NI acelera el Archer Aviation Midnight™

Construir una plataforma de simulación para laboratorios de pruebas integradas eVTOL

Objetivo

El equipo de Archer está innovando en áreas clave de las tecnologías que permiten la comercialización de aeronaves eléctricos de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL). Estamos construyendo un sistema de transmisión eléctrica patentado que mantiene una larga vida útil con una potencia significativamente más densa y una mayor eficiencia que lo que hay en el mercado hoy en día y también mantiene una larga vida útil. El sistema de transmisión estará alimentado por células de producción en masa existentes que están diseñadas teniendo en cuenta los más altos estándares de seguridad tanto a nivel de célula como de paquete.

Cumplir con todas esas especificaciones de diseño requiere que nuestro equipo de pruebas integrado ofrezca soluciones que proporcionen a los equipos de desarrollo de aeronaves todos los conocimientos que necesitan para iterar rápidamente y mejorar el hardware y el software del sistema de aeronaves. Además, la solución de ensayo debe proporcionar entornos de simulación para sistemas de aeronaves equivalentes a interfaces reales de aeronaves que se van a ensayar y soportar múltiples fases de ensayo desde el nivel de sistema individual hasta el nivel de aeronave totalmente integrado.

Siempre es ideal que la solución de prueba final cumpla con todos los requisitos, además de tener menores costos de capital y operativos que las otras alternativas. Lo único que ningún equipo de pruebas en el sector aeroespacial puede sacrificar es la máxima garantía de fiabilidad y seguridad para los pilotos y pasajeros de las aeronaves.

Requisitos y limitaciones generales

Cada sistema de control y sus componentes están siendo diseñados y construidos por equipos en múltiples laboratorios. Estos equipos establecen parámetros de pruebas y expectativas de rendimiento que deben ser validadas por el equipo de pruebas integradas. Como tal, cada componente y subsistema individual debe poder simularse y probarse por sí mismo, así como parte de la aeronave integrada.

En nuestro caso, algunos de los probadores de componentes individuales ya se habían creado, y algunos de los accesorios y cables también ya estaban incorporados en la instalación y tenían que trabajar con la solución que elegimos. Pero la solución de prueba para la aeronave totalmente integrada tuvo que diseñarse, construirse e implementarse en un plazo establecido para cumplir con nuestras metas de desarrollo.

La mayor limitación que enfrentamos para entregar estos sistemas fue el número de horas humanas necesarias para diseñar, construir e implementar la solución en comparación con lo que teníamos disponible.

Requisitos de la simulación

Los sistemas de pruebas debían cumplir todos estos requisitos:

• Integrar modelos de sistemas de aeronaves, así como modelos ambientales utilizados para simular las condiciones de vuelo.
• Monitorear las señales eléctricas y los buses de comunicación en todo la aeronave.
• Inyectar fallas en los sistemas individuales y aeronaves completamente integradas para simular fallas, cortocircuitos y más.
• Soportar la conmutación entre LRU reales y subsistemas en el ciclo, así como LRU y subsistemas emulados. 

Selección de la plataforma de hardware de simulación

Algunos factores clave afluyeron en nuestra decisión para el hardware de pruebas adecuado para nuestra solución:

• Acortar plazos de entrega
• Reducir el costo
• Familiaridad
• Arquitectura de la plataforma

La industria eVTOL es nueva y está creciendo, y nos enfrentamos a muchos desafíos como una start-up en esa nueva categoría. No tenemos el lujo de tiempo y recursos financieros que algunas otras compañías de aviación ya establecidas puedan tener. Una de las razones por las que elegimos NI fue que nos ayudaron a maximizar nuestros recursos al permitirnos adquirir hardware a plazos de entrega mucho más bajos que otros proveedores y a costos relativamente más bajos a través de descuentos por volumen. La solución de NI fue aproximadamente un 30% menor costo de capital en comparación con la mejor alternativa. Además, nuestra familiaridad con las herramientas de NI nos ayudó a sentirnos más cómodos con esta opción y nos permitió personalizar el sistema para nuestras necesidades de manera más eficiente.

La plataforma NI SLSC se ajusta a nuestros requisitos porque, al igual que PXI, nos permitió utilizar una variedad de módulos para integrar y poner en marcha los sistemas más pronto, manteniendo la personalización que necesitamos. Utilizamos módulos SLSC para realizar enrutamiento y fallas, simulación de salida digital (discreta), conmutación real/simulada y emulación de transformador diferencial variable (VDT). Los paneles de separación disponibles para los sistemas de pruebas NI LRU también fueron un componente importante en nuestros sistemas. Nos permitieron monitorear, simular e interactuar con cualquier subsistema de interés, así como insertar señales de falla que el sistema era incapaz de producir. Además, utilizamos los paneles de separación para realizar la auto-calibración de los componentes del sistema.

Software y arquitectura de simulación distribuida

Nuestros objetivos con el software del sistema de simulación y prueba eran alcanzar las siguientes metas:

• Monitorear señales entre las LRUs
• Inyectar señales de falla a las LRUs
• Simular parcial o totalmente las LRU de aeronaves
• Adquirir datos mediante instrumentación

Existe un alto estándar cuando se trata de aprobar una aeronave para volar, y nuestros objetivos de pruebas lo reflejaron. Más allá del equipo, NI proporcionó el soporte técnico necesario para ayudarnos a lograr nuestros objetivos. Pudimos recurrir a ellos sobre una variedad de conocimientos técnicos de bajo a alto nivel; por ejemplo preguntas sobre controladores de software y cómo introducirlos en la interfaz de usuario.

Para la arquitectura de simulación distribuida, utilizamos el software The MathWorks, Inc. Simulink® para generar modelos personalizados y NI VeriStand™ para integrar esos modelos y acelerar las pruebas de software integrado. VeriStand proporcionó una interfaz de usuario para simplificar la configuración del canal de E/S, el registro de datos y la generación de estímulos, y con ella pudimos automatizar el registro de datos y las secuencias de las pruebas. Una vez que importamos los modelos de dispositivos personalizados de Simulink a VeriStand, pudimos realizar la ejecución en tiempo real de simulaciones de sistemas, controladores de ciclo cerrado y algoritmos de análisis de señales.

Usando el motor VeriStand, pudimos ejecutar secuencias de pruebas en nuestros modelos personalizados, para las diferentes condiciones, ejecutando el código NI LabVIEW. El motor VeriStand está diseñado para ser en tiempo real, lo que significa que se ejecuta independientemente de la interfaz de usuario para garantizar el determinismo del sistema. Cuando una aeronave está en vuelo, cada segundo en el aire cuenta, por eso el determinismo es tan importante para nosotros. El tiempo de los sistemas operativos en vuelo debe garantizarse con un cierto margen de error que siempre podemos anticipar para obtener la máxima fiabilidad.

Volar la aeronave a través de un entorno simulado requería un sofisticado framework de intercambio de datos y sincronización de tiempo entre la aeronave y los sistemas de pruebas para que se acercara lo más posible al entorno real. Utilizamos el protocolo de sincronización de tiempo IRIG-B para lograr el tiempo necesario, así como hardware RDMA con el framework de intercambio de datos y el complemento RDMA proporcionado por NI para compartir datos en tiempo real en todo el sistema.

Resultados

Con la ayuda de la tecnología y la experiencia de las personas de NI, construimos con éxito tres laboratorios completamente integrados, seis bancos HIL y múltiples plataformas de pruebas mecánicas. También entregamos artículos de pruebas operativas en un plazo de tres meses y alcanzamos todos los objetivos iniciales establecidos en el programa. En Archer, establecemos metas ambiciosas, tomamos decisiones basadas en datos, nos hacemos responsables a nosotros mismos y a los demás y estamos comprometidos con una ejecución implacable. Para nosotros era importante contar con un socio que se alineara con nuestras prioridades y que compartiera el valor común de la ingeniería de manera ambiciosa. El enfoque modular que adoptamos, basado en la arquitectura de referencia del sistema de pruebas LRU, nos permitió ser más ágiles con las pruebas de nuestros sistemas de aeronaves. Los sistemas de pruebas modulares de NI y la flexibilidad de su software permiten a nuestros ingenieros continuar la integración y la maduración de sus sistemas, ya que los requisitos cambian inevitablemente.

^{Simulink® es una marca registrada de The MathWorks, Inc.}