PROJEKTGRUPPPE AVIONIC ARCHITECTURE PRÄSENTATION ZUM ZWEITEN REVIEW

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1 PROJEKTGRUPPPE AVIONIC ARCHITECTURE PRÄSENTATION ZUM ZWEITEN REVIEW

2 QUADROKOPTER 2 Quelle: Quelle: Foto: Nikolai Wolff, Fotoetage/DHL/Microdrones

3 3 AGENDA Einführung Echtzeitanalyse Hardware Flugalgorithmen Architektur Evaluation Fazit und Ausblick

5 MIXED-CRITICALITY SYSTEMS 5 A mixed-critical system is an integrated suite of hardware, operating system and middleware services and application software that supports the execution of safety-critical, mission-critical, and noncritical software within a single, secure compute platform. A research agenda for mixed-criticality systems. James Barhorst, u. a.

6 MIXED-CRITICALITY SYSTEMS 6 A mixed-critical system is an integrated suite of hardware, operating system and middleware services and application software that supports the execution of safety-critical, mission-critical, and noncritical software within a single, secure compute platform. A research agenda for mixed-criticality systems. James Barhorst, u. a.

7 AUFGABENBESCHREIBUNG 7 Entwicklung eines mixed-critical system Basis: Quadrokopter, Zynq 7020 Sicherheitskritische Anwendung: Avionik Höhenregelung Lageregelung Nicht sicherheitskritische Anwendung: Objekterkennung Hohe Rechenintensität

8 DEFINITION: ASG UND AEVV 8 Avionik Steuergerät (ASG) Diverse Hard- und Softwarekomponenten, die für die Regelung des Flugverhaltens des Quadrokopters Voraussetzung sind Aufnahme-, Erkennungs-, Verfolgungsund Versendungssystem (AEVV-System) Funktionalitäten und Hardwarekomponenten der nicht sicherheitskritischen Anwendung

9 SZENARIO ROBOTERFUSSBALL 9

10 PROJEKTGRUPPE - ORGANIGRAMM 10 Architecturedesign Henning Elbers Testmanagement Jenny Röbesaat Projectmanagement Steven Schmidt Requirements Engineering Thomas Nordlohne Hardware Niklas May-Johann Aufteilung der Projektgruppe: Teams: 1-4 Mitglieder Bearbeitung größerer Arbeitspakete Kommunikation über Teamleiter Teamleiter organisieren interne Arbeitsabläufe CAMeL-View Taskforce Patrick Schmale Flight Control Jörn Bellersen

12 ECHTZEITANALYSE 12 Spezifikation der Echtzeitanforderungen wichtiger Bestandteil für alle zeitkritischen Systeme Ableitung jeweils einer Deadline für das ASG und das AEVV-System Ableitung der Deadline durch Worst-Case Execution Time Abschätzungen ASG hat harte Echtzeitanforderungen AEVV-System hat weiche Echtzeitanforderungen

13 ECHTZEITANALYSE ASG 13 Regelkreis soll in 2 ms durchlaufen werden (500 Hertz Regelung) Zeitliche Abhängigkeiten der Komponenten beachten Komponenten könnten teilweise nebenläufig ausgeführt werden

14 ECHTZEITANALYSE ASG 14 Zeitlich bekannte Werte

15 ECHTZEITANALYSE ASG 15 Für die Ausführungszeiten gilt demnach: t 1 +t 2 +t 3 +t 4 + x < 2ms Regelung ist entscheidende Komponente, die optimiert werden kann! Maximale Ausführungszeit der Regelung: t 3 < 2ms-t 1 -t 2 -t 4 - x

16 ECHTZEITANALYSE AEVV-SYSTEM 16 Zeitliche Abhängigkeiten der Komponenten d AEVV ist die Deadline des AEVV-Systems Bildaufnahme, Objekterkennung und Kamerapositionierung sind der kritische Pfad Videostream verläuft parallel Wichtigste Komponente ist die Objekterkennung, insbesondere der Algorithmus

17 ECHTZEITANALYSE AEVV-SYSTEM 17 Zeitlich bekannte Werte

18 ECHTZEITANALYSE AEVV-SYSTEM 18 Die Gesamtausführungszeit des AEVV-Systems muss kleiner als die Deadline sein: t IC +t Algo +t Gimbal < d aevv Algorithmus der Objekterkennung kann optimiert werden! Evaluierung der Echtzeitanalyse des AEVV-Systems kann wie folgt geschehen: t Algo < d aevv -t IC -t Gimbal

20 HARDWARE 20 Inbetriebnahme der Komponenten erfolgreich: Sensoren (Gyroskop, Beschleunigung, Barometer, Kompass) Motoren Gimbal + Kamera Sensordatenfusion Gyroskop und Beschleunigungssensoren zur Lageregelung mit Komplementärfilter getestet

21 HARDWARE 21 Verteilerplatine Schaltplan + Layout (in Produktion) Aufnahme für den Zynq Anbindung aller Komponenten an den Zynq Stromversorgung Sensoren Motoranschluss Platine MPU9150 I²C I²C BMP085 Motortreiber Summer I²C EN I²C Verteilerplatine Zynq USB USB Mobius Kamera Wireless Komm. Galvanische Trennung Logik und Energie Teil Akkustandüberwachung PPM Gimbal EN Extension Board (LED) PPM TX Fernsteuerung Empfänger

23 FLUGALGORITHMEN 23

24 FLUGALGORITHMEN CAMEL-VIEW 24 Objektorientierte Modellbildung mit Hilfe graphischer Blöcke Unterstützung von C-Code innerhalb der Modelle Verwendung in verschiedenen Phasen des modellbasierten Entwurfs Ziel: Codegenerierung der Höhen- und Lageregelung für den FPGA-Teil des Zynq

26 ARCHITEKTUR 26 Abbildung der Systemfunktionalität auf die vorhandene Hardware Erstellung eines hierarchischen Modells von Komponenten mit Hilfe von UML- Komponentendiagrammen Schnittstellendefinition (Interfaces) Dient als Grundlage für das Mapping

27 ARCHITEKTUR - GESAMTSYSTEM 27

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30 ARCHITEKTUR IAVIONIC INTERFACE 30 IAvionic Daten Beschreibung Referenzen attitude buttondata Lage des Quadrokopters Informationen über Status der Schalter der Fernsteuerung Auf Komponentendiagramm und Anforderungen

31 ARCHITEKTUR - MAPPING 31 Überführung des ASGs und AEVV-Systems auf die Hardware der Plattform (Zynq) Diverse Möglichkeiten aufgrund verschiedener Rechen- und Kommunikationsressourcen Richtwerte sind Performanz und Handhabung der Mixed-Criticality Unterkomponenten und Schnittstellen des ASG und AEVV-Systems werden in der Implementationsphase realisiert

32 Zynq PI Peripheral Interface (PI) 32 ARM Core 1 Core 2 Programmable Logic RAM Controller AXI Interconnect RAM

33 Fernsteuerungsempfänger Zynq PI Peripheral Interface (PI) 33 Motortreiber Steuersignale LED, Gimbal Akkuwächter ARM Core 1 Core 2 OS AEVV- System ASG Programmable Logic Sensorboard Fernsteuerungsempfänger Gimbalsteuerung USB RAM Controller AXI Interconnect RAM

34 Fernsteuerungsempfänger Zynq PI Peripheral Interface (PI) 34 Motortreiber Steuersignale LED, Gimbal Akkuwächter ARM Core 1 Core 2 OS AEVV- System Programmable Logic MicroBlaze ASG Sensorboard Fernsteuerungsempfänger Gimbalsteuerung BRAM USB RAM Controller AXI Interconnect RAM

35 Fernsteuerungsempfänger Zynq PI Peripheral Interface (PI) 35 Motortreiber Fernsteuerungsempfänger Steuersignale LED, Gimbal Akkuwächter ARM Core 1 Core 2 OS AEVV- System Programmable Logic Shared RAM MicroBlaze ASG LMB LMB: Local Memory Bus Sensorboard Gimbalsteuerung BRAM USB RAM Controller AXI Interconnect RAM

36 Fernsteuerungsempfänger Zynq PI Peripheral Interface (PI) 36 Motortreiber Fernsteuerungsempfänger Steuersignale LED, Gimbal Akkuwächter ARM Core 1 Core 2 OS AEVV- System Programmable Logic Shared RAM MicroBlaze ASG LMB LMB: Local Memory Bus Sensorboard Gimbalsteuerung BRAM USB RAM Controller AXI Interconnect RAM

38 EVALUATION 38 Durch das Testen wird überprüft, ob das System die Anforderungen einhält Für sicherheitskritische Systeme von besonderer Bedeutung Getrenntes Testen des ASG und des AEVV-Systems Komponententest (Test der einzelnen Module) Integrationstest (Test der Schnittstellen voneinander abhängiger Module) Systemtest (Test des Teilsystems gegen die Anforderungen) Gesamtsystemtest beider Systeme

39 EVALUATION ASG 39 Model In The Loop (MIL) Modellgetriebene Entwicklung der Flugalgorithmen und der physikalischen Umgebung in CAMeL-View Komponententests (plausibles Reglerverhalten) Integrationstests (Schnittstellen) Systemtest mit Hilfe der TestRigBox von CAMeL-View Systemtest am realen System HIL SIL Systemtest Transducer um I²C-Sensorsignale und PPM-Signal von der Fernsteuerung in die TestRigBox (SPI) von CAMeL-View einspeisen zu können MIL Systemtest Integrationstest Komponententest

40 EVALUATION ASG 40 Software In The Loop (SIL) Aus CAMeL-View Model wird C-Code generiert Tool nicht zertifiziert! Systemtest in CAMeL-View Bei Abweichungen müssen zusätzlich Komponententests und Integrationstests durchgeführt werden Systemtest am realen System HIL SIL MIL Systemtest Systemtest Integrationstest Komponententest

41 EVALUATION ASG 41 Hardware In The Loop (HIL) C-Code auf Plattform portieren Erneut nur Systemtest Bei Abweichungen müssen zusätzlich Komponententests und Integrationstests durchgeführt werden Systemtest am realen System HIL SIL MIL Systemtest Systemtest Integrationstest Komponententest

42 EVALUATION ASG 42 HIL-Datenfluss: Fernsteuerung Sensordaten Steuersignale CAMeL-View Umgebung Sensoren/Aktoren Model der Umgebung Hardware mit den Regelungsalgorithmen Stellwerte der Aktoren

43 EVALUATION AEVV-SYSTEM 43 Kein modellgetriebenes Testen des AEVV-Systems Tests zunächst auf einem Entwicklungs-PC durchführen Komponententests (Testbenches) Integrationstests Systemtest Danach Portierung des C++ Codes auf die Zielplattform Systemtest erneut durchführen Bei Abweichungen müssen zusätzlich Komponententests und Integrationstests durchgeführt werden

45 ZWISCHENFAZIT 45 Intensivere Kommunikation mit den Betreuern Einhaltung der Ziele Heterogenes Team Telefonsupport ixtronics GmbH Einarbeitung in CAMeL- View Testbatchverfahren in CAMeL-View Eingeplanter Zeit-Puffer am Ende des Projektes bereits verkleinert

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47 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT

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49 49 Nr. Bezeichnung Periode Ausführungszeit 1.1 Gyroskope auslesen 2 ms 1 ms 1.2 Beschleunigungssensor auslesen 2 ms 1 ms 1.3 Barometer auslesen 30 ms 0,2 ms 1.4 Hallsensor / Kompass auslesen 10 ms 0,4 ms 1.5 Berechnung der Lage- und Flughöhe 2 ms Regelung 2 ms? 1.7 Motorstellwerte verschicken 2 ms 0,09 ms n 2 Steuerbefehle von Fernsteuerung empfangen 20 ms - 3 Akkustand überwachen 1 s - 4 Telemetriedaten an Fernsteuerung senden 1 s -

50 Nr. Bezeichnung Zeitlicher Kennwert 1 Image Capturing 2 Object Recognition t IC = d B f U t Algo =? 50 3 Camera Positioning t Gimbal = a 2w + t verz 4 Deadline AEVV-System d aevv = d 2(1- cosa) v B - v K

51 51 h. l

52 52 h. l

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54 SPI BAT Fernsteuerung Empfänger 5V IN X5 Nennspannung LiPo 3.7V pro Zelle USB HUB Mobius Kamera 54 Logik-Akku 3S max. ~11.1V 11.1V 11.1V X1 DC DC 5V VCC 5V USB (Host) Ethernet (RJ45) Wireless Komm. Sensoren MPU9150 I²C I²C Gimbal 3.3V 3.3V BMP085 12V IN Flug-Akku 4S Max. ~14.8V BAT I²C 3.3V RC_ROLL 2 DC/DC einer mit 5V Out und einer mit 12V Out. 12V Out kann über ein Switch ein und ausgeschaltet werden Nennspannung LiPo 3.7V pro Zelle 14.8V X2 X3 Akkuwächter DC 12V SPI BAT DC 14.8V 12V EN 5V Akkuwächter SPI Isolator ON/ OFF Switch PPM Isolator I²C Isolator Signal Isolator 3.3V I²C 3.3V SPI PPM I²C GPIO 5V DC 3.3V DC Micro SD Card Connector 3 Zynq 7020 TE0720 Mini USB Connector (JTAG & UART Interface) 5V PPM UART RX I/Os GPIO Carrier Board TE V Pegelwandler 3.3V <-> 5V X6 PPM TX Motoranschluss Platine Summer Motortreiber + I²C X4 14.8V GND 2 GND 1 BAT EN Extension Board (LED)

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69 69 ST022 Bezug zu Anforderung Testobjekt Vorbedingung Testdurchführung Erwartetes Ergebnis Objekterkennung in den Bilddaten bei bewegtem Objekt FA004, FA008 AEVV-System Der Multikopter befindet sich in einer stabilen Fluglage. Die Bildaufnahme und Objekterkennung muss aktiviert sein. Ein Objekt wurde bereits erkannt und wird verfolgt. Das zu erkennende Objekt ist zu bewegen, ohne dass es verdeckt wird. Das zu erkennende Objekt wird durch die Objekterkennung verfolgt.

70 70 IT017 Komponenten Testobjekt Vorbedingung Testdurchführung Erwartetes Ergebnis Zusammenspiel der Komponenten Video Grabber, Streaming Server und Object Detection Video Grabber, Streaming Server, Object Detection AEVV-System An das Interface ICamera wurde die Kamera angeschlossen. Die Kameraaufnahme wurde aktiviert. Das zu verfolgende Objekt ist im Sichtfeld der Kamera zu platzieren. Dieses ist nun mit einer Geschwindigkeit von maximal 2ms -1 zu bewegen. Anschließend ist zu überprüfen, ob die erkannte Position objectpos der tatsächlichen Position des Objektes entspricht. Zudem ist die erkannte Auf-lo sung videoresolution zu überprüfen. Die ermittelte Position des Objektes und die Auflo sung des Videostreams sind korrekt.