Revolutionair wiskundig framework helpt ingenieurs optimale vliegtuigsensoren te selecteren

In de Boeing 737 Max crash van 2019 gaf de teruggevonden black box aan dat een defecte druksensor het ongelukkige vliegtuig mogelijk in een nosedive deed duiken. Dit incident en anderen hebben een groter debat aangezett over sensorselectie, aantal en plaatsing om dergelijke tragedies te voorkomen.

Onderzoekers van Texas A&M University hebben nu een uitgebreid wiskundig framework ontwikkeld dat ingenieurs kan helpen geïnformeerde beslissingen te maken over welke sensoren te gebruiken en waar ze in vliegtuigen en andere machines gepositioneerd moeten worden.

"Tijdens de vroege ontwerpfase voor elk regelsysteem, moeten kritieke beslissingen worden genomen over welke sensoren te gebruiken en waar ze te plaatsen zodat het systeem geoptimaliseerd is voor het meten van bepaalde fysieke hoeveelheden van belang," zei professor Raktim Bhattacharya. "Met onze wiskundige formulering kunnen ingenieurs het model voeden met informatie over wat er gesensoerd moet worden en met welke precisie, en de output van het model zal de minste benodigde sensoren en hun nauwkeurigheden zijn."

Of het nu een auto of een vliegtuig is, complexe systemen hebben interne eigenschappen die gemeten moeten worden. Bijvoorbeeld, in een vliegtuig worden sensoren voor hoeksnelheid en versnelling op specifieke locaties geplaatst om de snelheid te schatten.

Sensoren kunnen ook verschillende nauwkeurigheden hebben. In technische termen wordt nauwkeurigheid gemeten door de ruis, of de wiggels, in de sensormetingen. Deze ruis beïnvloedt hoe nauwkeurig de interne eigenschappen voorspeld kunnen worden. Echter, nauwkeurigheden kunnen verschillend gedefinieerd zijn afhankelijk van het systeem en de toepassing. Bijvoorbeeld, sommige systemen kunnen vereisen dat ruis in de voorspellingen een bepaald bedrag niet overschrijdt, terwijl anderen de kwadraat van de ruis zo klein mogelijk nodig hebben. In alle gevallen heeft voorspellingsnauwkeurigheid een direct impact op de kosten van de sensor.

"Als u sensornauwkeurigheid wilt die twee keer zo nauwkeurig is, is de kosten waarschijnlijk meer dan dubbel," zei Bhattacharya. "Verder is in sommige gevallen zeer hoge nauwkeurigheid niet eens vereist. Bijvoorbeeld, een dure 4K HD voertuigcamera voor objectdetectie is onnodig omdat eerst, fijnere kenmerken niet nodig zijn om mensen van andere auto's te onderscheiden en tweedens, dataverwerking van high-definition camera's wordt een kwestie."

Bhattacharya voegde toe dat zelfs als de sensoren extreem precies zijn, weten waar de sensor te plaatsen kritiek is omdat men een dure sensor op een locatie kan plaatsen waar hij niet nodig is. Dus, zei hij, de ideale oplossing balanceert kosten en precisie door het aantal sensoren en hun posities te optimaliseren.

Om deze redenering te testen, ontwierpen Bhattacharya en zijn team een wiskundig model met een set vergelijkingen die het model van een F-16 vliegtuig beschreven. In hun studie was het doel van de onderzoekers om de voorwaartse snelheid, de richting van de windhoek ten opzichte van het vliegtuig (de aanvalshoek), de hoek tussen waar het vliegtuig naar wijst en de horizon (de pitch-hoek), en pitch-snelheid voor dit vliegtuig te schatten. Beschikbaar voor hen, waren sensoren die normaal in vliegtuigen zitten voor het meten van versnelling, hoeksnelheid, pitch-snelheid, druk, en de aanvalshoek. Daarnaast werd het model ook voorzien van verwachte nauwkeurigheden voor elke sensor.

Hun model onthulde dat niet alle sensoren nodig waren om de voorwaartse snelheid nauwkeurig te schatten; metingen van hoeksnelheidssensoren en druksensoren waren voldoende. Ook waren deze sensoren voldoende om de andere fysieke toestanden te schatten, zoals de aanvalshoek, wat de noodzaak van een additionele aanvalshoeksensor uitsloot. In feite hadden deze sensoren, hoewel een surrogaat voor het meten van de aanvalshoek, het effect van het introduceren van redundantie in het systeem, wat resulteerde in hogere systeembetrouwbaarheid.

Bhattacharya zei dat het wiskundige framework zo ontworpen is dat het altijd de minste benodigde sensoren aangeeft zelfs als het voorzien wordt van een repertoire aan sensoren om uit te kiezen.

"Laten we aannemen dat een ontwerper elk type sensor overal wil plaatsen. De schoonheid van ons wiskundig model is dat het de onnodige sensoren eruit haalt en u dan het minimum aantal benodigde sensoren en hun posities geeft," zei hij.

Verder merkten de onderzoekers op dat hoewel de studie vanuit een luchtvaarttechnisch perspectief is, hun wiskundige model heel algemeen is en andere systemen kan beïnvloeden.

"Naarmate engineering-systemen groter en complexer worden, wordt de vraag waar de sensor te plaatsen steeds moeilijker," zei Bhattacharya. "Dus, bijvoorbeeld, als u een heel lange windturbineblad bouwt, moeten sommige fysieke eigenschappen van het systeem geschat worden met sensoren en deze sensoren moeten op optimale locaties geplaatst worden om ervoor te zorgen dat de structuur niet faalt. Dit is non-triviaal en dat is waar ons wiskundige framework in komt."

Contactinformatie