Under 1940-talet och andra världskriget fick användningen av flygsimulatorer ett stort genombrott. Till att börja med drevs satsningen av den amerikanska militären, men tekniken kom snart att även överföras till civilflyget. Bland fordonstekniker och fordonsindustrin världen över funderade man över hur tekniken och erfarenheten kunde överföras till att bygga avancerade körsimulatorer.
Tidiga exempel ute i världen
Redan 1958 presenterar de amerikanska forskarna Hulbert och Mathewson en tänkt forskningsanläggning med en körsimulator med ett stort uppbyggt minilandskap.
Skiss av General Motors bilsimulator byggd 1968.
Principskiss av Criberg Rij-Educator – en bilsimulator byggd av nederländska försvarsministeriet.
Den japanska bilsimulatorn KAKEN från 1963 vid National Research Institute for Police Science.
Svenska exempel
Bertil Aldman skrev 1965 ett PM till Statens trafiksäkerhetsråd angående användning av körsimulatorer att "en sådan standardiserad miljö ... under förutsättning att denna simulator är tillräckligt avancerad, kan resultaten från sådana studier få tillämpning på verkliga trafikförhållanden".
På uppdrag av Statens trafiksäkerhetsråd bygger Saab AB i Linköping en enkel bilsimulator med analogimaskin och symbolgenerator 1967. Med sin koppling till flygsimulatorer får även Saab Scania 1973 i uppdrag av Transportforskningdelegationen att genomföra en förstudie av bilsimulatorer som hjälpmedel för olika typer av FoU-arbeten som rör förarbeteende, trafikmiljö och bilens utformning.
Dåvarande Statens väginstitut bedrev avancerad fordonsforskning med både omfattande fältförsök och flera enklare simulatorer. Forskarna var tidigt ute med flera avancerade idéer, bland annat konstruerade de antilåssystem.
Redan från tidigt 1960-tal var institutets forskare involverade i utredningar, funderingar och visionära tankar kring möjligheten att bygga en avancerad körsimulator. Redan 1968 skriver Olle Nordström en gedigen rapport om "simulatorforskning syftande till bättre anpassning av fordonet till människan". Flera rapporter, PM och utredningar publiceras under de kommande tio åren. Lennart Strandberg presenterade en idéskiss på en avancerad simulator.
När VTI bildas ändras förutsättningarna
När Statens väginstitut och delar av Statens trafiksäkerhetsråd 1971 slås samman till Statens väg- och trafikinstitut, VTI, får fordonsforskarnas planer på en avancerad simulator förnyad kraft. I uppdraget från riksdagen ingår nämligen att VTI även ska bygga upp beteendevetenskaplig kompetens. Därmed ökades förutsättningarna till att få finansiering till utveckling och byggande av en avancerad körsimulator vid VTI.
Vid VTI avancerar planerna
Omkring 1975 rekryterades fyra nyexaminerade tekniker, med olika bakgrund, till den fordonstekniska gruppen. Det var Staffan Nordmark; nylicentierad matematiker från Chalmers; Mats Lidström, civilingenjör från KTH som anställdes efter att ha gjort sitt examensarbete kring simulatorprojektet; Håkan Jansson, första generationens datatekniker som rekryterades från Militärpsykologiska institutet där han hade byggt ihop utrustningar med dåtidens datorer samt Göran Palmqvist, civilingenjör från teknisk fysik vid Linköpings tekniska högskola, och med, vad det skulle visa sig längre fram, den ovärderliga egenskapen att också vara mycket praktiskt lagd. 1977 fick de fyra det utmanande uppdraget att utveckla världens mest avancerade körsimulator med state-of-the-art prestanda. Den här berättelsen bygger på deras minnen och nedslag från de drygt 35 åren med VTI:s simulatorer, fångat under ett rundabordssamtal vid VTI våren 2011.
Tysklandsresa var startskottet
För att få ordentlig fart på planerna för en avancerad körsimulator skickades gruppen på en studieresa till Tyskland våren 1977 för att få idéer och inspiration.
Syftet med resan var dels att studera lämplig utformning för rörelse, dels att studera olika lösningar för bildgenerering.
I Wolfsburg hade Volkswagen byggt en av de då få befintliga körsimulatorerna med tipp- och girrörelse. Gruppen studerade konstruktionen ingående. Bildgenereringen i VW-simulatorn skapades genom en videofilmad oscilloskopskärm.
En annan typ av bildgenerering studerade man vid besöket hos professor Willumeit vid Berlins tekniska universitet, där ett avancerat minimodellandskap hade byggts upp. 
Universitetet hade i övrigt ingen tekniskt avancerad körmiljö.
Staffan Nordmark provkör simulatorn.
Förslag till VTI-simulator
Strax före Tysklandsresan hade Staffan Nordmark utsetts till projektledare för simulatoruppdraget. Efter hemkomsten skulle de fyra, efter utvärdering av besöken, lägga fram ett förslag på utformning och konstruktion på den blivande VTI-simulatorn till Olle Nordström, som då ledde den fordonstekniska forskningen och som utrett och drivit frågan om en avancerad körsimulator under många år. Gruppen kom fram till att förslagen och visionerna som tidigare framförts av VTI:s fordonstekniker var för komplicerade och avancerade och de presenterade ett mer modest förslag på en simulator med ett bildsystem med en kanal i svart-vitt och ett rörelsesystem med en något större radie än VW:s simulator.
– Men vi blev fullkomligt och totalt överkörda, skrattar Mats Lidström vid minnet.
– Ja, det blev ett blankt nej, suckar Staffan Nordmark. Tre kanaler i färg och ett avancerat rörelsesystem punkt slut, var beskedet från Olle Nordström. Vi fick uppdraget att ta fram ett förslag på en state-of-the-art konstruktion och att tänka "big".
Mats Lidström byggde modellen av den tänkta konstruktionen som Staffan Nordmark här visar upp.
Efter mycket studier av teknik och möjligheter presenterar gruppen ett förslag till en konstruktion med en avancerad lång linjärrörelse, något som tidigare aldrig byggts för simulatorer. Dessförinnan hade man övervägt att istället bygga in en girrörelse, då vanligare i simulatorer, men valt bort det till förmån för sidrörelsen.
Gruppens förslag får godkänt. I december 1978 går startskottet då Styrelsen för teknisk utveckling, STU, beslutar bidra till finansieringen med 2 miljoner kronor.
Sex år med teknisk utveckling och konstruktion
Nu inleds arbetet med att ta fram detaljerade planer och inleda konstruktion av rörelsesystemet, förarplats och kabin, utveckla elektronik, skapa fordonsmodeller och program för styrning och att utveckla ett bildsystem.
Som redskap för konstruktionen av simuleringsmodellerna och styrning av alla system fanns en analogimaskin som institutet hade köpt in några år tidigare. Det var dåtidens dator för realtidsstyrning av processer. Genom hopkoppling med en konventionell minidator skapades en så kallad hybridmaskin. Den utgjorde spindeln i nätet. Men gruppen insåg snart att analogidelen var obehövlig och satsade helt på en digital fortsättning.
Analogimaskinen och styrningsprocesserna var Håkan Janssons ansvarsområde. Men enda färgbilden tillgänglig visar dock Staffan Nordmark vid analogimaskinen. "Fototillfället var nog enda gången jag satt vid den" är hans kommentar.
Bildsystemet
De första åren satsade gruppen på att bygga upp ett modellandskap på ett rörligt band, dåtidens analoga teknik för bildgenerering. Det krävdes stora insatser av Göran Palmkvist som ansvarade för styrelektroniken. Det var ett komplicerat finmekaniskt system med en videokamera som hämtade vägbilder nere i landskapet. Kameran skulle följa rattrörelsen som genererats via en dator.
Styrprocessen kunde liknas vid styrningen av rörelsesystemet för simulatorn – men i miniatyr. Sårbarheten i systemet och begränsningen av vägmiljö gjorde gruppen frustrerad.
– Vi hade en väldigt tur med valet och timingen när det gällde många av delsystemen till simulatorn, konstaterar Staffan Nordmark. Men när det gäller modellandskapet hade vi otur, eftersom det var den rådande tekniken då. Det hade inte kommit igång med syntetiska bilder. Men vi borde ha satsat på det från början och förlitat oss på kommande teknikutveckling.
Parallellt provade man därför tekniken med bildgenerering via en videofilmad oscilloskopskärm. Men den primitiva analoga bild som kunde skapas där var också en återvändsgränd, precis som minilandskapet.
Det var Mats Lidström som kom med idén att bygga upp en vägbild med parallella mikroprocessorer.
Därigenom hamnade man på rätt spår och provade sig fram till nya lösningar för enbart syntetisk bildgenerering. Men det var ingen enkel och snabb teknik till att börja med. I princip innebar det att Mats Lidström byggde en processor till varje objekt i bilden.
– Dag in och dag ut såg vi Mats sitta med munnen full av en massa trådar som skulle viras ihop och kopplas samman till en processor, säger Håkan Jansson.
– Ja, det blev några dagar för mycket faktiskt, suckar Mats Lidström.
När simulatorn stod färdig hade VTI utvecklat världens snabbaste bildsystem med enbart 40 millisekunders fördröjning. Det var på den tiden unikt i hela simulatorvärlden, inklusive de mest avancerade flygsimulatorerna.
Byggnationen
Vid VTI finns en mekanisk verkstad och ett mättekniskt laboratorium vilket innebar att merparten av den fysiska konstruktionen och elektroniken kunde byggas "in-house". Olika tekniska probelm löstes efter hand de dök upp.
Lägesbild från vintern 1980. De olika delarna ska kopplas på efterhand de blir färdiga.
Göran Palmqvist var ansvarig för de avancerade regler- och elektroniksystemen. Han gillade att skruva och ratta runt i konstruktionen.
Lägesbild från 1983, precis innan simulatorn ska kläs in med flamsäkert tyg.
När simulatorn stod färdig insåg man att det saknades vibrationer som är av stor betydelse för vägkänslan. Gruppen löste det problemet snabbt genom att bygga ett vibrationsbord direkt under karossen som överförde såväl vägens ojämnheter som bilens smårörelser. Även den egenskapen var unik för VTI:s simulator.
Gruppens unika val av rörelsesystem med sidrörelse var det stora utvecklingsjobbet och var också det absolut sista som stod färdigt.
1984 presenteras simulatorn
Våren 1984 introduceras simulatorn för en svensk publik vid en pressvisning. Den internationella presentationen äger rum vid TRB-konferensen i USA januari 1985. Gruppen skrattar vid minnena från den presentationen. VTI hade satsat på den internationella presentationen med att bjuda in dåvarande eliten inom simulatorindustrin, dominerad av amerikanska flygsimulatorer.
– Vi blev knappt trodda på en enda punkt, minns Håkan Jansson. När vi presenterade bildsystemet och berättade att vi hade 40 millisekunders fördröjning trodde de oss inte. Och när vi berättade om kostnaderna trodde de oss definitivt inte och tittade på varandra och log överseende.
Flygsimulatorindustrin jobbade ju till största del på uppdrag av amerikanska försvaret och hade inte behövt anstränga sig för att hålla nere kostnaderna.
Uppdragen och tillämpningarna
VTI:s beteendevetenskapliga forskare började använda simulatorn som ett redskap för sina studier av förarbeteende och förartillstånd. Efter några år började simulatorn också användas för utvärdering och tester av ny teknik. De olika tillämpningarna under åren kräver sin egen historia, men önskemålen och kraven från uppdragen bidrog till det ständigt pågående utvecklingsarbetet av simulatorn och de olika delsystemen.
Intresse från fordonsindustrin
Fordonsindustrin var intresserad av att undersöka i vad mån simulatorer kunde användas för fordonsutveckling. Under hela 1980-talet kom också majoriteten av alla stora biltillverkare i Europa, USA och Japan till VTI för att genomföra olika fordonstekniska och simulatorexistensiella försök med mycket hårda manöverprov i den nya och unika körsimulatorn. De flesta biltillverkare som genomförde försök byggde också förr eller senare egna simulatorer. Majoriteten av dem byggdes också med den sidrörelse VTI varit först med att introducera.
Beställning av bildsystem till Mazda
Japanska Mazda var en av de biltillverkare som kom till VTI och genomförde fordonstekniska manöverförsök i simulatorn – trots att de redan hade byggt en egen avancerad simulator med rörelsesystem! Gruppen tyckte det var lite märkligt, men mot slutet av försöksserien började de ställa mer konkreta frågor om bildsystemet. Några veckor senare kom en förfrågan om offert på leverans av ett komplett bildsystem. VTI:s offert antogs av Mazda.
Frakten har gått bra och ingenting är skadat när bildsystemet levereras utanför Mazdas port
|
|
| Två simulatorgrupper möts |
 |
De hade satsat på ett bildsystem för flygsimulatorer. Men det fungerade dåligt för en bilsimulator och de prioriterade därför ett byte till VTI:s snabba bildsystem med extremt korta tidsfördröjningar. Gruppen åkte till Japan för att studera detaljer för styrning och processer som Mazda använde. Vid hemkomsten hyrde de in Mazdas dator och byggde in Mazdas system för att kunna testa och anpassa bildsystemet i Mazdas simulatormiljö.
Beställning av lastbilssimulator till Trygg-Hansa
Bildsystemet utvecklas
Bildsystemet har varit och är den del av simulatorn som hela tiden varit starkast beroende av den tekniska utvecklingen. En kraftfull utveckling av bildsystemet möjliggjordes genom uppdraget från Vägverket att använda simulatorn under hela planeringen och utformningen av tunnelsystemet i Södra länken och den då planerade Norra länken.
.jpg)
Att också kunna använda simulatorn som ett redskap vid vägutformning och gestaltning hade varit en vision ända sedan starten. Ett värdefullt hjälpmedel för de fortsatta simulatoruppdragen inom vägutformning var den avancerade utrustningen för vägytemätning, Laser Road Surface Tester, som VTI också har utvecklat. Med hjälp av data från mätbilen kan en exakt kopia av en befintlig väg byggas upp, vilket har utnyttjats både i valideringssyfte och i vägutformningsuppdrag.
Det var först 2001 som Mats Lidströms hantverksbyggande av processorer för bildsystemet var helt över. Först då hade den tekniska utvecklingen inom området kommit så långt att gruppen ansåg att man kunde övergå till ett helt pc-baserat bildsystem.
Under årens lopp har systemet för bildvisning också utvecklats. Från början hade man tre projektorer. I samband med utvecklingsarbetet av den nya simulatorn i Göteborg introducerar man tekniken med en mångfald projektorer, vilket kraftfullt ökar upplösningen och därmed ger en skarpare och ljusstarkare bild. Samma teknik har använts under våren 2011 i lastbilssimulatorn Sim II, med en kraftig kvalitetshöjning.
Belöningar och utmärkelser
1990 tilldelas Göran Palmkvist Kungliga Vetenskapsakademiens guldmedalj för sina "insatser vid konstruktion och optimering av styrprocesser" och får ta emot medaljen av prins Bertil.
1991 tilldelas hela gruppen Scaniastipendiet för sina insatser inom simulatorutveckling.
2003 utses Staffan Nordmark till gästprofessor vid Institute of Industrial Science vid the University of Tokyo, Japans främsta universitet. Dessförinnan var han adjungerad professor i fordonsdynamik vid KTH under många år. På bilden syns professor Suda, som leder institutionen, till höger om professor Nordmark samt doktorander inför ett middagsbesök.
Biltillverkaren Nissan gjorde en hemlig rankning av alla avancerade bilsimulatorer i världen i början av 1990-talet. VTI:s simulator rankades som nummer ett! Men denna information nådde Staffan Nordmark först under tiden i Japan.
Den tredje simulatorn byggs
I slutet av 1990-talet hade det byggts flera mycket avancerade körsimulatorer på olika håll i världen. För att fortfarande vara med i utvecklingens framkant söker gruppen finansiering till en ny simulator med ett ännu kraftfullare rörelsesystem med en linjärrörelse med state-of-the-art prestanda och med möjlighet att kunna vrida kabinen för bättre simulering av acceleration och inbromsning.
– Idéerna till det fick vi när vi var och levererade bildsystemet till Mazda. De hade byggt en vridbar kabin till sin simulator och vi såg fördelarna.
KFB, Kommunikationsforskningsberedningen, stödjer projektet och planeringen drar igång.
I planeringen ingår att den första körsimulatorn snabbt ska monteras ner och skrotas så att byggnationen av den nya simulatorn kan inledas. Samtidigt ska lastbilssimulatorn som köpts tillbaka av Trygg-Hansa monteras upp för att under byggnationen användas för de löpande uppdragen, både med lastbils- och personbilskabin.
– Det var precis så långt vi hade hunnit med byggnationerna när hela planering fick göras om, suckar Staffan Nordmark lakoniskt.
År 2000 beslutar nämligen VTI att institutet ska flytta till nya lokaler två år senare. Det innebär att uppbyggnaden av den nya simulatorn måste vänta tills det nya laboratoriet står klart.
– Trots att vi hade lastbilssimulatorn igång in i det sista innan flytten och att vi monterade upp den direkt efter flytten stod vi ändå utan en fungerande simulator ett helt år, konstaterar han. Så långa ledtider är det även när det inte handlar om nybyggnation.
Det skulle komma att bli ännu en ettårig försening innan den nya simulatorn kunde tas i bruk. Man hade nämligen till den här konstruktionen köpt själva linjärrörelsen från den amerikanska mättekniktillverkaren MTS.
– Det var bara det att när allt stod färdigt så insåg vi att linjärrörelsen inte höll måttet utifrån vår kravspecifikation. De fick helt enkelt ta tillbaka den och bygga nytt. Det var frustrerande, och därmed gick det ytterligare ett år innan vi kunde ta simulatorn i bruk. Men det är sådant man får räkna med kan inträffa i sådana här stora komplicerade projekt.
Simulatorn tas i bruk 2004 och därmed var det också farväl till gammaldags minidatorer, som nu helt ersattes av pc-drift.
Här ses både Simulator III och lastbilssimulatorn Sim II efter att allt stod färdigt 2004
Den fjärde simulatorn, Sim IV, placeras i Göteborg
År 2011 invigs VTI:s senaste simulator som stationeras på VTI:s kontor i Göteborg. Men till skillnad från de tre tidigare har man nu köpt in ett färdigdesignat rörelsesystem med ett x,y-bord samt en hexapod från Bosch-Rexroth, utvecklat inom ett EU-projekt. Övriga delar har byggts inom VTI.
Avsikten från början var att enbart ha en enkel simulator i Göteborg där man kunde prova ut program och försöksupplägg. Men när det stod klart att teknikutvecklingen kommit så långt att merkostnaden för att köpa ett färdigdesignat rörelsesystem var så liten, beslöt man att satsa på att bygga upp en komplett simulatormiljö.
Vad skiljer då simulatorerna åt?
Jo, gruppen kommer fram till att det finns en del viktiga skillnader.
En viktig fördel med Sim IV:s rörelsesystem är den möjliga samtidiga rörelse i sid- och längsled, vilket inte är möjligt i VTI:s andra två simulatorer, och som med stor sannolikhet kommer att förbättra körupplevelsen under körning i exempelvis stadsmiljö.
Å andra sidan har det av tekniska viktskäl inte varit möjligt att utrusta Sim IV med ett dedicerat vibrationsbord, något som är av stor betydelse för den goda vägkänslan i VTI:s andra två simulatorer. I Sim IV genereras vägvibrationer genom att vibrera hela övre domen, inklusive bildskärm och bilkaross, vilket är en något sämre teknisk lösning.
En annan skillnad mellan de tre simulatorerna är att Sim III:s rörelsesystem kan prestera väsentligt högre accelerationsnivåer än både Sim II och Sim IV. Detta är viktigt under extrema körmanövrer och representerar fortfarande state-of-the-art för simulatorer.
Alla tre simulatorer använder fortfarande VTI:s framgångsrika och beprövade fordonsmodeller, algoritmer för rörelsesystemet, bildsystem med mera. Samtidigt som varje simulator har unika egenskaper och därmed kompletterar varandra, medför de många identiska delarna att simulatorerna kan utnyttjas flexibelt och rationellt.
Pionjärerna lämnar över till en ny generation
Av de fyra pionjärerna är det bara "junioren" Mats Lidström, som ännu har några år kvar till uppnådd pensionsålder. De övriga tre, Göran Palmkvist, Håkan Jansson och Staffan Nordmark har alla pensionerats under de senast åren, men följer givetvis med spänning utvecklingen framöver. Den fortsatta utvecklingen är nu överlämnad till en ny generation tekniker och gruppen är samstämmigt ense om att det kommer att finnas lika stora tekniska utmaningar för dem i framtiden.
Samlad kompetens och erfarenhet vid VTI
Gruppen diskuterar framtiden och är övertygade om att VTI kan fortsätta att ligga i framkanten för simulatorer. De framhåller vikten av att ha samlad och erfaren teknisk expertis som har fullständig kontroll över alla programvaror och kan ändra i program och algoritmer vid behov. För simulatortillämpningarna finns också erfarna forskare som kan designa experimenten. Det är bara vid forskningsinstitut eller inom bilindustrin en sådan samlad och erfaren kompetens kan byggas upp. Allt detta finns vid VTI.
Text: Ulla Kaisa Knutsson