Echtzeitfähige Bewegungsplanung mit Hindernisvermeidung für unbemannte, senkrecht startende Luft- und Raumfahrzeuge

Echtzeitfähige Bewegungsplanung mit Hindernisvermeidung für unbemannte, senkrecht startende Luft- und Raumfahrzeuge von Seiferth,  Christoph
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der echtzeitfähigen Bewegungsplanung unbemannter, senkrecht startender Luftfahrzeuge. Diese Autonomiefunktion behandelt das Problem der Suche und Optimierung einer Bewegungstrajektorie des Luftfahrzeuges unter Berücksichtigung von Randbedingungen wie z.B. das Vermeiden von Hindernissen, Einhalten von maximalen Fluggeschwindigkeiten oder auch die Beschränkung der Lage des Luftfahrzeugs. Um sich diesem Problem zu nähern, wird zunächst ein Ansatz zur prädiktiven Bahnplanung auf Basis der nichtlinearen modellprädiktiven Regelung mit Beschränkungen in Zuständen und Steuergrößen vorgestellt, der besonders für die echtzeitfähige Implementierung auf kleiner und kompakter Rechnerhardware geeignet ist und eine Hindernisvermeidung unter Nutzung einer dreidimensionalen Punktwolke beinhaltet. Zur Demonstration der Echtzeitfähigkeit werden in dieser Arbeit zwei unterschiedliche Bordrechnerarchitekturen betrachtet: Der erste Ansatz verfolgt die Implementierung auf einem kleinen eingebetteten System, das einen FPGA zur Beschleunigung der für die Hindernisvermeidung benötigten Abstandsberechnungen einsetzt. Flugversuche sowie Hardware-in-the-loop Simulationen belegen die Machbarkeit. Der zweite, verbesserte Ansatz benutzt zur echtzeitfähigen Umsetzung eine Grafikkarte auf einem Tabletcomputer zur Beschleunigung der Modellprädiktion und der aufwendigen Abstandsberechnungen zu den Hindernissen. Statistische Betrachtungen von Laufzeitmessungen zeigen die echtzeitfähige Umsetzbarkeit dieses Ansatzes. Die Arbeit liefert damit Beiträge im Bereich Bahnplanung für unbemannte, automatisch fliegende Fluggeräte, die geeignet sind, einen sicheren Betrieb im Sinne der Einhaltung von Beschränkungen beteiligter Zustände und Steuergrößen zu garantieren.
Aktualisiert: 2021-11-03
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Entwicklung eines echtzeitfähigen Motorströmungs- und Stickoxidmodells zur Kopplung an einen HiL-Simulator

Entwicklung eines echtzeitfähigen Motorströmungs- und Stickoxidmodells zur Kopplung an einen HiL-Simulator von Mirfendreski,  Aras
Aras Mirfendreski stellt neue Methoden für die Motorsimulation vor. Er behandelt dabei Themen wie Motorströmung, Luftpfad und Stickoxid-Emissionen. Für die Anbindung der Modelle an ein Motorsteuergerät über einen Echtzeitsimulator muss für eine stabile Kopplung eine sehr hohe Rechengeschwindigkeit (Echtzeit) garantiert sein. Daher liegt der Fokus des Autors vor allem darauf, derzeitige Standardsimulationsmethoden schneller zu gestalten, ohne dabei an Effizienz und Genauigkeit zu verlieren.
Aktualisiert: 2023-04-02
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Entwurf und Optimierung einer Echtzeit-Prozesskommunikation für die Schutz-und Leittechnik der elektrischen Energieversorgung

Entwurf und Optimierung einer Echtzeit-Prozesskommunikation für die Schutz-und Leittechnik der elektrischen Energieversorgung von Kaliwoda,  Michael
Die Schutz- und Leittechnik in einer Schaltanlage der elektrischen Energieversorgung ist ein verteiltes System, das bisher überwiegend durch eine aufwendige Parallelverdrahtung analoger Signale realisiert wird. Digitale Feldbuskommunikation kann diesen Aufwand erheblich verringern, den Austausch von Schutzgeräten vereinfachen und durch Verwendung optischer Medien zur Sicherheit und EMV-Störfestigkeit beitragen. In dieser Arbeit werden echtzeitfähige Feldbussysteme, innovative Architekturen und insbesondere Methoden des industriellen Ethernets betrachtet. Anschließend wird ein Konzept präsentiert, das möglichst geringe Anforderungen an die Kommunikationsteilnehmer stellt, konform zum Standard-Ethernet ist und stets deterministisch reagiert. Grundlage und Referenz ist der vorherrschende Standard IEC 61850. Ein umfangreiches Informations- und Kommunikationsmodell wird zur Analyse hergeleitet. Schließlich wird das Systemkonzept durch spezifizierte Anforderungen, experimentelle Tests und ausführliche Zuverlässigkeitsberechnungen evaluiert.
Aktualisiert: 2021-03-31
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Entwicklung eines echtzeitfähigen Motorströmungs- und Stickoxidmodells zur Kopplung an einen HiL-Simulator

Entwicklung eines echtzeitfähigen Motorströmungs- und Stickoxidmodells zur Kopplung an einen HiL-Simulator von Mirfendreski,  Aras
Aras Mirfendreski stellt neue Methoden für die Motorsimulation vor. Er behandelt dabei Themen wie Motorströmung, Luftpfad und Stickoxid-Emissionen. Für die Anbindung der Modelle an ein Motorsteuergerät über einen Echtzeitsimulator muss für eine stabile Kopplung eine sehr hohe Rechengeschwindigkeit (Echtzeit) garantiert sein. Daher liegt der Fokus des Autors vor allem darauf, derzeitige Standardsimulationsmethoden schneller zu gestalten, ohne dabei an Effizienz und Genauigkeit zu verlieren.
Aktualisiert: 2023-04-04
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Simulation des physikalischen Verhaltens bei der digitalen Absicherung von automatisierten Montageanlagen

Simulation des physikalischen Verhaltens bei der digitalen Absicherung von automatisierten Montageanlagen von Strahilov,  Anton
In Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, welche eine digitale, mechatronische Absicherung von automatisierten Montageanlagen unter Berücksichtigung des physikalischen Verhaltens der Anlagenteile und -komponenten ermöglicht. Die Methode wird in den drei Schritten Vorbereitung des Simulationsmodells, physikbasierte mechanische Absicherung und physikbasierte Virtuelle Inbetriebnahme unterteilt. Im ersten Schritt wird eine aus vier Teilschritten bestehende Vorgehensweise für die Vorbereitung des Simulationsmodells aus dem 3DCAD-Geometriemodell der Montageanlage vorgestellt. In diesem Rahmen wird auch die Methode der Rollenbasierten Anlagenentwicklung erläutert, welche eine schnelle und einfache Durchführung des ersten Prozessschritts der Absicherungsmethode ermöglicht. Der zweite Schritt der Methode, die physikbasierte mechanische Absicherung, umfasst die drei Teilschritte Absicherung der Anlagenkinematik, Absicherung der Anlagendynamik und Absicherung der Anlagensteifigkeit. Alle diese Teilschritte werden ausführlich erläutert und anhand einfacher Beispiele vorgeführt. Des Weiteren befasst sich der letzte Schritt der vorgestellten Methode mit der Absicherung der Steuerungsprogramme der Montageanlage unter Betrachtung des physikalischen Verhaltens der Anlagenteile und -komponenten. Für diesen Zweck wird die existierende Virtuelle Inbetriebnahme eingesetzt, mit dem Unterschied, dass das physikalische Verhalten der Anlagenteile bzw. -komponenten mitberücksichtigt wird. Es wird dabei stark auf das Zusammenspiel zwischen den über die Pneumatik gesteuerten Anlagenkomponenten, wie z. B. Pneumatikzylinder, und dem Steuerungsprogramm eingegangen. Abschließend erfolgt die Verifizierung der an die entwickelte Methode gestellten Anforderungen. Dabei wird anhand der aus der durchgeführten Umsetzung gewonnenen Ergebnisse bzw. Erkenntnisse die Einhaltung der Anforderungen diskutiert. Darüber hinaus werden die Simulationsergebnisse zusätzlich bezüglich ihrer Genauigkeit validiert.
Aktualisiert: 2020-09-28
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