salut!



Au cours de mon travail dans l'industrie aéronautique, mes collègues et moi avons accumulé une grande expérience dans la conception et la création de supports de modélisation semi-naturelle pour les équipements embarqués d'aéronefs (Hardware-In-the-Loop, HIL) et de stands de prototypage rapide (Model-In-the-Loop, MIL). Cette publication est une tentative de consolider notre expérience en une seule publication. Le texte résultant s'est avéré assez détaillé, mais la main ne se lève pas pour couper quelque chose. De plus, lors d'un raccourcissement par endroits, une relation causale peut disparaître. Donc, cela sera expliqué ici:

• Sur les outils utilisés pour automatiser le développement du stand et son support;
• Sur le logiciel et le matériel du complexe de simulation;
• Approches de la construction des stands HIL et MIL;
• Sur diverses techniques qui accélèrent la création d'un stand et simplifient sa modernisation et son fonctionnement.

Qui s'en soucie - bienvenue au chat.

Contexte du problème

Nous sommes un groupe d'ingénieurs possédant une vaste expérience dans l'industrie aéronautique civile.



Nous travaillons sur la création d'équipements embarqués, de stands, de simulateurs pour les avions SSJ-100 Sukhoi Superjet, MC-21, DA-42T, L-410UVP-E20.



Dès le premier stand, nous avons été confrontés à un manque de directives pour ceux qui vont construire un banc d'essai avec des dizaines de milliers de fils, des centaines de milliers de signaux et une structure en constante évolution. En raison de ce vieux désir de connaissances, mes collègues et moi avons décidé de partager nos meilleures pratiques - et si quelqu'un marche le long de notre râteau préféré en ce moment?



Tel que nous le voyons aujourd'hui, tout stand présente les caractéristiques suivantes:

1. Les supports sont constitués d'équipements - objet de test, réseau câblé, complexe de simulation, logiciel pour le complexe de simulation;
2. Facultativement, des dispositifs tels qu'une maquette d'un cockpit, un système de visualisation, des systèmes de chargement de contrôle, etc.
3. L'objet de test change constamment à mesure que le produit se développe;
4. Les exigences en matière de tests changent constamment;
5. La mission technique du stand ne contient pas toutes les exigences, la plupart des fonctionnalités devront être complétées à la volée;
6. Pour qu'un banc de test soit vraiment utile, il doit changer plus rapidement que l'objet de test.

Face à la nature volatile du site de test, nous avons réalisé que:

1. Toutes les parties «en fer» du stand (réseau câblé, aménagement du cockpit, etc.) doivent être facilement modifiées;
2. L'architecture du complexe d'imitation, la structure des modèles et des simulateurs doivent également être facilement modifiées et contrôlées;
3. Vous ne pouvez pas vous passer d'outils et d'environnement de développement;

Par conséquent, nous commencerons notre présentation par une description des outils de développement et de l'architecture du complexe de simulation.

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Partie 1. Outils de développement

Dans cette section, nous décrivons deux des trois principaux outils: le logiciel dBricks et l'environnement logiciel de simulation ADS2R4. Le troisième élément de la chaîne d'outils, Simulink, n'a probablement pas besoin d'être présenté et décrit. Il est également important de mentionner que ces trois produits, s'ils sont manipulés correctement, peuvent être étroitement intégrés les uns aux autres et simplifier la plupart des processus de développement des stands.

1. dBricks est un outil logiciel russe pour le développeur du complexe avionique , développé par PIRSS LLC
2. ADS2R4 - environnement du complexe de simulation, développé par TechSAT

dBricks est utilisé pour:

1. Développement de protocoles pour l'interaction d'informations des équipements embarqués - objet de test;
2. Formation automatisée de l'architecture des modèles mathématiques;
3. Développement de la documentation de conception du réseau câblé du stand;
4. Génération automatisée de fichiers de configuration décrivant les entrées / sorties au format de l'environnement complexe de simulation ADS2R4.

ADS2R4 est un runtime de test et de simulation en temps réel spécialement conçu pour le développement, le test et la validation d'une architecture avionique qui répond à la fois aux exigences d'intégrité et de polyvalence. 

À propos de l'outil dBricks 

dBricks est le principal outil utilisé pour accélérer le développement et l'intégration d'une avionique complexe. L'outil est une base de données pour le traitement des données de conception suivantes:

1. Protocoles de communication;
2. Diagrammes structurels et conceptuels;
3. Schémas et tableaux de connexion;
4. Dessins d'assemblage et tableaux de faisceaux;
5. Spécifications des exigences pour les développeurs de logiciels.

L'outil offre les avantages suivants:

1. Un seul outil pour travailler avec les données garantit la compatibilité de tous les résultats de travail;
2. L'interface multi-utilisateur permet à une grande équipe de développement distribuée de travailler simultanément;
3. Contrôle intégré des connexions et des configurations logicielles;
4. Sortie de données automatisée sous forme de divers rapports, tableaux, diagrammes, documents et fichiers dans un format lisible par l'homme;
5. Sortie de données automatisée dans un format lisible par machine, y compris pour la configuration du système ADS2, de l'équipement réseau;
6. Interaction avec d'autres systèmes de CAO si nécessaire.

Il est clair que le format des fichiers générés automatiquement est adapté aux exigences du projet.



L'outil dBricks lui-même dispose d'une fonctionnalité d'accès à l'API qui est utilisée pour générer vos propres scripts pour générer des documents, et peut également être utilisée pour remplir et mettre à jour le contenu de la base de données.



L'utilisation de dBricks garantit aux développeurs de stands:

1. Génération automatisée rapide des fichiers de configuration ADS2, qui ne contiendront pas 100% d'erreurs de copie manuelle («facteur humain»);
2. Le câblage du stand peut être développé sur la base des données du réseau câblé embarqué d'un objet (par exemple, un avion) ​​stockées dans dBricks.

À propos d'un complexe de simulation basé sur ADS2

ADS2 est un environnement logiciel complet et hautement adaptable et une plate-forme matérielle en temps réel pour le prototypage, l'intégration, les tests, la validation et la vérification de l'avionique dans l'industrie aérospatiale, développé par TechSAT.



La structure de base du système ADS2 comprend les éléments suivants: 

1. La partie matérielle, qui comprend des AWP spécialisés (basés sur Windows ou Linux), des cartes d'entrée-sortie, des dispositifs de commutation de ligne de communication (y compris le contrôle de la connexion OI ), etc. 
2. L'environnement logiciel ADS2 Core est un système en temps réel distribué qui intègre tous les composants ADS2.
3. Logiciels de support matériel de bas niveau inhérents tels que les pilotes de périphériques exécutés sur le cœur ADS2.
4. Le module shell graphique ADS2 est un service qui permet à l'opérateur de contrôler le système ADS2 en temps réel.

Autrement dit, la composition minimale obligatoire du système ADS2 comprend le cœur du logiciel ADS2 (ordinateur en temps réel et poste de travail de contrôle), un ensemble arbitraire de composants standard (tels que les cartes d'entrée-sortie et les pilotes correspondants) et les modules supplémentaires et les systèmes d'extension requis par le client. 

À propos de l'équipement ADS2

Un système ADS2 typique comprend les principaux composants suivants:  

1. ADS2 ( Windows Linux). ADS2, , , ADS2. 
2. , - . : 
   
   
   
   
   • ( ADS2) 
   •  
   • - , AFDX, CAN, ARINC 429, MIL-STD-1553 (), RS-485, Ethernet ..
   
   
   
3. - - (FAST) , Ethernet (TCP/UDP).
4. «Timemaster» ADS2.

Le système ADS2 de base est facilement évolutif d'un petit système de bureau à un grand système distribué. S'il est nécessaire d'augmenter la fonctionnalité ou de modifier la configuration du système ADS2, il ne sera pas nécessaire de modifier le logiciel du système lui-même en raison de l'utilisation d'un environnement matériel et logiciel homogène. Il est très important d'en tenir compte au tout début de la création du stand. D'après notre expérience, pendant le fonctionnement, la nécessité de modifier la configuration du système survient au moment le plus inopportun, alors ne sous-estimez pas cet aspect. 

Comment Simulink est utilisé dans ADS2

Simulink est un outil logiciel puissant largement utilisé dans l'industrie aérospatiale. Le système ADS2 implémente une interaction pratique et compréhensible avec Simulink pour le développement de modèles informatiques de composants. En combinaison avec l'utilisation de dBricks pour stocker les données des protocoles de communication, il est possible de créer une chaîne intégrée d'outils qui accélère considérablement le processus de développement et de débogage.

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Partie 2. Stands

Stand pour la modélisation semi-naturelle du complexe d'équipements embarqués (HIL Testing)

Conformément aux exigences du programme, le stand peut résoudre une, plusieurs ou toutes les tâches suivantes:

1. Soutien au développement de l'avionique;
2. Test complet des équipements embarqués, y compris des tests en boucle fermée avec un pilote, interaction avec des simulateurs d'équipements embarqués, imitation de la dynamique de vol des aéronefs et des conditions externes;
3. Effectuer une évaluation initiale du fonctionnement des équipements de bord par l'équipage de conduite;
4. Tests de certification, y compris les tests de résistance de l'avionique à d'éventuelles pannes; travail en mode décollage et atterrissage dans des conditions de visibilité minimale, élaboration des modes d'approche du sol, etc.
5. Développement de la documentation opérationnelle;
6. Formation des pilotes de ligne sur une installation de formation technique correspondant, par exemple, au niveau FTD 4.

Quel complexe d'imitation utiliser

En tant que complexe de simulation, nous proposons d'utiliser une solution basée sur le système ADS2, car elle offre les capacités suivantes:

1. , ;
2. ;
3. Simulink ;
4. . ;
5. ;
6. ;
7. .

L'utilisation d'une solution basée sur le système ADS2 est plus efficace lors de l'utilisation de la génération automatisée de fichiers de configuration (tables de configuration et points CVT, modèles système) à l'aide de l'outil dBricks. 



L'une des tâches les plus chronophages du développement d'un stand avionique est la configuration de modèles de systèmes et de cartes d'E / S. Avec dBricks, cette tâche prend une heure. La seule chose à faire est d'affecter laquelle des cartes d'E / S ADS2 sera responsable de quel canal de l'équipement simulé. Après cela, tous les fichiers de configuration nécessaires peuvent être générés automatiquement.

Intégration de simulateurs tiers

Certains fournisseurs de systèmes sont préoccupés par leur savoir-faire et refusent de fournir les données nécessaires pour créer des modèles de leurs systèmes. Les ingénieurs sont un bon exemple. En règle générale, les fournisseurs de moteurs fournissent leurs simulateurs pour faire fonctionner le stand. Ces simulateurs sont généralement connectés à un système de simulation de banc central via Ethernet ou dans le pire des cas via certaines interfaces spéciales telles que «Reflective Memory». Dans tous les cas, ADS2 peut prendre en charge n'importe quelle interface. 



, . , (10-15 ) ( , ..). , , , , , , ...

Le réseau câblé est l'un des composants les plus importants de tout stand. Les approches et outils utilisés pour concevoir et fabriquer un câblage peuvent avoir un impact significatif sur le planning de conception et de fabrication d'un stand. Nous utilisons une approche qui s'est avérée efficace dans un certain nombre de projets différents, voici ses principes de base:

• , , 100% . , , :
  
  — ;
  
  — ;
• ( ) . :
  
  — ;
  
  — 5 ;
  
  — .

. 11:

• , , , ;

WAGO 2002-1871 ( ) DIN .





. 12: WAGO



  WAGO :





. 13.: WAGO





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• . – WAGO, . – - ( ADS2). , , . 
  
  :

. 14:

• dBricks. :
  
  — , , ..;
  
  — , dBricks , 100% (« »);
  
  — .

1-2 - ( ).

Comment créer une disposition de cockpit

La disposition du cockpit, en règle générale, devrait:

1. Prévoir un endroit pour l'installation de l'équipement de l'objet d'essai, normalement situé dans le cockpit;
2. Fournir un accès pratique (si possible) à l'objet de test, au câblage de cet équipement, aux mécanismes, etc.
3. Répétez la disposition du cockpit;
4. Répétez la vue de la zone environnante depuis le cockpit.

L'aménagement du cockpit est soumis à de fréquents changements, notamment avant le premier départ de l'avion, nous commençons donc le développement de l'avionique avec une maquette du cockpit puis passons à la décision finale.



Disposition initiale du cockpit Une disposition initiale du cockpit



peut être développée à partir d'une vue initiale du cockpit. Dans le même temps, des modifications mineures de la disposition standard peuvent ne pas être appliquées à la disposition originale du cockpit. Dans le même temps, la conception de l'aménagement initial de la cabine devrait permettre un accès technologique aux panneaux arrière des appareils. Ci-dessous, un exemple de disposition initiale similaire du cockpit, il convient de noter que tous les panneaux latéraux sont facilement amovibles, et en général la structure est modulaire.





Figure: 15: Aménagement initial du cockpit



Dans la mesure du possible, nous recommandons de ne pas utiliser la plate-forme surélevée, bien qu'il y ait au moins deux bonnes raisons de l'utiliser pour l'aménagement du cockpit:

1. Certains systèmes de visualisation nécessitent un espace libre sous le plancher de la cabine. Pour utiliser un système de visualisation cylindrique, il est généralement nécessaire d'élever la disposition de la cabine à une hauteur de 1,2 à 1,5 mètre. Un collimateur, une projection sphérique ou un système de visualisation basé sur de simples moniteurs n'en ont pas besoin.
2. Dans le cas de l'utilisation de poteaux de pédale ou d'autres commandes mécaniques, un certain espace sous le plancher de la cabine est nécessaire. Dans ce cas, la disposition de la cabine doit également être installée à une hauteur d'environ 50 centimètres du niveau du sol.

, . . , , , , . , ..



–



La disposition finale du cockpit doit correspondre aux dimensions du cockpit réel pour répondre aux exigences de certification. En fonction de la composition des inspections et de l'approche des autorités, il peut être nécessaire de créer une maquette supplémentaire de cockpit «final» qui reproduit le cockpit réel. Pour cette tâche, il est recommandé d'utiliser des pièces réelles du fuselage avec des emplacements réels d'installation des équipements, des sièges pilotes, etc. Par exemple, pour le stand Electronic Bird du programme SSJ-100, un échantillon d'un cockpit réel a été utilisé, utilisé à l'origine pour le débogage d'une chaîne de montage. Il ne pouvait pas être utilisé dans un avion réel, car il ne répondait pas aux exigences formelles de la production, mais il était parfaitement adapté aux tâches du banc d'essai.











Figure: 16: Aménagement du cockpit du SSJ-100 au stand Electronic Bird

Quel système d'imitation de l'environnement visuel externe utiliser

Il existe un grand nombre de solutions d'environnement visuel disponibles dans le commerce pour les simulateurs de vol et les bancs d'essai. Les solutions vont des écrans simples aux systèmes de collimateurs haut de gamme. D'après notre expérience, l'utilisation d'un système de simulation d'un environnement visuel externe peut être nécessaire dans seulement deux situations:

1. Utilisation du support comme simulateur (par exemple, FTD niveau 4),
2. Quelques tests de certification.

CFR 60 Table B1A section 6.a : «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...». , FTD Level 4. , , 6.a.1-6.a.7 CFR 60. 



La plupart des essais de certification sont effectués dans les pires conditions de visibilité possibles, ce qui signifie généralement l'application des règles de vol aux instruments et une visibilité nulle. Le seul type de test de certification où la qualité du système de simulation d'environnement visuel externe compte vraiment est l'évaluation des minimums de décollage / approche. La réalisation de ces tests sur le stand permet d'économiser 20 à 40 vols d'essai. D'après notre expérience, les autorités n'avaient pas besoin d'un système de simulation haut de gamme pour utiliser les résultats des tests au banc comme moyen de validation. Dans tous les cas, les autorités de certification doivent être consultées si ces essais sont prévus pour être réalisés sur le stand.



Dans la vraie vie, les ingénieurs n'utilisent pratiquement jamais de système de visualisation car ils se concentrent sur le comportement de l'équipement. Les pilotes d'essai sont généralement satisfaits du système le plus simple de simulation de l'environnement visuel externe. Le système de visualisation de l'environnement externe peut être utile pour les activités de marketing de l'entreprise et la formation de diverses publications dans la presse.



Ainsi, il semble logique de choisir une solution utilisant un système de projection cylindrique ou sphérique, qui fournira:

1. Champ avec un champ de vision 120x60 degrés.
2. Coût initial modéré du système et coût de son fonctionnement.

Comment placer des objets de test sur le banc

Nous proposons d'utiliser des racks de télécommunications disponibles dans le commerce (racks de serveurs) pour accueillir des équipements qui sont normalement situés à l'extérieur du cockpit. La seule difficulté peut être causée par la nécessité de localiser des équipements nécessitant un refroidissement forcé. Ce problème peut être résolu de plusieurs manières:

1. Le développement d'un système de refroidissement spécial, qui est un ventilateur haute pression avec un absorbeur de bruit et des conduits d'air;
2. Installation de simples ventilateurs basse pression dans des cadres spéciaux sous l'appareil refroidi. Cependant, les ventilateurs basse pression ne fournissent pas toujours les performances requises;
3. Installation de ventilateurs haute pression dans des cadres spéciaux sous l'appareil refroidi. Cette solution a des performances élevées mais produit beaucoup de bruit;
4. Installation d'une porte spéciale avec climatisation intégrée sur un rack de télécommunication, par exemple Rittal SK.

Comment créer un système de distribution d'énergie

Le système de distribution d'énergie est conçu pour distribuer l'alimentation électrique à l'OI. Il copie le système SES installé sur l'avion.



La conversion de 115VAC en 28VDC et 115VAC 400Hz est simple car il existe de nombreuses solutions disponibles sur le marché. Ce n'est donc pas le sujet de cette description.



Nous adoptons l'approche suivante:

1. Au départ, une disposition spéciale du système de distribution est utilisée;
2. Avant le début des tests de certification, la maquette est remplacée par un véritable système de distribution.

La configuration initiale du SPP est réalisée à l'aide de composants disponibles dans le commerce tels que des pinces WAGO, des relais, des fusibles, etc. Tous ces appareils sont montés sur un rail DIN ou une surface similaire facilement accessible. Les schémas de toutes les connexions doivent répéter le «vrai» SES de l'aéronef. L'appareillage à semi-conducteurs peut être utilisé dès le départ. Le SES d'un avion réel, en règle générale, est soumis à de multiples changements et mises à jour, en particulier dans les premiers stades de la conception. Tous ces changements peuvent être mis en œuvre beaucoup plus facilement en utilisant une disposition facilement modifiable que le «vrai» appareillage d'avion compact.

La configuration du système de distribution peut être remplacée par un échantillon réel avant les tests de certification.

Support de prototypage rapide pour équipements aéroportés (test MIL)

Conformément aux exigences du programme, le stand peut résoudre une, plusieurs ou toutes les tâches suivantes:

1. Évaluation des lois sur les commandes de vol;
2. Évaluation préliminaire ou mise en page des tableaux de bord (indicateurs, contrôles);
3. Débogage des flux d'échange d'informations d'équipements;
4. Évaluation des besoins en matériel avant leur transfert aux services responsables de la production du matériel et du développement logiciel;
5. Effectuer des évaluations et des contrôles précoces de la tolérance aux pannes du système.

Quel complexe d'imitation utiliser

En tant que complexe de simulation pour le stand de prototypage rapide, nous proposons d'utiliser une solution basée sur le système ADS2 pour les mêmes raisons que pour le stand de simulation semi-naturel. 

Comment développer des modèles mathématiques 

Tout banc d'essai évolue au fur et à mesure de l'avancement du projet. Par conséquent, personne ne peut offrir un ensemble «complet» ou «meilleur» de modèles de développement. Pour qu'un support de prototypage rapide soit utile tout au long de la vie d'un projet et nécessite toujours un investissement raisonnable, vous devez être flexible et essayer d'utiliser une approche de style Pareto. Cependant, nous essaierons de fournir des exemples d'un ensemble de modèles «initial» et «étendu» pour illustrer le cas moyen.



L'ensemble initial de modèles dans notre exemple est conçu pour prendre en charge les travaux suivants:

1. Développement et vérification des lois pour tester les systèmes de contrôle;
2. Démonstration et vérification de la disposition initiale de l'indicateur VFI .

Dans la phase de test initiale, il n'est pas nécessaire de mettre en œuvre des modèles électroniques de commande de vol complexes qui incluent la redondance, la reconfiguration, le retard, etc. Il n'est pas nécessaire de tester des applications complexes comme FMS . Par conséquent, la liste préliminaire suivante de modèles peut être utilisée:



Un ensemble de modèles "avancés" doit prendre en charge les travaux suivants:

1. Vérifications avancées des lois sur les commandes de vol, y compris la redondance, les retards, la gestion des défauts, etc.
2. La capacité de vérifier les lois et la logique de la commande du pilote automatique;
3. Simulation et évaluation complètes de l'environnement d'information du poste de pilotage, y compris les messages PFD, ND , FMS, CAS , les pages synoptiques et les commandes;
4. Débogage des flux d'échange d'informations des équipements, y compris l'analyse du chemin de chaque paramètre de la source à l'utilisateur final;
5. Analyse des conséquences des échecs;
6. Validez les exigences logicielles avant de passer à la phase de développement de logiciels à forte intensité de main-d'œuvre conformément à DO-178.

En conséquence, la liste des modèles finaux est beaucoup plus longue. La liste ci-dessous n'est ni complète ni exacte. Cependant, nous pensons qu'il peut fournir une indication de ce qui reste à faire.



Pour une transition en douceur entre l'ensemble initial et étendu de modèles, les critères suivants pour les systèmes de modélisation doivent être remplis:

1. Architecture évolutive des systèmes de modélisation;
2. Utiliser des outils pour gérer la configuration des flux de données;
3. Génération automatisée de configurations de modèle d'interface. Doit inclure principalement des parties d'E / S des modèles Simulink et des parties de code d'E / S pour les modèles développés en C ++ ou Python;
4. Système de contrôle de configuration.

Il convient de noter séparément que si la même architecture est utilisée pour les stands de prototypage rapide et pour les stands de modélisation semi-naturels, alors la plupart des modèles ci-dessus sont développés une fois et peuvent être facilement réutilisés dans l'un des stands.

Comment créer une disposition de cockpit

En règle générale, nous avons utilisé l'approche suivante pour la disposition du stand MIL:

1. Toute l'avionique, y compris les indicateurs, les panneaux de contrôle, etc. modelé sur les moniteurs à écran tactile disponibles dans le commerce. La fonctionnalité de contrôle tactile est principalement nécessaire pour interagir avec les télécommandes;
2. Les commandes principales, à savoir les bâtons latéraux (ou volants), les pédales et le bâton de traction, sont modélisées à l'aide d'appareils de jeu similaires;
3. Tous les indicateurs sont montés sur un support de montage avec un support de moniteur de type VESA standard.
4. Les commandes primaires sont fixées sur des surfaces métalliques spéciales.

Figure: 17 Concept d'aménagement du cockpit

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Résultat

La conception du stand est très simple quand on comprend pourquoi telle ou telle décision a été prise. Ce matériau a été créé sur la base de nombreuses années de travail, ainsi que de l'expérience de l'application de solutions techniques réussies et infructueuses.



Actuellement, nous participons activement à la création d'un stand de simulation semi-naturelle pour un petit avion. Pour ce projet, il a été proposé d'utiliser un nouveau développement domestique de RHYTHM produit par la société du même nom comme base du complexe de simulation. Nous n'avons aucune expérience de travail avec RHYTHM, mais tout se passe pour la première fois.

Voici ce que nous savons actuellement de cette décision:

• Le coût de RHYTHM est garanti inférieur à celui de l'ADS2 de TechSAT;
• Il n'y a pas de solution toute faite en cas de mise à l'échelle du système, mais nous avons déjà des idées sur la façon de le faire rapidement si nécessaire;
• Les maladies infantiles inévitables sont compensées par le support technique rapide du développeur.

Sur la base des résultats de nos travaux, nous partagerons certainement notre expérience d'utilisation de RHYTHM dans un projet réel.