NI, Archer Aviation Midnight™ 개발을 가속화하다

eVTOL 통합 테스트 랩을 위한 시뮬레이션 플랫폼 구축하기

목적

Archer 팀은 전기 수직 이착륙 (eVTOL) 항공기의 상업화를 가능하게 하는 주요 기술 분야에서 혁신을 만들어 가고 있습니다. 우리는 오랜 수명을 유지하면서 현재 시중에 나와 있는 전기 파워트레인 시스템보다 훨씬 더 많은 전력 집적도와 더 높은 효율성을 갖춘 독점적인 전기 파워트레인 시스템을 구축하고 있습니다. 파워트레인 시스템의 전력은 셀 및 팩 레벨 둘 다에서 가장 높은 안전성 기준에 따라 설계된 기존 양산 셀이 공급합니다.

이러한 모든 설계 스펙을 충족하기 위해서는 통합 테스트 팀이 신속하게 반복하고 항공기 시스템 하드웨어 및 소프트웨어를 개선하는 데 필요한 모든 것을 파악할 수 있는 솔루션을 항공기 개발 팀에 제공해야 합니다. 또한 테스트 솔루션은 실제 항공기 인터페이스를 테스트하는 것과 같은 항공기 시스템 시뮬레이션 환경을 제공하고 개별 시스템 레벨에서부터 완전히 통합된 항공기 레벨에 이르기까지 여러 테스트 단계를 지원해야 합니다.

이상적으로 최종 테스트 솔루션은 모든 테스트 요구사항을 충족하는 동시에 대체 솔루션보다 자본 및 운영 비용이 더 낮아야 합니다. 항공우주 분야의 테스트 팀이 타협할 수 없는 한 가지는 항공기 파일럿과 승객의 신뢰 및 안전을 최대한 보장하는 것입니다.

전체 요구사항 및 제약사항

각 제어 시스템과 그 구성요소는 여러 랩에서 다양한 팀이 설계하고 구축합니다. 이러한 팀이 테스트 파라미터와 성능 기대치를 설정하면 통합 테스트 팀이 검증해야 합니다. 따라서 개별 구성요소와 서브시스템은 통합된 항공기의 일부뿐만 아니라 그 자체로 시뮬레이션 및 테스트할 수 있어야 합니다.

우리의 경우, 개별 구성요소 테스터 중 몇 개가 이미 제작되었고 일부 픽스처와 케이블 역시 시설에 구축되어 있어 우리가 선택한 솔루션과 잘 작동해야 했습니다. 그러나 개발 목표를 달성하기 위해 설정된 일정에 따라 완전히 통합된 항공기의 테스트 솔루션을 설계, 구축, 배포해야 했습니다.

이러한 시스템을 공급할 때 가장 큰 제약은 가용 시간에 비해 솔루션을 설계, 구축, 배포하는 데 필요한 작업 시간이 더 많다는 점입니다.

시뮬레이션 요구사항

테스트 시스템은 다음 요구사항을 모두 충족해야 합니다.

• 항공기 시스템 모델과 비행 조건 시뮬레이션에 사용되는 환경 모델 통합
• 항공기 전체의 전기 신호와 통신 버스 모니터링
• 개별 시스템 및 완전히 통합된 항공기에 결함을 일으켜 장애, 단락 등을 시뮬레이션
• 에뮬레이트된 LRU 및 서브시스템뿐만 아니라 루프의 실제 LRU 및 서브시스템 간에 스위칭 지원 

시뮬레이션 하드웨어 플랫폼 선택

솔루션에 적합한 테스트 하드웨어를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 요소:

• 리드타임 단축
• 비용 절감
• 친숙함
• 플랫폼 아키텍처

eVTOL은 새롭게 성장하고 있는 산업으로, Archer는 이 새로운 분야의 스타트업으로서 많은 과제에 직면해 있습니다. 우리에게는 다른 정규 항공사와 같은 시간과 재정적 리소스가 없습니다. 우리가 NI를 선택한 이유 중 하나는 다른 공급업체보다 훨씬 더 낮은 리드타임과 볼륨 할인을 통해 상대적으로 낮은 비용으로 하드웨어를 구입해 우리가 가진 리소스를 극대화하도록 지원했기 때문입니다. NI 솔루션은 가장 나은 대체 솔루션에 비해 자본 비용이 대략 30% 더 낮았습니다. 또한 NI의 도구에 익숙했기 때문에 더 편안하게 적응해 필요에 따라 시스템을 보다 효율적으로 사용자 정의할 수 있었습니다.

NI SLSC 플랫폼은 PXI와 마찬가지로 우리가 필요한 수준의 맞춤화 기능을 유지하는 동시에 다양한 모듈을 활용하여 시스템을 더 빠르게 통합하고 시운전할 수 있기 때문에 우리 요구사항에 맞았습니다. SLSC 모듈을 사용하여 라우팅 및 오류, 디지털 (이산) 출력 시뮬레이션, 실제/시뮬레이션 스위칭, VDT (Variable Differential Transformer) 에뮬레이션을 수행했습니다. NI LRU 테스트 시스템에 사용할 수 있는 브레이크아웃 패널 또한 우리 시스템의 중요한 구성요소였습니다. 브레이크아웃 패널 덕분에 시스템이 생성할 수 없는 오류 신호를 삽입할 뿐만 아니라 문제의 모든 서브시스템을 모니터링, 시뮬레이션, 연동할 수 있었습니다. 또한 브레이크아웃 패널을 사용하여 시스템 구성요소의 자기 교정을 수행할 수 있었습니다.

소프트웨어 및 배포 시뮬레이션 아키텍처

우리의 시뮬레이션 및 테스트 시스템 소프트웨어 목표는 다음과 같습니다.

• LRU 간에 신호 모니터링하기
• LRU에 오류 신호 주입하기
• 항공기 LRU의 일부 또는 전체 시뮬레이션하기
• 계측을 통해 데이터 수집하기

항공기가 비행을 위해 통과해야 하는 기준은 높으며, 우리 테스트 목표는 이를 반영했습니다. NI는 장비를 제공하는 것 외에도 우리 목표를 달성하는 데 필요한 기술 지원을 제공했습니다. NI에 기초 레벨에서 고급 레벨까지 다양한 기술 전문 지식을 요청할 수 있었습니다. 예를 들어, 사용자 인터페이스에 입력하기 위한 소프트웨어 드라이버에 대해 문의하면, NI는 이에 대해 확실히 제공해 주었습니다.

분산 시뮬레이션 아키텍처의 경우, The MathWorks, Inc.를 사용했습니다. Simulink® 소프트웨어를 사용하여 맞춤형 모델을 생성하고 NI VeriStand™을 사용하여 이러한 모델을 통합하고 임베디드 소프트웨어 테스트를 가속화합니다. VeriStand는 I/O 채널 설정, 데이터 로깅, 자극 생성을 단순화하는 사용자 인터페이스를 제공했으며, 덕분에 데이터 로깅 및 테스트 시퀀스를 자동화할 수 있었습니다. Simulink에서 VeriStand로 맞춤 디바이스 모델을 가져오면 시스템 시뮬레이션, 폐루프 컨트롤러, 신호 분석 알고리즘을 실시간으로 실행할 수 있었습니다.

VeriStand 엔진을 사용하여 NI LabVIEW 코드를 실행해 다양한 조건에 맞는 맞춤 모델에 테스트 시퀀스를 실행할 수 있었습니다. VeriStand 엔진은 실시간으로 설계되었습니다. 즉, 시스템의 결정성을 보장하기 위해 사용자 인터페이스와 독립적으로 실행됩니다. 항공기가 비행 중일 때는 하늘 위에서의 매순간이 중요하므로 결정성이 매우 중요합니다. 항공기 내 운영 체제의 타이밍은 항상 예측할 수 있는 특정 오차 범위 내에서 보장되어야 최대한의 신뢰성을 확보할 수 있습니다.

시뮬레이션 환경을 통해 비행하려면 가능한 한 실제 환경과 최대한 가도록 항공기와 테스트 시스템 전반에서 정교한 데이터 공유 프레임워크와 시간 동기화가 필요합니다. IRIG-B 시간 동기화 프로토콜을 사용하여 필요한 정밀한 타이밍을 달성했으며 데이터 공유 프레임워크를 갖춘 RDMA 하드웨어와 NI가 제공하는 RDMA 플러그인을 사용하여 시스템 전체에서 실시간으로 데이터를 공유합니다.

성과와 결과

NI 기술과 NI 인력의 전문성 덕분에 Archer는 완전 통합 랩 3개, HIL 벤치 6개, 기계 테스트 장치 여러 대를 성공적으로 구축했습니다. 또한 3개월 내에 운영 테스트 문서를 제공하고 프로그램에서 설정한 모든 초기 성과를 달성했습니다. Archer에서 우리는 야심찬 목표를 세우고 데이터에 기반해 결정을 내리고 스스로 그리고 서로 간에 책임을 다하며, 지속적인 실행을 위해 노력했습니다. 그런데 Archer의 우선순위에 맞고 엔지니어링의 공통적인 가치를 활발하게 공유하는 파트너를 갖는 것이 중요했습니다. LRU 테스트 시스템 참조 아키텍처를 기반으로 한 모듈식 접근 방식으로, 항공기 시스템을 한층 더 민첩하게 수행할 수 있었습니다. NI의 모듈식 테스트 시스템과 소프트웨어의 유연성으로 인해 저희 엔지니어들은 요구사항이 변함에 따라 계속해서 시스템을 통합하고 성숙시킬 수 있었습니다.

^{Simulink®는 The MathWorks, Inc.의 등록 상표입니다.}