K3f

Fahrsimulationsumgebung
zur Erforschung der
Mensch-Technik-Interaktion

Am Standort Zweibrücken entsteht im Rahmen des Projekts FRISK/K3F eine hochflexible Fahrsimulationsumgebung (Aktueller Schwerpunkt: Automotive) zur Erarbeitung neuer und innovativer Bedienkonzepte und der Durchführung zugehöriger empirischer Studien.

Gleichzeitig bietet der Simulator ein breites Betätigungsfeld für verschiedene Studierendenprojekte, Bachelor- und Masterthesen. Durch die Verwendung von aktuellen Technologien und Softwareframeworks in einem lebendigen Projekt sammeln die Studierenden wichtige Praxiserfahrung.

Zu sehen ist ein Bild einer Fahrt über den virtuellen Campus Zweibrücken mit dem K3F Fahrsimulator | HCI2B Group
Zu sehen ist ein Bild einer Fahrt über den virtuellen Campus Zweibrücken mit dem K3F Fahrsimulator | HCI2B Group
Zu sehen ist das Logo des K3F Fahrsimulators | HCI2B Group
Zu sehen ist ein weißes Spiralkabel zur Darstellung der Flexibilität der K3F Fahrsimulationsumgebung | HCI2B Group

Flexibel

Darstellung beliebiger
Fahrzeug- und Cockpit-Setups

Zu sehen sind verschiedenfarbige Würfel-Module zur Darstellung der verschiedenen Module des K3F Fahrsimulators | HCI2B Group

Modular

MQTT- & CAN-vernetzte Steuerung
Sensorik/Aktorik & Infotainment

Zu sehen ist ein Icon, das eine VR-Brille darstellt | HCI2B Group

Immersiv

Integration von State-of-the-Art
AR-/MR-/VR-Komponenten

Motivation

Es gibt viele Einsatzgebiete für Fahrsimulationsumgebungen.
Sie kommen z. B. im Rahmen von Fahrtrainings in Fahrschulen oder in medizinischen Einrichtungen zur Erforschung der Auswirkung von Medikamenten auf die Fahrtüchtigkeit zum Einsatz. Insbesonders stellen sie ein wichtiges Instrument zur Steigerung der Fahrsicherheit und bei der Entwicklung neuer Technologien im automobilen Umfeld dar: Hier eignen sich Simulatoren für die frühe Erprobung von Prototypen im benutzerzentrierten Entwicklungszyklus.
Denn User Experience gilt nicht nur im Bereich der mobilen Endgeräte als entscheidendes Verkaufsargument.

Auch im Automobilbereich steht verstärkt das komplette Fahrerlebnis im Fokus – sei es z. B. durch innovative Bedienkonzepte oder Fahrassistenzsysteme. Hier setzt sich das Forschungsgebiet der Human Computer Interaction (HCI) u.a. mit der Fragestellung auseinander, wie ein perfektes Benutzererlebnis vom Betreten bis zum Verlassen des Fahrzeugs ermöglicht werden kann. Aber: HCI-Forschung in realen Autos ist sehr teuer und wenig flexibel, da Anpassungen (z.B. der Umgestaltung von Armaturenbrettern/Dashboards) mit großem technischem Aufwand verbunden sind. Die Verwendung des Dashboards eines bestimmten Herstellers gestattet zudem keinen neutralen und unvoreingenommenen Blickwinkel.

K3F: Komponenten und Aufbau

Ein aus Aluminiumprofilen bestehender Rahmen stellt die flexible Basis des Simulators dar. Entlang dessen Profilnuten können alle benötigten Geräte mit wenig Aufwand angebracht und in ihrer Position verschoben werden. Das zum Einsatz kommende „Baukastenprinzip“ der Profile ist das Schlüsselelement des flexiblen Designs: Studienspezifische Sensoren wie z. B. Mikrofone oder (Tiefen-) Kameras sind mit Hilfe von Winkeln oder Gelenken
– sowohl horizontal als auch vertikal – beliebig positionierbar und das Szenario somit individuell an die Anforderungen anpassbar.

Ein Windows PC kommt zur Ausführung der Simulationssoftware und zur Verbindung der primären Eingabegeräte, wie Lenkrad, Pedalerie und Schalthebel zum Einsatz. Das Lenkrad ist mittels einer höhenverstellbaren Lenksäule mit einer Wheelbase verbunden. Um ein möglichst immersives Erlebnis zu schaffen, stammen Lenkstange, Lenkrad und die damit verbundenen Schalter und Hebel (Scheibenwischer, Blinker) aus einem echten Auto. Der Schalthebel unterstützt sowohl ein manuelles 7-Gang-Getriebe als auch sequenzielle Schaltung. Auch die elektronisch höhen- und positionsverschiebbaren Sitze stammen aus einem echten Auto. Da sie jeweils auf separaten Rahmen montiert wurden, können sie leicht entfernt, ersetzt oder die Simulationsumgebung um weitere Sitzreihen erweitert werden.

Das Fahrszenario wird auf einem gebogenen (curved) LCD TV Bildschirm (55‘‘) dargestellt. Im Vergleich zu Projektoren bieten LCD Displays eine höhere Auflösung. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit zur Ausweitung der Bildschirmfläche auf bis zu drei Bildschirme zur Erhöhung des Blickwinkels. Bei Bedarf kann der Bildschirm jedoch mit wenig Aufwand einer Projektor- und Leinwand-basierten Lösung weichen.

Als sekundäre Ausgabegeräte kommen zum einen ein 12-Zoll Display für die digitale Instrumentenanzeige und zum anderen ein berührungssensitives 15-Zoll Display als Mittelkonsole zum Einsatz. Beide sind mit einem separaten Windows PC verbunden. Dies erlaubt die Entwicklung und das Testen von Dashboards, die mit jeglichen Windows-unterstützten Softwareframeworks erstellt wurden z.B. WPF, Qt/QML oder Webtechnologie. Drei frei konfigurierbare Schalter wurden an einem separaten Bedienfeld angebracht, um weitere, frei konfigurierbare Optionen für Fahrszenarien bereitzustellen. Eine 3D Maus dient als alternative Eingabemethode zum Touchdisplay und Lenkrad.

Im Bereich der Biosensorik wird zur Erfassung der Herzrate ein Pulssensor Brustgurt verwendet. Hiermit lässt sich u.a. das Stresslevel der Probanden beim Bewältigen von Fahraufgaben messen.

Zur Erfassung von Entfernungen und Bewegungen kommt eine Tiefenkamera zum Einsatz. Diese kann z.B. zur Gestik- und Mimikerkennung verwendet werden. Aktuell wird sie als weitere Möglichkeit zur Überwachung des Müdigkeits- und Stresslevels das Blinzelverhalten des Probanden erfasst.

K3F: Softwarearchitektur

Die Modularität der Simulationsumgebung spiegelt sich insbesondere im Softwarekonzept wider. Die Kommunikation der einzelnen Komponenten mittels eines flexiblen und standardisierten Bussystems für Telemetrie-Daten, ermöglicht es auf einfache Weise, neue Software und Hardware einzubinden oder auszutauschen – die Grundlage für Rapid Prototyping.

Verschiedene Studien erfordern aufgabenspezifische Szenarien. Aus diesem Grund bietet der Konzeptsimulator Integrationsmöglichkeiten für eine Vielzahl von Simulationssoftware. Dies wird ermöglicht durch einen eigens entwickelten Simulator Hub, welcher die anfallenden Telemetrie-Daten an den MQTT-Kommunikationsbus weiterleitet. Neben den Konntektoren für die erwähnte Simulationssoftware verfügt der Hub zudem über die Möglichkeit, Fahrszenarien durch einfache Befehle mittels der Scriptsprache Lua zu simulieren. Dies ermöglicht insbesondere Studierenden in ihren Projekten den frühen Test von abhängiger Software (wie z. B. Dashboards), ohne dabei vor Ort sein zu müssen.

Aufmerksamkeitsstudien, die ein standardisiertes Testszenario erfordern, können z. B. mit Hilfe des ISO Lane Change Task unter Verwendung der Open Source Software OpenDS durchgeführt werden.

Andere Studien erfordern jedoch ein flexibleres Umfeld. Aus diesem Grund wurde an der Hochschule die Fahrsimulationssoftware OnSide entwickelt, um Szenarien optimal an die Anforderungen anpassen zu können. Das Grundkonzept der Software ensprang ursprünglich aus einer Praxisphase und wurde im Rahmen einer Masterthesis in einer ersten Version umgesetzt. Seitdem wird sie im Rahmen von Projekt- und Abschlussarbeiten stetig weiterentwickelt.

Die optionale Verwendung einer VR Brille ermöglicht hierbei den Probanden eine höchst immersive Simulationserfahrung.

Aktuelle Entwicklung

  • Alternativ zu LCD Bildschirm und Projektor unterstützt die aktuelle Version der Fahrsimulationssoftware die virtuelle Realität. Hierfür kommt im Rahmen der Simulationsumgebung die VR Brille Vive des Herstellers HTC zum Einsatz. In diesem Kontext wird aktuell im Rahmen einer Masterthesis der Einsatz einer Leap Motion zur kamerabasierten Hand- und Bewegungserkennung sondiert.
  • Zur Auslotung der Möglichkeit, die gesamte Simulatorbreite durch Displays abzudecken, werden aktuell mehrere Design- und Interaktionskonzepte im Rahmen von Studierendenprojekten entworfen.
  • Beispielumgebung zur Vorbereitung einer Studie zur Unterstützung augmentierter Spur-/Navigationsmarkierungen:
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