利用相對運動機器人進行自動化空中加油模擬

十二月 1, 2017
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英國布里斯托大學使用 NI VeriStand 和 PXI Express 針對自動化空中加油程序開發混合式模擬
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布里斯托大學的相對運動機器人 (RMR) 設備;前景的 Robot 1 裝有一個飛機加油探管,背景的 Robot 2 則裝有一個加油錐套

所謂的「空中加油」(Air-to-AirRefuelling,AAR)程序,就是在飛行期間把某架飛機的燃油轉換到另一架飛機上。探管錐套是AAR的主要系統之一,採用一條有彈性的軟管,安裝於加油飛機。軟管的末端有接收聯接器和錐套,以及一個固定聯接作業的空氣動力罩。
通常會有一個剛臂,也就是探管,會從接收飛機的機頭或機身伸出來。目前來說,接收飛機的駕駛員必須手動調整飛機位置,接合探管與接收聯接器兩者,才能讓兩架飛機完成加油程序。AAR需要進階的訓練和快速的反應時間,因此可說是非常艱難的程序。
 
做為自動化系統技術相關空中評量與評估(ASTRAEA)計劃的一部分,英國布里斯托大學航太工程學系的研究員和CobhamMissionEquipment攜手合作,開發出一個安全穩定的混合式測試環境,可針對無人系統加快自動化AAR技術的開發速度。相較於實際的飛行測試,這個實驗架構的機器人測試環境可以更低的成本完成初步系統開發,還能夠把軟硬體演練與認證風險降到最低。
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系統概述
布里斯托大學的相對運動機器人(RelativeMotionRobotics,RMR)設備提供了安全穩定且可重複的環境,以便開發自動化AAR技術。此環境包含了兩個自由度為六(6DoF)的機器人調處器,其中一個安裝在線性軌道上。我們也在機器人上安裝了全尺寸的探管錐套加油硬體,可接受多種相對運動,以便模擬空中加油程序的最終10公尺通道和錐套擷取。
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空中加油的感測器迴路機器人測試環境配置

傳統而言,這些類型的機器人會按照預定的運動路徑,而且也不是針對此應用所需的Real-Time控制等級而設定的。為了克服這項限制,我們採用隆德大學研究員所開發的開放式機器人控制架構(OpenRobotControlArchitecture,ORCA),以及布里斯托大學透過NI硬體完成的客制化介面,藉此加快工業級控制器的初階控制作業。
 
我們把NIPXIReal-Time系統做為RMR設備中感測器迴路運作的核心。我們使用的Real-TimePXI控制器搭載了NIVeriStand軟體,能夠順暢整合我們之前透過TheMathworks,Inc.Simulink®軟體寫成的完整飛行動態模擬模型。這些模型會在控制器上精確執行,根據機器手臂上感測器所提供的資訊而採取行動。模擬模型還可負責加油飛機和接收飛機的軌道/導航/飛行控制系統、裝有軟管/錐套組件的飛機動態、大氣擾動等事項。
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安裝於 Robot 1 的感測硬體特寫,位於飛機加油探管上方

我們透過NILabVIEW系統設計軟體開發出一個監控客制化裝置,並且藉此把NIVeriStand設定架構的軟體擴充至PXIExpress控制器。監控客制化裝置會和模擬模型平行執行,並且統整規劃測試程序,同時預先處理會傳送至ORCA和機器人控制器的位置指令。監控程序也會做為完整系統的訊號中心。
 
我們還透過必要的控制器區域網路(CAN)和乙太網路介面,設定模組化的PXIExpress系統,以便和RMR感測器組合通訊。感測器組合可協助探管調處器目標,並且追蹤錐套機器人的動作。接著會透過PXICAN介面先把必要的感測器位置傳送至PXIExpress控制器,然後才送到在NIVeriStand上執行的飛機模擬模型。

NI解決方案的優勢
剛開始NI的專屬學術工程師了解我們的需求之後,提供了多種符合預算的可能解決方案,並且主動協助我們判斷困難之處和解決辦法。
 
我們決定選用PXI模組化硬體平臺,搭配NIVeriStand和LabVIEW軟體,因為我們在專案早期的時候發現,NI工具提供了出色的優勢,遠勝過其他彈性較低的替代選項。NIVeriStand具有現成的設定架構環境,我們可以在透過實體PXI硬體通道設定模型的輸入/輸出參數之前,輕鬆匯入TheMathworks,Inc.Simulink®軟體編譯而成的模型。
 
NIVeriStand搭配Windows7PC即可提供一個直覺式的工作站,能夠順暢整合在NIPXIReal-Time系統上精確執行的模型。這個工作站不僅有助於快速存取所有的模擬相關參數,如果在測試的時候必須監控更多的特定模型參數,也可以在運作期間編輯使用者介面。
 
雖然NIVeriStand屬於設定架構,但還是具有充裕的彈性,可以讓我們建置自己的客制化裝置。我們透過方便好用的LabVIEW系統設計軟體開發出客制化裝置,簡化必要監控程序的整合作業,同時確保這些程序可以在NIPXIExpressReal-Time控制器上精確執行。

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執行 VeriStand Real-Time 引擎的 PXIe 硬體,同時 VeriStand 工作站使用者介面顯示了飛行動態模型的參數和感測器讀數

結論
我們的解決方案緊密整合了NI軟硬體,協助我們有效操作外部機器人控制器、模擬模型和感測器硬體。此外,我們還可以充分運用功能強大、設定架構、便於擴充的軟體工具。
 
NI軟體工具非常好用。同時,NI在英國的技術支援也隨時待命,替我們解決問題,協助我們加速研究,進一步縮短整體的開發時間。
RMR設備專案相當成功。NI工具可說是不可或缺的關鍵,因此我們才能夠把製造中的機器人調處器和現成的感測器,轉換成Real-Time控制、安全可擴充的自動化AAR測試系統。

​有了NI產品做為系統核心,RMR控制系統還可以進一步用來開發高保真、多實體的飛行動態模型。我們運用此設備執行了AAR模擬練習,並且在世界各地的研討會發表範例結果,同時也讓業界了解此狀況。結果證明了RMR確實能夠針對空中加油硬體和感測器執行進階測試,滿足自動化空中加油功能的開發需求。
 
布里斯托大學要特別感謝NI從頭到尾支援這項專案,協助我們開發出頂尖的世界級設備。即時操作全尺寸機器人測試臺帶來艱鉅的技術挑戰,再加上完全非線性的飛行力學環境,如此高難度的任務只有NI軟硬體才能夠應付得來。我們期待之後繼續開發相關設備,並且與NI合作此專案和未來其他專案。

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(提供:NI國家儀器)

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