Archer Aviation Midnight™ : déploiement accéléré avec NI

Construction d’une plate-forme de simulation pour les laboratoires de test intégrés eVTOL

Objectif

L’équipe d’Archer innove dans des domaines clés des technologies permettant la commercialisation des aéronefs électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL). Nous construisons un système propriétaire de groupe motopropulseur électrique qui maintient une longue durée de vie tout en ayant une densité de puissance nettement plus élevée et en étant efficace que les options actuellement disponibles sur le marché, en conservant une longue durée de vie. Le système de groupe motopropulseur sera alimenté par des cellules de production de masse existantes qui sont conçues dans le respect des normes de sécurité les plus élevées au niveau de la cellule et du bloc.

Pour répondre à toutes ces spécifications de conception, notre équipe de test intégrée doit élaborer des solutions qui fournissent aux équipes de développement d’avions toutes les informations dont elles ont besoin pour itérer et améliorer rapidement le matériel et les logiciels du système d’aéronef. En outre, la solution de test doit fournir des environnements de simulation pour les systèmes d’aéronef équivalents à des interfaces d’avion réelles de référence pour le test et prendre en charge plusieurs étapes de test du niveau du système individuel à celui de l’aéronef entièrement intégré.

Il est toujours préférable que la solution de test finale réponde à l’ensemble des exigences de test tout en ayant des coûts d’investissement et d’exploitation inférieurs à ceux des alternatives. La seule chose qu’aucune équipe de test dans l’aérospatiale ne peut sacrifier est une assurance maximale de fiabilité et de sécurité pour les pilotes et les passagers de l’avion.

Exigences et contraintes globales

Chaque système de contrôle et ses composants sont conçus et construits par des équipes dans plusieurs laboratoires. Ces équipes définissent les paramètres de test et les attentes en matière de performances qui doivent être validés par l’équipe de test intégrée. Ainsi, chaque composant et sous-système individuel doit pouvoir être simulé et testé seul ainsi que dans l’aéronef intégré.

Dans notre cas, certains des testeurs de composants individuels avaient déjà été créés, et certains des appareils et câbles étaient également déjà intégrés à l’installation et devaient fonctionner avec la solution que nous avons choisie. Cependant, la solution de test de l’aéronef entièrement intégré a dû être conçue, construite et déployée selon un calendrier établi pour respecter nos étapes de développement.

La plus grande contrainte à laquelle nous avons été confrontés pour fournir ces systèmes était le nombre d’heures nécessaires à notre personnel pour concevoir, construire et déployer la solution par rapport à la main-d’œuvre disponible.

Exigences de simulation

Les systèmes de test devaient répondre à l’ensemble de ces exigences :

• Intégrer des modèles de systèmes d’avion ainsi que des modèles environnementaux utilisés pour simuler les conditions de vol.
• Surveiller les signaux électriques et les bus de communication dans l’avion.
• Injecter des défauts dans les systèmes individuels et les avions entièrement intégrés pour simuler des défaillances, des courts-circuits, etc.
• Prendre en charge la commutation entre les LRU réelles et les sous-systèmes de la boucle ainsi que les LRU émulées et les sous-systèmes. 

Sélection de la plate-forme matérielle de simulation

Quelques facteurs déterminants ont pesé dans notre décision de choisir le matériel de test approprié pour notre solution :

• Raccourcir les délais
• Réduire les coûts
• Familiarité
• Architecture de la plate-forme

L’industrie eVTOL est récente et en croissance. Nous sommes confrontés à de nombreux défis en tant que start-up dans cette nouvelle catégorie. Nous n’avons pas le luxe d’avoir le temps et les ressources financières dont d’autres entreprises d’aviation établies peuvent disposer. L’une des raisons pour lesquelles nous avons choisi NI est que leurs équipes nous ont aidés à maximiser nos ressources en nous permettant d’acquérir du matériel à des délais beaucoup plus courts que les autres fournisseurs et à des coûts relativement bas grâce à des remises en volume. La solution de NI était environ 30 % moins coûteuse en capital que la meilleure alternative. De plus, notre connaissance des outils NI nous a permis de nous sentir plus à l’aise avec ce choix et de personnaliser le système en fonction de nos besoins plus efficacement.

La plate-forme NI SLSC a répondu à nos exigences car, tout comme PXI, elle nous a permis d’utiliser une variété de modules pour intégrer et mettre en service des systèmes plus tôt, tout en conservant la personnalisation dont nous avons besoin. Nous avons utilisé des modules SLSC pour effectuer le routage et la mise en défaut, la simulation de sortie numérique (discrète), la commutation réelle/simulée et l’émulation de transformateur différentiel variable (VDT). Les interfaces de dérivation disponibles pour les systèmes de test LRU de NI étaient également un composant important de nos systèmes. Elles nous ont permis de surveiller et de simuler n’importe quel sous-système d’intérêt, de s’interfacer avec ceux-ci ainsi que d’insérer des signaux de défaillance que le système était autrement incapable de produire. En outre, nous avons utilisé les interfaces de dérivation pour effectuer un auto-étalonnage des composants du système.

Architecture logicielle et de simulation distribuée

Avec le logiciel de simulation et de système de test, nous avions pour but d’atteindre les objectifs suivants :

• Surveiller les signaux entre les LRU
• Injecter des signaux de défaillance aux LRU
• Simuler partiellement ou entièrement des LRU d’aéronefs
• Acquérir des données via l’instrumentation

Les exigences sont élevées lorsqu’il s’agit d’évaluer un aéronef pour le vol, ce qui était reflété dans nos objectifs de test. Au-delà des équipements, NI a fourni le support technique nécessaire pour nous aider à atteindre nos objectifs. Nous pouvions faire appel à NI pour divers sujets d’expertise technique de bas à haut niveau ; par exemple des questions sur les drivers logiciels à entrer sur l’interface utilisateur, qui ont obtenu une réponse satisfaisante.

Pour l’architecture de simulation distribuée, nous avons utilisé le logiciel Simulink® de The MathWorks, Inc. afin de générer des modèles personnalisés, et NI VeriStand™ afin d’intégrer ces modèles et accélérer les tests de logiciels embarqués. VeriStand fournissait une interface utilisateur permettant de simplifier la configuration des voies d’E/S, l’enregistrement des données et la génération de stimuli, et nous en avons tiré parti pour automatiser l’enregistrement des données et les séquences de test. Une fois l’importation des modèles de périphériques personnalisés de Simulink vers VeriStand terminée, nous avons pu exécuter en temps réel des simulations de système, des contrôleurs en boucle fermée et des algorithmes d’analyse de signaux.

Grâce au moteur VeriStand, nous avons exécuté des séquences de test sur nos modèles personnalisés pour les différentes conditions en exécutant du code NI LabVIEW. Le moteur VeriStand est conçu pour fonctionner en temps réel, ce qui signifie qu’il s’exécute indépendamment de l’interface utilisateur pour assurer le déterminisme du système. Lorsqu’un aéronef est en vol, chaque seconde dans les airs compte, c’est pourquoi le déterminisme est si important pour nous. Le cadencement des systèmes d’exploitation en vol doit être garanti avec une certaine marge d’erreur que nous pouvons toujours anticiper afin d’obtenir une fiabilité maximale.

Faire voler l’aéronef dans un environnement simulé nécessitait un cadre sophistiqué de partage de données et une synchronisation temporelle entre l’avion et les systèmes de test pour le rendre aussi fidèle que possible à l’environnement réel. Nous avons utilisé le protocole de synchronisation temporelle IRIG-B pour obtenir le cadencement étroit nécessaire ainsi que le matériel RDMA avec l’infrastructure logicielle de partage de données et le plug-in RDMA fournis par NI pour partager des données en temps réel sur l’ensemble du système.

Résultats

Grâce à la technologie NI et à l’expertise de son personnel, nous avons réussi à construire trois laboratoires entièrement intégrés, six bancs HIL et plusieurs bancs de test mécanique. Nous avons également livré des articles de test opérationnel dans un délai de trois mois et atteint tous les premiers objectifs d’étape définis dans le programme. Chez Archer, nous nous fixons des objectifs ambitieux, prenons des décisions basées sur les données, nous nous tenons mutuellement responsables et nous sommes engagés envers l’exécution sans relâche. Il était important pour nous de travailler avec un partenaire qui s’aligne sur nos priorités et qui partage la valeur commune d’une ingénierie ambitieuse. L’approche modulaire que nous avons adoptée, basée sur l’architecture de référence du système de test LRU, nous a permis d’être plus agiles avec les tests de nos systèmes d’aéronef. Les systèmes de test modulaires de NI et la flexibilité des logiciels permettent à nos ingénieurs de poursuivre l’intégration et le perfectionnement de leurs systèmes, car les exigences changent inévitablement.

^{Simulink® est une marque déposée de The MathWorks, Inc.}