В данной статье мы расскажем о применяемых нами методах разработки и создания стендов полунатурного моделирования бортового оборудования самолёта (Hardware-In-the-Loop, HIL) и стендов быстрого прототипирования (Model-In-the-Loop, MIL).Эта публикация -попытка обобщить весь опыт по созданию стендов, накопленный нашими инженерами при участии в нескольких проектах разработки самолетов, сертифицированных по АП-25.
Условно выделим следующие темы:
Часть 1. Инструменты разработки
Часть 2. Стенды
Современный стенд проверки бортового оборудования это сложный инструмент с высокими требованиями к целостности и универсальности, который должен не просто выполнять свою функцию отработки оборудования, проведения испытаний (в том числе и сертификационных испытаний), но и учитывать следующие особенности при дальнейшей неизбежной эволюции стенда:
Поэтому при проектировании стенда нужно понимать, что:
Учитывая, что обычно авионика современных летательных аппаратов содержит тысячи проводов и сотни тысяч параметров информационного обмена, очевидно, что проектирование испытательного стенда должно начинаться с выбора инструментов, которые должны обеспечивать бесшовную интеграцию между собой. Естественно итерационным методом мы пришли к следующему подходу к проектированию и набору инструментальных средств, которые позволили сделать стенды универсальными, модифицируемыми и легко управляемыми:
Эти три продукта при правильном подходе можно тесно друг с другом интегрировать и упростить большинство процессов разработки стендов.
При этом инструмент для разработки БРЭО на рынке отсутствовал, поэтому, основываясь на собственном опыте, зная все трудности и аспекты проектирования сложных систем мы самостоятельно создали универсальный инструмент dBricks, легко интегрируемый с Simulink и ADS2R4.
dBricks применяется для:
ADS2R4 это среда выполнения тестов и моделирования в реальном времени, специально созданная для задач разработки, испытаний и валидации архитектуры бортового оборудования, которая отвечает требованиям как целостности, так и универсальности.
dBricks – это основной инструмент, который применяется для ускорения разработки и комплексирования сложного бортового оборудования. Инструмент представляет собой базу данных для обработки следующих проектных данных:
Применение инструмента предоставляет следующие преимущества:
Понятно, что формат автоматически генерируемых файлов адаптируется под требования проекта.
Сам инструмент dBricks имеет функционал доступа по API, который используется для формирования собственных скриптов генерации документов, а также может использоваться для заполнения и обновления содержимого базы данных.
Применение dBricks гарантирует разработчикам стендов:
Описание каждого устройства в dBricks включает коллекцию аппаратных портов.
Аппаратные порты устройств позволяют устройствам подключаться физически между собой с помощью проводов в пределах проекта. К свойствам порта относятся:
Рис. 1: Модель данных проводки
На уровне проекта порты устройств быть соединены шинами. Обладая данными о распиновке портов и связей между портам можно сформировать, например, схемы подключений.
Рис. 2: Подключение портов и распределения контактов
В проводке летательного аппарата за этапом определения того, что с чем должно быть соединено, идёт существенная работа по определению фактической реализации: зоны прокладки, технологические соединители, места размножения проводов и т.д. На стенде, т.к. он не летает, можно существенно упростить топологию кабельной сети. Подробности - ниже в описании подхода к проектированию стендов полунатурного моделирования. Пока лишь скажем, что при использовании dBricks и подхода, описанного ниже, можно:
Вторая функция, пожалуй, даже важнее первой т.к. по опыту в проекте летательного аппарата только до получения сертификата бывает два-три десятка "больших" итераций конфигурации кабельной сети.
Описание каждого устройства в dBricks включает в себя коллекции функций и наполнений портов. Функции устройства определяют назначение и информационные потоки устройства. Каждая функция описывает одно из возможных назначений устройства.
Своя функция есть у каждого устройства, входящего в комплекс оборудования. Функция определяется собственно смысловым назначением и возможностями взаимодействия с функциями других устройств. В отсутствие назначения устройство становится ненужным. В отсутствие взаимодействия с другими устройствами устройство не должно входить в комплекс.
Функции могут содержать коллекцию параметров функций. Каждый параметр функции в первом приближении обладает следующими свойствами:
Наполнение порта – это описание способа передачи данных между устройствами посредством информационных портов. Структура наполнения существенно зависит от типа шины, используемого для передачи. Между тем, есть несколько свойств, общих для всех стандартов передачи данных (типов шин):
В инструменте dBricks хранятся наполнения передающих портов, как выходных в однонаправленных шинах, так и передающих в двунаправленных шинах;
Передаваемыми данными являются информационные выходы функций устройств, т.е. выходные параметры функций;
Данные передаются посредством структур данных, называемых контейнерами данных. В отличие от параметров функций, обладающих лишь свойствами единицы измерения и типа данных, контейнеры могут иметь описание, характерное для используемого стандарта передачи данных. К характерным свойствам контейнеров могут, например, относиться: адрес, точность, частота передачи и т.д;
В зависимости от типа шины, способы кодирования параметров могут опираться как на стандартные типы данных, (например, целые числа размером 32 бита, числа с плавающей точкой размером 64 бита) так и на нестандартные типы кодирования (например, числа с фиксированной точкой, целые числа нестандартного размера). В результате при кодировании параметров функций в транспортном слое происходит неявное преобразование типа данных. Однако средства настройки позволяют при желании ограничить возможные комбинации преобразований и избежать неявных ошибок при передаче данных.
Все контейнеры, используемые в информационном наполнении, ссылаются на параметры функций, которые должны передавать;
Определение потока данных осуществляется путем привязки параметров приёмника (входа) к параметрам источника (выхода). Каждое подключение содержит данные об используемой шине (физический слой) и используемом контейнере (транспортный слой).
Рис. 3: Обмен данными
ADS2 это комплексная, легко адаптируемая программная среда и аппаратная платформа реального времени для прототипирования, интеграции, тестирования, валидации и верификации бортового оборудования в аэрокосмической отрасли, разработанная компанией TechSAT.
Принципиальное устройство системы ADS2 включает в себя следующие компоненты:
То есть минимальный обязательный состав системы ADS2 включает в себя программное ядро ADS2 (компьютер реального времени и АРМ управления), произвольный набор стандартных компонентов (таких как платы ввода-вывода и соответствующие драйверы к ним) и дополнительные модули и системы расширения необходимые заказчику.
Типовой состав системы ADS2 состоит из следующих основных компонентов:
Одно или более АРМ системы ADS2 (на базе Windows или Linux). Данные АРМ выполняют функцию управления и конфигурирования системы ADS2, контроля данных, выполнения тестов, а также разработки и отладки пользовательских программ системы ADS2.
Одна или более ПЭВМ под управлением операционной системы реального времени, позволяющая одновременное выполнение задач системы реального времени и большого количества задач по приему-передаче данных. Они состоят из:
Одна или несколько программно-коммутируемых плат ввода-вывода (FAST) для обеспечения взаимодействия посредством аналоговых сигналов, разовых команд и цифровых линий связи с управлением по Ethernet (TCP/UDP).
Опциональная система точного времени «Timemaster» для обеспечения синхронизации нескольких систем ADS2.
Базовый состав системы ADS2 легко масштабируем от небольшой настольной до большой распределенной системы. В случае необходимости наращивания функционала или изменения конфигурации системы ADS2 не потребуется изменение программного обеспечения самой системы за счет применения в ней однородной аппаратной и программной среды. Это очень важно учитывать в самом начале создания стенда. По нашему опыту в процессе эксплуатации необходимость изменения конфигурации системы возникает в самый неподходящий момент, поэтому не стоит недооценивать данный аспект.
На схеме показаны основные компоненты программного пакета системы ADS2.
Рис. 4: Архитектура ПО ADS2
Главные компоненты:
CVT – таблица текущих значений, она определяет отдельные фрагменты данных, используемых различными частями системы, которыми в свою очередь обмениваются все приложения разного типа (пользовательские или внутренние приложения ADS2). Точки CVT — это наборы переменных, где каждая отдельная переменная имеет определенный набор атрибутов, которые характеризуют переменную и отражают ее предполагаемое использование. CVT и точки CVT - единственные средства, с помощью которых приложения могут обмениваться данными между собой. Точки CVT имеют сквозные названия для всей системы, таким образом, каждая точка имеет одно определение в данный момент времени. Каждая точка имеет следующие атрибуты:
Помимо имени, присвоенного точке CVT, она также может иметь дополнительные псевдонимы, по которым на нее можно ссылаться. Отдельные точки CVT могут быть связаны друг с другом таким образом, так точка A может быть объявлена источником точки B. Эта связь определяет путь данных между этими двумя точками, таким образом, всякий раз, когда что-либо записывается в точке A, точка B обновляется соответственно. В этом случае типы данных A и B не обязательно должны быть одинаковыми; выполняется неявное преобразование данных (что, однако, может привести к потере точности). В приложениях, принимаемые и передаваемые ими данные определяются с помощью точек CVT, то есть набора точек (соответственно имен точек) входов и набора точек выходов. Так получается типовая приёмо-передающая модель интерфейсов приложений.
Для приложений совершенно прозрачны функции других приложений, получают ли или передают ли другие приложения данные, и что именно они отправляют или ожидают получить. Приложения просто читают или записывают значения точек. Программное обеспечение ядра ADS2 отвечает за доставку данных туда, где они необходимы. При обмене точками CVT, помимо фактического значения, передаются и становятся доступными для приложений дополнительные данные: каждый элемент данных содержит метку времени, которая указывает, когда эти данные были созданы, и порядковый номер, указывающий, сколько раз они были созданы.
Само программное обеспечение ADS2 использует CVT для отображения определенных состояний системы и информации. Приложения драйвера ввода-вывода предоставляют определенные предустановленные точки CVT, которые единообразно используются во всех драйверах ввода-вывода для предоставления определенной информации подписавшимся приложениям.
Рис. 5: Обмен данными через CVT
Архитектура системы ADS2 позволяет развязать между собой приложения (в т.ч. модели) и аппаратуру ввода-вывода (I/O channels). То есть приложения никогда не взаимодействуют непосредственно с физическим интерфейсом платы. Приложения общаются только с точками CVT. Взаимодействие точек CVT с физическими входными-выходными параметрами происходит автоматически под управлением ADS2. Настройка взаимодействия осуществляется с помощью конфигурационных таблиц (I/O map configuration). ADS2 поддерживает следующие виды плат ввода/вывода:
Драйверы ввода-вывода выполняют две основные операции в процессе обработки определений отображения:
Рис. 6: Доступ к оборудованию через схему ввода-вывода (таблица конфигурации)
Фактический доступ к аппаратуре ввода-вывода производится приложениями с помощью драйверов с использованием конфигурационных таблиц, содержащих настройки конвертации данных от реальных интерфейсов устройств в точки CVT и обратно. В настоящий момент система поддерживает следующие драйверы:
Программный продукт dBricks используется для генерации следующих данных, необходимых для начала работы системы ADS2:
Перечень точек CVT формируется на основе соответствующих параметров функции оборудования в dBricks.
Точки CVT генерируются для всех входных и выходных параметров функции.
Пример: Функция «Flight Warning Application» блока «СС1» имеет три входных параметра и один выходной параметр:
Рис. 7: Пример конфигурации CVT
Связи точек CVT формируются на основе связей между параметрами функций в dBricks. Например, входной параметр «In_IRU1_Roll» приложения «Flight Warning Application» связан с выходным параметром «Out_Roll_Angle» функции «Main» блока «IRU1»:
Рис. 8: Связи точек CVT
Конфигурационные таблицы ввода/вывода генерируются на основании «наполнения портов» в dBricks. Например, параметр Out_Roll_Angle передаётся посредством шины ARINC429 в слове 325, типа BNR (фиксированная точка), с младшим разрядом контейнера 11, размером контейнера 14, ценой старшего разряда 90, со знаком, время обновления 10мс. Такого описания достаточно для формирования файла конфигурации входов-выходов.
Рис. 9: Пример подключения объекта испытаний
Таким образом, на основании данных в dBricks пользователь может сформировать набор настроечных файлов, необходимых для создания конфигурации ADS2, которая будет состоять из сотен моделей и каналов входов-выходов, менее чем за 1 час.
Возможны и другие способы формирования конфигурационных таблиц CVT и таблиц CVT. Вышеуказанный способ часто используемый и хорошо иллюстрирует предлагаемый подход.
Simulink - это мощное программное средство, широко используемое в аэрокосмической отрасли. В системе ADS2 реализовано удобное и понятное взаимодействие с Simulink для разработки компьютерных моделей комплектующих изделий. В сочетании с использованием dBricks для хранения данных протоколов информационного взаимодействия, возможно создание интегрированной цепочки инструментов, существенно ускоряющей процесс разработки и отладки.
Широкое совместное применение Simulink и ADS2 возможно на основании следующих фактов:
Вся общая память ADS2 со всеми точками CVT доступна во всех узлах системы ADS2, включая ПЭВМ под управлением Windows;
Любая точка CVT доступна с любого устройства системы ADS2;
В системе ADS2 доступен интерфейс API для C++;
Simulink позволяет подключить внешний код C++ как отдельный блок (S-функцию);
Блок S-функции позволяет изменить состояние своего входного-выходного параметра по внешней команде;
Код S-функции может быть автоматически заменен другим кодом при использовании генератора кода Simulink.
Данная возможность необходима, поскольку код C++, который работает в среде Windows, не будет работать в системе реального времени в среде Linux. Таким образом, код в среде Windows должен быть заменен на код в среде Linux, если требуется генерация кода математической модели в среде реального времени.
Процесс разработки математических моделей реального времени с использованием Simulink выглядит следующим образом:
Открываем пустую модель Simulink;
Вставляем две (одну для входа и одну для выхода) S-функции в пустую модель Simulink;
Конфигурируем входные-выходные параметры S-функции с помощью специального скрипта. Скрипт использует конфигурационные файлы ADS2 как источник перечня параметров для добавления в блок S-функции;
Создаём модель системы в Simulink. Параметры, которые обмениваются данными с другими моделями, должны быть подключены к блокам S-функции;
Проводим тест нашей модели с подключенной средой ADS2 прямо в среде разработки Simulink;
Завершение разработки модели;
Генерация кода на C++ с применением генератора кода в Simulink;
Компиляция C++ кода в среде реального времени Linux;
Сохранение финальной модели реального времени в соответствующий репозиторий для дальнейшего использования.
Пример. Допустим, что мы разрабатываем систему воздушных сигналов (СВС) и хотим провести испытания в замкнутом контуре совместно с реальным индикатором (объект испытаний) и моделью воздушного судна реального времени. Модель СВС получает данные о воздушной скорости из модели воздушного судна, производит с ними действия (конвертирует единицы измерения, вносит задержки, ошибки и т.д.) и передаёт их далее на индикатор. Для проведения испытания мы запускаем среду ADS2 с моделью воздушного судна реального времени и включаем реальный индикатор. Переводим ручку управления двигателем на максимум, воздушное судно начинает набирать скорость. Модель Simulink подключена к ADS2, поэтому одновременно с увеличением модельной скорости входной параметр воздушной скорости также начинает увеличиваться. Выходной параметр воздушной скорости из модели Simulink выдаётся в ADS2, затем конвертируется в ARINC 429 и доставляется в реальный индикатор. Таким образом, мы можем наблюдать рост индицируемой воздушной скорости, передаваемой моделью СВС, на реальном оборудовании (ОИ). Это означает, что мы имеем возможность создавать и испытывать модели, используя инструмент Simulink в среде ADS2. Конечно, Simulink работающий в среде Windows, не обеспечивает функционал реального времени, но для разработки и отладки модели этого, как правило, и не требуется.
Рис. 10 Пример подключения модели Simulink к ADS2
В соответствии с требованиями программы стенд может решать одну, несколько или все следующие задачи:
В качестве имитационного комплекса мы предлагаем применять решение на базе системы ADS2, поскольку это дает следующие возможности:
Использование решения на базе системы ADS2 наиболее эффективно при использовании автоматизированной генерации конфигурационных файлов (конфигурационных таблиц и точек CVT, моделей систем) с помощью инструмента dBricks.
Одна из наиболее трудоемких задач при разработке стенда БРЭО это конфигурация моделей систем и плат ввода-вывода. С помощью dBricks эта задача решается в течение часа. Единственное, что необходимо будет сделать - это назначить, какая из плат ввода-вывода системы ADS2 будет отвечать за какой канал имитируемого оборудования. После все необходимые конфигурационные файлы могут быть сформированы автоматически.
Типовой имитационный комплекс современного самолета будет состоять из:
№ | Наименование | Количество | Описание |
---|---|---|---|
1 | ПЭВМ реального времени | 3 - 6 | Часть системы ADS2. Предназначены для: - запуска среды реального времени ADS2 - запуска полной математической модели движения воздушного судна, оборудования и т.д. - обеспечения установки интерфейсных плат и подключения реального взаимодействующего оборудования воздушного судна |
2 | АРМ оператора | 1 | Часть системы ADS2. ПК на базе Windows. Предназначен для: - настройки и управления имитационным комплексом - управления системой коммутации линий - могут быть использованы для запуска моделей в среде Simulink для проведения тестов в замкнутом контуре - регистрации информационного обмена и их последующей обработки/анализа |
3 | ПЭВМ системы визуализации | 1 - 3 | ПК на базе Windows с хорошими графическими адаптерами. Предназначены для формирования графического изображения системы визуализации. Подключается к сети передачи данных ADS2 посредством UDP пакетов |
4 | Программно-управляемые РК (FAST ADS2) | 1 - 10 | Программно-коммутируемые платы управления разрывными коробками (РК) |
5 | Платы ввода-вывода | 10-40 | Комплект плат ввода-вывода различных интерфейсов. Количество этих плат зависит от состава оборудования, устанавливаемого на стенде. Обычно в этот набор входят следующие платы: - ARINC 429 - ARINC 664 - ARINC 825 - Последовательные протоколы (RS232, RS422, RS485) - Платы разовых команд - Платы аналоговых сигналов - Платы имитации радионавигационных систем |
Некоторые поставщики систем обеспокоены своим ноу-хау и отказываются предоставлять данные, необходимые для создания моделей их систем. Поставщики двигателей - хороший пример. Обычно поставщики двигателей предоставляют свои имитаторы для обеспечения работы стенда. Эти имитаторы, как правило, подключаются к центральной системе моделирования стенда через Ethernet или в худшем случае через некоторые специальные интерфейсы, такие как «Reflective Memory». В любом случае ADS2 может поддержать любой интерфейс.
При проектировании стенда следует обратить внимание на то, какая именно послепродажная поддержка покрывается контрактом на поставку имитаторов. Поскольку разработчик стенда не может дорабатывать или ремонтировать эти имитаторы, то необходимо заручиться долгосрочным (10-15 лет) послепродажным обслуживанием и поддержкой поставляемых моделей (включая модернизацию, доработки и т.д.). Эта поддержка должна также учитывать такие проблемы, как стоимость запасных частей, стоимость и сроки ремонта, управление устареванием используемого оборудования, возможность обеспечить удаленную техническую поддержку, выезд полевого представителя, наличие системы обращений заказчика и т.д.
Кабельная сеть это одна из наиболее важных составляющих любого стенда. Подходы и инструменты, используемые для разработки и изготовления кабельной сети, могут иметь значительное влияние на график разработки и производство стенда. Мы применяем подход, который доказал свою эффективность в ряде различных проектов, вот его основные принципы:
Кабельная сеть стенда не предполагается для использования в полете, таким образом, не требуется 100% соответствие конструкции проводки стенда и КД на проводку воздушного судна. Более того, применение кабельной сети воздушного судна может значительно увеличить сроки разработки стенда, поскольку:
Устройства разрыва цепи (разрывные коробки) должны применяться на стенде для каждой шины. У этого решения есть свои преимущества:
Рис. 11: Жгут стенда в сборе
Специальное оборудование стенда, например, согласующие устройства или адаптеры имитируемых систем, должны быть подключены через вышеупомянутые разрывные коробки;
Мы советуем применять в качестве разрывных коробок простейшие широко распространённые клеммные колодки WAGO 2002-1871 (или аналогичные с возможностью разрыва линии) с возможностью монтажа на DIN рейку.
Рис. 12: РК на базе клеммных колодок WAGO
Решение на базе клеммных колодок позволяет просто размножать соединения если объединить несколько клеммных колодок WAGO в группу как показано ниже:
Рис. 13.а: Пример конфигурации РК с применением колодок WAGO
Рис. 13.б: Пример конфигурации РК с применением колодок WAGO
Общий пример одновременного подключения двух типов разрывных коробок:
Рис. 14: Пример подключения имитационного комплекса к двум типам разрывных коробок. UTT=Unit under test
Разработка и сопровождение КД на КС стенда может быть выполнена в специальном программном модуле инструмента dBricks. Функционал модуля включает следующие функции:
При таком подходе разработка документации на кабельную сеть стенда обычно занимает 1-2 человеко-месяца (для самолета размера и оснащенности пассажирского авиалайнера).
Макет кабины экипажа, как правило, должен:
Компоновка кабины экипажа подвергается частым изменениям, особенно до момента совершения первого вылета воздушного судна, поэтому мы начинаем разработку БРЭО с макета кабины экипажа и затем переходим к финальному решению.
Первоначальный макет кабины экипажа может быть разработан на основании первоначального представления о кабине экипажа. При этом незначительные изменения штатной компоновки допускается не распространять на первоначальный макет кабины. Одновременно с этим конструкция первоначального макета кабины должна предоставлять технологический доступ к задним панелям устройств. Ниже приведен пример подобного первоначального макета кабины, следует отметить, что все боковые панели легкосъемные, а в целом конструкция – модульная.
Рис. 15: Первоначальный макет кабины экипажа
При возможности мы рекомендуем не применять поднятую платформу, хотя и есть как минимум две весомых причины её использовать для макета кабины:
Мы считаем, что высоту подъема макета кабины следует по возможности уменьшить. Поскольку это напрямую влияет на безопасность и простоту использования стенда. Лестница на стенде более опасна, чем обычная лестница, поскольку люди ходят по стенду во время работы, при этом они не так сфокусированы на ходьбе, как если бы они перемещались из одного здания в другое. Наличие ступенек также не позволяет использовать тележки, с платформы могут упасть кресла на колесиках и т.п.
Окончательный макет кабины должен соответствовать размерам реальной кабины экипажа для соответствия сертификационным требованиям. В зависимости от состава проверок и подхода властей может возникнуть необходимость в создании дополнительного «окончательного» макета кабины экипажа, воспроизводящего реальную кабину. Для этой задачи рекомендуется применение реальных частей фюзеляжа с реальными местами установки оборудования, креслами пилотов и т.д. Например, для стенда «Электронная птица» программы SSJ-100 был применен образец реальной кабины экипажа, первоначально использовавшийся для отладки сборочной линии. Его невозможно было применить в реальном самолете, поскольку он не отвечал формальным требованиям производства, но полностью подходил для задач испытательного стенда.
Если вы планируете использовать макет кабины как часть тренажёра с уровнем, скажем FTD level 4 следует учитывать требования 4 CFR, часть 60. В разделе 1b таблицы Table B1A «Minimum FTD Requirements – General FTD Requirements QPS REQUIREMENTS» говорится: «The FTD must have equipment (e.g., instruments, panels, systems, circuit breakers, and controls) simulated sufficiently for the authorized training/checking events to be accomplished. The installed equipment must be located in a spatially correct location and may be in a flight deck or an open flight deck area. Additional equipment required for the authorized training/checking events must be available in the FTD, but may be located in a suitable location as near as practical to the spatially correct position. Actuation of equipment must replicate the appropriate function in the airplane. Fire axes, landing gear pins, and any similar purpose instruments need only be represented in silhouette.» С нашей точки зрения даже первоначальный макет кабины экипажа соответствует этим требованиям.
Рис. 16: Макет кабины экипажа SSJ-100 на стенде «Электронная птица»
Существует большое количество коммерчески-доступных решений в области имитации внешней визуальной обстановки для летных тренажеров и испытательных стендов. Решения варьируются от простых дисплеев до высококлассных коллиматорных систем. По нашему опыту применение системы имитации внешней визуальной обстановки может потребоваться всего в двух ситуациях:
CFR 60 Table B1A section 6.a определяет: «The FTD may have a visual system, if desired, although it is not required. If a visual system is installed, it must meet the following criteria...». Таким образом, нет никакой необходимости в применении системы имитации внешней визуальной обстановки для FTD Level 4. Даже если в качестве системы визуализации будет установлен простой монитор, то он будет соответствовать требованиям, изложенным в разделах 6.a.1-6.a.7 CFR 60.
Большинство сертификационных испытаний проводится в наихудших возможных условиях видимости, что, как правило, означает применение правил полета по приборам и нулевой видимости. Единственный тип сертификационных испытаний, где действительно имеет значение качество системы имитации внешней визуальной обстановки — это оценка минимумов взлёта/захода на посадку. Выполнение этих испытаний на стенде позволяет сэкономить 20-40 испытательных полетов. По нашему опыту, официальные органы не требовали применения высококлассной системы имитации для использования результатов стендовых испытаний в качестве средства подтверждения соответствия. В любом случае следует проконсультироваться с сертифицирующими органами, если эти испытания планируется проводить на стенде.
В реальной жизни инженеры почти не используют систему визуализации, поскольку они сосредоточены на поведении оборудования. Летчиков-испытателей обычно устраивает простейшая система имитации внешней визуальной обстановки. Система визуализации внешней обстановки может быть полезна для маркетинговой деятельности компании и формирования различных публикаций в прессе.
Таким образом, логичным представляется выбор решения с применением цилиндрической или сферической проекционной системы, что позволит обеспечить:
Мы предлагаем применять коммерчески доступные телекоммуникационные стойки (серверные стойки) для размещения оборудования, которое штатно располагается вне кабины экипажа. Единственная сложность может быть вызвана необходимостью размещения оборудования, требующего принудительного охлаждения. Эта проблема может быть решена несколькими путями:
Система распределения энергии предназначена для распределения электропитания ОИ. Она копирует систему СЭС установленную на летательном аппарате.
Преобразование 115В переменного тока в 28В постоянного и 115В 400 Гц не представляет сложности, поскольку на рынке доступно большое количество готовых решений. Поэтому это не является предметом данного описания.
Мы применяем следующий подход:
Первоначальный макет СЭС выполняется с использованием коммерчески доступных элементов, таких как зажимы WAGO, реле, предохранители и т.д. Все эти устройства монтируются на DIN рейку или аналогичные легкодоступные поверхности. Схемы для всех подключений должны повторять «настоящую» СЭС летательного аппарата. Твердотельные распределительные устройства можно использовать с самого начала. СЭС реального летательного аппарата, как правило, подвержена множественным изменениям и обновлениям, особенно на ранних стадиях проектирования. Все эти изменения могут быть реализованы намного проще при использовании легомодифицируемого макета, чем «реальных» компактных авиационных распределительных устройств.
Перед началом сертификационных испытаний макет распределительной системы может быть заменен настоящим образцом.
В соответствии с требованиями программы стенд может решать одну, несколько или все следующие задачи:
В качестве имитационного комплекса для стенда быстрого прототипирования мы предлагаем применять решение на базе системы ADS2 по тем же причинам, что и для стенда полунатурного моделирования.
Типовой имитационный комплекс стенда:
№ | Наименование | Количество | Описание |
---|---|---|---|
1 | ПЭВМ реального времени | 1 | Часть системы ADS2. Предназначены для: - запуска среды реального времени ADS2; - запуска полной математической модели движения воздушного судна, оборудования и т.д.; - обеспечения установки интерфейсных плат и подключения реального взаимодействующего оборудования воздушного судна |
2 | АРМ оператора | 1 | Часть системы ADS2. ПК на базе Windows. Предназначен для: - настройки и управления имитационным комплексом; - управления системой коммутации линий;могут быть использованы для запуска моделей в среде Simulink для проведения тестов в замкнутом контуре; - регистрации информационного обмена и их последующей обработки/анализа |
3 | ПЭВМ имитации органов управления и индикаторов | 2-3 | Часть системы ADS2. ПК на базе Windows. Идентичен АРМ оператора, но используется для имитации органов управления летательным аппаратом и индикаторов |
4 | ПЭВМ системы визуализации | 1 | ПК на базе Windows с хорошими графическими адаптерами. Предназначены для формирования графического изображения системы визуализации. Подключается к сети передачи данных ADS2 посредством UDP пакетов |
Любой испытательный стенд развивается по мере продвижения проекта. Следовательно, никто не может предложить «полный» или «лучший» набор моделей для разработки. Чтобы стенд быстрого прототипирования был полезен на протяжении всего срока проекта и при этом требовал разумных трудовых вложений, надо проявить гибкость и попытаться использовать подход в стиле принципа Парето. Тем не менее, мы попытаемся привести примеры «начального» и «расширенного» набора моделей, чтобы проиллюстрировать усредненный случай.
Первоначальный набор моделей в нашем примере предназначен для поддержания следующих работ:
На начальном этапе тестирования нет необходимости реализовывать сложные модели электроники управления полетом, которые включают резервирование, реконфигурацию, задержку и т.д. Нет необходимости и в тестировании сложных приложений, таких как FMS. Поэтому можно использовать следующий предварительный список моделей:
№ | Модель | Средство разработка | Размещение модели в имитационном комплекса | Описание |
---|---|---|---|---|
1 | Модель движения летательного аппарата | Simulink | ПЭВМ РВ | Простая жесткая модель ЛА. Опыт показывает, что решения, подобные XPlane, недостаточно точны для построения соответствующих законов управления. Простая модель Simulink должна быть основана на тщательном численном моделировании аэродинамики в сочетании с результатами испытаний в аэродинамической трубе |
2 | Модель атмосферы | Simulink | ПЭВМ РВ | Включает стандартную атмосферу, моделирование ветра, простое моделирование атмосферных аномалий |
3 | Упрощенная модель двигателя | Simulink | ПЭВМ РВ | Прямая связь между ручкой управления и тягой |
4 | Упрощенная электроника управления полетом | Simulink | ПЭВМ РВ | Без резервирования, без кворумирования сигналов, без дополнительных датчиков (например, гидравлики) |
5 | Упрощенные приводы поверхностей управления полетом | Simulink | ПЭВМ РВ | Отсутствие зависимости от источника энергии(гидравлики и электричества), отсутствие обратной связи от аэродинамических сил |
6 | Упрощенные датчики систем воздушных сигналов и пространственной ориентации | Simulink | ПЭВМ РВ | Без резервирования, без моделей ошибок |
7 | PFD simulation | C++ или Python | ПЭВМ имитации органов управления и индикаторов | Без избыточности, без контроля работоспособности, без реконфигурации, без навигации, без данных TAWS или TCAS |
«Продвинутый» набор моделей должен поддерживать следующие работы:
В результате список финальных моделей намного длиннее. Приведенный ниже список не является ни полным, ни точным. Однако мы считаем, что он может дать представление о том, что предстоит сделать.
Продвинутый список моделей:
№ | Модель | Средство разработки | Размещение модели в имитационном комплексе | Описание |
---|---|---|---|---|
1 | Модель движения летательного аппарата | Simulink | ПЭВМ РВ | |
2 | Модель атмосферы | Simulink | ПЭВМ РВ | Включает стандартную атмосферу, моделирование ветра, простое моделирование аномалий, аномалии, регулируемые консультативным циркуляром FAA |
3 | Модель двигателя | Simulink | ПЭВМ РВ | Включает механическую часть двигателя |
4 | Электроника управления двигателем | Simulink | ПЭВМ РВ | Включает отдельные модели для каналов управления и контроля, включает в себя параллельный мониторинг и логику управления, использует резервированные источники данных |
5 | Электроника управления полетом | Simulink | ПЭВМ РВ | Включает отдельные модели для каналов управления и контроля, включает в себя параллельный мониторинг и логику управления, использует резервированные источники данных. учитывает возможные отказы электрики и гидравлики |
6 | Приводы рулевых поверхностей | Simulink | ПЭВМ РВ | Зависит от всех факторов, которые могут повлиять на функциональность: состояние гидравлики и электрики |
7 | Точные датчики авионики | Simulink | ПЭВМ РВ | Отдельные модели для отдельных датчиков: ADC, IRU, GPS, VOR, DME, RA, ILS и др. Содержит имитацию возможных отказов и ошибок измерений |
8 | Системы летательного аппарата | Simulink | ПЭВМ РВ | Включает модели систем, которые могут повлиять на поведение авионики: Генерация и распределение электроэнергии, ВСУ, топливо, гидравлика, шасси, управление носовым колесом, управление дверями, противопожарная защита, состояние кабины экипажа и т.д. |
9 | Электронные системы летательного аппарата | Simulink | ПЭВМ РВ | Включает имитаторы датчиков, концентраторов данных, если требуется, и контроллеров систем при их наличии |
10 | Имитатор индикатора | C++ или Python | ПЭВМ имитации органов управления и индикаторов | Обычно состоит из PFD, ND, FMS, TAWS, CAS, синоптических страниц, CAS сообщений и т.д.Должны учитывать реальные потоки данных, избыточность, если есть, реконфигурацию и т.д. |
11 | Органы управления и светосигнальные табло | C++ или Python | ПЭВМ имитации органов управления и индикаторов | |
12 | Прочие органы управления | C++ или Python | ПЭВМ имитации органов управления и индикаторов | Включает ручку уборки-выпуска шасси, ручку поворота рулевого колеса, рычаг управления закрылками / предкрылками, рычаг управления спойлерами и т.д. |
13 | Центральный вычислитель | Simulink, C++ или Python | ПЭВМ РВ | Обычно включает следующие приложения: FWS, DCA, SWS, CMS |
Для плавного перехода между начальным и расширенным набором моделей должны быть соблюдены следующие критерии для систем моделирования:
Отдельно стоит отметить, что если для стендов быстрого прототипирования и для стендов полунатурного моделирования используется одинаковая архитектура, то многие из вышеупомянутых моделей разрабатываются один раз и могут быть легко повторно использованы в составе любого из стендов.
Для макета кабины стендов MIL мы используем такой подход:
Рис. 17 Концепция макета кабины
Любая система имитации внешней визуальной обстановки требует от среды моделирования непрерывной информации о координатах ЛА и углах Эйлера. Обычно эти данные отправляются с использованием Ethernet общего назначения через пакеты UDP. Среду ADS2 можно легко настроить для отправки пакетов UDP с координатами воздушного судна. Это позволяет применять практически любую систему имитации внешней визуальной обстановки.
Конструкция стенда очень проста, когда понимаешь, почему то или иное решение было принято. Данный материал создан на основании многолетнего труда, а также опыта применения удачных и неудачных технических решений.
CTP.0001.02.en Avionics Equipment Integration Test Benches. Design Proposal