Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart Tobias Miunske Ein szenarienadaptiver Bewegungsalgorithmus für die Längsbewegung eines vollbeweglichen Fahrsimulators Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart Reihe herausgegeben von Michael Bargende, Stuttgart, Deutschland Hans-Christian Reuss, Stuttgart, Deutschland Jochen Wiedemann, Stuttgart, Deutschland Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Univer- sität Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenar- beit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahrzeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen, Fahrzeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Ausarbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simulation. Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftübertragung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten. Der Bereich Fahrzeu- gantriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensentwicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufladesysteme und -strategien, Hybridsys- teme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen Fragestellungen. The- men der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride, Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Softwa- reentwicklung sowie Test und Diagnose. Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen unterstützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimulator, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aeroakustikwindkanal. Die wissen- schaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert über die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergebnisse der Forschungstätigkeiten am IVK. Reihe herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss Lehrstuhl Fahrzeugantriebe Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann Lehrstuhl Kraftfahrwesen Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13535 Tobias Miunske Ein szenarienadaptiver Bewegungsalgorithmus für die Längsbewegung eines vollbeweglichen Fahrsimulators Tobias Miunske IVK, Fakultät 7, Lehrstuhl für Kraftfahrzeugmechatronik Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2020 D93 ISSN 2567-0042 ISSN 2567-0352 (electronic) Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart ISBN 978-3-658-30469-0 ISBN 978-3-658-30470-6 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-30470-6 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National- bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa- tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany FürdengläubigenMenschenstehtGottamAnfang, fürdenWissenschaftleramEndeallerseinerÜberlegungen. MaxPlanck FürEsther. Vorwort DievorliegendeArbeitentstandwährendmeinerwissenschaftlichenTätigkeit amInstitutfürVerbrennungsmotorenundKraftfahrwesen(IVK)derUniversi- tätStuttgartunddemForschungsinstitutfürKraftfahrwesenundFahrzeugmo- torenStuttgart(FKFS). An erster Stelle möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. H.-C. Reuss, dem LeiterdesLehrstuhlsfürKraftfahrzeugmechatronik,fürdasErmöglichenund die Förderung dieser Arbeit bedanken. Ihm gilt mein aufrichtiger Dank für diemireingeräumtenfachlichenFreiräumeundGestaltungsmöglichkeitenbei derUmsetzung.FrauProf.Dr.-Ing.C.TaríndankeichfürdieÜbernahmedes MitberichtsvomInstitutfürSystemdynamik. Bedanken möchte ich mich bei Dr.-Ing. Gerd Baumann, dem Leiter des Be- reichs für Kraftfahrzeugmechatronik und Software für die harmonische Zu- sammenarbeit und das entgegengebrachte Vertrauen. Auch bedanke ich mich bei meinen Fahrsimulator-Kollegen Herr Dipl.-Ing. Christian Holzapfel, Herr Dipl.-Ing. Martin Kehrer, Herr Dipl.-Ing. Anton Janeba, Herr Dr.-Ing. Jürgen PitzundHerrDipl.-Ing.EdwinBaumgartnerfürdiezahlreichengutenundhilf- reichenDiskussionen,dietolleZusammenarbeitundnichtzuletztdiegemein- samenErprobungenundUmsetzungenamFahrsimulator.Dankenmöchteich auch meinem Studenten Jonathan Lehmann für die gründliche Untersuchung derRealfahrt-Probandenstudie. AußerdemmöchteichbeimeinenElternbedanken,diemichbeimeinemStu- diumundderPromotionimmergefördertundunterstützthaben.Zuletztmöch- te ich mich von ganzem Herzen bei meiner Frau Esther, meinem Sohn Silas und meiner Tochter Elisa bedanken, die mich beim Entstehen dieser Arbeit oftmalsentbehrenmussten.IhrwartmirindieserZeiteineQuelleneuerKraft undDurchhaltevermögensaufdemWegzumAbschlussdieserPromotion. Weinstadt TobiasMiunske Inhaltsverzeichnis Vorwort......................................................................................VII Abbildungsverzeichnis .................................................................XIII Tabellenverzeichnis.......................................................................XV Abkürzungsverzeichnis................................................................XVII Symbolverzeichnis ......................................................................XIX Abstract .................................................................................. XXV Kurzfassung...........................................................................XXVII 1 EinleitungundMotivation..........................................................1 1.1 Fahrsimulatoren..................................................................2 1.1.1 HistorischeEntwicklungundNutzen............................2 1.1.2 DerStuttgarterFahrsimulatormitachtFreiheitsgraden.....3 1.2 LiteraturübersichtundweitererForschungsbedarf......................7 1.3 ZieleundAufbauderArbeit................................................12 2 TheoretischeGrundlagen.........................................................17 2.1 BegriffserklärungMotion-Cueing.........................................17 2.2 MenschlicheBewegungswahrnehmung..................................18 2.3 SystemdynamischeGrundlagendesMotion-Cueings................23 2.3.1 SystemtheoretischerAufbauundSignalverarbeitung......23 2.3.2 NichtlineareSkalierungderEingangssignale................28 2.3.3 Koordinatentransformation.......................................28 3 VerkopplungvonHexapodundSchlittensystem..........................31 3.1 OptimierungderBewegungswahrnehmung.............................31 3.2 AufteilungderBeschleunigungssignale .................................35 4 SzenarienadaptiverMotion-Cueing-Algorithmus.........................39 4.1 Problemstellung................................................................39 4.2 UntersuchungderProbandenstudie.......................................42 4.2.1 UntersuchungderFahrdaten .....................................43 4.2.2 AufteilunginrelevanteSzenarien...............................43 X Inhaltsverzeichnis 4.3 UmsetzungderErgebnisseineinereignisdiskretesSystem.........56 4.3.1 AdaptiveflachheitsbasierteUmschaltungder Filterkoeffizienten...................................................59 4.3.2 AuslegungdesSystemsbezüglichTilt-Coordination......61 4.3.3 AuslegungdesSystemsbezüglichSchlittensystem ........69 4.3.4 Gesamtsystem........................................................77 5 PrädiktiveflachheitsbasierteVorsteuerungdesSchlittensystems....79 5.1 StreckenvorausschaumitADAS...........................................80 5.1.1 BevorstehendeGeschwindigkeitsbegrenzungen.............83 5.1.2 KrümmungdesbevorstehendenStraßenverlaufs............84 5.1.3 VerhaltenbeinichtverfügbarenADAS-Daten...............87 5.2 FlachheitsbasiertekinematischeModellierungderSchiene.........88 5.3 EreignisdiskreteVorsteuerung..............................................93 6 UmsetzungundAnalyseimFahrsimulator.................................97 6.1 AnalyseundBewertung......................................................97 6.1.1 ObjektiveUntersuchung..........................................100 6.1.2 SubjektiveUntersuchung.........................................107 6.2 DiskussionderErgebnisse .................................................112 7 SchlussfolgerungundAusblick.................................................115 Literaturverzeichnis......................................................................119 Anhang......................................................................................135 A.1 DerStuttgart-Rundkurs.....................................................135 A.2 SignalverläufederProbandenstudie .....................................136 A2.1 SchwellwerteBeschleunigungsverlauf .......................136 A2.2 HauptbereichederBeschleunigungsverläufe................136 A2.3 SchwellwerteVerzögerungsverlauf............................139 A2.4 HauptbereichederVerzögerungsverläufe....................139 A.3 FilterkoeffizientenderEingangsfilterung...............................142 A.4 StabilitätundSteuerbarkeitlinearerzeitvarianterSysteme ........143 A4.1 Stabilität..............................................................143 A4.2 Steuerbarkeit........................................................144 Inhaltsverzeichnis XI A.5 FilterparameterauslegungderTilt-Coordination......................145 A5.1 AuslegungderadaptivenFilterparameter....................145 A5.2 AuslegungderTransaktionen...................................147 A.6 FilterparameterauslegungdesSchlittensystems.......................148 A6.1 AuslegungderadaptivenFilterparameter....................148 A6.2 AuslegungderTransaktionen...................................151 A.7 AutomatenderTilt-CoordinationunddesSchlittensystems.......154 A7.1 AutomatTilt-Coordination......................................154 A7.2 AutomatSchlittensystem.........................................156 A.8 ParameterPD-Regler........................................................160 A.9 Einspurmodell.................................................................161 A.10 Transaktionsbedingungenderereignisdiskreten Schlitten-Vorsteuerung......................................................163 A.11 FragebogenExpertenstudie................................................165 A.12 Probandeninformationen....................................................174