Delivering complex target tracking with the help of Maplesoft Engineering Solutions - User Case Studies - Maplesoft


User Case Study: Komplexe Zielverfolgung mit der Hilfe von Maplesoft Engineering Solutions

Die Blue Joule Corporation ist ein Consulting-Unternehmen, das auf die Planung, Analyse, Entwicklung und Implementierung hochpräziser Steuersysteme spezialisiert ist. Bei der Arbeit mit einem Kunden zur Entwicklung eines Controllers für Servoaktuatoren einer kardanischen Aufhängung für ein Zielverfolgungsradar wandte sich Blue Joule zur Unterstützung bei der Entwicklung dieses Controllers an Maplesoft Engineering Solutions.

Eine kardanische Aufhängung ist eine Plattform, die sich um eine Achse drehen kann. Mit einer Kombination aus zwei derartigen Aufhängungen kann die Plattform in jede beliebige Richtung gedreht werden. Das ist dann nützlich, wenn das Gerät in der kardanischen Aufhängung ständig auf ein bewegliches Ziel ausgerichtet werden soll.  So ist z.B. das Zielverfolgungsradar eines Flugzeugs kardanisch aufgehängt, um die Ausrichtung auf eine bestimmte Position am Boden auch dann beizubehalten, wenn das Flugzeug seine Höhe, Richtung und Lage ändert. Ein Zielverfolgungsradar arbeitet mit einer kardanisch aufgehängten Antenne mit Controllern und Servoaktuatoren, um ein bestimmtes Ziel zu fixieren und diese Fixierung auch dann beizubehalten, wenn sich das Ziel bewegt. Ein Servo vergleicht die vom Controller angeforderte Position mit der Ist-Position und dreht die Plattform, um den Winkel entsprechend zu korrigieren. Wenn sich der gemessene oder der gewünschte Winkel ändert, wird der Motor angesteuert, um den Ausgleich herbeizuführen.

Ein gut konstruiertes und abgestimmtes Verfolgungsradar dreht sich rasch in die gewünschten Richtungen und verfolgt das Ziel, während es sich bewegt. Auf der anderen Seite kommt es bei einem schlecht konstruierten und abgestimmten Controller zu Überschwingen und Regelschwingungen. Das Ziel kann nicht korrekt fixiert werden und die Verfolgung seiner Position erfolgt zu langsam. Die Herausforderung für Blue Joule lag darin, einen Controller zu erstellen, der den Winkel für jeden Motor bestimmt, um das Ziel zu fixieren, und das schnell genug, um das Ziel auch bei Bewegungen nicht zu verlieren. Die Bestimmung der Winkel mit herkömmlichen Modellierungswerkzeugen ist langsam und erfordert mehrere Iterationen, da das Verfahren üblicherweise auf numerischen Rechentechniken aufbaut. Dieser Ansatz ist auch rechenintensiv und daher häufig für den Einsatz in Echtzeit nicht schnell genug, um ein Ziel, das sich ständig bewegt, zu verfolgen.  Mit einem symbolischen Ansatz wird dieser Prozess sehr viel schneller und lässt sich als invers-kinematisches Problem lösen. Dieser Begriff beschreibt Probleme, bei denen die gewünschte Endposition bekannt ist und die Aufgabe darin besteht, die Winkel der Mechanik zu bestimmen, die erforderlich sind, um diesen Punkt zu erreichen.  Daher entwickelten die Experten von Maplesoft Engineering Solutions eine analytische, symbolische Lösung für dieses Problem mit Hilfe von MapleSim und Maple.

Der symbolische Ansatz bei der Lösung unseres Problems, mit Hilfe von MapleSim und Maple, erlaubt es uns, eine präzisere, besser funktionierende Lösung für unsere Kunden zu erstellen, als mit allen anderen Methoden. Mit Hilfe des Teams von Maplesoft Engineering Solutions konnten wir ein hochwertiges Ergebnis in sehr kurzer Zeit liefern.

— Neal Romine, Blue Joule Corporation

Das Team setzte hierzu MapleSim ein. Dieses fortschrittliche Werkzeug von Maplesoft zur Modellierung und Simulation auf Systemebene baut auf der symbolischen Rechenengine von Maple auf, um ein Modell des Flugzeugs, der kardanischen Aufhängung und des Ziels zu erstellen. Das Multibody-Analysewerkzeug von MapleSim kann dazu eingesetzt werden, die dynamischen und kinematischen Gleichungen einer Bewegung zu erzeugen. Wenn sie in das Modell integriert werden, können mit diesen Beschränkungsgleichungen die gewünschten Azimuth- und Elevationswinkel während der Simulation schnell berechnet werden. Diese Werte dienen als Soll-Werte für die Servomotoren der kardanischen Aufhängung. Nach Abschluss der Tests kann der Code zur Berechnung dieser Werte automatisch aus der Formel erzeugt werden, sodass er im Controller selbst in Echtzeit ausgeführt werden kann. Das Ergebnis ist die Entwicklung eines Controllers, der die kardanische Aufhängung des Verfolgungsradars in der korrekten Position hält.

"Der symbolische Ansatz bei der Lösung unseres Problems, mit Hilfe von MapleSim und Maple, erlaubt es uns, eine präzisere, besser funktionierende Lösung für unsere Kunden zu erstellen, als mit allen anderen Methoden", erklärte hierzu Neal Romine von der Blue Joule Corporation. "Mit Hilfe des Teams von Maplesoft Engineering Solutions konnten wir ein hochwertiges Ergebnis in sehr kurzer Zeit liefern."

Products

Industry/Application Area

Highlights

  • Blue Joule turned to Maplesoft Engineering Solutions for assistance in developing a controller for servo-actuators on a target-tracking radar gimbal
  • The challenge was to create a controller that could determine the angle each motor should be in order to maintain a lock on the target that is fast enough to keep up as the target moves
  • The symbolic approach using Maple and MapleSim delivered a more accurate, better performing solution when compared to other methods