Low Cost 6 Axis Motion Flight Simulator Prototype Design

Abstract

Low cost motion systems are used for flight simulators that are expected to perform operations with high accuracy. These systems have shorter manipulators, small movement capacity and high operating noise. Such effects are unknown to the pilot's perceptions in flight and need to be investigated. With a high quality motion platform approach, the limits of low capacity movement can be removed and its capacity can be increased.
In high security air transport, a pilot's behavior in hazardous weather conditions must be reinforced. The simulators used in the training of pilots should be able to create the reactions of the aircraft in such situations. In this way, pilots can be prepared for such situations. Pilots should be prepared for situations such as wind shear or turbulence, for example. The motion of the plane will become unstable in a very short time. In order to create all these movements, the designed simulator will need powerful dynamic and durable manipulators. In order to develop an advanced control algorithm, it is necessary to consider the limits of the physical structure. The strength of the fixed platform to be used, the number and type of motors to be used are important. Along with the use of motors as manipulator, one side fixed to the floor and the other fixed to the moving mechanism, there are designs with one side fixed to the moving platform and the other side fixed to the moving part of the rotary engine. Motion algorithms and calculations in both systems will change. It is necessary to adapt such physical properties and limits to the algorithm. Therefore, it is necessary to accurately and effectively reflect the dynamic model of the application to the algorithm. The effects of these increased capacities on the perceptions of pilot candidates can be investigated in the later stages of the study.
This study is an example of a 6DOF motion platform design known as the Stewart platform, and studies will be carried out to develop a more effective simulator motion system with manipulators fixed on both sides of a moving point. Its aim is to guide the basic principles of Stewart platform designs, as well as to help build prototypes of these designs cheaply and quickly. A small prototype was protuced by performing kinematic analysis. The first mathematical modeling of this prototype stewart platform was created. Later, suitable materials for this model were selected and the model was adapted to these selected materials. The cheapest price-performance materials in the market were chosen as this study was entirely dependent on a low-budget study. In addition, an interface software was developed for this prototype and the accuracy of the calculations and analysis was checked by providing real flight information.
This study is a preliminary study carried out to produce a more advanced flight simulator. It is supported by the Kocaeli Üniversitesi | BAP Coordination Unit with the project number FYL-2020-2054.

Keywords

• Stewart platform
• flight simulator
• 6DOF motion
• inverse kinematic calculations
• asynchronous system interface

Düşük Maliyetli 6 Eksen Hareketli Uçuş Simülatörü Prototip Tasarımı

Öz

Yüksek doğrulukta işlemleri yapması beklenen uçuş simülatörleri için düşük maliyetli hareket sistemleri kullanılmaktadır. Bu sistemler daha kısa manipülatör, küçük hareket kapasitesi ve yüksek çalışma gürültüsü barındırmaktadır. Bu tarz etkilerin uçuş eğitimi alan pilotun algıları üzerindeki etkileri bilinmemektedir ve araştırılmaları gerekmektedir. Yüksek kalitedeki bir hareket platformu yaklaşımı ile düşük kapasiteli hareketin limitleri kaldırılabilir ve kapasitesi arttırılabilir. Yüksek güvenlikli hava taşımacılığında bir pilotun, tehlikeli hava şartlarındaki davranışlarının güçlendirilmesi gereklidir. Pilotların eğitimlerinde kullanılan simülatörler, bu tarz durumlarda uçağın vereceği tepkileri oluşturabilmelidir. Bu sayede pilotlar bu tarz durumlara karşı hazırlıklı olabilmektedir. Örnek olarak rüzgar kesmesi veya türbülans gibi durumlara karşı pilotlar hazırlıklı olmalıdır. Uçağın hareketi oldukça kısa bir süre içerisinde dengesizleşecektir. Bütün bu hareketleri, tasarlanan simülatörün oluşturabilmesi için güçlü dinamik ve dayanıklı manipülatörlere ihtiyacı olacaktır. Gelişmiş bir kontrol algoritması geliştirebilmek için fiziksel yapının da limitlerini göz önüne almak gerekmektedir. Kullanılacak sabit platformun dayanımı, kullanılacak motorların sayısı ve tipi önemlidir. Manipülatör olarak bir tarafı zemine sabitlenen diğer tarafı hareketli mekanizmaya sabitlenen motorların kullanımlarıyla beraber, bir tarafı hareketli platforma sabitlenerek diğer tarafı döner motorun hareketli kısmına sabitlenen tasarımlar mevcuttur. Her iki sisteminde hareket algoritmaları ve hesaplamaları değişecektir. Bu tarz fiziksel özellikleri ve limitleri algoritmaya uyarlamak gerekmektedir. Dolayısıyla algoritmaya uygulamanın dinamik modelini doğru ve etkili bir şekilde yansıtmak gerekmektedir. Çalışmanın ileriki aşamalarında arttırılan bu kapasitelerin pilot adaylarının duyuları üzerindeki etkileri araştırılabilir. Bu çalışma Stewart platformu olarak bilinen bir 6DOF hareket platformu tasarım örneğidir ve her iki tarafı da hareketli bir noktaya sabitlenmiş manipülatörler ile daha etkili bir simülatör hareket sistemi geliştirmeye yönelik çalışmalar yapılacaktır. Amacı Stewart platform tasarımlarının temel prensiplerine kılavuz olmak ile birlikte bu tasarımların ucuz ve hızlı bir şekilde prototipini oluşturmaya yardımcı olmaktır. Kinematik analizler gerçeklenerek küçük bir prototip üretilmiştir. Üretilen bu prototip stewart platformunun ilk olarak matematiksel modellemesi oluşturulmuştur. Daha sonra bu modele uygun malzemeler seçilmiştir ve model seçilen bu malzemelere uygun hale getirilmiştir. Bu çalışma tamamen düşük bütçeli bir çalışmaya bağlı kaldığı için piyasadaki en ucuz fiyat-performans malzemeleri seçilmiştir. Ayrıca üretilen bu prototip için bir ara yüz yazılımı geliştirilerek gerçek uçuş bilgileri sağlanarak hesaplamaların ve analizlerin doğruluğu kontrol edilmiştir. Bu çalışma daha gelişmiş bir uçuş simülatörü çalışması için gerçekleştirilen bir ön çalışmadır.

Anahtar Kelimeler

• Stewart Platformu
• uçuş simülatörü
• 6DOF hareket
• ters kinematik hesaplamaları
• asenkron sistem arayüzü

Kaynakça

1. D. Stewart, “A platform with six degrees of freedom,” Proc. Inst. Mech. Engr., vol. 180(1), pp. 371–386, 1965.
2. Realization of a Desktop Flight Simulation System for Motion-cueing Studies, Berkay Volkaner, S. Numan Sozen1 and V. Emre Omurlu, DOI: 10.5772/63239
3. Development of a motion simulator for testing a mobile surveillance robot , Journal of Mechanical Science and Technology 23 (2009) 1065-1070
4. Filip Szufnarowski “Stewart platform with fixed rotary actuators: a low cost design study”
5. Transfer of Training from a Full-Flight Simulator Vs. a High-Level Flight-Training Device with a Dynamic Seat, August 2010, DOI: 10.2514/6.2010-8218
6. de Winter, J. C. F., Dodou, D., Mulder, M., 2012. Training effectiveness of whole body flight simulator motion: A comprehensive meta-analysis. The International Journal of Aviation Psychology 22(2), 164–183.
7. Rasmussen, J., 1983. Skills, Rules, and Knowledge; Signals, Signs, and Symbols, and Other Distinctions in Human Performance Models. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics SMC-13(3), 257–266.
8. Mulder, M., van Paassen, M. M., Boer, E. R., 2004. Exploring the Roles of Information in the Control of Vehicular Locomotion: From Kinematics and Dynamics to Cybernetics. Presence: Teleoperators and Virtual Environments 13(5), 535–548.

9. Stapleford, R. L., Peters, R. A., Alex, F. R., 1969. Experiments and a Model for Pilot Dynamics with Visual and Motion Inputs. Tech. Rep. NASA CR-1325, NASA.
10. Zaal, P. M. T., Pool, D. M., Chu, Q. P., van Paassen, M. M., Mulder, M., Mulder, J. A., 2009a. Modeling Human Multimodal Perception and Control Using Genetic Maximum Likelihood Estimation. Journal of Guidance, Control, and Dynamics 32(4), 1089–1099.
11. Application of H1 Theory to a 6 DOF Flight Simulator Motion Base, Mauricio Becerra-Vargas and Eduardo Morgado Belo, University of Sao Paulo – EESC, Department of Aeronautical Engineering
12. Salcudean, S., P. Drexel, D. Ben-Dov, A. Taylor, and P. Lawrence (1994). A six degree-of-freedom, hydraulic, one person motion simulator. In Proceedings of the 1994 IEEE International Conference on Robotics and Automation, San Diego-CA, pp. 2437-2443. IEEE.
13. Graf, R., R. Vierling, and R. Dillman (1998). A exible controller for a Stewart platform. In Proceedings of the 1998 Second International Conference on Knowledge-Based Intelligent Electronic Systems, Adelaide-SAAustralia, pp. 52-59. IEEE.
14. Sciavicco, L. and B. Siciliano (2005). Modeling and Control of Robot Manipulators (2 ed.). Londres: Springer-Verlag. An Introduction to Mathematical Modelling, Glenn Marion, Bioinformatics and Statistics Scotland Given 2008 by Daniel Lawson and Glenn Marion
15. Equations of Motion of a Spin-Stabilized Projectile for Flight Stability Testing; Journal of Theoretical and Applied Mechanics 51, 1, pp. 235-246, Warsaw 2013
16. https://memememememememe.me/post/stewart-platform-math/ [Erişim Tarihi: 11-Ağustos-2020]
17. Geometry of the 3D Pythagoras’ Theorem, Journal of Mathematics Research; Vol. 8, No. 6; December 2016 ISSN 1916-9795 E-ISSN 1916-9809
18. http://thetrig.blogspot.com/2011/11/m-sin-x-n-cos-x.html [Erişim Tarihi: 11-Ağustos-2020]
19. http://www.ee.ic.ac.uk/pcheung/teaching/DE1_EE/stores/sg90_datasheet.pdf [Erişim Tarihi: 12-Ağustos-2020]