Fault Injector for Autonomous Quadrotors

Abstract

Actualmente, dadas as capacidades que os UAVs possuem e a grande variedade de missões que foram reinventadas com o uso dos mesmos, desde serviços de entrega a operações militares, o interesse neles tem aumentado. Assegurar a segurança de missões que envolvem UAVs é especialmente importante, dada a escalabilidade destas missões e, consequentemente, o aumento de possíveis cenários de falha. Apesar disto, os UAVs comerciais não dispõem, em geral, das capacidades necessárias para tolerar possíveis falhas, ao contrário de aviações tripuladas. Isto implica que os possíveis benefícios que os UAVs podem trazer no futuro são prejudicados pela falta de regulamentos de segurança uniformes e dos meios para defini-los. Este trabalho pretende resolver o problema previamente apresentado, desenvolvendo uma ferramenta de injecção de falhas num sistema de quadricópteros autónomos e demonstrando todos os passos necessários para a sua utilização para avaliação do impacto das falhas em drones. É esperado que a ferramenta auxilie esta avaliação, providenciando um ambiente simulado, mas realista, que possa ser usado para medir a eficácia de UAVs comerciais. O nosso objectivo é criar uma ferramenta que suporte uma vasta quantidade de modelos de UAVs diferentes, e os seus respectivos software, de modo a que se possa centralizar e uniformizar um conjunto de tácticas de avaliação de segurança.Pretendemos também demonstrar a eficácia do injector de falhas desenvolvido na avaliação de processos e mecanismos de tolerância a falhas em drones. Isto é realizado usando uma variedade de falhas, implementadas por nós dentro do ambiente definido, e a análise das mesmas.

Presently, there is a constant increase in interest in UAVs due to their versatile capabilities and the wide array of tasks that have been reinvented with their usage, from delivery services to military operations. Ensuring the safety of the missions in which they are involved is especially important, considering the scalability of these missions and, consequently, the increase in possible failure scenarios. Although safety is a primary concern, commercial UAVs do not have complex fault tolerance capabilities that are available in manned aircraft. As a result, the possible benefits that UAVs may bring in the future, are hindered by the lack of uniform safety regulations and the means to define them.This work intends to address the stated issue, by providing insight on the design and implementation of a fault injection tool to be used for the assessment of the fault-tolerant mechanisms and systems in place in autonomous quadrotors, covering all the steps necessary to provide such assessment. The tool is expected to aid said assessment, by providing a simulated, yet realistic, environment that may be used to gauge commercial UAVs. It is our goal to create a tool that supports a multitude of distinct UAVs and their respective software, in order to centralize and uniformize safety assessment techniques. We also aim to show the effectiveness of the fault injector in the evaluation of fault tolerance processes and fault-tolerant mechanisms in drones. This is accomplished by making use of self-implemented faults, within the defined environment, and their respective analysis.