Testkonzept eines UAV Missionsplaners

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1 Testkonzept eines UAV Missionsplaners Christoph Torens, Florian Adolf German Aerospace Center (DLR) Institute of Flight Systems, Dept. Unmanned Aircraft DGLR Workshop 2013 Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen vom Algorithmus zur Embedded Software

2 Chart 2 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 ARTIS UAV Flugflotte Autonomous Research Testbed for Intelligent Systems miniartis (1.5kg) midiartis (14kg) Prometheus maxiartis (25kg) superartis (150kg)

3 Chart 3 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Ebenen der Missionsplanung Missionsplanung Aufgabenplanung 3D Bewegungsplanung 3D Pfadplanung Trajektorien Optimierung Spezifikation von Missionszielen (Waypopints, dedicated Subtasks) Optimierung hinsichtlich Missionszielen Roadmap-basierte 3D Pfadplanung A B Lokale Trajektoriengenerierung search area C C Start Start A B Autonomous Rotorcraft Testbed for Intelligent Systems (ARTIS) obstacles Roadmap-Planner [Adolf2007]

4 Berlin, Mitte Chart 4 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 World Model loaded in sec. Quasi random Halton sampling for [x=1748,y=1396,z=125.2] Roadmap build time sec Path length: m Waypoints: 138 Roadmap path planning in sec Spline-based smoothing in sec Mission planned in sec

5 Chart 5 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 MiPlEx: Verhaltensarchitektur an Bord (3T Architektur, AIAA ) Mission Manager Supervisor überwiegend passiv Überwachung: Mission anhalten/fortsetzen Missionplanaktualisierung Verwalten komplexer Verh. Parameteränderung Komplexe Verhalten Fly Home Suche/Verfolge Objekt Fliege durch Torbogen Sequencer immer aktiv Ausführung: Mission abarbeiten Direktkommandos verarbeiten Basisverh. verwalten Basisverhalten Abheben Landen Schweben nach Fliegen nach Pirouette nach Warten

6 Chart 6 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 MiPlEx: Missions(voraus)planung Sequence of behavior commands ID TO -5 HV avoidance on WT 10 HV HV avoidance off WT 5 object tracker on HV HV HV HV HV HV HV HV object tracker off LD WO

7 Grundlegende Verhalten Höhere Verhalten Sequence of behavior commands ID TO -5 HV WT 10 HV HV WT 5 object tracker on HV HV HV HV HV HV HV HV object tracker off LD WO

8 Chart 8 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 MiPlEx: Motivation der Verifikation & Validierung Plannung and Ausführen komplexer Verhalten UAV on-board Autonomie steigert Softwarekomplexität Frühe Erkennung von Fehlern Forschung Hohe Systemkomplexität macht Verifikation schwierig Sicherheitskritische Domäne Forschung Schnelle Entwicklungszyklen Hohe Testkosten / Testaufwände Einhaltung von Standards

9 Chart 9 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 ARTIS Softwareentwicklung Softwarekonzept Ziele / Strategie Systemarchitektur / Tools Style-guides Leichtgewichtige Prozesse Anforderungsverwaltung in Mantis Konfigurationsmanagement Softwareintegration Bug-tracking / Requirements management Alle Codeänderungen resultieren aus Tickets einfache Traceability Review / Validation jedes Tickets

10 Chart 10 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Mapping zu DO-178C Testautomatisierung Agile Ansätze Metriken Formale Methoden DO-178C

11 Chart 11 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 ARTIS Teststrategie Flight Test Formale Techniken Hardwarein-the-Loop Static Tests Static Asserts CppCheck Software- in-the- Loop Unit Tests

12 Chart 12 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Testdimensionen Test Effort 6 Automation 4 System Under Test 2 Test Effort 6 0 Automation 4 System Under Test 2 Feedback Time Feedback Time 0 Scenario Complexity Scenario Complexity Coverage Coverage

13 Chart 13 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Formale Methoden Studien in Wissenschaft und Industrie Modellbasierter Tests für ARTIS Missionsmanager Modelladaptation existierender UML Statecharts Test Effort 6 Automation 4 2 System Under Test 0 Hohe Systemkomplexität Sicherheitskritische Domäne Feedback Time Scenario Complexity Hohe Testkosten / Aufwand Coverage

14 Chart 14 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Statische Tests Static asserts BOOST concept checks CCCC, Cppcheck, CppLint Doxygen Test Effort 6 Static Asserts Automation 4 System Under Test CppCheck 2 0 Sicherheitskritische Domäne Feedback Time Scenario Complexity Hohe Testkosten / Aufwand Coverage

15 Chart 15 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Unit Tests Tests Bottom to Top Test von Basis und aufbauend High-level Funktionen Testabhängigkeiten erlauben minimale Laufzeit im Fehlerfall Test Effort 6 Automation 4 2 System Under Test 0 Einhaltung von Standards Feedback Time Scenario Complexity Coverage

16 Chart 16 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Software-in-the-Loop Simulation SUT

17 Chart 17 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Software-in-the-Loop Simulation: Online Exploration

18 Chart 18 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Software-in-the-Loop Simulation Automatic Benchmarking Automatisieren der Expertenbewertung Problem Specific Benchmarks Trajectory length Vehicle Specific Benchmarks Score Velocity limits Planning time Acceleration limits Trajectory time Turn rate limits Distance to obstacles Mettler B., 2010

19 Chart 19 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Software-in-the-Loop Simulation 3.8 million assertions Runtime > 6 h 273 test cases Test Effort 6 Automation 4 2 System Under Test 0 Hohe Systemkomplexität Feedback Time Scenario Complexity Hohe Testkosten / Aufwand Coverage

20 Chart 20 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Hardware-in-the-Loop Simulation Test Effort 6 Automation 4 2 System Under Test 0 Feedback Time Scenario Complexity Hohe Testkosten / Aufwand Coverage

21 Chart 21 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Flugtests Test Effort 6 Automation 4 2 System Under Test 0 Feedback Time Scenario Complexity Einhaltung von Standards Coverage

22 Chart 22 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Bewertung der ARTIS Testdimensionen Bewertung der Testarten und Teststrategie Wichtig: Automation und Antwortzeit SIL Tests, Static Tests, Formal Methods Test Effort 6 Test Effort 6 Automation 4 System Under Test Automation 4 System Under Test 2 0 Unit Tests SIL HIL Flight Test 2 0 Static Tests SIL MBT / MC Feedback Time Scenario Complexity Feedback Time Scenario Complexity Coverage Coverage

23 Chart 23 > DGLR 2013 > Christoph Torens DGLR Workshop Durchgängige Entwicklung von GNC Funktionen > 10 / 10 / 2013 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen? christoph.torens@dlr.de