Test de systèmes de propulsion de fusées avec NI VeriStand

Architecture

Un système logiciel de test basé sur VeriStand se compose de trois éléments principaux : 

• Le moteur VeriStand qui traite les données et accède aux voies d’E/S matérielles sur un contrôleur temps réel Linux dans les plates-formes NI CompactRIO ou PXI ;
  
• La passerelle VeriStand qui sert de point d’accès central pour toutes les données du système et s’exécute généralement sur le PC de l’opérateur ;
  
• L’interface utilisateur VeriStand qui s’exécute sur le PC de l’opérateur.

^{Figure 1 : Composants principaux d’un système VeriStand}

Une caractéristique notable de VeriStand est qu’il peut facilement s’étendre pour plusieurs utilisateurs et plusieurs plates-formes matérielles temps réel, comme illustré à la Figure 2.

^{Figure 2 : Système VeriStand distribué avec plusieurs contrôleurs et postes d’opérateur utilisateur}

System Explorer et fichier de définition du système

Les fonctionnalités de faible niveau du moteur VeriStand sont déterminées par le fichier de définition du système (SDF). Ce fichier est déployé sur le ou les contrôleurs temps réel au démarrage du système.

Le SDF, configuré à l’aide de VeriStand System Explorer, décrit des fonctions telles que des alarmes et des procédures automatiques simples, à partir desquelles des réponses plus complexes telles que la surveillance de ligne rouge peuvent être implémentées. Le SDF définit également d’autres fonctions, telles que le traitement des données (par exemple, le filtrage passe-bas) et l’enregistrement des données. Le mappage entre les voies est également défini dans le SDF.

^{Figure 3 : Fenêtre de projet VeriStand (gauche) et fenêtre System Explorer (droite)}

Séquences temps réel

Les séquences temps réel sont une couche logique supplémentaire qui définit le comportement du système lors du test d’un système de propulsion ou de toute autre matériel sous test (UUT). Dans le cas des tests de propulsion, une séquence temps réel définit la logique de démarrage, d’exécution et d’arrêt du système de propulsion. La séquence temps réel peut également inclure une logique d’abandon pour définir la réponse du système aux conditions hors nominales.

^{Figure 4 : Une logique système supplémentaire peut être ajoutée à l’aide de séquences temps réel}

Les séquences temps réel sont créées et lancées à partir de la fenêtre Stimulus Profile Editor.

^{Figure 5 : La fenêtre Stimulus Profile Editor est utilisée pour créer et lancer des séquences temps réel}

API NI LabVIEW

VeriStand inclut une API LabVIEW qui peut être utilisée pour étendre considérablement les capacités d’un système de test. Lorsque VeriStand est installé sur une plateforme de développement, un ensemble de VIs sont ajoutés à la palette Outils LabVIEW qui donnent accès à cette API. Les VIs permettant de lire et écrire des voies VeriStand sont intégrés dans l’API.

Cette API est utile pour développer des VIs LabVIEW avec des fonctionnalités qui ne sont pas présentes ou difficiles à implémenter dans VeriStand, comme la lecture et l’écriture de données de fichiers de configuration et le contrôle des propriétés des éléments de l’interface utilisateur.

^{Figure 6 : API LabVIEW pour VeriStand dans la palette Outils}

Figure 7 : VIs permettant de lire et écrire des voies VeriStand dans LabVIEW

Test de propulsion avec VeriStand

Test du système Air Turbo Rocket (ATRX)

L’entreprise ATRX, Inc., basée à Huntsville, en Alabama, développe un système de propulsion unique appelé Air Turbo Rocket qui combine des technologies de moteurs-fusées et de moteurs à réaction. VeriStand est utilisé pour contrôler à distance le banc d’essai pendant toutes les phases d’un test de moteur. Les phases de test sont les suivantes : pendant le fonctionnement pré-test lorsque le moteur est prêt pour la mise à feu, pendant les essais à feu lorsque VeriStand est utilisé pour le contrôle automatique du moteur (Figure 8a) et pendant le fonctionnement post-test pour sécuriser le moteur et le banc d’essai. Le contrôle automatique des tests est mis en œuvre à l’aide d’une combinaison d’alarmes, de procédures et de séquences temps réel VeriStand.

L’interface utilisateur de l’ATR (Figure 8b) se compose de trois écrans. Un écran affiche un diagramme P&ID représentant le réseau de flux du banc d’essai. Les commandes booléennes superposées sur le P&ID permettent à l’utilisateur de basculer entre les vannes et de contrôler d’autres périphériques sur le banc d’essai. Les commandes numériques du P&ID affichent des données d’instrumentation importantes telles que les pressions et les températures. Cet écran est également utilisé pour lancer des séquences de test temps réel et présente un verrouillage logiciel pour la fonction de séquenceur.

Un deuxième écran est utilisé pour configurer les paramètres d’essai à feu et un troisième affiche les données d’instrumentation en temps réel.

Un contrôleur CompactRIO cRIO-9030 et quatre modules d’E/S cRIO sont au cœur du matériel du système d’acquisition de données pour ce banc d’essai.

a) Essai à feu du système Air Turbo Rocket	b) Console opérateur

^{Figure 8 : Essai à feu du système Air Turbo Rocket avec VeriStand}

Petit banc d’essai de propulseur

Pour fournir un exemple de la productivité possible avec VeriStand, ATRX a récemment été mandatée par une société commerciale NewSpace pour développer un banc d’essai clé en main dédié au test de petits propulseurs. Bien que ce propulseur et le système d’alimentation en propergol de ce banc soient très différents du système Air Turbo Rocket, en adaptant le logiciel du banc d’essai existant de l’ATR, le logiciel de ce banc d’essai de propulseur n’a nécessité qu’environ deux semaines de développement. La fenêtre de contrôle de séquence automatique autonome basée sur LabVIEW est l’une caractéristique de ce système qui illustre l’utilisation de l’API LabVIEW (Figure 9). Cette fenêtre fournit un verrouillage logiciel qui désactive le bouton Démarrer l’auto-séquence d’essai à feu jusqu’à ce que l’opérateur saisisse un code PIN unique. 

L’extensibilité et la facilité d’utilisation de VeriStand étaient évidentes lorsque notre client a commencé à utiliser le système. En quelques jours, les opérateurs ont pu exploiter le système et modifier l’interface utilisateur en fonction de leurs besoins. Ils ont également été en mesure de modifier les exigences de test de séquence d’essai à feu en temps réel avec peu de soutien de la part d’ATRX.

^{Figure 9 : Verrouillage logiciel implémenté dans LabVIEW}

Autres systèmes

Bergmans Mechatronics, LLC (BML), société sœur d’ATRX et partenaire NI, a utilisé VeriStand dans de nombreux autres systèmes de test de propulsion. Un projet notable de BML consistait à développer deux systèmes modulaires d’acquisition de données et de contrôle (M-DACS) dédiés aux tests de propulsion (Figure 10) pour un client NewSpace. Les deux systèmes sont équipés du matériel VeriStand et CompactRIO.

De la même manière que pour le banc d’essai de petits propulseurs ATRX, le client de BML s’est rapidement familiarisé avec VeriStand et n’a eu besoin que de très peu d’aide pour faire fonctionner ces systèmes et les modifier.

^{Figure 10 : Système modulaire d’acquisition de données et de contrôle (M-DACS)}