Contribution à l'intégration d'une liaison avionique sans fil. L'ingénierie système appliquée à une problématique industrielle
Institution:
Palaiseau, Ecole polytechniqueDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
In a plane, a helicopter or a launcher, thousands of sensors, most non critics are used for the measurement of various parameters (temperatures, pressures, positions. . . ). The data are then sent within wires to the onboard computers who treat them. This involves the establishment of hundreds of kilometers of cables (500 km for an airliner) whose volume is considerable. The consequences are a high design and manufacturing complexity, reliability problems, especially on the connectors, and a large mass. In addition, some areas instrumentation is impossible because the lack of space makes the wiring difficult to envisage. Moreover, it is often advantageous to install new sensors to upgrade old aircrafts but the installation of cables required involves a partial dismantling which is problematic and expensive. To solve these problems, an innovative idea emerged in the aerospace industry: start replacing wired networks connecting the sensors of an aircraft and their decision-making center by wireless networks. The wireless communication technologies are now widely used in the electronics market. They are also beginning to be deployed for industrial applications such as automotive or remote reading of utility meters. However, replacing cables by waves represents an important technological challenge such as the broadcast in confined spaces or safety, security, reliability and electromagnetic compatibility issues. This thesis is motivated on one hand by the significant progress in the aerospace environment that could represent the establishment of a wireless network on aircraft. Indeed it could solve traditional problems such as instrumentation and lightening. The result would be: * A better understanding of the environment and the health monitoring of the aircraft * A reduction of the weight. * A gain of flexibility. * A gain of scalability and malleability. * A reduction of the complexity. * An improvement in the reliability On the other hand, given the design complexity of this wireless sensor network, it was necessary to apply a suitable methodology inspired engineering system. It is possible, given the number of subsystems to consider that this methodology is reusable for other case studies. A state of art as complete as possible has been built around the existing on the subject. Indeed, one can read this thesis have a pretty good idea of what has been done. A list was compiled of all wireless technologies indicating their state of maturity, their advantages and disadvantages to clarify our choices and the reasons for these choices. Wireless sensor projects have been launched; efficient and customizable wireless technologies have been developed their maturity in various sectors such as home automation, healthcare, automotive and even aerospace have been proved. However no wireless sensor was actually installed in aerospace environment because many technological are steel to overcome. With the strength of those past experiences, and maturity, conclusions were drawn from previous projects to move towards more sustainable solutions. Once identified, the technological gap has been isolated. A customization of our solution has been considered in order to reach that point with the means available. The methodology has allowed us to identify a maximum of constraints, needs and requirements to better focus innovation efforts and choose the most appropriate technologies
Abstract FR:
Dans un avion, un hélicoptère ou un lanceur actuel, des milliers de capteurs, pour la plupart non critiques sont utilisés pour la mesure de divers paramètres (températures, pressions, positions. . . ) Les résultats sont ensuite acheminés par des fils vers les calculateurs de bord qui les traitent. Ceci implique la mise en place de centaines de kilomètres de câbles (500 km pour un avion de ligne) dont le volume est considérable. Il en résulte une grande complexité de conception et de fabrication, des problèmes de fiabilité, notamment au niveau des connexions, et une masse importante. Par ailleurs l'instrumentation de certaines zones est impossible car leur câblage est difficilement envisageable par manque d'espace. En outre, s'il est souvent intéressant d'installer de nouveaux capteurs pour faire évoluer un aéronef ancien, l'installation des câbles nécessaires implique un démantèlement partiel, problématique et coûteux, de l'appareil. Pour résoudre ces problèmes, une idée innovante a émergé chez les industriels de l'aéronautique : commencer à remplacer les réseaux filaires reliant les capteurs d'un aéronef et leur centre de décision par des réseaux sans fil. Les technologies de communication sans fil sont aujourd'hui largement utilisées dans les marchés de l'électronique de grande consommation. Elles commencent également à être déployées pour des applications industrielles comme l'automobile ou le relevé à distance de compteurs domestiques. Cependant, remplacer des câbles par des ondes représente un défi technologique considérable comme la propagation en milieu confiné, la sécurité, la sureté de fonctionnement, la fiabilité ou la compatibilité électromagnétique. Cette thèse est motivée d'une part par l'avancée non négligeable dans le milieu aérospatial que pourrait être l'établissement d'un réseau sans fil à bord d'aéronefs dans la résolution de problématique classiques comme l'allégement et l'instrumentation. Il en résulterait donc : * Une meilleure connaissance de l'environnement et de la santé de l'aéronef * Un gain sur le poids. * Un gain en flexibilité. * Un gain en malléabilité et en évolutivité. * Un gain sur la complexité. * Un gain sur la fiabilité D'autre part, étant donnée la complexité de la conception de ce réseau de capteur sans fil, il a été nécessaire d'appliquer une méthodologie évolutive et adaptée mais inspirée de l'ingénierie système. Il est envisageable, vu le nombre de sous-systèmes à considérer, que cette méthodologie soit réutilisable pour d'autre cas pratiques. Une étude aussi complète que possible a été réalisée autour de l'existant déjà établi sur le sujet. En effet, on peut en lisant ce mémoire de thèse avoir une idée assez précise de ce qui a été fait. Une liste a été dressée de toutes les technologies sans fil en indiquant leur état de maturité, leurs avantages et leurs inconvénients afin de préciser les choix possibles et les raisons de ces choix. Des projets de capteurs sans fil ont été réalisés, des technologies sans fil performantes et personnalisables ont été développées et arrivent à maturité dans des secteurs variés tels que la domotique, la santé, l'automobile ou même l'aéronautique. Cependant aucun capteur sans fil n'a été véritablement installé en milieu aérospatial car de nombreux verrous technologiques n'ont pas été levés. Fort des expériences passées, et de la maturité qu'ont prise certaines technologies, des conclusions ont été tirées des projets antérieurs afin de tendre vers des solutions plus viables. Une fois identifiés, les verrous technologiques ont été isolés. Une personnalisation de notre solution a été à envisager afin de remédier tant que faire se peut à ces points bloquants avec les moyens mis à disposition. La méthodologie appliquée nous a permis d'identifier un maximum de contraintes, besoins et exigences pour mieux focaliser les efforts d'innovation sur les plus importantes et choisir ainsi les technologies les plus indiquées.