O prihodnosti potovanj se odloča na Teksaški univerzi v Austinu

06.08.2020

Izziv: Zaradi rasti urbane populacije se povečuje obremenitev tradicionalnih prometnih povezav, zato bodo za hitra, varna in zanesljiva potovanja v prihodnosti potrebne inovativne rešitve. Rešitev: Tim Texas Guadaloop je z uporabniško programirljivimi instrumenti FPGA poenostavil regulacijski sistem vozila na zračni blazini Hyperloop in skrajšal čas med razvojnimi iteracijami.

Ustvarjanje prve rešitve

Vozila, ki naj bi bila sposobna gibanja nad hitrostjo zvoka, morajo imeti odziven sistem vodenja. Ko so člani tima Texas Guadaloop pripravili prve zasnove sistema za vodenje zračnih ležajev, so uporabili dve odprtokodni vdelani plošči: prvo za komunikacijo, računanje, avtomatizacijo in druge visokonivojske naloge, drugo pa za digitalne in analogne vhode in izhode.

Taka rešitev je bila zadovoljiva za osnovne potrebe, ni pa omogočala skaliranja od prvih eksperimentov do robustnejše implementacije. Člani tima so ugotovili, da je veliko ozko grlo za posamezno vozilo predstavljala komunikacija med ploščami, zaradi katere so procesorji tratili cikle s čakanjem na dokončanje vhodno/izhodnih procesov, ki potekajo zunaj plošč. Težavo so odpravili med osnovno validacijo, toda scenariji za prihodnost z več vozili predvidevajo še več takih plošč, kar bi podaljšalo nedejavne procesorske cikle in upočasnilo dostop. To bi privedlo do počasnejših in nedeterminističnih posodobitev podsistemov, kar bi pomenilo veliko težavo v scenariju vodenja nadzvočnih vozil Hyperloop. Podsistemi zahtevajo posodobitve regulacijskih vhodov in izhodov v le nekaj milisekundah, saj mora biti zagotovljena natančnost lebdenja več kot 500 kg težkega prevoznega sredstva znotraj 1 mm. Kakršne koli težave bi lahko povzročile potencialno katastrofalne prenihaje in podnihaje v regulacijskem algoritmu.

Prednosti strojne opreme v industrijski kakovosti

Člani tima so z uporabo uporabniško programirljivih instrumentov FPGA podjetja National Instruments, ki se pogosto uporabljajo v industriji, fundamentalno poenostavili sistem vodenja vozil Hyperloop in skrajšali čas med iteracijami razvoja zasnove. Arhitekturo regulatorja so optimirali iz sistema z več vdelanimi krmilniki in nepreglednim spletom žic v en sam vdelani regulator, ki ima več procesorske moči, neposredne V/I povezave s procesorji in večjo zanesljivost. Za edinstvene potrebe pri pripravi signala so s treh tiskanih vezij po meri prešli na eno samo, s tem pa so izpilili prototip in odpravili ranljivosti v sistemu. Uporabniško programirljivi instrumenti NI na zasnovi FPGA so članom tima pomagali tudi pri uspešnem skaliranju iz trenutne implementacije na kompleksnejše implementacije in tudi na komercializacijo.

Texas Guadaloop je prihranil tudi veliko časa in naporov. »Prej smo porabili 80 odstotkov razvojnega časa za odpravljanje težav v komunikaciji med sistemi, zdaj pa lahko usmerimo 100 odstotkov razvojnega časa v nove senzorje, arhitekturo in testiranje sistema,« je zadovoljen Sahar Rashed s Teksaške univerze v Austinu.

Industrijske platforme kot prava prednost 

»V prvih prototipih smo uporabili SOM in izpolnili so večino naših zahtev. Zaradi pomanjkanja integriranega okolja za programiranje pa se je močno podaljšal čas izdelave prototipov,« je povedal Paulo Carvalho, doktorski študent pri WPI. »Sistem smo zato preoblikovali in vanj vključili rešitev s sistemom na modulu NI CompactRIO, ki uporablja do razvijalcev prijazen grafični opisni jezik za programiranje FPGA v okolju LabVIEW in izvozi API v headerjih programskega jezika C, ki so preprosti za uporabo,« nadaljuje Carvalho. »Razvoj programske opreme je tako hitrejši, naša ekipa pa se lahko posveti osnovni nalogi in se ne obremenjuje z infrastrukturo.«

WPI je z uporabo uveljavljenega razvojnega okolja in komercialne standardne (COTS) strojne opreme omogočil raziskovalcem tako hitro izdelavo prototipov in validacijo sistemov, kakor tudi preprosto skaliranje inovacij za komercializacijo na trgu. Z omogočanjem preproste ponovitve eksperimentov v podobnih laboratorijih po svetu pa se je izboljšala tudi transparentnost.

Raziskovalci vsak dan uporabljajo platformo NI za premikanje meja odkrivanja. Vodijo jih veliki izzivi, s katerimi se sooča človeštvo ter gospodarski in tehnični trendi, ki spreminjajo brezžične komunikacije, prevoz in energijo. Ideje, teorije in prototipi, ki se začnejo v laboratorijih za akademske raziskave, segajo v vse bolj zapletene aplikacije in sčasoma vplivajo na življenja vseh v obliki komercialne tehnologije.

Tako raznoliki, kot je morda področje njihovih raziskovalnih središč, se akademiki soočajo s podobnimi izzivi, ne glede na področje. Cilj NI je bil vedno pomagati znanstvenikom in inženirjem, da preživijo svoj čas na nečem novem in inovativnem, tako da ponudi natančnost, ponovljivost in prilagodljivost skozi platformo, ki jih potrebujejo za potrditev in prototip raziskav.

Prispevek je del priročnika, ki nam služi kot prostor za izmenjavo spoznanj in najboljših praks svetovne raziskovalne skupnosti skozi predstavitve novih raziskav, izvedenih s pomočjo platforme NI.

David Wilson
Podpredsednik za trženje izdelkov za programsko opremo, akademike in izobraževanje strank 

Vir: ni.com/academic