Extern steuerbare Physiksimulation von Anlagen und Geräten

Student:Martin Sturm
Title:Extern steuerbare Physiksimulation von Anlagen und Geräten
Type:Diplom-/Masterarbeit
Advisors:Veldema, R.; Philippsen, M.
State:submitted on August 26, 2015
Prerequisits:
Topic:

Voraussetzungen

Beim Bau einer Fabrikanlage werden heutzutage zuerst die Produktionsstraßen entworfen und gebaut. Erst nach diesem Schritt werden die Steuerungen der Anlagen programmiert. Fehler im Entwurf der Hardware werden bei diesem Vorgehen erst spät erkannt, z.B. wenn Produktionsanlagen wie Fließbänder oder Roboterarme schon installiert sind.
Wenn die zu verbauenden Komponenten jedoch als virtuelle Hardware für eine Simulation beschrieben werden, dann können mögliche Fehler bereits in der Design-Phase erkannt und behoben werden. Idealerweise wird am Ende lediglich die virtuelle gegen die reale Hardware ausgetauscht.
Die ideale Entwicklungsumgebung hat folgenden Aufbau:

Physiksimulator
Roboterarm <-----> Roboterarm-Steuerungssoftware

Die Steuerungssoftware des Roboterarms gibt in diesem Beispiel die Befehle an den Roboterarm, z.B. 'drehe Motor 1 90 Grad links' und 'Greifer zu'. In der Simulation der Physik werden die Drehung und das Greifen der Objekte visualisiert.
Der Physiksimulator ist für diese Arbeit gegeben. Die Steuerungssoftware und die Schnittstelle zur virtuellen Hardware sollen selbst entwickelt werden.
Das Kernproblem ist die Beschreibung der virtuellen Anlage mit ihren Komponenten (z.B. Roboterarme, Fertigungsmaschinen) und deren Verhalten. Hierfür ist eine Sprache zur Beschreibung der Komponenten zu entwickeln, welche die Steuerungssoftware und der Simulator verarbeiten können. Diese domänenspezifische Sprache (engl. Domain Specific Language, kurz DSL) wird die Schnittstelle für Ein- und Ausgaben, mögliche Bewegungen und Aktionen der Komponenten, physikalische Grenzen der Geräte und weitere Details spezifizieren. Aus diesen, der DSL entsprechenden Spezifikationen, soll anschließend Quellcode erzeugt werden, der in den Simulator eingebunden werden kann. Dieser simuliert die spezifizierten Fertigungsstraßen und visualisiert die Abläufe mit einer angemessenen Darstellung. Zusätzlich zum Quellcode sollen die Schnittstellen zur Steuerungssoftware ebenfalls aus der DSL generiert werden.

Thema

Im Rahmen der Masterarbeit soll ein existierender Open-Source Physiksimulator verwendet werden, z.B.

  • Bullet (http://bulletphysics.org/wordpress/)
  • Impulse (http://www.impulse-based.de/),
  • PhysX (http://www.geforce.com/Hardware/Technologies/physx)
  • Newton (http://newtondynamics.com/forum/newton.php)
  • etc.

Dieser Simulator soll derart erweitert werden, dass Roboterarme, Fließbänder, Sensoren, LEDs etc. anhand der zu entwickelnden DSL spezifiziert und simuliert werden können.
Als Ziel der Arbeit soll die Simulation die folgenden zwei Geräte mithilfe der DSL entsprechenden Spezifikationen simulieren:

  • Dampfmaschine mit zwei Zylindern: Jeder Zylinder ist partiell mit Wasser gefüllt. Unter jedem Zylinder erhitzt eine Flamme das Wasser. Der dabei entstehende Dampf drückt den Kolben des Zylinders nach oben. Jeder Zylinder hat zwei Ventile, mit denen Wasser in den Zylinder gefüllt bzw. Wasserdampf abgelassen werden kann. Diese Ventile werden durch die externe Steuerungssoftware gesteuert. Zusätzlich stehen Sensoren für Druck und Temperatur zur Verfügung und können zur Steuerung herangezogen werden.
  • Sortierung von Bällen nach Farben: Auf einem Fließband werden Bälle mit unterschiedlichen Farben, z.B. rot, grün oder blau, transportiert. Ein Sensorfeld detektiert die Farbe der passierenden Bälle. Anschließend nimmt ein Roboterarm die Bälle vom Fließband und sortiert sie anhand der zuvor erkannten Farbe in Töpfe. Die externe Steuerungssoftware soll die aktiven Komponenten, z.B. die Roboterarme, steuern.

Folgende Punkte sind zu bearbeiten:

  • Dateiformat zur einfachen Beschreibung von Anlagen und Geräten
  • virtuelle Modelle der Komponenten, z.B. Roboterarm, Fließband, Zylinder, Behälter, Wärmesensor, Wasserdampf und Ventile
  • API zur Steuerung dieser Geräte durch die externe Steuerungssoftware

Literatur

https://de.wikipedia.org/wiki/Dampfmaschine

Meilensteine

  • Auswahl des Open-Source Physiksimulators
  • Entwicklung der DSL
  • Entwicklung der steuerbaren virtuellen Komponenten
  • Generieren der API zur externen Steuerungssoftware
  • Ausarbeitung
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