YETE Robuste, verteilte Systeme im Automotive- und Aerospacebereich durch eine modulare, flexible Echtzeitplattform

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1 YETE Robuste, verteilte Systeme im Automotive- und Aerospacebereich durch eine modulare, flexible Echtzeitplattform Alexander Hilgarth, Tobias Mikschl, Sergio Montenegro, Klaus Schilling, Florian Kempf, Ali Kheirkhah, Tristan Tzschichholz Lehrstuhl für Luft- und Raumfahrtinformatik

2 YETE Agenda 1. Motivation / Einleitung 2. Hardware 3. Software 4. Denkbare Einsatzszenarien 5. Synergien und Zusammenfassung

3 YETE Motivation Physikalisch Verteilte Steuerung Im Weltraum

4 YETE Motivation Vernetzte Geräte im Bereich Automotive und Aerospace Launcher: Flugzeuge: Satelliten: ~ 1000 vernetzte Geräte (Sensoren, Aktuatoren) ~ 1000 vernetzte Geräte ~ 200 vernetzte Geräte Automobile: ~ 150?? Datenraten: 1 Kbits/s Mbit/s (unser Fokus: Low-Speed-Geräte) Echtzeit: Harte und weiche Echtzeitanforderungen (unser Fokus: Weiche Echtzeit)

5 YETE Motivation Viele spezialisierte Computer in einem Raumfahrzeug: optimiert aber begrenzt teilweise brachliegende Rechenkapazitäten Idee: Rechnerknoten werden generisch entworfen und können Aufgaben überlasteter Knoten übernehmen Unabhängig vom Kommunikationsmedium / drahtlose Ad-Hoc-Vernetzung möglich Anbieten / Inanspruchnehmen von Rechenkapazitäten über Systemgrenzen hinweg

6 YETE Architektur Systemaufbau 1 Stand der Technik, drahtgebunden Local Computing Cluster Sternensensor Reaktionsräder Temperatur Strom IMU Deployment Sensorik / Aktuatorik Sensor Aktuator Sensor Sensor Sensor Aktuator Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Payload- Computer Bordcomputer

7 YETE Architektur Systemaufbau 1 Stand der Technik, drahtgebunden Local Computing Cluster Sternensensor Reaktionsräder Temperatur Strom IMU Deployment Sensorik / Aktuatorik Sensor Aktuator Sensor Sensor Sensor Aktuator Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer CPU-Last > 90 % Payload- Computer CPU-Last < 1 % CPU-Last < 5 % CPU-Last < 10 % Bordcomputer CPU-Last > 75 % CPU-Last > 50 %

8 YETE Architektur Systemaufbau 2 Gemeinsame Nutzung von Rechenleistung On-Board-Computing Cluster Sternensensor Reaktionsräder Temperatur Strom IMU Deployment Sensor Aktuator Sensor Sensor Sensor Aktuator Router / Switch Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer

9 YETE Architektur Systemaufbau 2 Gemeinsame Nutzung von Rechenleistung On-Board-Computing Cluster Sternensensor Reaktionsräder Temperatur Strom IMU Deployment Sensor Aktuator Sensor Sensor Sensor Aktuator Router / Switch Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Extra-Core für Real-Time-IO Time-Sync im Netzwerk

10 YETE Architektur Systemaufbau 3 Drahtlose Intrasatelliten Kommunikation Sensorik / Aktuatorik Sensor Aktuator Sensor Sensor Sensor Aktuator Computing Cluster Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer

11 YETE Architektur Systemaufbau 4 Drahtlose Intersatelliten Kommunikation Verteiltes System ( verteilte Intelligenz ), Auslagern von Rechenaufgaben an ein anderes System in örtlicher Nähe. Raumfahrzeug 1 Raumfahrzeug 2 Sensorik / Aktuatorik Sensorik / Aktuatorik Sensor Aktuator Sensor Sensor Aktuator Sensor Computing Cluster Computing Cluster Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer Frontend-Computer

12 YETE Architektur Systemaufbau 5 Verteilte Rechnerverbünde Aufheben aller Begrenzungen für die Rechner Verteilung von Rechenaufgaben über alle Missionsbeteiligte hinweg: Bodensegment, Raumsegment (Satelliten, Rover, Lander). Enge Kooperation zwischen Bodensegment und Raumsegment. Satellit Bodensegment Rover Sensorik / Aktuatorik Lander Sensorik / Aktuatorik Sensorik / Aktuatorik Sensor Aktuator Sensorik / Aktuatorik Sensor Aktuator Sensor Aktuator Computing Cluster Sensor Aktuator Computing Cluster Computing Cluster Frontend- Computer Frontend- Computer Frontend- Computer Frontend- Computer Computing Cluster Frontend- Computer Frontend- Computer Frontend- Computer Frontend- Computer

13 YETE Distributed Control

14 YETE Building Blocks (RODOS)

15 YETE Building Blocks (HW/SW) Verknüpfung in Hardware nichts Neues Verknüpfung der Buildingblocks in Software

16 YETE RODOS Middleware RODOS Middleware fungiert als ein Bus Gerät Gerät Gerät Anwendung Gerät Anwendung Anwendung Middleware Topics ( Kommunikationskanäle )

17 YETE Beispiel Flaschenpost Fahrbahnschäden Informationen über Fahrbahnschäden werden über den den Gegenverkehr an nachfolgende Fahrzeuge weitergegeben. Die Fahrzeugsensoren haben einen schlechten Fahrbahnuntergrund erkannt (hier: Glatte Stelle) und verteilen die Information an die anderen Verkehrsteilnehmer über einen Broadcast bzw. ein RODOS- Topic.

18 YETE Beispiel Flaschenpost Fahrbahnschäden Informationen über Fahrbahnschäden werden über den den Gegenverkehr an nachfolgende Fahrzeuge weitergegeben. Die Fahrzeugsensoren haben einen schlechten Fahrbahnuntergrund erkannt (hier: Erhebliches Schlagloch oder Blow-up ) und verteilen die Information an die anderen Verkehrsteilnehmer über einen Broadcast bzw. ein RODOS-Topic.

19 YETE Beispiel Flaschenpost Gefahrenstellen Informationen über Gefahrenstellen werden über den den Gegenverkehr an nachfolgende Fahrzeuge weitergegeben. Die Fahrzeugsensoren haben einen Unfall erkannt (starke Erschütterung, nachfolgendes Bremsen und rechts Ranfahren dann Fahrzeugstillstand) und verteilen die Information an die anderen Verkehrsteilnehmer über einen Broadcast bzw. ein RODOS-Topic.

20 YETE Beispiel Flaschenpost Gefahrenstellen Informationen über Gefahrenstellen werden über den den Gegenverkehr an nachfolgende Fahrzeuge weitergegeben. Die Fahrzeugsensoren haben Anwesenheitsbaken erkannt. Das sind RODOS-befähigte Signalsender, die in Tierhalsbändern oder Kinderschuhen integriert sein können und periodisch ein RODOS-Topic aussenden. Der Fahrer wird sofort informiert und das Topic wird an andere Verkehrsteilnehmer weitergeleitet.

21 YETE Beispiel Sozialer Sensor Verwenden fahrzeugfremder Sensoren Es werden Sensordaten über Fahrzeuggrenzen hinweg eingeholt. Das einparkende Fahrzeug hat defekte Parksensoren oder ist bauartbedingt nicht mit solchen ausgestattet. Die RODOS-befähigten Ultraschall-Sensoren der Fahrzeuge beiderseits der Parklücke können per Request-Topic aktiviert werden und senden ebenfalls als RODOS-Topic die gemessenen Momentanabstände in Echtzeit an das einparkende Auto.

22 YETE Beispiel Sozialer Sensor Verwenden fahrzeugfremder Sensoren Zwei Fahrzeuge im Regen fahren hintereinander her. Das hintere Fahrzeug hat einen defekten Regensensor. Das voranfahrende Fahrzeug hat einen intakten Regensensor und kann seine Daten mit dem hinterherfahrenden teilen. Denkbar wäre sogar die Aktivierung des Scheibenwischers des hinteren Fahrzeuges durch Kontrollübernahme des voranfahrenden.

23 YETE Beispiel Straßenbeleuchtung Aktivierung einer Halbnachtschaltung

24 YETE Synergieeffekte (1) Automobilsektor Echte Industriefertigung (Tausende Einheiten am Tag) Spitzenposition Europas Hohes Maß an Wiederverwertung Geringe Fehlertoleranz Die Rückfallebene für Sicherheit und Verlässlichkeit basiert auf Mechanik und dem menschlichen Fahrer Traditionell mechanische Lösungen Wichtigstes Optimierungsziel sind die Kosten Transfer Luft- und Raumfahrt Handarbeit (Tausende Tage für eine Einheit) Europa hat Potential Kaum Wiederverwertung Fehlertoleranz wo immer möglich: Kein Systemausfall durch einzelne Bruchstellen Sicherheitsmaßnahmen basieren auf autonomen Reaktionen der Avionik Elektronik und Software waren schon sehr früh essentieller Bestandteil Kosten treten heute vermehrt in den Vordergrund, es fehlt jedoch an Erfahrung bei der Kostenoptimierung im Weltraum

25 YETE Synergieeffekte (2) Automobilsektor Abmessungen, Gewicht und Verbrauch waren lange zweitranging, erhalten jedoch nun Bedeutung. Interoperabilität von Technologien unterschiedlicher Zulieferer und Autobauer (AUTOSAR) Komplexität ist bereits außer Kontrolle Aktive Maßnahmen zur Komplexitätsreduzierung (AUTOSAR: Anzahl der Steuergeräte reduzieren) Standardisierte Kommunikation (z.b. CAN) Erfahrung mit Sicherheitskritischen harten Echtzeitsystemen Transfer Luft- und Raumfahrt Optimiert für maximale Effizienz beim Ressourcenverbrauch: Abmessungen, Energie, Gewicht Proprietäre Lösungen Komplexität ist bald außer Kontrolle Keine aktiven Maßnahmen zur Komplexitätsreduzierung Kein weltweit akzeptierter Standard, für jedes neue Gerät immer ein neues Protokoll. Aufkommende Standards sind sehr komplex (z.b. SpaceWire) Timing-Violations werden oft nicht als Missionskritisch betrachtet.

26 YETE Synergieeffekte (3) Automobilsektor Erfahrung in der Handhabung von umweltbedingten Sensorfehlern und Sensorausfällen Fehler beim vorübergehenden Rechnen und Speichern sind nicht von zentralem Interesse Erfahrung mit dem Konzept der Vielfalt zur Vermeidung Systematischer Fehler (insbesondere bei Sensordaten) Große Erfahrung im Bereich des Qualitätsmanagements (anders als bei Luft- und Raumfahrt) Große Erfahrung im System-Test (anders als im Automobilsektor) Transfer Luft- und Raumfahrt Systematische Sensorfehler und ausfälle sind nicht von zentralem Interesse der Fehlertoleranz Erfahrung bei der Handhabung vorübergehender Rechen- und Speicherfehler (CPU und Speicher) im Zusammenhang mit Strahlungseffekten Vielfalt wird nicht als Kernpunkt für Verlässlichkeit betrachtet. Große Erfahrung im Bereich des Qualitätsmanagements (anders als im Automobilsektor) Große Erfahrung im System-Test (anders als im Automobilsektor)

27 Vielen Dank!

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