Die Arbeit wurde mit dem Nachwuchspreis 2008 der DGLR (Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt) ausgezeichnet.
Im Rahmen der Diplomarbeit wurde die Flugphysik-Software des Fixed-Base Boeing 737-800 Simulators der Hochschule Bremen erstellt. Hierfür wurde zunächst eine Schnittstelle zwischen den beiden Entwicklungsumgebungen des Simulators – Borland Delphi und Mathworks MATLAB – geschaffen und anschließend das Modell in MATLAB Simulink entwickelt.
Das Interface nutzt den Microsoft COM Standard für die Herstellung einer schnellen und integren Datenübertragung.
Ein System aus vier gekoppelten, nichtlinearen Vektordifferenzialgleichungen liefert die Bewegung des Flugzeugs in seinen sechs Freiheitsgraden. Es wird mit den Trägheitsgrößen sowie den Kräften und Momenten aus Aerodynamik, Triebwerk und Fahrwerk gespeist. Dem System übergeordnet ist ein Erdmodell. Es stellt den Zusammenhang zwischen den Ausgangsgrößen der Flugzeugbewegung in lokalen geodätischen Koordinaten und dem WGS84 als Bezugssystem her. Darüber hinaus beschreibt es über ein integriertes Atmosphärenmodell die gegenwärtigen Umgebungsbedingungen.
Inhaltsverzeichnis
1 Kontext und Aufgabenstellung
2 Das Interface
2.1 Systemarchitektur
2.2 Echtzeitumgebung mit Real Time Windows Target
2.3 Simulink Interface
2.3.1 ActiveX
2.3.2 Virtuelles Hardware Board
2.3.3 Interface Funktionen
3 Das Modell
3.1 Erde
3.1.1 Geodätisches Bezugssystem
3.1.2 Atmosphäre
3.2 Boeing 737-800
3.2.1 Bewegungsgleichungen
3.2.2 Aerodynamik
3.2.2.1 Aerodynamische Kräfte und Momente
3.2.2.2 Aerodynamische Geschwindigkeiten und Winkel
3.2.2.3 Standardarbeitsbereich
3.2.2.3.1 Längsbewegung
3.2.2.3.2 Seitenbewegung
3.2.2.4 Verhalten bei großen Anstellwinkeln
3.2.2.5 Bodeneffekt
3.2.3 Triebwerke
3.2.3.1 Triebwerkskräfte und -momente
3.2.3.2 Kraftstoffverbrauch
3.2.4 Fahrwerk
3.2.4.1 Fahrwerkskräfte und -momente
3.2.4.2 Oleo-pneumatischer Dämpfer
3.2.4.3 Reibung
3.2.5.1 Skalare Masse
3.2.5.2 Trägheitstensor
3.2.5.3 Schwerpunktlage
3.2.6 Struktur
3.2.7 Stellerdynamik
4 Resümee und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung der Flugphysik-Software für einen Boeing 737-800 Fixed-Base Simulator an der Hochschule Bremen. Ziel ist die Implementierung eines Modells, das die Flugzeugbewegung basierend auf Piloteneingaben in Echtzeit berechnet.
- Entwicklung einer Schnittstelle zwischen Borland Delphi und MATLAB Simulink
- Aufbau der Systemarchitektur unter Nutzung von Real Time Windows Target
- Modellierung der Flugphysik inklusive Aerodynamik, Triebwerken und Fahrwerk
- Integration von Erd- und Atmosphärenmodellen
- Realisierung der Datenkommunikation und Fehlerüberwachung
Auszug aus dem Buch
2.2 Echtzeitumgebung mit Real Time Windows Target
Die MATLAB Simulink Toolbox „Real Time Windows Target“ nutzt ein und denselben Rechner als Host und Target. So kann ein Modell in gewohnter Simulink-Umgebung erstellt und direkt in Echtzeit zum Laufen gebracht werden.
Vom Standard Simulink Modell zur Echtzeitanwendung
Um Echtzeitmodelle möglich zu machen, generiert Real Time Windows Target anhand des in Simulink entworfenen Modells C-Code, aus dem - nachdem er mithilfe eines Drittcompilers kompiliert wurde (z.B. Open Watcom, Microsoft Visual C/C++ Compiler) – eine Executable erstellt wird, die über den Simulink External Mode als Echtzeitanwendung aufrufbar ist.
Einmal gestartet läuft die Echtzeitanwendung mit der RTWT Real Time Kernel auf CPU Ring Null (privilegierter Modus) und synchronisiert sich auf die PC-Uhr, die für ein präzises Sampling softwaremäßig auf eine höhere Frequenz getaktet wird. Die Kernel sitzt damit noch vor dem Betriebssystem, fängt Aufrufe an dieses ab und versorgt es mit Timer Interrupts der Originalfrequenz.
Dabei bleibt das Block Diagramm des Modells als Simulink GUI (Graphical User Interface) erhalten und gestattet eingeschränkte Veränderungen des Modells zur Laufzeit. Möglich macht dies der Simulink External Mode, der mittels einer .dll (rtwinext.dll) die Kommunikation zwischen Real Time Executable und normaler Simulink Ebene herstellt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Kontext und Aufgabenstellung: Beschreibt die Zielsetzung des Projekts, einen Flugsimulator für die Hochschule Bremen zu entwickeln, sowie die Notwendigkeit der Erstellung einer neuen Flugphysik-Software.
2 Das Interface: Erläutert die Kommunikation zwischen Borland Delphi und MATLAB Simulink, inklusive Systemarchitektur, Echtzeitumgebung und Schnittstellenfunktionen wie Fehlererkennung und Initialisierung.
3 Das Modell: Detailliert die physikalischen Grundlagen des Flugzeugmodells, unterteilt in Erdmodell, Boeing 737-800 Flugphysik, Triebwerke, Fahrwerk, Massen und Struktur.
4 Resümee und Ausblick: Reflektiert den Entwicklungsprozess, bewertet die Validität des Modells und schlägt Möglichkeiten zur Weiterentwicklung und Verfeinerung des Simulators vor.
Schlüsselwörter
Boeing 737-800, Flugsimulator, Flugphysik, MATLAB Simulink, Echtzeitmodell, Real Time Windows Target, Borland Delphi, Aerodynamik, Bewegungsgleichungen, Triebwerksmodell, Fahrwerk, Massenmodell, Schnittstellenprogrammierung, Flugdynamik, Stellerdynamik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit dokumentiert die Erstellung der Flugphysik-Software für einen Boeing 737-800 Fixed-Base Flugsimulator an der Hochschule Bremen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit fokussiert sich auf die Kopplung von Software-Entwicklungsumgebungen (Delphi/MATLAB), die Modellierung der Flugdynamik und die Echtzeitsteuerung des Simulators.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das primäre Ziel ist es, eine funktionsfähige und ausreichend schnelle Echtzeitsimulation der Flugphysik zu schaffen, die auf Pilotenbefehle reagiert.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden mathematische Bewegungsgleichungen genutzt und das Modell mittels MATLAB Simulink sowie der Toolbox "Real Time Windows Target" in eine Echtzeitumgebung implementiert.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Interface-Programmierung, die mathematische Herleitung der Flugzeugbewegung, die Modellierung aerodynamischer Kräfte, Triebwerkseigenschaften, Massenverteilung und Fahrwerksdynamik.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich am besten mit Begriffen wie Flugphysik-Software, Boeing 737-800 Simulator, Echtzeitmodellierung und MATLAB Simulink beschreiben.
Wie stellt der Autor die Kommunikation zwischen Delphi und Simulink sicher?
Der Autor nutzt die Microsoft COM Standard-Technologie und ActiveX, um eine steuerbare Schnittstelle zwischen der Controller-Anwendung in Delphi und MATLAB als Server zu etablieren.
Warum wird im Modell ein "virtuelles Hardware Board" erwähnt?
Es dient dazu, der Echtzeitumgebung die Kommunikation mit anderen Simulatorkomponenten auf reiner Software-Basis zu ermöglichen, ohne auf reale Hardware-Inputs angewiesen zu sein.
Welche Bedeutung hat das "Ping"-Verfahren für den Simulator?
Das Ping-Verfahren dient zur Überwachung der Datenübertragungszeit innerhalb der Echtzeit-Schleife, um die Synchronisation und einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten.
- Quote paper
- Nicolas Maul (Author), 2007, Erstellung des Echtzeitmodells einer Boeing 737 zum Einsatz im zukünftigen B737 Simulator der Hochschule Bremen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/85464
