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문제 정의
- 이 사례연구에서는 위에서 설명한 연료시스템과 흡배기 시스템들의 제어를 위한 소프트웨어 개발을 목적으로 하고 있다.
- 이 연구에서는 AUTOSAR와 같은 표준 소프트웨어 아키텍처를 대상으로 하는 모델기반 차량용 임베디드 소프트웨어 개발 방법론에 대하여 제시하였다. AUTOSAR의 주요 특징들을 반영한 경량화 소프트웨어 아키텍처인 AUTOSAR-Lite를 바탕으로 Simulink를 이용한 어플리케이션 소프트웨어모델링 및 통합 방법들을 제시하였다.
- 이 연구에서는 기존에 제시되었던 AUTOSAR 아키텍처를 위한 모델기반 소프트웨어개발방법들의 단점들을 극복하기 위하여, 소프트웨어 아키텍처들의 구성요소와 functional behavior 모두를 Matlab/Simmulink를 이용하여 모델링, 코드생성 및 통합하는 기법들에 대해서 제시한다. 이 논문의 구조는 다음과 같다.
제안 방법
- 각각의 runnable들은 off-line simulation 과 hardware-in-the loop simulation 과정을 통해 기능성 검증을 수행하였다. 4장에서 소개한 방법을 기초로 구현한 RTE 계층을 이용하여 미리 준비한 BSW 모듈들을 ASW의 SwC들과 통합하였으며, 그 결과물을 EMS의 프로세서에 탑재하였다.
- 승용디젤엔진 제어를 위한 ASW는 센서신호 처리, 액추에이터구동, 운전모드판단, 연료시스템제어, 흡배기 시스템제어와 같은 기능들을 52개의 runnable들로구현하였다. ASW의 복잡도가 높은 관계로 전체구조를 구체적으로 도시하기 어려워 Fig. 10의 상단부에서 도시하고 있는 것과 같이 composite SwC 모델(Sys_Sensor, Sys_ModeCtl, Sys_InjSys, Sys_AirSys, Sys_Actuator) 들로 표현한 상위계층의 구조로 간략화 시켜 표현하였다.
- 이 연구에서는 AUTOSAR와 같은 표준 소프트웨어 아키텍처를 대상으로 하는 모델기반 차량용 임베디드 소프트웨어 개발 방법론에 대하여 제시하였다. AUTOSAR의 주요 특징들을 반영한 경량화 소프트웨어 아키텍처인 AUTOSAR-Lite를 바탕으로 Simulink를 이용한 어플리케이션 소프트웨어모델링 및 통합 방법들을 제시하였다. 이 연구에서 제시한 방법들을 승용디젤엔진 제어시스템 개발에 적용하였으며, 다음과 같은 결론들을 얻을 수 있었다.
- Inner-composite SwC case와는 달리 정보 교환하는 대상이 명시적으로 모델에 드러나지 않기 때문에 RteHal 인터페이스와 마찬가지로 custom 블럭(RteApp interface block)를 개발하여 모델링 할 수 있다. Fig. 5에서 도시하고 있는 바와 같이 인터페이스 이름을 블록의 설정 파라미터로 입력하여 코드 생성 시 RteApplication 모듈에 미리 정의된 인터페이스 함수를 호출하도록 구현하였다.
- 정보교환의 대상이 ASW 계층에 존재하지 않기 때문에 이 연구에서 개발한 custom 블록(RteHal interface block)을 이용하여 모델링한다. Fig. 5에서 도시하고 있는 바와 같이 인터페이스 이름을 블록의 설정 파라미터로 입력하여 코드 생성 시 RteHal 모듈에 미리 정의 된 인터페이스 함수를 호출하도록 구현하였다.
- 7에서 도시하고 있는 예제처럼 sender/receiver 방식의 정보 교환방식을 이용한다. RteApplication 모듈 내부에 존재하는 정적 변수를 이용하여 SwC 간 비동기 정보 교환을 구현한다.
- 10에서 도시하고 있는 것처럼 8 개의 atomic SwC 모듈(Sensor, ModeCtl, FlSys, CrSys, InjCtl, EgrCtl, BstCtl, Actuator)의 소스 코드들로 생성되었으며, 총 52개의 runnable 들이 함수 형태로 SwC 모듈에 포함되어 있다. 각각의 runnable들은 off-line simulation 과 hardware-in-the loop simulation 과정을 통해 기능성 검증을 수행하였다. 4장에서 소개한 방법을 기초로 구현한 RTE 계층을 이용하여 미리 준비한 BSW 모듈들을 ASW의 SwC들과 통합하였으며, 그 결과물을 EMS의 프로세서에 탑재하였다.
- 개발한 ASW의 실험 검증은 Photo 1에서 도시하고 있는 엔진동력계 실험환경에서 수행하였다. Fig.
- 개발한 EMS의 SW들을 평가하기 위하여, 다양한 평가항목 및 기준들을 설정하여 엔진 실험 검증을 수행하였으며, Table 2에서는 평가항목 및 기준들에 대해 간략히 요약하였다. 대표로 연료시스템과 흡배기 시스템의 제어 성능들을 확인하기 위하여 Fig.
- 개발한 EMS의 SW들을 평가하기 위하여, 다양한 평가항목 및 기준들을 설정하여 엔진 실험 검증을 수행하였으며, Table 2에서는 평가항목 및 기준들에 대해 간략히 요약하였다. 대표로 연료시스템과 흡배기 시스템의 제어 성능들을 확인하기 위하여 Fig. 12에서 도시하고 있는 New European Driving Cycle (NEDC) 을 기준으로 엔진동력계 시험을 수행하였다. Fig.
- 이렇게 모델링된 atomic SwC 는 함수 형태로 구현된 runnable들을 포함하고 있는 모듈의 형태로 구현된다. 두 번째 단계는 composite SwC의 모델링으로써, atomic SwC 들의 조합으로 이루어지며, 이 연구에서는 Simulink의 model 파일(.MDL)로 맵핑하였다. Composite SwC 는 ASW 모델의 코드생성 단위로 이용되며, 실제 코드로는 구현되지 않는 가상의 개념이다.
- 승용디젤엔진 제어를 위한 ASW는 센서신호 처리, 액추에이터구동, 운전모드판단, 연료시스템제어, 흡배기 시스템제어와 같은 기능들을 52개의 runnable들로구현하였다. ASW의 복잡도가 높은 관계로 전체구조를 구체적으로 도시하기 어려워 Fig.
- 앞서 제시한 개발 방법의 실효성을 검증하기 위하여, 승용디젤엔진제어시스템(Engine management system, EMS) 의 ASW 개발에 적용하였다.
- 승용디젤엔진 제어시스템은 크게 연료 시스템과 흡배기 시스템으로 구성 되어 있다. 연료 시스템은 Fig. 9에서 도시하고 있는 것과 같이 연료탱크로 부터 연료를 공급하는 저압 연료 펌프, 최대 1800 bar의 압력까지 형성하는 고압 연료펌프 및 커먼레일, 그리고 연료를 분사하는 인젝터들로 구성되어 있으며 커먼레일의 압력과 인젝터의 연료분사를 제어한다. 흡배기 시스템은 터보차져와 배기가스 재순환 시스템들로 구성되어 있으며, VGT의 베인과 EGR 밸브 리프트를 전자제어 함으로써 엔진의 과급 압력과흡기 유량을 제어한다.
- AUTOSAR의 주요 특징들을 반영한 경량화 소프트웨어 아키텍처인 AUTOSAR-Lite를 바탕으로 Simulink를 이용한 어플리케이션 소프트웨어모델링 및 통합 방법들을 제시하였다. 이 연구에서 제시한 방법들을 승용디젤엔진 제어시스템 개발에 적용하였으며, 다음과 같은 결론들을 얻을 수 있었다.
- 앞서 설명한 RTE 계층의 구현을 통한 인터페이스 및 스케줄링 통합 과정이 끝나면 각각의 모듈들에 대해 컴파일과 링킹 과정을 통해 대상 프로세서에서 실행 가능한 이진 코드를 얻는 것으로 통합과정을 마무리 마친다. 이 연구에서는 프리스케일 사에서 제공하는 32-bit 마이크로컨트롤러인 MPC5554와 컴파일러 및 링커를 이용하였으며, 통합 개발환경(Integrated development environment, IDE)으로는 이클립스 CDT17)를 사용하였다.
- 이를 위해 Simulink에서는 Fig. 3의 예제에서 보여주고 있듯이, runnable의 functional behavior 모델을 Simulink의 ‘atomic subsystem’ 블록을 이용하여 그룹 지어주고, 코드생성 옵션을 함수형태로 지정하여 모델링 하였다.
- 1에서 도시하고 있는 바와 같이 ASW 계층의 SwC와 RTE 계층의 RteHal 모듈사이의 정보교환을 구현한다. 정보교환의 대상이 ASW 계층에 존재하지 않기 때문에 이 연구에서 개발한 custom 블록(RteHal interface block)을 이용하여 모델링한다. Fig.
이론/모형
- 모델링에 사용한 도구는 제어알고리즘설계에 널리 이용하는 Simulink를 사용하였다. ASW의 구성요소는 composite SwC, atomic SwC, runnable, 인터페이스 들로 구분할 수 있으며, 각각의 구성 요소들은 Fig.
- 이 연구에서는 AUTOSAR 표준 사양에서 필수적인 요소들만 반영하여 경량화 시킨 AUTOSAR-Lite 소프트웨어아키텍처를 기초로 하고 있다.16)
성능/효과
- 1) Matlab/Simulink로 일원화 된 어플리케이션 소프트웨어 모델링 및 통합기법 제시를 통하여, AUTOSAR 표준을 위한 모델기반 소프트웨어 개발의 효율성을 향상시켰다.
- 2) 이 연구에서 제시한 어플리케이션 소프트웨어 모델링 기법은 AUTOSAR-Lite 뿐만 아니라 AUTOSAR와도 쉽게 호환이 가능하기 때문에 상용 아키텍처 설계 도구와도 쉽게 통합이 가능한 장점을 지니고 있다.
- 3,4) 기존의 텍스트 기반 소프트웨어 개발 방법에서는 텍스트의 모호성, 개발 단계 별 의사소통 문제 등으로 인하여 많은 개발 비용 및 시간이 소요 되었다. 반면에 모델기반 소프트웨어 개발 방법은 전체 개발과정에서 일관 된 형상을 갖는 모델을 이용함으로써 의사소통 문제로 인한 오류를 줄이고, 시뮬레이션 기능 활용을 통하여 개발 비용 및 시간을 크게 줄일 수 있는 장점이있다.
- 15를 통해 도시하였다. 각각의 결과들에서 확인할 수 있듯이 전체 주행 사이클 동안 목표 값들을 정상적으로 추종하는 제어 기능성들을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 이 연구에서 제안한 ASW 모델링 및 소프트웨어 통합 방법론이 차량용 전자제어시스템 개발에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 향후 제어성능 개선을 위하여 이 이 사례연구에서 개발한 시스템을 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 평가된다.
- 13은 연료시스템의 커먼레일 압력제어 실험 결과를 목표/측정 값과 제어 오차로 구분하여 도시하고 있다. 시동, 아이들, 도심 및 고속 주행과 같은 다양한 운전조건들이 포함되어 있는 NEDC 의 엔진회전속도와 부하조건을 Fig. 11에서 도시한 엔진동력계 시스템을 이용하여 모사 하였을 때, 커먼레일 압력 목표 값의 추종 성능을 확인할 수 있었다. 같은 방식으로 흡배기 시스템의 과급압력과 흡입공기유량 실험 결과들을 Fig.
후속연구
- 3) AUTOSAR 표준과 호환 가능한 모델기반 소프트 웨어 설계 기법 및 사례를 성공적으로 보여줌으로써, AUTOSAR 표준의 도입에 필요한 노력과 시간을 절감할 수 있을 것으로 기대한다.
- 각각의 결과들에서 확인할 수 있듯이 전체 주행 사이클 동안 목표 값들을 정상적으로 추종하는 제어 기능성들을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 이 연구에서 제안한 ASW 모델링 및 소프트웨어 통합 방법론이 차량용 전자제어시스템 개발에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 향후 제어성능 개선을 위하여 이 이 사례연구에서 개발한 시스템을 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 평가된다.
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