Deutschland) GmbH wurde der Stuttgarter Fahrsimulator erfolgreich zur quantitativen Untersuchung der Querdynamik eingesetzt. Ein erstes Ziel war, die Eignung des Stuttgarter Fahrsimulators als Werkzeug zur detaillierten subjektiven Bewertung digitaler Prototypen nachzuweisen. Es wurde gezeigt, dass quantitative Aussagen zu verschiedenen Fahrwerksparametern gemacht werden können, die die Verhältnisse am realen Fahrzeug sehr gut widerspiegeln. Der Fahrsimulator kann damit sowohl für eine Analyse und Optimierung von Phänomenen eingesetzt werden, die an realen Fahrzeugen beobachtetet werden, als auch für eine Fahrwerks-Grundauslegung auf Basis eines digitalen Prototyps.
In einem weiteren Schritt erfolgten Grundlagenuntersuchungen zum Komfort- und Sicherheitsempfinden bei schneller Autobahnfahrt. Hierzu wurden im Stuttgarter Fahrsimulator repräsentative Studien zum Einfluss der verschiedenen Fahrzeugreaktionen in verschiedenen Frequenzbereichen durchgeführt. Auch hier waren eindeutige Aussagen möglich. Die entsprechenden Erkenntnisse sind in den Entwicklungsprozess bei der Honda R&D Europe (Deutschland) GmbH eingeflossen. Auch wird die Thematik „Fahrsimulation" mit Hinblick auf verschiedenste Anwendungsgebiete intensiv weiter verfolgt.