Hardware-in-the-Loop Simulator für UAS mit dem Pixhawk FCS
Case Study AlphaLink Engineering GmbH
Anbindung eines UAS über eine Vector Schnittstelle mit CANoe und der Virtuellen Flugtestumgebung

 

Wie kann ein sicherer Flugbetrieb von unbemannter Flugsysteme garantiert werden? Wie können diese mit konventioneller Drohnen-Hardware und Software getestet werden? Und wie können Kosten für echte Testflüge in der Ausbildung von Pilotinnen und Piloten reduziert werden?

Finden Sie es in der folgenden Case Study heraus, die in Zusammenarbeit mit AlphaLink Engineering entstanden ist!

 

Der Kunde

AlphaLink Engineering

Die AlphaLink Engineering GmbH ist eine Ausgründung der Technischen Universität Berlin und auf die Entwicklung und Umsetzung mechatronischer Systeme spezialisiert. Der Fokus liegt auf der Systementwicklung sowie der Modellierung und Regelung von einzelnen Komponenten und des gesamten Flugzeugs. Erste Produkte im Bereich der Flugsteuerung unbemannter Flugsysteme (UAS) sind das Fliegende Labor und die Virtuelle Flugtestumgebung.

 

Die Aufgabe

Hardware-in-the-Loop (HIL) Simulator für den Pixhawk

Um das Risiko eines System- oder Pilotenfehlers zu verringern, werden in der bemannten Luftfahrt standardmäßig HIL Simulatoren verwendet.  Mit HIL Simulationsstudien können sowohl das komplette Flugsteuerungssystem mit Aktoren, Sensoren und Anzeigen getestet, als auch Pilotinnen und Piloten auf neuen Flugzeugen geschult werden. Ein aussagekräftiger Test verlangt die Einhaltung bestimmter Prozessschritte. Hier haben gegenwärtige HIL Simulationen Defizite. Das Ziel von AlphaLink bestand im Aufbau einer soliden Testkette für den Flugsteuerungscomputer Pixhawk, um damit das System sicher mit kommerziellen Soft- und Hardware zu testen, die bereits in der bemannten Luftfahrt genutzt wird.

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Erstellung eines digitalen Zwillings sowie Vernetzung der digitalen mit der echten Welt über eine CAN Schnittstelle

Für einen qualitativ hochwertigen HIL Simulator werden zwei Hauptkomponenten benötigt: Ein digitaler Zwilling des UAS mit allen Komponenten, sowie eine Schnittstelle zwischen der digitalen Welt und dem echten Flugsteuerungssystem (FCS) mit allen Komponenten. Der digitale Zwilling wurde in einem Simulink Modell abgebildet. Das reale Verhalten von Flugdynamik, Sensoren und Aktoren wurde in Versuchen identifiziert, in Simulink modelliert und anschließend mit CANoe verknüpft. Der Pixhawk verfügt über eine CAN Schnittstelle, die zwar für verschiedene Betriebsmodi konfiguriert, jedoch nicht direkt mit CANoe verbunden werden kann. Daher wurden der PX4 FlightStack modifiziert und zusätzlich Softwaremodule hinzugefügt, die das Auslesen von Sensoren umgehen. Stattdessen verwenden sie jene Werte, die über die CAN Schnittstelle übertragen werden. Messdaten wie IMU und GPS wurden durch entsprechende CAN Frames von CANoe ersetzt. Die Kommandos des Flugsteuerungscomputers wurden über die CAN Schnittstelle zurück an CANoe und schließlich an das Simulink Modell überführt. Hierdurch wurde ein Flug mit allen Komponenten simuliert. Zusätzlich lassen sich spezifische Fehlerfälle simulieren, wie der Ausfall von Sensoren. Um die Flugbewegungen zu visualisieren, wurde die Virtuelle Flugtestumgebung genutzt, die eine 3D-Darstellung des UAS in realer Umgebung im Webbrowser ermöglicht.

Umsetzung des Hardware-in-the-Loop Simulators (Foto: AlphaLink Engineering GmbH)
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Garantie eines sicheren Flugbetriebs von UAS durch eine valide Testprozedur

  • Erhöhte Sicherheit für UAS und Nutzlast
  • Sicherstellung hochqualitativer Sicherheitsstandards durch Tests mit gültiger, moderner Testsoftware und Hardware
  • Anwendbarkeit des Gesamtkonzepts auf alle UAS mit Pixhawk Flugsteuerungscomputer
  • Konventionelle Drohnen-Hardware und Software für UAS Tests
  • Reduzierte Kosten für echte Testflüge in der Ausbildung von UAS Pilotinnen und Piloten
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Kontakt

Arne Brehmer
Telefon:  +49 40-2020130-10

 

Vector Informatik GmbH
Borsteler Bogen 27d
22453 Hamburg
Germany

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