FORWARD DYNAMICS FOR THE EVALUATION OF PRACTICAL PROBLEMS IN SPORTS

INTRODUCTION: In athletic movements there are often situations where one cannot rate varying executions, because the effects of single actions are unknown. At a tennis stroke for example, the movement of the ball after hitting is well visible as an effect of the action. However, the conditions at hitting the ball and the actions that lead to the torque of hitting are not reliably visible. Their interpretation is only subjective. Nevertheless, the trainer and the player have to give statements of the muscular activity like "hold the racket loosely or firmly "or"relax or stiffen your wrist." This paper focuses on a controversial problem: the use of the wrist in tennis. Some favor a firm wrist, others an actively moving wrist. The group which favors the active wrist based their idea on the higher velocities of the racket head. For this idea biomechanical considerations are only based on kinematic data and on analysis in muscular physiology (see KLEINÖDER 1997, ELLIOT 1991, HUIJING 1994, KOMI 1994) and not on kinetic analysis. With this work we try to fill these gaps with computer simulation. In a similar way we worked on a problem in gymnastics: the increase of swings on the horizontal bar, which is necessary for all swing elements. Little work has been done in this area (see BAUER 1976, BÖHM1997 and WIEMANN 1993). Nevertheless, the research that allows a development of a general theory of the swing increase is lacking (except for the efforts of WIEMANN). The goal of this paper is to show that computer simulation can be a first step towards the development of such a theory

Sparsing in Real Time Simulation

Modelling of mechatronical systems often leads to large DAEs with stiff components. In real time simulation neither implicit nor explicit methods can cope with such systems in an efficient way: explicit methods have to employ too small steps and implicit methods have to solve too large systems of equations. A solution of this general problem is to use a method that allows manipulations of the Jacobian by computing only those parts that are necessary for the stability of the method. Specifically, manipulation by sparsing aims at zeroing out certain elements of the Jacobian leading t a structure that can be exploited using sparse matrix techniques. The elements to be neglected are chosen by an a priori analysis phase that can be accomplished before the real-time simulaton starts. In this article a sparsing criterion for the linearly implicit Euler method is derived that is based on block diagnonalization and matrix perturbation theory

Generierung vereinfachter Modelle mechatronischer Systeme auf Basis symbolischer Gleichungen

Für die Entwicklung, Regelung und Optimierung technischer Systeme stellt die modellbasierte Simulation ein wichtiges Hilfsmittel dar. Dabei sind in vielen Anwendungen niedrige Simulationszeiten essentiell. Eine Simulation besteht zum einen aus dem Modell des technischen Systems und zum anderen aus einem numerischen Lösungsverfahren. Für eine effiziente Simulation sollte das verwendete Modell so einfach wie möglich sein, um den interessierenden physikalischen Effekt noch abbilden zu können, jedoch nicht einfacher. Die Modellbildung technischer Systeme geschieht häufig in objektorientierten Simulationsumgebungen. Diese erlauben eine komfortable Modellierung per drag & drop mit Hilfe grafischer Benutzeroberflächen. Außerdem ist die Modellbildung weniger fehleranfällig, da die meisten Komponenten vorgefertigten Standard-Bibliotheken entnommen werden können. Darüber hinaus sind die generierten Modelle leicht wiederverwendbar. Diese Vorteile führen insbesondere dazu, dass die Erstellung komplexer Modelle technischer Systeme in objektorientierten Simulationsumgebungen in einfacher Art und Weise geschehen kann. In der Regel werden von einem technischen System während des Entwicklungsprozesses mehrere Modelle benötigt. Die einfache Verfügbarkeit komplexer Modelle legt es nahe, die Modellbildung lediglich für das komplexeste Modell zu betreiben und alle weiteren Modelle durch Modellreduktion aus diesem zu generieren. In dieser Arbeit wird ein geeignetes Modellreduktionsverfahren entwickelt und in eine objektorientierte Simulationsumgebung integriert. Das verwendete Modellreduktionsverfahren basiert darauf, ausgehend von einem vorgegebenen Szenario den Einfluss der in den Modellgleichungen enthaltenen mathematischen Terme zu schätzen. Anhand ihres geschätzten Einflusses auf das Simulationsergebnis werden die Terme anschließend sortiert und manipuliert (beispielsweise linearisiert oder vernachlässigt). Da die Schätzung des Einflusses szenariobasiert ist, hängt die Güte des Modells in einer Simulation von der Ähnlichkeit des Reduktionsszenarios zum Simulationsszenario ab. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze vorgestellt, um den Gültigkeitsbereich der reduzierten Modelle zu vergrößern. Darüber hinaus wird ein neues, äußerst effizientes Verfahren zur Schätzung des Einflusses der Terme präsentiert. Ein besonderer Schwerpunkt liegt weiterhin auf der Generierung von Modellen für die Echtzeitsimulation. Für die Echtzeitsimulation muss jeder Integrationsschritt innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne berechnet werden können. Die zur Verfügung stehende Rechenleistung hängt dabei zum einen von der Zielhardware und zum anderen von dem gewünschten Takt ab. In dieser Arbeit wird ein Algorithmus vorgestellt, um ausgehend von einem komplexen Modell ein vereinfachtes Modell zu generieren, welches (falls überhaupt möglich) in Echtzeit auf der Zielhardware in dem gewünschten Echtzeittakt simuliert werden kann. Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird anhand bekannter Modelle aus der Fahrdynamik eindrucksvoll gezeigt. Darüber hinaus wurde im Rahmen der Arbeit ein komplexes Modell einer Baumaschine generiert und anschließend für Echtzeitsimulationen reduziert. Außerdem dient das Modellreduktionsverfahren als Basis für einen Ansatz zur Erstellung generischer Modelle

Contributing to control of the heavy duty hydraulic robot ALDURO

Die Tatsache, dass die Hälfte der Landoberfläche der Erde nur zu Fuß erreicht werden kann und dazu die bereiften Fahrzeuge ihre Effizienz im unwegsamen Gelände verlieren, war den Beweggrund für die Entwicklung autonom operierender mobiler Roboter. Ausgehend von der kinematischen Struktur des menschlichen Beins wurde der vierbeinige rechnergesteuerte Schwerlastroboters ALDURO konstruiert und aufgebaut. Laufmaschinen stellen typische Beispiele zeitinvarianter dynamischer Systeme dar, was ihre Steuerung und Regelung erschwert. Daher führen lineare Regelungsansätze zu keiner zufriedenstellenden Regelgüte. In den vorherigen Arbeiten zur Steuerung und Regelung des Laufroboters ALDURO werden die Dynamik des Antriebsystems, die Reibkräfte, die Dynamik der Umgebung sowie die auf die Aktoren wirkenden Interaktionskräfte bei Auslegung der eingesetzten modellbasierten Lage- und Kraftregelung nicht berücksichtigt, welche das Verhalten des geschlossenen Regelkreises beeinflussen. Darüber hinaus hängt die modellbasierte Regelung von Genauigkeit des mathematischen Modells der Laufmaschine ab. Die Entwicklung der auf Fuzzy-Logik basierten Regelungskonzepte stellt in dieser Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Anpassung der Geschwindigkeitsregelungsparameter für die Antriebe dar, so dass die Regelungsparameter entsprechend der aktuellen Antriebdynamik in jedem Zeitpunkt angepasst werden. Der scharfe Wert des direkten Fuzzy-Geschwindigkeits-reglers wird gemäß der auf den Zylinder wirkenden Kräfte und der Regelabweichung angepasst. Mit steigender Anzahl der Fuzzy-Mengen der Ein- und Ausgangsgrößen und der Regelbasis steigt die Rechenzeit. Der Vorteil beim Einsatz der Fuzzy-Logik zur Adaption der klassischen Reglerparameter ist die Möglichkeit, dass auf das Antriebmodell verzichtet werden können. Darüber hinaus können die Nichtlinearitäten im Übertragungsverhalten berücksichtigt werden. Innerhalb dieser Strukturen wird weiterhin zur Minimierung des Rechenaufwands ein klassischer Regelkern eingesetzt, dessen Parameter durch die Fuzzy-Logik angepasst werden. Die Rückführungsregelung beruht auf der Tatsache, dass alle Zustände des Antriebs zu jedem Zeitpunkt zur Verfügung stehen. Aufgrund der hohen Kosten der Sensorik kommen hier Beobachter zum Einsatz. Die Zustände und die auf den Zylinder wirkenden Kräfte der hydraulischen Antriebe werden anhand des modellbasierten Proportional-Integral-Beobachters (PI-Beobachter) geschätzt. Der I-Anteil dient dabei zur Abschätzung der Nichtlinearitäten und der unbekannten Störgrößen des Systems. Durch eine geeignete Rückführungsmatrix wird ein robustes Verhalten des PI-Beobachters erzielt. Zur Berechnung des geforderten Pumpenvolumenstroms für den Laufroboter ALDURO beim Laufen mit einem periodischen Gangmuster ist die Modellierung des gesamten Roboters sowie der Umgebung in der Simulationsumgebung, wie z. B. MODELICA/DYMOLA erfolgt. Das periodische Gangmuster gewährleistet die statische Stabilität beim Laufen. Die Aufstandkräfte werden in Abhängigkeit von der Standphase auf die neun bzw. zwölf Zylinder aufgeteilt, wodurch die Druckabfälle an den Zylindern ermittelt werden können. Darauf basierend wird die hydraulische Antriebsleistung entsprechend dem mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad und der Antriebsdrehzahl berechnet. Durch die Kenntnisse von Durchmesser, Hub und Geschwindigkeit (aus dem Gangmuster) der hydraulischen Zylinder wird eine Berechnung des geforderten Pumpenvolumenstroms durchgeführt. Daher kann die maximale Laufgeschwindigkeit des Roboters unter der Ausnutzung der maximalen Leistung des Antriebsystems abgeschätzt werden

Forum - Ausgabe 2010/2011

Informiert über die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Konstanz im Jahr 2010/2011

Forum - Ausgabe 2014

Informiert über die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Konstanz im Jahr 2014

Forum - Ausgabe 2009/2010

Informiert über die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Konstanz im Jahr 2009/2010

Forum - Ausgabe 2013/2014

Informiert über die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Konstanz im Jahr 2013/2014

Adaptive Sigma-Punkte-Filter-Auslegung zur Zustands- und Parameterschätzung an Black-Box-Modellen

In dieser Arbeit wird eine neuartige Methodik zur Zustands- und Parameterschätzungan nicht-analytischen, als Black-Box vorliegenden Multi-Domänen-Modellenvon technischen Systemen vorgestellt sowie alle notwendigen Werkzeuge zur Modelleinbindung,Filtertest und Bewertung der Schätzgüte entwickelt. HerausragendesMerkmal der entwickelten Methodik stellt die vollkommene Unabhängigkeitvon Expertenwissen über das zugrundeliegende Filtermodell und die Filtertechnologiedar. Dies macht die Filterauslegung an Multi-Domänen-Modellenmöglich, die mittels moderner Entwicklungswerkzeuge auf Basis von Bibliothekenoder sogar teil automatisiert erstellt wurden und über die somit keine Informationenüber Zustände, Struktur und Nichtlinearitäten vorliegen.In dieser Arbeit wurden echtzeitfähige Varianten von Sigma-Punkte-Kalman-Filtern erweitert, damit als Black-Box vorliegende Filtermodelle verwendbar werden.Es wurde ein Interface entwickelt, das in der Lage ist, Modelle aus einerVielzahl an Modellierungswerkzeugen zu nutzen. Diese Arbeit liefert einen wesentlichenNeuerungswert, um einen Filter mit hoher Schätzgüte auch bei starknichtlinearen, als Black-Box vorliegenden Systemen ohne Expertenwissen im zugrundeliegendenFiltermodell oder der Filtertechnologie auszulegen, da der Filterentwurfvollständig automatisiert auf Basis von Szenarien erfolgt. Alle erarbeitetenAlgorithmen und Methoden wurden in einer unter MATLAB zur Verfügungstehenden Toolbox zusammengefasst, um so ein Werkzeug für die Zustands- undParameterschätzung an unbekannten, stark nichtlinearen Modellen zur Verfügungzu stellen.The thesis presents a new methodology for state- and parameter estimation withnon-analytical multi-domain models of highly nonlinear technical systems thatexist only in the shape of black-box models and details the development of allnecessary tools. An outstanding characteristic of the methodology is its completeindependence of expert knowledge of the underlying lter model and lter technology.It enables lter design with multi-domain models that were constructedeither by means of modern development tools on the basis of libraries or evenin a partly automated way so there is no information available on their states,structure, and nonlinearities.Variations of Sigma-point Kalman lters to be used in real time were extendedin such a way as to enable use of lter models that exist only in the shape ofblack-box models. An interface was developed that is able to use models made upby any one of many dierent modelling tools. All algorithms and procedures thusdeveloped were gathered in a toolbox available in MATLAB so as to provide a toolfor state- and parameter estimation on unknown and highly nonlinear models.von Dipl.-Ing. Christoph Schweers ; Referent: Prof. Dr.-Ing. habil. Ansgar Trächtler, Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Sören HohmannTag der Verteidigung: 19.12.2016Universität Paderborn, Dissertation, 201