NASA : NI LabVIEWを使用して、レーザービーム特性の統合評価を長期的に実行できるテストシステムを実現

Author(s):
Mink Hollow Systems 社 - Eric Lyness氏

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW, GPIB

The Challenge:
周回軌道衛星から地表の観測を行うためのレーザー適性を評価するため、長寿命テストにおけるレーザービームの特性と効率を計測すると同時に、軌道に特有の加熱・冷却サイクルのシミュレーションを行う。

The Solution:
ナショナルインスツルメンツのLabVIEW 7 Express（Mac OS X対応）を使用して、複数のCCDカメラとGPIB、RS-232計測器から取り込んだデータをあわせ、包括的なレーザービーム解析を行う。これには、柔軟性に優れた、安定性・拡張性の高い製品を低コストで製造することのできる、マルチスレッド機能やオブジェクト指向型の技術を最大限に活用した。

安定性・効率性の必要性
レーザーを基とする全ての宇宙ミッションにおいて、「効率の高さ」は非常に重要なポイントとなります。NASAのレーザー効率は通常5％未満ですが、1～2％向上させると、太陽光集光部や冷却システムの規模、レーザーをサポートする衛星の全体的な質量が大幅に軽減されます。しかし、レーザーの場合、効率が高まると安定性が落ちてしまいます。安定性・効率に優れたレーザーを求めていたNASAの技術者は、その開発に役立つ、包括的かつ信頼性に優れたテストツールを必要としていました。

同システムの開発に先立ち、NASAの技術者は4つ以上のアプリケーションを稼動している2～3台のPCを使用してレーザーのテストを行いました。システムが頻繁にクラッシュすると、長期的なテストを行うのは困難になります。テストが終了した時点で、科学者は数時間を費やして各アプリケーションから関連するデータを集めます。テストシステムを管理するだけでフルタイムの技術者一人を常駐させておかなければなりませんでした。そこでNASAはMink Hollow Systems社に対し、単一の安定したMac OS Xアプリケーションに全ての機能を統合するよう依頼したのです。

NASAでは、2つのCCDカメラを使用したレーザービーム計測を必要としていました。メインとなるCCDでは、「ビームの幅」、「高さ」、ビームが空洞を励起する際に計測される「中心部」の計測を行うのに使用し、二つ目のCCDは、反対側の鏡を通して空洞の内側のビームプロファイルを計測し、空洞内のビームの密度と特性をモニターするのに使用します。CCDアレイは減衰したビームを受け、ソフトウェア内の画像処理アルゴリズムはビームの幅、高さ、ドリフト、分散具合、フルエンスの計測を行います。同システムでは、高精度の計測器を使用してビームの屈折力を計測します。また、レーザーヘッドや周辺温度、室内の露点の計測も行います。それと同時に同システムはレーザーの環境温度を周期的に制御し、軌道上での温度差をシミュレーションしました。

それぞれのテストで使われた全てのデータは、単一のhtmlファイルに保存されています。その中には、ビームの画像と全ての計測データ、データの統計分析結果が含まれています。テストは数週間に及ぶ場合もあり、清潔な室内環境下で実施されます。NASAの科学者は、NI LabVIEW Webサーバを使用して、自分のオフィスあるいは自宅からシステムにアクセスし、実行中のテストを確認したり制御したり、現状をチェックすることにより、「クリーンスーツに着替える」手間を省くことができるのです。

LabVIEWで非常に厳しいデザイン要件に対応
NASAはシステムデザインに対し、安定性と柔軟性を求めていました。これらの要件に対し弊社ではLabVIEWマルチスレッド機能を使用することで対応し、オブジェクト指向型のコーディング技術を適用しました。これにより非常に高い拡張性が実現しました。弊社では、お客様に対し、お客様の期待を大幅に上回るシステムを、コストを相当抑えて提供することに成功しました。

レーザーの寿命試験は数ヶ月にも及ぶことがあります。ソフトウェアが6週間の寿命試験のうち5週間目以降でダウンした場合、テストをやり直さなければならなくなり、最初の5週間は無駄になってしまいます。一定水準の安定性に達するために、各計測サブシステムを独立させるマルチスレッド型のモジュール式アプローチを選択しました。中核となるテストコントロール・モジュールは、LabVIEWが（生成と削除を）管理するキューを介して計測サブシステムとの間でメッセージをやりとりします。このキューには計測I/O制御コマンドは含まれていないため、コアとなるコードがほぼそのまま送られることになり、高い安定性が実現できます。

テストコントロール・モジュールはLabVIEWのキューを介して計測サブシステムに「スタート」、「ストップ」などのコマンドを送ることでその計測サブシステムの構成を行います。計測サブシステムが全てのI/O操作を行い、キューを介して中核部分のモジュールに結果を送信します。それぞれのサブシステムが独自のスレッドで動作しているため、I/Oエラーを処理したり、接続をリセットすることが可能なだけでなく、テストコントロール・モジュールを遅らせたり停止させることなく、時間がかかりがちな別のオペレーションを処理することができます。計測サブシステムモジュール一つ一つはスタンドアロン型のプログラムとして実行することができるため、テストも簡単に行え、必要ならば別のアプリケーションでも使用することができます。

NASAでは、システムを最低3回は複製する必要がありました。NASAは、以前使用したシステムからCCDカメラを流用し、様々なメーカーの計測器を所有していました。そのため、構築するシステムは、手持ちの計測器を使用できるだけの柔軟性を備えている必要があったのです。弊社では、オブジェクト指向型のコーディング技術を選択しました。その技術では、計測器を5つのオブジェクト（カメラオブジェクト、電力計オブジェクト、温度計測オブジェクト、露点計オブジェクト、温度制御オブジェクト）に分類します。それぞれのオブジェクトには、接続・構成・読み取り・クローズなどといった標準的な機能が組み込まれています。このオブジェクト指向型のアプローチとマルチスレッド・アーキテクチャを組み合わせることにより、テストそのものを妨げることなく、寿命試験中でも計測器を交換できるようになりました。この組み合わせによる副産物として、優れた拡張性が得られたという点があげられます。システムに全く新しいタイプの計測器を難なく追加させることができただけでなく、コアとなるコードに手を加えずに全く新しい計測サブシステムを追加することもできました。その結果、安定性を維持することにつながっています。

弊社では、Macintosh G4コンピュータで使用するのに、Active Silicon社の画像集録ボードを採用しました。と言うのも、同ボードでは、単一のボード上で4つのCCDカメラからの信号入力が可能で、PALもしくはNTSCビデオコーディングを使用しているアナログCCDカメラのほとんどと互換性があるためです。Mink Hollow Systems社がC言語で作成したドライバを使用してActive Silicon社のボードからLabVIEWに画像を転送し、画像処理を行いました。計測器はRS-232もしくはGPIBを介してLabVIEWとデータの受け渡しを行います。GPIB通信の場合、NI GPIB-ENET/100デバイスを使用することによりGPIBバスとイーサネット接続することができます。RS-232通信の場合、Keyspan USB/RS232-4シリアルを使用してシステムとUSBコンバータとを接続しています。Mac OS X対応のNI-VISAとLabVIEWを使用することにより、各計測器用のドライバには、計測器のシリアル版とGPIB版用のドライバと同じものが使えることになります。

NASAは時間と費用の削減に成功
2003年の導入以来、システムは非常に安定した稼動状況にあり、同システムによって節約できた時間は一年あたりで数百時間にものぼります。オブジェクト指向型のアプローチのお陰で、既存の計測器とCCDカメラを活用することができ、システムを複製した際にNASAが節約できた費用は、数千ドルにも及びます。ソフトウェアの柔軟性と拡張性を活かして、弊社ではスタンドアロン型のソフトウェア製品として汎用レーザー特性評価システムを開発することに成功しました。

ソフトウェアアーキテクチャ

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Mink Hollow Systems 社
Eric Lyness氏

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