NI 幫助 Archer Aviation 加快 Midnight™ 開發速度

建立適合 eVTOL 整合測試實驗室使用的模擬平台

目的

Archer 的團隊正著手在關鍵技術領域進行創新，這些技術能讓電動垂直起降飛機 (eVTOL) 商用化。我們要建立一套專屬電動動力總成系統，在維持更長使用壽命的同時，擁有比市場上其他同級系統更高的功率密集度與效率。這個動力總成系統會由現有的量產電池供電，而這些電池的設計符合電池與電池組的各項最高安全標準。

若要滿足所有設計規格，我們的綜合測試團隊必須提供解決方案，為飛機開發團隊提供所需的所有深入分析，讓他們迅速迭代並改善飛機系統軟硬體。此外，測試解決方案還必須提供與所測試實際飛機介面相當的飛機系統模擬環境，也要支援從個別系統層級到組裝成飛機後的多個階段的測試。

理想情況是，最終的測試解決方案能滿足所有測試需求，同時資本成本與營運成本相比替代方案更低。在航太領域，測試團隊必須要最大限度地保證飛機可靠性以及飛行員和乘客的安全性。

整體需求與限制

每個控制系統及其元件都是由多個實驗室的團隊設計與建構的。這些團隊會設定測試參數與效能期望，再由綜合測試團隊進行驗證。因此，每項元件與子系統不但要接受獨立模擬與測試，也要能接受組裝成飛機後的整體模擬與測試。

在我們的案例中，我們已經建立了一些獨立的元件測試機，一些設備和連接線也已經安裝在設備中，這些都要與我們所選的解決方案配合使用。不過，必須要在特定的時程內為組裝好的飛機設計、建立與部署測試解決方案，才能順利達成我們的開發里程碑。

要順利交付這些系統，最大的限制在於設計、建立與部署解決方案所需的工時數，相比實際可用的工時數太少。

模擬需求

測試系統必須符合以下所有需求：

• 整合飛機系統模型與用於模擬飛行條件的環境模型。
• 監控整架飛機的電力訊號與通訊匯流排。
• 在個別系統與署組裝好的飛機中注入故障，以此模擬失效、短路與其他問題。
• 支援切換實際 LRU 與迴圈中的子系統，以及模擬的 LRU 與子系統。 

選擇模擬硬體平台

在選擇適合解決方案的測試硬體時，我們考慮的關鍵因素如下：

• 縮短前置時間
• 降低成本
• 熟悉程度
• 平台架構

eVTOL 是個新興產業而且不斷在發展，我們是這個新興領域裡的新創公司，自然會面臨許多挑戰。我們在時間與財務資源上可能不具備其他一些老牌航空公司的優勢。之所以選擇 NI，其中一項原因在於硬體的前置時間相比其他供應商更短，而且提供大量折扣來幫助我們降低成本，從而協助我們充分運用資源。相較於最佳替代方案，NI 解決方案大約可以讓我們省下 30% 的資本成本。此外，我們熟悉 NI 的工具，讓我們更能放心選擇這個選項，並且能更有效率地根據自己的需求客制化系統。

NI SLSC 平台符合我們的需求，原因是這個平台與 PXI 非常相似，能支援我們運用各式各樣的模組加快系統整合速度，讓系統更快投入試運轉，而且又能保有我們需要的自訂功能。我們使用 SLSC 模組完成了路由與故障分析、數位 (離散) 輸出模擬、實際/模擬切換，以及可變差動變壓器 (VDT) 模擬。NI LRU 測試系統適用的分接面板也是我們系統中的重要元件。我們可以運用這些面板監控、模擬及介接任何相關子系統，也能注入系統無法產生的故障訊號。此外，我們也用分接面板執行系統元件自我校準。

軟體與分散式模擬架構

我們使用模擬與測試系統軟體是要達成以下目標：

• 監控 LRU 之間的訊號
• 將故障訊號注入 LRU
• 部分或完全模擬飛機 LRU
• 運用儀器擷取資料

飛機飛行的放行標準非常高，我們的測試目標就是據此擬定的。除設備之外，NI 還提供必要的技術支援，充分協助我們達成目標。我們可以向他們詢問從初階到高階的各式各樣的技術專業知識，舉例來說，可以詢問從軟體驅動程式到在使用者介面上輸入內容相關的問題，而且他們都能解決。

針對分散式模擬架構，我們使用 The MathWorks, Inc.Simulink® 軟體產生客制化模型，並使用 NI VeriStandTM 整合這些模型，加速嵌入式軟體測試。VeriStand 提供的使用者介面能簡化 I/O 通道設定、資料記錄與激源產生流程，讓我們能夠自動處理資料記錄與測試序列。將自訂裝置模型從 Simulink 匯入到 VeriStand 之後，我們就能即時執行系統模擬、閉迴路控制，以及訊號分析演算法。

使用 VeriStand 引擎，我們執行 NI LabVIEW 程式碼就能在自訂模型上針對不同的條件執行測試序列。VeriStand 引擎採用即時設計，也就是說，引擎與使用者介面的運作各自獨立，從而保障系統的精確度。飛機飛行時，在空中的每分每秒都非常重要，因此，我們非常重視精確度。我們必須將誤差保持在符合預期的範圍內，確實保障飛行作業系統的執行時序，從而發揮最大的可靠性。

若要使飛機在模擬環境中飛行，就必須採用精密的資料共用架構，並且飛機與測試系統之間要保持時間同步化，才能盡可能接近實際環境。我們使用 IRIG-B 時間同步協定因應所需的嚴格時序，並運用採用資料共用架構的 RDMA 硬體與 NI 提供的 RDMA 外掛程式，在系統中即時共用資料。

成效與結果

在 NI 技術與 NI 人員的專業知識協助之下，我們順利建立了三個完全整合的實驗室、六個 HIL 平台，以及多個機械測試設備。我們也在 3 個月的期限內順利交出能運作的測試品，並且達成在計畫中擬定的所有初期里程碑目標。在 Archer，我們向來勇於訂立遠大的目標、根據資料做決策、對自己和彼此負責，更全力以赴、堅持到底。對我們而言，找到核心目標一致而且同樣在工程上勇於創新的合作夥伴非常重要。我們採用的模組化方法是以 LRU 測試系統參考架構為基礎，因此我們能更靈活地測試飛機系統。NI 的模組化測試系統結合靈活的軟體，讓我們的工程師能隨著需求的變化持續整合系統，並且讓系統更臻成熟。

^{Simulink® 是 The MathWorks, Inc. 的註冊商標。}