Application of property proving to quadcopter flight control software

Abstract

The object of the study is a computer model of an automatic control system for a quadcopter. The subject matter of the research encompasses the application of formal methods for analyzing and verifying requirements for quadcopter control systems, with a particular focus on the capabilities of the Simulink Design Verifier™ tool. The primary goal of the study is to enhance the overall reliability of the quadcopter model by applying formal analysis techniques at the design stage to uncover potential logical and structural errors before physical implementation. The tasks to be solved: conducting a comprehensive review of challenges associated with the operation of commercial quadcopter platforms; formulating safety-oriented requirements for quadcopter flight control; developing a detailed simulation model of the control system using the Simulink® environment; utilizing the Property Proving functionality to perform formal verification of critical system properties; analyzing and interpreting the verification reports generated by the tool; and identifying latent design flaws or inconsistencies that may compromise system safety. The study employed the following methods: formal verification using the Property Proving tool, simulation-based modeling, static code analysis, and model-based testing. As a result of the research, it was demonstrated how formal verification techniques, such as Property Proving, can be applied to validate safety-critical behaviors of quadcopter control systems. The use of Simulink Design Verifier™ proved effective in identifying design weaknesses early in the development cycle, reducing downstream risk and rework. Additionally, the generation of interactive diagnostic reports facilitated the visualization of failure scenarios and supported iterative debugging. Conclusions. The application of formal analysis tools such as Simulink Design Verifier™ represents a valuable approach to strengthening quadcopter control system reliability, if models are properly constructed and properties are carefully defined. Although limitations exist – particularly concerning compatibility with certain Simulink® blocks – the tool remains a powerful complement to traditional testing, especially when addressing high-assurance system requirements. The study underscores the necessity of integrating formal methods into standard verification workflows to balance theoretical rigor with practical validation.

Об’єктом дослідження є комп’ютерна модель системи автоматичного управління квадрокоптером. Предметом дослідження є застосування формальних методів для аналізу та перевірки вимог до систем управління квадрокоптерами, з особливим акцентом на можливості інструменту Simulink Design Verifier™. Основна мета дослідження полягає в тому, щоб підвищити загальну надійність розробленої моделі квадрокоптера шляхом застосування формальних методів аналізу на етапі проєктування, щоб виявити потенційні логічні та структурні помилки перед фізичним впровадженням. Задачі дослідження включають: проведення комплексного огляду проблем, пов’язаних з експлуатацією комерційних квадрокоптерних платформ; формулювання вимог безпеки до управління польотом квадрокоптера; розробка детальної імітаційної моделі системи управління з використанням середовища Simulink®; використання функціональних можливостей Property Proving для виконання формальної перевірки критичних властивостей системи; аналіз та інтерпретація верифікаційних звітів, створених інструментом; а також виявлення прихованих недоліків або невідповідностей, які можуть поставити під загрозу безпеку системи. Застосовано такі методи: формальна перевірка з використанням модуля Property Proving, імітаційне моделювання, статичний аналіз коду та тестування на основі моделі. Отримано такі результаті: продемонстровано, як формальні методи перевірки, такі як Property Proving, можуть бути застосовані для перевірки важливих для безпеки поведінок систем управління квадрокоптерами, доведено, що використання Simulink Design Verifier™ виявилося ефективним у виявленні слабких місць проєктування на ранніх стадіях циклу розробки, зменшуючи подальший ризик і переробку. Крім того, створення інтерактивних діагностичних звітів сприяє візуалізації сценаріїв збою та підтримує ітеративне покращення. Висновки. Застосування формальних інструментів аналізу, таких як Simulink Design Verifier™, представляє цінний підхід до посилення надійності системи управління квадрокоптером за умови, що моделі правильно побудовані та властивості ретельно визначені. Незважаючи на наявність обмежень цей інструмент залишається потужним доповненням до традиційного тестування, особливо під час вирішення вимог до системи з високим рівнем надійності. Дослідження підкреслює необхідність інтеграції формальних методів у стандартні робочі процеси верифікації, щоб збалансувати теоретичну точність із практичною перевіркою.