Dynamische Bewegungsplattform für realitätsnahe Simulationen

Die realitätsnahe Wahrnehmung in der Simulation hängt von der Ähnlichkeit der Bild-, Ton- und Bewegungselemente mit dem Original sowie von der Harmonie zwischen diesen ab. Dynamische Bewegungsplattformen mit sechs Freiheitsgraden spielen eine entscheidende Rolle beim Erreichen realistischer Simulationserlebnisse. Das Herzstück dieser Plattformen von SANLAB sind anwendungsgerechte Servoantriebe, Servomotoren sowie Industrie-PCs zur Echtzeitsteuerung, die mit Beckhoff aus einer Hand, d. h. optimal aufeinander angestimmt geliefert werden.

Der türkische Spezialist SANLAB, Istanbul, konzentriert sich auf Echtzeit-Robotertechnologien und entwickelt Bewegungsplattformen mit sechs Freiheitsgraden (6DOF), die in den Produktions- und F&E-Phasen von Branchen mit Simulations- und Testanforderungen eingesetzt werden können. Unter anderem in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Test- und Simulationsindustrie ermöglicht diese 6DOF-Moving-Platform-Technologie reduzierte Prototypen- bzw. F&E-Zeiten sowie eine genaue, fehlerfreie Produktherstellung und -prüfung. Als Driver in the Loop (DIL)-Simulator lassen sich in der Automobilindustrie z. B. mathematische Modelle und KI-Systeme testen. Weiterhin werden unter der Marke SANLAB Learning Technologies Simulationen für die Ausbildung qualifizierter Arbeitskräfte entwickelt. Diese kommen in der universitären Forschung sowie bei Ausbildungsaktivitäten von Handelskammern, Industriekammern, Gemeinden, Universitäten, dem Bildungsministerium angeschlossenen Berufsbildungseinrichtungen und privaten Unternehmen zum Einsatz.

Funktionsweise der 6DOF-Bewegungsplattform

Die 6DOF-Bewegung bezieht sich auf die Translations- und Winkelbewegungen eines beliebigen Objekts in den Achsen x, y und z. In der Simulationswelt werden Strukturen verwendet, die als Parallelmanipulator oder Stewart-Plattform bezeichnet werden, um die Bewegungen zu reproduzieren. Mit Aktuatoren, welche die vom Servomotor erzeugte Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandeln, können je nach Bedarf verschiedene Bewegungsprofile für Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung realisiert werden. Damit die von der Plattform erzeugten Bewegungen vom Menschen als realistisch wahrgenommen werden können, kommen Algorithmen zur Bewegungswahrnehmung (Motion Cueing) zum Einsatz. Diese orientieren sich an den Funktionsprinzipien des vestibulären Systems, d. h. am Gleichgewichtsorgan des menschlichen Körpers.

Insbesondere in Systemen wie der dynamischen Simulation von Flugzeugen löst das System die kinematischen Gleichungen in Echtzeit und berechnet die Positionsinformationen der Triebwerke, um die gewünschten Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte zu erzeugen. Dies erfordert eine hohe Rechenleistung. Ebenso müssen die Motorpositionswerte über Servoantriebe in einer dynamischen Struktur an die Motoren übertragen werden. Für die Anwendung ist es erforderlich, dass die Servomotoren ein geringes Trägheitsmoment aufweisen und mit geringen Strömen hohe Drehmomentwerte erzeugen können. Unter diesem Gesichtspunkt ist es nach Ansicht der SANLAB-Experten bei dynamischen Systemen wie Flugsimulationen notwendig, dass alle Komponenten – vom das System steuernden Industrie-PC bis hin zu den Servoantrieben und Servomotoren – aus Hochleistungsprodukten ausgewählt werden. Daher habe man sich für die PC- und EtherCAT-basierte Steuerungs- und Antriebstechnik von Beckhoff entschieden.

Hohe steuerungstechnische Anforderungen erfüllt

Dass die notwendige hohe Systemdynamik eine hohe Leistung aller verwendeten Steuerungs- und Antriebskomponenten erfordert, ist laut SANLAB nur ein Aspekt. Darüber hinaus sei es aufgrund der sich ändernden Anforderungen der verschiedenen Anwendungsbereiche von großer Bedeutung, dass die vorgeschlagenen Steuerungslösungen skalierbar und flexibel seien, sowohl hinsichtlich der Kosten als auch bzgl. der Leistungsoptimierung. Da SANLAB seine eigenen Steuerungsalgorithmen auf der Basis von C++ entwickle, müsse die Entwicklungsumgebung zudem eine Struktur aufweisen, die einen zuverlässigen Echtzeitbetrieb ermögliche. Mit Blick auf eine möglichst schnelle Projektentwicklung sowie kurze Lieferzeiten und hohe Produktqualität seien Lösungen gefragt, welche die Engineeringzeit verkürzen, eine hohe Hardware-Kompatibilität (über EtherCAT) und eine flexible Entwicklungsumgebung bieten.

Als Unternehmen, das Systeme mit verschiedenen Achszahlen für unterschiedliche Anforderungen entwickelt, hilft laut SANLAB-Mitbegründer Evren Emre die skalierbare Beckhoff Produktpalette insbesondere im Industrie-PC-Bereich mit Prozessoren von Arm^® bis Xeon^® erheblich bei der Steuerungsoptimierung. Und weiter: „Der Umstieg auf die EtherCAT-Infrastruktur, welche die hohe Rechenleistung, auf die wir mit der PC-basierten Automatisierung von Beckhoff zugreifen können, voll ausschöpfen kann, ermöglicht uns die Entwicklung dynamischerer Systeme. Vor allem bei der Entwicklung unserer Regelungsalgorithmen spart die Softwareplattform TwinCAT, die den Echtzeitbetrieb über die C++-Infrastruktur erlaubt, Engineeringzeit und ermöglicht die durchgängige Nutzung dieser Engineering-Umgebung und sogar die Realisierung dynamischerer und präziserer Regelungsalgorithmen bei kürzeren Zykluszeiten. Ethernet-basierte Kommunikationsprotokolle sowie komplette Soft- und Hardwarelösungen für die Kompatibilität mit verschiedenen Feldbussen helfen uns, ein schnelles und zuverlässiges System für die Kommunikation mit externen Systemen und Simulationssoftware zu schaffen.”

Durchgängig und PC-basiert automatisiert

Die Flugsimulator-Anwendung basiert auf der Echtzeit-Wiedergabe von Telemetriedaten aus einer Simulationsanwendung auf einem 6DOF-Simulationstisch. Im System wird ein Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6025 mit dem Prozessor Intel^® Core™ i5 verwendet, der integriert mit der Simulationssoftware arbeitet und die empfangenen Telemetriedaten in Bewegungen umsetzt. Dieser Prozessor arbeitet mit einer Taktrate von 4 kHz, um die Daten aus dem Simulationssystem in Echtzeit-Aktorbewegungen umzusetzen.

Bei 6DOF-Bewegungsplattformen müssen hochdimensionale Matrixberechnungen wie Kinematik und Jacobi in Echtzeit und genau gelöst werden. Die Durchführung all dieser Operationen mit hoher Geschwindigkeit und auf stabile Weise wirkt sich direkt auf die Empfindlichkeit, die Reaktion und die Gesamtleistung der Plattform aus. Die synchrone und präzise Steuerung der sechs Achsen zur gleichen Zeit ist ein sehr anspruchsvoller Prozess; daher sind fortschrittliche Steuerungstechnologien mit hoher Verarbeitungsleistung und Stabilität erforderlich. Realisiert wird dies mit 2-kanaligen Servoverstärkern AX5206, deren Vorteile Evren Emre folgendermaßen erläutert: „Neben der dynamischen Leistung, die das System bieten sollte, wurden Beckhoff Servoverstärker wegen ihrer kompakten Bauform ausgewählt. Somit kommt das mit sechs Servomotoren ausgestattete System mit drei Servoverstärkern aus und weist daher eine sehr kompakte Struktur auf. Die gute Eignung der Servoverstärker für Optimierung und Rückverfolgbarkeit bietet weitere Vorteile als Basis für solche Systeme, bei denen Portabilität wichtig ist. Die hohe Dynamik der Bewegungsplattform wird zudem durch die Servomotoren AM8041 als Ausführung mit niedrigem Trägheitsmoment sehr gut unterstützt.”

Die Beckhoff Steuerungstechnik zeichnet sich laut Evren Emre in Echtzeitanwendungen durch hohe Zyklusraten bis zu 16 kHz aus. Besonders in Simulationsanwendungen, bei denen die als Referenz genommenen Telemetriedaten möglichst realitätsnah generiert werden, ergeben solch hohe Zyklusgeschwindigkeiten einen deutlichen Unterschied. Das breite Beckhoff Produktspektrum, die hohen Optimierungs- und Feinabstimmungsmöglichkeiten der Beckhoff Servoverstärker, Servomotoren und I/O-Karten ermöglichten SANLAB eine kosten- und leistungseffiziente Systemkonfiguration. Darüber hinaus können die erstellten Systeme mit vielen Funktionen per EtherCAT über verschiedene Parameter überwacht werden. Evren Emre ergänzt: „Die Software TwinCAT, die eine Entwicklung insbesondere in der Sprache C++ ermöglicht, trägt mit ihren vorgefertigten Modulen, Bibliotheken und Funktionen maßgeblich zur Minimierung der Entwicklungszeiten bei. In Anbetracht der Effektivität und des Marktanteils der EtherCAT-Architektur bedeutet die Tatsache, dass die Lösung – falls erforderlich – auch auf Drittprodukte angewendet werden kann, eine erhebliche Flexibilität. Wichtig ist uns auch, dass die Automatisierungskomponente mehr als nur ein gekauftes Produkt ist, sondern den technischen Support und den After-Sales-Service mit einschließt. Und die Beckhoff Niederlassung Istanbul lebt diese Philosophie ebenfalls.”