Archer Aviation Midnight™ beschleunigt mit Hilfe von NI

Erstellen einer Simulationsplattform für eVTOL-integrierte Testlabore

Zweck

Das Team von Archer entwickelt Innovationen in Schlüsselbereichen der Technologien, die die Entwicklung kommerziell nutzbarer elektrisch senkrecht startender und landender (eVTOL) Luftfahrzeuge ermöglichen. Wir bauen ein proprietäres elektrisches Antriebssystem, das eine lange Lebensdauer mit deutlich höherer Leistungsdichte und Effizienz hat als das, was heute auf dem Markt ist. Das Antriebssystem wird von Zellen aus der Massenproduktion mit Energie versorgt, die sowohl auf Zellen- als auch auf Packebene mit höchsten Sicherheitsstandards entwickelt wurden.

Um all diese Designspezifikationen zu erfüllen, muss unser Team für integrierte Tests Lösungen bereitstellen, die den Entwicklungsteams alle Einblicke bieten, die sie benötigen, um die Hardware und Software von Luftfahrzeugsystemen schnell zu iterieren und zu verbessern. Darüber hinaus muss die Testlösung Simulationsumgebungen für Luftfahrzeugsysteme bereitstellen, die realen Schnittstellen entsprechen und mehrstufige Tests von der Ebene einzelner Systeme bis zur Ebene des vollständig integrierten Luftfahrzeugs unterstützen.

Das Idealziel ist immer, dass die endgültige Testlösung alle Testanforderungen erfüllt und gleichzeitig geringere Investitions- und Betriebskosten als seine Alternativen hat. Was kein Testteam in der Luft- und Raumfahrt opfern kann, sind maximale Zuverlässigkeitsgarantie und Sicherheit für die Luftfahrzeugpiloten und Passagiere.

Allgemeine Anforderungen und Einschränkungen

Jedes Steuerungssystem und seine Komponenten werden von Teams in mehreren Laboren entworfen und gebaut. Diese Teams legen Testparameter und Leistungserwartungen fest, die vom integrierten Testteam validiert werden müssen. Daher müssen jede einzelne Komponente und jedes einzelne Subsystem sowohl für sich als auch als Teil des integrierten Luftfahrzeugs simuliert und getestet werden können.

In unserem Fall waren einige der einzelnen Komponententester bereits erstellt, und einige der Vorrichtungen und Kabel waren auch bereits in der Anlage eingebaut und mussten mit der von uns gewählten Lösung arbeiten. Aber die Testlösung für das vollständig integrierte Luftfahrzeug musste entworfen, gebaut und innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens eingesetzt werden, um unsere Entwicklungsmeilensteine zu erreichen.

Die größte Einschränkung bei der Lieferung dieser Systeme war die Anzahl der für das Entwerfen, Erstellen und Bereitstellen der Lösung benötigten Arbeitsstunden unsere Kapazitäten überschritt.

Simulationsanforderungen

Die Testsysteme mussten alle diese Anforderungen erfüllen:

• Integration der Luftfahrzeugsystemmodelle sowie der Umgebungsmodelle zur Simulation von Flugbedingungen.
• Überwachung der elektrischen Signale und Kommunikationsbusse im gesamten Luftfahrzeug.
• Gezielter Einbau von Fehlern in die einzelnen Systeme und in das vollständig integrierte Luftfahrzeug, um Ausfälle, Kurzschlüsse und mehr zu simulieren.
• Unterstützung des Wechsels zwischen realen LRUs und Subsystemen-in-the-Loop sowie emulierten LRUs und Subsystemen. 

Auswahl der Simulationshardwareplattform

Bei der Entscheidung für die richtige Testhardware für unsere Lösung wurden einige Schlüsselfaktoren berücksichtigt:

• Verkürzte Vorlaufzeiten
• Kostensenkung
• Vertrautheit
• Plattformarchitektur

Die eVTOL-Branche ist neu und wächst, und wir stehen als Start-up in dieser neuen Kategorie vor vielen Herausforderungen. Wir verfügen nicht über das gleiche Ausmaß an Zeit und finanziellen Ressourcen, das einigen anderen etablierten Luftfahrtunternehmen zur Verfügung steht. Einer der Gründe, warum wir uns für NI entschieden haben, war, dass sie uns geholfen haben, unsere Ressourcen zu maximieren, indem sie uns ermöglichten, Hardware mit viel kürzeren Vorlaufzeiten als bei anderen Anbietern und durch Mengenrabatte zu relativ niedrigeren Kosten zu erwerben. Die Kapitalkosten waren bei der NI-Lösung im Vergleich zur besten Alternative rund 30 Prozent niedriger. Darüber hinaus half uns die Vertrautheit mit den Tools von NI dabei, uns bei dieser Wahl wohler zu fühlen. So konnten wir das System effizienter an unsere Bedürfnisse anpassen.

Die SLSC-Plattform von NI entspricht unseren Anforderungen, da wir – ähnlich wie bei PXI – eine Vielzahl verschiedener Module nutzen konnten, um Systeme schneller zu integrieren und in Betrieb zu nehmen, ohne dabei auf die Anpassungsfähigkeit zu verzichten, die wir benötigen. Wir haben SLSC-Module für Routing und Fehlerverursachung, digitale (diskrete) Ausgangssimulation, Umschalten zwischen Realität und Simulation und Differenzialtransformator(VDT)-Emulation verwendet. Die für NI-LRU-Testsysteme verfügbaren Breakout-Panels waren ebenfalls eine wichtige Komponente in unseren Systemen. Sie ermöglichten es uns, jedes Subsystem zu überwachen, zu simulieren und mit diesem zu verbinden sowie Fehlersignale einzufügen, die das System sonst nicht erzeugen konnte. Zusätzlich haben wir die Breakout-Panels zur Selbstkalibrierung von Systemkomponenten verwendet.

Software und verteilte Simulationsarchitektur

Unsere Ziele mit Simulations- und Testsystemsoftware waren:

• Signale zwischen LRUs überwachen
• Fehlersignale in LRUs einfügen
• LRUs von Luftfahrzeugen teilweise oder vollständig simulieren
• Daten durch Instrumentierung erfassen

Wenn es darum geht, die Flugbereitschaft eines Luftfahrzeugs nachzuweisen, gilt ein hoher Standard und unsere Testziele spiegelten dies wider. Über das Equipment hinaus hat NI auch die notwendige technische Unterstützung bereitgestellt, um unsere Ziele zu erreichen. Wir konnten uns für einfachstes und kompliziertestes technisches Know-how an sie wenden. Beispiele dafür waren Fragen zu Treibern bis in zu Fragen bezüglich Eingaben auf der Benutzeroberfläche – wir haben zu allem eine Antwort erhalten.

Für die verteilte Simulationsarchitektur haben wir The MathWorks, Inc. verwendet. Simulink®-Software wurde zur Erzeugung benutzerdefinierter Modelle eingesetzt und NI VeriStand™ zur Integration dieser Modelle und Beschleunigung der Embedded-Softwaretests. VeriStand stellte eine Benutzeroberfläche zur Verfügung, um die Konfiguration der I/O-Kanäle, die Datenprotokollierung und die Erzeugung der Stimuli zu vereinfachen. Damit konnten wir dann die Datenprotokollierung und die Testsequenzen automatisieren. Nachdem wir die benutzerdefinierten Gerätemodelle aus Simulink in VeriStand importiert hatten, konnten wir Systemsimulationen, Regler für Regelschleifen und Signalanalysealgorithmen in Echtzeit ausführen.

Mit Hilfe der VeriStand-Engine konnten wir an unseren benutzerdefinierten Modellen Testsequenzen für die verschiedenen Bedingungen in Form von NI LabVIEW-Code ausführen. Die VeriStand-Engine ist für Echtzeit konzipiert. Das heißt, sie wird unabhängig von der Benutzeroberfläche ausgeführt, um den Determinismus des Systems sicherzustellen. Beim Flug eines Luftfahrzeugs zählt jede Sekunde in der Luft, weshalb Determinismus für uns so wichtig ist. Das Timing der Bordbetriebssysteme muss mit einer gewissen Fehlerspanne gewährleistet sein, die wir für eine maximale Zuverlässigkeit immer erwarten können.

Der Flug durch eine simulierte Umgebung erforderte ein hochentwickeltes Datenaustausch-Framework mit ausgeklügelter Zeitsynchronisation zwischen dem Luftfahrzeug und den Testsystemen, um der realen Umgebung so nah wie möglich zu kommen. Wir haben das IRIG-B-Zeitsynchronisationsprotokoll verwendet, um das benötigte enge Timing zu erreichen, sowie RDMA-Hardware mit dem Datenaustausch-Framework und dem RDMA-Plug-in von NI, um im gesamten System die Daten in Echtzeit auszutauschen.

Ergebnisse

Mit Hilfe der NI-Technologie und dem Know-how der NI-Mitarbeiter haben wir erfolgreich drei vollständig integrierte Labore, sechs HIL-Prüfstände und mehrere mechanische Prüfstände aufgebaut. Außerdem lieferten wir innerhalb von drei Monaten Testartikel für den Betrieb und erreichten alle im Programm festgelegten frühen Meilensteine. Bei Archer setzen wir uns ehrgeizige Ziele, treffen datenbasierte Entscheidungen, nehmen uns selbst und andere in die Pflicht und verpflichten uns zu unnachgiebiger Umsetzung. Es ist uns wichtig, einen Partner zu haben, der unsere Prioritäten und unseren Ehrgeiz teilt. Der von uns gewählte modulare Ansatz, der auf der Referenzarchitektur für LRU-Testsysteme basiert, ermöglichte es uns, beim Testen unserer Luftfahrzeugsysteme schneller und flexibler zu sein. Die modularen Testsysteme von NI und die Flexibilität ihrer Software ermöglichen es unseren Ingenieuren, die Integration ihrer Systeme fortzusetzen und sie weiter zu vervollkommnen, da sich die Anforderungen zwangsläufig ändern.

^{Simulink® ist eine eingetragene Marke von The MathWorks, Inc.}