[PRJ32][Christopher] Aula 6 – NanoSats, Sw Embarcado, MBSE

The Orbital Sciences Corporation Antares

rocket, with the Cygnus spacecraft

onboard. 03/25/2016

Aula 6 – SmallSats,

Software Embarcado

e o papel da

computação no ciclo

de vida espacial.

Aceitação de Software

( HIL).MSc. Christopher S. Cerqueira

Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

Antes de começar...

O que vocês fizeram essa semana?


Cronograma das Apresentações (Christopher)

Aula 1 22/02 Apresentação

Aula 4 14/03 Arduino e suas capacidades, Sensores MEMS,

Programação na IDE Arduino e Matlab.

Aula 6 28/03 SmallSats, Software Embarcado e o papel da

computação no ciclo de vida espacial.

Aceitação de Software ( HIL).

Aula 14 02/05 Programando controle por eventos e dinâmicos

no Arduino


Revendo alguns fatos


Sistemas

de Controle

Carga Útil

“destacável”**deployable

Eletrônicas/Softwares

NanoSats

Aceitação de Software

Embarcado

Concepção

Necessidade

Projeto Conceitual

Projeto Detalhado

Industrialização

Integração e Testes

Lançamento Operação

Eng. Orientada

a Modelos

Visão Geral dos tópicos de Hoje

1

2

3


44slides

25slides

Small SatsDeployable payload

1


http://www.nasa.gov/directorates/spacetech/centennial_challenges/cubequest/awards-

second-round-prizes-in-cube-quest-challenge

Roteiro sobre Small Sats

TAXONOMIA

CUBESATS

LANÇAMENTO

TIPOS DE MISSÃO

FLIGHTSHARE

OBDHAOCS CONSTELLATION

BUSINESS CASE DOWNSIDES

1 3

5 6 7

ESTRUTURAS

2

4

8 9

11 12

ESTAÇÕES

10


Taxonomia por “massa”

Geralmente geoestacionários,

e observação do espaço.

http://www.amsat.org/amsat-new/information/faqs/portegues/

Geralmente militares, científicos,

e observação da terra.

Geralmente científicos, provas

de conceito, e educacionais.

1


Small Sats (até 10kgs) – principais padrões:

CubeSats TubeSats

PocketQub CanSat

1


Origem do Cubesat

▪ Uma das tentativas de padronização de cargas úteis

▪ Criado em 1999 por Bob Twiggs– Stanford e CaliforniaPolytechnic University

▪ Ideia era ter plataformas off-the-shelf (comerciais) de partes comuns

▪ Porém como a mecânica é open-source – permite também desenvolvimento in-house.

2

http://www.cubesatshop.com/


Palestra do Dr. Perondi – Diretor INPE

2


Projetos BR

Revista FAPESP


Tipos de Missões

▪ Usos típicos:

▪Teste de componentes espaciais

▪Ciência Espacial

▪Motivação para desenvolver novas tecnologias

▪Baixo custo (riscos experimentais)

▪Motivação Educacional para Estudantes (Missões com endLife de 2 anos)

▪ Extras:

▪Espionagem (Terra / entre satélites)

▪Observação da terra

▪Constelação em Marte

3

http://ccar.colorado.edu/asen5050/projects/projects_2013/Naik_Siddhesh/Cubesats.html


Estruturas4


AOCS5

Sensores Atuadores

Aquajet

ArcJet

Roda de

Reação

Astrofine

Magneto

torquehttps://m.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-030113-141835/unrestricted/2013_ADC_Report_Final.pdf

Magnetômetro

Inerciais

Sensor de

estrelas

Sensor

Solar


AOCS5

Computador de

Bordo de Controle

de Atitude e Posição

Pertubações

Plantetas/Luas/Radiação

ArrastoMagnetismo da

Terra

Translação e

Rotação do

Sistema Solar

Posição das

EstrelasFormato da

espaçonaveSensores

Atuadores

Cálculos de

Transferências


AOCS5

Computador de Bordo de Controle de Atitude e Posição

Modelo das

Perturbações

Modelo dos

Arrastos

Modelo

Geomagnético

Modelo do

Sistema Solar

Carta

Celestial

Modelo do

corpo

Modelo dos

Sensores

Modelo dos

Atuadores

Modelos de

transferências

Sensore

s

Atu

adore

s


Relembrando


Processador

Memória

Entradas /

Saídas

lê/armazena instruções/dados

importa/exporta dados

Sensores

Atuadores

Interfaces

Alimentação

6

OBDH6

• Redundância

(cold/hot)

• Barramentos de

dados

• Tipos de Interfaces

• Relógio

• Processamento de

Telecomandos

• Encapsulamento de

telemetrias

• Armazenamento

• Software

• Coleta de dados


Constelação

▪ Definições:

▪ Constelação: voo de espaçonaves similares sem controle de posição relativa, controle vindo do solo.

▪ Formação: controle de malha fechada, on-board, para preservar a topologia.

▪ Enxame: grupo de espaçonaves similares cooperando para um objetivo comum. Cada membro determina seu controle relativo em relação aos outros.

▪ Cluster: sistema distribuído de espaçonaves heterogêneas em cooperação.

7


Constelação7


Business Case8


Downsides: Lixo Espacial8


Downsides:Custo de Lançamento8

$40k per cube

http://www.nasa.gov/directorates/heo/home/CubeSats_initiative

~$80k


Estações10


Lançamentos - Inovações11


Flight Share12

http://www.spaceflight.com/wp-content/uploads/2015/05/SPUG-RevF.pdf


Flight Share – Noção de Preços12

$59k/kg


Engenharia Orientada a Modelospapel da computação no ciclo de vida espacial

2

Roteiro sobre MBSE

Mudança de

Paradigma de

Engenharia

O que são

modelos?

Modelos para

Sistemas

Modelos

Especializados

Modelagem e Simulação

no Ciclo de Vida (ECSS)

Busca pelo

SUPER MODELO

RESOLVEDOR

DE TUDO

Interface de

Usuário

1

2

3 4

5

6

7


Modus Operandi da Engenharia

Margaret Hamilton during her time as lead

Apollo flight software engineer, standing

next to listings of Apollo Guidance

Computer source code


1

Mudança de paradigma


1

Engenharia de Sistemas Baseada em Modelos

“Um conjunto de práticas bem definidas baseadas

em ferramentas que utilizam ao mesmo tempo

metamodelagem e transformação de modelos

para atingir automaticamente objetivos em

produção, manutenção e operação de sistemas

intensivos de software.”(Bézivin, 2012)

1


Modelos

▪ Um modelo é uma imagem simplificada de um sistema.

▪ Sistema: “A system is a set of elements in interaction” (von Bertalanffy)(1)

▪ Modelo vem da palavra em latim “modullus”, diminutivo de “modus” (medida)

▪ As terminologias são recentes mas a ideia é antiga

2


Modelos (formalmente)

▪ “Um modelo é uma especificação formal de uma função, estrutura e/ou comportamento de uma aplicação ou sistema.”

a) Mapeamento (mapping): um modelo é baseado em algo original. Esse original (sistema) pode ser algo ainda a ser construído, ou algo completamente imaginário.

b) Redução (reduction): nem todas as propriedades de um objeto são mapeadasem um modelo, portanto, o modelo é algo reduzido que espelha algumaspropriedades.

c) Pragmático (pragmatic): um modelo precisa ser usável no lugar de umobjeto, respeitando seu propósito

(Sta

ch

ow

iak,

19

73

)

(OM

G,

20

14

)

2


Modelos especializados: Simulador de Análise de Missão

Objetivo: i. analisar, verificar durante as fases iniciais da missão, soluções para

satisfazer a missãoii. proporcionar facilidades para análise da órbita e trajetória do satélite,

análise de orçamento (potência necessária, variação térmica),estrutura.

7:37 39

3


Modelos especializados: Simulador fim-a-fim de missões

Objetivo:

i. estudar conceitos e viabilidade da missão para

atender seu uso finalístico.

ii. Este tipo de simulador é capaz de reproduzir todos os

processos e passos significativos que impactam a

performance da missão e gerar produtos de dados

finais simulados.

7:37 40

3


Modelos especializados: Simulador de Carga-útil

Objetivo:

i. analisar o comportamento, demonstrar performance, habilidade,

validar as operações de um determinado instrumento científico

ou tecnológico, antes de sua construção ou sua operação em

voo.

7:37 41

3


Modelos especializados: Análise Térmica

Objetivo:

i. analisar a distribuição de temperatura e o fluxo de calor nos

subsistemas e equipamentos do satélite, através da definição de

cenários de piores-casos. SindaFluente, PCTer (INPE)

7:37 42

3


http://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://asri.technion.ac.il/studentproj/pics/TOOLSat_outside.jpg&imgrefurl=http://asri.technion.ac.il/studentproj/toolsat.htm&usg=__CdwU0EmeXyQ4A7Oh36Ya2fhsDww=&h=435&w=550&sz=129&hl=pt-BR&start=6&tbnid=Lo8iKMirlU1QQM:&tbnh=105&tbnw=133&prev=/images?q=Satellite+Thermal+Simulator&gbv=2&hl=pt-BR

http://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://asri.technion.ac.il/studentproj/pics/TOOLSat_outside.jpg&imgrefurl=http://asri.technion.ac.il/studentproj/toolsat.htm&usg=__CdwU0EmeXyQ4A7Oh36Ya2fhsDww=&h=435&w=550&sz=129&hl=pt-BR&start=6&tbnid=Lo8iKMirlU1QQM:&tbnh=105&tbnw=133&prev=/images?q=Satellite+Thermal+Simulator&gbv=2&hl=pt-BR

http://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://spot4.cnes.fr/spot4_gb/images/thermiqu/thspot44.gif&imgrefurl=http://spot4.cnes.fr/spot4_gb/thermic.htm&usg=__QKvhP3tSv6wm7ApLd0qcoC5WKrQ=&h=302&w=389&sz=13&hl=pt-BR&start=75&tbnid=ygRgdeRuMJR_iM:&tbnh=95&tbnw=123&prev=/images?q=Satellite+Thermal+Simulator&gbv=2&ndsp=20&hl=pt-BR&sa=N&start=60

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Modelos especializados: Análise Elétrica

Objetivo:i. Permite estudar o sistema para prevenir possíveis interferências entre

módulos. Considera-se voltagem, potência, corrente, conversores de corrente-

voltagem, geradores de sinais que rastreiam um sinal de controle, indutores,

resistências, capacitores, linha de transmissão, transformadores, transistores,

sensores de voltagem, etc.

7:37 43

3


Software para projeto e Análise Estrutural

Objetivo:

i. analisar a estrutura geral do satélite, a melhor distribuição dos

equipamentos dentro do satélite, etc.. Ex.: Solid Works, Nastran e

Ansys

7:37 44

3


Modelos especializados: Simulador de Tempo-real

Objetivo:

i. prover funções em tempo real para validar o sistema com o

hardware no loop, ou com um emulador do processador para

rodar o software de bordo real.

Avionic Test Bed ou Avionic Test Bench Simulator

7:37 45

3


Modelos especializados: Simulador Operacional

Objetivos:

i. validar o Segmento Solo completo e em particular, validar os

procedimentos de operação de voo (procedimentos operacionais)

ii. treinar equipes de controle da missão e equipes de estações terrenas

Ref.: Larry B. Rainey - Space Modeling and Simulation – roles and applications throughout the System Life Cycle. 2004.

7:37 46

3


Modelos para sistemasMetodologias de MBSE

INCOSE Object-Oriented Systems Engineering Method (OOSEM) – baseada em SysML

IBM Rational Telelogic Harmony-SE – baseada em SysML

IBM Rational Unified Process for System Engineering (RUP-SE) – não possui orientação para diagramação

Vitech MBSE Methodology – baseada em SysML

JPL State Analysis – baseada em diagrada de estados

Dori Object-Process Methodology – diagramas próprios

4


Modelos para sistemas OPM – Object-Process Methodology

OPM aspectos estruturais e de comportamento coexistem

Para Reinhartz-Berger e Dori (2005), esta diagramação, ao contrário de UML, permite a expressão direta de relações, interações e efeitos.

Três blocos básicos de entidades:

objetos - são elementos que existem ou tem potencial de existência, físico ou mentalmente,

processos - padrões de transformação que o objeto pode realizar, e

estados - situação que o objeto pode estar.

Apenas um diagrama ( UML possui >10) – possibilitaria melhor compreensão do sistema como um todo

Ontologicamente completo. Testado pelo framework BWW (Bunge-Wand-Weber)

(Wand and Weber,

1993)

4


Modelos para sistemas SysML - System Modelling Language

▪ SysML é uma linguagem de modelagem gráfica em resposta ao UML para Engenharia de Sistemas

▪ SysML suporta especificação, análise, projeto, verificação e validação de sistemas incluindo hardware, software, dados, pessoal, procedimento e infraestruturas.

▪ Dados são salvos, em XML.

▪ http://www.omgsysml.org/

▪ SysML V1.4 Beta Specification – Março 2014

4


Modelos para sistemas SysML

4


Ciclo de desenvolvimento da missão

pre-A A B C D E F

AnáliseProjeto

preliminar

Projeto

detalhado

Produção

e testes

qualificaçãoOperação

Encerramento

ou

Descarte

Verificação e Validação

Simuladores

Fa

se

s

PRR

SRR

PDR CDR QR AR

ORR

LRR

CRRELRR

evis

õe

s

7:37 59

5


Classificação segundo a ECSS-E-TM-10-21A

Tipo de Simulador Função

System Concept SCS System concept validation

Mission Performance (End-2-End) MPS Mission performance validation (e.g.

bugets)

Functional Engineering FES System performance validation (req.

consolidation, algo. valid.)

Functional Validation Testbench FVT Critical Item design validation (SUT

= Breadboard)

Software Verification Facility SVF Critical system software validation

(with of without HIL)

Spacecraft V&V (AIV Facility) SVV Incremental Spacecraft AIV

Ground Segment V&V GS Incremental low-level ground

segment V&V

Operations OP Validation of GS & Op. Process7:37 60

5


ECSS-E-TM-10-21A Incremento de modelos.

5


Objectives

1. To maximize the benefits of using M&S in support to the Systems Engineering function.

2. To reduce effort in developing and maintaining simulators.

3. To preserve investment in modelling a system, independently of the tools.

4. To improve collaboration between involved teams / communities by addressing distribution and interoperability aspects.

5. To facilitate reuse from phase to phase, project to project.

5


System Concept Simulator5

cscerqueira.com.br


Mission Performance Simulator5

cscerqueira.com.br


Functional Engineering Simulator5

cscerqueira.com.br


Functional Validation Testbench5

cscerqueira.com.br


Software Validation Facility5

cscerqueira.com.br


Virtual Spacecraft AIV5

cscerqueira.com.br


Ground Test Simulator5

cscerqueira.com.br


Training, Operations andMaintenance Simulator

5

cscerqueira.com.br


Interfaces com Usuário5

CLI – Command Line Códigos, estritos

GUI – GraficalMetáforas, exploratória

NUI – NaturalDireta, intuitiva

RV RA


SUPER MODELO RESOLVEDOR DE TUDO

6

Ainda não existe


Perguntas:6


1. Quais são as linguagens computacionais para descrever modelos!??!

2. Os engenheiros tem facilidade de modelar nas linguagens disponíveis!??!

3. Como simplificar o linguajar para descrição de

modelos? E tornar modelagem e simulação naturalpara a engenharia...

E por fim

4. Como aplicar este linguajar a um cenário de engenharia espacial ?

6


Software embarcado... Como aceitar?Um tostão da história...

Roteiro sobre Teste de Software Embarcado

Conceitos1

Construção de

um framework

Geração automática

de testes

Na prática


2

3

4

Conceitos

Demonstra que o produto foi projetado e

concebido de acordo com as especificações e está

livre de defeitos.

Verificação

Demonstra que o produto é capaz de executar, no

ambiente operacional, as atividades, para as quais

ele foi desenvolvido.

Validação

(ECSS – Glossary of Terms, 2012) (ECSS – Verification, 2009)

(ECSS – Glossary of Terms, 2012)

1


Conceitos

Métodos de

Verificação

Análise

Teste

Revisão de Projeto

Inspeção

TESTE(ECSS – Verification, 2012)

1

Verificação


Conceitos

Modelagem do sistema numa linguagem

independente de hardware

Algoritmos codificados na linguagem do

hardware

O código embarcado num hardware

representativo do equipamento real

Código final embarcado no hardware

para controlar o sistema real

Eickhoff (2009)

1

Teste no

modelo

Teste no

código

Teste nas

interfaces

Teste nas

interfaces

Caixa Branca

Caixa Preta


2


Framework – Configuração 1

Ambiente de Simulação em MATLAB/Simulink

1

Modelo dosEquipamentos do Satélite

ModelosAmbientais

Modelos da Dinâmica do Satélite Modelo

do EPS

Modelos do Sistema Virtual

Primeira Configuração – Somente software.

2


Framework – Configuração 3

Virtual System Models

Modelo do FEE(pinos)

Modelos do Sistema Virtual

FEE

Ambiente de Simulação em MATLAB/Simulink

PCDU

Equipamentos:Painel Solar

Bateria

Modelo físico do EPS

1

2

3

Modelo dosEquipamentos do Satélite

ModelosAmbientais

Modelos da Dinâmica do Satélite Modelo

do EPS

Terceira Configuração – HIL.

2


UM FRAMEWORK BASEADO EMMODELOS PARA EXECUÇÃOAUTOMÁTICA DE TESTE FUNCIONAL NO SUBSISTEMA DE ENERGIAPARA PICO E NANOSSATÉLITES

Subsystem Models

Simulation Execution Matrix

Sub

syst

em

RequirementsSystemEngineers

Specialist Engineers

Test

s

TestEngineers

Test Verdict(Results)

Automatic Executor

Environmental Models

Test Case Sequences

Test Matrix

Test Function

2


Geração automática de testes3

https://en.wikipedia.or

g/wiki/Mealy_machine

Modelo em “Máquinas de Estado”

Máquina de Mealy

Cargas

FEE

Simulador USB

Painel Solar

Bateria

PCDU


Na prática?? No nível do trabalho de vcs:

DataSheet

Documentar

como

funciona!

*tem que

estar no

relatório final

Procedimento de

Teste

Como vou

verificar que o

que eu tenho

é igual ao que

o DataSheet

diz????

*tem que

estar no

relatório final

O resultado foi

satisfatório? Os

resultados

bateram??

*tem que estar

no relatório

final


4

WRAP-UP


O que vimos hoje


O que vimos hoje


http://www.jatm.com.br/ojs/index.php/jatm/article/view/369

Como me encontrar:

▪ E-mail (se urgente): [email protected]

▪ Site: http://cscerqueira.com.br

▪ Para dúvidas MUITO maiores:

INPE – Prédio Satélite - Sala 95

Ramal: 3208-7321


www.cscerqueira.com.br/moodleMoodle

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