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WO2018184954A1 - Verfahren und computerprogramm zum ansteuern eines simulators sowie simulator hierzu - Google Patents

Verfahren und computerprogramm zum ansteuern eines simulators sowie simulator hierzu Download PDF

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WO2018184954A1
WO2018184954A1 PCT/EP2018/057990 EP2018057990W WO2018184954A1 WO 2018184954 A1 WO2018184954 A1 WO 2018184954A1 EP 2018057990 W EP2018057990 W EP 2018057990W WO 2018184954 A1 WO2018184954 A1 WO 2018184954A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
simulator
vehicle
translational
acting
vertical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/057990
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten SEEHOF
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority to CA3058683A priority Critical patent/CA3058683A1/en
Priority to US16/500,582 priority patent/US11322040B2/en
Publication of WO2018184954A1 publication Critical patent/WO2018184954A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B9/00—Simulators for teaching or training purposes
    • G09B9/02—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft
    • G09B9/08—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft for teaching control of aircraft, e.g. Link trainer
    • G09B9/12—Motion systems for aircraft simulators
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B9/00—Simulators for teaching or training purposes
    • G09B9/02—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft
    • G09B9/04—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft for teaching control of land vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for driving a simulator for simulating a translational and / or rotational movement behavior of a vehicle, in which, based on a simulation model of the vehicle to be simulated acting in the vehicle axles of the vehicle to be simulated specific forces are provided and converted into control commands for driving the simulator in order to simulate the translational and / or rotational movement behavior by moving a simulator cab of the simulator.
  • the invention also relates to a computer program with program code means for this purpose as well as a simulator set up in this way. Movement systems of simulators are controlled according to the current state of the art via filters.
  • the specific forces that are determined from the simulation model of the vehicle to be simulated can also be provided in the form of acceleration values which represent equivalents to the specific forces acting in the vehicle axles of the vehicle to be simulated.
  • This simulation approach provides that the movement and / or acceleration values or forces obtained by the modulation of the vehicle in the simulation are mapped into the movement space of the movement system, wherein the high-frequency components of the translational accelerations and the high-frequency components of the rotational accelerations are directly in the corresponding degrees of freedom of the simulator.
  • the low-frequency components of the translational acceleration in the longitudinal axis and in the transverse axis are represented by the tilting of the simulator cab relative to the earth slot (angle between the vertical axis and the earth slot), whereby the apparent weight vector in the cabin changes.
  • the driver of the simulator Since the remaining user representations such as external view or instruments continue to describe the original position, the driver of the simulator has the impression of a long-lasting translational acceleration in the longitudinal axis or the transverse axis, which is due to the gravitational acceleration in the respective axis.
  • a further limit of such a method is basically that this is only conceivable for longitudinal (longitudinal axis) and lateral (transverse axis) acceleration states, since only corresponding rotational degrees of freedom are available for setting a dummy weight vector with the aid of the soil.
  • longitudinal accelerations can be represented by a pitch attitude, lateral acceleration by a rolling position of the simulator cabine.
  • this method known as tilt-coordination is not applicable, since a load multiple beyond the weight resulting from the earth's solder can not be represented by tilting the simulator cab.
  • accelerations in the vertical vehicle axis can only be imaged by translational accelerations of the simulator cabin, as a result of which such load multiples are restricted to high-frequency components.
  • low-frequency, long-lasting accelerations in the vertical vehicle axle can not be represented by the methods known from the prior art, however.
  • specific forces in the vertical vehicle axle occur as a result of the additional centrifugal forces, especially in the case of a coordinated curve flight or in an interceptor arc, which can not be represented by a translatory movement of the simulator cabin to display the acceleration forces, since these acceleration forces are of low-frequency type.
  • These load multiples in the vertical axis of the vehicle which result from such a curve or intercepting arc, can not be imaged at present with the help of a simulator in the simulator cab.
  • the object is achieved by the method according to claim 1, the computer program according to claim 7 and the simulator according to claim 8 according to the invention.
  • a method for driving a simulator for simulating a translational and / or rotational movement behavior of a vehicle is proposed, in which based on a simulation model of the vehicle to be simulated acting in the vehicle axles of the vehicle to be simulated acting forces or accelerations and in Control commands for driving the simulator are converted to simulate the translational and / or rotational movement behavior by moving a simulator cab of the simulator.
  • the specific forces or accelerations originating from the simulation model of the vehicle to be simulated are initially provided in the vertical vehicle axle, which are referred to as translational accelerations in FIG the vertical axis of the vehicle to be simulated by the simulator.
  • These load multiples in the vertical vehicle axle originate from the simulation model in the simulation of the movement behavior of the vehicle and arise, for example, in a coordinated turn or an interceptor bow, in which the pilot is exempt from forces in the longitudinal and lateral directions and due to the centrifugal forces only load multiples in the vertical axis of the vehicle.
  • a pitch angle of the simulator cab between the horizontal plane and the longitudinal axis of the simulator cab is calculated as a function of the provided force or acceleration, wherein the pitch angle can be adjusted by a rotation of the simulator cab about the transverse axis of the simulator cab.
  • a pitch angle between the horizontal plane (or horizon) and the longitudinal axis of the simulator cabin also leads to an angular deviation between the earth slot and the vertical axis (z-axis) of the simulator cabin.
  • rotary control commands for driving the simulator as a function of the calculated pitch angle of the simulator cab are generated and the simulator is then driven based on the generated rotary control commands to simulate the translational force acting in the vertical vehicle axis by the pitch angle.
  • load multiples in the vertical axis of the vehicle are simulated by adjusting a pitch attitude of the vehicle by rotating the vehicle cabin around the lateral axis based on the load multiple, thereby adjusting the pitch attitude angle.
  • the pressure on the seat and on the other hand the pressure on the backrest in the direction. While the increase in pressure on the seat due to habituation is not particularly noticeable, the increasing pressure on the back is very noticeable. This circumstance makes the present invention use. By tilting the simulator cab about the transverse axis and adjusting a pitch, the pressure on the seat back is also increased. Although this is basically at the expense of the pressure on the seat. However, this is due to habituation not perceived as strong as the pressure in the back.
  • a low-frequency component of the translational force or acceleration acting in the vertical vehicle axle is determined by means of a low-pass filter, and the pitch angle is then calculated as a function of the determined low-frequency component of the translational force or acceleration acting in the vertical vehicle axle, so that in particular low-frequency translational torque Accelerations or forces can be imaged by tilting the simulator cab.
  • a rate of rotation (angle of rotation per time) of the simulator cabin about the transverse axis of the simulator cabin is calculated for setting the calculated pitch angle as a function of the calculated pitch angle, so that by generating rotary control commands based on the calculated rate of rotation, the simulator cab accordingly the transverse axis can be turned.
  • the rotation rate is limited to a value which is below the physiological perception threshold, so that the rotation about the transverse axis of the simulator cab by the driver of the simulator is not perceived and only the increase of the acting force is felt. Therefore, for the method, in particular those low-frequency components of the force to be simulated or acceleration in the vertical axis of the vehicle, which are adjustable due to the limitation of the rotation rate below the physiological perception threshold are suitable. High-frequency components that only act for a short time can only be reproduced to a limited extent if the rate of rotation below the physiological threshold of perception is limited.
  • the rate of rotation is limited to a value of less than or equal to 3 ° per second, so that the rotation or the setting of the pitch position of the simulator cab is not perceived by the driver.
  • the high-frequency components of the translational force acting in the vertical vehicle axle are determined with the aid of a high-pass filter, wherein these high-frequency components are not simulated by a rotation of the simulator cabin, but by a translational movement of the simulator cabin in the vertical axis.
  • corresponding control commands for driving the simulator are generated on the basis of the determined high-frequency components of the translationally acting force or acceleration in order to accelerate the simulator cabin in the direction of the vertical axis of the simulator cab.
  • the control commands for driving the simulator are then used to control the simulator in order to simulate the translational force or acceleration acting in the vertical vehicle axis by the translational acceleration of the simulator cab.
  • the signal is passed through a corresponding filter or filter arrangement both by a high-pass filter and by a low-pass filter. If the specific force acting in the vertical axis only has a high-frequency component, the result of the low-pass filter is zero, while the High pass filter provides the appropriate high frequency content. If the specific force or acceleration acting in the vertical axis, which originates from the simulation model, has only low-frequency components, the result of the high-pass filter is zero, while the low-pass filter supplies the corresponding low-frequency component. In the former case, only the simulator cabin in the vertical axis of the simulator would be accelerated (within system limits), while in the second case according to the invention the simulator cabin is rotated about the transverse axis in order to set the corresponding pitch attitude angle.
  • the specific force originating from the simulation model and acting in the vertical axis of the vehicle has both a high-frequency and a low-frequency component, so that both control commands for a translational movement in the vertical axis of the simulator cab are generated in order to increase the high-frequency components Simulate, as well as simultaneously commands are generated to adjust the pitch to map the low-frequency components.
  • simulation errors can be avoided, which arise from the fact that in conventional filter arrangements, although the high-frequency components are represented by a translational acceleration, but the low-frequency components then no longer.
  • the present invention closes this gap by adjusting a pitch attitude, thereby creating perception within the simulator cab that a load multiple acts in the vertical axis.
  • FIG. 1 representation of a schematic filter arrangement for controlling the
  • Figure 2 is a schematic representation of the active principle.
  • FIG. 1 shows a filter arrangement on the basis of which the values to be simulated are determined, and the control commands for controlling the simulator can be determined based thereon.
  • the filter receives the vertical acceleration in the vertical axis of the vehicle as the translational force acting in the vertical vehicle axis f aaz .
  • this includes the gravitational acceleration, it must be subtracted in the simualtorfesten coordinate system to get to the actual desired acceleration of the cabin (Pi).
  • the result is a load multiple Z in the vertical vertical axis of the vehicle.
  • This load multiple Z in the vertical axis of the vehicle is then passed as input into a high-pass filter HP, which may be, for example, a third-order high-pass filter.
  • HP filters out the high-frequency components of the load variable Z and forwards this result Z, HP to a signal imitator.
  • the signal limiter thereby limits the result Z, iim to a value which can be represented for the simulator, so that in particular the system limits of the simulator are taken into account.
  • the result of this filter which is known from the prior art, is then used to drive the simulator in order to translate the simulator in the vertical axis and thus to be able to simulate the high-frequency components of the translatory acceleration in the vertical axis.
  • the low-pass components of the input signal are now used by subtracting the high-frequency component Z, HP from the load multiple Z (without gravitational acceleration component), which happens at point P2.
  • the result n is is the low-frequency component Z PP , TP of the load multiple Z, which is then further processed according to the invention.
  • the filter according to the invention for the low-frequency component of vertical acceleration can be seen.
  • the lower part of the figure 1 describes the determination of the final pitch attitude angle of the simulator platform or the simulator cabin (9s, g con-) than the sum (P4) of pitch attitude angle due to a specific force in the longitudinal direction (9DX) and an additional pitch attitude angle as a result of the above-described low-frequency component of the translatory acceleration in the vertical direction (9f Z ).
  • the latter is from the low-frequency portion of the acceleration of the cabin in the vertical direction
  • FIG. 2 shows the mode of action of the present invention based on an example of a seated person.
  • the simulator cab is already rotated by a pitch.
  • the gravitational acceleration acts unchanged on the body, but the proportion of gi is reduced compared to the normal, untwisted sitting position, while the proportion g2, which is perpendicular to the seat back 1, compared to the normal, unrotated position is increased.
  • the pressure on the seat 2 is reduced while the pressure on the seat back 1 is increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Simulators, wobei Beschleunigungskräfte in der Hochachse des Fahrzeuges durch Neigen der Simulatorkabine simuliert werden sollen.

Description

Verfahren und Computerprogramm zum Ansteuern eines Simulators sowie Simulator hierzu Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Simulators zur Simulation eines translatorischen und/oder rotatorischen Bewegungsverhaltens eines Fahrzeuges, bei dem basierend auf einem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges die in den Fahrzeugachsen des zu simulierenden Fahrzeuges wirkenden spezifischen Kräfte bereitgestellt und in Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators um- gewandelt werden, um das translatorische und/oder rotatorische Bewegungsverhalten durch Bewegung einer Simulatorkabine des Simulators zu simulieren. Die Erfindung betrifft ebenso ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln hierzu sowie einen derart eingerichteten Simulator. Bewegungssysteme von Simulatoren werden nach derzeitigem Stand der Technik über Filter angesteuert. Diese wandeln die vom Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges ermittelten spezifischen Kräfte in den jeweiligen Fahrzeugachsen in Steuerbefehle für die einzelnen Aktuatoren um, um das Bewegungssystem des Simulators anzusteuern und so die spezifischen Kräfte in entsprechende Bewegungen der Simulatorkabine des Simulators umzuwandeln. Die spezifischen Kräfte, die aus dem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges ermittelt werden, können dabei auch in Form von Beschleunigungswerten bereitgestellt werden, die Äquivalente zu den in den Fahrzeugachsen des zu simulierenden Fahrzeuges wirkenden spezifischen Kräften darstellen.
Durch das Umsetzen der auf dem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges ermittelten spezifischen Kräfte in Bewegungen der Simulatorkabine des Simulators lassen sich Bewegungen eines Fahrzeuges in der realen Welt simulieren, so- dass der Fahrer des Fahrzeuges bzw. des Simulators das Gefühl vermittelt bekommt, als ob er ein Fahrzeug tatsächlich durch die reale Welt steuern würde. Führt der Fahrer des Fahrzeugsimulators nun Steuerungsaufgaben durch, wie bspw. Beschleunigen, Abbremsen oder Lenkeingaben, so werden diese Steuereingaben in entsprechende Bewegungen des Simulators umgesetzt, die aus dem Simulationsmodell als spezifische Kräfte bzw. Beschleunigungen bereitgestellt werden. Da im Sichtfeld des Fahrers mit Hilfe einer Bildprojektionseinrichtung ein Bild der äußeren Umgebung des Fahrzeuges angezeigt wird, die eine Rückkopplung des Bewegungsverhaltens aus dem Simulationsmodell über den visuellen Kanal darstellt, wird so der Immersionseffekt verstärkt.
Dieser Simulationsansatz sieht vor, dass die durch die Modulierung des Fahrzeuges in der Simulation gewonnenen Bewegungs- und/oder Beschleunigungswerte bzw. Kräfte in den Bewegungsraum des Bewegungssystems abgebildet werden, wobei die hochfrequenten Anteile der Translationsbeschleunigungen sowie die hochfrequenten Anteile der Rotationsbeschleunigungen direkt in den entsprechenden Freiheitsgraden des Simulators nachvollzogen werden. Die niederfrequenten Anteile der Translationsbeschleunigung in der Längsachse bzw. in der Querachse werden dagegen durch das Kippen der Simulatorkabine gegenüber dem Erdlot (Winkel zwischen der Hochachse und dem Erdlot) dargestellt, wodurch sich der Scheingewichtsvektor in der Kabine verändert. Da die übrigen, dem Benutzer zur Verfügung stehenden Lagedarstellungen wie Außenansicht oder Instrumente weiterhin die ursprüngliche Lage beschreiben, entsteht bei dem Fahrer des Simulators der Eindruck einer langanhaltenden translatorischen Beschleunigung in der Längsachse oder der Querachse, die auf die Erdbeschleunigung in der jeweiligen Achse zurückzuführen ist.
Allerdings muss für eine richtige Darstellung der niederfrequenten translatorischen Beschleunigung durch das Kippen der Bewegungsplattform gegenüber dem Erdlot sichergestellt werden, dass die Drehung bzw. Neigung der Simulatorkabine unterhalb der Wahrnehmungsschwelle erfolgt, sodass von dem Fahrzeugführer in dem Simulator nur die Änderung des Scheingewichtsvektors wahrgenommen wird, nicht aber die Drehung der Simulatorkabine selbst. Andernfalls entsteht ein Simulationsfehler bei der kognitiven Verarbeitung durch den Fahrzeugführer, der unangenehm und im schlechtesten Fall zu der sogenannten Simulatorkrankheit führen kann.
Neben der physiologischen Wahrnehmungsschwelle liegt eine weitere Grenze eines solchen Verfahrens grundsätzlich darin, dass dieses nur für longitudinale (Längsachse) und laterale (Querachse) Beschleunigungszustände denkbar ist, da nur hierfür korrespondierende rotatorische Freiheitsgrade zur Einstellung eines Scheingewichtsvektors mit Hilfe des Erdlots zur Verfügung stehen. So sind longitudinale Beschleunigungen durch eine Nicklage, laterale durch eine Rolllage der Simulatorka- bine darstellbar. Für Lastvielfache in der vertikalen Richtung (z-Achse bzw. Hochachse) ist dieses als Tilt-Coordination bekannte Verfahren nicht anwendbar, da ein über die aus dem Erdlot resultierende Gewichtskraft hinausgehendes Lastvielfaches durch ein Kippen der Simulatorkabine nicht darstellbar ist. Demzufolge können Beschleunigungen in der vertikalen Fahrzeugachse (z-Achse, Hochachse) nur durch translatorische Beschleunigungen der Simulatorkabine abgebildet werden, wodurch derartige Lastvielfache auf hochfrequente Anteile beschränkt sind. Niederfrequente, langanhaltende Beschleunigungen in der vertikalen Fahrzeugachse lassen sich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren indes jedoch nicht darstellen. Gerade bei einem koordinierten Kurvenflug oder in einem Abfangbogen treten in Folge der zusätzlichen Fliehkräfte jedoch spezifische Kräfte in der vertikalen Fahrzeugachse auf, die nicht durch eine translatorische Bewegung der Simulatorkabine zur Darstellung der Beschleunigungskräfte darstellbar sind, da diese Beschleunigungskräfte niederfrequenter Art sind. Diese Lastvielfachen in der Hochachse des Fahrzeuges, die aus einem solchen Kurvenflug bzw. Abfangbogen resultieren, lassen sich derzeit somit mit Hilfe eines Simulators in der Simulatorkabine nicht abbilden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren, Com- puterprogramm sowie Simulator bereitzustellen, mit dem Lastvielfache, insbesondere niederfrequenter Art, in der vertikalen Fahrzeugachse für den Fahrzeugführer in der Simulatorkabine simuliert werden können. Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 , dem Computerprogramm gemäß Anspruch 7 sowie dem Simulator gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst. Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Ansteuern eines Simulators zur Simulation eines translatorischen und/oder rotatorischen Bewegungsverhaltens eines Fahrzeuges vorgeschlagen, bei dem basierend auf einem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges die in den Fahrzeugachsen des zu simulierenden Fahrzeuges wirkenden spezifischen Kräfte bzw. Beschleunigungen bereitgestellt und in Steu- erbefehle zur Ansteuerung des Simulators umgewandelt werden, um das translatorische und/oder rotatorische Bewegungsverhalten durch Bewegung einer Simulatorkabine des Simulators zu simulieren.
Um die in Richtung der Hochachse des Fahrzeuges wirkenden spezifischen Kräfte bzw. Beschleunigungen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens abbilden zu können, werden zunächst die aus dem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges stammenden spezifischen Kräfte bzw. Beschleunigungen in der vertikalen Fahrzeugachse bereitgestellt, die als translatorische Beschleunigungen in der vertikalen Fahrzeugachse durch den Simulator simuliert werden sollen. Diese Lastvielfachen in der vertikalen Fahrzeugachse stammen dabei aus dem Simulationsmodell bei der Simulation des Bewegungsverhaltens des Fahrzeuges und entstehen bspw. bei einem koordinierten Kurvenflug oder einem Abfangbogen, bei dem in lon- gitudinaler sowie lateraler Richtung der Pilot von Kräften freigestellt und aufgrund der Fliehkräfte lediglich Lastvielfache in der Hochachse des Fahrzeuges wahrnehmen würde.
Anschließend wird ein Nicklagewinkel der Simulatorkabine zwischen der Horizontalebene und der Längsachse der Simulatorkabine in Abhängigkeit von der bereitgestellten Kraft bzw. Beschleunigung berechnet, wobei der Nicklagewinkel durch eine Drehung der Simulatorkabine um die Querachse der Simulatorkabine einstellbar ist. Ein Nicklagewinkel zwischen der Horizontalebene (bzw. Horizont) und der Längsachse der Simulatorkabine führt dabei auch zu einer Winkelablage zwischen Erdlot und Hochachse (z-Achse) der Simulatorkabine. Basierend darauf werden rotatorische Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators in Abhängigkeit von dem berechneten Nicklagewinkel der Simulatorkabine generiert und der Simulator dann basierend auf den generierten rotatorischen Steuerbefehlen angesteuert, um die in der vertikalen Fahrzeugachse wirkende translatorische Kraft durch den Nicklagewinkel zu simulieren.
Erfindungsgemäß werden demzufolge Lastvielfache in der Hochachse des Fahrzeuges durch Einstellen einer Nicklage bzw. eines Nicklagewinkels des Fahrzeuges si- muliert, indem die Fahrzeugkabine basierend auf dem Lastvielfachen um die Querachse gedreht wird, wodurch der Nicklagewinkel eingestellt wird.
Der Erfinder hat dabei erkannt, dass ein solches Lastvielfaches in der Fahrzeughochachse deshalb durch einen Nicklagewinkel der Simulatorkabine simuliert werden kann, da aufgrund der sich ändernden Sitzposition dem Fahrzeugführer das Gefühl vermittelt wird, dass auf ihn ein Lastvielfaches in der Hochachse wirkt, auch wenn dies real gar nicht der Fall ist. Diese Erkenntnis beruht auf der Analyse der Sitzposition des Fahrzeugführers in einem Fahrzeug und der daraus resultierenden Wirkung langanhaltender vertikaler Lastvielfachen auf den Körper. Während des unbeschleunigten Geradeausfluges bspw. verspürt ein Pilot durch Schwerkrafteinwirkung sowohl auf der Sitzfläche als auch in Folge der Neigung der Sitzlehne einen Druck. Da die Neigung der Sitzlehne normalerweise klein ist, ist auch der Anteil an der Erdbeschleunigungskraft, welche in Blickrichtung und senkrecht zur Sitzlehne wirkt, klein. Die parallel zur Sitzlehne wirkende Kraftkomponente ist dagegen fast nicht spürbar, da der Großteil der vertikal wirkenden Kräfte über die Sitzfläche aufgenommen wird. Zusätzlich erfolgt eine gewisse Gewöhnung an diesen Anteil der Kraft in Richtung der Körperhochachse.
Wird in Folge eines Lastvielfachen die vertikale spürbare Kraft erhöht, erhöht sich zum einen der Druck an der Sitzfläche und zum anderen der Druck an der Lehne in Blickrichtung. Während die Erhöhung des Drucks an der Sitzfläche aufgrund der Gewöhnung nicht sonderlich wahrgenommen wird, ist der zunehmende Druck an der Lehne sehr wohl spürbar. Diesen Umstand macht sich die vorliegende Erfindung zu nutzen. Durch das Neigen der Simulatorkabine um die Querachse und Einstellen einer Nicklage wird der Druck an der Sitzlehne ebenfalls erhöht. Zwar geht dies grundsätzlich zu Lasten des Drucks an der Sitzfläche. Jedoch wird dieses aufgrund der Gewöhnung nicht so stark wahrgenommen wie der Druck im Rücken. Der zusätzliche Druck auf die Sitzlehne aufgrund der Neigung der Simulatorkabine wird jedoch aufgrund der nicht vorhandenen Gewöhnung stärker wahrgenommen, sodass das Gefühl entsteht, dass auf den Piloten ein Lastvielfaches in der Hochachse wirkt. Durch die Darstellung der äußeren Umstände innerhalb der Simulatorkabine mit Hilfe einer Bildprojektionseinheit wird dem Piloten darüber hinaus visuell dargelegt, dass das vollzogene Manöver zu Lastvielfachen in der Hochachse führen würde, wodurch die Neigung der Simulatorkabine und dem daraus resultierenden Druck auf die Rückenlehne als genau dieses wahrgenommen und interpretiert wird.
Somit lassen sich durch Neigen der Simulatorkabine und entsprechender Darstellung der Instrumente und Anzeige innerhalb der Simulatorkabine bzgl. des Zustands der Bewegung des Fahrzeuges und der Außendarstellung entsprechende Lastvielfache in der Hochachse ohne translatorische Bewegung der Simulatorkabine in der Hochachse für den Fahrzeugführer simulieren. Vorteilhafterweise wird ein niederfrequenter Anteil der in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft bzw. Beschleunigung mittels eines Tiefpassfilters ermittelt und der Nicklagewinkel dann in Abhängigkeit von dem ermittelten niederfrequenten Anteil der in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft bzw. Beschleunigung berechnet, sodass insbesondere niederfrequente transla- torische Beschleunigungen bzw. Kräfte durch ein Neigen der Simulatorkabine abgebildet werden können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Drehrate (Drehwinkel pro Zeit) der Simulatorkabine um die Querachse der Simulatorkabine zur Einstellung des berech- neten Nicklagewinkels in Abhängigkeit von dem berechneten Nicklagewinkel berechnet, so dass durch Generieren von rotatorischen Steuerbefehlen basierend auf der berechneten Drehrate die Simulatorkabine entsprechend um die Querachse gedreht werden kann. Vorteilhafterweise wird dabei die Drehrate auf einen Wert begrenzt, der unterhalb der physiologischen Wahrnehmungsschwelle liegt, sodass die Drehung um die Querachse der Simulatorkabine durch den Fahrzeugführer des Simulators nicht wahrge- nommen wird und lediglich die Zunahme der wirkenden Kraft spürbar wird. Daher eignen sich für das Verfahren insbesondere jene niederfrequenten Anteile der zu simulierenden Kraft bzw. Beschleunigung in der Hochachse des Fahrzeuges, die aufgrund der Begrenzung der Drehrate unterhalb der physiologischen Wahrnehmungsschwelle einstellbar sind. Hochfrequente Anteile, die nur kurz wirken, lassen sich bei einer Begrenzung der Drehrate unterhalb der physiologischen Wahrnehmungsschwelle nur bedingt abbilden.
Daher ist es vorteilhaft, wenn die Drehrate auf einen Wert von weniger oder gleich 3° pro Sekunde begrenzt wird, damit die Drehung bzw. die Einstellung der Nicklage der Simulatorkabine durch den Fahrzeugführer nicht wahrgenommen wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden mit Hilfe eines Hochpassfilters die hochfrequenten Anteile der in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft ermittelt, wobei diese hochfrequenten Anteile nicht durch eine Drehung der Simulatorkabine simuliert werden, sondern durch eine translatorische Bewegung der Simulatorkabine in der Hochachse. Hierfür werden basierend auf den ermittelten hochfrequenten Anteilen der translatorisch wirkenden Kraft bzw. Beschleunigung entsprechende Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators generiert, um die Simulatorkabine in Richtung der Hochachse der Simulatorkabine zu beschleunigen. Die Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators werden dann zur Ansteuerung des Simulators genutzt, um die in der vertikalen Fahrzeugachse wirkende translatorische Kraft bzw. Beschleunigung durch die translatorische Beschleunigung der Simulatorkabine zu simulieren. Dabei ist es denkbar, dass durch einen entsprechenden Filter bzw. Filteranordnung das Signal sowohl durch einen Hochpassfilter als auch durch einen Tiefpassfilter geleitet wird. Weist die in der Hochachse wirkende spezifische Kraft lediglich einen hochfrequenten Anteil auf, so ist das Ergebnis des Tiefpassfilters Null, während der Hoch passfilter den entsprechenden hochfrequenten Anteil liefert. Weist die in der Hochachse wirkende spezifische Kraft bzw. Beschleunigung, die aus dem Simulationsmodell stammt, lediglich niederfrequente Anteile auf, so ist das Ergebnis des Hochpassfilters Null, während der Tiefpassfilter den entsprechenden niederfrequen- ten Anteil liefert. Im ersteren Fall würde lediglich die Simulatorkabine in der Hochachse des Simulators beschleunigt (innerhalb von Systemgrenzen), während im zweiten Fall erfindungsgemäß die Simulatorkabine um die Querachse gedreht wird, um den entsprechenden Nicklagewinkel einzustellen.
Denkbar ist aber auch, dass die aus dem Simulationsmodell stammende und in der Hochachse des Fahrzeuges wirkende spezifische Kraft sowohl einen hochfrequenten als auch einen niederfrequenten Anteil hat, sodass sowohl Steuerbefehle für eine translatorische Bewegung in der Hochachse der Simulatorkabine generiert werden, um die hochfrequenten Anteile zu simulieren, als auch gleichzeitig Steuerbefehle zur Einstellung der Nicklage generiert werden, um die niederfrequenten Anteile abzubilden. Hierdurch lassen sich insbesondere Simulationsfehler vermeiden, die dadurch entstehen, dass bei herkömmlichen Filteranordnungen zwar die hochfrequenten Anteile durch eine translatorische Beschleunigung abgebildet werden, die niederfrequenten Anteile jedoch dann nicht mehr. Die vorliegende Erfindung schließt diese Lücke durch Einstellen einer Nicklage, wodurch die Wahrnehmung innerhalb der Simulatorkabine erzeugt wird, dass ein Lastvielfaches in der Hochachse wirkt.
Wenn nun der Wert der zu simulierenden translatorischen Kraft in der Hochachse aus dem Simulationsmodell langsam abnimmt, bspw. weil in dem Simulationsmodell kein Lastvielfaches in der Hochachse mehr auftritt, so wird die Simulatorkabine wieder in die horizontale Lage gebracht und der Nicklagewinkel auf Null gesetzt. Basierend auf der Rückdrehrate zum Rückdrehen der Simulatorkabine werden dann entsprechende Steuerbefehle generiert, um den Simulator zu anzusteuern, dass die Simulatorkabine wieder in die horizontale Lage zurückgedreht wird. Selbstverständlich erfolgt dies vorzugsweise ebenfalls unterhalb der physiologischen Wahrnehmungsschwelle. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Darstellung einer schematischen Filteranordnung zur Ansteuerung des
Simulators;
Figur 2 schematische Darstellung des Wirkprinzips.
Figur 1 zeigt eine Filteranordnung, auf dessen Basis die zu simulierenden Werte ermittelt und so basierend darauf die Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators ermittelt werden können. Als Eingangssignal erhält der Filter die Vertikalbeschleunigung in der Hochachse des Fahrzeuges als die in der vertikalen Fahrzeugachse wirkende translatorische Kraft faaz. Da diese jedoch die Erdbeschleunigung beinhaltet, muss diese, um auf die tatsächlich gewünschte Beschleunigung der Kabine zu kommen, im simualtorfesten Koordinatensystem subtrahiert werden (Pi). Das Ergebnis ist ein Lastvielfaches Z in der vertikalen Hochachse des Fahrzeuges.
Dieses Lastvielfache Z in der Hochachse des Fahrzeuges wird dann als Eingang in einen Hochpassfilter HP geleitet, der bspw. ein Hochpassfilter dritter Ordnung sein kann. Der Hochpassfilter HP filtert dabei die hochfrequenten Anteile des Lastvielfa- chen Z heraus und leitet dieses Ergebnis Z ,HP an einen Signallimitierer weiter. Der Signallimitierer limitiert dabei das Ergebnis Z ,iim auf einen für den Simulator darstellbaren Wert, sodass hier insbesondere die Systemgrenzen des Simulators Berücksichtigung finden. Das Ergebnis dieses so aus dem Stand der Technik bekannten Filters wird dann zur Ansteuerung des Simulators verwendet, um den Simulator in der Hochachse translatorisch zu bewegen und so die hochfrequenten Anteile der translatorischen Beschleunigung in der Hochachse simulieren zu können. Erfindungsgemäß werden nun allerdings die Tiefpassanteile des Eingangssignals verwendet, indem von dem Lastvielfachen Z (ohne Erdbeschleunigungsanteil) der hochfrequente Anteil Z ,HP abgezogen wird, was in Punkt P2 geschieht. Das Ergeb- nis ist der tieffrequente Anteil ZPP,TP des Lastvielfachen Z , das nun erfindungsge- mäß weiter verarbeitet wird. Im unteren Teil der Figur 1 ist dabei der erfindungsge- mäße Filter für den tieffrequenten Anteil der Vertikalbeschleunigung zu sehen. Der untere Teil der Figur 1 beschreibt die Bestimmung des endgültigen Nicklagewinkels der Simulatorplattform bzw. der Simulatorkabine (9s,gcon-) als die Summe (P4) des Nicklagewinkels infolge einer spezifischen Kraft in Längsrichtung (9DX) und eines zusätzlichen Nicklagewinkels infolge des oben beschriebenen tieffrequenten Anteils der translatorischen Beschleunigung in vertikaler Richtung (9fZ). Letzterer wird aus dem tieffrequenten Anteil der Beschleunigung der Kabine in vertikaler Richtung
(Z ,TP) berechnet. Mittels Division durch die Erdbeschleunigung g wird dieses Signal in einen äquivalenten Winkel gewandelt. Die anschließende Multiplikation mit einem Faktor Fak stellt die Einstellbarkeit dieser Winkelkorrektur für anwendungsspezifische Randbedingungen sicher. Ein weiterer Parameter ist der maximal zulässige Nicklage- winkel für diese Methode (9max), welcher den oben gefundenen zusätzlichen Nicklagewinkel mit Hilfe der Limitierungsfunktion (L) beschränkt.
Figur 2 zeigt anhand eines Beispiels einer sitzenden Person das Wirkprinzip der vorliegenden Erfindung. Im Beispiel der Figur 2 ist die Simulatorkabine bereits um eine Nicklage gedreht. Die Erdbeschleunigung wirkt dabei unverändert auf den Körper, wobei jedoch der Anteil gi gegenüber der normalen, ungedrehten Sitzposition verringert wird, während der Anteil g2, der senkrecht zur Sitzlehne 1 steht, gegenüber der normalen, ungedrehten Position vergrößert wird. Dies hat zur Folge, dass der Druck auf die Sitzfläche 2 verringert wird, während der Druck auf die Sitzlehne 1 vergrößert wird.
Aufgrund der Gewöhnung an die sitzende Position wird die Verringerung der Kraft auf die Sitzfläche 2 weniger stark wahrgenommen, als die Erhöhung des Druckes auf die Sitzlehne 1 . Da ein Lastvielfaches in der Hochachse im Ergebnis auch zu einer Erhöhung des Drucks auf die Sitzlehne führt, was in der Regel stärker wahrgenommen wird, als die Erhöhung des Drucks auf die Sitzfläche 2, kann durch ein Kippen der Sitzposition der Druck auf die Sitzlehne 1 erhöht werden, was deutlich stärker wahrgenommen wird, als die Verringerung auf die Sitzfläche 1 . Dies hat zur Folge, dass der Eindruck entsteht, als würde eine vertikale Beschleunigung in der Hochachse des Fahrzeuges auf den Simulator wirken. Somit lassen sich langanhaltende, translatorische Beschleunigungskräfte, wie sie bspw. bei Fliehkräften im Kurvenflug auftreten, simulieren.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Ansteuern eines Simulators zur Simulation eines translatorischen und/oder rotatorischen Bewegungsverhaltens eines Fahrzeuges, bei dem basierend auf einem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges die in den Fahrzeugachsen des zu simulierenden Fahrzeuges wirkenden spezifischen Kräfte bereitgestellt und in Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators umgewandelt werden, um das translatorische und/oder rotatorische Bewegungsverhalten durch Bewegung einer Simulatorkabine des Simulators zu simulieren, mit den durch eine Recheneinheit ausführbaren Schritten:
- Bereitstellen einer in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft (faaz) aus dem Simulationsmodell des zu simulierenden Fahrzeuges, die als translatorische Beschleunigung in der vertikalen Fahrzeugachse simuliert werden soll,
gekennzeichnet durch
- Berechnen eines Nicklagewinkels der Simulatorkabine zwischen der Horizontalebene und der Längsachse der Simulatorkabine, der durch eine Drehung der Simulatorkabine um die Querachse der Simulatorkabine einstellbar ist, in Abhängigkeit von der bereitgestellten Kraft, und
- Generieren von rotatorischen Steuerbefehlen zur Ansteuerung des Simulators in Abhängigkeit von dem berechneten Nicklagewinkel der Simulatorkabine und Ansteuern des Simulators basierend auf den generierten rotatorischen Steuerbefehlen, um die in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft (faaz) durch den Nicklagewinkel zu simulieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein niederfrequenter Anteil (Ζρρ,τρ) der in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft (faaz) mittels eines Tiefpassfilters ermittelt und der Nicklagewinkel in Abhängigkeit von dem ermittelten niederfrequenten Anteil (ZPP,TP) der in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft (faaz) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein hochfrequenter Anteil (Ζρρ,Ηρ) der in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft (faaz) mittels eines Hochpassfilters (HP) ermittelt und eine vertikale translatorische Beschleunigung der Simulatorkabine in der vertikalen Fahrzeugachse in Abhängigkeit von dem hochfrequenten Anteil (ZPP,HP) der in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft (faaz) berechnet wird, wobei Steuerbefehle zur Ansteuerung des Simulators in Abhängigkeit von der berechneten vertikalen translatorischen Beschleunigung der Simulatorkabine generiert und der Simulator basierend auf den berechneten Steuerbefehlen angesteuert wird, um die in der vertikalen Fahrzeugachse wirkenden translatorischen Kraft (faaz) durch die translatorische Beschleunigung der Simulatorkabine zu simulieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehrate der Simulatorkabine um die Querachse der Simulatorkabine zur Einstellung des berechneten Nicklagewinkels in Abhängigkeit von dem berechneten Nicklagewinkel berechnet wird und die rotatorischen Steuerbefehle in Abhängigkeit von der berechneten Drehrate generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrate auf einen Wert begrenzt wird, der unterhalb der physiologischen Wahrnehmungsschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrate auf einen Wert von weniger oder gleich 3° pro Sekunde begrenzt wird.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Computerprogramm auf einer Rechenmaschine ausgeführt wird. Simulator zur Simulation von translatorischen und rotatorischen Bewegungen eines Fahrzeuges, der eine mittels Akutatoren gegenüber einer festen Referenzebene bewegbare Simulatorkabine aufweist, mit einer Steuereinrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur An- steuerung des Simulators eingerichtet ist.
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