[논문]Zynq를 이용한 비전 및 모션 컨트롤러 통합모듈 구현

문용선; 노상현; 이영필

doi:10.13067/jkiecs.2013.8.1.159

Zynq를 이용한 비전 및 모션 컨트롤러 통합모듈 구현
Implementation of Integration Module of Vision and Motion Controller using Zynq 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.8 no.1, 2013년, pp.159 - 164

문용선 (순천대학교 정보통신공학부) , 노상현 (순천대학교 정보통신공학부) , 이영필 (레드원테크놀러지)

초록
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최근 자동화 시스템에 있어 중요한 요소인 비전과 모션 컨트롤러를 통합한 솔루션이 많이 개발되고 있다. 다만 이러한 솔루션은 비전 처리와 모션 컨트롤을 네트워크로 통합하거나 하나의 모듈에 투 칩 솔루션으로 구성된 경우가 많다. 본 연구에서는 최근에 개발된 확장형 프로세싱 플랫폼인 Zynq-7000을 이용한 비전 및 모션 제어기를 통합한 원 칩 솔루션을 구현하였다. 또한 모션 컨트롤은 제어의 실시간이 보장되면서 대량의 데이터를 처리할 수 있는 개방형 표준 이더넷 호환성을 가지고 있는 산업용 이더넷 프로토콜인 EtherCAT을 적용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently the solution integrated of vision and motion controller which are important element in automatiomn system has been many developed. However typically such a solutions has a many case that integrated vision processing and motion control into network or organized two chip solution on one module. We implement one chip solution integrated into vision and motion controller using Zynq-7000 that is developed recently as extended processing platform. We also apply EtherCAT to motion control that is industrial Ethernet protocol which have compatibility for open standardization Ethernet in order to control of motion because EtherCAT has a secure to realtime control and can treat massive data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 자일링스사의 확장형 프로세싱 플랫폼인 Zynq-7000을 이용한 비전 및 모션 컨트롤러 통합한 원 칩 솔루션을 구현하였다[2]. 또한 기존의 연구를 바탕으로 모션 제어를 위해 제어의 실시간이 보장되면서 대향의 데이터를 처리할 수 있는 개방형 표준 이더넷 호환성을 가지고 있는 산업용 이더넷 프로토콜인 이더캣(EtherCAT)을 적용한 통합 시스템을 구현하였다[3-6].

제안 방법

구현된 R1_Controller의 기능을 평가하기 위해 그림 10과 같이 기가빗 이더넷 포트에 네트워크 카메라를 연결하고, 모션 컨트롤을 위해 EtherCAT 기반 모터 드라이브 5축을 100Mbps 이더넷 포트에 연결하였다. 동작 순서는 네트워크 카메라로부터 영상 데이터를 수신하고 이를 TCP/IP 통신을 통해 서버로 전송한다.
본 논문에서는 자일링스사의 확장형 프로세싱 플랫폼인 Zynq-7000을 이용한 비전 및 모션 컨트롤러 통합한 원 칩 솔루션을 구현하였다[2]. 또한 기존의 연구를 바탕으로 모션 제어를 위해 제어의 실시간이 보장되면서 대향의 데이터를 처리할 수 있는 개방형 표준 이더넷 호환성을 가지고 있는 산업용 이더넷 프로토콜인 이더캣(EtherCAT)을 적용한 통합 시스템을 구현하였다[3-6].
그림 8은 ISE를 이용한 Zynq 하드웨어 구현에 대한 내용이다. 모션 컨트롤을 위한 100Mbps 이더넷을 구성하기 위해 AXI Ethernet Lite를 추가하였으며, 기본적으로 모니터링을 위한 UART1과 기가빗 이더넷인 Enet0을 연결하였으며, 메모리 인터페이스를 이용해 외부에 장착된 DDR2 메모리를 이용할 수 있도록 구성되었다.
EtherCAT 마스터는 운영체제상에서 소프트웨어로 구현되며 일반 네트워크 카드를 제외한 추가적인 하드웨어가 필요 없다. 본 논문에서는 EtherCAT 마스터를 구현하기 위해 임베디드 리눅스를 R1_Controller에 적용하였다. 표 1에 R1_ Controller 에 적용된 소프트웨어 구성을 나타내었다.
본 연구에서는 Zynq-7000을 이용해 비전 및 모션 컨트롤을 통합한 모듈인 R1_Controller를 구현하였다. 아직 구현이 완료되지 않아 정확한 성능 테스트를 하지 못했지만, 원 칩 솔루션으로 비전과 모션 컨트롤을 통합할 수 있는 가능성과 복잡한 시스템 구성을 간단히 할 수 있으며, 원가 절감을 기대할 수 있어, 자동화 시스템, 로봇 분야 등 다양한 어플리케이션에 활용될 수 있으리라 기대된다.
본 연구에서는 비전 및 모션 컨트롤러를 통합한 모듈을 Robot Mind Controller(R1_Controller)라 부르며, 기본적으로 전원을 공급해주는 Power Management Module과 Zynq를 탑재해 고성능 비전 처리 및 다축 모션제어를 수행하는 모듈인 Vision Motion Module 로 구성되어 있으며, 기능 확장을 위한 External Processing Module과 다양한 네트워크를 접목할 수 있도록 Network Management Module이 있다. 그림 3은 Robot Mind Controller의 구성에 대한 것이다.
서버에서는 수신된 영상에서 얼굴 인식 기능을 수행하여 그 결과를 다시 R1_Controller에 전송하고, R1_Controller는 수신된 얼굴 인식 수에 따라 5축 모터 구동에 대한 모션 제어 명령을 구성하여, 각 모터 드라이브에 명령을 전달하도록 구성하였다. 본 테스트는 R1_Controller가 비전 처리와 모션 컨트롤을 동시에 수행하기 위한 테스트가 되어야 하지만, 아직 소프트웨어가 구현되지 않아 네트워크 기능에 대한 테스트만 수행하였다.
자일링스에서 확장형 프로세싱 플랫폼인 Zynq7000 제품군을 발표하였다. 이 제품군은 비디오 감시, 오토모티브 드라이버 지원, 공장 자동화와 같은 시장을 타깃으로 한 하이엔드 임베디드 어플리케이션에서 요구되는 수준의 프로세싱 및 연산 성능을 발휘하도록 개발되었다.

대상 데이터

설계를 바탕으로 구현된 R1_Controller를 그림 6에 나타내었다. PCB Artwork는 10층으로 구성되어 있다.
자일링스에서 확장형 프로세싱 플랫폼인 Zynq7000 제품군을 발표하였다. 이 제품군은 비디오 감시, 오토모티브 드라이버 지원, 공장 자동화와 같은 시장을 타깃으로 한 하이엔드 임베디드 어플리케이션에서 요구되는 수준의 프로세싱 및 연산 성능을 발휘하도록 개발되었다.

후속연구

본 연구에서는 Zynq-7000을 이용해 비전 및 모션 컨트롤을 통합한 모듈인 R1_Controller를 구현하였다. 아직 구현이 완료되지 않아 정확한 성능 테스트를 하지 못했지만, 원 칩 솔루션으로 비전과 모션 컨트롤을 통합할 수 있는 가능성과 복잡한 시스템 구성을 간단히 할 수 있으며, 원가 절감을 기대할 수 있어, 자동화 시스템, 로봇 분야 등 다양한 어플리케이션에 활용될 수 있으리라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Zynq-7000의 가장 큰 특징은 무엇인가?	Zynq-7000의 가장 큰 특징은 프로세싱 시스템(PS : Processing System)과 프로그래머블 로직(PL : Programmable Logic)이 하드웨어적으로 구분되어 있다는 점으로, PL 은 확장성을 위해 구성되어 있다. 기존의 FPGA는 프로그래머블 로직에 마이크로블래이즈와 같은 MCU를 구성하여 사용하여, 프로그래머블 로직이 구성된 후에야 소프트웨어가 실행되는 것과 MCU의 성능이 떨어지는 단점이 있었다.
	최신 모션 제어 제품의 특징은 무엇인가?	최신 모션 제어 제품의 특징은 모션 제어와 네트워크 기술의 통합이다. 고속 이더넷 통신 기반의 제어 솔루션들이 기존의 케이블 방식용 모션 제어 제품을 빠르게 흡수하고 있는 실정이다.
	자일링스의 Zynq7000 제품군은 어떠한 목적을 가지고 개발되었는가?	자일링스에서 확장형 프로세싱 플랫폼인 Zynq7000 제품군을 발표하였다. 이 제품군은 비디오 감시, 오토모티브 드라이버 지원, 공장 자동화와 같은 시장을 타깃으로 한 하이엔드 임베디드 어플리케이션에서 요구되는 수준의 프로세싱 및 연산 성능을 발휘하도록 개발되었다.

참고문헌 (17)

한상규, "FPGA 기반의 독립형 모션, 비전 통합 시스템 개발", 성균관대학교 석사학위논문, 2004.
xilinx, "Zynq-7000 All Programmable SoC Technical Reference Manual", www.xilinx.com. 2012.
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문용선, 이영필, 서동진, 이성호, 배영철, "Ethercat을 이용한 소프트 모터 제어기 개발에 관한 연구", 퍼지 및 지능시스템학회논문지, 17권, 6호, pp. 826-831, 2007.

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문용선, 이광석, 서동진, 이성호, 배영철, "로봇 모듈 구현을 위한 네트워크 기반 모터 제어 드라이버 개발", 퍼지 및 지능시스템학회논문지, 17권, 7호, pp. 887-892, 2007.
Yongseon Moon, Nak Yong Ko, Kwangseok Lee, Youngchul Bae, Jong Kyu park, " Real-time EtherCAT Master Implementation on Xenomai for a Robot System, International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, Vol. 9, No. 3, pp. 244-248, 2009.

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김용진, 배영철, 김광헌," 로봇의 다축 모션 제어용 AC 서보 드라이버 구현", 한국전자통신학회논문지, 7권, 3호, pp. 553-558, 2012.

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문용선, 노상현, 조광훈, 배영철, " 정밀 GPS 기반의 실외환경에서의 로봇 위치 추정 및 Open-RTM을 이용한 모니터링", 한국전자통신학회논문지, 7권, 2호, pp. 425-431, 2012.

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문용선, 노상현, 조광훈, 배영철, " WDM 방식의 양방향 광 이더캣 통신 모듈 구현, 한국전자통신학회논문지, 7권, 2호, pp. 409-415, 2012.

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문용선, 배영철, 노상현, " CC2520 기반의 지그비 모듈 구현에 대한 연구", 한국전자통신학회논문지, 5권, 6호, pp. 664-671, 2010.

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문용선, 배영철, 박종규, 노상현, " Ship Area Network(SAN)를 위한 Zigbee 및 광 통신 유무 선 통합 모듈 구현", 한국전자통신학회논문지, 5권, 5호, pp. 428-434, 2010.

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문용선, 배영철, 차현록, 노상현, 박종규, " 친환 경 스마트 가전 응용 시스템용 Ecobot 로봇 플랫폼 개발", 한국전자통신학회논문지, 5권, 4호, pp. 480-485, 2010.

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문용선, 배영철, 노상현, 조광훈, 박용구, " 이동 로봇 모듈의 RTC 미들웨어 개발", 한국전자통신학회논문지, 5권, 2호, pp. 214-220, 2010.

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Guido Beckmann, "EtherCAT Communication Specification, Version 1.0", EtherCAT Technology Group, 2004.
Beckhoff, "EtherCAT Slave Controller (ESC10/ 20 Hardware Data Sheet)", 2005.
xilinx, "ISE - 14.3 User Guides", 2012.
xilinx, "PlanAhead - 14.3 User Guides", 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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