HILS 기반 ISO-BUS 트랙터 시뮬레이터 개발

4.1.1. 개요

ISO-Bus 트랙터 시뮬레이터는 통합조정 알고리즘을 통합 계측 트랙터에 적용하기 에 앞서 가상의 트랙터 시뮬레이션 모델을 이용 하여 통합조정 알고리즘의 타당성 및 개선 방향을 결정하기 위하여 개발하였다. 통합조정 알고리즘의 개선 방향 및 타당성 을 검증하기 위하여 실제 트랙터를 이용한 포장시험을 실시하기에는 현실적으로 매우 어렵다. 이런 이유로 인하여 앞서 개발된 트랙터 시뮬레이션 모델을 활용하여 앞서 설정한 통합 조정 시스템의 요소 기술을 통합한 통합 조정 알고리즘을 가상의 시뮬레 이션 환경에서 그 효과를 알아보고 알고리즘의 개선 방향을 설정해 보도록 한다.

ISO-BUS 시뮬레이터는 Fig. 4.1에서와 같이 3개의 전자제어장치(ECU), GPS 모듈, 120옴의 종단저항을 연결한 CAN Bus 및 랩탑 PC로 구성하였다. 랩탑 PC는 2가지 기능 즉, ECU가 수신할 각종 센서의 신호를 앞서 개발된 트랙터 시뮬레이션 모델을 이용하여 각각의 ECU에 맞는 신호를 생성하여 전송하는 기능과 각각의 ECU가 ISO-Bus로 송신한 데이터를 수신하여 제어 신호를 생성하고 트랙터의 작업 상태를 모니 터링 하는 통합 조정 알고리즘을 통한 제어 및 가상 터미널의 기능을 수행한다. ECU 는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D converter, ISO-Bus를 제어할 CAN Controller가 내장된 MCU(Microprocessor control unit), CAN 신호를 MCU를 위한 시리얼 통신으로 변환하는 Transceiver로 구성되어 있다.

Fig. 4.1 Schematic diagram of ISO Bus simulator

4.1.2. CAN 통신 및 ISO 11783 4.1.2.1. CAN 통신 개요

CAN(Controller area network)통신은 다수의 마이크로 컨트롤러 간의 통신을 위해 개발된 시리얼 통신 규약이다. 자동차의 수많은 센서 들과 ECU를 서로 연결하기 위 해 필요한 케이블을 단순화하기 위해 독일에 Bosch 사에 의해 개발되었으며, 오늘날 에는 CAN 통신이 지닌 이점으로 인해 자동차뿐만이 아니라 공장 자동화, 의료용 기 기 등 다양한 분야에서 활용 되고 있다.

CAN은 실시간 분산 제어를 지원하는 멀티 마스터 형식의 시리얼 통신방식을 지니 고 있으며 메시지 크기가 작은 고속 제어 계측 시스템에 적합한 시스템이다. 멀티 마 스터 방식을 채택하고 있어 주소를 지정하여 메시지를 보내는 방식이 아닌 하나의 CAN 버스 라인에 Broadcast 하는 방식을 사용하며 각각의 메시지마다 할당된 식별

특징이다. Fig. 4.2은 일반적인 시리얼 통신인 UART 통신과 CAN 통신 사이의 차이 점을 나타낸 그림이다.

Fig. 4.2 UART network(point to point) and CAN network(Multi-master)

또한 서로 꼬여 있는 통신선을 이용하기 때문에 외부의 전자파나 노이즈가 통신선 에 동일하게 영향을 주기 때문에 위상차가 발생하지 않아 외부 노이즈에 강인한 특성 을 지니고 있어 농업 기계 분야에 있어서 활용가치가 매우 높다. 특히 외부 노이즈에 강한 특성을 지니긴 했지만 외부 환경에 의해 메인 CAN 버스의 이상을 자체적으로 감지하는 시스템을 지니고 있으며, 만일 오류가 일정 범위 이상을 넘어선 경우 오류 를 발생하는 노드의 활동을 제한하는 기능 또한 지니고 있다.

CAN은 기본적으로 꼬여 있는 두 가닥의 전선을 이용해 네트워크의 중심이 되는 버스를 형성하고 기본적인 버스에는 마이크로 컨트롤러, 액추에이터, 센서 등 모든 장 비가 노드형태로 부착된다. 이때 버스 양쪽 끝에는 되돌아오는 신호를 제거하기 위한 종단 저항을 설치한다. Fig. 4.3은 기본적인 CAN 통신 네트워크 구성을 보여준다.

Fig. 4.3 Configuration of CAN network system

기본적인 CAN 노드들은 CAN 버스의 신호를 송수신하는 CAN Transceiver와 CAN 프로토콜에 따라 통신 제어를 담당하는 CAN 컨트롤러로 구성된다. 최근에는 CAN 컨트롤러가 Micro-controller에 내장 되는 형태가 일반적이다.

CAN 버스는 High와 Low의 두 가닥의 전압 레벨 차이를 이용하여 신호를 주고받 는 구조로 되어 있다. CAN 버스 두 선의 전압 차이가 일정 범위를 넘어설 경우에는 이를 우성 비트 (Dominant bit)로 인식하고 ECU는 이를 ‘0’의 로직으로 받아들이게 된다. 반대로 전압 차이가 일정 범위 아래로 내려갈 경우 이를 열성 비트 (Recessive bit)로 인식하고 ECU는 ‘1’의 로직으로 인식하게 된다. 우성과 열성을 넘나드는 부분 을 Edge라 하며 보통 Edge를 기준으로 모든 ECU들이 동기화를 실시한다. Fig. 4.4는 CAN 버스의 신호를 ECU가 인식하는 방법을 나타낸다.

Fig. 4.4 CAN Bus signal and voltage level

CAN 버스는 멀티 마스터 방식으로 하나의 버스에 여러 개의 노드가 연결된 형태 로 이루어져 있다. 만일 버스가 사용 중이지 않은 상태라면 어떠한 노드라도 버스에 접근할 수 있다. 그러나 만일 다수의 노드가 동시에 버스에 메시지를 송신할 경우에 는 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 CAN에서는 메시지를 구성하는 메시지 프레임 에 중재 필드(Arbitration field)를 만들어 메시지들 간의 우선순위를 정하도록 되어 있다. Fig. 4.5에서와 같이 3개의 노드가 동시에 메시지를 송신하는 경우 6번 비트까

드 2는 그 뒤로 송신을 멈추고 대기 상태에 들어간다. 마찬가지로 2번 비트에서 Dominant비트를 송신한 노드 3만이 우선순위를 가지게 되어 최종적으로 계속해서 메 시지를 송신할 수 있게 된다. 따라서 CAN에서 ID의 우선순위를 결정하는 것이 매우 중요한 일이다. 이때 대기를 하게 되는 노드 1과 노드 2는 다음번 차례에 다시 송신 을 시도 할 수 있으며 송신이 이루어질 때 까지 시도를 할 수 있도록 되어 있다.

Fig. 4.5 CAN arbitration field

4.1.2.2. ISO 11783

최근 IT 기술의 발달과 농업의 자동화, 생산성 향상에 대한 필요성은 점점 트랙터 및 농용 작업기에 대한 전자 제어 시스템의 발달을 야기 시켰다. 이러한 트랙터 전자 제어 시스템의 증가는 트랙터 및 다양한 작업기들 사이의 통합적인 네트워크 시스템 의 구성을 통한 통신을 필요로 하게 되었다. 특히 트랙터와 같은 다양한 작업기를 요 구하는 시스템의 경우에는 작업기에 장착된 전자 제어 유닛(ECU)을 자동으로 인식하 고 자신의 네트워크에 포함시키며 또한 자유롭게 통신 제어가 가능하도록 만들어 주 어야 한다. 이에 따라 농업용 트랙터와 작업기들 간의 통신 및 제어, 트랙터의 전자

제어 유닛들을 통합 적으로 관리 감독하기 위하여 ISO 11783이라는 국제 표준 규격

ISO 11783-1 General standard 2007 ISO 11783-2 Physical layer 2002 ISO 11783-3 Data link layer 2007 ISO 11783-4 Network layer 2001 ISO 11783-5 Network management 2001 ISO 11783-6 Virtual terminal 2004 ISO 11783-7 Implement message layer 2009 ISO 11783-8 Drive train message layer 2006 ISO 11783-9 Tractor ECU interconnection unit 2002 ISO 11783-10 Task controller applications layer 2009 ISO 11783-11 Mobile data element dictionary 2007

ISO 11783-12 Diagnostics 2009

ISO 11783-13 File server 2007

ISO 11783-14 Sequence control(Under development) 2013 Table 4.1 Configuration and status of ISO 11783

ISO 11783은 기본적으로 CAN 2.0B 프로토콜을 따르고 있다. 이는 CAN 2.0B가 29bit의 식별자를 가지고 있음에 따라 앞으로의 농업용 트랙터용 작업기의 성장 가능 성을 염두 하여 둔 것이다. ISO 11783은 기본적으로 CAN 2.0B의 메시지 프레임 형 식을 따르고 있지만 이를 조금 더 확장한 형태를 지니고 있다. 특히 농업용 장비가

식을 따르고 있다. J1939는 일반 상용 차량의 시리얼 통신에 관한 규정을 두고 있으 며 ISO 11783과 마찬가지로 CAN 2.0B 형식을 따라 제작되었다. 특히 두 가지 표준 모두 차량 속도, 엔진 속도, 연료 소모량 등의 물리적 변수에 대한 범위는 물론 메시 지 형태, 해상도, 전송 방식 등을 대부분 정의해 놓은 상태이며 사용자로 하여금 상황 에 맞게 이용할 수 있도록 분류를 해 놓았다. 아래의 그림은 트랙터에 장착된 ISO 버 스의 기본적인 구성도를 나타낸 것이다. 일반적으로 트랙터의 자체적인 내부 ISO 버 스와, 작업 상태 등을 모니터링 하고 설정할 수 있는 Virtual terminal, 그리고 작업기 버스와 ECU 등으로 구성되어 있다.

Fig. 4.6 Configuration of tractor ISO-BUS

4.1.3. 시뮬레이터 구성 4.1.3.1. ECU 설계

ECU는 통합 계측 트랙터에 부착된 다양한 센서 에서 측정된 아날로그 신호를 수신 하여 이를 디지털 신호로 변환한 후 다시 ISO 11783 표준에 따라 ISO-Bus로 전송하 며, ISO-Bus로 전송된 다른 ECU의 데이터 중에서 자신에게 필요한 신호를 수신하여 일련의 임무를 수행한다. ECU가 수행하는 일련의 임무는 엔진 속도, 구동륜 슬립 등

을 제어하기 위한 것으로서 엔진 스로틀, 변속 기어, 경심 등을 조정하는 것이다.

Fig. 4.7은 ISO-Bus 시뮬레이터를 구성하는 3개의 ECU와 각 ECU가 측정하는 센 서 들의 종류 및 제어 변수를 나타낸 것이다. 엔진 ECU는 엔진 속도, 출력토크, 연료 소비량을 모니터링하며, 랩탑 PC에서 전송된 엔진 속도 제어 신호를 수신하여 이에 따라 엔진 스로틀 레버에 장착된 모터를 구동하도록 구성 하였다. 변속기 ECU는 구 동륜의 속도와 출력토크 및 변속기어를 모니터링 하여 트랙터의 주행상태에 대한 정 보를 ISO-Bus로 전송한다. PTO 및 Drawbar ECU는 작업기 ECU의 기능을 수행하 기 위한 것으로서 ISO-Bus 내부에서 직접 작업 부하를 모니터링 하여 제어할 수 있 도록 하였으며, GPS 모듈은 자체 ECU가 내장된 GPS 속도 센서 로서 트랙터의 속도 를 CAN Bus로 전송하도록 하였다.

본 연구에서는 Atmel사의 CAN controller 내장형인 AVR계열의 AT90CAN128 프 로세서를 MCU로 사용하였으며, Microchip사의 MCP2551을 CAN Transceiver로 사용 하였다. Table 4.2는 MCU의 제원을 나타낸 것이고 Table 4.3는 ECU들이 ISO-Bus로 전송하는 정보를 나타낸 것이다. Fig. 4.8은 본 연구에서 사용된 MCU 모듈을 나타낸 사진이다.

Item Specification

Manufacturer ATMEL

CPU Series AVR CAN

Core Size (bit) 8

CPU Speed (MHz) 16

No. of I/O's 53

Program Memory Size (kB) 128

Memory Type FLASH

EEPROM Size (kB) 4

RAM Size (kB) 4

Oscillator Type Internal

Interface CAN, JTAG, Serial ,SPI,USART Supply Voltage (V) 2.7 to 5.5

Operating Temp (°C) -40~+85 Table 4.2 Specifications of AT90CAN128 micro processor

Fig. 4.8 CAN controller & transceiver with micro-processor module

ECU Name PGN Identifier Table 4.3 Message configuration of ISO-BUS

엔진 ECU는 엔진 속도, 엔진 토크, 연료 소모량, 사용자의 스로틀 페달 입력을 센