Erstellung eines modellbasierten Designprozesses zur Entwicklung von cyber-physischen Systemen

Abstract

So genannte Cyber-Physische Systeme (CPSe) sind Systeme, die nicht nur aus einer Software, oder einem mechanischen Teil bestehen, sondern aus der Kombination aller Teile, zusammen mit der Umwelt, in der sie eingesetzt werden. Ein Beispiel für CPS sind moderne Autos, welche viele Computer und Mikrocontroller enthalten, die miteinander kommunizieren. Beispiele der enthaltenen Systeme sind die Motorsteuerung, ein GPS, und Unterhaltungssysteme. All diese Systeme, zusammen mit den mechanischen, elektrischen und elektronischen Teilen, bilden ein CPS Um solche Systeme zu bauen wird ein Designprozess verwendet, welcher hilft, die Arbeiten an verschiedene Abteilungen optimal zu verteilen und Fehler früh zu finden oder zu verhindern. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Definition eines neuen Designprozesses, welcher verwendet werden kann, um CPSe zu bauen. Dieser Designprozess sollte es den Abteilungen ermöglichen, parallel zueinander zu arbeiten. Ein kleiner Anwendungsfall sollte dann zeigen, dass der Designprozess praktisch angewendet werden kann. Zu diesem Zweck wurde ein kleiner Quadcopter gebaut, wobei die Kosten so gering wie möglich gehalten werden sollten, und außerdem sollte er in zukünftigen Projekten als Grundlage für Forschungsarbeiten verwendbar sein. Um diese Ziele zu erreichen wurden folgende Schritte unternommen: Am Anfang wurden Informationen zu existierenden Designprozessen eingeholt. Danach wurde unser neuer Designablauf definiert und in einem Anwendungsfall getestet. Nach dem Erstellen der generischen Modelle wurden die Schaltpläne und das Board entworfen, welche anschließend an einen Leiterplattenhersteller geschickt wurden. Der letzte Schritt beinhaltete einen einfachen Test der Hardware, welcher zeigt, dass der Quadcopter seine Position während des Fliegens halten kann. Für uns hieß das, dass der Designprozess praktisch angewendet werden kann.

Cyber-Physical Systems (CPSs) are systems, which not only consist of a software, or a mechanical part, but are a combination of the two parts, together with the environment in which they are used. An example for such a CPS ist the modern car, which contains many computers and microcontrollers, which communicate with each other. Examples for the included systems are the motor control unit, the GPS, and entertainment systems. All these systems, together with the mechanical, electrical and electronical parts they control, form a CPS. When creating such systems a design flow is used to help distributing the work to the different departments in an optimal way, and to find errors in the requirements as early as possible, or to avoid them altogether. For this work we focused on the definition on a new design process, which can be used to create \glspl{cps} either from scratch, or from existing templates. This design process should enable the different departments to work in a parallel way. A small use case was then used to show that the defined design process can be used practically. This use case was the construction of a palm-sized quadcopter with some additional requirements. These requirements were that the quadcopter had to be as cheap as possible, and that it should be able to be used in future project as a research platform for formation flight. To reach these goals the following steps were executed: At first information about existing design processes was gathered. After that we defined our model-based design process and used it in a simple use case. After defining the generic models we created the schematics and the board design files of the quadcopter, which were then sent to a manufacturer to produce. The last step included a simple test case, which shows that the quadcopter is able to steadily hold its position while being airborne. For our work this meant that the defined design process can be used in real world applications.