Virtuelle Realität im Automobilbau.

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1 Informationen der BMW Group Mai 2003 Virtuelle Realität im Automobilbau. Leistungsstarke Computer ermöglichen es heute, viele Entwicklungsschritte schon im Vorfeld wirklichkeitsnah auf dem Bildschirm zu simulieren ohne den aufwändigen Bau von Modellen und ohne teure Prüfstände. Die Möglichkeiten, computergenerierte Simulationen darzustellen, sind nicht auf den herkömmlichen Bildschirm beschränkt. Eine effiziente und innovative Technologie ist Virtual Reality, die bei der BMW Group von der Designentwicklung über Simulation bis hin zur Planung von Produktionsprozessen Verwendung findet. BMW Group

2 Das Virtual Reality Center, welches 2001 im FIZ eröffnet wurde, bündelt alle Aktivitäten der BMW Group im Bereich VR. Im deutschen Sprachgebrauch bezeichnet man Virtuelle Realität kurz VR auch gerne als eine vom Computer simulierte Wirklichkeit oder eine künstliche Welt. Um diese zu erzeugen, verwandeln leistungsstarke Computer riesige Datenmengen in räumliche Bilder. Beim Betrachter werden so die gleichen sinnlichen Empfindungen hervorgerufen wie in der Realität die virtuelle Welt wirkt echt. In vielen Anwendungsbereichen kann eine solche virtuelle Welt die reale Umgebung ersetzen insbesondere dann, wenn nur ein genau definierter Ausschnitt aus der Realität simuliert werden soll. Die virtuelle Zukunft des Automobils hat bereits begonnen. Längst hat sich die Welt im Cyberspace von einer Spielerei zu einem ernst zu nehmenden industriellen Werkzeug entwickelt. In den virtuellen Umgebungen kann sich der Anwender bewegen, mit ihnen interagieren und sie letztlich auch umgestalten. Moderne VR-Studios besitzen eine so genannte CAVE (Cave Automated Virtual Environment). In dieser elektronischen Höhle ist der Betrachter von bis zu sechs Wänden umgeben, auf die in Echtzeit bewegte Bilder projiziert werden. Diese vermitteln ihm über eine Spezialbrille den räumlichen Eindruck einer virtuellen Umgebung. wenn es sein muss, sogar via Datenleitung gleichzeitig an verschiedenen Orten der Welt. Das reduziert die Kosten und vor allem die Entwicklungszeit time to market genannt. Gleichzeitig ermöglicht VR die extrem frühe Beurteilung unterschiedlicher Varianten bereits der erste Datensatz eines neuen Designs kann optisch dargestellt werden und bietet damit eine Grundlage für virtuelle Tests. Bei der BMW Group war der konsequente Einsatz der rechnergestützten Simulation eine der technischen Voraussetzungen, die es ermöglichten, die Entwicklungszeit für ein neues Modell von früher sechs Jahren auf heute zweieinhalb Jahre zu verkürzen. Ein Auto nimmt virtuelle Gestalt an. Um neue Fahrzeugdesigns zu testen, übernehmen VR-Ingenieure die im Computer gespeicherten Daten und errechnen daraus ein erstes 3D-Modell. Der Computer teilt dabei das Fahrzeug in viele Dreiecke sogenannte Polygone. Der Rechner legt also ein virtuelles Netz, das die Geometrie des Fahrzeugs beschreibt, über die Konstruktion. Danach werden den Bauteilen entsprechend ihrer realen Merkmale Farben und Oberflächeneigenschaften zugewiesen. Im letzten Schritt wird das realitätsnahe Ergebnis für den Betrachter in Abhängigkeit von seinem Blickwinkel in Echtzeit dargestellt. Arbeiten in der virtuellen Höhle : Durch ihre 3D-Brillen sehen die Ingenieure das Innenleben des Autos auf Wänden und Fußboden der CAVE räumlich und angepasst an ihre Bewegungen. Von der ersten Idee bis zum Serienprodukt schneller und effizienter. Virtuelle Simulationen sind heute auch in der Automobilindustrie unverzichtbar. Mussten früher mehrere Prototypen angefertigt werden, um Bauteile im Vorfeld zu testen, so arbeiten Planer, Konstrukteure und Ingenieure heute an ein und demselben digitalen Modell und optimieren dieses auf dem Bildschirm 2

3 Über Brille und Datenhandschuh werden die Bewegungen des VR-Masters (links) exakt in den Computer übertragen. Daraus lässt sich die elektronische Simulation (rechts) errechnen und optimieren. Die hohe Schule der virtuellen Simulation. Das komplizierte Vorgehen bei der Generierung der virtuellen Welten dient einem Ziel: Die ansonsten unüberschaubare Menge von Daten übersichtlich zu machen und sie in eine Form zu kleiden, die den menschlichen Sinnen zugänglich ist. Würde man die Daten als Zahlenkolonne auf Papier ausdrucken, könnte sich kein Mensch etwas darunter vorstellen. Erst die Umwandlung in eine räumliche Darstellung ermöglicht es, die immer noch unübertroffenen Fähigkeiten des menschlichen Gehirns zur intuitiven Bildverarbeitung mit der Rechenleistung von Großcomputern zu kombinieren. gefährden. Im virtuellen Raum kann man heute bereits an kompletten Autos einen Crash-Test durchführen. Supercomputer und Co. Um all diese Möglichkeiten ausschöpfen zu können, ist eine aufwändige und hoch spezialisierte Hardware nötig. Hinter der tonnenschweren Spezialscheibe der sogenannten Powerwall im Virtual Reality Center (VRC) des BMW Forschungs- und Innovationszentrums steht geballte Computerkraft: Ein Rechner mit mehreren Prozessoren verarbeitet die gigantische Datenflut. Großprojektoren werfen die Pixel millimetergenau abgestimmt von hinten auf die Projektionswände. Das begehbare Cockpit: Testpersonen mit 3D-Brille beurteilen vor der Powerwall Alternativen von neuen Designs. Rechts im Vordergrund der Steuerrechner. In vielen Anwendungsbereichen reicht eine rein optische Darstellung oftmals nicht aus etwa bei der Beurteilung der Akustik, der Bedienbarkeit und Sicherheit eines Fahrzeugs oder einzelner Komponenten. In diesen Fällen hängt alles vom Material des entsprechenden Bauteils und seinen Eigenschaften ab. Nach einer gründlichen Analyse verwaltet der Rechner riesige Mengen an Informationen, die das zukünftige Auto schon recht genau beschreiben. In der virtuellen Welt kann der Ingenieur das Fahrzeug nun betrachten, es an jeder beliebigen Stelle durchschneiden, vermessen, sich darin bewegen, es vergrößern oder verkleinern. Mit der entsprechenden Software ist es sogar möglich, das Auto virtuell fahren zu lassen, um die Geräuschkulisse zu überprüfen, die dabei entsteht. Zusätzlich und dies ist die hohe Schule der VR kann das virtuelle Auto beispielsweise als Fahrsimulator direkt in einer ebenso virtuellen Umgebung bewegt werden. So lässt sich etwa die Tauglichkeit bestimmter technischer Komponenten im Verkehr testen, ohne dabei Verkehrsteilnehmer zu Der Anwender taucht mit einer speziellen Brille in die projizierte Umgebung ein. Mit dieser sogenannten Shutterbrille sieht das rechte Auge nur das rechte und das linke Auge nur das linke Stereobild. Diese Bilder verändern sich sofort entsprechend, wenn der Betrachter seine Position oder seinen Blickwinkel ändert. Mit einer 3D-Maus oder einem 3D-Joystick kann der Anwender in der virtuellen Welt agieren. Sensoren verfolgen jede seiner Bewegungen und setzen sie augenblicklich in die richtige Perspektive um. Dies bezeichnet man als Echtzeit. Die Leistungsfähigkeit der Rechner ermöglicht es, dass der Nutzer interaktiv mit dem Bild in Beziehung treten und intuitiv reagieren kann. Außen schön, innen praktisch. Das Virtual Reality Center bei BMW dient ebenso wie eine ganze Reihe von kleineren VR-Studios in den Fachabteilungen einer Vielzahl von Aufgaben: Konstrukteure bewerten die Geometrie der Bauteile, die Ingenieure der Package-Abteilung untersuchen vor der Powerwall, wie sich noch der letzte Millimeter Platz 3

4 im Automobil ausnutzen lässt und ergonomische Aspekte stehen im Vordergrund bei der Simulation des Innenraums. Reale Personen testen im virtuellen Auto beispielsweise, ob die Anordnung der Cockpitelemente optimal ist und ob sie sich bei unterschiedlicher Beleuchtung noch gut ablesen lassen und nicht spiegeln. Motorentwickler können Schwachpunkte des Aggregats im Zusammenspiel der simulierten Teile schon in einem Stadium untersuchen, in dem der Motor erst als Datensatz existiert. Akustiker bringen das Daten-Auto zum Schwingen und Aerodynamiker testen es im rechnerischen Windkanal und optimieren seine Form so, dass der Luftwiderstand möglichst gering wird. Virtuelle Dummies helfen Leben retten. Eine besonders wichtige Rolle spielt VR in der Sicherheitsforschung, eröffnet sie doch die Möglichkeit, Vorgänge zu simulieren, deren Erprobung in der Realität zu teuer oder zu gefährlich wäre. Noch bevor bei BMW ein neues Auto zum ersten Mal gebaut wird, wurde es virtuell schon mindestens 100 Mal auf die verschiedensten Arten zu Schrott gefahren. Für die Simulation eines Frontalcrashs gegen die Wand braucht der Rechner zwei bis vier Tage. Er arbeitet in dieser Zeit Tag und Nacht und zerlegt die Zehntelsekunde des Aufpralls in Tausendstel-Sekunden-Schritte. Auf diese Weise entsteht ein lautloser Film, in dem sich das Fahrzeug millimeterweise gegen die Wand schiebt und dort so sanft verformt wird, als sei es aus Knetmasse. Dieses Vorgehen erspart viel Geld. Ein realer Auto- Prototyp kostet bis zu einer drei viertel Million Euro. Im Computer hingegen beläuft sich ein Crash trotz der langen Rechenzeit auf rund 400 Euro. Zwar benötigen Entwickler eines neuen Modells mehr als 1000 virtuelle Testläufe, doch ist diese Vorgehensweise noch immer um einiges billiger als ein einziger realer Test. Gleichzeitig ermöglichen simulierte Tests, unterschiedliche Varianten zu erproben, ohne dass dabei Mensch oder Material zu Schaden kommen. Gesetzliche Vorgaben verlangen im Sicherheitsbereich stets auch reale Tests, um die Zuverlässigkeit der Computerberechnungen mit der Wirklichkeit abzugleichen. Die virtuelle Fabrik. Nicht nur das einzelne Fahrzeug eignet sich als Objekt für den Cyberspace. Fertigungsleute entwerfen heute bei BMW ganze Presswerke und Lackierereien im virtuellen Raum. Sie können beispielsweise jedes Blechteil und die zu seiner Herstellung nötigen Werkzeuge in Originalgröße darstellen und bewerten. Die Ingenieure aus Planung, Entwicklung und Fertigung benutzen Virtual Reality, um zu beobachten, wie das Blech über das virtuelle Werkzeug gezogen und verformt wird. Derartige Ziehsimulationen sind ein hervorragendes Mittel, um in die Analyse zu gehen und das Blechteil zu verbessern, ohne dass man aufwändige Modelle bauen muss. Zur Charakterisierung der Blechstärke verwendet man unterschiedliche Farben; Schritt für Schritt können die Ingenieure so eventuell kritische Stellen optimieren. Lohhof* VR und AR Infrastruktur in der BMW Group: Über schnelle Leitungen kann man zwischen den Werken und dem VRC Daten in Echtzeit austauschen. Eine Internationalisierung ist geplant. München Design FeasCUB Projekthaus* Regensburg Werkzeugbau Landshut Leipzig* Fahrsimulator ARS Service Dingolfing Technologie Oberfläche Werke FIZ * in Planung 4

5 AR im Service Service Entwicklung 3D-Fabrikplanung Simulation von Komponenten Packagesimulation Oberflächenqualität Werkersimulation Produktion Vertrieb Einbau-/ Montagesimulation Trocknersimulation Virtueller Showroom Spiegelungen / Lichtsimulation Infrastruktur VRC Anwendungsgebiete von Virtual Reality bei BMW: Simulation der Fahrerergonomie Virtual Reality ist heute unentbehrlich in vielen Bereichen angefangen bei der Entwicklung über die Produktion bis hin zu Vertrieb und Service. 5

6 Der Stau findet im Computer statt. Computer-Simulationen ersparen heute sogar vielfach die reale Erprobung von Verkehrsszenarien und ermöglichen die Prüfung von Gegenmaßnahmen, bevor man sie auf der Straße einsetzt. Mit möglichst realen Simulationsmodellen lassen sich Systeme untersuchen, die in der Realität gar nicht oder nur mit immensem Aufwand ermittelt werden können. BMW nutzt die Möglichkeiten dieser Werkzeuge für viele Zwecke von der Untersuchung der Wirkung von Fahrerassistenzsystemen bis hin zur Verkehrstelematik. Vom Sehen zum Tasten. Die optische Darstellung der virtuellen Realität steht heute bei allen VR-Techniken im Vordergrund. In manchen Anwendungsbereichen ist diese aber nicht ausreichend. In Zukunft könnten Computer und Datenhandschuh auch taktile Reize erzeugen und dem VR-Anwender als Tast-Erlebnis zuspielen. Damit ließe sich beispielsweise die Bedienung einzelner Fahrzeugkomponenten realitätsnah simulieren, ebenso wie der Einbau und die Zugänglichkeit einzelner Bauteile in der Produktion. Training für Einbau und Reparatur: Mit Hilfe von Augmented Reality blendet der Computer Anweisungen und Zusatzinformationen ein. So lassen sich auch feinste Handgriffe präzise planen und üben. Der Showroom der Zukunft: Eigenschaften von Materialien wie z.b. die Narbung von Leder können hier realitätsnah betrachtet werden. Schon bald wird im virtuellen Raum auch konstruiert. Die Ergebnisse können dann sofort in den Datensatz im Computer zurückgespielt werden, womit sich viele neue Anwendungen eröffnen. War es bisher nur möglich, bestimmte Eigenschaften und Funktionalitäten des Fahrzeugs abzusichern, wird es dann auch möglich sein, gestaltend tätig zu werden. Auf diese Weise wird eine noch engere Verzahnung aller Abläufe vom Design bis hin zur Fertigung möglich. Erweiterte Realität. Eine neuere Entwicklungsstufe ist die Augmented Reality (erweiterte Realität). Bei dieser Form der Mensch-Maschine-Interaktion werden dem Benutzer kontextabhängige Informationen abgeleitet vom betrachteten Objekt in sein Sichtfeld eingeblendet. Über eine spezielle Brille sieht beispielsweise ein Mechaniker Informationen, die ihn bei der Durchführung seiner Tätigkeit unterstützen. Dies können sowohl Instruktionen zur Wartung / Reparatur, als auch die Darstellung der Ist- und ein Vergleich mit den Soll-Werten sein. Soll der Mechaniker eine Schraube eindrehen, so beginnen Pfeile vor seinen Augen zu rotieren, und zwar genau an der richtigen Stelle. Gesteuert wird das Ganze per Mikrofon und Spracherkennung; eine kleine Videokamera am Brillenbügel verfolgt die richtige Position der Bauteile beim Einbauen. Das Bild der Videokamera kann auch einem Remote-Experten zugespielt werden. Dieser kann, obwohl räumlich weit entfernt, dem Mitarbeiter vor Ort die nötigen Informationen für die Arbeit liefern. Augmented und Virtual Reality sind zukunftsweisende Technologien, an deren Entwicklung BMW auch im Rahmen von Forschungs- und Kooperationsprojekten entscheidend beteiligt ist. BMW AG Technologiekommunikation Weitere Informationen zur BMW Group im Internet: 6