Analysis of the potential of a wheeled motion base with respect to applications of driving simulators
Traffic and Transport Systems, Intelligent and Automated Traffic
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurden die Machbarkeit und Ansätze zur Erweiterung des Einsatzpotentials selbstfahrender Fahrsimulatoren untersucht. Selbstfahrende Fahrsimulatoren erzeugen Beschleunigungen durch Reifenkräfte statt, wie beim Stand der Technik üblich, durch Schienensysteme. Dadurch ist der Bewegungsraum, der für die Güte der Beschleunigungsdarstellung entscheidend ist, nicht systemimmanent begrenzt, wodurch er sich flexibel an die Anforderungen eines Simulationsszenarios anpassen lässt. Das Projekt behandelte fünf Arbeitspakete: Eine Schlupfregelung, die Übertragung des Systems auf unebene Fahrbahnen, die Adaption der Ansteuerung an den Bewegungsraum, die Sicherheitsarchitektur und Head-Mounted Displays als Visualisierungskonzept. Bezüglich der Schlupfregelung zeigten Untersuchungen im Vorfeld des Projekts, das die verwendeten Vollgummireifen kein ausgeprägtes Reibwertmaximum aufweisen. Diese Erkenntnis reduzierte das Potential der Schlupfregelung zur Beschleunigungsmaximierung und beschränkte die Funktion auf eine Schlupfbegrenzung zur Verschleißminimierung. Die Schlupfbegrenzung wird durch eine lineare Reduzierung der Reifensollkräfte bei Überschreitung eines Grenzschlupfes erreicht. Um dadurch entstehende Giermomente zu reduzieren, werden an allen Rädern Kompensationskräfte aufgeprägt. Dennoch lassen sich Giermomente in der Anpassungsphase nicht vermeiden, sodass zukünftig eine Gierratenregelung zu entwickeln ist, um Störungen vollständig zu kompensieren. Eine Analyse der Übertragbarkeit auf unebene Fahrbahnen auf Basis eines validierten Modells zeigte, dass das System in der aktuellen reifengefederten Konfiguration mit Vollgummireifen für eine Anwendung auf Asphaltfahrbahnen ungeeignet ist. Deshalb wurde ein passives Fahrwerk entwickelt, dessen Fokus auf einer geringen Eigenfrequenz (verbesserte Schwingungsreduzierung) bei gleichzeitiger Minimierung von Fahrwerksbewegungen durch kinematische Stützwinkel liegt. Im Zusammenspiel mit einer ebenfalls entwickelten aktiven Hexapod-Vertikaldynamikregelung konnte die akzeptable Fahrbahnrauigkeit um vier Größenordnungen erhöht werden. Für eine Verwendung auf Asphaltfahrbahnen sind jedoch teilweise Überschreitungen der Wahrnehmungsschwelle durch die Störschwingungen in Kauf zu nehmen. Die Akzeptanz dieser Überschreitungen durch Probanden muss zukünftig in Studien näher untersucht werden. Zur Adaption der Ansteuerung an den Bewegungsraum wird während der Simulation zwischen geschwindigkeitsabhängigen Grenzradien eine linear anwachsende Korrekturbeschleunigung aufgeprägt, die in Richtung Ursprung wirkt. Um die Störung der Immersion des Probanden klein zu halten, wird die Richtung der Beschleunigung möglichst beibehalten. Die Auslegung der Korrekturbeschleunigung unterliegt einem Zielkonflikt zwischen häufigen, leichten und seltenen, starken Eingriffen. Zukünftige Probandenstudien müssen untersuchen, welche Auslegung zu bevorzugen ist. Die Erarbeitung einer Sicherheitsarchitektur erfolgte auf Basis der Anwendung der Norm IEC61508 auf den selbstfahrenden Fahrsimulator. Zu diesem Zweck wurde eine Gefahren- und Risikoanalyse durchgeführt, um Sicherheitsanforderungen zu ermitteln. Darauf basierend wurde eine Sicherheitsarchitektur abgeleitet, die das verbleibende Risiko auf ein akzeptables Maß reduziert. Die Eignung von Head-Mounted Displays (HMD) für die Fahrsimulation wurde im Rahmen einer Vergleichsstudie mit einem statischen Fahrsimulator mit Projektorsystem untersucht. Es zeigte sich, dass HMD Schwächen bezüglich der Geschwindigkeitswahrnehmung, der Erkennung von Verkehrsschildern und der Reaktionszeit auf gefährliche Situationen haben. Die meisten Probanden bevorzugten das Projektorsystem. Als wichtigste Verbesserungsansätze wurden eine Erhöhung der Auflösung, eine Reduzierung des Gewichts der Brille und die Entfernung der Ränder im Sichtbereich identifiziert. Zudem haben dynamische Versuche mit dem HMD gezeigt, dass durch einen Konflikt zwischen Infrarot-Trackern und Inertialsensoren Bildstörungen entstehen.
Publications
- Power, Energy, and Latency Test Drives with the Wheeled Mobile Driving Simulator Prototype MORPHEUS, in: Proceedings of the Driving Simulation Conference & Virtual Reality Conference & Exhibition Europe, September 6-8, Stuttgart, Deutschland, 2017
Wagner, P.; Zöller, C.; Albrecht, T.; Winner, H.
- Practical Feasbility and Functional Safety of Wheeled Mobile Driving Simulators, Dissertation Technische Universität Darmstadt, TUprints, Darmstadt, 2018
Wagner, P.
- Preview of Driving Surface Unevenness in Wheeled Mobile Driving Simulators, in: IEEE (Ed.): 2018 IEEE 21th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), November 4-7, Maui, USA, 2018
Zöller, C.; Wagner, P.; Lutwitzi, M.; Winner, H.
(See online at https://doi.org/10.1109/ITSC.2018.8569269) - Extension of the Application Potential of Wheeled Mobile Driving Simulators to Uneven Grounds, Dissertation Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, 2019. 187 S.
Zöller, C.
- Tires and vertical dynamics of wheeled mobile driving simulators, in: Transportation Research Part F: Traffic Psychology and Behaviour, Issues 61, pp. 69–83, 2019
Zöller, C.; Wagner, P.; Winner, H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.trf.2017.09.009)
