Orientador : Samuel Siqueira Bueno, Maria Beatriz F. de Toledo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-07-31T23:11:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maeta_SilvioMano_M.pdf: 6259937 bytes, checksum: a174c0c5edfad058b34e02ac7e7970c9 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Veículos aéreos semi-autônomos não tripulados apresentam um grande potencial, ainda pouco explorado, para aplicações de pesquisa e inspeção aérea através da coleta de informações do ambiente. Tais veículos permitem que o usuário possa definir a área a ser sobrevoada, a resolução temporal e espacial dos dados que devem ser obtidos e o tipo de sensor mais adequado para cada tipo de tarefa. Contudo, o desenvolvimento deste tipo de veículo é uma atividade bastante complexa pois envolve de um lado a integração de um grande número de componentes de hardware de diferentes tipos (computadores, sensores, atuadores, link de transmissão de dados) e por outro lado o desenvolvimento do software responsável por realizar em tempo real tanto a comunicação destes dispositivos quanto o seu uso para o controle e navegação do veículo. A definição e estabelecimento de uma arquitetura, tanto de hardware quanto de software, é o elemento básico para se realizar o desenvolvimento de uma infra-estrutura integrada adequada, capaz de suportar a operação autônoma do veículo robótico. O objetivo desta dissertação é apresentar o desenvolvimento da infra-estrutura embarcada do Projeto AURORA, que visa o desenvolvimento de dirigíveis não tripulados, com elevados graus de autonomia, para aplicações de inspeção aérea. Esta dissertação aborda: os elementos de hardware utilizados no sistema embarcado; as soluções encontradas para se realizar a integração dos mesmos e; o software embarcado, responsável por realizar o tratamento de dados sensoriais, a geração de comandos para atuadores e que, também, provê o suporte para o desenvolvimento, testes e validação de algoritmos de controle e navegação. O desenvolvimento de software foi feito utilizando-se as mais modernas técnicas de engenharia de software, que permitiram um processo acelerado de implementação e testes. A infra-estrutura desenvolvida foi validada através de vôos reais, onde o dirigível era controlado remotamente e também através de vôos semi-automáticos. Os dados de telemetria, além de permitirem o acompanhamento em tempo real dos vôos também foram utilizados em uma análise posterior, validando o correto funcionamento do sistema embarcado do dirigível. A principal contribuição desse trabalho foi o desenvolvimento de um sistema embarcado próprio para ser utilizado em sistemas robóticos autônomos, validado experimentalmente através da utilização em condições reais de operação. Os resultados mais relevantes são: sistema embarcado próprio para o desenvolvimento de sistemas robóticos autônomos, o que inclui a definição do hardware e a integração dos diversos sensores embarcados; software embarcado de tempo real dedicado e; infra-estrutura de simulação para a realização de testes dos algoritmos de controle e navegação / Abstract: Unmanned semi-autonomous aerial vehicles present a great and unexplored potential in aerial inspection and research, collecting data &om the environment. Such vehicles allow the user to define the region that must be monitored, data spatial and temporal resolution in which the data must be acquired, and the most adequate type of sensor for each kind of mlSSlon. However, the development ofsuch kind ofvehicle is a very complex task because it involves on one hand the integration of a great number of different hardware devices (computers, sensors, actuators, data transmission link), and on the other hand the development of the software responsible for executing, in real-time, the communication between these devices, and also for providing the control and navigation capability for the vehicle. The definition and the establishment of an architecture, both hardware and software, is the basic element to do the development of an adequate integrated intTastructure, capable of supporting the autonomous operation of the robotic vehicle. The main objective of this text is to present the developrnent of the ernbedded infrastructure of AURORA's Project, which aims at the development of unmanned airships with high autonomy levels for aerial inspection applications. This text covers the following subjects: hardware devices used in the embedded system; solutions to integrate these devices; and also the embedded software, which in responsible for the treatrnent of sensorial data, generation of commands for the actuators and, also, to provide an environment for the development, test and validation of the control and navigation algorithms. The software development was realized using the most modero software engineering techniques, which allowed an accelerated process of implementation and tests. The validation of the developed infrastructure was made in real flights in which the airship was remotely controlled and also through semi-automatic flights. The collected telemetry data allowed the observation of the flights in real-time and also were used in a posterior analysis, validating the correct functioning of the airship's embedded system. The main contribution of this work was the development of an embedded system appropriate to be used in autonomous robotic systems, which was validated experimentally in real operation conditions. The most relevant results are: a suitable ernbedded system for the development of autonomous robotic systems, including the definition of the embedded hardware and integration of the ernbedded sensors; a dedicated real-time embedded software and; simulation infrastructure that allows the test of control and navigation algorithms / Mestrado / Mestre em Ciência da Computação

Orientadores: Rodolfo Jardim de Azevedo, Sandro Rigo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-27T12:16:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cardoso_RogerioAlves_M.pdf: 7699903 bytes, checksum: be514fda4ed9849ea41a1899010841c7 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Com o aumento da complexidade dos sistemas eletrônicos, novos desafios foram surgindo na fase de projeto desses sistemas; assim, os requisitos de projeto estão cada vez mais complexos, implicando diretamente no time-to-market que torna-se cada vez mais difícil de ser cumprido. As abordagens tradicionais como o projeto RTL tornaram-se impraticáveis visto que é cada vez mais evidente a necessidade da criação de software paralelamente ao projeto de hardware. Nesse contexto, metodologias modernas como ESL têm sido utilizadas com sucesso, para que os projetistas possam solucionar esses problemas. Com o crescente numero de funcionalidades que os novos dispositivos implementam e o aumento da complexidade das aplica coes, muitas vezes exigem que esses dispositivos rodem um sistema operacional embarcado. Isso dificulta ainda mais o desenvolvimento homogêneo hardware/software, pois demanda a criação de plataformas virtuais completas capazes de executarem um sistema operacional e suas aplicações, e o desenvolvimento dessas plataformas não é uma tarefa trivial. Este trabalho apresenta a implementação de uma plataforma, em nível de sistema, completa da arquitetura LEON, utilizando a ferramenta ArchC. A plataforma apresentada permite executar um sistema operacional Linux e suas aplica coes, com suporte a gerenciamento de memoria virtual. Além de demonstrar as dificuldades e as limitações da ferramenta ArchC na geração desse tipo plataformas / Abstract: Design challenges in electronic systems increase with their size and the design require- ments, leading to even more pressure in time-to-market issues. Traditional approaches like RTL become unaffordable, due to the need for parallel development of hardware and software necessity. In this context, modern methodologies like ESL have been success- fully used to tackle this kind of problem. With the increasing number of features and the complexity of the applications to that new devices, these devices, in major, may need an embedded operating system. This poses a challenge in the homogeneous development of hardware and software, demanding a complex virtual platform development, capable of running an operating system and its applications. But, developing this kind of platform is not a simple task. This work presents an ArchC System Level Platform implementation, based on LEON architecture. This platform can execute a Linux operating system and user applications with virtual memory support. It besides demonstrates the challenges and limitations of the ArchC tools on development of this type of platform / Mestrado / Ciência da Computação / Mestre em Ciência da Computação

Arquiteturas de referência são construídas por combinarem as melhores praticas, padrões, plataformas e componentes para a construção e padronização de sistemas de software de um determinado domínio. De fato, diversas arquiteturas de referência podem ser encontradas para o domínio de sistemas embarcados, motivadas principalmente pela importância e complexidade crescentes que esses sistemas de software vêm apresentando. Dentre as atividades para elaboração de uma arquitetura de referência, a descrição apropriada dessa arquitetura é essencial para permitir que ela seja de fato utilizada. Contudo, não há na literatura um consenso sobre qual a melhor maneira de descrever arquiteturas de referência do domínio de sistemas embarcados, os tipos de informação que devem ser capturados ou ainda o conjunto de pontos de vista que pode ser construído. Visando sistematizar e padronizar a representação de arquiteturas de referência de sistemas embarcados, este trabalho propõe o método ProSA-Re. O método baseia-se nos resultados de uma revisão sistemática conduzida sobre o assunto e estabelece um conjunto de atividades e diretrizes para a construção da representação de arquiteturas de referência de sistemas embarcados. O método também esclarece o ciclo de vida de arquiteturas de referência, de modo a auxiliar na manutenção e na evolução das representações construídas com o seu apoio. Para ilustrar o ProSA-Re, uma representação da arquitetura de referência de sistemas multiagentes locais foi elaborada. Em seguida, a realização de uma avaliação com especialistas da área de arquitetura de software e um estudo de caso com usuários dessa representação permitiram a identicação de vantagens e limitações desse método. Espera-se que os resultados alcancados nesta dissertação possam contribuir para o reúso do conhecimento arquitetural e o desenvolvimento mais eficiente de sistemas de software do domínio de sistemas embarcados / Reference architectures combine the best practices, standards, platforms, and components to standardize software systems of a given domain. In this sense, reference architectures can be found for embedded systems, motivated by the increasing importance and complexity that these systems must cope with. In particular, the representation of the reference architecture is an essential activity for it to be used in practice. However, there is no consensus in the literature on what is the best way to describe reference architectures of embedded systems, including what types of information should be captured in those descriptions and also the set of viewpoints that could be adopted. Thus, this work establishes ProSA-Re, a method for systematizing and standardizing the representation of reference architectures of embedded systems. ProSA-Re considers the results of a systematic review on this subject and species a set of viewpoints, concerns, tasks, and guidelines to describe reference architectures of embedded systems. ProSA-Re also supports the reference architectures\' life cycle by clarifying the evolution of architectural descriptions built with it. To illustrate the method, a representation for the reference architecture of situated multiagent systems was built. Then, a case study was conducted to evaluate the resulting representation and specialists were consulted to evaluate the method description. We hope with this method to further improve the reuse of architectural knowledge, thus contributing for the development of software systems in this domain

A tendência de integração de diversos componentes em um único chip tem proporcionado um aumento da complexidade dos sistemas computacionais. Tanto as indústrias quanto o meio acadêmico estão em busca de técnicas que possibilitem diminuir o tempo e o esforço gastos com a verificação no processo de desenvolvimento de hardware, a fim de garantir qualidade, robustez e confiabilidade a esses dispositivos. De forma a contribuir para várias aplicações envolvendo a verificação de sistemas, tais como busca por erros de projeto, avaliação de desempenho, otimização de algoritmos e extração de dados do sistema, o presente trabalho propõe um sistema de monitoramento baseado em computação reconfigurável, capaz de observar de forma não intrusiva o comportamento de um SoC (System-on-Chip) em tempo de execução. Tal sistema é composto por um módulo de monitoramento responsável por captar informações de execução de software em um processador embarcado e uma ferramenta de análise, chamada ACAD, que interpreta esses dados. Por meio da realização de experimentos, verificou-se que o sistema desenvolvido foi capaz de fornecer dados fiéis sobre a quantidade de acessos a memória ou a outros periféricos, tempos de execução de porções (ou a totalidade) do código e número de vezes que cada instrução foi executada. Esses resultados permitem traçar, de maneira precisa, o comportamento de um software executado no processador softcore Nios II, contribuindo assim para facilitar o processo de verificação em sistemas baseados em computação reconfigurável / The trend of integrating several components on a single chip has motivated an increase in the complexity of computing systems. Both industry and academy are in search of new techniques that allow time and effort spent with verification on hardware development process to be reduced to guarantee quality, robustness, reability to these devices. In order to contribute to applications in the system verification area, such as search for design errors, performance evaluation, algorithm optimization and data extraction from the system, this work proposes a monitoring system based on reconfigurable computing. This system must be able to have a run-time non-intrusive probing of a System-on-Chip behaviour. It is formed by a monitoring core responsible for capturing software execution information of a embedded processor and an analysis tool, called ACAD, that decodes the data. Empirically, the implemented system was able to provide precise data about the amount of memory and other peripherals accesses, time measurement for sections (or the entire) of the source code, and number of times each instruction was executed. These results allow to draw, in accurate way, the behaviour of a software executed on the softcore Nios II processor, collaborating to make the verification process of systems based on reconfigurable computing easier

Sistemas embarcados críticos (SEC) correspondem aos sistemas embarcados para aplicações críticas, que são aplicações nas quais falhas podem por vidas em perigo. A crescente imersão deste tipo de sistema em nossas atividades cotidianas aumentou sua demanda, e consequentemente, a necessidade por novas técnicas de desenvolvimento que possam aumentar a produtividade dos desenvolvedores. Linha de produtos (LP) é uma técnica de reúso, na qual famílias de produtos similares são desenvolvidos em conjunto, e portanto, objetiva-se o desenvolvimento em larga escala. Com a utilização de LP, pode-se reusar requisitos e arquitetura de forma sistemática. Entretanto, o reúso no domínio de sistemas embarcados críticos ainda é visto de forma cética. Por outro lado, o domínio de SEC tem obtido avanços de desenvolvimento por meio de técnicas orientadas a modelo. A Engenharia orientada a modelos (MDE) concentra-se na importância de modelos no ciclo de vida do sistema, tornando-os parte do produto final. Assim, mantêm-se os modelos simples, e a maioria da complexidade do software passa a pertencer às transformações, que podem ser obtidas automaticamente por motores de transformação. Isso ajuda a aumentar a qualidade do produto final, bem como facilitar a futura evolução do software, que poderá ser feita mudando-se os modelos de alto nível e obtendo-se, de forma automática, o novo produto. MDE é particularmente útil no domínio de SEC, pois a partir de modelos corretos do problema, a chance de introdução de erros durante a codificação é menor se geradores de aplicações forem utilizados em vez de codificação manual. Além disso, o aumento no nível de abstração proporcionado pelo MDE permite que técnicas de validação e verificação sejam usadas desde os estágios iniciais de desenvolvimento, tais como co-design e co-simulação. Portanto, este trabalho visa defender a tese de que é possível oferecer os benefícios do desenvolvimento em larga escala para o domínio de SEC e ainda continuar se beneficiando de técnicas de MDE. Para corroborar esta tese, define-se uma abordagem de desenvolvimento de linha de produtos de sistema com uso de técnicas de engenharia orientada a modelos para o desenvolvimento de famílias de sistemas embarcados críticos. Além disso, apresenta-se um estudo de caso de marca-passo elaborado segundo as indicações da abordagem proposta que indicam a viabilidade de sua utilização. / Safety-critical embedded systems (SCES) correspond to embedded systems for critical applications, i.e., applications where lives can be lost if they fail. The increasing immersion of this type of system in our daily activities increased their demand and, consequently, the need for new development techniques that can increase developers productivity. Product Line (LP) is a promising technique for reuse, in which families of similar products are developed together and, therefore, it aims at large-scale development. With the use of LP we can reuse requirements and architecture systematically. However, developers remain sceptical about reuse in the SCES domain, mainly due to problems in the past, such as the failure of the spacecraft Ariane 5. In addition, advances in development of techniques for the SEC domain have been obtained, for example through model-driven engineering (MDE) approaches. MDE focuses on the importance of models in the software life cycle, making them part of the final product. So, it keeps models simple, and most of the software complexity belongs to the transformations that can be obtained automatically by transformation engines. This helps increasing the quality of the final product, and facilitate the future development of software that can be done by changing the high level models and obtaining, automatically, the new product. MDE is particularly useful in the SCES domain because, from correct models of the problem, the chance of introducing errors during coding is smaller if generators are used in the development instead of manual coding. In addition, the increased level of abstraction provided by MDE allows the use of validation and verification techniques since the early stages of development, such as co-design and co-simulation. Therefore, this work aims to defend the thesis that it is possible to offer the benefits of large-scale development for the SCES domain and still continue to benefit from MDE techniques. In support of this thesis, we define a system product line approach using model-driven techniques for the development of safety-critical embedded families. In addition, we present a case study prepared according to the directions of approach.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um processador open source baseado no processador Nios II da Altera. O processador desenvolvido permite a customização de instruções, a inclusão de componentes que possibilitem um estudo detalhado da memória cache, tal como um monitor de cache, definir o tamanho da cache, dentre outras características. Além disso, o processador é baseado na arquitetura do Nios II e implementa 90% do ISA do Nios II, o mesmo está integrado aos ambientes Qsys e SOPC Builder da ferramenta Quartus II da Altera, sendo possível utilizar todo o conjunto de IP (Propriedade Intelectual) e ferramentas disponíveis pela Altera. Assim, este trabalho tem como propósito colaborar com o desenvolvimento de arquiteturas de hardware com uma unidade de processamento configurável e customizável facilmente pelo usuário, uma vez que o seu código fonte em Bluespec SystemVerilog está aberto a todos os usuários, diferente do Nios II da Altera, que tem o código encriptado, inviabilizando fornecer qualquer mudança no processador a nível RTL (Register Transfer Level ). Para o desenvolvimento do processador foi utilizada a Linguagem de Descrição de Hardware Bluespec SystemVerilog, pelo fato de ser uma ESL (Electronic System Level ) que acelera o processo de desenvolvimento de hardware / This work presents the development of an open source based Nios II processor from Altera. The developed processor allows custom instructions, use of components that allows a detailed study of the cache memory, among other features. In addition, the processor is based on the Nios II architecture, which can be integrated into the Qsys and SOPC Builder of the Altera Quartus II environment tool as well as use the entire set of IP (Intellectual Property) and tools available from Altera. This work contributes to the development of hardware architectures with a processing unit configurable and easily customizable by the user, since its source code in Bluespec SystemVerilog is open to all users, other than the Nios II from Altera which has encrypted code, making it impossible to do any changes in the processor at RTL (Register Transfer level) level. For the development of the processor hardware the description language Bluespec SystemVerilog was used, which is an ESL (Electronic System Level) that speeds up the development of the hardware

Veículos Aéreos não Tripulados (VANTs) são aeronaves que voam sem tripulação e são capazes de realizar diversos tipos de missões, como vigilância, coleta de dados topográficos e monitoramento ambiental. Este é um domínio que tem muito a ganhar com a aplicação da abordagem de Linha de Produtos de Software (LPS), uma vez que é rico em variabilidades e cada modelo de VANT tem também muitas partes comuns. Neste trabalho é apresentada uma infraestrutura tecnológica e de configuração de ativos em Simulink, gerenciados pelas ferramentas Pure::variant e Hephaestos para uma LPS de VANTs. Um conjunto de padrões para especificação de variabilidades em Simulink é proposto, bem como uma extensão para a ferramenta Hephaestus. Uma comparação entre as ferramentas Pure::variants e Hephaestus é apresentada / Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are aircrafts that can fly without any crew and are capable to realize several types of missions such as surveillance, topographic data collection and environmental monitoring. This is a domain which can benefit very much with the adoption of the Software Product Lines (SPL) approach, as each UAV model is rich in variabilities and has many common parts. In this work it is presented a software asset configuration infrastructure for the Simulink environment, managed by the tools Pure::variants and Hephaestus for a UAV SPL. A set of patterns of variability specification in Simulink is proposed as well as an extension to Hephaestus to support a SPL product engineering for Simulink. A comparison between Pure::variants and Hephaestus is also presented

Com a necessidade de substituir o trabalho humano em áreas de risco, ambientes impróprios ou inalcançáveis, diversos centros de pesquisas e universidades têm desenvolvido aplicações e estratégias de controle para robôs móveis. Porém, o alto custo na aquisição de um ou mais protótipos para estudos e desenvolvimento de novas tecnologias pode se tornar um fator limitante para o incremento dessas pesquisas. Como parte de uma solução para contornar esta eventual limitação em robótica móvel, uma arquitetura de baixo custo, modular e expansível é apresentada neste trabalho. São apresentadas também as metodologias de desenvolvimento dos módulos, os algoritmos de controle, as interfaces de comunicação e os principais componentes utilizados para desenvolvimento do robô móvel ZEUS, cujo sistema eletrônico de controle é a implementação da arquitetura proposta. Análise de custo, resultados experimentais de sensoriamento e navegação concluem este trabalho. / With the need to replace human work in risk\'s areas, improper or unreachable environments, several research centers, and universities have developed applications and strategies for mobile robots control. However, the high acquisition cost of one or more prototypes used for research and in development of new technologies may become a limiting factor. As part of the solution to get a round any such limitation on mobile robotics, a modular and expandable low-cost architecture is presented in this work. There are also presented the methodologies for modules development, the algorithms of control, the communication interfaces and the main components used for the development of ZEUS mobile robot, whose electronic system control is the implementation of the proposed architecture. Analysis of cost, experimental results of the sensing and the navigation system conclude this work.

O trabalho apresenta uma comparação entre protocolos de comunicação tolerantes a falha, TTP/C e Flexray, utilizando um simulador de tempo real, propondo modelar uma aplicação brake-by-wire tolerante a falhas que gere uma intensa troca de dados validando a comparação. O presente trabalho toma como base um modelo de um sistema de freio antitravamento (ABS - Antilock Brake System) para uma única roda, de Michaels e Quinn (1997), estendendo tal trabalho ao desenvolvimento de uma aplicação brake-by-wire, composta basicamente de 5 nós, sendo um controlador central e 4 nós locais apara as rodas do veículo. Após uma breve descrição introdutória sobre os conceitos básicos necessários para entender o projeto, a aplicação brake-by-wire será apresentada. Posteriormente serão apresentados conceitos de funcionamento da aplicação, tolerância a falha, controle de frenagem, entre outros. A modelagem e simulação do sistema foi realizada na ferramenta computacional TrueTime baseada no Matlab/Simulink, utilizando kernels de tempo real. A simulação demonstra os diferentes comportamentos da aplicação quando protocolos TTP/C e Flexray variam em largura de banda e taxa de utilização do barramento. Foi inserido um nó de interferência na rede, visando verificar o comportamento de tais protocolos com um trafego mais intenso na rede. Os resultados obtidos com a simulação de tempo real demonstram que o protocolo TTP/C apresentou um comportamento mais estável e seguro para tal aplicação considerada de tempo real crítico.

Satélites artificiais, em sua grande maioria, requerem algum tipo de sistema de controle de atitude (SCA) embarcado. A utilização de simuladores para avaliar este tipo de sistema é uma técnica bastante difundida na _área de engenharia, pois viabiliza a realização de testes de maneira rápida e a um custo menor do que utilizando ambientes com componentes reais. Contudo, de ciências no desenvolvimento de softwares embarcados podem ser difíceis de detectar quando o ambiente de teste não leva em consideração restrições comuns aos ambientes de tempo real. Partindo deste preâmbulo, este trabalho apresenta e analisa a modelagem em UML (Unified Modeling Language) de um sistema de controle de atitude autônomo para satélites estabilizados por rotação, bem como implementação de um ambiente de teste, com base na técnica de simulação hardware-in-the-loop, utilizando um sistema operacional de tempo real para escalonamento das tarefas, e um típico computador de bordo com processador ERC32. Na simulação hardware-in-the-loop o SCA é realimentado por estimativas da atitude em 3 eixos e da velocidade angular do satélite fornecidas pelo sistema de determinação de atitude (SDA). O SDA consiste de um filtro de Kalman estendido (FKE) que processa as medidas vetoriais da direção do Sol e campo geomagnético para gerar as estimativas. Resultados experimentais mostram que o sistema de controle de atitude foi bem-sucedido em regime após uma fase inicial de manobras para aquisição da atitude desejada.