Maastoajoneuvon käyttöliittymän reaaliaikasimulaattori

Työn tavoitteena oli kehittää ja toteuttaa reaaliaikasimulaattori maastoajoneuvon käyttöliittymälle, jota ajoneuvon kuljettajakäyttää ajon aikana. Simulaattori oli tarkoitettu ensisijaisesti käyttöliittymän testaukseen, mutta sen pitää olla helposti laajennettavissa esimerkiksi koulutuskäyttöön. Mallinnustyökaluina oli tarkoitus käyttääpääsääntöisesti markkinoilta saatavia valmiita ohjelmistoja. Simulaattorin toteutuksessa käytettiin myös manuaalista ohjelmointia, koska valituilla ohjelmistoilla ei suoraan voinut saavuttaa reaaliaikaista visualisointia. Käsin kirjoitetut koodit hoitavat valmiilla ohjelmistoilla tehtyjen osien välisen tiedonsiirron. Varsinainen mallintaminen oli valituilla ohjelmistoilla helppoa ja nopeaa. Työn tuloksena saatiintoteutettua simulaattori, jonka vaikutelma oli reaaliaikainen. Käytettävyystestit onnistuivat hyvin simulaattorin avulla. Simulointimallin modulaarisuuden ansiosta mallia on helppo päivittää. Simulaattorin jatkokehityksessä oleelliset seikat ovat visualisoinnin parantaminen ja todellista ajoneuvoa vastaavan dynamiikan lisääminen.

Vesivoiman ajosuunnittelu

Diplomityön tavoitteena oli tutkia UPM-Kymmene Oyj:n keskusvalvomossa tapahtuvaa vesivoiman ajosuunnittelua. Pääkohdat tarkastelussa olivat vesistöjen säännöstely, erilaiset vesivuodet ja sähkömarkkinatilanteet. Vesivoiman ajosuunnittelua tarkasteltiin pääasiassa erilaisten vesivuosien ja sähkömarkkinatilanteiden näkökulmasta. Lähtötietoina käytettiin Suomen ympäristökeskuksen vesistömallijärjestelmän ja UPM-Kymmene Oyj:n energianhallintajärjestelmän numeerisia historia-arvoja. Työssäselvitettiin UPM-Kymmene Oyj:n vesivarannoista hyödynnettävissä olevat energiamäärät. Energiamäärien avulla määritettiin skenaario UPM-Kymmene Oyj:n vesivoimantuotannon vaihtelusta. Lisäksi tarkasteltiin vesivoimaa sähkötaseen säätövoimana. Teoreettisessa osassa perehdyttiin Suomen sähköntuotantorakenteeseen, vesivoiman asemaan sähköntuotannossa ja vesivoiman ohjausmekanismeihin. Lisäksi tarkasteltiin UPM-Kymmene Oyj:n sähkön käyttöä ja vesivarantoja. Soveltavassa osassa tarkasteltiin, miten vesivoiman ohjausmekanismit toimivat käytännössä. Lisäksi analysoitiin sähkömarkkinatilanteiden vaikutuksia ja vesivoimalaitosten ajon tehostamismahdollisuuksia. Työn tuloksena laadittiin ennuste-simulaattori, jolla voidaan optimoida vesivoimanja lauhdevoiman ajoa. Tulevaisuudessa simulaattorin avulla voidaan ennustaa poikkeuksellisia sähkömarkkinatilanteita.

Subsystem Testing of Message Guided State Machines Using a Simulator Framework

Simulaattorit ovat yksinkertaistettuja malleja tietyistä järjestelmän osioista. Niitä käytetään mallintamaan testattavan osion ympärillä olevien muiden osioiden ulkoista toimintaa, jotta testattavalle osiolle saadaan oikeanlainen toimintaympäristö aikaiseksi. Tilakoneita käytetään mallintamaan ohjelmistojen tai niiden osien toimintaa. Sanomaohjatuissa tilakoneissa tilojen vaihdot perustuvat saapuviin sanomiin. Tässä työssä esitellään erään ohjelmiston alijärjestelmän testaamisessa käytettävä arkkitehtuuri, joka perustuu suurelta osin simulaattoreiden käyttöön muiden alijärjestelmien mallintamisessa. Testattava ohjelmisto koostuu enimmäkseen tilakoneista, jotka vaihtavat keskenään sanomia ja ohjaavat näin toistensa tilasiirtymiä. Työn testausympäristö on suunniteltu juuri tämänkaltaisen ohjelmiston testaamiseen. Työssä esiteltävää testausympäristöä myöskin käytettiin useamman kuukauden ajan ja se todettiin toimivaksi. Joitakin testausympäristön käyttöohjeita, käyttökokemuksia sekä siihen liittyviä parannusehdotuksia käydään läpi työn loppuosassa. Erityisesti havaittiin miten tärkeää on testata implementaatiota jo luokka tasolla ennen alijärjestelmä tason testaukseen siirtymistä sekä päädyttiin siihen, että suunnitteluvaiheen pitäisi olla lähemmin liitoksissa alijärjestelmätestaukseen.

Liikealustan suunnittelu liikkuvan työkoneen simulaattoriin

Työssä suunniteltiin liikealusta liikkuvan työkoneen koulutussimulaattoriin. Suunnittelu aloitettiin mittaamalla lastauskoneen dynaamisia ominaisuuksia. Mittausdatan ja koneen toiminnan analysoinnin perusteella valittiin liikealustan perusrakenne. Toimilaitteiden mitoitus tapahtui simulointimallin avulla, jossa käytettiin mitattuja kiihtyvyyksiä, signaalin suodatusta, käänteiskinematiikkaa ja käänteisdynamiikkaa. Simulointimallia käytettiin myös mekaanisen rakenteen mitoituksessa. Lisäksi visualisoinnin ja ohjauksen toteutusta tutkittiin. Työn tavoitteena oli kehittää mahdollisimman realistisen liiketuntuman toteuttava ja kustannustehokas liikealusta. Lisäksi pyrittiin matalaan ja helposti siirrettävissä olevaan rakenteeseen. Liikealustan liikkeet pyrittiin toteuttamaan sähkökäytöillä. Suunnittelun tuloksena saatiin kolmen vapausasteen liikealusta, joka on toteutettu servomoottoreilla. Työssä suunnitellusta liikealustasta on tarkoitus rakentaa fyysinen prototyyppi ja liittää se lastauskoneen reaaliaikasimulaattoriin.

Integration of Real-Time Simulator, Motion Platform and Haptics

This thesis describes the process of the integration of a real-time simulator environment with a motion platform and a haptic device as a part of the Kvalive project. Several programs running on two computers were made to control the different devices of the environment. User tests were made to obtain information of needed improvements to make the simulator more realistic. Also new ideas for improving the simulator and directions of further research were obtained with the help of this research.

Ratsastussimulaattorin jatkokehitys

Työssä tehtiin jatkokehitystyötä jo olemassa olevaan ratsastussimulaattoriin. Kehitystyö aloitettiin selvittämällä ratsastuksen liiketila, mittaamalla ratsastukseen aikana ratsastajaan kohdistuvat dynaamiset suureet 6 vapausasteen suhteen. Mitatut signaalit käsiteltiin transformaation ja suodatuksen avulla. Käsiteltyjä signaaleja käytettiin simulaattorin liikealustan asemaohjesignaaleina. Liikealustaan päälle kiinnitettyyn hevosenrunkoon muodostettiin antureiden avulla interaktiivinen rajapinta, joka mahdollisti simulaattorin ohjastamisen pohje- ja ohja-avuin. Jatkokehitetty simulaattori toistaa käynti-, ravi- ja laukka-askellajit tunnistettavasti. Simulaattori kuvaa ratsastuksen nopeuden muutosta vaihtamalla askellajia ja muuntamalla portaattomasti askelluksen taajuutta sekä amplitudia.

Autosimulaattoripeleihin soveltuvan kaksiakselisen liikealustan kehittäminen

Työssä kehitettiin kohtuuhintainen ja suorituskyvyltään riittävä autosimulaattoripelikäyttöön soveltuva liikealusta. Työssä tutustuttiin aluksi markkinoilla oleviin liikealustaratkaisuihin. Työssä selvitettiin myös liikealustaa koskevia turvallisuusmääräyksiä. Kehittäminen alkoi liikealustan vaatimusten määrittelyllä ja kuormituksien simuloinnilla. Runkorakenteet mitoitettiin kestämään simuloituja rasituksia. Liikealustan toimilaitteet valittiin simulointitulosten perusteella. Työssä suunniteltiin myös liikealustan ohjausjärjestelmä. Mekaanisien osien ja voimansiirron mitoittamisen jälkeen suoritettiin osien yksityiskohtainen suunnittelu. Alihankkijat valmistivat osat ja ne koottiin Älykkäiden koneiden laboratoriossa. Järjestelmän kokoamisen jälkeen viritettiin säätäjät ja testattiin liikealustan toimivuutta. Kehitettyä liikealustaa on käytetty muutamissa tapahtumissa. Asetetut tavoitteet saavutettiin ja liikealusta soveltuu kokemuksien perusteella hyvin rata-autosimulaattoripelien kanssa käytettäväksi.

Simulating the performance of paper machine control

The topic of this thesis is the simulation of a combination of several control and data assimilation methods, meant to be used for controlling the quality of paper in a paper machine. Paper making is a very complex process and the information obtained from the web is sparse. A paper web scanner can only measure a zig zag path on the web. An assimilation method is needed to process estimates for Machine Direction (MD) and Cross Direction (CD) profiles of the web. Quality control is based on these measurements. There is an increasing need for intelligent methods to assist in data assimilation. The target of this thesis is to study how such intelligent assimilation methods are affecting paper web quality. This work is based on a paper web simulator, which has been developed in the TEKES funded MASI NoTes project. The simulator is a valuable tool in comparing different assimilation methods. The thesis contains the comparison of four different assimilation methods. These data assimilation methods are a first order Bayesian model estimator, an ARMA model based on a higher order Bayesian estimator, a Fourier transform based Kalman filter estimator and a simple block estimator. The last one can be considered to be close to current operational methods. From these methods Bayesian, ARMA and Kalman all seem to have advantages over the commercial one. The Kalman and ARMA estimators seems to be best in overall performance.

Kestomagneettitahtikoneen emulointi digitaalisella signaaliprosessorilla

Sähkökäytön suunnittelussa säätöä voidaan testata useassa tapauksessa reaaliaikasimulaattorilla todellisen laitteiston sijaan. Monet reaaliaikasimulaatioiden perustana käytetyt algoritmit soveltuvat täysinohjatulle invertterisillalle. Eräissä sovelluksissa halutaan kuitenkin käyttää puoliksiohjattua siltaa. Puoliksiohjattulla sillalla mallin kausaalisuus voi kääntyä, mitä perinteiset reaaliaikasimulaattorit eivät pysty simuloimaan Tässä työssä oli tavoitteena kehittää reaaliaikasimulaattori puoliksiohjatulle kestomagneettitahtikonekäytölle. Emulaattoriin mallinnettiin todellisen käytön kestomagneettitahtikone ja invertterisilta. Simulaattori toteutettiin digitaaliselle signaaliprosessorille (DSP) ja mittauksiin liittyvät oheislaitteet mallinnettiin FPGA-piirille. Emulaattoriin liitettiin erillinen säätäjä, jota käytettiin myös todellisen sähkökäytön säätämiseen. Emulaattorilla ja todellisella käytöllä tehtyjä mittauksia verrattiin ja emuloimalla saadut tulokset vastasivat melko hyvin todellisesta käytöstä mitattuja.

Vinka-simulaattorin käyttö osana alkeislentokoulutusta

Simulaattoreita käytetään erilaisten asioiden harjoitteluun useilla aloilla, joissa varsinaisen laitteen käyttäminen on kallista tai sisältää riskitekijöitä. Simulaation hyödyntäminen harjoittelun tukena on yleistä etenkin lentokoulutuksessa. Ilmavoimissa simulaattoreita hyödynnetään koulutuksen tukena lähes jokaisen konetyypin yhteydessä. Alkeiskoulukone Vinkan simulaattorit uudistettiin vuonna 2009 vastaamaan Ilmavoimien vaatimuksia alkeislentokoulutuksen osalta. Alkeislentosimulaattorin tulee mahdollistaa laaja-alainen perussekä mittarilentämisen harjoittelu. Tämän tutkielman tavoitteena on selvittää, miten uusi simulaattori ja sen ympärille luotu lentokoulutusohjelma toimivat käytännössä. Tutkielman teoreettinen viitekehys rakentuu alkeislentokoulutuksessa käytettävän Vinkasimulaattorin ympärille. Simulaattoria tarkastellaan Ilmavoimien vaatimusten, Vinkasimulaattoria käyttävien lennonopettajien käyttäjäkokemusten sekä simulaattorikoulutusta käsittelevien teoriapohjaisten mallien valossa. Ilmavoimien vaatimukset alkeislentosimulaattorin osalta koostettiin lentokoulutusohjelmista, aiemmista tutkimuksista sekä koulutusta suunnittelevilta lennonopettajilta. Käyttäjäkokemukset kerättiin haastattelemalla neljää alkeislentokoulutuksen parissa työskentelevää lennonopettajaa. Teoriapohjaiset mallit muodostettiin simulaattorikoulutusta käsittelevistä tutkimuksista sekä kirjallisuudesta aineistopohjaisen sisällönanalyysin avulla. Tutkielma noudattaa laadullisen tutkimuksen periaatteita, koska ne soveltuvat hyvin kokonaisvaltaisen kuvan luomiseen tutkittavasta ilmiöstä. Haastattelujen perusteella lennonopettajat ovat pääsääntöisesti tyytyväisiä simulaattoriin ja sen katsotaan soveltuvan alkeislentokoulutuksen tarpeisiin. Suurimmat erot simulaattorin ja oikean koneen välille syntyvät simulaattorin avonaisesta ohjaamoratkaisusta, visuaalijärjestelmästä sekä ohjaintunnosta. Simulaattorikoulutus on suunniteltu tiiviiksi kokonaisuudeksi muun lentokoulutuksen yhteyteen ja simulaattoriharjoitukset vastaavat sisällöiltään pitkälti varsinaisia lentoja. Tutkimustulosten perusteella alkeislentokou lutuksen osana käytettävä simulaattorikoulutus vastaa sille asetettuja vaatimuksia. Simulaattori on rakenteelliselta toteutukseltaan low cost - mallin mukainen ja mahdollistaa laaja-alaisen perus- sekä mittarilentämisen harjoittelun. Simulaattorin käyttö on suunniteltu tiiviiksi osaksi alkeislentokoulutusta. Simulaattorilennot on kuvattu lentokoulutusohjelmiin tarkasti, mutta sisällön päivitystahti voisi olla nykyistä nopeampi. Simulaattorilentojen määrää voisi lisätä kuitenkaan karsimatta oikealla koneella lennettäviä lentoja. Nykyiset simulaattoreille varatut tilat soveltuvat käyttöön melko hyvin, vaikka ne ovat osoittautuneet hieman ahtaiksi. Ohjaussauvan keinotunto ei vastaa oikeaa konetta. Se soveltuu kuitenkin nykytilassaankin lentokoulutusohjelmissa kuvattujen asioiden harjoitteluun.

Simulointi- ja ohjausjärjestelmän kehitys siltanosturiavusteiseen automaattivarastoon

Diplomityö tehtiin Konecranes Oyj:lle, joka on nostureita valmistava ja niille kunnossapitopalveluita tarjoava suomalainen pörssiyhtiö. Työn kuluessa suunniteltiin ja toteutettiin siltanosturiavusteisiin automaattivarastoihin soveltuva simulointiohjelmisto ja varastonohjausjärjestelmä. Työssä keskityttiin pääsääntöisesti paperirullavarastoihin, mutta suunnitteluvaiheessa otettiin huomioon myös muut Konecranesin tarjontaan kuuluvat automaattivarastotyypit kuten vaakarulla ja kontti. Simulointiohjelmistolla mallinnetaan automaattivarastossa tapahtuvia liikkeitä. Käyttäjä pystyy näkemään nostureiden ja muiden varastossa olevien komponenttien liikkeet 3D- muotoisena simulaattorin käyttöliittymästä. Simulaattorin tavoitteena on helpottaa automaattivaraston suunnittelua ja nopeuttaa sen käyttöönottoa, sekä toimia myös vakuuttavana myyntityökaluna asiakaskontakteissa. Varastonohjausjärjestelmä tekee päätökset varaston tapahtumista ja ohjaa mm. nostureiden toimintaa. Diplomityön päämääränä oli perehtyä tarkasti nykyisen varastonohjausjärjestelmän toimintaan, kehittää uusi ratkaisumalli puutteiden sekä toiveiden perusteella ja lopulta osoittaa ratkaisumallin toimivuus ohjelmoimalla esittelyversio simulaattorista ja varastonohjausjärjestelmästä. Samaa varastonohjausjärjestelmää on määrä käyttää simulaattorissa ja tulevaisuudessa todellisen varaston ohjaamisessa. Asetetuista vaatimuksista johtuen järjestelmästä suunniteltiin mahdollisimman mukautuva. Työn lopputuloksena saatiin perusominaisuudet kattava 3D-simulaattori ja siihen liitetty varastonohjausjärjestelmä. Toteutuksen avulla oli mahdollista osoittaa ratkaisumallin toimivuus sekä esitellä ideaa laajamittaisemmin. Diplomityön kuluessa saatiin nykyisestä järjestelmästä kattavat tiedot ja pystyttiin määräämään suunta, kuinka kehitystyötä jatketaan.