Wie man mit Simulationen den Menschen in den Mittelpunkt der Entwicklung intelligenter Maschinen stellt

Die Zukunft des Maschinendesigns konzentriert sich auf eine Reihe von Trends, darunter selbstfahrende Fahrzeuge, die Teleoperation von Robotern und die menschliche Unterstützung aus der Ferne, und zwar in praktisch allen industriellen Bereichen.

Intelligente autonome und robotergestützte Systeme verändern die Art und Weise, wie wir arbeiten, und intelligente Systeme erobern die Arbeitsumgebung. Deshalb steht die Interaktion zwischen Mensch und Maschine jetzt im Mittelpunkt des Designs: Mit autonomen Systemen, die an der Seite des Menschen arbeiten, ist die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine sicherheitskritisch geworden. Und nicht nur das: Die Menschen erwarten, dass Produkte nicht nur gut aussehen, sondern auch einwandfrei funktionieren und eine hervorragende Ergonomie aufweisen.

Es reicht nicht mehr aus, einfach nur ein leistungsstarkes, effizientes oder nützliches mechanisches Objekt zu bauen – alles muss auch intuitiv funktionieren. Deshalb sind Elektronik und Steuersysteme, die vollständig in das mechanische Design integriert sind, heute das, was den OEMs den größten Nutzen bringt.

Fahrerbewertungen sind entscheidend für das Verständnis der Mensch-Maschine-Leistung, und sowohl unerfahrene als auch erfahrene Fahrer sind ein wichtiger Teil des Testvalidierungsprozesses. Dies gilt umso mehr für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS), autonome Geräte oder ferngesteuerte Geräte, bei denen sich die Art der menschlichen Interaktion mit der Maschine grundlegend ändert.

In der Tat ist ein menschenzentriertes Design in einer Reihe von Anwendungsbereichen von entscheidender Bedeutung:

• Systemvalidierung auf operativer Ebene
• damit Sie die mechatronischen Systeme von morgen testen können
• Erzeugung simulationsbasierter Daten für Deep Learning
• Entwicklung eines autonomen Steuersystems
• Aufbau simulationsgestützter digitaler Zwillinge für eine bessere Entscheidungsfindung in der Produktentwicklung und -wartung
• die Entwicklung von Simulatoren, um Kunden in immersive Produktdemonstrationen und Bedienerschulungen einzubinden

Einsatz der Driver-In-The-Loop-Simulation für intelligentere Produkte

Wenn Sie ein OEM sind, wissen Sie natürlich bereits, dass der Erfolg eines Produkts von den emotionalen Reaktionen der Menschen abhängt.

In Anbetracht der zunehmenden Komplexität der heutigen Geräte und Bordsysteme ist es für ein erfolgreiches und effizientes Produktdesign unabdingbar, reale Menschen mit den virtuellen Geräten in Kontakt zu bringen. Dies sollte bereits in einem frühen Stadium des Designprozesses geschehen.

Die Driver-in-the-Loop-Simulation ist eine hervorragende Möglichkeit, dies zu erreichen. Allerdings bieten nicht alle Driver-in-the-Loop-Simulationen die erforderlichen Funktionen. Sie müssen in der Lage sein, Umgebungen zu schaffen, in denen die Bediener mit den virtuellen Maschinen so interagieren können, als ob sie mit der realen Ausrüstung interagieren würden, damit sie präzises und relevantes Feedback geben können.

Tatsächlich setzen OEMs aus verschiedenen Gründen zunehmend auf ingenieurmäßige Simulationen und digitale Zwillinge für die Entscheidungsfindung in Bezug auf gutes Produktdesign:

1. High-Fidelity-Simulationen ermöglichen das Testen von Grenzfällen, die an einem realen Gerät unmöglich oder unsicher sind – in der Tat kann eine Simulation realistischer sein als ein begrenztes Testen auf einem Testgelände. Außerdem ist sie besser kontrollierbar und wiederholbar.
2. Ingenieurmäßige Simulationen lösen realistische Reaktionen und Verhaltensweisen von menschlichen Bedienern aus. Echte Benutzer – mit anderen Worten, der Benutzer, der am besten geeignet ist, um Ihr Produkt zu propagieren – kommen viel früher im Entwicklungszyklus in direkten Kontakt mit den Testsystemen.
3. Ingenieure können eine „Fail-Fast, Fail-Well“-Strategie mit Evaluierungs-/Akzeptanz-/Ablehnungsmodellen für ein schnelles Prototyping anwenden und sicher und kosteneffizient in die nächsten Entwicklungsstufen übergehen.
4. Simulatoren können auch verwendet werden, um neue Steuerungskonzepte sowie ADAS- oder Fahrerassistenzsysteme zu testen.
5. Mit KI in der Schleife einiger autonomer Kontrollsysteme besteht auch das Risiko, dass der Fahrer in Zeiten der Inaktivität aus der Schleife fällt. Daher ist die Übergabe zwischen autonomer und manueller Kontrolle auch ein Thema, das in Driver-in-the-Loop-Simulatoren bewertet werden kann.
6. Auch das Testen von Systemen mit abgelenkten oder ermüdeten Bedienern, Tests der funktionalen Sicherheit und sogar die Abstimmung von Steuerungen können mit Simulatoren durchgeführt werden.

Worauf Sie bei einer Driver-In-The-Loop-Simulationslösung achten sollten

Die Hauptkomponenten eines Driver-in-the-Loop-Simulators lassen sich grob in Software und Hardware unterteilen:

Software

Zunächst ist eine Echtzeit-Multidomain-Simulation der Maschine oder Anlage erforderlich. Es ist wichtig, dass es sich bei den Simulationen um ingenieurmäßige Modelle der mechanischen Dynamik handelt und nicht um Spiele. Es kann sogar notwendig sein, Modelle aus bestehenden internen Mehrkörperanwendungen zu übersetzen.

Zweitens muss es möglich sein, die Interaktion zwischen der Maschine und ihrer Betriebsumgebung zu simulieren. Dazu gehört der Kontakt zwischen der Maschine und den Objekten auf der Baustelle ebenso wie die Modellierung von Raupen und Reifen für Bau- und Landmaschinen, die auch bodenmechanische Modelle in Echtzeit für Anbaugeräte umfassen können, die den Boden, Sand oder Felsen ausheben oder pflügen.

Schließlich muss die Software in der Lage sein, die gesamte Baustelle zu simulieren, bis hin zu Arbeitern, anderen Maschinen und Verkehr und sogar schlechtem Wetter.

Hardware

Aus der Sicht der Hardware umfasst ein Simulator natürlich auch ein visuelles und ein Audio-System. Dieses System kann von sehr einfachen VR-Headsets auf dem Schreibtisch über mehrere Fernsehgeräte bis hin zu immersiven, verzerrten und überblendeten Projektionssystemen reichen.

Bewegung ist auch oft eine Schlüsselkomponente in Fahrer-in-the-Loop-Simulatoren, und wir glauben, dass sowohl Bewegung als auch haptische Steuerung für die Lenkung und andere Bedienelemente wichtig sind, um eine realitätsnahe Beurteilung zu ermöglichen. Allerdings können weder Bewegung noch Haptik das korrekte Verhalten korrekt wiedergeben, wenn die Simulation, die sie steuert, nicht ingenieurmäßig ist.

Schließlich können Driver-in-the-Loop-Lösungen ein Mock-up der Bedienelemente und HMIs enthalten. Diese können optional sogar die tatsächlichen elektronischen Steuergeräte (ECUs) und die Steuerungshardware der echten Maschine integrieren, oder Sie können sie simulieren. Mock-ups können natürlich von sehr einfachen Desktop-Konfigurationen bis hin zu kompletten Kabinennachbildungen reichen.

Beispiele aus der Praxis für die Driver-In-The-Loop-Simulation

Ein paar Beispiele von unseren Kunden werden Ihnen helfen, den Anwendungsfall der Human-in-the-Loop-Simulation für OEMs zu konkretisieren.

Der erste stammt von einem großen OEM aus der Forstwirtschaft, der einen Prototyp für den Einsatz von inverser Kinematik (IK) bei Speditionsarbeiten entwickelt hat. Die Idee war, IK zu nutzen, um diesen Vorgang leichter erlernen und anwenden zu können.

Indem sie zunächst die Simulation einsetzten, entfiel die Notwendigkeit eines physischen Prototyps in dieser frühen Phase des Steuerungsdesigns, und die Ingenieure konnten die Steuerung abstimmen. Sobald sich dieses erste Steuerungskonzept in der Software bewährt hatte, konnten die physischen Hardware-Steuerungen in die Treiberversion integriert werden.

Das Ergebnis: eine leistungsstarke neue Steuerungsfunktion für das Forwarder-Produkt des OEM, die den Kunden eine höhere Effizienz bescherte. Das bedeutete nicht nur, dass ein einziger Bediener jedes Jahr viel mehr LKWs beladen konnte, sondern auch, dass die Bedienung einfacher war und die Bediener besser geschult werden konnten, da die Bedienung einfacher war.

Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass in der Forstwirtschaft ein erheblicher Fachkräftemangel herrscht. Aufgrund dieses Mangels können die Stämme oft nicht vom Wald zum Sägewerk gebracht werden, so dass die Sägewerke im Laufe des Jahres sogar ihren Betrieb einstellen müssen. Deshalb ist es so wichtig, dass die Maschinen einfacher zu bedienen und produktiver sind.

Das nächste Beispiel stammt von einem großen OEM für Baumaschinen. Natürlich sind Erdbewegungsmaschinen auf hochentwickelte Hydrauliksysteme angewiesen, die aus Ventilen, Pumpen und Schläuchen sowie Steuersystemen und Sensoren bestehen. Diese Hydrauliksysteme müssen auf einen entsprechend dimensionierten Motor abgestimmt und dann im Wesentlichen durch die Abstimmung der Steuerparameter auf Leistung und Kraftstoffverbrauch optimiert werden.

Diese Abstimmung ist bei physischen Prototypen sehr kostspielig, insbesondere auf abgelegenen Testgeländen. Die Ingenieure des OEM hatten in diesem Fall bereits die hydraulischen Simulationstools eingesetzt, aber sie mussten einen vollständigen Simulator einer kompletten Maschine entwickeln, der hydraulische, mechanische, elektrische oder elektronische Subsysteme umfasst.

Das Team benötigte Tools, mit denen es all diese Teilsysteme in einer einzigen Umgebung modellieren und Echtzeitsimulationen des gesamten Systems durchführen konnte. Dieser Ansatz würde es ihnen ermöglichen, fundierte Entscheidungen zu treffen, die nicht nur die Leistung und Effizienz, sondern auch das Feedback des Bedieners, der die Maschine tatsächlich fährt, berücksichtigen.

Eine Modellierungs- und Simulationsumgebung, die mehrere Domänen unterstützt, war für den Concurrent-Engineering-Ansatz des Unternehmens unerlässlich, bei dem Teams verschiedene Teilsysteme des Endprodukts parallel entwickeln und dann zu einer optimalen Lösung konvergieren.

Unter Verwendung ihrer vorhandenen Echtzeit-Hydraulikmodelle konnten sie diese mit einer mechanisch-dynamischen Simulation der Maschine sowie mit bodenmechanischen Simulationen mit Vortex Studio verbinden.

All dies wurde mit einem mehrkanaligen, synchronisierten, auf 24 Projektoren basierenden visuellen System kombiniert, das von Vortex Studio gesteuert wird, sowie mit einer 6 DOF Bewegungsplattform mit einem kompletten Kabinen- und Steuerungsmodell.

Das Ergebnis für den OEM war eine Reduzierung des physischen Prototypings um 30 %, was erhebliche Kosteneinsparungen zur Folge hatte. Außerdem konnten sie die Vorlaufzeit für die Entwicklung neuer Produkte verkürzen und die Produktqualität verbessern, da mehr Testszenarien berücksichtigt wurden.

Derzeit ermöglicht es den Ingenieuren, jedes Problem, das im Feld auftritt, zu reproduzieren, Probleme zu beheben und schnell Lösungen zu finden. Das hat sich also sehr positiv auf den Entwicklungsprozess ausgewirkt, und wir arbeiten weiterhin mit diesem OEM zusammen.

Schlusswort

Schon lange vor der Pandemie haben sich die Volkswirtschaften von der Bereitstellung von Waren und Dienstleistungen zu einem Gesamterlebnispaket gewandelt, bei dem das Erlebnis selbst zum Produkt wird. Natürlich ändern sich in diesem Zeitalter der Erfahrung sowohl die Erwartungen der Kunden als auch das Produktdesign wie nie zuvor.

Viele Hersteller von Industrieanlagen befinden sich jetzt in einem Wettlauf um Lösungen, die diese Erwartungen erfüllen. Damit rückt der Faktor Mensch in den Mittelpunkt – die Kombination aus physiologischen und psychologischen Elementen, die das gesamte Betriebserlebnis definiert.

Im Grunde ist es diese Erfahrung, die die Menschen in ihren Bann zieht und sie dazu motiviert, die Maschinen, mit denen sie arbeiten, zu kaufen und sogar zu missionieren. Daher kommt alles auf das Grundprinzip zurück, nämlich dass die Interaktion zwischen Mensch und Maschine im Mittelpunkt der Geräteentwicklung steht.

Schließlich ist die Entwicklung, Konstruktion, Integration und Unterstützung von Fahrer-in-the-Loop-Simulatoren ein multidisziplinäres Unterfangen. CM Labs verfügt über Spezialisten und Partner, die Ihnen bei speziellen Projekten im Bereich der Fahrer-in-the-Loop-Simulation zur Seite stehen, einschließlich Simulationsmodellierung, Softwareintegration, Simulatordesign und audio-visuellem Design. Außerdem verfügen wir über ein weltweites Netzwerk von Partnern, die Sie in Amerika, Europa und im asiatisch-pazifischen Raum vor Ort unterstützen. Setzen Sie sich einfach mit uns in Verbindung, um mit einem unserer Experten zu sprechen, der Sie in den frühen Phasen der Definition und Bewertung Ihres Projekts begleiten kann.