VIPER - Virtual Integration Platform for Education and Research

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Virtuelle Integrationsplattform für Flugzeugsysteme

VIPER ist ein internes Projekt am Institut für Flugzeug-Systemtechnik, das den Aufbau einer virtuellen Integrationsplattform für Flugzeugsysteme in Verbindung mit der erforderlichen Software zum Ziel hat.

Ein wesentlicher Bestandteil von VIPER ist das Virtual Research Aircraft (ViRAC). Dabei handelt es sich um Modellbibliotheken, die sowohl die Flugphysik und Aerodynamik als auch die Flugzeugsysteme, wie z.B. die Flugsteuerung, das elektrische und hydraulische Netz mit Verbrauchern beinhalten.

Das ViRAC kann im Folgenden dazu genutzt werden, virtuelle Integrationstests von neuartigen Flugzeugsystemen, wie z.B. Brennstoffzellen durchzuführen und so neue Systemkonfiguration zu bewerten. Zusätzlich können im Rahmen von Hardware-in-the-Loop Simulationen Controller-Hardware und Prüfstände von Einzelsystemen in die virtuelle Integrationsumgebung eingebunden werden. Im Rahmen von VIPER werden Echtzeit-Simulatoren von dSpace sowie ein cADS System von TechSat eingesetzt.

Die Visualisierung der Piloten-Schnittstelle und des Flugverhaltens wird durch ECOS 2 realisiert. Um ein vertieftes Systemverständnis zu ermöglichen, können der Systemaufbau und wichtige Zustandsgrößen auf großformatigen Bildschirmen dargestellt werden.














































ViRAC (Virtual Research Aircraft)

Das Virtual Research Aircraft stellt eine umfangreiche Sammlung von Simulationsmodellen dar, die sowohl das dynamische Verhalten des Flugzeuges als auch die Flugzeugsysteme abbilden. Die Modellbibliotheken beinhaltet dabei:

  • Flugdynamik: Aerodynamik, Flugmechanik, Lasten
  • Flugzeugsysteme: Flugsteuerung, Hochauftrieb, Hydraulische Versorgung, Elektrische Versorgung, Multifunktionale Brennstoffzelle, Fahrwerk,...
  • Missionen: Standardmission, Extremfälle, Fehlverhalten, Umwelteinflüsse

Neben der eigentlichen Systemdynamik werden auch Regelungs-, Steuerungs- und Überwachungsfunktionen in Form von Modellen implementiert. Der Aufbau der Simulationsmodelle erfolgt als modularer Baukasten in unterschiedlichen Detaillierungsebenen. Auf diese Weise können, abhängig vom betrachteten Anwendungsfall einzelne Modellteile entfernt oder durch andere Komponenten ersetzt werden.

Für die Modellierung kommen unterschiedliche Softwarewerkzeuge zum Einsatz, unter anderem:

  • Matlab/Simulink/Simscape/Stateflow
  • Dymola/Modelica
  • AMESim

Simulation, Test & Evaluation Environment

Die Simulations-, Test und Bewertungsinfrastruktur ermöglicht die Durchführung von virtuellen Integrationstests im Rahmen eines Rapid-Prototyping-Prozesses. Die Infrastruktur besteht auf der einen Seite aus Rechnerhardware. Dazu zählen ein Computercluster für Model-in-the-Loop Simulationen und Optimierungen sowie Echtzeitrechner von dSpace und ein Avionik-Testsystem der Firma TechSat für Software-in-the-Loop und Hardware-in-the-Loop Simulationen. Auf der anderen Seite wird die Infrastruktur durch Test- und Bewertungssoftware erweitert, die im Wesentlichen am Institut für Flugzeug-Systemtechnik entwickelt wird.

Im Rahmen der virtuellen Integration werden die Teilmodelle aller beteiligten Systemkomponenten zu einem integrierten Gesamtsystemmodell verschaltet und mit den erforderlichen Regelungs-, Steuerungs- und Überwachungsmodulen gekoppelt. Anschließend können Testszenarien erstellt und simuliert werden, die das gesamte Funktionsspektrum des Testobjekts inklusive möglicher Fehlerfälle beinhalten. Abschließend werden die Ergebnisse analysiert und hinsichtlich der Spezifikationen bewertet.

Des Weiteren bietet die vorhandene Infrastruktur geeignete Schnittstellen, beispielsweise CAN-Interfaces, um Systemprüfstände oder Controller-Hardware anzuschließen und im Rahmen von Hardware-in-the-Loop Simulationen in den Testprozess zu integrieren.

Visualization

Mit dem Engineering Cockpit Simulator (ECOS) ist am Institut für Flugzeug-Systemtechnik ein generisches Cockpit-Mock-up zum Einsatz in Forschung und Lehre im Aufbau. Die Konstruktion stellt den Arbeitsbereich des Co-Piloten (rechte Cockpithälfte) dar und dient als Hardwareplattform für gekoppelte flugmechanische und systemtechnische Simulationen.

Ein Aufgabenschwerpunkt des Simulators liegt bei der Erprobung neuartiger Konzepte im Bereich der Cockpitdisplays und der Systemvisualisierung. Hierzu werden interaktive Displays mit den Softwaretools SCADE-Suite/-Display entwickelt, die auch in der Industrie als Entwicklungswerkzeuge eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung ist der Einsatz von ECOS in der luftfahrtspezifischen Lehre, um den Studenten die Möglichkeit zu geben, das in den Vorlesungen erworbene Wissen im Bereich der Flugzeugsystemtechnik oder der Flugdynamik in die Praxis umzusetzen.

Die Infrastruktur des Simulators umfasst folgende Komponenten:

  • Sichtsystem auf Basis des Programmes X-Plane
  • Interaktive Cockpit-Displays auf Basis des Programmes SCADE
  • Bedienelemente (Sidestick, Pedals, Thrust Lever, Gear Handle, Slat/Flap Handle)
  • Rechnerkapazitäten zur Ansteuerung und Überwachung der Simulationen
  • dSPACE Echtzeitsystem als Plattform für eine generische Simulationsumgebung

Zuständige Mitarbeiter:

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