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Schöne neue Welt

Motorsport

Wer Perfektion will, sollte die Realität für einen Augenblick verlassen und sich stattdessen in die Welt der Computersimulation begeben. Denn wie die perfekte Autorennrunde aussehen könnte, lässt sich eher am Computerbildschirm als in der Realität feststellen, wie Forscher von der FH Oberösterreich am Campus Wels derzeit zeigen.

Reifen, Chassis, Antriebsstrang und zig weitere Teile eines Rennwagens – alles wird am Rechner mathematisch genau beschrieben. In einem nächsten Schritt wird das Modell dann virtuell über eine Rennstrecke gejagt. Herausgefunden werden soll, welche Spur das Auto wählen, wann und wie das Lenkrad bewegt werden muss und wie Gas- und Bremspedale bedient werden müssen, um zu einer optimalen, nicht zu unterbietenden Rundenzeit zu kommen. Wolfgang Steiner von der FH Oberösterreich am Campus Wels spricht von einer „Bewegungssimulation von mechanischen Systemen“. Bewegungen von Produktionsmaschinen, die zeitlich optimiert werden sollen, oder von Robotern zu errechnen, die ein Werkstück von A nach B bringen sollen, wäre eine ähnliche Aufgabe. Die Schwierigkeit in jedem dieser Fälle ist die Komplexität, die sich durch die Vielzahl an simulierten Einzelteilen ergibt.

Mehrere Hundert Freiheitsgrade
Ziel von Steiner und seines Forscherteams ist es, diese Art von Aufgaben mit einem neuen Ansatz in angemessener Rechendauer zu lösen. Geforscht wird im Josef-Ressel-Zentrum für innovative Mehrkörperdynamik in Wels, das mit Unterstützung des Wirtschaftsministeriums und des Unternehmenspartners KTM vor Kurzem an der FH Oberösterreich startete. Die Komplexität der Angelegenheit liegt darin, dass für jeden Körper immerfort sogenannte Freiheitsgrade, also Parameter, die z. B. den Schwerpunkt und die Lage im Raum betreffen, ermittelt werden müssen. Bereits wenn der Körper starr ist, sind das sechs unbekannte Größen. „Ist der Körper elastisch, sind es noch viel mehr“, erklärt Steiner. „Mehrere Hundert Freiheitsgrade kommen so zusammen.“ Bei der Simulation setzen die Forscher auf die Software FreeDyn. Es geht weniger darum, den Ablauf einer Fahrt eines virtuellen Automodells zu berechnen, sondern ein „inverses Problem“ zu lösen. „Durch unsere Berechnungen wollen wir eine optimale Rundenzeit erzielen. Das ist mathematisch sehr herausfordernd, denn dafür müssen wir auf die nötigen Eingangsgrößen bei Bremsen, Gas und Steuerung zurückrechnen.“

Optimum real nicht erreichbar
Konventionelle Optimierungsansätze sind hier eher ungeeignet. Steiners Forscherteam nutzt deshalb das sogenannte Gradientenverfahren. „Vergleichbar ist die Herangehensweise damit, durch ein Gebirge zu marschieren und dabei den tiefsten Punkt im Tal erreichen zu wollen“, schildert Steiner. „Hierzu wählt man den steilsten Abstieg, folgt ihm ein Stück, wählt erneut, bis man im Tal ankommt.“ Bezogen auf das Automodell heißt das, die besten Kriterien auszusuchen, um als Ergebnis die optimale Rundenzeit zu erhalten. Ergänzend dazu wird das Modell mit Praxiserfahrungen von Rennfahrern abgeglichen, die das simulierte X-Bow-Modell auf einer echten Rennstrecke testen. Nach Erreichen der theoretisch besten Rundenzeit soll noch überprüft werden, ob man das Resultat weiter verbessern kann, wenn man die Fahrwerkeinstellungen anpasst. In einer weiteren Projektphase sollen die Ergebnisse über die perfekte Fahrspur, wann das Gas und wie viel Bremse gegeben werden soll, auch für ein Unterstützungssystem für Rennfahren auf realen Straßen benützt werden. Die Augmented-Reality-Technologie lässt es zu, dass alle relevanten Daten ins Helmvisier bzw. Blickfeld der Piloten eingeblendet werden. Die perfekte Rundenzeit lässt sich damit von der Simulation zum Teil in die Wirklichkeit übertragen – Rennfahrer können so also sehen, wie weit sie vom Optimum entfernt sind. Den mathematischen Idealwert zu übertrumpfen, ist hingegen nicht möglich.