Développer un contrôle temps réel pour le plus grand télescope au monde à l’aide de NI LabVIEW avec des fonctionnalités multicœurs

Jason Spyromilio, Observatoire européen Austral

« Les ingénieurs NI ont démontré que nous pouvons en fait utiliser LabVIEW et le module LabVIEW Real-Time pour implémenter une solution basée sur le COTS et contrôler le calcul multicœur afin d’obtenir des résultats en temps réel. »

- Jason Spyromilio, Observatoire européen Austral

Le défi :

Utilisation de solutions commerciales prêtes à l’emploi (COTS) pour le calcul hautes performances (HPC) dans le contrôle optique actif et adaptatif en temps réel dans des télescopes extrêmement volumineux.

La solution :

Combiner l’environnement de programmation graphique NI LabVIEW avec des processeurs multicœurs pour développer un système de contrôle temps réel et prouver que la technologie COTS peut contrôler l’optique dans le télescope européen extrêmement volumineux (E-ELT), actuellement dans les phases de conception et de prototypage.

L’Observatoire Européen Austral (ESO) est une organisation de recherche astronomique soutenue par 13 pays européens. Nous avons de l’expérience dans le développement et le déploiement de certains des télescopes les plus avancés au monde. Notre organisation opère actuellement sur trois sites dans les Andes chiliennes : les observatoires La Silla, Paranal et Chajnantor. Nous avons toujours commandé une technologie hautement innovante, depuis les premiers systèmes d’optique adaptative communs sur le télescope de 3,6 m de La Silla jusqu’au déploiement d’optique active sur le télescope de 3,5 m de La Silla jusqu’à l’opération intégrée du très grand télescope (VLT) et de l’interféromètre associé sur Paranal. De plus, nous collaborons avec nos partenaires de l’Amérique du Nord et de l’Asie de l’Est pour construire l’Atacama Large Millimeter Array (ALMA), un télescope sous-millimétrique à 66 antennes de 1 milliard de dollars (USD) devant être achevé au Llano de Chajnantor en 2012.

 

Le prochain projet de notre comité de conception est le E-ELT. La conception de ce télescope à miroir primaire de 42 m de diamètre est en phase B et a reçu un financement de 100 millions de dollars (USD) pour la conception et le prototypage préliminaires. Après la phase B, la construction devrait commencer fin 2010.

 

Optique active et adaptative à grande échelle

Le télescope de 42 m s’appuie sur l’expérience de l’ESO et de la communauté astronomique avec une optique active et adaptative et des miroirs segmentés. L’optique active intègre une combinaison de capteurs, d’actionneurs et d’un système de contrôle afin que le télescope puisse conserver la forme correcte du miroir ou de la collimation. Nous maintenons activement la configuration correcte pour le télescope afin de réduire toutes les aberrations résiduelles dans la conception optique et d’augmenter l’efficacité et la tolérance aux pannes. Ces télescopes nécessitent des corrections optiques actives chaque minute, donc les images ne sont limitées que par les effets atmosphériques.

 

L’optique adaptative utilise une méthodologie similaire pour surveiller les effets atmosphériques à des fréquences de centaines de hertz et les corrige à l’aide d’un miroir mince déformé et correctement configuré. La longueur de l’échelle de turbulence détermine le nombre d’actionneurs sur ces miroirs déformables. Les capteurs frontaux d’onde s’exécutent rapidement pour échantillonner l’atmosphère et transformer toutes les aberrations en commandes miroir. Cela nécessite du matériel et des logiciels très rapides.

 

Le contrôle du système complexe nécessite une grande capacité de traitement. Pour contrôler les systèmes déployés dans le passé, nous avons développé des systèmes de contrôle exclusifs basés sur le contrôle en temps réel de l’environnement de machine virtuelle (VME), ce qui peut être coûteux et long. Nous travaillons avec les ingénieurs de National Instruments pour évaluer le système de contrôle du miroir segmenté primaire E-ELT, appelé M1, à l’aide du logiciel et du matériel COTS. Ensemble, nous explorons également les solutions possibles basées sur le COTS pour le contrôle en temps réel adaptatif du télescope, appelé M4.

 

M1 est un miroir segmenté composé de 984 miroirs hexagonaux (Figure 1), pesant chacun près de 150 kg avec un diamètre compris entre 1,5 et 2 m, pour un diamètre total de 42 m. En comparaison, le miroir principal du télescope Hubble Space a un diamètre de 2,4 m. Le miroir principal unique du E-ELT mesurera quatre fois la taille de n’importe quel télescope optique sur la Terre et incorporera cinq miroirs (Figure 2).

 

 

 

Définition des exigences de calcul extrêmes du système de contrôle

Dans l’opération M1, les segments de miroir adjacents peuvent incliner par rapport aux autres segments. Nous surveillons cette déviation à l’aide de capteurs de front et de pieds d’actionneur qui peuvent déplacer le segment de 3 degrés dans n’importe quelle direction si nécessaire. Les 984 segments miroirs se composent de 3000 actionneurs et 6000 capteurs (Figure 3).

 

Le système, contrôlé par le logiciel LabVIEW, doit lire les capteurs pour déterminer les emplacements des segments miroirs et, si les segments se déplacent, utiliser les actionneurs pour les réaligner. LabVIEW calcule une matrice de 3000 x 6000 par un produit vectoriel de 6000 et doit effectuer ce calcul de 500 à 1000 fois par seconde pour produire des ajustements de miroir efficaces.

 

 

Les capteurs et actionneurs contrôlent également le miroir adaptatif M4. Cependant, M4 est un miroir déformable mince – 2,5 m de diamètre et étalonné sur 8000 actionneurs (Figure 4). Ce problème est similaire à la commande active M1, mais au lieu de conserver la forme, nous devons adapter la forme en fonction des données image de front d’onde mesurées. Les données de front d’onde mappent à un vecteur d’une valeur de 14 000, et nous devons mettre à jour les 8000 actionneurs toutes les quelques millisecondes, créant une multiplication matrice-vecteur d’une matrice de contrôle 8 x 14 k par un vecteur 14 k. Pour arrondir le défi de calcul à 9 par 15 k, cela nécessite environ 15 fois le calcul du grand contrôle M1 segmenté.

 

Nous travaillions déjà avec NI sur un système d’acquisition et de synchronisation de données à grand nombre de voies lorsqu’ils ont commencé à travailler sur le problème mathématique et de contrôle. Les ingénieurs NI simulent la structure et la conception de la matrice de contrôle et de la boucle de contrôle. Au cœur de toutes ces opérations se trouve une très grande fonction LabVIEW matrice-vectorielle qui exécute la majeure partie du calcul. Les contrôles M1 et M4 nécessitent une énorme capacité de calcul, que nous avons abordé avec plusieurs systèmes multicœurs. Étant donné que le contrôle M4 représente 15 problèmes de sous-matrice (3 x 3 k), nous avons besoin de 15 machines qui doivent contenir autant de cœurs que possible. Par conséquent, le système de contrôle doit commander le traitement multicœur. C’est une capacité que LabVIEW offre à l’aide des solutions COTS, ce qui en fait une proposition très intéressante pour ce problème.

 

Adressage du problème avec LabVIEW dans la fonctionnalité HPC multicœur

Comme nous avions requis l’ingénierie du système de contrôle avant la construction réelle E-ELT, la configuration du système pourrait affecter certaines caractéristiques de construction du télescope. Il était essentiel de tester la solution de manière approfondie comme si elle était en cours d’exécution sur le télescope réel. Pour relever ce défi, les ingénieurs NI ont non seulement implémenté le système de contrôle, mais également un système qui exécute une simulation en temps réel du miroir M1 pour effectuer un test de système de contrôle hardware-in-the-loop (HIL). Le HIL est une méthode de test couramment utilisée dans la conception de contrôle/commande automobile et aérospatiale pour valider un contrôleur à l’aide d’un simulateur de système temps réel précis. Les ingénieurs NI ont créé un simulateur de miroir M1 qui répond aux sorties du système de contrôle et valide ses performances. L’équipe NI a développé le système de contrôle et la simulation de miroir à l’aide de LabVIEW et l’a déployé sur un PC multicœur exécutant le module LabVIEW Real-Time pour une exécution déterministe.

 

Dans des applications HPC temps réel similaires, les tâches de communication et de calcul sont étroitement liées. Les échecs du système de communication entraînent des échecs du système entier. Par conséquent, tout le processus de développement d’applications comprend la conception d’interface de communication et de calcul. Les ingénieurs NI ont besoin d’un échange de données rapide et déterministe au cœur du système et ont immédiatement découvert que cette application ne peut pas s’appuyer sur l’Ethernet standard pour la communication, car le protocole réseau sous-jacent est non déterministe. Ils ont utilisé la fonctionnalité réseau à déclenchement temporel du module LabVIEW Real-Time pour échanger des données entre le système de contrôle et le simulateur de miroir M1, ce qui a abouti à un réseau qui déplace un débit de 36 Mo/s de manière déterministe.

 

NI a développé la solution M1 complète qui intègre deux postes de travail Dell Precision T7400, chacune dotée de huit cœurs et d’un ordinateur portable qui fournit une interface opérateur. Il comprend également deux réseaux : un réseau standard qui connecte les deux cibles temps réel à l’ordinateur portable et un réseau Ethernet de 1 Go à déclenchement temporel entre les cibles temps réel pour échanger des données d’E/S (Figure 5).

 

Quant aux performances du système, nous avons appris que le contrôleur reçoit 6000 valeurs du capteur, exécute l’algorithme de contrôle pour aligner les segments et génère 3000 valeurs de l’actionneur pendant chaque boucle. L’équipe NI a créé ce système de contrôle pour atteindre ces résultats et a produit une simulation en temps réel du télescope appelée « le miroir ». Le miroir reçoit les 3000 sorties d’actionneur, ajoute une variable représentative des perturbations atmosphériques telles que le vent, exécute l’algorithme de miroir pour simuler M1 et génère 6000 valeurs de capteur pour terminer la boucle. Toute la boucle de contrôle est terminée en moins de 1 ms pour contrôler correctement le miroir (Figure 6).

 

Les tests de performances établis par les ingénieurs NI pour leurs multiplications matrices-vectorielles incluent les éléments suivants :

  • Module LabVIEW Real-Time avec une machine avec deux processeurs quadricœur, utilisant quatre cœurs et une seule précision à 0,7 ms
  • Module LabVIEW Real-Time avec une machine avec deux processeurs quadricœur, utilisant huit cœurs et une précision unique à 0,5 ms

 

Le M4 compense les aberrations de forme d’onde atmosphérique mesurées, et les ingénieurs NI ont déterminé que le problème ne pouvait être résolu qu’à l’aide d’un système de modules* multicœur de pointe. Dell a invité l’équipe à tester la solution sur son M1000, un système à 16 modules* (Figure 7), et les résultats des tests étaient encourageants. Chacune des machines à module M1000 comporte huit cœurs, ce qui se traduit par le fait que les ingénieurs ont distribué le problème de contrôle LabVIEW sur 128 cœurs.

 

Les ingénieurs NI ont démontré que nous pouvons en fait utiliser LabVIEW et le module LabVIEW Real-Time pour implémenter une solution basée sur le COTS et contrôler le calcul multicœur pour obtenir des résultats en temps réel. En raison de cette révolution en matière de performances, notre équipe continue de définir des tests de performances pour l’informatique et l’astronomie dans la mise en œuvre de l’E-ELT, ce qui contribuera à des avancées pour la science dans son ensemble.

 

Pour en savoir plus sur cette étude de cas, veuillez contacter :

Observatoire européen Austral

Karl-Schwarzschild-Strasse 2

D-85748 Garching bei München

Tél. : +49 89 320060

Fax : 3202362

E-mail : information@eso.org

Pour en savoir plus sur LabVIEW pour les applications HPC, veuillez contacter :

Jeff Meisel, Chef de produit LabVIEW

Tél. : (512) 683-8795

Pour une comparaison de taille, deux êtres humains et une voiture se tiennent à côté du E-ELT. Le miroir principal M1, qui a un diamètre de 42 m, comporte une construction de miroir segmentée.
Le E-ELT comprend au total cinq miroirs.
Le logiciel LabVIEW contrôle le système M1 composé de 984 segments de 1,5 m chacun avec six capteurs et trois pieds d’actionneur qui fournissent 3 degrés de liberté pour l’écart moyen de mouvement.
4/7 Un miroir mince et flexible réparti sur 8000 actionneurs, le M4 peut être déformé toutes les quelques millisecondes pour compenser les interférences atmosphériques.
Les ingénieurs NI ont validé le système de contrôle miroir (à droite) avec la simulation HIL miroir M1 (à gauche).
Pour atteindre les vitesses de boucle requises, les ingénieurs NI ont mis en place un réseau hautement déterministe et l’ont appelé à partir d’une application à l’aide de séquences cadencées et de boucles cadencées.
7/7 Ceci illustre l’approche actuelle de NI pour implémenter M4. Le problème est environ 15 fois plus exigeant que le contrôleur M1