Missionsbezogener modellgestützter Entwurf mobiler automatischer Systeme

Liebezeit, Thomas Volker

Matter of this work is the application of Mission Level Design to the design of mobile automatic systems. It focuses on the mission level simulation, which aims at getting early estimations of the available system performance and at the discovery of possible problems. Mission Level Design is a mission oriented, model based design method for complex systems. It transforms the system specification into an executable, so called overall system model and simulates it. %This model is called overall system model, because it unites both functional, architectural and environmental aspects. Compared to other design methods, Mission Level Design features by the inclusion of the so called missions. They represent typical use cases of the system, that is to be developed, and are used as test conditions. The mission oriented simulation ensures, that the system will achieve its defined features. This work identifies the central aspects for the modeling of mobile automatic systems. Furthermore it shows, that the design of such systems requires several modifications of the modeling process: On one hand, the overall system model has to be partitioned into the system model and the environment. On the other hand, the inclusion of missions requires the enlargement of the so far usual concept of simulation by a mission management and a mission- specific evaluation phase. Based on theoretic considerations, this work introduces a newly developed framework for the mission oriented model based design of mobile automatic systems. Its basis is the commercial design tool MLDesigner, completed by the software tools MLEditor and MLVisor. The framework for the first time allows the easy realization of simulations on mission level. The framework's first practical use case is the \DeepCp"=project, which aims at the development of a novel autonomous underwater vehicle. Using the framework, investigations on mission level were carried out. The specially for this purpose developed overall system model of the \DeepC vehicle consists of a virtual environment and the system model of the vehicle. The latter contains the dynamics, sensors and actors as well as the functional software structure running on a virtual hardware. Furthermore, the model includes the energetic aspect, which constitutes a main limitative resource for autonomous underwater vehicles and is therefore of great importance. By this concrete example, this work demonstrates the realization of simulations on mission level.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Anwendung des Mission Level Designs auf den Entwurf mobiler automatischer Systeme. Im Mittelpunkt steht dabei die Simulation auf Missionsebene. Sie verfolgt das Ziel, möglichst frühzeitig im Entwurfsprozess Aussagen bezüglich der Leistungsfähigkeit des Systems zu gewinnen und mögliche Probleme zu erkennen. Beim Mission Level Design handelt es sich um eine missionsbezogene modellgestützte Systementwurfsmethode für komplexe Systeme. Sie überführt die Systemspezifikation in ein ausführbares Gesamtsystemmodell auf Systemebene und simuliert dieses. Gegenüber anderen Entwurfsmethoden zeichnet sich das Mission Level Design durch die Einbeziehung der sogenannten Missionen aus. Bei ihnen handelt es sich um typische Einsatzszenarien des zu entwerfenden Systems. Durch die missionsbezogene Simulation wird sichergestellt, daß das System die angestrebten Eigenschaften erreicht. Die vorliegende Arbeit identifiziert die für die Modellierung mobiler automatischer Systeme zentralen Aspekte. Darüber hinaus stellt sie fest, daß der Entwurf dieser Systeme eine Reihe von Erweiterungen des Modellierungsprozesses notwendig macht: Zum einen muss das Gesamtsystemmodell in die Teilmodelle Systemmodell und Umwelt untergliedert werden. Zum anderen erfordert die Einbeziehung der Missionen eine Erweiterung des Konzepts der Simulationsdurchführung um die neue Phase der Missionshandhabung und die Auswertung muß missionsspezifischen erfolgen. Auf Basis ihrer theoretischer Überlegungen stellt die Arbeit im zweiten Teil ein Framework für den missionsbezogenen modellgestützten Entwurf mobiler automatischer Systeme vor. Sein Kern ist das kommerzielle Entwurfsprogramm MLDesigner, erweitert um die neuentwickelten Programme MLEditor und MLVisor. Dieses Framework gestattet erstmals eine einfache Durchführung von Simulationen auf Missionsebene. Als erster konkreter Anwendungsfall des Frameworks dient das DeepC-Projekt, welches das Ziel verfolgt, ein neuartiges autonomes Unterwasserfahrzeug zu entwickeln. Für dieses wurden unter Nutzung des Frameworks Untersuchungen auf Missionsebene durchgeführt. Das eigens für diesen Zweck erstellte Gesamtsystemmodell des DeepC-Fahrzeugs besteht aus einer virtuellen Umwelt und einem Fahrzeugmodell, welches neben der Dynamik, der Sensorik und Aktorik auch die Softwarestruktur und ihre Abarbeitung auf einer virtuellen Hardware nachbildet. Desweiteren integriert das Modell den energetischen Aspekt, der als begrenzte Ressource für ein autonomes Unterwasserfahrzeug von besonderer Bedeutung ist. Anhand dieses praktischen Beispiels wird die Durchführung von Simulationen auf Missionsebene demonstriert.

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Liebezeit, Thomas Volker: Missionsbezogener modellgestützter Entwurf mobiler automatischer Systeme. 2006.

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