SiFliegeR

Foto von A340-300-01-GULF-AIR Maschine

SiFliegeR

© SFI GmbH

SiFlieger (“Sicheres Fliegen senkrecht startender RPAs”) ist ein LuFo (Luftfahrtforschungsprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (http://www.bmwi.de)) gefördertes Forschungsvorhaben. Im Rahmen dieses Projektes untersucht das FSR die Verwendung von Prognose und Diagnose Methoden zu Erstellung einer dynamischen und hochgenauen Sicherheitsbewertung flugkritischer Systeme. Die Anwendbarkeit der Methode wird dabei an einem elektromechanischen Aktuator demonstriert, der Teil der Steuerflächenaktuatorik eines Remotely Piloted Aircrafts (RPA) ist.

Diagnose und Prognose

Um den aktuellen und zukünftigen Systemzustand dieses Aktuators zu erfassen entwickelt das FSR Algorithmen, welche sich in den OSA-CBM Prozess eingliedern. Dazu werden durch die Datenerfassung mit anschließender Filterung zunächst Merkmale extrahiert. Anschließend werden aus dieser Gesamtmenge aussagekräftige Merkmale ausgewählt, welche die aktuelle Degradierung der betrachteten Komponente repräsentieren. Auf diese Weise ist es möglich den aktuellen Systemzustand zu erfassen, was die Basis für eine spätere Prognose bildet. Aus der Prognose resultiert die Verteilung der geschätzten verbleibenden Restlebensdauer, welche zum Planen von Wartungsmaßnahmen oder zur Bestimmung der Systemverfügbarkeit weiterverwendet werden kann.

Der entwickelte PHM Prozess ist dabei auf datenbasierten Methoden aufgebaut. Um die notwendige Datenbasis zu generieren, wird der weiter unten beschriebene Prüfstand eingesetzt.

Im Fokus stehen:

  • Datenmanipulation ((Short-Time) Fourier Transformation, Wavelet Analyse sowie statistische Parameter z.B. Kurtosis, RMS…)
  • Merkmalsauswahl (Cluster Analyse, Principal Component Analysis…)
  • Zustandsbestimmung anhand ausgewählter Merkmale
  • Prognose (Gaussian-Process-Regression, Neuronale Netzwerke…)

Systemsicherheit und –zuverlässigkeit

Eine zentrale Fragestellung des Projektes beschäftigt sich damit, in wie weit die Kenntnis über den aktuellen sowie zukünftigen Systemzustand weiterverwendet werden kann, um den Piloten eines RPAs bei seiner Entscheidungsfindung zu unterstützen (z.B. kann die aktuelle Mission weitergeflogen werden oder muss diese aufgrund von Verschleißerscheinungen abgebrochen werden). Dazu wird eine Assistenzfunktion entwickelt, welche die Verfügbarkeit des Flugzeuggesamtsystems bewertet (Contingency Awareness Funktion), indem die vorhandenen Informationen über den Systemzustand aggregiert und mit den Anforderungen der aktuellen Mission abgeglichen werden.

Im Fokus stehen:

  • Zuverlässigkeitsmodelle (Fehlerbaumanalyse, Markov Modelle, Fehlerraten und Verteilungen)
  • Untersuchung von Fehlermechanismen und deren Aggregation
  • Risikomangement (Monte-Carlo Simulation)
  • Entwicklung geeigneter Metriken zur Bewertung der Algorithmen
  • Evaluierung der entwickelten Verfahren am Prüfstand
© FSR TU Darmstadt

Evaluation (Prüfstand)

Der SiFliegeR Prüfstand wurde aufgebaut, um die Nutzung und Degradierung eines elektromechanischen Aktuators, wie er in RPAs eingesetzt wird, zu untersuchen. Der aktive Prüfstand verfügt über einen Torquemotor, welcher direkt mit dem Abtrieb des Aktuators gekoppelt ist. Auf diese Weise können dynamische Lastmomente erzeugt werden und somit unterschiedliche Flugzustände simuliert werden. Darüber hinaus wird der Prüfstand verwendet, um die entwickelten Algorithmen und Verfahren zu testen und zu evaluieren.

 
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Servo Aktuator – Prüfling

  • Betriebsspannung: Dual 28 VDC
  • Nom. Drehmoment: 4 Nm
  • Max. Drehmoment: 7 Nm
  • Geschw. @ Nom. Drehmoment: 135°/sec
  • Max. Ausschlag: ± 150°
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Torquemotor für dynamische Lasten

  • Betriebsspannung: 400 VAC
  • Nom. Drehmoment: 20 Nm
  • Max. Drehmoment: 25 Nm
  • Geschw. @ Nom. Drehmoment: 2000 RPM
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PHM-Sensorik

  • 16 Kanal, 16 Bit, 100 kS/s/ch (simultan) A/D-Wandler
  • Drehmomentsensor von HBM @ 50 Nm
  • Vibrationssensor von KISTLER @ 50 g
  • BLDC Phasenstromsensoren von LEM @ 50 kHz
  • Position über Absolut-Drehgeber mit 0.04 Grad Auflösung
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National Instrument zur Steuerung und Datenerfassung

  • CompactRIO Echtzeit-Computer mit FPGA
  • Selbstentwickelte Benutzerschnittstelle zur Steuerung der Versuche
  • Modulares Soft- und Hardwarekonzept
  • Verwendung von Hardware- und Software-Industriestandards