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FUNCTIONAL DRIVE SIMULATOR
Innovative interactiveEngineering & Experience
ZIELE• SchaffungeinerneuartigenEntwicklungsumgebungzur
funktionalenErprobungvonmechatronischenFahrzeug-
funktionen
• GanzheitlicheBetrachtungvonMensch,Fahrzeugund
Umgebung(sowiederenInteraktion)unterdynamischen
BedingungendurchEchtzeitsimulation
• VerwendungvonCADundVisualisierungsmodellenmit
AnreicherungdurchSimulationsmodelle
• VerbesserungderNutzbarkeitdigitalerModellehinsichtlich
kontextsensitiverBeurteilung
• AbsicherungundumfassendeRisikobewertungkomplexer
mechatronischerSystemeinfrühenEntwicklungsphasen
• EchtzeitsimulationdesZusammenspielsdesFahrersmit
FahrzeugundderUmgebungunterdynamischenBedin-
gungen
• ErgonomieuntersuchunginderfrühendigitalenEntwick-
lungsphaseundnichterstamrealenPrototyp
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1&2 Quelle: Daimler
WANDEL DER AUTOMOBILINDUSTRIEDasmoderneFahrzeughatinunsererZeiteinenstarkenWandelhinsichtlichderUmsetzung
vonInnovationenerlebt.WarendieseInnovationenfrüherdurchVerbesserungenbeimechani-
schenundelektrischenSystemengetrieben,sowerdenheutzutageInnovationeninSicherheit
undKomfortvorallemdurchElektronik-undSoftwaresystemeermöglicht.Diesebenötigen
inihrerKonzeptionundEntwicklungeinenhohenAnteilaninterdisziplinäremEngineering
Know-How.DerAnteilsoftwarebestimmtermechatronischerSystemeimFahrzeugwirdin
dennächstenJahrenstarkzunehmenundnebenVerbesserungenimBereichEnergieeffizienz,
KomfortundInfotainmentvorallemaucheinedeutlicheErhöhungderFahrsicherheitdurch
neuartige,aktiveSystemeermöglichen.
WANDEL DER ENTWICKLUNGSWERKZEUGEDieverändertenAnforderungenanFahrzeugeunddiedadurchverändertenEntwicklungsauf-
gabenundFragestellungenverlangennachneuenEntwicklungswerkzeugen.Hieristvorallem
einMangelanWerkzeugenerkennbar,diemenschzentrierteAbsicherungenvonkomplexen
SystemenineinerfrühenEntwicklungsphaseermöglichen.HeutigeEntwicklungswerkzeuge
sindnurbegrenztdazuinderLage,Aussagenzutreffen,wiedieKonsequenzenvonEntwick-
lungsentscheidungenvomspäterenNutzererlebtwerden.
DeramFraunhoferIPKundamIWFderTUBerlinentwickelteAnsatzdesSmart Hybrid Proto-
typingsschließtdurchgeschickteKopplungvonSimulation,TechnikenderVirtuellenRealität
(VR)undComputerhaptikdieseLücke.DerFunctional Drive SimulatoristeinSchrittzurErfor-
schungundWeiterentwicklungdieserTechnologie.
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Tür- und Heckklappenkon-
zepte
Evaluationvonneuartigen
Tür-undHeckklappen-Kon-
zepten.DerFunctionalDrive
Simulatorkannbeispielswei-
sebeiderEntwicklungeiner
intelligentenTürgenutzt
werden,diedasAusstei-
geninengenParklücken
vereinfacht.Eineweitere
Anwendungkönntedie
Entwicklungvonalternativen
TürkonzeptenwieSchiebe-
oderFlügeltürensein.
Fahrerassistenzsysteme
Evaluationvonmechatro-
nischausgelegtundinEcht-
zeitsimuliertenAssistenz-
systemenimZusammenspiel
mitdemFahrer.Wiewerden
kritischeSituationenwahr-
genommen?Wiekannder
FahrerbeirichtigenReaktio-
nenunterstütztwerden?Wie
beurteiltderspätereKunde
dasVerhaltendesSystems?
eMobility
ImZugedereMobilitydient
derFunctionalDriveSimu-
latoralsEvaluations-und
Entscheidungsplattformfür
vielfältigeProblemstellun-
gen:SowohlneueFahr-
zeugkonzepteunddamit
einhergehendealternative
Antriebskonzeptealsauch
Infrastrukturenkönnenabge-
bildetunderlebbargemacht
werden.
1 Quelle: BMBF
2 Quelle: Ford
3 Quelle: Heise
4 Quelle: Fraunhofer IPK
5 Quelle: Volkswagen
6 Quelle: ECOtality
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Einparkassistent
VerknüpfungvonDynamik-,
SensorsimulationundUser-
Interfaceunterrealitätsnahen
Bedingungen.Diegleichzei-
tigeUmgebungssimulatio-
nermöglichtdieBetrachtung
vonFragenwie:Wiesollte
einWarnsystemgestaltet
sein?WiekanndasZusam-
mensppielvonMenschund
Technikoptimiertwerden?
Funktionale Erprobung
des Cockpits der Zukunft
EvaluationvonMensch-Fahr-
zeug-Interaktionskonzepten
beigleichzeitigerSimulation
vonFahraufgaben.
• Head-Up-Displays
• Gesteninteraktion
• MultimodaleInterfaces
ANWENDUNGSBEISPIELEDerMehrwertdesFunct ional Dr iveS imulators l iegt inderMögl ichkeit e iner
stärkerenNutzereinbindungbei derEntwicklung innovat iver Automotive-
Systeme.Er ermögl ichtdieganzheit l icheEvaluat iondesZusammenspie ls von
Mensch,FahrzeugundUmwelt . Er ste l l t damit e ine“virtual t rueuse”-Um-
gebungdar. Darüberhinausste l l t derFunct ional Dr iveS imulatore ine Integ-
rat ionsplattformfürdiemechatronischeSystementwicklungdar. Beispie lhaft
s indfolgendeUntersuchungsszenar iengeplant:
Car-to-X Kommunikation
Überprüfung,wieInformati-
onenausCar-to-XKommuni-
kationoptimalindasFahrer-
Fahrzeug-Systemeingebracht
werdenkönnen.
DazuwirddieCar-to-Xkom-
munikationdurchgeeignete
Softwaretoolssimuliertund
mitderimmersivenDarstel-
lunggekoppelt.
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SIMULATIONSKERN
VISUALISIERUNGSKERN INTERAKTIONSKERN
HARDWAREProjektoren,Rendering,Rechner,Head-Tracking,Eye-Tracking
SOFTWARESynchronisation,Rendering,Schnittstellen,Bibliotheken
MOTION-PLATTFORM• AirmotionRide• 2-AchsigeLinearmotorenplattform
BEDIENELEMENTE
FORCE-FEEDBACK-GERÄTE
dSPACE• AutomotiveSimulationModels• AutomotiveInterfaces• RealtimeHardware
EXTERNESIMULATIONSMODELLEMATLAB/Simulink,Modelica,MKS,Simula-tionflexiblerBauteile
Hierfürkommteine360°
3D-Aktiv-Stereo-Projektion
zumEinsatz.Durchoptische
ErfassungderNutzerposition
wirddiekorrekteperspek-
tivischeDarstellungder
visuellenSzenegewährleis-
tet.Zusätzlichkannüberdas
TrackingsystemdiePosition
derExtremitätenundHände
desBenutzerserfasstundfür
dieInteraktionbeispielsweise
mitdemFahrzeug-Interieur
verwendetwerden.
Fertigstellung
ZielderFertigstellungin
letzterAusbaustufeistEnde
Q3/2013.DerFunctional
DriveSimulatoristjedoch
bereitsseitQ1/2012in
jeweilsaktuellerAusbaustufe
inBetrieb
3 Quelle: Fraunhofer IPK
4 Quelle: dSpace
5 Quelle: dpa
Simulationskern
DerSimulationskernbasiert
ausbewährterAutomotive-
TechnologievondSPACE,die
umzusätzlicheSimulations-
bibliothekenundInterakti-
onsmöglichkeitenerweitert
wird.DieParamterisierung
undParametersatzverwal-
tungderSimulationerfolgt
durchdiegrafischeBenut-
zeroberfläche.Eslassensich
virtuelleFahrzeugeoderauch
einzelneKomponentenwie
AntriebsstrangoderFahr-
werksimulieren.Individuelle
StraßenundFahrmanöver
UMSETZUNG
könnendefiniertwerden.
NebendendSPACE-Biblio-
thekenlässtsichderSimu-
latordurchexterneModelle
(z.B.Modelica,MKS,flexible
Bauteile)erweitern.Die
Simulationläuftaufspeziell
optimierterundaufEchtzeit
ausgelegterHardware.
Interaktionskern
UmdemNutzereinrealisti-
schesFahrgefühlzuvermit-
teln,wirdeineMotion-Platt-
formeingesetzt.Diesebasiert
aufdemAirmotion_rideder
FirmaFesto,dessendyna-
mischeEigenschaftendurch
DerFunct ional Dr iveS imulator ist e inmodulares
verte i l tesSystemdase inef lex ib leUmkonfigura-
t ionfürdieunterschiedl ichenAnwendungsfelder
er laubt. Er bestehtausdendrei KomponentenSi-
mulat ions- , Interakt ions- undVisual is ierungskern.
dieKombinationmiteiner
zusätzlichenzweiachsigen
PlattformausLinearmoto-
renerweitertwerden.Die
Anbindungvonweiteren
physischenBedienelemen-
ten(beispielsweiseTeiledes
Cockpits)undForce-Feed-
back-Interaktionsgeräten
(z.B.Tür,Heckklappeetc.)er-
möglichtdemBenutzereine
intuitiveInteraktionmitdem
hybridenFahrzeugprototyp.
Visualisierungskern
FürdieVisualisierungwird
eineimmersiveVirtualRea-
lity-Umgebungeingesetzt.
1 Festo Airmotion Ride
(Quelle: Festo)
2 Functional Drive Simula-
tor im Digital Cube Test
Center
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ALLEINSTELLUNGSMERKMALEDerFunct ional Dr iveS imulator ist a ls modulares
f lex ib lesSystemmit minimalemHardwareaufwand
konzipiert . Hierdurchwerdendrei Dingeerre icht:
• MaximaleFlexibilität:NichtnurdieUmgebungistvirtuell,
sondernauchdasgesamteFahrzeug.Hierdurchwerden
jeglicheEigenschaftendesphysischenFahrzeugsbiszum
Sitzberechnetundsindveränderbar.
• “MitwachsenderPrototyp”:InfrühenPhasenkannalles
simuliertwerden,späterkönnenimmermehrrealeKom-
ponentenergänztwerden(HiL,SiL).
• Low-Cost:EinsatzvonMinimal-Hardwareausoptimier-
tenKomponentenumeinfinanziellattraktivesSystemzu
erreichen,ohneanderQualitätzusparen.
DarüberhinausistderFunctionalDriveSimulatornureine
spezifischeAusprägungdesDigitalCubeTestCenters(DCTC).
ÜberdieNutzungalsFahrsimulatorkanndieEinrichtungauf
GrundderflexiblenKonzeptionierungauchaufdieBedürf-
nisseandererForschungsprojekteundBranchenangepasst
undfürEvaluationenverwendetwerden(z.B.Absicherung
digitalerFertigungsprozesse,KopplungmitCAE,insbesondere
FEMWerkzeugenfürdieganzheitlicheAbsicherung,virtuelle
InbetriebnahmeinnerhalbderProduktionsplanungusw.).
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1&2 Bisherige statische
Mixed Reality Lösungen
als Vorstufe des Smart
Hybrid Prototyping
(Quelle: Daimler)
3 Quelle: BMW
4 Quelle: Ford
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• WielassensichkomplexetechnischeRegelsystemein
einemhybridenAnsatzauskonstruierterundrealerWelt
(Mixed-Reality)unterMitwirkungvonMensch-Maschine-
Interaktionevaluieren?
• WiekanndieAbsicherungundErlebbarkeitvonSoft-
warefunktionalitätenimMixed-RealityUmgebungenvon
unterschiedlichenStakeholdern(Management/Marketing/
Ingenieure)imDesign/Review-Prozessrealisiertwerden?
• WiekönnendurchdieAnkopplungeinerMixed-Reality
UmgebungbestehendeSoftware-WerkzeugeinIhrer
Funktionalitäterweitertwerden?
• WielassensichErprobungs-SzenarienundDesign,inder
virtuellenWeltdurchgeführt,nachvollziehbarundrepro-
duzierbarzwischenHerstellerundZuliefereralsSpezifikati-
on(z.B.dieFestlegungvonGesten)verwenden?
• WiekönnenneuartigeundalternativeKonzepte,ins-
besondereimBereichderElektromobilität,hinsichtlich
Durchführbarkeit,UsabilityundEmpfindeninterdisziplinär
abgesichertundbewertetwerden?
FORSCHUNGSFRAGENVirtuel lesDesignunddiehybr idenAnalysenvonFahrzeugfunkt ionenunter
Berücks icht igungrealer Wechselwirkungenmit demFahrerwerfenfolgende
technischeundwissenschaft l icheFrageste l lungenauf:
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DAS DIGITAL CUBE TEST CENTERDasDigita l CubeTest Centerkannfürverschiedene
Anwendungsszenar ien innerhalbderProdukt- und
Prozessentwicklungeingesetzt werden.Schwer-
punktanwendungenste l lenSmartHybr idPrototyping
(mit derUmsetzungdesFunct ional Dr iveS imulators)
undSmartHybr idProcessP lannungdar.
SMART HYBRID PROCESS PLANNINGSmartHyr idProcessP lanninger laubte inefrühzeit igeAbsicherungvonFert i-
gungs-undMontagevorgängen innerhalbderdigita lenFabr ik.
Smart Hybrid Process Planning in Kombination mit Motion Capture:
MotionCaptureTechnologienerfassendiemenschlichenBewegungeninderVirtuellen
Realitätganzkörperlich(z.B.virtuelleAbsicherungeinesneuenSchweißprozessesmitHilfe
vonerlebbarerund/oderinteraktiverSchweißtechnikmittelsCAE,VRAnlagentechnikund
ForceFeedback).DieaufgenommenenMontageprozessesindanschließendandievirtuellen
Mensch-ModelleundPlanungswerkzeugezuübertragen
Smart Hybrid Process Planning in Kombination mit CAE:
SmartHybridProcessPlanningsolldieAbsicherungvonMontagevorgängenumdieDimen-
siondesphysikalischenVerhaltenserweitern.DabeisolleneinerseitsGamePhysicseingesetzt
werden,fürdiefrüheKonzeptplanung,andererseitssollengenauereBerechnungsergebnisse
ausCAE-WerkzeugenindasMontageszenarioüberlagertwerdenkönnen(PhasederSerient-
wicklung).
Smart Hybrid Process Planning in Kombination mit virtueller Inbetriebnahme (VIBN),
halb-/automatisierter Herstellprozesse, Arbeitsschutz:
DieBewegungdesPersonals(s.o.MotionCapture)kannwiederverwendetwerden,um
VirtuelleSteuerungenzuprüfenhinsichtlichderSicherheitderWerker.Sensoren,welchein
derFabrikdieBewegungerfassen,sollensimuliertundüberprüftwerden.Bereicheaußerhalb
vonSensoren,könnenvisualisiertundergänztwerden.Weiterhinkönnenstarkvereinfachte
physischeAttrappenvonhalbautomatisiertenMontagewerkzeugenerstelltwerden,deren
VerhaltenimKontextderVirtuellenInbetriebnahmeüberprüftwerdenkann.
DigitalCubeTestCenter
SmartHybridPrototyping SmartHybridProcessPlanning
FunctionalDriveSimulator
1 Gesamtaufbau des
Digital Cube Test Centers
mit Functional Drive
Simulator Konfiguration
2 Quelle: Kuka
3 Quelle: BMW
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Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark
FachgebietsleiterIndustrielleInformationstechnik
Telefon:+49(0)30/314-25414
E-Mail:[email protected]
M.Eng. Boris Beckmann-Dobrev
WissenschaftlicherMitarbeiteramFachgebietIndustrielle
Informationstechnik
Telefon:+49(0)30/314-25422
E-Mail:[email protected]
M. Sc. Elisabeth Dittrich
StipendiatinamGraduiertenkollegPrometei
Telefon:+49(0)30/314-25419
E-Mail:[email protected]
ANSPRECHPARTNER
FakultätfürVerkehrs-undMaschinensysteme
InstitutfürWerkzeugmaschinenundFabrikbetrieb(IWF)
TechnischeUniversitätBerlin
Pascalstraße8-9
D-10587Berlin
www.iit.tu-berlin.de/dctc
Dipl.-Ing. Maik Auricht
WissenschaftlicherMitarbeiteramFachgebietIndustrielle
Informationstechnik
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