Flugzeugprüfstand: Steuerungssysteme in Echtzeit simulieren

  • Die Architektur des Echtzeitrechenclusters: Mehrere Echtzeitrechner sind per Glasfaser mit einem gemeinsamen Speicher vernetzt.

Was passiert, wenn sich das Höhenruder bei einer Passagiermaschine nicht mehr richtig verstellen lässt? Ein Szenario, an das man gar nicht erst denken möchte - das ein Flugzeugausrüster aber durchspielen muss. Ob das Steuerungssystem in solch einer Situation wie vorgeschrieben reagiert, das ermitteln Entwickler jetzt mit Hilfe von Electronic Bird, einem neuartigen Prüfstand.

Im Jahr 2000 stieg das russische Unternehmen Sukhoi in die Entwicklung und Produktion von Zivilflugzeugen ein. Das Ziel: ein Verkehrsflugzeug nach westlichem Standard - um mit der Maschine auch außerhalb der ehemaligen Sowjetstaaten nennenswerte Verkaufszahlen zu erreichen. Und so setzt der Hersteller beim Bau des Sukhoi Superjet 100 auf westliche Industriepartner, wie Liebherr-Aerospace Lindenberg. Dieses Unternehmen mit Sitz in Lindenberg im Allgäu liefert die komplette Fly-By-Wire-Flugsteuerung für den Mittelstreckenjet. In umfangreichen Tests muss dieser Flugzeugausrüster beweisen, dass sowohl Einzelkomponenten als auch die Kombination aller Steuerungskomponenten die luftfahrtspezifischen Sicherheitsstandards einhalten. Dafür entwickelte die Liebherr-Aerospace Lindenberg zusammen mit Cosateq einen neuartigen Flugzeugprüfstand, der Hardware-in-the-Loop- (HiL) und Software-in-the-Loop-Simulationen (SiL) durchführt. Der Name des neuen, ausgefeilten Prüfstands: Electronic Bird. Er bietet gegenüber einem herkömmlichen Flugzeugprüfstand, dem Iron Bird, etliche Vorteile. So ermöglichen die 14 Simulationsrechner des Electronic Bird den Test des Flugsteuerungssystems in Echtzeit, ohne dass reale Aktuatoren wie z.B. die Antriebe der Flugklappensteuerung oder Sensoren vorhanden sein müssen. Der Electronic Bird reagiert auf Stellsignale und liefert in Echtzeit simulierte Sensorsignale an die Flugsteuerung zurück, die damit wie im späteren Flugzeug reagiert.

Gefahrlose Simulation von Fehlerszenarien

Ein Vorteil dieser Simulation besteht darin, dass Entwurfsfehler bei der Entwicklung schon in einer frühen Phase entdeckt werden. Auch ungewöhnliche Flugzustände können gefahrlos nachgespielt und Regler-Eigenschaften unter realen Umgebungsbedingungen optimiert werden. Cosateqs Entwicklungsleiter Gerd Leiprecht macht deutlich: „Durch die vollständige Emulation von Aktuatorik und Sensorik können automatisierte Komponenten-, Integrations- und System-Tests für sämtliche Steuerkomponenten im Regelbetrieb, wie auch unter verschiedenen Fehlerszenarien durchgeführt werden." Zu den Fehlerszenarien gehören Drahtbruch, Sensorfehler, Kommunikationsfehler oder mechanische Probleme.

So muss das Steuerungssystem beispielsweise eine definierte Reaktion auf den fehlerhaften Stellantrieb eines Leitwerks aufweisen. Mit dem Electronic Bird werden die korrekte Reaktion, die Priorisierung der Nachrichten und die Kommunikation der Komponenten validiert. Zur Hardware des Electronic Bird gehören 14 simultan arbeitende Simulationssysteme, die mit einer Abtastrate von jeweils 1 ms arbeiten. Je nach Komplexität der Modelle und der Rechenperformance können Einzelmodelle mit einer Abtastrate bis zu 10 µs berechnet werden. Die Kommunikation zwischen den Rechenknoten des Echtzeitclusters findet über Shared Memory statt, wobei die Latenzzeit für den Datenaustausch weniger als 50 µs beträgt.

Flexible Simulationsumgebung

Bei der Einrichtung der Echtzeitsimulation setzt Liebherr-Aerospace auf die Simulationsumgebung Scale-RT von Cosateq. „Gerade die luftfahrtspezifischen Bus-Systeme wie ARINC 429, AFDX, aber auch CAN und Profinet können mit Scale-RT problemlos in den Echtzeitcluster integriert werden", erklärt Gerd Leiprecht. Scale-RT ermöglicht die Echtzeit-Ausführung von Modellen, die mit der verbreiteten Software Matlab/Simulink entwickelt wurden. Zur Verfügung stehen Tools und Schnittstellen, um die Simulationsmodelle für verschiedene Zielsysteme zu kompilieren (Crosscompiling), zu verteilen, sowie die Mess-Ergebnisse zu analysieren und zu visualisieren. Beim Electronic Bird hat sich die einfache Erweiterbarkeit des Systems bei der Integration zusätzlicher Modelle und Schnittstellen gezeigt. „Im Electronic Bird hat Scale-RT seine Stärken in komplexen Echtzeitclustern unter Beweis gestellt. Während der Laufzeit können Parameter der Simulationsmodelle mit einer flexibel konfigurierbaren, grafischen Bedienoberfläche geändert werden. Auch die Testprogramme lassen sich mit wenigen Arbeitsschritten ändern", fasst Leiprecht zusammen. Auch in Zukunft führt Liebherr-Aerospace alle Prüfstands-Simulationen für Flugzeugprojekte mit Scale-RT von Cosateq durch. Die stetige Weiterentwicklung sorgt dafür, dass auch neueste Entwicklungen bei Messkarten und Zielhardware unterstützt werden.

 

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