ГосНИИАС
О координаторе проекта
Итоги
Аналитика
Карта проекта
Русская версия
Домашняя страница
English version
Написать письмо
Новые сенсорные технологии на борту: эволюция умных датчиков
Новости/ > 2018/ > Новые сенсорные технологии на борту: эволюция умных датчиков/
Новые сенсорные технологии на борту: эволюция умных датчиков
26 июля 2018 Так как авиаиндустрия стремится к техобслуживанию по состоянию, а также эксплуатационной и послепродажной эффективности, умные датчики становятся все более разнообразными, а область их применения — все более обширной. Между тем, согласно данным компании-производителя TE Connectivity, общий рынок датчиков для аэрокосмической и оборонной промышленности достиг 4-х млрд. долл. с ожидаемым ежегодным ростом примерно в 5%.

«Тенденция к созданию умных и цифровых датчиков отражает усилия по освобождению центрального компьютера от аналитических вычислений с целью перемещения их непосредственно в датчики», — сказал Пит Смит, менеджер по сенсорным продуктам TE Connectivity. Если локальные датчики сами занимаются аналитикой, то им не нужно ждать, пока центральный компьютер обработает собранную ими информацию. Значит, данные поступают быстрее. «Такие датчики также могут переводить регистрируемые ими сигналы в формат, который легче понимают бортовые системы, то есть эти системы не должны делать преобразования единиц измерения где-то в другом месте», — подчеркнул Смит.

Связанные с датчиком аналитические возможности могут быть реализованы на нескольких уровнях — не только на уровне самого датчика, но также и на уровне программного обеспечения, интерпретирующего полученные данные. Это ПО может использовать такие методы, как физическое моделирование, расширенная аналитика и статистические исследования, а также машинное обучение.

Из других тенденций нужно отметить переход от аналоговых датчиков к устройствам с цифровым выходом и усилия по внедрению на борт беспроводных датчиков. Цифровые датчики могут потреблять меньше энергии и передавать больше данных, а беспроводные меньше весят и более надежны.

Датчики приближения, высотомер и датчики воздушных параметров

Бизнес-подразделение компании Honeywell по вопросам безопасности и повышения производительности недавно представило датчики приближения для комплексного мониторинга технического состояния (Integral Health Monitoring, IHM — прим. ред.), которые могут отслеживать как собственную работоспособность, так и состояние различных критически важных по отношению к безопасности систем.

Предназначенные для работы в самых суровых условиях, аналоговые датчики могут контролировать состояние систем реверсирования тяги, управления полетом, положение дверей воздушного судна, механизмов блокировки двери трапа для эвакуации пассажиров и шасси. >>>
>>> Функция анализа собственного технического состояния, встроенная в датчик, увеличивает среднее время наработки системы на отказ, так как устраняет ложные срабатывания. Эта функция повышает эффективность техобслуживания и ремонтных работ, а также минимизирует время нахождения воздушного судна на земле. Пилот может различать неисправность системы и датчика.

«Первоначально датчики состояния были спроектированы для контроля положения реверсора тяги и открытия или закрытия створки газовой турбины», — сказал Дэниел Кросби, менеджер Honeywell по продуктовому маркетингу для аэрокосмической и оборонной промышленности в Северной Америке.

Комплектующие предварительно квалифицируются в соответствии с экологическими требованиями DO-160. Эти датчики также подходят для композитных конструкций с более высокими уровнями вибрации и для оборудования силовых установок с повышенными требованиями к тепловой нагрузке. Трехпроводный, герметично изолированный датчик, имеющий корпус из нержавеющей стали, работает при температурах от –67 до 239°F (от –55 до 115°C — прим. ред.)

Доказательство исправности датчика достигается не путем установки дополнительной микросхемы, а путем добавления Стретьего состояния». Первые два состояния представляют собой приближение металлической или композитной «цели» к датчику — «близко» или «далеко» соответственно. Третье состояние — это признак неисправности датчика. Трехпроводный жгут связывает датчик с электроникой управления плоскостью для отправки оповещений пилоту.

IHM — это усовершенствованная технология бесконтактного зондирования на базе вихретокового генератора (Eddy Current Killed Oscillator, ECKO — прим. ред.), в котором приближение к цели вызывает увеличение целевых вихревых токов. Последующая передача энергии от датчика к цели в конечном итоге «убивает» электрически созданное магнитное поле датчика, вызывая срабатывание последнего.

Используя ECKO, технология IHM с фиксированной амплитудой переменного тока (Fixed Amplitude Variable Current Oscillator, FAVCO — прим. ред.) добавляет датчику самодиагностику путем измерения тока в колебательной цепи вместо фиксации амплитуды колебаний. По словам Кросби, FAVCO измеряет энергию, необходимую для поддержания колебаний. Колебания в цепи IHM осуществляются непрерывно. Однако если датчик выходит из строя и колебания прекращаются, схема переключает выход на ошибку вместо того, чтобы отправлять ложную информацию. >>>
>>> Умный датчик для беспилотника

Компания TE Connectivity предлагает интеллектуальный высотомер для коммерческих и развлекательных беспилотников. «Аналитические возможности, встроенные в эти датчики, помогают повысить производительность, надежность и точность устройств», — сказал Пит Смит. Высотомер включает в себя датчик барометрического давления для определения высоты на основе давления воздуха и датчик температуры окружающей среды. Устройство также оснащено микроконтроллером, который управляет сигналами датчиков и выполняет задачи цифровой связи, отправляя полученные данные в основные системы управления летательным аппаратом.

Смит объяснил, что датчик температуры служит двум целям: «Во-первых, он измеряет температуру корпуса самого сенсора, а затем использует эту информацию для исправления ошибок в показаниях датчика давления, которые могут возникнуть из-за температурных колебаний, связанных с изменениями высоты. Во-вторых, он может непосредственно передавать измеренную температуру, которая будет использоваться на борту для сравнения с данными других систем и датчиков. Таким образом, этот датчик демонстрирует заложенную в него логику, потому что не только показывает значение высоты, но и замеряет другой параметр, применяющийся для исправления ошибок, которые могут возникнуть в других устройствах».

Высотомер обеспечивает выход цифровых сигналов. Специалисты TE Connectivity настроили выдачу сигнала в формате взаимно интегрированной цепи (Inter-Integrated Circuit, I2C — прим. ред.), который является отраслевым стандартом цифровой связи. «Этот формат позволяет высотомеру работать с очень низким энергопотреблением, потому что датчик активен только тогда, когда у него запрашиваются данные. В остальное же время устройство находится в спящем режиме, который почти не потребляет энергию», — поделился информацией Смит.

Супер-интеллектуальный датчик

Компания UTC Aerospace Systems приводит в пример свой умный зонд Smart Probe, который заменяет трубки Пито на некоторых самолетах. Smart Probe измеряет скорость самолета, угол атаки, атмосферное давление и высоту. «Он включает в себя невероятное количество аналитических возможностей и обладает встроенной самодиагностикой», — сказал Мауро Аталья, вице-президент UTC Aerospace Systems по инжинирингу, сенсорным технологиям и бизнесу в области интегрированных систем. Он добавил, что этот зонд в состоянии сказать, закупорены ли магистрали датчика, работает ли обогревательный элемент и стабильны ли его измерения. >>>
>>> Многоуровневая аналитика

Специалисты UTC рассматривают датчики как элементы нижнего уровня в большей структуре, которую они называют интеллектуальной экосистемой. UTS предлагает датчики, которые контролируют такие параметры, как электрический ток, крутящий момент, положение в пространстве и атмосферное давление. «Датчик не обязательно должен быть самотестируемым, однако взаимодействующее с ним программное обеспечение позволяет системе оценивать работу датчика», — сказал Аталья.

«Интеллектуальная экосистема включает в себя прогностику и управление техническим состоянием (Prognostics and Health Management, PHM — прим. ред.), услуги по техобслуживанию, ремонту и капитальному ремонту, а также обладающие технологией FlightSense (метод измерения расстояния до объекта по времени распространения светового потока от передатчика к приемнику — прим. ред.) датчики летательного аппарата, аппаратное и программное обеспечение. Она подразумевает наличие на борту необходимого набора датчиков, сбор полученных ими данных, передачу этих данных в облачно-ориентированную или локальную систему, анализ полученной информации с помощью комплексных инженерных моделей и других методов для ее интерпретации, прогнозирование того, что произойдет c летательным аппаратом и выдача рекомендаций», — пояснил Аджей Махаджан, вице-президент UTC по программам управления активами и стратегии на рынке послепродажного обслуживания. Сеть ремонтных центров этой компании является заключительным звеном такой цепочки, поддерживая другие элементы.

Улучшение спроса на аналитику определяется потоком данных, создаваемым современными самолетами. «В то время как устаревший узкофюзеляжный самолет производит около 100 Мбайт данных за средний двух-четырехчасовой полет, современные самолеты, такие как Boeing 787 или Airbus A350, производят их в 10 раз больше», — сообщил Мауро Аталья.

FlightSense использует систему PHM, получившую название Ascentia и включающую в себя физическое моделирование, статистический анализ и машинное обучение. «Техобслуживание по состоянию — это целая совокупность действий», — сказал Аджей Махаджан. «Для начала надлежащие датчики должны собрать надлежащие данные, — уточнил он, — Однако далее Вам нужно что-то сделать с этими данными. Именно здесь происходит физическое моделирование и анализ, что позволяет системе предоставлять рекомендации по техническому обслуживанию».

«Физическое моделирование использует сведения производителя об особенностях данного изделия и потенциальных режимах отказа, — дополнил эту информацию Аталья, — Оно также подразумевает понимание того, какие варьирующиеся во времени переменные необходимо измерять, чтобы они выступали ведущими индикаторами конкретных видов отказа». >>>
>>> «Альтернативный подход предполагает использование расширенной аналитики и статистики, а также машинного обучения для поиска корреляций по большому числу переменных, чтобы определить потенциальные режимы отказа», — продолжил он тему.

«Во многих ситуациях понимание физики позволяет вам анализировать гораздо меньшее количество данных, а именно тот их набор, который, как вы знаете, имеет отношение к определенному виду отказа, — подчеркнул Аталья, — С помощью основанного на физике подхода производитель оборудования может определить критические параметры для их контроля с течением времени, так как изменения в таких показателях, скорее всего, укажут на раннее ухудшение производительности, что в конечном итоге приведет к отказу».

Однако существуют и другие виды отказа, которые нельзя предсказать, основываясь на физических моделях. Они возникают при взаимодействии между системами, а также из-за особенностей конкретных маршрутов, на которых летает авиакомпания, или конкретных процедур обслуживания в определенных авиакомпаниях или аэропортах. «Таким образом, мы также используем расширенный набор данных, статистику и машинное обучение для сбора значений всех этих других переменных и определения возможных режимов отказа», — проинформировал Аталья. Данный подход наполняет базу знаний в течение длительного времени, поскольку весьма вероятно, что такие режимы не ожидались во время разработки оборудования.

Эти два метода можно комбинировать. Алгоритмы могут быть разработаны с использованием физического моделирования. Аталья заметил, что такие алгоритмы можно усовершенствововать и уточнить посредством машинного обучения, используя реальные данные.

UTC также предлагает специальные интерфейсные устройства ЛА (Aircraft Interface Device, AID — прим. ред.), которые осуществляют сбор полетных данных и передачу их на землю через Wi-Fi, сотовые и спутниковые каналы. AID объединяет данные, а затем отправляет их на платформу Ascentia, используя одноименный клиентский портал. Программное обеспечение PHM-типа выполняет анализ полученной информации, прогнозирует, что будет с каждым конкретным конструктивно-сменным блоком (Line Replaceable Unit, LRU — прим. ред.), и выдает необходимые рекомендации.

По мнению компании UTC, Ascentia потенциально может сократить задержки рейсов на 30% и внеплановые замены оборудования на 20%. Аджей Махаджан добавил, что, например, некоторые клиенты, эксплуатирующие самолеты Boeing 777, избежали дорогостоящего внепланового техобслуживания систем охлаждения силовой электроники, потому что датчики вместе с PHM-ориентированным ПО своевременно прогнозировали такую проблему, как утечка и рекомендовали принятие необходимых мер. >>>
>>> Наполнение данными зависит от возможностей датчика

«Клиенты должны получить высокую степень надежности, низкую стоимость владения и более глубокое понимание того, что на самом деле «переживают» системы», — заметил Шон Гоф, директор по управлению продуктами TE Connectivity.

Гоф предвосхищает датчики, которые будут сообщать эксплуатантам о том, например, какие нагрузки на самом деле испытывают элементы конструкции во время полетного цикла, чтобы мы могли себе представить, на основании какой информации будет осуществлен расчет прочности следующего поколения воздушных судов. Он также ожидает, что через десятилетие количество датчиков на самолетах значительно увеличится, и что датчики будут подключены к сети.

Как далеко все это может пойти? «Умные сетевые полимеры и краски могут однажды почувствовать температуру и давление, — прогнозирует Гоф, — Это создаст множество данных в реальном времени, которые позволят оптимизировать, например, морфинговые крылья, изменяющие форму при сгорании топлива и снижении веса, что приведет к гораздо более высокой топливной эффективности».

Гоф сказал, что самолеты уже передают массу данных для критически важных функций. Эта тенденция усилится и, вероятно, не в последнюю очередь благодаря облачным технологиям с оцифровкой в качестве инструмента реализации.

«Однако выбор умного зондирования для критически важных приложений действительно зависит от возможности сертифицировать общедоступные специализированные интегральные схемы (Application-Specific Integrated Circuits, ASIC — прим. ред.) — продолжил тему Гоф, — Такой подход будет означать, что архитектура известна, контролируется и понимается, и что программное обеспечение имеет открытый исходный код. Но в настоящее время это является дорогостоящим мероприятием, и производители самолетов еще должны согласовать стандарты, упрощающие разработку датчиков».

По его словам, еще одной проблемой с точки зрения перспектив сертификации можно назвать принцип моделирования с ПО в контуре (Software in the Loop, SiL — прим. ред.) Однако после разрешения всех проблем преимущества будут огромны по части затрат и производительности. «Точность и разрешающая способность обеспечат более качественные и эффективные данные», — заключил Гоф. >>>
>>> Новые возможности

Дэниел Кросби считает, что эволюция в направлении техобслуживания по состоянию, обусловленная растущими наборами данных, открывает благоприятные возможности для подразделения Honeywell по обеспечению безопасности и производительности. «Прежде всего, многие установленные на самолетах датчики не имеют требований к надежности, описанных в стандарте DO-160», — сказал он.

Honeywell рассматривает возможность мониторинга сил, прилагаемых к тормозам, для лучшего прогноза, когда же эти конструктивные элементы могут выйти из строя. Другой интересной темой является измерение влияния приземлений на шасси с течением времени, чтобы понимать, каков остаточный ресурс системы.

Цифровой или аналоговый?

«В целом есть тенденция миграции на датчики с цифровыми выходами, — заметил Пит Смит, — Немаловажно, что цифровые датчики потребляют гораздо меньшую мощность, поэтому они способны снизить общее потребление энергии».

«К тому же, по цифровому каналу вы можете передавать гораздо больше данных и информации, чем по аналоговому, — добавил он, — Значит, дополнительные данные о целостности и состоянии датчика намного легче сообщать». Более того, это может быть двусторонняя связь. «Мы действительно можем при определенных условиях указывать датчикам разные режимы работы», — подчеркнул Смит.

Беспроводная связь?

Еще одним обстоятельством, на которое стоит обратить внимание, необходимо назвать появление на борту беспроводных датчиков. Мауро Аталья сообщил, что UTC Aerospace Systems участвовала в совместной правительственной и отраслевой деятельности по распределению частот в диапазоне 4,2—4,4 ГГц для этой цели. Беспроводные датчики сократят вес и повысят надежность, уменьшив количество проводки и число разъемов соответственно. Но такие датчики сегодня редки, потому что частотные полосы, в рамках которых работают эти устройства, страдают от помех.

Более подробную информацию можно получить на сайте:
http://interactive.aviationtoday.com/avionicsmagazine/
june-july-2018/smart-sensors-expand-in-variety-scope/
.

Поиск по проекту
Искать!
© 2018 Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем. Все права защищены. Условия использования информации.