Neoversum | Autonomes Fahren Ein Fall für den Simulator

Die dynamische Ausrichtung des Fahrsimulators garantiert eine schnelle Reaktion und wenig Zeitverzug zwischen Bewegung und Visualisierung.

Wie erleben Menschen die Mobilität von Morgen? Das fragt sich das Adrive Living Lab der Hochschule Kempten und setzt bei der Forschung im Bereich des automatisierten Fahrens auf einen einzigartigen Fahrsimulator.

Automatisiertes Fahren ist gerade der Trend, der die Automobilindustrie bewegt – und das mit einer klaren Fahrtrichtung: Die Menschen wünschen sich mehr Sicherheit, möchten die Reisezeit gleichzeitig aber frei nutzen und genießen, egal ob zum Entspannen, Arbeiten, Kommunizieren oder zum Spaß haben. Sie wollen das Steuer sozusagen aus der Hand geben und stattdessen die gewonnene Freizeit nach Lust und Laune nutzen.

Doch auf dem Weg zum automatisierten Fahren spielt Sicherheit eine große Rolle, denn Vertrauen und die damit verbundene Technologieakzeptanz sind, insbesondere wenn Menschen Kontrolle abgeben, von großer Bedeutung. Aus diesem Grund beschäftigt sich die Forschung damit, wie der Mensch die neue Technik erlebt, mit dieser interagiert und harmoniert. Dafür ist es notwendig, den Menschen in die Entwicklung neuer Technologien einzubeziehen. Tests im Fahrzeug sind jedoch aufwändig und teuer, außerdem sind Prototypen oft erst spät im Entwicklungszyklus verfügbar. Darum greifen die Forscher auf Simulationen zurück. So können Tests unabhängig von Umgebungsfaktoren wie Wetter, Baustellen und Verkehr durchgeführt werden.

 

Entscheidend ist der Mensch

Um den Menschen auf diese Reise mitzunehmen wird er im Adrinve Living Lab an der Hochschule Kempten stets als Nutzer in den Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung gestellt. Als Teil des zum Forschungszentrums Allgäu verfolgt die Einrichtung unter Leitung von Professor Bernhard Schick seit 2017 die Philosophie anwendungszentrierter Forschung in den Bereichen Fahrerassistenzsysteme und automatisiertes Fahren.

Forschung, Industrie und Lehre arbeiten hier eng zusammen, um Ideen auf dem schnellsten Weg vom Workshop ins Auto zu transferieren. »Unser Ziel ist es, neue Erkenntnisse, Methoden und Werkzeuge schnell in erfolgreiche Anwendungen unserer Industriepartner umzusetzen – für Fahrzeuge, die Menschen begeistern«, erläutert Schick. Mit diesem Ziel im Blick beschäftigen sich die vier Teams »Human Factors«, »Vehicle Testing«, »Simulation« sowie »Software and Functions« intensiv mit dem Fahrzeug der Zukunft – insgesamt um die 40 Personen.

Um das Fahrerlebnis und den Umgang mit den neuen Techniken des automatisierten Fahrens zu erforschen, werden in realen Einsatzszenarien Lebens- und Arbeitsräume für Probanden geschaffen, zum Beispiel im realen Testfahrzeug, Fahrsimulator, in der Simulation oder im »Design Thinking Studio«. Daraus werden neue Ideen wie individuell gestaltete Bedien-, Anzeige- und Kommunikationskonzepte oder spezifische Fahrzeugbewegungen und Fahreigenschaften generiert. Auf diese Weise wird der Mensch als Proband aktiv in die Entwicklung eingebunden.

Der Fahrer-Erlebnisplatz

Neue Technologien öffnen neue Wege der Forschung. Zum Beispiel kann das Adrive Living Lab zukünftig den Fahrsimulator, den Advanced Vehicle Driving Simulator, von AB Dynamics und Williams Advanced Engineering einsetzen – einen sogenannten Fahrer-Erlebnisplatz, der in seiner Art bisher einzigartig ist. Er kommt aus der Formel 1 und setzt acht Elektromotoren ein, wodurch die Fahrzeugbewegung in sechs Freiheitsgraden erreicht werden kann: in drei linearen Richtungen und drei Rotationsbewegungen jeweils in oder um Längs-, Quer- und Vertikalachse. Die dynamische Ausrichtung garantiert eine sehr schnelle Reaktion und wenig Zeitverzug zwischen Lenkeingabe, Fahrzeugbewegung und Visualisierung, was sonst häufig die sogenannte Bewegungskrankheit auslöst.

Ein Projektpartner beschreibt seine Erfahrungen: »Ich habe noch nie zuvor ein so gutes Fahrgefühl auf einem Fahrsimulator erlebt. Natürlich, exzellente Agilität, Reaktionsfähigkeit, gute Fahrzeugbeherrschung, sanfte Karosseriebewegungen und Ruhe.« Das fahrdynamische Verhalten des Simulators ist dabei die Grundlage für ein natürliches Fahrerlebnis und ermöglicht die verbesserte Durchführung von weiteren Studien in den Bereichen automatisiertes Fahren, Fahrzeugdynamik, funktionale Sicherheit, Bedienkonzepte und Mensch-Maschinen-Interaktion.

Zwischen Realität und Simulation

Stefanie Trunzer ist Diplom-Ingenieurin im Team Simulation und hat den Aufbau des Fahrsimulators und dessen Erweiterung für die Forschungszwecke des Adrive Living Labs von Beginn an koordiniert. Ihre Aufgabe besteht in der konzeptionellen, zeitlichen, logistischen und technischen Planung und Umsetzung. »Der Reiz meiner Arbeit liegt für mich vor allem darin, Verantwortung zu tragen und eigenständig zu arbeiten«, sagt Trunzer.

Im Simulator geht es im Wesentlichen um die Interaktion zwischen neuen Systemkonzepten und Fahrer und Insassen. Fühlen, Sehen und Hören sowie die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine stehen dabei an erster Stelle. Mit entsprechenden Tools muss die Realität außerdem möglichst detailliert nachgebildet werden.

Gerade komplexe Fahrszenarien können dank der umfassenden Simulation mit detaillierten Fahrzeugmodellen durchgeführt werden. »Entscheidend ist dabei, welche Hard- und Software man einbinden möchte«, erläutert Trunzer. Über die Fahr-dynamiksimulationssoftware IPG CarMaker lässt sich das Fahrverhalten am Simulator realistisch abbilden. Ergänzend dazu können im Hardware-in-the-Loop-Verfahren echte Fahrzeugkomponenten wie Lenkung, Sensoren und Steuergeräte in das virtuelle Fahrzeug eingebunden und getestet werden.

Das Fahrzeugmodell berechnet dabei in Echtzeit die Fahrzeugbewegungen in den getesteten Fahrsituationen. Die Simulationssoftware leitet diese Informationen an die dynamische Bewegungsplattform weiter und diese rekonstruiert die Fahrzeugbewegung, um ein natürliches Fahrerlebnis zu schaffen. Mit der richtigen Einstellung und Programmierung können vielfältige Fahrsituationen realistisch abgebildet werden, wie die Fahrt auf unebener Fahrbahn, die Kurvenfahrt, der Spurwechsel, Beschleunigen oder Bremsen.

Aktuell arbeitet das Team um Trunzer an einem Test für die automatisierte Spurführung wie der Querführung. Um das echte Systemverhalten herzustellen, werden die echten Fahrzeugkomponenten, insbesondere die originale Lenkung und Steuergeräte, auf dem Simulator verbaut. Der Vorteil dabei ist, dass die automatisierten Funktionen aus dem Fahrzeug direkt in der Simulation zur Verfügung stehen und somit kein Zugriff auf den Softwarecode notwendig ist. Im Vergleich zur Straße oder dem Testgelände sind die Tests dadurch besser reproduzierbar.

Neue Ingenieursdisziplinen

Entwickler von automatisierten Fahrzeugen sind heute einem enormen Druck ausgesetzt. Sie müssen innovative und komplexe Lösungen in kurzer Zeit entwickeln und absichern. Die Zunahme an Virtualisierung und digitalen Prototypen mit gleichzeitig deutlicher Abnahme an Fahrzeugprototypen entfremden die Entwickler jedoch zunehmend vom kundennahen Fahr- und Bedienerlebnis. Dadurch vergessen die Ingenieure häufig das Kundenerlebnis im Spannungsfeld von Vertrauen, Funktionsnutzen, einfacher Bedienung und schlussendlich der Akzeptanz neuer Technologien.

Automatisiertes Fahren kann nur erfolgreich sein, wenn sich die Menschen damit wohl fühlen und der Technik vertrauen. Vor diesem Hintergrund gewinnt die Simulation große Bedeutung. Tests von Softwarefunktionen und Hardwarekomponenten können so deutlich früher im Entwicklungsprozess und ohne Abhängigkeit von einem realen Prototypen durchgeführt werden. Außerdem ermöglicht der Fahrsimulator eine frühzeitige Überprüfung, ob und wie Menschen und Fahrzeug harmonieren. Für den Kunden spiegelt sich der Vorteil vor allem darin, dass Techniken ausgereifter und benutzerfreundlicher auf den Markt kommen. Fahrzeug- und Systemhersteller profitieren davon, dass sich Systeme frühzeitig adaptieren oder optimieren lassen oder gar Irrwege vermieden werden.

Gleichzeitig rücken mit dieser Entwicklung neue Ingenieursdisziplinen in den Vordergrund. »Es gilt mehr oder weniger den kompletten Fahrzeugentwicklungsprozess auf das automatisierte Fahren anzupassen, das ist für mich eine große und spannende Sache«, beschreibt Trunzer ihre Motivation. Durch die Virtualisierung vieler Entwicklungs- und Arbeitsschritte sind Ingenieure mehr denn je gefordert, vernetzt zu denken anstatt Fahrzeugkomponenten isoliert zu betrachten.

Über die Hochschule Kempten

Das Adrive Living Lab, gegründet 2017, ist eine Einrichtung der Hochschule Kempten und gehört zum Forschungszentrum Allgäu. Advanced Driving Assistance Systems und das automatisierte Fahren stehen im Zentrum der Forschung.