Einsatz von MapleSim bei der Simulation unbemannter Luftfahrzeuge

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Unbemannte Luftfahrzeuge (engl. Unmanned Aerial Vehicles, UAV) werden in Situationen, in denen ein Zugang für den Menschen sehr gefährlich oder schwierig wäre, zu einem immer wichtigeren Werkzeug. Neben militärischen Anwendungen werden UAV im Umweltschutz, in der Landwirtschaft und im Katastrophenschutz eingesetzt. Sie gehören zu den Objekten, an denen zurzeit besonders aktiv geforscht und entwickelt wird. Die Quanser Inc. hat QBall-X4, eine UAV-Experimentierplattform für Untersuchungen im Bereich der Steuerung und Konstruktion, entwickelt, um den Wissenschaftlern bei der Arbeit an neuen Algorithmen zur Steuerung von UAV unter den verschiedensten Bedingungen zu helfen.

MapleSim, das Maplesoft-Produkt zur Modellierung und Simulation, hat sich für die Entwicklungsingenieure von Quanser bei der Entwicklung des QBall als eines der wichtigsten Werkzeuge erwiesen. Der QBall-X4 ist ein Hubschrauber mit vier 10-Zoll-Rotoren, vier Motoren und Drehzahlreglern. Die gesamte Mechanik befindet sich in einem Schutzkäfig aus Kohlefaser. Als erster Schritt wurde bei der Entwicklung ein detailliertes dynamisches 3D-Modell des Systems und seiner Flugeigenschaften erzeugt. Die mit MapleSim erhaltenen Ergebnisse und Einsichten wurden anschließend wieder in die Entwicklungskette eingebracht, um die Konstruktion zu optimieren.

Dabei hatte MapleSim für die Ingenieure von Quanser gegenüber herkömmlichen Werkzeugen zwei große Vorteile. Der wichtigste Vorteil des Einsatzes von MapleSim war die Möglichkeit, die Dynamik des gyroskopischen Effekts, der stabilisierenden Wirkung der rotierenden Komponenten des QBall, vollständig zu erfassen. Mit herkömmlichen Werkzeugen ist der gyroskopische Effekt kaum oder nur sehr schwierig zu simulieren, da die Entwicklung ausreichend detaillierter Modelle von Hand zu schwierig und zu zeitaufwendig ist. Gewöhnlich behelfen sich die Entwickler mit verschiedenen Kompromissen und Vereinfachungen beim Modell, was natürlich die Genauigkeit und Effizienz der Simulation beeinträchtigt. Da MapleSim die Systemgleichungen direkt aus dem Diagramm des Modells ableitet, konnten die Ingenieure bei Quanser in sehr kurzer Zeit und mit wenig Aufwand ein hochdetailliertes Modell erstellen, bei dem der gyroskopische Effekt berücksichtigt wird.

Und weil sich Änderungen in der Simulationsumgebung von MapleSim so einfach vornehmen lassen, konnte man bei Quanser verschiedene Ausführungen der Rotoren testen und die Anordnung wählen, die am besten funktioniert. Mit MapleSim konnten die Entwickler verschiedene UAV-Konfigurationen, z.B. mit einem Rotor oder koaxial angeordneten gegenläufigen Rotoren, untersuchen, bevor sie sich schließlich für die Ausführung mit vier Rotoren entschieden haben. Besonders überrascht war man bei Quanser von der Geschwindigkeit, mit der die Modelle erstellt werden konnten.

Derry Crymble, leitender Ingenieur beim Projekt QBall-X4, bemerkte hierzu: „Ich war sehr beeindruckt davon, in wie kurzer Zeit wir mit MapleSim ein äußerst detailliertes Modell entwickeln konnten.“

Dr. Jacob Apkarian, Gründer und technischer Leiter von Quanser fügte hinzu: „MapleSim hat uns wirklich die Augen geöffnet. Es hat uns Einblicke ermöglicht, die wir sonst nicht gehabt hätten. Wir haben Effekte im System entdeckt, die wir nicht berücksichtigt hatten, bevor wir die Simulationen mit MapleSim durchgeführt haben. Wir haben mit MapleSim eine Menge über das System gelernt.“

Heute ist Qball-X4 eines der wichtigsten Produkte von Quanser. Es wird von Wissenschaftlern an Universitäten und in der Industrie eingesetzt. MapleSim wird in der Entwicklung bei Quanser auch weiterhin einen wertvollen Beitrag leisten.

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