무인트랙터개발에대한고찰 적응식순항제어기능 (Adaptive Cruise Control) 이나차선이탈방지시스템 (Lane-Keeping Assistants) 과같은운전자보조시스템이운행중인차량의전후방 / 측면감지를제어하는비중이높아지고있다 [1]. 이와더불어, 농업기계분야에서도무인운전에대한관심이증가하는추세이다. 운송장치용의자를개발한 KIT(Karlsruhe Institute for Technology), 농기계용전자연결봉을공동개발한 AGCO 와 GEO Concept 도이러한추세에편승하고있다 [2]. 자율주행에대한자동차업계의관심이증가하면서, 농업기계개발분야에서도이러한자율주행의중요성이점점커지고있다. KIT 는연구를통해사람이운전하는농기계가앞서가면무인트랙터가독립적으로이를뒤따라갈수있는시스템을개발하였다. 해당연구의목표는지역경제를활성화하고추가적인인건비없이농기계의활용도를최대화하는것이었다. 무인트랙터개발에대한고찰 1/9
트랙터용전자연결봉 전자연결봉을통해운전자한명이두대의트랙터를동시에운전할수있는데, 이를위해서는동일한농기구와데이터고정밀 RTK-GNSS 수신기 ( 실시간작동 ) 를장착한두대의동종모델트랙터가필요하다. 이와함께해당트랙터들은데이터무선채널을통해연결되어야한다. 마스터차량역할을하는운전자탑승트랙터가앞서가면, 종속차량역할을하는무인트랙터가설정된전후방및측면감지환경에따라마스터차량의뒤를따른다. 마스터차량에설정된작업조건은정차중인종속차량에그대로전달된다. 장애물감지용환경센서 ( 그림 1) 와웹기반의지형정보를활용하여, 뛰어난운전성과안전성을확보할수있다. [ 그림 1: 종속트랙터의환경센서테스트를위한프로토타입구성 ] 시스템기능 트랙터용전자연결봉을작동하기위해서는다음과같이다섯가지운전모드를활용할수있다. 병렬운전 (Parallel Driving) 은시동및기본작업모드이다. 이모드에서는종속차량이마스터 차량을뒤따르며동일한작업을수행한다. 종속차량과마스터차량의동선이정확히일치할경우, 무인트랙터개발에대한고찰 2/9
추적 (Tracking) 모드를사용할수있다. 단독 (Ignore) 모드에서는마스터차량과별개로종속차량의단독운전이가능하다. 단독모드가해제되면, 종속차량이다시마스터차량의뒤를따른다. 해당지형의돌출부를감지했을경우에는 방향전환운전 (Turn-Over Driving) 모드로종속차량의방향을전환할수있다. 설정된경로에서장애물이감지되면 우회 (Evasion) 모드를통해종속차량이충돌을피해우회로를찾아낼수있다. 세이프티컨셉과상태머신 안전은무인차량의개발에있어서매우중요한요소이다. ISO 25119 에근거하여, 기계의기능안전성과관련된위험요소와약점을파악하기위해전용툴이사용되며, 이를바탕으로적절한대응조치가이루어진다. 위험분석결과는하드웨어및소프트웨어의요구사항에따라, 하드웨어및소프트웨어의제품라이프사이클에서연구된각각의시나리오를통해 AgPL(Agricultural Performance Level) 을산출한다. 전자연결봉은 3 단계세이프티컨셉에기반한다 ( 그림 2). [ 그림 2: 트랙터용전자연결봉의 3 단계세이프티컨셉 ] > 작동 (Operational) 모드에서는심각한오류메시지나경고메시지가표시되지않는데, 이는 설정된경로상에장애물이존재하지않는다는것을의미한다. > 안전정지 (Safety Stop, SSt) 모드에서는트랙터운전및작업이자동으로정지된다. 무인트랙터개발에대한고찰 3/9
> 긴급정지 (Emergency Stop, ESt) 모드는최상위수준의세이프티컨셉이다. 이상태에서엔진은 즉시작동을멈추고전자주차브레이크가작동한다. 세이프티컨셉은상태머신을통해구현되는데, 이때상태머신은두차량내에동기화된시스템의 상태를설정하는역할을한다. 그림 3 은전자연결봉의상태머신을보여주고있다. 시스템작동시, 디폴트 (Default) 모드가활성화된다. [ 그림 3: 전자연결봉의작동상태정의를위한모델 ] 트랙터의역할은마스터차량이나종속차량으로설정할수있다. 역할설정이완료되고나면, 작업할당 (Assignment) 모드에서, 두차량에작업이할당되며이들사이에무선결합이생성된다. 이작업이완료되고나면, 시스템이 안전정지 (Safety Stop) 모드에진입한다. 이때, 종속차량은 능동정지 (Active Stop) 모드로설정되어, 이후에 긴급정지 (Emergency Stop) 모드가언제든지작동될수있다. 운전자가운전을시작하기위해 도킹 (Docking) 모드에서는차량의상대적인위치와방향에따라해당차량이서로연결된다. 그후에, 시스템이 작동 (Operation) 모드로전환되어, 종속차량의자율주행이가능해진다. 해당차량은기본운전모드인 병렬운전 " 무인트랙터개발에대한고찰 4/9
모드에서작동을시작하고, 그후다른운전모드로전환할수있다. 2D 레이저스캐너와 3D 카메라가장착된환경센서가충돌위험을감지할경우에는, 즉시 안전정지 (Safety Stop)" 모드로 전환된다. 분산형아키텍처기반의프로토타입개발 복잡한모듈기반의보조시스템을외부협력업체들과함께구축하기위해서는, 인터페이스에대한사양이상세히규정되어야한다. 업체별개발플랫폼이다르므로다양한소프트웨어및하드웨어모듈이서로 CAN 버스및 TCP/IP Ethernet 을기반으로통신할수있는분산형아키텍처가채택되었다. 하드웨어아키텍처 프로젝트협력업체에서는내비게이션기능 (NAV) 구현, 맞춤형전용 GEO 데이터서버 (GIS) 접속, 메인컨트롤러를통한차량제어 (EXT), 표준단말기용사용자인터페이스 (HMI) 를담당하였고, KIT 는 상태기계 (ZST), 래피드프로토타이핑플랫폼상에서의환경감지 (UFS) 를구현을담당하였다. 데이터통신 차량내전용 CAN 프로토콜상에서시스템및운영데이터를교환하기위해물리적매개체로트랙터의 ISOBUS 가사용되었다. 11 비트식별자를선택함으로써, 두버스가동시에병행운영될수있다. 각각의하드웨어모듈에는고유의 CAN-ID 가부여되기때문에, 관련신호들이멀티플렉싱을통해전송될수있다. 높은대역폭을요구하는환경데이터는 TCP/IP-Ethernet 을통해전송된다. 적은노드수와낮은네트워크부하로인해데이터의실시간송수신이가능하다. 두차량간의무선통신은전이중으로이루어진다. 사용된모뎀들은 RS232 인터페이스를통해연결된다. 무인트랙터개발에대한고찰 5/9
마스터차량과종속차량은위치, 이동상태, 시스템상태, 작업환경설정, 차량상태, 주변환경정보에대한다양한데이터를지속해서교환한다 ( 그림 4). 인터페이스의실질적인체계를통해하위기능에대한간단히구현및검증이가능하다. 타임아웃및체크섬기능을안전메커니즘으로사용하여전형적인데이터전송오류들을진단할수있으며, 이를통해데이터무결성및노드활동이보장된다. 만약 CAN 버스혹은무선통신경로상에서타임아웃이초과할경우, 더이상의차량제어가불가능하므로즉시 긴급정지 (Emergency Stop) 모드가활성화된다. [ 그림 4: 프로토타입내의통신아키텍처 ] 소프트웨어개발지원을위한통신버스시뮬레이션 ECU 개발시, 잔여버스시뮬레이션 (Remaining Bus Simulation, RBS) 은디버깅을지원하고, 가능한가장현실적인조건아래소프트웨어를검증할수있는매우효과적인툴이다. 자동차뿐만아니라기타운송장비의 ECU, 센서, 액추에이터도다양한네트워크상에서동시에데이터를교환한다. 일반적으로, ECU 의인터페이스장치가현실적인값들이지원되기이전에는종합적인소프트웨어테스트가불가능하다. 시스템개발단계에서복잡하고시간이오래걸리는소프트웨어테스트를피하려면, RBS 를사용하여 ECU 의잔여네트워크환경에대한가상시뮬레이션을시행할수있으며, 이러한방식으로진행되는소프트웨어테스트는비용효율성, 신속성및안전성을보장한다. 무인트랙터개발에대한고찰 6/9
CANoe Vector Informatik 의 CANoe 소프트웨어는유연성이뛰어나기때문에네트워크통신개발을효율적으로지원한다. CAN 네트워크의체계는노드의통신작용이저장되는네트워크노드를통해 CANoe 상에서완벽히시뮬레이션된다. 또한, 사용자인터페이스, 신호생성기및다양한통신인터페이스도네트워크노드로서추가가능하다. 컴파일된 Simulink 모델등을통해 C 와유사한프로그래밍언어인 CAPL 상에서이벤트기반의또는상호작용에대한시뮬레이션이가능하다 [3]. 신호체계를포함해생성된모든메시지는데이터베이스에저장되며, 개별네트워크노드에 할당된다. CANoe 는멀티버스기능을지원하기때문에, CAN, J1939, ISO11783, FlexRay, Ethernet 의전용및표준프로토콜모두를지원한다. 모델링및시간동기화평가를위해, CANoe 는 다양한필터옵션, 그래픽신호디스플레이및버스부하나오류메시와같은주요통신파라미터에 대한개요와함께다양한신호인가및추적서비스를제공한다. CANoe 상에서네트워크노드를 활성화혹은비활성화하여원하는 ECU 에대한가상혹은실제작동이가능하다. 버스 인터페이스에는벡터의솔루션이사용된다. 또한, CANoe 는다양한테스트시나리오들을실행하고 그결과를테이블형식, XML, CAPL [3], C#, 그래프와같은다양한형식으로보고한다. CANoe 를통한전자연결봉모델링 차량테스트일정및테스트차량의옵션을관리하는것이매우중요하므로 CANoe 는본 프로젝트의환경조성, 특히 ECU 의초기검증단계에최적화된솔루션이다. RBS 를이용한접근 방식을통해효율적인병행개발이가능하고추후에는이를쉽게통합할수있다. 전자연결봉의종합적인모델은개별 ECU 및파트너차량과의전반적인통신을시뮬레이션할수있는환경이구축된 KIT 에서개발되었다. ZST, NAV 및 HMI 소프트웨어모듈은네트워크노드모델로사용되었다. 모듈별세부사양은해당모델에따라다양하다. 시스템상태를제어하는모든메시지기능에대한시뮬레이션과더불어통신메시지에고정테스트파라미터를할당함으로써 무인트랙터개발에대한고찰 7/9
데이터무결성을검증할수있었다. 모델기반의프로그래밍이가능한잔여메시지 dspace 플랫폼과함께 CANoe 를사용함으로써그뛰어난유용성도입증되었다. 플랫폼전용 I/O 블록의교환프로세스가완료되면, 개발된 Simulink 모델에대한메시지는 CANoe 용으로즉시컴파일되어잔여버스모델에통합할수있다. CANoe 상에서 PC 의직렬인터페이스접속이가능하므로별도의수정없이무선통신경로를통합하여데이터무결성테스트를수행할수있다. 요약 탁월한물체감지및지형정보통합에대한전자연결봉의안전성과운영성은이미검증되었다. 프로토타입시스템이지속해서변경되는환경에서, 데이터인터페이스의사양및관리역시모든프로젝트참여자들이신중히접근해야할과제이다. 다양한업체들이한프로젝트를위해함께협력하는경우, 모듈기반시스템과소프트웨어아키텍처를초기에명확히정의함으로써해당프로젝트가순조롭게진척될수있다. 하지만차후의성공적인현장테스트를위해서 RBS 소프트웨어와함께래피드프로토타이핑시스템을하위기능과전반적인 ECU 를효율적으로검증하기위한보조툴이필요하다. 독일출판물 HANSER automotive, 2014 년 9 월호기사번역판 그림제공 : 그림 1: Vector Informatik GmbH 그림 2-4: KIT 참고문헌 : [1] Winner, H.; Hakuli, St.; Wolf, G. (2012). Handbuch Fahrerassistenz-systeme ( Handbook of Driver Assistance Systems ), 2nd edition, ISBN 978-3-8348-1457-9. Vieweg + Teubner Verlag, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH. [2] Zhang, X.; Geimer, M.; Noack, P.O.; Grandl, L. (2010). Development of an intelligent masterslave system between agricultural vehicles. pp. 250-255. IEEE. Intelligent Vehicles Symposium. 6/21-6/24/2010. San Diego, CA, USA [3] Marc Lobmeyer/Roman Marktl: Programming ECU Tests More Efficiently Tips and Tricks for the Use of CAPL. In: CAN Newsletter (2014), H. 2, pp. 42-43 무인트랙터개발에대한고찰 8/9
링크 : 벡터홈페이지 : www.vector.com KIT 홈페이지 : www.kit.edu/english/ CANoe 제품정보 : www.vector.com/canoe 저자 : 베른하드얀케 (Bernhard Jahnke) Karlsruhe Institute for Technology (KIT) 의운송장치용의자사업부에서연구보조를담당하고있다. 한스베르너스칼 (Hans-Werner Schaal) Vector Informatik GmbH 에서차량 Ethernet, Car2x, J1939 및 ISO11783 와같은개방형 CAN 프로토콜분야의사업개발업무를담당하고있다. 본자료배포시최종인쇄물을당사에보내주시면감사하겠습니다. 배포와관련하여문의사항이있으시면언제든지연락주시기바랍니다. 벡터코리아편집자연락처 : 마케팅팀전은영서울특별시용산구한남대로 11 길 12 고뫄스빌딩 5 층 Tel. 02-807-0600 Ext.5014, Fax. 02-807-0601 E-mail: eunyoung.jeon@vector.com 무인트랙터개발에대한고찰 9/9