Hardware-in-the-Loop (HIL) và Mô phỏng Thời gian thực giúp Honda tăng tốc quá trình thương mại hóa của máy bay HondaJet Echelon
Hardware-in-the-Loop (HIL) và Mô phỏng Thời gian thực giúp Honda tăng tốc quá trình thương mại hóa của máy bay HondaJet Echelon
"Độ linh hoạt và sức mạnh của các hệ thống từ Pickering Interfaces đã chứng minh được trong môi trường duy trì và phát triển của chúng tôi... ngoài ra, đội ngũ tại Pickering Intefrcaes đã vượt xa những gì chúng tôi mong đợi và giúp chúng tôi phát triển gói phần cứng và phần mềm mạnh mẽ, mở rộng khả năng của các phòng thí nghiệm phát triển máy bay của chúng tôi." - Michael Hodgson, Kỹ sư Cao cấp, Cơ sở Thử nghiệm Tích hợp
Với một phạm vi dự kiến là 2.625 dặm biển (nm), tốc độ hành trình tối đa là 450 knot vận tốc không khí thực (KTAS) và tốc độ hành trình tối đa ở mức độ bay (FL) 470, HondaJet Echelon của Honda Aircraft Company đang nhắm tới việc thiết lập các tiêu chuẩn mới về hiệu suất và tiện nghi. Model cũng rất hiệu quả về năng lượng và dự kiến sẽ là máy bay nhẹ đầu tiên trên thế giới có khả năng bay thẳng liên châu lục, ngang qua Hoa Kỳ.
Khái niệm về máy bay này được giới thiệu vào năm 2021 tại Hội nghị và Triển lãm Hàng không Doanh nghiệp NBAA (NBAA-BACE) ở Las Vegas, và kế hoạch của Honda để thương mại hóa khái niệm này đã được công bố chính thức vào tháng 6 năm 2023. Honda đang hướng tới việc chứng nhận vào năm 2028.
Máy bay này có nhiều hệ thống điện tử tiên tiến bao gồm các thiết bị điều khiển buồng lái, bộ điều khiển hệ thống cơ khí, điều khiển chuyến bay tiên tiến và các hệ thống an toàn. Tất cả đều bao gồm nhiều khối có thể thay thế (LRUs), với số lượng tổng cộng hơn 50 trên máy bay.
Nhiều LRU tương tác với một hoặc nhiều cảm biến, bao gồm cảm biến biến đổi tuyến tính và xoay (LVDTs và RVDTs, tương ứng), cặp nhiệt điện, và các bộ biến đổi khác. Giao tiếp giữa các LRU diễn ra qua các bus tiêu chuẩn ngành công nghiệp, bao gồm Ethernet, ARINC-429, và RS-232, -422, và -485.
HondaJet Echelon có khoảng 3.000 tín hiệu, trong đó có nhiều tín hiệu cần được xử lý trong thời gian thực - tức là trong vài mili giây và một cách hoàn toàn xác định - vì chúng cần thiết cho các hệ thống cung cấp chức năng quan trọng về an toàn.
Phát triển dựa trên Ứng dụng
Đúng như mong đợi, việc phát triển bộ trang thiết bị avionics (hàng không điện tử) cho một máy bay mới không phải là một công việc dễ dàng, ngay cả khi LRU từ các máy bay khác trong phạm vi của Honda có thể được sử dụng lại, hoặc nguyên vẹn hoặc với một số sửa đổi. Lý do là mỗi khi một LRU nhận được bản cập nhật phần cứng và/hoặc phần mềm, chức năng và khả năng tương tác với các khối khác phải được xác minh. Việc xác minh từng LRU và toàn bộ hệ thống là một quá trình phức tạp và nghiêm ngặt.
Hệ thống tích hợp được thực hiện với cả phần cứng và phần mềm trong vòng lặp (HIL và SIL) sử dụng một nền tảng riêng biệt (xem Hình 1). Nó thực sự là một phần lớn của thân và buồng lái của HondaJet Echelon, được trang bị với các dải dây điện và khe cho các LRU đang được phát triển. Tuy nhiên, nền tảng này không bao gồm các cảm biến thực sự như LVDT, RVDT và các cảm biến khác. Thay vào đó, chúng được mô phỏng. Tất cả công việc phát triển hệ thống đang được thực hiện tại Cơ sở Thử nghiệm Tích hợp Hệ thống Tiên tiến của Honda (ASITFs) tại cơ sở ở Greensboro, North Carolina."
Hình 1 - Nền tảng của Honda cho quá trình tích hợp hệ thống HIL/SIL của HondaJet Echelon
"Với mô phỏng, chúng tôi có thể đạt được mọi thứ có thể với các cảm biến thực tế, nhưng với điều kiện thêm vào rằng chúng tôi có thể thực hiện dễ dàng hơn việc chèn lỗi và theo dõi các tín hiệu. Điều này thực tế là một chiến lược phát triển dựa trên kiểm thử vì chúng tôi có thể lặp lại thiết kế, và nó đang giúp tăng tốc quá trình phát triển máy bay, giảm chi phí, và mang lại độ tin cậy hơn khi chúng tôi tiến vào quá trình chứng nhận." - Michael Hodgson, Kỹ sư Cao cấp, Cơ sở Thử nghiệm Tích hợp
Nền tảng cho việc phát triển bộ trang thiết bị avionics của HondaJet Echelon được xây dựng bởi một bên thứ ba, một nhà tích hợp hệ thống HIL. Ban đầu, mặc dù hệ thống có thể thực hiện nhiều kiểm thử thời gian thực cần thiết cho tích hợp và xác minh hệ thống, các thành phần như LVDT, RVDT và một số thành phần chuyển mạch cụ thể không thể được tích hợp vào hệ thống và đã được mô phỏng trên các bo mạch do bên thứ ba tạo ra. Đặt tại ngoại vi của vùng đồng bộ hóa thời gian (xem Hình 2), chúng không thực sự chạy theo thời gian thực.
Hình 2 - Kiến trúc của nền tảng tích hợp hệ thống ban đầu.
Honda đã hợp tác với Pickering Interfaces để có sự giúp đỡ trong việc tạo ra một giải pháp tích hợp hơn, có thể xử lý một mật độ tín hiệu cao trong thời gian thực. Giải pháp của Pickering Interfaces là máy chính có 18 khe cắm mang tiêu chuẩn LXI/USB và một loạt các mô-đun mô phỏng. Máy chính này hoàn toàn tuân theo Tiêu chuẩn LXI 1.4, cho phép cài đặt và điều khiển các mô-đun PXI 3U thông qua một giao tiếp Ethernet Gigabit được chuẩn hóa hoặc qua giao tiếp USB. Còn về các mô-đun là:
- Một PXI Millivolt Thermocouple Simulator (41-760-001). Đây là một bộ mô phỏng đa kênh, trong đó mỗi kênh cung cấp một ngõ ra điện áp thấp qua hai chân kết nối có khả năng cung cấp ±20mV với độ phân giải 0.7µV, ±50mV với độ phân giải 1.7µV và ±100mV với độ phân giải 3.3µV, bao gồm hầu hết các loại thermocouple.
- Bốn PXI/PXIe LVDT/RVDT/Resolvers (41/43-670-001-ABBC). Bao gồm có bốn dải, mỗi dải có khả năng mô phỏng ngõ ra của một 5 hoặc 6 dây LVDT/RVDT hoặc Resolver, hoặc đôi 4 dây sử dụng một tín hiệu kích thích chung. Điều này cho phép mô-đun mô phỏng đến bốn kênh 5 hoặc 6 dây hoặc tám kênh 4 dây.
- Sáu mô-đun 83x SPDT High-Density 2A PXI Relay (40-100-001). Mô-đun này được thiết kế để sử dụng trong các lĩnh vực hàng không và quốc phòng và phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu chuyển mạch lên đến 2A ở điện áp lên đến 200VDC hoặc 140VAC.
- Một mô-đun PXI 20x SPST 10A Power Relay (40-160-003). Mô-đun này phù hợp cho việc chuyển đổi tải có tổn thất và tải điện dung lên đến 10A ở 250VAC.
- Ba mô-đun PXI 48-channel Resistor (40-280-121). Mỗi kênh có thể được lập trình như một mạch ngắn, một mạch hở, hoặc một giá trị trở cố định.
- Hai mô-đun PXI 128x2 Matrix, 1-Pole (40-584-001). Mỗi bộ chuyển mạch có thể xử lý lên đến 2A (chuyển đổi nóng hoặc lạnh) và 60W.
- Một mô-đun PXI/PXIe 16-Channel Analog Output / Current Loop Simulator (41/43-765-001). Bao gồm tối đa bốn bộ chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC) 16 bit, có khả năng tạo ra bốn ngõ ra dòng điện. Chế độ ±24mA mang lại cho mô-đun khả năng mô phỏng các cảm biến cung cấp dòng Source hoặc Sink.
Mặc dù tất cả các mô-đun trên đều là mô-đun PXI hoặc PXIe, nhưng bằng cách sử dụng máy chính LXI, chúng được xem xét như các thiết bị tuân thủ tiêu chuẩn LXI và được điều khiển thông qua một bảng điều khiển không cần driver.
Tuy nhiên, việc tích hợp đơn vị LXI vào khung cơ sở của bên thứ ba đã đối mặt với một thách thức. Hodgson nhớ lại: "Chúng tôi xác định rằng LXI cần phải giao tiếp với bộ mô phỏng thời gian thực qua Ethernet. Tuy nhiên, các driver hỗ trợ chức năng này không tương thích với khung cơ sở của bên thứ ba."
Trong một nỗ lực cộng tác với đội ngũ phần mềm tại Pickering Interfaces, đội ngũ kỹ sư của Honda đã có thể phát triển gói giao tiếp đặc biệt cho phép hệ thống LXI điều khiển các mô-đun PXI từ khung cơ sở thời gian thực của bên thứ ba. Hodgson nói: "Vì vậy, bây giờ các quy trình kiểm thử của chúng tôi có thể báo cho phần mềm thời gian thực để giao tiếp với máy chính LXI để di chuyển một cảm biến LVDT ảo đến một vị trí cụ thể."
Dây cáp được thiết kế bởi HondaJet và tích hợp bởi Pickering Interfaces được sử dụng để kết nối ngõ vào/ngõ ra của I/O chuyển mạch từ một bảng kết nối đến bộ thử nghiệm mô phỏng. Hình 3 cho thấy kiến trúc của hệ thống thời gian thực hiện đã được tích hợp đầy đủ.
Hình 3 - Kiến trúc của nền tảng tích hợp hệ thống đã được nâng cấp.
Kết quả
Hệ thống tích hợp HIL đã hoàn toàn hoạt động (tức là có khả năng kiểm soát hoàn toàn trong thời gian thực) vào giữa năm 2023 và đã giúp Honda rút ngắn thời gian kiểm thử, từ đó giúp công ty gia tăng tốc độ phát triển chương trình HondaJet Echelon.
Honda có hơn 1.900 trường hợp kiểm thử tự động cho HondaJet Echelon, trong đó các kiểm thử này được viết bằng sự kết hợp của C# và Python: C# để cung cấp giao diện và Python để cung cấp chức năng kết nối với các API. "Ví dụ, chúng tôi tự động hóa kiểm thử hệ thống thông báo cho phi hành đoàn (CAS)," Hodgson giải thích. "Chúng tôi tự động hóa điều đó để đạt được chứng nhận FAA. Chúng tôi có phần mềm quản lý kiểm thử sau đó hoạt động trên API đối với phần mềm thời gian thực."
Bị ấn tượng bởi kết quả, Honda không chỉ sau đó làm lại trang bị lại phòng thí nghiệm ASITF được xây dựng ban đầu để phát triển máy bay HondaJet HA-420 với nhiều hệ thống LXI của Pickering Interfaces mà còn kế hoạch sử dụng các mô phỏng của Pickering Interfaces ở nhiều nơi khác trong các cơ sở ASITF.
Như hình trên, máy chính LXI của Pickering Interfaces chứa nhiều mô-đun mô phỏng có thể được kiểm soát và phản ứng trong thời gian thực. Là một giải pháp tích hợp, LXI đang giúp Honda tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình kiểm thử.
Hardware-in-the-Loop (HIL) và Mô phỏng Thời gian thực giúp Honda tăng tốc quá trình thương mại hóa của máy bay HondaJet Echelon
