NIがArcher Aviation Midnight™を加速させる

eVTOL統合テストラボのシミュレーションプラットフォームを構築する

目的

Archerのチームは、電動垂直離着陸機 (eVTOL) の商業化を可能にする技術の重要な領域で革新を進めています。現在市場に出回っているものと比べて、はるかに高い電力密度と効率を実現しつつ、長い製品寿命を維持できる独自の電動パワートレインシステムを構築しています。パワートレインシステムは、セルレベルとパックレベルの両方で最高の安全基準を考慮して設計された既存の量産セルで駆動されます。

これらすべての設計仕様を満たすには、統合テストチームが航空機開発チームに、航空機システムのハードウェアとソフトウェアを迅速に反復し、改善するために必要なすべてのインサイトを提供するソリューションを提供する必要があります。さらに、テストソリューションは、実際のインターフェースと同等の条件で試験が可能な航空機システム向けのシミュレーション環境を提供するとともに、個々のシステムレベルから完全に統合された航空機レベルに至るまで、複数段階のテストをサポートする必要があります。

最終的なテストソリューションは、他のソリューションよりも設備コストと運用コストを削減しながら、すべてのテスト要件を満たすことが常に理想的です。航空宇宙分野におけるどのテストチームも決して妥協できない唯一の要素は、航空機のパイロットおよび乗客に対する信頼性と安全性の最大限の確保です。

全体的な要件と制約

各制御システムとそのコンポーネントは、複数のラボのチームによって設計および構築されています。これらのチームは、統合テストチームによる検証が必要なテストパラメータと性能要件を設定します。そのため、各コンポーネントおよびサブシステムは、統合された航空機の一部としてだけでなく、単体でもシミュレーションおよびテストが可能でなければなりません。

当社の場合、複数のコンポーネント専用のテスタはすでに作成されており、治具やケーブルの一部も施設内に既設の状態であったため、選定したソリューションと互換性を持たせる必要がありました。しかし、完全に統合された航空機向けのテストソリューションは、開発の各進捗目標を達成するために、決められたスケジュール内で設計・構築・展開する必要がありました。

これらのシステムを提供するにあたって最大の制約となったのは、ソリューションの設計・構築・展開に必要な人的工数と、当社が実際に確保できた工数とのギャップでした。

シミュレーション要件

テストシステムは、以下のすべての要件を満たす必要がありました。

• 航空機システムモデルと、飛行条件をシミュレーションするための環境モデルの統合を行います。
• 航空機全体の電気信号と通信バスを監視します。
• 個々のシステムおよび完全に統合された航空機に障害を注入して、障害、短絡などをシミュレートします。
• ループ内の実際のLRUとサブシステム、およびエミュレートされたLRUとサブシステムの切り替えをサポートします。 

シミュレーションハードウェアプラットフォームの選択

当社のソリューションに最適なテスト用ハードウェアを選定するにあたり、いくつかの重要な要因を考慮しました。

• リードタイムの短縮
• コストの削減
• 習熟度
• プラットフォームアーキテクチャ

eVTOL業界は新しく成長しており、その新しい分野のスタートアップとして多くの課題に挑戦しています。当社には、他の老舗航空企業のような十分な時間や資金的余裕はありません。NIを選択した理由の1つは、ハードウェアを他のサプライヤよりはるかに短いリードタイムで入手でき、ボリュームディスカウントにより比較的低コストで入手できるため、リソースを最大限に活用できたことです。NIのソリューションは、最良の代替案と比較して資本コストを約30%削減することができました。さらに、当社がNIのツールに習熟していたことにより、この選択に対して安心感を持つことができ、システムを自社のニーズに応じてより効率的にカスタマイズすることが可能となりました。

NIのSLSCプラットフォームは、PXIと同様に多様なモジュールを活用してシステムの統合および試運転を迅速に行うことができ、かつ必要なカスタマイズ性を維持できることから、当社の要件に適していました。SLSCモジュールを使用して、経路設定および障害注入、デジタル (ディスクリート) 出力のシミュレーション、実スイッチ/模擬スイッチの切り替え、可変差動トランス (VDT) のエミュレーションを行いました。NIのLRUテストシステム向けに提供されているブレークアウトパネルも、当社のシステムにおいて重要なコンポーネントの一つでした。これらのパネルにより、関心のあるあらゆるサブシステムの監視、シミュレーション、インターフェースが可能となり、システム単体では生成できない障害信号を挿入することもできました。さらに、システムコンポーネントのセルフキャリブレーションを実施する際にも、ブレークアウトパネルを使用しました。

ソフトウェアおよび分散シミュレーションアーキテクチャ

シミュレーションおよびテストシステムソフトウェアを使用した目的は、以下の目標を達成することでした。

• LRU間の信号の監視
• 故障信号のLRUへの注入
• 航空機のLRUの部分的または完全なシミュレート
• 計測器を使用したデータ収集

航空機が飛行認可を得るには高い基準が求められており、当社のテスト目標はその基準を反映したものとなっています。NIは、装置の他にも、目標を達成するために必要な技術サポートを提供してくれました。初歩的なものから高度な内容まで幅広い技術的専門知識についてNIに相談することができました。例えば、ユーザーインターフェースに入力するソフトウェアドライバに関する質問を行った際も、的確に対応してもらえました。

分散シミュレーションアーキテクチャにおいては、The MathWorks, Inc.Simulink®ソフトウェアを使用してカスタムモデルを生成し、NI VeriStand™を使用してそれらのモデルを統合し、組み込みソフトウェアのテストを加速させました。VeriStandは、I/Oチャンネルの設定、データロギング、刺激信号の生成を簡素化するユーザーインターフェースを提供しており、それによりデータロギングおよびテストシーケンスの自動化を実現することができました。SimulinkからVeriStandにカスタムデバイスモデルをインポートすると、システムシミュレーション、閉ループ制御器、および信号解析アルゴリズムのリアルタイム実行が可能になりました。

VeriStandエンジンを使用することで、NI LabVIEWコードを実行しながら、さまざまな条件下でカスタムモデルに対してテストシーケンスを実行することができました。VeriStandエンジンはリアルタイム動作を前提に設計されており、ユーザーインターフェースとは独立して動作することで、システムの決定性を確保しています。航空機が飛行中である間の一瞬一瞬が重要であるため、当社にとってシステムの決定性は非常に重要な要素なのです。飛行中のオペレーティングシステムのタイミングは、常に予測可能な誤差範囲内で保証されなければならず、それにより最大限の信頼性を確保することが求められます。

シミュレーション環境で航空機を飛行させるには、実際の環境にできる限り近づけるために、航空機とテストシステム全体にわたる高度なデータ共有フレームワークと時刻同期が必要でした。IRIG-B時刻同期プロトコルを使用して、必要な厳密なタイミングを実現し、NIが提供するRDMAプラグインとデータ共有フレームワークを備えたRDMAハードウェアを使用して、システム全体でリアルタイムにデータを共有しました。

成果と結果

NIの技術とNIのスタッフの専門知識のおかげで、3つの完全統合型ラボ、6台のHILベンチ、複数の機械的テスト装置を構築することに成功しました。また、3か月という期間内に運用可能なテスト試験体を納入し、プログラムで設定された初期の進捗目標をすべて達成しました。Archerでは、高い目標を掲げ、データに基づいた意思決定を行い、自他に対して責任を持ち、継続的な成果の実現に全力で取り組んでいます。当社の優先事項と一致し、高い志を持ったエンジニアリングという共通の価値観を共有できるパートナーを持つことは重要でした。LRUテストシステムリファレンスアーキテクチャに基づいたモジュール式アプローチにより、航空機システムのテストにおいてより高い機動性を実現することができました。NIのモジュール式テストシステムとソフトウェアの柔軟性によって、当社のエンジニアは、要件の変更が避けられない状況においても、システムを継続的に統合し、高度化していくことが可能です。

^{Simulink®はThe MathWorks, Inc.の登録商標です。}