Institutsflyer. Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung. Technologien aus Luft- und Raumfahrt für Straße und Schiene

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1 1 Institutsflyer Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung Technologien aus Luft- und Raumfahrt für Straße und Schiene

2 2 Inhaltsverzeichnis Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung Profil 3 Forschungsbereiche Automotive 4 Bahnsysteme 6 Experimentalinfrastruktur ViewCar 8 Virtual Reality Labor 10 Dynamischer Fahrsimulator 12 RailSiTe 14

3 Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung Profil 3 Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) hat als vierten Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeit neben Luftfahrt, Raumfahrt und Energietechnik 1999 das Thema Verkehr aufgenommen. Der Aufbau des neuen Schwerpunktes wurde durch die Gründung von drei neuen Instituten unterstützt. Das Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung entsteht als eines dieser Institute seit März 2001 am Forschungsflughafen Braunschweig unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Karsten Lemmer. Wissenschaftler aus unterschiedlichen Fachrichtungen wie Ingenieure, Psychologen und Informatiker entwickeln in interdisziplinären Teams kundenorientierte Lösungen zur Erhöhung der Sicherheit und Effizienz des straßen- und schienengebundenen Verkehrs. Das Spektrum der Arbeiten reicht von der Grundlagenforschung über die Erstellung von Konzepten bis hin zu prototypischen Entwicklungen. Die Aktivitäten orientieren sich am konkreten Problemlösungsbedarf von Wirtschaft und Gesellschaft. Die Qualität der Arbeit des Instituts ist nach ISO 9001:2000 zertifiziert. Darüber hinaus wurde der Bereich Bahnsysteme durch Eisenbahn-Cert (EBC) als Unterauftragnehmer der Benannten Stelle Interoperabilität ausgezeichnet.

4 4 Automotive Assistenzsysteme können die Sicherheit und Effizienz im Verkehr erhöhen. Dazu müssen die Ursachen für unangepasstes Verhalten des Fahrers erkannt und Funktionalitäten für Fahrerassistenz definiert werden, die diesem entgegenwirken. Unter psychologischen bzw. ergonomischen Gesichtspunkten ist die Fahrerassistenzfunktion so umzusetzen, dass sie dem kognitiven System des Fahrers und seinen Erwartungen entspricht. Diese Umsetzung ist in Fahrversuchen im Labor und im Realverkehr zu überprüfen. Dieser Forschungsansatz findet sich in den drei Themenfeldern des Instituts im Bereich Automotive wieder: Grundlagen der Fahrerassistenz Angewandte Fahrerassistenz Erprobung von Fahrerassistenz Grundlagen der Fahrerassistenz Unangepasstes Fahrverhalten führt zu Gefährdungen und ineffizienter Nutzung von Ressourcen im Verkehr, z.b. Infrastruktur. Eine Analyse des Fahrverhaltens u.a. mit dem ViewCar ermöglicht das Erfassen der Fähigkeiten und Grenzen des Fahrers sowie seiner Bedürfnisse. Hieraus werden verhaltensverändernde Assistenzfunktionen abgeleitet, die aus ergonomischen Gründen an die menschlichen Informationsverarbeitungs- und Handlungsprozesse angepasst sind. Eine effiziente Implementierung derartiger Assistenzfunktionen bedingt eine neuartige Systemarchitektur für die Bordelektronik. Dies erfordert die Trennung zwischen funktionalen, informations- und hardwaretechnischen Beschaffenheiten des elektronischen Systems.

5 5 Angewandte Fahrerassistenz Fahrerassistenzsysteme tragen nur dann zu einer Erhöhung der Verkehrssicherheit bei, wenn sie den Bedürfnissen des Fahrers entsprechen. Da die möglichen Aktionen von Assistenzsystemen (informieren warnen eingreifen übernehmen) an unterschiedlichen Stufen der menschlichen Informationsverarbeitung und Handlung eingreifen, ist das Grundlagenwissen über die kognitiven Prozesse entscheidend. Das Themenfeld entwickelt unter diesem Gesichtspunkt Strategien für Assistenzsysteme, deren Wirksamkeit und Akzeptanz durch den Fahrer überprüft wird. Erprobung von Fahrerassistenz Mit dem Messfahrzeug ViewCar werden Untersuchungen im Realverkehr durchgeführt, um dort die Ursachen von unangepasstem Fahrverhalten zu analysieren. In einem Virtual Reality Labor ist die gezielte Variation von Umwelt- und Fahrzeugmerkmalen möglich, so dass auch seltene oder gefährliche Situationen darstellbar sind. Eine höhere Realitätsnähe wird in einem Fahrsimulator mit Bewegungssimulation erreicht. Dort werden Assistenzsysteme modular aufgebaut, um diese Module in ein Testfahrzeug zu Untersuchungen im Realverkehr zu übertragen.

6 6 Bahnsysteme Die Globalisierung der Wirtschaft und der steigende Mobilitätsbedarf führen zu einem enormen Wachstum des Verkehrsaufkommens, das hauptsächlich von der Straße aufgenommen wird. Um diesem Trend entgegenzuwirken, müssen sowohl die Stärken des Verkehrsträgers Schiene weiter ausgebaut als auch Wirtschaftlichkeit und Effizienz erhöht werden. Es sind neue Lösungen gefordert, die bei einem umfassenden Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien zu einer Erhöhung des Automatisierungsgrades führen. Dieser Herausforderung stellt sich der Bereich Bahnsysteme des Instituts mit den Themenfeldern: Betriebsführung Nah- und Regionalverkehr Betriebsführung Fernverkehr Validation und Erprobung Die Forschungsaktivitäten konzentrieren sich auf die Entwicklung von Konzepten und Lösungsansätzen für eine sichere und wirtschaftliche Betriebsführung sowie einen optimierten Einsatz der Leit- und Sicherungstechnik. Betriebsführung Nah- und Regionalverkehr Die heute auf den Regionalstrecken vorhandene Technik ist inhomogen und zum größten Teil veraltet. Hohe Wartungs- und Instandhaltungsaufwendungen sowie manuelle Betriebsführung führen zu erheblichen Betriebskosten. Ein Schwerpunkt des Themenfeldes liegt daher in der Entwicklung von wirtschaftlichen Lösungen für die Betriebsführung bei einem optimierten Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien.

7 7 Betriebsführung Fernverkehr Mit der Definition eines einheitlichen europäischen Zugbeeinflussungssystems und seiner Entwicklung bis zur Einsatzreife sind die technischen Grundlagen für die Interoperabilität gelegt. Noch verbleibende offene Fragestellungen sind u. a. die Berücksichtigung nationaler Besonderheiten, die Definition einer einheitlichen Testmethodik und die Entwicklung optimaler Strategien zur Einführung und zum Einsatz der neuen Technik. Die Forschungsarbeiten des Themenfeldes sollen zur Lösung dieser Fragen einen Beitrag leisten. Validation und Erprobung Im Eisenbahn-Simulationslabor RailSiTe werden vergleichende Untersuchungen von Systemen und Einsatzvarianten der Eisenbahnleit- und -sicherungstechnik hinsichtlich des betrieblichen Verhaltens durchgeführt. Funktionale Tests liefern Aussagen über Konformität zu Spezifikationen und Normen sowie über die Interoperabilität von Subsystemen und Komponenten. Das RailSiTe bietet Bahnindustrie und Bahnbetreibern eine interessante wissenschaftliche Infrastruktur auf nationaler und europäischer Ebene.

8 8 ViewCar Das ViewCar ist ein Messfahrzeug zur Analyse des Fahrerverhaltens und seiner Wahrnehmungsprozesse im Straßenverkehr. Es ist mit Sensoren zur Messung und Aufzeichnung des umgebenden Verkehrsszenarios, der Fahrerblickrichtung, der Bedienung des Fahrzeugs durch den Fahrer und des resultierenden Fahrzeugverhaltens ausgestattet. Damit ermöglicht das ViewCar Untersuchungen zur Modellierung des Fahrerverhaltens sowie zur Akzeptanz und Sicherheit von Assistenzsystemen. Ausstattung Die Ausstattung des ViewCars erlaubt die zeitsynchrone Messung und Aufzeichnung der Blickrichtung des Fahrers, des umgebenden Szenarios über bis zu fünf Kameras mit frei wählbarer Blickrichtung sowie einer dem Blick des Fahrers folgenden Telekamera, der Position des Fahrzeugs (hochgenaues Ortungssystem, Spurerkennung), anderer Objekte im Straßenverkehr über einen Laserscanner, der Fahrzeugdaten (Bedienung, Fahrdynamik) und physiologischer Daten (Puls, Hautleitwert).

9 9 Beobachtung des Fahrers und Blickrichtungserfassung Anwendung Im Themenfeld Grundlagen der Fahrerassistenz des Instituts wird ein kognitives Modell für das Fahrerverhalten entwickelt. Hierfür liefert das ViewCar die benötigten Daten über das Verhalten verschiedener Fahrer in definierten Szenarien. Hieraus können typische Verhaltensmuster abgeleitet und Defizite erkannt werden. Das Themenfeld Angewandte Fahrerassistenz beschäftigt sich mit dem Unterstützungsbedarf verschiedener Fahrertypen in bestimmten Situationen sowie mit der Untersuchung verschiedener Ausprägungen von Assistenzfunktionen und ihrer Wirkung auf den Fahrer. Das ViewCar kann hier neben der Aufdeckung von Schwachstellen auch zur Analyse des Umgangs von Fahrern mit Assistenzfunktionen beitragen. Ausblick Das ViewCar ist ein umfangreich ausgestattetes Messfahrzeug zur Analyse des Verhaltens von Fahrern in verschiedenen Situationen. Ein flexibles Konzept erlaubt eine einfache Integration weiterer Sensoren, um so auch für zukünftige Messaufgaben gerüstet zu sein. Zukünftige Assistenzsysteme, wie z.b. Nachtsichtsysteme oder erweiterte Navigationssysteme, können prototypenhaft in das Fahrzeug integriert werden, wodurch eine Bewertung solcher Systeme ermöglicht wird.

10 10 Virtual Reality Labor Das Virtual Reality Labor (VR-Labor) bildet die erste von drei Entwicklungsstufen im Fahrerassistenzsystemelabor (FAS-Labor). Es besteht aus einem immersiven Projektionssystem (CAVE, Cave Virtual Automatic Environment) und dazu benötigter Rechnerhardware. Mittels Stereoprojektion und Headtracking sind realistische, räumlich wahrnehmbare Simulationen eines Autocockpits sowie der Umwelt möglich. Ein Sitz mit Lenkrad und Pedalerie dient zur Steuerung des virtuellen Fahrzeugs, der übrige Innenraum des Fahrzeugs ist nur virtuell vorhanden. Durch den fast vollständigen Verzicht auf reale Hardware im Cockpit lassen sich neue Fahrerassistenzsysteme schnell und flexibel auf Nutzbarkeit und Akzeptanz evaluieren. Ausstattung Im CAVE wird eine virtuelle Landschaft projiziert, die auf drei Wänden durch jeweils einen Bild-Generator im Aktiv-Stereo-Verfahren angezeigt wird. Ein Ultraschall-Headtracking-System misst die genaue Kopfposition und -orientierung einer Person und passt die Bildperspektive entsprechend an. Über einen simulierten CAN-Bus können reale Komponenten angeschlossen und getestet werden. Dazu gehören z.b. ein Multifunktions-Display, Force- Feedback-Pedalerie und -Lenkrad sowie eine Mittelkonsole mit Tiptronic-Schalthebel. Virtuelle Landschaften können je nach Versuchsanforderung modifiziert oder erstellt werden. Mittels einfacher Skripte erzeugt und steuert ein Rechner autonome Verkehrsteilnehmer in der Simulation. Jedes Szenario (eine beliebige Kombination aus Fahraufgaben) ist genau reproduzierbar. Für jedes Szenario steht optional auch eine Sprachausgabe, beispielsweise für Richtungsangaben, bereit. Zur Datenaufzeichnung steht eine große Auswahl an Messgrößen, sowohl Daten aus der Simulation (inklusive der autonomen Verkehrsteilnehmer) als auch Daten des simulierten CAN-Busses, zur Verfügung. Optional kann auch ein Blickverfolgungssystem analog zum ViewCar installiert werden.

11 11 Anwendung Das VR-Labor dient der frühen und kostengünstigen Evaluierung neuer Assistenzsysteme. Durch die Stereo-Projektion entsteht für den Betrachter ein räumlicher Eindruck, der ihm das Gefühl vermittelt, bereits heute im Automobil der Zukunft zu sitzen. Headup-Displays, frei verschiebbare Anzeigen oder auf die Straße projizierte Richtungsanzeigen sind nur einige Beispiele für Systeme, die im realen Versuchsfahrzeug nur schwer und kostenintensiv umsetzbar sind. Im VR-Labor dagegen können sie mit einem wesentlich geringeren Zeit- und Kostenaufwand implementiert und getestet werden. So kann bereits in frühen Entwicklungsstadien das Risiko von Fehlentwicklungen vermindert werden. Gleichzeitig entsteht Spielraum für außergewöhnliche Lösungsansätze, die wegen zu hoher Kosten ansonsten nicht verfolgt werden würden. Fahrerassistenzsystemelabor Das VR-Labor ist Bestandteil des übergeordneten FAS-Labors. Es bildet die erste Entwicklungsstufe für frühe Produktstudien, Rapid-Prototyping-Aufgaben sowie Weiterentwicklung und Verbesserung bestehender Systeme. Erfolgreich erprobte Systeme werden dann als Prototypen in Hardware realisiert und in den dynamischen Fahrsimulator integriert, der die zweite Stufe des FAS-Labors darstellt. Auf der dritten Entwicklungsstufe werden die Prototypen dann im Testfahrzeug im Realverkehr untersucht.

12 12 Dynamischer Fahrsimulator Für die Erprobung von Assistenzfunktionen in einem fortgeschrittenen Produktstadium kommt der dynamische Fahrsimulator zum Einsatz. Die realitätsnahe Gestaltung der Simulation ermöglicht eine valide Beurteilung der Funktionen auch in kritischen Situationen und damit einen sicheren Übergang in das Versuchsfahrzeug und in den realen Verkehr. Ein realistisches Fahrgefühl vermittelt der Fahrsimulator durch drei Parameter: ein leistungsstarkes Bewegungssystem, ein hochwertiges Projektionssystem mit einer entsprechenden Visualisierung und die Integration eines kompletten Fahrzeugs. Bewegungssystem Das Bewegungssystem des Fahrsimulators zeichnet sich durch den weltweit erstmaligen Einsatz eines Hexapod-Systems aus, bei dem die Kabine unterhalb der oberen Gelenke eingehängt ist. Diese neuartige Konstruktion ermöglicht zum einen große lineare Bewegungen von etwa drei Metern bei geringer Bauhöhe. Zum anderen macht sie zwei Freiheitsgrade voneinander unabhängig nutzbar: die lineare Bewegung für die Darstellung kurzzeitiger Beschleunigungen und die Tilt-Koordination (Neigung) für anhaltende Beschleunigung. Dies ist bei klassisch aufgebauten Systemen nicht der Fall. Der Simulator zählt mit seiner Nutzlast von ca.1,3 Tonnen und den unten aufgeführten Daten zu den leistungsfähigsten Fahrsimulatoren Europas.

13 13 Projektionssystem Ein hochwertiges Projektionssystem sorgt für die Visualisierung von Umwelt und Verkehrsgeschehen. Ein großes Blickfeld nach vorne und zu den Seiten (240 x40 ), verbunden mit einer hohen Auflösung von insgesamt etwa 7500x1280 Pixeln, ermöglicht eine detailreiche Darstellung. Neben dem Blickfeld nach vorne kann der Proband auch das simulierte Verkehrsgeschehen hinter ihm über den Rückspiegel auf einem Bildschirm sowie über LCD-Displays in den Seitenspiegeln beobachten. Die Verwendung eines achtkanaligen Rückprojektionssystems erlaubt auch den Einbau großer Fahrzeugkabinen, z.b. für LKW-Simulationen, ohne den Strahlengang zu blockieren. Cockpit Für den realistischen Gesamteindruck ist die unmittelbare Umgebung des Fahrers von großer Bedeutung. Daher wurde ein komplettes Fahrzeug in die Kabine integriert, mit dem der Proband den Simulator fährt. Die Aktionen des Fahrers werden über den CAN-Bus an die Simulationsrechner übermittelt, umgekehrt steuert das Simulationssystem die Instrumente im Cockpit, die dem Fahrer beispielsweise Auskunft über seine aktuelle Geschwindigkeit geben. Alle vom Fahrer gemachten Eingaben und Aktionen, vom Bremsen über das Lenken bis hin zum Bedienen des Autoradios, werden aufgezeichnet und ausgewertet. Anzeigen und Bedienelemente können bei Bedarf ergänzt oder ersetzt werden. Komplettiert wird der Gesamteindruck durch ein Soundsystem, das die Umgebungs- und Fahrzeuggeräusche über die eingebauten Lautsprecher wiedergibt.

14 14 RailSiTe Rail Simulation and Testing Das eisenbahntechnische Labor bietet die Möglichkeit, Systeme, Subsysteme und Komponenten der Eisenbahnleit- und Eisenbahnsicherungstechnik sowie Betriebskonzepte zu analysieren. Eine Validation des Zusammenspiels von Systemkomponenten unterschiedlicher Hersteller aus funktionaler und sicherheitstechnischer Sicht ist möglich. Aufgrund des modularen Aufbaus ist die Flexibilität und Erweiterungsfähigkeit des Labors sichergestellt, so dass neben reinen Softwaresimulationen auch Hardware-in-the-loop- und Cross-Reference-Tests durchgeführt werden können. Mit der Zertifizierung als Unterauftragnehmer der Benannten Stelle Interoperabilität durch Eisenbahn-Cert (EBC) verfügt das Institut mit dem RailSiTe über das weltweit einzige anerkannte europäische Eisenbahn-Prüflabor. Ausstattung RailSiTe bildet die komplette Kette vom Stellwerksbediener über Strecke und Zugdynamik bis hin zum Triebfahrzeugführer ab. Die derzeit im Labor implementierte Technik basiert auf ERTMS/ ETCS (European Rail Traffic Management System/European Train Control System). RailSiTe besteht u. a. aus folgenden simulierten Komponenten, die ggf. durch reale Komponenten ersetzt werden können: Stellwerk, Radio Block Center Balisen- und Funkübertragung Zugdynamik, Odometrie Leit- und Sicherungstechnikrechner

15 15 Stellwerkssimulation, Leit- und Sicherungstechnikrechner, Führerpult mit 2D-Visualisierung Ergänzt wird das RailSiTe durch eine 2D-Visualisierung aus Sicht des Fahrers und eine stereoskopische 3D-Visualisierung durch die Anbindung des Virtual Reality CAVE. Die im Institut vorhandene Infrastruktur, wie z.b. die Bewegungsplattform, wird ebenso in das Bahnlabor eingebunden wie ein reales Führerpult und ein Bahnübergang Anwendungsgebiete Der primäre Einsatz von RailSiTe ergibt sich aus den Forschungsund Entwicklungsaktivitäten in den Themenfeldern Betriebsführung Nah- und Regionalverkehr sowie Betriebsführung Fernverkehr. Darüber hinaus wird RailSiTe zur Verifikation von Komponenten, Systemen und Subsystemen eingesetzt und es können europäische Interoperabilitätstests durchgeführt werden. Ein weiteres Einsatzgebiet stellt die betriebliche Validation von z.b. unterschiedlichen Ausrüstungs- und Einsatzvarianten dar. Aufgrund der multidisziplinären Ausrichtung des Instituts können auch Forschungsarbeiten im Bereich Ergonomie und Human Factors durchgeführt werden.

16 16 Das DLR im Überblick Das DLR arbeitet als Bundesgroßforschungseinrichtung wissenschaftlich in den Schwerpunkten Luftfahrt, Raumfahrt, Energietechnik und Verkehr. In 30 Instituten an den acht Standorten Köln-Porz, Berlin-Adlershof, Bonn-Oberkassel, Braunschweig, Göttingen, Lampoldshausen, Oberpfaffenhofen und Stuttgart beschäftigt das DLR mehr als 5000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Am Forschungsflughafen in Braunschweig werden im Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung inhaltlich die Themenbereiche Automotive und Bahnsysteme bearbeitet. Der Bereich Automotive entwickelt und bewertet neue Assistenzsysteme mit dem Ziel, die Sicherheit und Effizienz im Verkehr zu verbessern. Im Bahnbereich steht die Entwicklung neuer Konzepte für eine sichere und wirtschaftliche Betriebsführung im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten. Lilienthalplatz Braunschweig Telefon: 0531 / Telefax: 0531 / ifs@dlr.de Institut-FS-D-06/05