¡Hola!



Durante mi trabajo en la industria aeronáutica, mis colegas y yo hemos acumulado mucha experiencia en el desarrollo y creación de soportes de modelado seminaturales para equipos de a bordo de aeronaves (Hardware-In-the-Loop, HIL) y soportes de prototipos rápidos (Model-In-the-Loop, MIL). Esta publicación es un intento de consolidar nuestra experiencia en una sola publicación. El texto resultante resultó ser bastante detallado, pero la mano no se levanta para cortar algo. Además, al acortarse en lugares, puede desaparecer una relación causal. Entonces, se explicará aquí:

• Sobre las herramientas utilizadas para automatizar el desarrollo del stand y su soporte;
• Sobre el software y hardware del complejo de simulación;
• Aproximaciones a la construcción de los stands HIL y MIL;
• Sobre diversas técnicas que agilizan la creación de un stand y simplifican su modernización y funcionamiento.

A quién le importa, bienvenido a cat.

Antecedentes del problema

Somos un grupo de ingenieros con amplia experiencia en la industria aeronáutica civil.



Estamos trabajando en la creación de equipos embarcados, stands, simuladores para aeronaves SSJ-100 Sukhoi Superjet, MC-21, DA-42T, L-410UVP-E20.



Desde el primer stand, nos enfrentamos a una falta de pautas para aquellos que van a construir un banco de pruebas con decenas de miles de cables, cientos de miles de señales y una estructura en constante cambio. Debido a ese viejo anhelo de conocimiento, mis colegas y yo decidimos compartir nuestras mejores prácticas: ¿qué pasa si alguien camina por nuestro rastrillo favorito en este momento?



Como lo vemos hoy en día, cualquier stand tiene las siguientes características:

1. Los stands constan de equipos: objeto de prueba, red de cables, complejo de simulación, software para el complejo de simulación;
2. Opcionalmente, dispositivos tales como una maqueta de una cabina, un sistema de visualización, sistemas de control de carga, etc.;
3. El objeto de prueba cambia constantemente a medida que se desarrolla el producto;
4. Los requisitos de prueba cambian constantemente;
5. La asignación técnica para el stand no contiene todos los requisitos, la mayor parte de la funcionalidad deberá completarse sobre la marcha;
6. Para que un banco de pruebas sea realmente útil, debe cambiar más rápido que el objeto de prueba.

Enfrentar la naturaleza volátil del sitio de prueba nos llevó a darnos cuenta de que:

1. Todas las partes "de hierro" del soporte (red de cables, disposición de la cabina, etc.) deben modificarse fácilmente;
2. La arquitectura del complejo de imitación, la estructura de modelos y simuladores también deben modificarse y controlarse fácilmente;
3. No puede prescindir de las herramientas y el entorno de desarrollo;

Por lo tanto, comenzaremos nuestra presentación con una descripción de las herramientas de desarrollo y la arquitectura del complejo de simulación.

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Parte 1. Herramientas de desarrollo

En esta sección, describimos dos de las tres herramientas principales: el software dBricks y el entorno de simulación ADS2R4. El tercer elemento de la cadena de herramientas, Simulink, probablemente no necesite ser presentado y descrito. También es importante mencionar que estos tres productos, si se manejan correctamente, pueden integrarse estrechamente entre sí y simplificar la mayoría de los procesos de desarrollo del stand.

1. dBricks es una herramienta de software rusa para el desarrollador del complejo de aviónica , desarrollado por PIRSS LLC
2. ADS2R4 - entorno del complejo de simulación, desarrollado por TechSAT

dBricks se utiliza para:

1. Desarrollo de protocolos para la interacción de la información de los equipos de a bordo - objeto de prueba;
2. Formación automatizada de la arquitectura de modelos matemáticos;
3. Elaboración de documentación de diseño para la red de cables del stand;
4. Generación automatizada de archivos de configuración que describen entradas / salidas en el formato del entorno complejo de simulación ADS2R4.

ADS2R4 es un tiempo de ejecución de simulación y prueba en tiempo real diseñado específicamente para el desarrollo, prueba y validación de una arquitectura de aviónica que cumple con los requisitos de integridad y versatilidad. 

Acerca de la herramienta dBricks 

dBricks es la herramienta principal utilizada para acelerar el desarrollo y la integración de aviónica compleja. La herramienta es una base de datos para procesar los siguientes datos de diseño:

1. Protocolos de comunicación;
2. Diagramas estructurales y conceptuales;
3. Diagramas y tablas de conexión;
4. Planos de montaje y tablas de arnés;
5. Especificaciones de requisitos para desarrolladores de software.

El uso de la herramienta aporta las siguientes ventajas:

1. Una única herramienta para trabajar con datos garantiza la compatibilidad de todos los resultados del trabajo;
2. La interfaz multiusuario permite que un gran equipo de desarrollo distribuido trabaje simultáneamente;
3. Control integrado de conexiones y configuraciones de software;
4. Salida de datos automatizada en forma de varios informes, tablas, diagramas, documentos y archivos en un formato legible por humanos;
5. Salida de datos automatizada en formato legible por máquina, incluso para la configuración del sistema ADS2, equipo de red;
6. Interacción con otros sistemas CAD si es necesario.

Está claro que el formato de los archivos generados automáticamente se adapta a los requisitos del proyecto.



La herramienta dBricks en sí tiene una funcionalidad de acceso a API que se puede usar para generar scripts personalizados para generar documentos, y también se puede usar para completar y actualizar el contenido de la base de datos.



El uso de dBricks garantiza a los desarrolladores de stands:

1. Generación automática rápida de archivos de configuración ADS2, que no contendrán errores de copia manual al 100% ("factor humano");
2. El cableado del soporte se puede desarrollar basándose en los datos de la red de cables a bordo de un objeto (por ejemplo, un avión) almacenados en dBricks.

Acerca de un complejo de simulación basado en ADS2

ADS2 es un entorno de software completo y altamente adaptable y una plataforma de hardware en tiempo real para la creación de prototipos, integración, prueba, validación y verificación de aviónica en la industria aeroespacial, desarrollado por TechSAT.



La estructura básica del sistema ADS2 incluye los siguientes componentes: 

1. La parte de hardware, que incluye AWP especializados (basados ​​en Windows o Linux), placas de entrada-salida, dispositivos de conmutación de línea de comunicación (incluido el control de la conexión OI ), etc. 
2. El entorno de software ADS2 Core es un sistema distribuido en tiempo real que integra todos los componentes de ADS2.
3. Software de soporte de hardware de bajo nivel inherente, como controladores de dispositivo que se ejecutan en el núcleo ADS2.
4. El módulo de shell gráfico ADS2 es un servicio que permite al operador controlar el sistema ADS2 en tiempo real.

Es decir, la composición mínima obligatoria del sistema ADS2 incluye el núcleo del software ADS2 (computadora en tiempo real y estación de trabajo de control), un conjunto arbitrario de componentes estándar (como placas de E / S y controladores correspondientes) y módulos adicionales y sistemas de expansión requeridos por el cliente. 

Acerca del equipo ADS2

Un sistema ADS2 típico consta de los siguientes componentes principales:  

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.

El sistema ADS2 básico es fácilmente escalable desde un pequeño sistema de escritorio a un gran sistema distribuido. Si es necesario aumentar la funcionalidad o cambiar la configuración del sistema ADS2, no será necesario cambiar el software del propio sistema debido al uso de un entorno de hardware y software homogéneo en el mismo. Es muy importante tener esto en cuenta al principio de la creación del stand. En nuestra experiencia, durante el funcionamiento, la necesidad de cambiar la configuración del sistema se produce en el momento más inoportuno, por lo que no subestimes este aspecto. 

Cómo se usa Simulink en ADS2

Simulink es una poderosa herramienta de software ampliamente utilizada en la industria aeroespacial. El sistema ADS2 implementa una interacción conveniente y comprensible con Simulink para el desarrollo de modelos informáticos de componentes. En combinación con el uso de dBricks para almacenar datos de protocolos de comunicación, es posible crear una cadena integrada de herramientas que acelera significativamente el proceso de desarrollo y depuración.

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Parte 2. Soportes

Stand para el modelado seminatural del complejo de equipos a bordo (Pruebas HIL)

De acuerdo con los requisitos del programa, el stand puede resolver una, varias o todas las siguientes tareas:

1. Apoyo al desarrollo de aviónica;
2. Pruebas integrales de equipos a bordo, incluidas pruebas en circuito cerrado con un piloto, interacción con simuladores de equipos a bordo, imitación de la dinámica de vuelo de la aeronave y condiciones externas;
3. Realización de una evaluación inicial del funcionamiento del equipo a bordo por parte de la tripulación de vuelo.
4. Pruebas de certificación, incluidas pruebas de resistencia de la aviónica a posibles fallas; trabajar en los modos de despegue y aterrizaje en condiciones de visibilidad mínima, calculando modos de aproximación al suelo, etc.;
5. Desarrollo de documentación operativa;
6. Capacitación de pilotos de línea en una instalación de capacitación técnica correspondiente, digamos, al nivel 4 de FTD.

Qué complejo de imitación usar

Como complejo de simulación, proponemos utilizar una solución basada en el sistema ADS2, ya que este proporciona las siguientes capacidades:

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

El uso de una solución basada en el sistema ADS2 es más efectivo cuando se usa la generación automatizada de archivos de configuración (tablas de configuración y puntos CVT, modelos de sistema) usando la herramienta dBricks. 



Una de las tareas que más tiempo requiere en el desarrollo de un stand de aviónica es la configuración de modelos de sistemas y placas de E / S. Con dBricks, esta tarea lleva una hora. Lo único que hay que hacer es asignar cuál de las tarjetas de E / S ADS2 será responsable de qué canal del equipo simulado. Después de eso, todos los archivos de configuración necesarios se pueden generar automáticamente.

Integración de simuladores de terceros

Algunos proveedores de sistemas están preocupados por sus conocimientos y se niegan a proporcionar los datos necesarios para crear modelos de sus sistemas. Los ingenieros son un buen ejemplo. Normalmente, los proveedores de motores proporcionan sus simuladores para ejecutar el stand. Estos simuladores suelen estar conectados a un sistema de simulación de banco central a través de Ethernet o, en el peor de los casos, a través de algunas interfaces especiales como "Memoria reflectante". En cualquier caso, ADS2 puede admitir cualquier interfaz. 



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La red de cable es uno de los componentes más importantes de cualquier stand. Los enfoques y herramientas utilizados para diseñar y fabricar un cableado pueden tener un impacto significativo en el programa de diseño y fabricación de un stand. Utilizamos un enfoque que ha demostrado ser efectivo en una serie de proyectos diferentes, aquí están sus principios básicos:

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WAGO 2002-1871 ( ) DIN .





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• dBricks. :
  
  — , , ..;
  
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  — .

1-2 - ( ).

Cómo crear un diseño de cabina

El diseño de la cabina, por regla general, debería:

1. Proporcionar un lugar para la instalación del equipo del objeto de prueba, normalmente ubicado en la cabina;
2. Proporcione acceso conveniente (si es posible) al objeto de prueba, cableado de este equipo, mecanismos, etc .;
3. Repita el diseño de la cabina;
4. Repite la vista del área circundante desde la cabina.

El diseño de la cabina está sujeto a cambios frecuentes, especialmente antes del primer vuelo de la aeronave, por lo que comenzamos el desarrollo de la aviónica con una maqueta de la cabina y luego pasamos a la decisión final.



Disposición inicial de la cabina



Se puede desarrollar una distribución inicial de la cabina a partir de una vista inicial de la cabina. Al mismo tiempo, se permite que los cambios menores en el diseño estándar no se apliquen al diseño original de la cabina. Al mismo tiempo, el diseño de la distribución inicial de la cabina debería proporcionar acceso tecnológico a los paneles traseros de los dispositivos. A continuación se muestra un ejemplo de un diseño de cabina inicial similar, debe tenerse en cuenta que todos los paneles laterales se pueden quitar fácilmente y, en general, la estructura es modular.





Figura: 15: Disposición inicial de la cabina



Siempre que sea posible, recomendamos no utilizar la plataforma elevada, aunque existen al menos dos buenas razones para utilizarla en la disposición de la cabina:

1. Algunos sistemas de visualización requieren espacio libre debajo del piso de la cabina. Para utilizar un sistema de visualización cilíndrico, generalmente se requiere elevar el diseño de la cabina a una altura de 1,2-1,5 metros. Un colimador, proyección esférica o sistema de visualización basado en monitores simples no lo requiere.
2. En el caso de utilizar postes de pedal u otros controles mecánicos, se requiere algo de espacio debajo del piso de la cabina. En este caso, también es necesario instalar la distribución de la cabina a una altura de unos 50 centímetros desde el nivel del suelo.

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–



El diseño final de la cabina debe coincidir con las dimensiones de la cabina real para cumplir con los requisitos de certificación. Dependiendo de la composición de las inspecciones y el enfoque de las autoridades, puede ser necesario crear una maqueta de cabina “final” adicional que reproduzca la cabina real. Para esta tarea, se recomienda utilizar partes reales del fuselaje con ubicaciones de instalación de equipos reales, asientos de piloto, etc. Por ejemplo, se utilizó un ejemplo de una cabina real para el stand "Electronic Bird" del programa SSJ-100, originalmente utilizado para depurar una línea de montaje. No podía utilizarse en un avión real, ya que no cumplía con los requisitos formales de producción, pero era totalmente adecuado para las tareas del banco de pruebas.











Figura: 16: Disposición de la cabina del SSJ-100 en el stand de Electronic Bird

Qué sistema para imitar el entorno visual externo usar

Existe una gran cantidad de soluciones de entorno visual disponibles comercialmente para simuladores de vuelo y bancos de pruebas. Las soluciones van desde pantallas simples hasta sistemas de colimadores de alta gama. En nuestra experiencia, el uso de un sistema para simular un entorno visual externo puede ser necesario solo en dos situaciones:

1. Usar el soporte como simulador (por ejemplo, FTD nivel 4),
2. Algunas pruebas de certificación.

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 mayoría de las pruebas de certificación se llevan a cabo en las peores condiciones de visibilidad posibles, lo que generalmente significa la aplicación de reglas de vuelo por instrumentos y visibilidad cero. El único tipo de prueba de certificación donde realmente importa la calidad del sistema de simulación del entorno visual externo es la evaluación de los mínimos de despegue / aproximación. Realizar estas pruebas en el stand ahorra entre 20 y 40 vuelos de prueba. En nuestra experiencia, las autoridades no requerían un sistema de simulación de alta gama para utilizar los resultados de las pruebas de banco como medio de validación. En cualquier caso, se debe consultar a las autoridades certificadoras si se prevé realizar estas pruebas en el stand.



En la vida real, los ingenieros casi nunca utilizan un sistema de visualización, ya que se centran en el comportamiento del equipo. Los pilotos de prueba suelen estar satisfechos con el sistema más simple de simulación del entorno visual externo. El sistema de visualización del entorno externo puede ser útil para las actividades de marketing de la empresa y la formación de diversas publicaciones en prensa.



Por tanto, parece lógico elegir una solución mediante un sistema de proyección cilíndrico o esférico, que proporcionará:

1. Campo con un campo de visión de 120x60 grados.
2. Costo inicial moderado del sistema y el costo de su operación.

Cómo colocar objetos de prueba en el banco

Proponemos utilizar racks de telecomunicaciones disponibles comercialmente (racks de servidores) para acomodar equipos que normalmente se encuentran fuera de la cabina. La única dificultad puede deberse a la necesidad de ubicar equipos que requieran enfriamiento forzado. Este problema se puede solucionar de varias formas:

1. El desarrollo de un sistema de refrigeración especial, que es un ventilador de alta presión con amortiguador de sonido y conductos de aire;
2. Instalación de ventiladores simples de baja presión en marcos especiales debajo del dispositivo refrigerado. Sin embargo, los ventiladores de baja presión no siempre proporcionan el rendimiento requerido;
3. Instalación de ventiladores de alta presión en marcos especiales debajo del dispositivo enfriado. Esta solución tiene un alto rendimiento pero produce mucho ruido;
4. Instalación de una puerta especial con aire acondicionado integrado en un bastidor de telecomunicaciones, por ejemplo, Rittal SK.

Cómo crear un sistema de distribución de energía

El sistema de distribución de energía está diseñado para distribuir la fuente de alimentación a la OI. Copia el sistema SES instalado en la aeronave.



Convertir 115 VCA a 28 VCC y 115 VCA a 400 Hz es sencillo, ya que hay muchas soluciones disponibles en el mercado. Por tanto, este no es el tema de esta descripción.



Adoptamos el siguiente enfoque:

1. Inicialmente, se utiliza un diseño especial del sistema de distribución;
2. Antes del inicio de las pruebas de certificación, la maqueta se reemplaza por un sistema de distribución real.

El diseño inicial del SPP se realiza utilizando elementos disponibles comercialmente como abrazaderas WAGO, relés, fusibles, etc. Todos estos dispositivos están montados en un riel DIN o en una superficie similar de fácil acceso. Los diagramas de todas las conexiones deben repetir el SES "real" de la aeronave. La aparamenta de estado sólido se puede utilizar desde el principio. El SES de un avión real, por regla general, está sujeto a múltiples cambios y actualizaciones, especialmente en las primeras etapas de diseño. Todos estos cambios se pueden implementar mucho más fácilmente utilizando un diseño fácilmente modificable que el aparamenta de aviones compactos "reales".

El diseño del sistema de distribución puede reemplazarse con una muestra real antes de las pruebas de certificación.

Soporte de creación rápida de prototipos para equipos aéreos (pruebas MIL)

De acuerdo con los requisitos del programa, el stand puede resolver una, varias o todas las siguientes tareas:

1. Evaluación de las leyes de control de vuelo;
2. Evaluación preliminar o diseño de cuadros de mando (indicadores, controles);
3. Depuración de flujos de intercambio de información de equipos;
4. Evaluación de los requisitos de hardware antes de su transferencia a los departamentos responsables de la producción de hardware y desarrollo de software;
5. Realización de evaluaciones tempranas y comprobaciones de la tolerancia a fallos del sistema.

Qué complejo de imitación usar

Como complejo de simulación para el stand de prototipado rápido, proponemos utilizar una solución basada en el sistema ADS2 por las mismas razones que para el stand de simulación seminatural. 

Cómo desarrollar modelos matemáticos 

Cualquier banco de pruebas evoluciona a medida que avanza el proyecto. Por lo tanto, nadie puede ofrecer un conjunto de modelos de desarrollo "completo" o "mejor". Para que un soporte de creación rápida de prototipos sea útil durante la vida útil del proyecto y aún requiera una inversión razonable, debe ser flexible e intentar utilizar un enfoque de estilo Pareto. Sin embargo, intentaremos proporcionar ejemplos de un conjunto de modelos "inicial" y "extendido" para ilustrar el caso promedio.



El conjunto inicial de modelos en nuestro ejemplo está diseñado para respaldar el siguiente trabajo:

1. Desarrollo y verificación de leyes para probar sistemas de control;
2. Demostración y verificación del trazado inicial del indicador PFD .

Durante la fase de prueba inicial, no es necesario implementar modelos de electrónica de control de vuelo complejos que incluyan redundancia, reconfiguración, retardo, etc. No es necesario probar aplicaciones complejas como FMS . Por lo tanto, se puede utilizar la siguiente lista preliminar de modelos:



Un conjunto "avanzado" de modelos debería admitir los siguientes trabajos:

1. Verificaciones avanzadas de las leyes de control de vuelo, incluida la redundancia, el retraso, el manejo de fallas, etc.
2. La capacidad de verificar las leyes y la lógica del control del piloto automático;
3. Simulación y evaluación completas del entorno de información de la cabina de pilotaje, incluidos mensajes PFD, ND , FMS, CAS , páginas sinópticas y controles;
4. Depuración de los flujos de intercambio de información de los equipos, incluido el análisis de la ruta de cada parámetro desde la fuente hasta el usuario final;
5. Análisis de las consecuencias de las fallas;
6. Valide los requisitos de software antes de pasar a la fase de desarrollo de software que requiere mucha mano de obra de acuerdo con DO-178.

Como resultado, la lista de modelos finales es mucho más larga. La siguiente lista no es completa ni precisa. Sin embargo, creemos que puede proporcionar una indicación de lo que queda por hacer.



Para una transición suave entre el conjunto de modelos inicial y extendido, se deben cumplir los siguientes criterios para los sistemas de modelado:

1. Arquitectura escalable de sistemas de modelado;
2. Utilizar herramientas para gestionar la configuración de flujos de datos;
3. Generación automatizada de configuraciones de modelos de interfaz. Debe incluir principalmente partes de E / S de modelos de Simulink y partes de código de E / S para modelos desarrollados en C ++ o Python;
4. Sistema de control de configuración.

Por separado, debe tenerse en cuenta que si se utiliza la misma arquitectura para los stands de creación rápida de prototipos y para los stands de modelado seminatural, muchos de los modelos anteriores se desarrollan una vez y se pueden reutilizar fácilmente como parte de cualquiera de los stands.

Cómo crear un diseño de cabina

Por lo general, utilizamos el siguiente enfoque para el diseño de la cabina MIL:

1. Toda la aviónica, incluidos indicadores, paneles de control, etc. modelado en monitores de pantalla táctil disponibles comercialmente. La funcionalidad de control táctil se necesita principalmente para interactuar con controles remotos;
2. Los controles primarios, a saber, las palancas laterales (o volantes), los pedales y la palanca de tracción se modelan utilizando dispositivos de juego similares;
3. Todos los indicadores están montados en un soporte de montaje con un soporte de monitor tipo VESA estándar.
4. Los controles primarios se fijan en superficies metálicas especiales.

Figura: 17 Concepto de diseño de cabina

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Salir

El diseño del stand es muy sencillo cuando se comprende por qué se tomó tal o cual decisión. Este material fue creado sobre la base de muchos años de trabajo, así como de la experiencia de aplicar soluciones técnicas exitosas y no exitosas.



En este momento estamos involucrados activamente en la creación de un stand de simulación seminatural para un avión pequeño. Para este proyecto, se propuso utilizar un nuevo desarrollo nacional de RHYTHM producido por la empresa del mismo nombre como base para el complejo de simulación. No tenemos experiencia en trabajar con RHYTHM, pero todo sucede por primera vez.

Esto es lo que sabemos actualmente sobre esta decisión:

• Se garantiza que el costo de RHYTHM es menor que el de ADS2 de TechSAT;
• No existe una solución lista para usar en caso de escalar el sistema, pero ya tenemos ideas sobre cómo hacerlo rápidamente si es necesario;
• Las enfermedades infantiles inevitables se compensan con el rápido soporte técnico del desarrollador.

En base a los resultados de nuestro trabajo, definitivamente compartiremos nuestra experiencia de usar RHYTHM en un proyecto real.