Autonome draadloze sensornetwerken bewaken conditie van luchtvaartuigen

Betrouwbare draadloze dataoverdracht bij vliegtuigen

Condition based maintenance staat of valt bij de mogelijkheid om binnen een ‘asset’ relevante metingen te doen en de bijbehorende grootheden te monitoren. Speciaal voor luchtvaartuigen onderzocht Koninklijke NLR – het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum – de mogelijkheden om dit voor mechanische belastingen met draadloze sensornetwerken te doen. Hierbij keek het onderzoeksinstituut vooral naar de manier waarop verschillende miniatuurdata-acquisitiesystemen met elkaar samenwerken, naar de bijhorende energievoorziening en naar de verzending van data.

Kennis opbouwen

NLR voert als onafhankelijke kennisorganisatie onderzoek uit voor een breed spectrum aan klantgroepen. Daarvan profiteert niet alleen de lucht- en ruimtevaart maar in veel gevallen ook de industrie. Bijvoorbeeld wanneer het om onderhoudsconcepten of -tools gaat. Per jaar stelt NLR een breed programma op met onderzoeksdoelstellingen die betrekking hebben op uiteenlopende onderwerpen, variërend van materialen, effect van techniek op mensen en logistiek tot artificial intelligence, duurzaamheid en instandhouding. Veel onderzoeken zijn projectmatig en hebben niet als doelstelling om een kant-en-klaarproduct op te leveren, maar eerder om kennis op te bouwen in het kader van zowel beleid als technische oplossingen. Soms ligt de doelstelling hier ook tussenin en wordt er onderzoek gedaan naar de bruikbaarheid van bepaalde concepten. Hierbij loopt het onderzoek tot het moment dat het concept bewezen – of afgekeurd – is. Wanneer het werkt, worden de data beschikbaar gesteld aan het bedrijfsleven om uiteindelijk een commerciële oplossing te ontwikkelen die breder toepasbaar is dan uitsluitend binnen de lucht- en ruimtevaart.

Voordelen nieuwe technologieen

Dit laatste geldt ook voor het project AWISE – Autonomous Wireless Sensors, autonome draadloze sensoren dus – dat in 2019 werd afgerond. Tijdens het onderzoek werd bekeken of deze sensoren – gecombineerd tot een volledig draadloos netwerk – geschikt zijn om de mechanische belastingen op de constructie van een luchtvaartuig tijdens gebruik te kunnen monitoren. Dit is belangrijk om dat de belastingcyclus iets zegt over de resterende levensduur van het vaartuig. De focus ligt daarbij op de monitoring van metalen delen en niet op composieten die ook in de luchtvaart worden gebruikt. Bij composieten ontwikkelen gebeurlijke beschadigingen, veroorzaakt door welke reden dan ook, zich namelijk meestal niet verder of juist heel abrupt (en dus onbeheersbaar). Bovendien is er nog te weinig bekend over het vermoeiingsgedrag van composietmateriaal waardoor ook onduidelijk is of het monitoren van cyclische belasting zinvol is.

Draadloos en autonoom

Marcel Bos, Principal R&D Engineer bij NLR, geeft aan: “Uiteraard worden sensoren al toegepast om verschillende eigenschappen van luchtvaartuigen te monitoren, maar met de technieken van vroeger hadden we te maken met nadelen die specifiek voor de luchtvaart zwaar wogen. In de tijd dat ‘draadloos’ nog onvoldoende betrouwbaar was of nog niet eens bestond, waren alle sensoren bijvoorbeeld bekabeld. Dat levert niet alleen véél extra gewicht, maar betekent ook veel werk om het systeem te installeren waarbij de kans op fouten relatief groot is. Bovendien is het certificeringsproces dat nodig is om bekabelde sensoren te mogen integreren in het boordnet en datasysteem er een van de categorie ‘langdurig en moeizaam’. Alle reden om in deze tijd met nieuwe technologische ontwikkelingen aan de slag te gaan zoals draadloze, autonome sensornetwerken. Hiermee is in elk geval het probleem van de bekabeling en de tijd die benodigd is voor installatie opgelost.”

Marcel Bos: Een bekabeld systeem levert niet alleen véél extra gewicht, maar betekent ook veel werk om het systeem te installeren waarbij de kans op fouten relatief groot is."

“Maar het biedt nog meer voordelen. Zo staat ‘autonoom’ voor de eigenschap dat de sensor voorziet in zijn eigen voeding wat betekent dat er geen externe voeding – met vaak een behoorlijk gewicht – in het vliegtuig hoeft worden geplaatst.”

Randvoorwaarden

Toepassing van autonome draadloze sensornetwerken in de lucht- en ruimtevaart levert echter wél extra uitdagingen op ten opzichte van industriële toepassingen.

Ten eerste worden maximale eisen gesteld aan de veiligheid. Wanneer een monitoringsysteem faalt in de industrie, leidt dit in veel gevallen tot ‘slechts’ een financieel verlies. Binnen de luchtvaartsector echter, gaat het – naast veel geld –, vooral om mensenlevens. Verder moet het systeem om bekende redenen zo licht mogelijk zijn, maar bovendien ook bestand tegen extreme omstandigheden die hoog in het luchtruim heersen. Zeer lage temperaturen bijvoorbeeld, maar ook windbelasting, neerslag en uv-straling. Tot slot zal er een oplossing moeten worden gevonden om alle data die het systeem tijdens een vlucht genereert, draadloos te versturen naar een lokale opslag aan boord van het luchtvaartuig óf naar een centrale opslag op aarde. Daarbij zal het gaan om véél data (big data) die met een hoge mate van nauwkeurigheid én deels gelijktijdig moet worden verstuurd vanaf een bewegend voorwerp.

Netwerk van autonome, draadloze sensoren

Om de mogelijkheden van autonome draadloze sensornetwerken te onderzoeken in het vierjarig AWISE-project, werkte NLR samen met verschillende organisaties, elk met een eigen specialiteit, met name de Universiteit Twente en twee Nederlandse MKB-bedrijven DACHS Made en Inertia Technology. Het project is opgedeeld in 4 thema’s:

• De sensor zelf;
• Het autonome karakter van de sensor waardoor hij kan voorzien in zijn eigen voeding;
• Een data-acquisitiesysteem dat snel en accuraat genoeg gegevens kan verzamelen van een of meerdere sensoren en met andere data acquisitiesystemen is te koppelen tot één netwerk;
• De betrouwbare draadloze overdracht van de juiste gegevens waarbij niet alleen nauwkeurigheid maar ook gelijktijdigheid een rol speelt.

Sensoren

Ten aanzien van de sensoren zelf heeft NLR geen eigen sensoren ontwikkeld, maar is gebruikgemaakt van commercieel beschikbare sensoren voor het meten van belastingen op mechanische constructies. Daarbij is wel gekeken naar vernieuwende sensorconcepten zoals nanoniveau rekstrookjes en op siliconegebaseerde rekstrookjes. Ondanks het feit dat deze allen commercieel beschikbaar zijn, waren nog niet alle concepten bewezen voor de luchtvaarttoepassingen en zijn derhalve door NLR eerst geëvalueerd. Daarnaast is vooral gezocht naar sensoren die zeer weinig energie nodig hebben.

De gekozen sensoren zijn te vergelijken met rekstrookjes en fungeren als spanningsmeter. Zij worden op de huid van het luchtvaartuig en de primaire constructiedelen (ribben, verstijvers) aangebracht. Wanneer de huid of de onderdelen als gevolg van mechanische belasting vervormen – of dit nu komt door het landen of opstijgen, een botsing met elementen als vogels of kogels of vreemde manoeuvres – dan zal het rekstrookje dit waarnemen door een veranderende spanning. De werking van deze sensoren is inmiddels bewezen.

Eigen voeding

Om sensoren te laten voorzien in een eigen voeding, zijn door de jaren heen verschillende ideeën geopperd en getoetst. Het gaat daarbij in de meeste gevallen om het gebruik van zogenaamde ‘laagwaardige’ energie. Dit is energie in de vorm van bijvoorbeeld trillingen, licht en warmte die uiteindelijk kan worden omgezet naar een bruikbare energievorm voor de werking van de sensor en het data-acquisitiesysteem. Het antwoord op dit vraagstuk zou er komen door toedracht van de firma DACHS Made, die voor AWISE een chip ontwikkelde die trillingen (piëzo) en licht (fotovoltaïsch) omzet in de benodigde spanning. De uitdaging van dit project was om de volledige energieomzetting te realiseren in de kleine chip. In het kader van veiligheid en betrouwbaarheid is bovendien een back-up toegepast in de vorm van een industriële knoopbatterij.

Draadloos sensornetwerk

Een andere grote uitdaging was het opzetten van een draadloos sensornetwerk dat de gegevens van de vele rekstrookjes verzamelt en verder doorstuurt voor analyse. In dit type netwerk communiceren de sensoren met elkaar terwijl het niet nodig is de sensoren te koppelen aan een centraal computersysteem, een van de belangrijkste kenmerken van draadloze sensornetwerken. Dit vraagstuk is opgepakt door Inertia Technology die zich de afgelopen jaren richtte op de ontwikkeling van nog specifieker dynamische sensornetwerken, waarin de sensoren zijn aangebracht op bewegende voorwerpen. Deze sensorwerken zijn toe te passen in onder meer de machinebouw (‘Is mijn draaiend systeem goed gebalanceerd?’, ‘Waar komen de trillingen vandaan?’) en in de medische sector waarbij de sensor informatie over de toestand van een patiënt doorgeeft aan de specialist.

“Binnen dit project ontwikkelden wij de hard- en software waarmee data uit de sensoren is te halen, te bewerken en ten slotte draadloos te versturen”, vertellen Mihai Marin-Perianu en zijn vrouw Raluca Marin-Perianu, de zaakvoerders van Inertia Technology. “Tevens hebben we een rol gespeeld bij de integratie van onze hard- en software in het complete sensorsysteem, het testen ervan en de validatie. De uitdagingen lagen in het zeer lage beschikbare vermogen om de processen te laten verlopen en de koppeling met een ander type sensor dan wij gewend waren te gebruiken. Daarbij waren de eisen met betrekking tot de nauwkeurigheid en datakwaliteit zeer hoog. Voor dit specifieke dynamische draadloze netwerk is het bijvoorbeeld noodzakelijk dat de gegevens die door de verschillende belastingsensoren worden gegenereerd snel en foutloos worden gesynchroniseerd en doorgegeven. Alleen dán zijn ze geschikt om hier ook bruikbare informatie uit te filteren.”

Om aan bovenstaande eisen te voldoen is het de bedoeling een groot aantal ‘data-acquisitiesysteempjes’ (DAS) op kritische punten van het vliegtuig te enten. Al deze DAS’en zijn knooppunten die met elkaar en mogelijk ook met andere data synchroniseren via een draadloos protocol.

Mihai Marin-Perianu: "Wanneer de datasynchronisatie via een draadloos protocol correct plaatsvindt, kunnen de vele 'data-acquisitiesysteempjes' worden beschouwd als één systeem dat de belasting op het luchtvaartuig meet."

Mihai: “Wanneer dit goed verloopt, zijn deze knooppunten te beschouwen als één systeem dat de belasting op (delen van) het luchtvaartuig meet. De synchronisatie van dit systeem bereikt minder dan 100 ns. Om het benodigde vermogen en de benodigde bandbreedte binnen de perken te houden, zijn binnen ons bedrijf speciale algoritmes opgesteld die uit de brei aan informatie alleen de relevante data filteren en doorsturen. Zonder deze filtering zou het systeem veel te groot zijn voor toepassing in luchtvaartuigen.”

Testen

In een laatste fase van het project zijn alle elementen samengevoegd en getest bij NLR.

“Deze testen zijn bedoeld om de werking van het concept aan te tonen en dat is gelukt”, vertelt Marcel Bos trots. “Dit betekent dat deze opzet geschikt is om autonoom en draadloos belastingen te kunnen meten aan luchtvaartuigconstructies; ook bij extreme omgevingscondities zoals lage temperaturen, zeer snel va­riërende belastingen (trillingen) en veel ruis in de vorm van andere trillingen die niets met de belasting van het luchtvaartuig te maken hebben. Tevens hebben we aangetoond dat hiervoor gebruik kan worden gemaakt van commercieel beschikbare rekstrookjes en dat met dit systeem de data betrouwbaar naar een grondstation zijn te sturen. Het vermogen dat hiervoor nodig is werd succesvol gegenereerd uit de omgeving (o.a. trillingen), omgezet en overgebracht naar het draadloze sensornetwerk. En tot slot vertoonden de draadloze metingen een zeer laag ruis­niveau.”

Conclusie

Een belangrijke eindconclusie luidde dat slechts 0,5% van de data ergens in het proces ‘verloren raakt’ en dat synchroniseren mogelijk was bij bemonsterfrequenties tot zeker 500 Hz. Ook de vereiste werking van de back-upknoopbatterij en de ‘zachte shutdown’ bij voedingsproblemen zijn aangetoond. Hiermee is het systeem van ruim voldoende kwaliteit om nu al te worden ingezet voor het monitoren van toepassingen in de industrie die veelal minder kritisch zijn dan de lucht- en ruimtevaart. Bijvoorbeeld in de procesindustrie voor het bewaken van de conditie van procesketels of het meten van trillingen in de algemene machinebouw.

“Het meten van trillingen is natuurlijk al langer bekend binnen de industrie, maar met dit systeem is het mogelijk om dit ook draadloos te doen en de gegevens te koppelen aan mogelijk nog andere sensoren voor een compleet systeemoverzicht”, vertelt Marcel Bos opnieuw. “Ik hoop dan ook oprecht dat de onderzoeksresultaten zoals deze nu gepubliceerd zijn door de industrie worden opgepakt en eventueel met de eerder genoemde twee MKB-bedrijven verder worden uitgewerkt tot commerciële toepassingen. Zeker in het kader van voorspellend onderhoud kan dit systeem een belangrijke meerwaarde hebben.”