Der Simulator ist in der Lage den kompletten Hubschrauber zu simulieren. Hierfür besteht der Simulator nicht nur aus dem Modell des Flugverhaltens, sondern zusätzlich aus einigen weiteren Komponenten des MARVIN-Systems.

Modell
Das Modell enthält alle beschriebenen Komponenten und basiert im Fall der Rotoren auf dem Ansatz der BEMT. Außerdem enthalten sind Modelle der Aktuatoren, des Motors, und die Bewegungsgleichungen der starren Körper. Die Berechnung der gesamten Simulation mit allen weiteren Komponenten erfolgt auf einem durchschnittlichen Rechner in Echtzeit. Für schnelle Berechnungen ist es außerdem möglich, vereinfachte Modelle auszuwählen, die z.B. nur den Ansatz der BET benutzen. Damit sind die Ergebnisse nicht mehr ganz so aussagekräftig, besonders im Hinblick auf Wind, auf der anderen Seite kann die Simulationsgeschwindigkeit um Größenordungen erhöht werden. Für viele Untersuchungen reichen die so erzielten Ergebnisse aus.

Sensoren
Die Sensoren werden mit ihren individuellen Eigenschaften simuliert:

• Meßfrequenz
  Einige Sensoren liefern nicht in jedem Regelzyklus neue Meßwerte. Das GPS z.B. nur mit 5 bis 10 Hz.
• Meßbereich
  Sensoren können nur innerhalb eines bestimmten Bereichs Werte messen. Liegt der zu messende Wert außerhalb, werden häufig nur noch Maximalwerte gemessen. Solches oder auch anderes Verhalten kann simuliert werden.
• Rauschen
  Das Rauschen der Sensoren kann beliebig simuliert werden. Bisher wurde zwar nur Gaußsches Rauschen implementiert, es ist aber kein Problem, beliebige andere Verteilungen zu simulieren.
• Auflösung
  Besonders bei Sensoren mit digitalen Ausgängen ist die Auflösung als Bitauflösung offensichtlich. Sie ist hauptsächlich vom jeweiligen Datenformat abhängig.
• Datenformat
  Das komplette Datenformat wird simuliert. Im Fall des GPS wird z.B. das serielle Protokoll nachgebildet. Damit kann auch die Auswertungssoftware getestet werden.

Sensorfilter
Die Software zur Auswertung der Sensordaten kombiniert die Meßwerte der einzelnen Sensoren, um ein vollständiges Bild über den Zustand des Hubschraubers zu erhalten. Diese Sensorfusion erfolgt üblicherweise durch ein Kalman-Filter. Bei MARVIN allerdings wird aus mehreren Gründen ein anderer Algorithmus eingesetzt. Mehr Informationen dazu folgen auf einer eigenen Seite.
In den Simulator wird die Original-Software einkompiliert, die auch auf dem Mikrocontroller MARVINs während der Flüge läuft. Durch Benutzung desselben Quelltextes kann die Sensorauswertung komfortabel und gefahrlos in der Simulation getestet werden.

Regler
Auch für den Regler wird der Original-Quelltext verwendet, so daß auch der Regler in der Simulation getestet werden kann. Die Auswirkungen jeder kleinen Änderung am Regler können so analysiert werden, bevor der Hubschrauber in echten Experimenten "riskiert" wird.

Kommunikation
Durch den Original-Regler im Simulator ist auch die Kommunikation mit externer Software wie z.B. der Missionskontrolle der Bodenstation dieselbe wie im echten System. Damit verhält sich der Simulator vollständig wie der echte Hubschrauber. Externe Software ist nicht in der Lage zu unterscheiden, ob sie mit dem Simulator oder dem echten MARVIN zusammenarbeitet. Dies ermöglicht komfortable sogenannte Software-In-The-Loop Tests.

Um die Vorhersagen des Modells in der Simulation zu verifizieren, müssen sie mit realen Meßwerten verglichen werden. Zunächst werden die Resultate der Rotorsimulation separat mit Experimenten verglichen. Hierzu werden im Folgenden Ergebnisse aus Messungen von Montgomery Knight and Ralph A. Hefner verwendet.

Es wurden mehrere Experimente durchgeführt mit Rotoren aus 2, 3, 4 und 5 Blättern mit dem Profil NACA 0015.

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Meßwerte aus diesen Experimenten zusammen mit den (durchgezogenen) Vorhersagen des Modells. Dargestellt ist die gesamte Auftriebskraft des Rotors bei verschiedenen kollektiven Pitch-Winkeln.

Es ist zu erkennen, daß das Modell die Kraft gut vorhersagt, auch wenn es die Effizienz leicht unterschätzt. Die gemessenen Kräfte sind vor allem bei größeren Pitch-Winkeln etwas größer als vorhergesagt. Für eine vollständig theoretische Herleitung des gesamten Modells inklusive aller aerodynamischen Parameter ist die Übereinstimmung allerdings sehr gut.

Besonders gut - nahezu perfekt - gelingt die Berechnung des Luftwiderstands. Die Meßwerte liegen hier fast ausschließlich genau auf den berechneten Kurven. Die kleine Abweichung bei 5 Blättern und kleinen Winkeln ist auf die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Blätter zurückzuführen. Diese ist bei kleinen Auftriebskräften wegen der kleineren induzierten Geschwindigkeiten größer, da Verwirbelungen nicht rechtzeitig vor dem Eintreffen des nachfolgenden Blattes verschwunden sind. Dies trifft natürlich auch auf das obere Bild zu den Kräften zu.

Wichtig für die Untersuchung von Reglern ist natürlich das Gesamtflugverhalten mit geschlossenem Regelkreis. Deshalb folgen ein paar Gegenüberstellungen von Flugexperimenten mit MARVIN und denselben Flügen aus der Simulation.

Der Vergleich eines einfachen Streckenfluges zeigt eine perfekte Übereinstimmung. Zum Zeitpunkt 0 wurde der Flugbefehl an der Regler in MARVIN (bzw. dem simulierten MARVIN) gesendet. Die Strecke von 45 m wird vom Regler mit einer exponentiellen Annäherung zurückgelegt.

Trägt man die Geschwindigkeit über der Zeit auf, so sind erste Abweichungen zwischen Simulation und Realität zu sehen. Aber ein Punkt muß immer bedacht werden: Das Modell kann zwar Einflüsse von Wind korrekt simulieren, aber da der tatsächlich während der Experimente vorhandene Wind nicht bekannt ist, kann er auch in der Simulation nicht reproduziert werden. Daher sind alle Simulationen auf dieser Seite ohne Wind berechnet worden.

Der gezeigte Flug wurde mit einer maximalen Sollgeschwindigkeit von 3 m/s durchgeführt. Bis etwa 13 s nach dem Start ist die exponentielle Annäherung des Geschwindigkeitsreglers an diese Sollgeschwindigkeit zu sehen. Danach wird wieder abgebremst, was der nun aktive Positionsregler wiederum als exponentielle Abnahme der Geschwindigkeit realisiert.

Das der Regler - und damit MARVIN - auch in der lage ist, Kurven zu fliegen, wird durch die nebenstehende Flugfigur demonstriert. Diese "8", die aus zwei aneinandergehängten Kreisen besteht, wurde folgendermaßen geflogen:
MARVIN startete bei dem linken der beiden Linienenden (-5 m Nord, 0 m West). Dann wurde zunächst der untere Kreis, dann der obere und zuletzt nochmals der untere geflogen, bevor MARVIN zum Landepunkt (0 m Nord, 0 m West) flog. Der Gesamte Flug inklusive Start und Landung erfolgte vollständig automatisch.
Die gestrichelte Linie zeigt die Stützpunkte, mit denen die Trajektorie für den Regler definiert wird.

Die Übereinstimmung zwischen Simulation und Flugexperiment ist auch in diesem Flug hervorragend. Außerdem ist die sehr gute Reproduzierbarkeit der Flugtrajektorie im unteren Kreis zu sehen, der zweimal geflogen wurde.