des capteurs sans fil autonomes
pour controler l’etat des avions

transmission des donnees sans fil et fiable depuis le ciel

La maintenance basée sur l'état d’un bien dépend de la capacité d'effectuer des mesures pertinentes au sein de cet actif et de contrôler les valeurs associées. Pour les avions surtout, le Koninklijke NLR – le Centre royal aérospatial néerlandais – a étudié les possibilités d'appliquer ces mesures aux contraintes mécaniques à l'aide de réseaux de capteurs sans fil. L'institut de recherche s'est donc penché sur la manière dont différents systèmes d'acquisition de données miniatures arrivent à collaborer, sur l'approvisionnement en énergie et sur la transmission des données.

Developper les connaissances

En tant qu'organisation indépendante, le NLR mène des recherches pour un large éventail de groupes de clients. Des recherches qui profitent non seulement à l'industrie aérospatiale, mais aussi, dans de nombreux cas, à l'industrie. Par exemple, lorsqu'il s'agit de concepts ou d'outils de maintenance. Chaque année, le NLR définit un programme d'objectifs de recherche étendu, couvrant un large éventail de sujets, allant des matériaux, de l'effet de la technologie sur les personnes et la logistique à l'intelligence artificielle, la durabilité et la préservation. De nom­breuses recherches reposent sur des projets et ne visent pas à fournir un produit prêt à l'emploi, mais à développer les connaissances dans le cadre de solutions politiques et techniques. Parfois, l'objectif flirte avec ces deux domaines et des recherches sont effectuées sur l'utilité de certains con­cepts. La recherche se poursuit jusqu'à ce que le concept soit approuvé – ou rejeté. Lorsque cela fonctionne, les données sont mises à la disposition des entreprises afin de développer une solution commerciale plus largement applicable que dans la seule industrie aérospatiale.

Avantages des nouvelles technologies

C'est notamment le cas pour le projet AWISE – Autonomous Wireless Sen­sors – qui s'est achevé en 2019. Pen­dant cette étude, les experts se sont intéressés à la possibilité d'utiliser ces capteurs – combinés en un réseau sans fil complet – dans le cadre de la surveillance des charges mécaniques sur la structure d'un avion pendant son fonctionnement. Il s'agit d'un contrôle essentiel car le cycle de chargement nous renseigne sur la durée de vie restante du véhicule. L'accent est mis sur la surveillance des pièces métalliques et non sur les composites qui sont aussi utilisés dans l'aviation. Dans les composites, les dom­mages éventuels, quelle qu'en soit la raison, n'évoluent pas davantage ou, au contraire, de manière très brutale (et donc incontrôlable). En outre, on en sait trop peu sur le comportement à la fatigue des matériaux composites, ce qui implique trop d'incertitudes quant à l'utilité de la surveillance des charges cycliques.

Sans fil et autonomes

Marcel Bos, Principal R&D Engineer chez NLR: “Evidemment, les capteurs sont déjà utilisés pour le contrôle de données dans les avions, mais avec les techniques du passé, nous avons dû faire face à des inconvénients aux conséquences non négligeable, surtout pour l'aviation. P.ex., à l'époque où le ‘sans fil’ n'était pas encore suffisamment fiable ou n'existait même pas, tous les capteurs étaient câblés. Cela représente non seulement un fameux poids, mais cela signifie aussi une installation nettement plus complexe et donc une marge d'erreur relativement élevée. En outre, le processus de certification requis pour intégrer des capteurs câblés dans le réseau et le système de données embarqués est l'un des plus ‘longs et difficiles’. Raison de plus pour s’intéresser aux nouveaux développements technologiques tels que les réseaux de capteurs sans fil et autonomes. Cela résout au moins le problème du câblage et du temps nécessaire à l'installation.“

Marcel Bos: "Un système cablé représente non seulement un fameux poids, mais signifie aussi une installation nettement plus complexe et donc une marge d'erreur relativement élevée. "

“Mais cette solution offre aussi d'autres avantages. P.ex., ‘autonome’ signi­fie que le capteur gère son ali­mentation, et donc qu'aucune ali­mentation électrique externe – souvent d'un poids considérable – ne doit être prévue dans l'avion.“

Conditions annexes

Toutefois, l'application de réseaux de capteurs sans fil autonomes dans l'aérospatiale se heurte à des défis supplémentaires par rapport aux applications industrielles.

Tout d'abord, les exigences en matière de sécurité sont maximales. Lorsqu'un système de surveillance échoue dans l'industrie, il en résulte souvent ‘juste’ une perte financière. Dans le secteur de l'aviation, cependant, en plus des sommes astronomiques investies, ce sont avant tout des vies humaines qui sont en jeu. En outre, en toute logique, l'installation doit être aussi légère que possible, mais doit aussi pouvoir résister aux conditions extrêmes que l'on rencontre en altitude dans l'espace aérien. Des températures très basses, par exemple, mais aussi la charge du vent, des précipitations et le rayonnement UV. Enfin, il faudra trouver une solution pour transmettre sans fil toutes les données générées par le système pendant un vol vers un stockage local à bord de l'avion ou vers un stockage central au sol. Cela représente des flux énormes de données (ce que l'on appelle le big data) qui doivent être envoyés avec un haut degré de précision et en partie simultanément à partir d'un objet en mouvement.

Un reseau de capteurs sans fil et autonomes

Afin d'explorer les possibilités de réseaux de capteurs sans fil autonomes dans le cadre du projet AWISE qui aura duré quatre ans, le NLR a collaboré avec diverses organisations, chacune ayant sa propre spécialité, en particulier l'université de Twente et deux PME néerlandaises, DACHS Made et Inertia Technology. Le projet s'articule autour de 4 thèmes:

• Le capteur en tant que tel;
• Le capteur en tant que tel;
• Le caractère autonome qui lui permet de gérer son alimentation en énergie;
• Un système d'acquisition de données qui peut collecter rapidement et avec précision suffisamment de données provenant d'un ou plusieurs capteurs et qui peut être relié à d'autres systèmes d'acquisition de données pour former un réseau unique;
• La transmission sans fil fiable des données correctes, qui repose non seulement sur l'exactitude mais aussi sur la simultanéité des échanges.

Capteurs

En ce qui concerne les capteurs, le NLR n'en a pas développé ses propres, mais a utilisé ceux disponibles dans le commerce pour me­surer les charges sur les structures mécaniques. Cependant, des concepts de capteurs innovants tels que les jauges de contrainte à l'échelle nanométrique et les jauges de con­trainte à base de silicium ont été envisagés. Bien qu'ils soient tous disponibles, tous les concepts n'ont pas encore été éprouvés pour des applications aérospatiales et ont fait l'objet d'évaluation par le NLR.

Le NLR recherchait avant tout des capteurs qui consomment très peu d'énergie. Ceux-ci choisis peuvent être comparés à des jauges de contrainte, et fonctionnent comme telles. Ils sont appliqués sur le fuselage de l'avion et sur les parties structurelles primaires (nervures, raidisseurs). Lorsque le fuselage ou les pièces se déforment en raison d'une contrainte mécanique – à l'atterrissage ou au décollage, lors d'une collision avec des éléments comme des oiseaux ou des balles ou lors de manœuvres – la jauge de contrainte le détecte en raison d'une variation de la tension. Le fonctionnement de ces capteurs n'est aujourd'hui plus à prouver.

Une alimentation propre

Au fil des ans, plusieurs idées ont été avancées et testées afin de fournir aux capteurs leur propre alimentation électrique. Dans la plupart des cas, cela implique l'utilisation d'une énergie dite ‘de moindre qualité’. Il s'agit de l'énergie sous forme, p.ex., de vibrations, de lumière et de chaleur qui peut finalement être convertie en une forme d'énergie utilisable pour le fonctionnement du capteur et du système d'acquisition de données. C'est la société DACHS Made qui a proposé la solution, en développant pour AWISE une puce qui convertit les vibrations (piézoélectriques) et la lumière (photovoltaïque) en la tension requise. Le défi de ce projet était de réaliser la conversion complète de l'énergie dans la petite puce. Dans le cadre de la sécurité et de la fiabilité, une batterie de secours a également été appliquée sous la forme d'une pile bouton industrielle.

Un réseau de capteurs sans fil

Un autre défi majeur consistait à mettre en place un réseau de capteurs sans fil qui collecte les données des nombreuses jauges de contrainte et les transmet pour analyse. Dans ce type de réseau, les capteurs communiquent entre eux sans qu'il soit nécessaire de les connecter à un système informatique central, ce qui est l'une des caractéristiques les plus importantes des réseaux de capteurs sans fil. Cette question a été confiée à et résolue par Inertia Technology, qui s'est concentrée ces dernières années sur le développement de réseaux de capteurs dynamiques encore plus spécifiques, dans lesquels les capteurs sont montés sur des objets en mouvement. Ces réseaux de capteurs peuvent être utilisés dans des domaines tels que l'ingénierie mécanique (‘Mon système de rotation est-il bien équilibré?’, 'D'où viennent les vibrations?’) et dans le secteur médical où le capteur transmet au spécialiste des informations sur l'état d'un patient.

“Dans le cadre de ce projet, nous avons développé le matériel et le logiciel avec lesquels les données peuvent être extraites des capteurs, traitées et finalement envoyées sans fil“, explique Mihai Marin-Perianu aux côtés de son épouse Raluca Marin-Perianu, chefs d'entreprise d'Inertia Technology. “Nous avons aussi participé à l'intégration de notre matériel et de nos logiciels dans le système complet de capteurs, en le testant et en le validant. Les défis résident dans la très faible puissance disponible pour actionner les processus et la connexion à un type de capteur différent de celui que nous avions l'habitude d'utiliser. En outre, les exigences en matière de précision et de qualité des données étaient très élevées. Pour ce réseau dynamique sans fil spécifique, p.ex., il faut que les données générées par les différents capteurs de charge soient synchronisées et transmises rapidement et sans erreur. Ce n'est qu'à ce moment-là qu'ils permettent de filtrer les informations utiles. Afin de répondre aux exigences ci-dessus, l'intention est d'intégrer un grand nombre de ‘systèmes d'acquisition de don­nées’ (DAS) aux points critiques de l'avion. Tous ces DAS sont des carrefours qui se syn­chro­nisent entre eux et éventuellement avec d'autres flux de données via un protocole sans fil. .

Mihai Marin-Perianu: "Si tout se passe bien, les nœuds peuvent être considérés comme un système qui mesure la charge sur (des éléments de) l'avion"

Mihai: “Si tout se passe bien, ces nœuds peuvent être considérés comme un système qui mesure la charge sur (des éléments de) l'avion. La synchronisation de ce système est effectuée en moins de 100 ns. Afin de maintenir la puissance et la bande passante requises dans certaines limites, des algorithmes spéciaux ont été développés et intégrés au sein de notre entreprise pour filtrer et transmettre uniquement les données pertinentes issues du méli-mélo d'informations. Sans ce filtrage, le système serait beaucoup trop encombrant pour être utilisé dans des avions.“

TESTS

“Ces tests ont pour but de démontrer le bon fonctionnement du concept, et tout s'est très bien déroulé“, ajoute Marcel Bos, non sans une pointe de fierté. “Cela signifie que le concept est adapté à la mesure de charges autonomes et sans fil sur les structures des avions; même dans des conditions environnementales extrêmes telles que les basses températures, les contraintes variant très rapidement (vibrations) et le bruit sous forme d'autres vibrations qui n'ont rien à voir avec la contrainte exercée sur l'avion. Nous avons montré que les jauges de contrainte disponibles dans le commerce peuvent être utilisées et qu'avec ce système, les données peuvent être transmises de manière fiable à une station au sol. L'éner­gie nécessaire a été produite avec succès à partir de l'environnement (p.ex., des vibrations), convertie et transférée au réseau de cap­teurs sans fil. Les mesures sans fil indiquent un très faible niveau de bruit de fond.“

Conclusion

On retiendra comme principale conclusion que seules 0,5% des données se ‘perdent’ dans le processus et que la synchronisation était possible à des fréquences d'échantillonnage allant jusqu'à au moins 500 Hz. Le fonctionnement efficace de la pile bouton de secours et l'arrêt progressif en cas de problème d'alimentation ont également été démontrés. Le système est donc d'une qualité plus que suffisante pour être appliqué dans des applications de surveillance dans l'industrie, souvent moins critiques que dans l'aérospatiale. P.ex., pour le suivi de l'état des chaudières de transformation ou la mesure des vibrations dans la construction mécanique générale.

“La mesure des vibrations est appliquée dans l'industrie depuis longtemps, évidemment, mais ce système permet à présent de le faire sans fil et de relier les données à d'éventuels autres capteurs pour obtenir une vue d'ensemble complète du système“, précise encore Marcel Bos.

“J'espère vraiment que les résultats de l'étude tels qu'ils ont été publiés seront repris par l'industrie et finalement développés en applications commerciales avec les deux PME susmentionnées. Dans le contexte de la maintenance prédictive, ce système représente une vraie valeur ajoutée.“