Ambrosius' Automotive Embedded Software

공인 연비와 실제 체감 연비가 다른 경우

ambrosius — Sat, 06 Oct 2012 09:33:05 +0900

공인 연비와 실제 체감 연비가 다른 경우에 소비자들이 많이 실망하게 되지요. 공인연비와 실 연비가 비슷하면 제일 좋겠습니다.

다만, 실제 연비와 다른 이유를 설명드리면,

1) 공인 연비를 측정하기 위해 온도, 습도, 바람 등의 조건을 최대한 일치시키고 측정합니다. 제조사 A와 B가 있다면, 두 회사의 차 모두 동일 조건에서 연비를 측정하게 됩니다.

2) 연비와 탄소 소모량은 같은 의미입니다. 연료에 포함된 탄소 원자의 비율이 일정하기 때문에, 배출가스에서 측정한 이산화탄소의 질량을 측정하면 사용한 연료의 양을 제일 정확하게 알 수 있습니다. 차량에 주입한 연료의 양과 남은 양을 비교하는 것 보다 이산화탄소 질량을 측정하는 것이 조금 더 정확하다고 생각합니다.

3) 자동차 제조회사와 자동차 종류별로 동일한 조건에서 측정을 해야 공정한 비교를 할 수 있기 때문에, 여러가지 환경 요인을 통제할 수 있는 실내에서 공인 연비를 측정합니다. 연비 측정 모드에는 가속, 감속, 정차, 급가속, 급정거, 고속 주행, 저속 주행등이 포함되어 있으므로 교통 상황을 어느 정도 반영하게 됩니다. 물론 공인 연비 측정 모드가 사용자의 주행 패턴하고 완전히 동일하지 않기 때문에 사용자가 느끼는 체감 연비와 다를 수 있습니다. 또한 공기 저항이나 노면 마찰도 연비 측정에 반영됩니다.

4) 공인 연비는 공인된 기관에서 기준 모드를 사용하여 측정됩니다. 제조사가 거짓으로 부풀려 발표하더라도, 공인 기관에서 측정한 결과와 다르게 되면 벌금 및 제제를 받게 됩니다. 공인기관에서 실제 판매된 차량의 연비를 확인하므로, 발표 연비를 크게 속이지 못하게 됩니다.

공인 연비와 실제 운전자 체감 연비가 다른 이유는, 운전자들이 운전하는 패턴이 공인 연비 측정 모드와 다르기 때문입니다. 연비는 주행 패턴에 따라 크게 차이가 납니다. 급가속이 많은 경우 연료를 더 많이 소비하고, 공회전은 무의미하게 연료를 소모하는 행위지요. 또한 차량에 짐을 많이 실은 경우에 연비가 나빠질 수 밖에 없습니다.

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당신을 ECU 전문가로 만들어주겠다!

ambrosius — Sat, 04 Jul 2009 00:37:06 +0900

당신을 ○○ 전문가로 만들어 주겠다!

오랫만에 한번 글을 올리는데.. 웃기는 (?) 글로 시작하네요 ` ^^;;

당신을 ECU 전문가로 만들어주겠다 !

ECU 공부 절대~ 할 필요 없습니다. 메뉴얼만 숙지하시면 됩니다.

일단 자동차 ECU 전문가가 되기 위해서는 언급해야 하는 회사들이 있습니다.

일반적인 사람들이 알고 있는 BMW, Benz, 도요타 등을 꼽아서는 안됩니다. 그 회사들을 꼽는 것은 다른 업계 사람들에게 무시당할 수 있습니다. 차라리 보쉬나 컨티넨탈을 이야기하는 것이 좋습니다. 참, 시멘스라고 이야기하지 마십시오. 시멘스는 컨티넨탈에 합병된지 좀 지났으니까요. 아, 델파이가 걱정된다는 이야기를 하는 것은 무리 없을 것 같습니다.

그리고, 람다 제어나 토크 제어에 대해 이야기하기 보다는, 아키텍처나 S/W 플랫폼이 중요하다는 이야기하면 좋습니다. 그 내용을 자세히 몰라도 괜찮습니다. 논문 한 부 안 읽어도 됩니다.

최근 경향에 대해서는, 오토사를 까 주면 좋겠군요. 스펙 제정 시기는 계속 지연되고, 양산도 잘 되지 않고, 결국 OEM 보다는 툴 회사를 배불려 줄 것이라고 말이지요. 아, 자스파는 조금 폐쇄적이라 큰 영향이 없을 것이라 말해주면 됩니다.

누가 요새 관심있는 분야가 무엇인지 묻는다면, CMMI나 PLM이라고 하지 마십시오. 이미 5-6년 전 유행입니다. 차라리 최근 개정되는 IEC61508이나 TMM에 관심있다고 해 주세요. Agile 방법론을 ECU 개발에 접목하는데 흥미가 있다고 해 주면 좋은 인상을 줄 것입니다.

대충 이 정도입니다.

아, 마지막으로 카 PC 때문에 ECU에 관심이 생겼다고 절대 고백하지 마십시오. 캐무시 당합니다...

으으.. 잘 써보려 했는데 신통치 않은 글이 나왔네요. 제 내공의 바닥이 얇다는 사실이 다 들통나 버리고 말았네요..ㅜ.ㅠ...

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EMS란? - EMS의 기초

ambrosius — Thu, 09 Oct 2008 19:23:45 +0900

목차

1. EMS ??
오늘은 EMS에 대해 살펴보겠습니다. EMS란 Engine Management System의 약자입니다. 즉 엔진을 관리해 준다는 의미이지요. 자동차에서 엔진이 하는 역할은 무엇일까요? 다들 아시겠지만 기름 먹고 덜컹 거리는 소리나 내는 쇳덩어리이지요. 아, 물론 에어컨을 돌려주는 고마운 존재이기도 하고요. 그래도 가장 중요한 기능은 바퀴를 돌려주는 힘을 만들어 주는 것 아니겠습니까? 어떻게 하면 기름을 덜 먹으면서도 조용히 큰 힘을 낼까 고민하면서 엔진을 제어해 주는 것이 EMS의 역할입니다.

2.EMS와 ECU?

ECU 외부

ECU 내부

EMS를 보통은 ECU라고 부르지요. Electrical Control Unit. 단어 그대로의 뜻을 살펴보면 ECU란 단순히 전자 제어기를 의미하지만, 보통은 엔진 제어기를 ECU라고 부릅니다. 부르는 곳에 따라서는 엔진 ECU, 변속기 ECU, ABS ECU 등 구분해서 부르기도 하지요. 본 글에서는 EMS 혹은 엔진 ECU라고 부르겠습니다. 엔진 ECU란 PCB위에 CPU가 장착되어 컴퓨터 역할을 하는 조그만 직사각형 모양의 상자를 말합니다. '도시락'이라고 부르는 분들도 있어요. 생김새가 마치 옛날 네모난 도시락통 처럼 생겼거든요. 혹시 엔진 ECU를 뜯어보실 기회가 생기면 한번 살펴보세요. PC의 메인보드보다는 훨씬 간단한 구조로 되어있습니다. 보통 2000년대 중반까지는 16비트 MCU가 많이 사용되었는데, 엔진 구조가 점차 복잡해지면서 최근에는 32비트 MCU 들이 사용되고 있습니다. 참, MCU란 일반적인 CPU와 비슷한데, 각종 입출력을 처리할 수 있는 기능이 좀 더 포함된 IC를 말합니다.

엔진 ECU는 단순히 전기 신호를 받아서 전기 신호를 출력하는 기능밖에 없습니다. 즉, 엔진이 얼마나 뜨거운지, 엔진 축이 얼마의 빠르기로 돌고 있는지 알아낼 방법이 없지요. 이러한 정보를 제공해 주는 것은 센서들입니다. 각종 센서 들이 엔진 주변에 여러 개 붙어 있어서, 냉각수 온도, 공기 온도, 배기 가스 중의 산소 농도 등을 측정해서 엔진 ECU에 알려주게 됩니다. 또한, 점화 플러그, 쓰로틀 밸브, 아이들 밸브와 같은 액추에이터들이 엔진 ECU에서 출력되는 신호를 받아서 엔진을 제어해 줍니다. 즉, 센서, 엑추에이터 들과 각종 전선 묶음이 있어야 비로소 엔진 ECU가 차량을 제어하게 되는 것이지요. 그래서 보통 이러한 시스템 전체를 묶어서 EMS라 부릅니다.

Bosch의 EMS 중 Motronic 시스템 개요

참고로, 디젤 엔진과 가솔린 엔진은 구조가 많이 다르기 때문에 EMS도 많이 다릅니다. 그래서 과거에는 EMS 제작 업체들이 가솔린 엔진용 EMS와 디젤 엔진용 EMS를 따로 만들었지요. 하지만, 엔진 제어 기능을 제외하고는 두 EMS 사이에 OS나 MCU, 각종 하드웨어 드라이버 등의 소프트웨어 플랫폼 사이에 비슷한 점이 많이 있지요. 그래서 최근 EMS 업체들은 가솔린 EMS와 디젤 EMS를 하나의 제어기 플랫폼 위에 개발하고 있습니다. 쉽게 생각하면 Windows 위에 오피스 프로그램을 깔면 사무실 PC가 되었다가, 게임을 깔면 게임용 PC가 된다고 비교할 수 있을 듯 하네요. 어쨌든, 글쓴이가 주로 공부한 분야가 가솔린 엔진쪽이기 때문에, 가솔린 EMS에 대한 설명을 주로 하겠습니다.

3. EMS가 하는 일?
EMS가 하는 일 중에서 주요한 것 몇 가지를 추려보면,

엔진의 출력인 토크를 제어하고,
엔진 배기 가스의 유해 성분을 최대한 줄이도록 하며,
EMS 관련된 각종 장치의 고장을 진단합니다.

그럼 각각을 간단히 더 살펴볼까요?

3.1 엔진 토크 제어
엔진의 가장 기본적인 기능이라면 액셀레이터 페달을 밟았을 경우 윙~ 하는 큰 소리와 함께 차를 앞으로 가게 하는 것이지요. 이것을 좀 자세히 보면, 액셀레이터 페달을 밟으면 쓰로틀 밸브가 열려서 엔진에 보다 많은 공기가 들어가게 되고, 이 공기가 연료와 폭발을 일으켜 피스톤을 힘차게 밀어줍니다. 이 피스톤의 운동이 크랭크축을 회전시키고, 변속기는 이 회전력을 적당한 속도와 토크로 변환합니다. 그 결과 바퀴가 회전하고 차량이 앞으로 전진하는 것이지요. 엔진 폭발력으로부터 바퀴 회전까지 힘이 전달되는 경로를 파워트레인 (Power Train)이라고 부릅니다. 즉, 엔진은 차량의 동력을 생산하는 큰 임무를 맡고 있습니다. 따라서 얼만큼의 동력 - 토크를 생산하느냐를 제어하는 것이 EMS의 가장 큰 역할이 되겠지요.

파워트레인

토크 제어가 필요한 경우를 생각해 봅시다. 우선, 액셀레이터 페달을 밟으면 차가 주욱 앞으로 나아가야 겠지요? 이 때 필요한 것이 큰 토크 입니다. 운전 중에 에어컨을 켜면 차의 힘이 약해지는 것을 느끼신 적 있으신가요? 엔진에서 차를 움직이는 토크가 만들어지고 있는데, 에어컨을 구동하느라 토크를 갑자기 뽑아쓰다 보니까 바퀴로 전달되는 토크가 줄어들어서 차의 속도가 잠시 줄어드는 것입니다. 만약, 에어컨을 킬 경우에 에어컨에 필요한 만큼의 토크를 더 내도록 제어한다면, 에어컨을 켜도 차량 속도에는 큰 변화가 없겠지요. 자동 변속기 차량에서 주행 중에 변속이 필요한 경우, 아무런 사전 조치없이 변속을 수행하면 크랭크 축의 회전속도가 갑자기 변동되어서 엔진과 크랭크 축, 변속기에 큰 무리가 갈 수 있습니다. 따라서 변속 순간에는 엔진에서 출력되는 토크를 조금 줄이는 것이 필요하지요. 여기서 예를 든 것 이외에도 많은 경우 엔진의 토크 제어가 필요합니다.

엔진의 토크는 주입된 공기의 양, 연료의 양, 점화 시기 등에 의해 결정됩니다. 즉, 엔진 토크를 제어한다는 것은 공기의 양, 연료 양, 점화 시기를 제어하는 것이지요. 최근에는 엔진에 관련된 신기술이 많이 생겨서 위 3가지 이외에도 몇 가지 제어할 부분이 더 생겼습니다. 토크 제어에 관련된 부분은 다음에 자세히 다루도록 하지요.

3.2 공연비 제어
예전에는 엔진에서 강력한 힘만 나오면 OK인 시절이 있었습니다. 각 자동차 회사에서는 고출력, 고 토크의 엔진을 개발하느라 시간을 보냈고, 소비자들은 '머슬카 muscle car' 같은 소위 기름을 길에다 뿌리고 다니는 차량을 원하기도 하였습니다. 그러나 1970년대에 들어서 석유 파동 등의 이유로 석유 값이 치솟기 시작하였습니다. 더구나 자동차에서 뿜어져 나온 각종 유해 배기가스들이 점점 도시와 지구의 공기를 오염시키기 시작했지요. 그래서 최근에는 연비가 좋고 덜 유해한 배기가스를 내뿜는 차를 만드는데 큰 노력을 쏟고 있습니다. 미국과 유럽을 비롯한 대부분의 국가에서는 연비 규정, 배기 가스 배출 규정을 두고 자동차 업체에 강제하고 있습니다. 이제는 나쁜 연비, 유해한 배기 가스를 내뿜는 차량은 팔릴 수 없는 것이지요.

연비를 좋게 하기 위해서는 공기와 연료의 최적 비율을 맞추어 주어야 합니다. 공기와 연료가 완전 연소를 할 수 있는 비율은 공기와 연료의 질량비가 14.7:1인 경우입니다. 만약 이 보다 연료가 더 많이 들어간다면, 넘치는 연료는 그냥 배기가스로 낭비되어 나오겠지요. 따라서 연비를 좋게 하기 위해서는 연료를 최적 공연비보다 더 적게 넣어 주어야 합니다.

유해 배기가스의 경우에는 조금 문제가 다릅니다. 연료가 너무 적게 들어가면 질소 산화물 NOX이 많이 배출되고, 연료가 너무 많이 들어가면 일산화 탄소 CO와 탄화 수소 HC가 많이 배출됩니다. 따라서 최적 공연비에 맞추어 연료를 분사하는 것이 연비를 좋게 하고 공해 물질을 줄이는 방법입니다. 따라서 공연비 제어의 기본은 최적 공연비를 맞춰주는 것 입니다.

공연비에 따른 효과

그런데, 실제 제어는 최적 공연비 그대로 제어하지 않고, 최적 공연비를 기준으로 잠시 연료를 조금 더 넣었다가, 시간이 지나면 조금 덜 넣었다가 교대로 연료량을 변경시킵니다. 이것은 배기 가스를 정화해 주는 촉매 변환 장치의 변환 효율을 높이기 위한 방법 입니다. 이렇게 연료량을 제어하는 것을 람다 제어 (Lambda Control)이라고 하는데, 이에 대해서는 나중에 좀 더 자세히 다루도록 하지요.

3.3 고장 진단
아무리 유해 배기 가스를 적게 내뿜도록 만들어진 EMS라 하더라도, 기본적인 정보를 제공해 주는 센서가 고장나거나, 제어 명령을 실행하는 액추에이터가 고장나면 소용 없겠지요. 고장난 EMS는 유해 배기 가스를 내뿜는 오염원이라 할 수 있습니다. 따라서, 각종 센서나 엑추에이터, 그리고 엔진의 각종 부분이 정상인지 고장인지 여부를 판단하는 것이 중요합니다. 이것이 법규화 되어서 OBD가 되었습니다. OBD에 대한 조금 더 자세한 내용은 여기를 참조해 주세요.

4. 마무리
오늘은 EMS에 대하여 간략히 알아보았습니다. EMS는 엔진의 토크와 공연비를 제어하고, EMS에 관련된 부품들에 고장이 있나 없나 감시하는 기능을 수행합니다. 각 부분에 대하여 좀 더 자세한 내용은 다음 기회에 알아보도록 하겠습니다. EMS에 대해 적어 보려 하니까 생각보다 쓸 내용이 많네요 ~ ^^;;

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현대자동차에서 자동차 임베디드 S/W 분야 경력직 채용 공고를 내었습니다.

ambrosius — Wed, 08 Oct 2008 23:54:10 +0900

정말 오랫만에 현대자동차에서 자동차 임베디드 S/W 분야 경력직 채용 공고를 내었습니다. 대기업에서 경력직을 대대적으로 뽑는 기회는 많지 않은데, 현대자동차에서 뽑는 것을 보니 임베디드 S/W 분야하고 하이브리드 자동차 분야에 많은 지원을 하려나 봅니다.

관심있으신 분들은 지원하셔도 좋을 것 같습니다.

그나저나 다른 국내 자동차 업계도 S/W 분발해서 국내 자동차 임베디드 S/W 를 한단계 발전시킬 수 있으면 좋겠습니다.

공고내용

현대자동차 "연구개발 부문" 경력사원 모집

모집부문			전공	인원	근무지
HEV 개발	설계	- 하이브리드시스템 및 핵심 부품 설계 - 모터 설계, 인버터 설계, DC-DC 컨버터 설계 - 배터리 시스템 설계, 변속기 설계	전기/전자/전력전자/제어 및 기계/재료공학 관련학과	00명	남양연구소 (화성소재) + 마북연구소 (용인소재)
	제어	- 소프트웨어 및 제어로직 개발 - 하이브리드 차량 제어기 개발 - 모터/모터제어기 개발 - 배터리 제어 개발	기계/전기/전자/컴퓨터/제어공학 관련학과
	시스템 개발	- 하이브리드 시스템 시뮬레이션 해석 - 엔진/변속기 성능 및 기능 평가 - 하이브리드 핵심 부품 성능 및 기능 평가 - 차량 연비 분석	기계/전기/전자 관련학과
	실차 평가	- 실차 차량 제어기 매핑, 운전성 개발 - EMISSION 개발
연료전지차 개발		- 고분자전해질 연료전지스택 개발 - 연료전지시스템 설계/평가/제어 - 수소공급 및 저장시스템 설계 - 전기동력시스템 개발	기계/화공/재료/제어전기전자/산업공학 관련학과
S/W 개발	S/W 아키텍처	- 임베디드 S/W 개발 - ASIC 설계	전기/전자/제어/전산/정보통신/컴퓨터공학 관련학과		남양연구소 (화성소재)
	S/W 설계사양 개발 (알고리즘 포함)	- IT S/W 개발 - 제어시스템 S/W 개발 - S/W 모델링 개발 - 음성인식/영상처리 관련 S/W 개발
HMI	HMI 기획/설계/평가 (GUI 디자인 포함)	- HMI 신기술 및 상품기획 - GUI 디자인 개발 - HMI 사양표준화 및 설계 가이드라인 구축 - HMI 평가시스템 개발	HCI/전자/전산/인공지능/산업디자인/제품디자인/인간공학/산업공학/감성공학/인지과학심리학 관련학과

(티스토리에서 표를 처음 써 보았는데 별로 기능이 많지 않네요. ㅜ.ㅠ 편집이 잘 안되어서 그냥 그림 캡쳐한 것 붙입니다.)

응시자격
가. 국내`외 정규대학 학사학위 이상 소지자 중 해당분야 관련경력 3년 이상인 자
나. 해외여행 시 결격사유 없는 자
다. 남자는 병역필 또는 면제자

지원서 및 접수기간
가. 접수기간: 2008.10.7 (화) 10:00 ~ 2008.10.21 (화) 17:00
나. 접수방법: 인터넷 접수 (www.hyundai-motor.com)

전형절차
1차:서류전형 => 2차:인적성검사 (HKAT) 및 면접전형 => 3차:신체검사

서류전형 합격자 발표
가. 당사 인터넷 홈페이지 게시 및 E-mail 개별 통지
나. 합격자 발표시 인적성검사 (HKAT) 및 면접전형 일시/장소 통보

기타
경력 및 학위관련 증빙서류는 서류전형 합격자에 한해 면접 시 별도 제출

문의처: 현대자동차 인력관리위원회 (recruit@hyundai-motor.com)

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소프트웨어 테스팅 법칙 293가지에서...

ambrosius — Mon, 21 Jan 2008 22:46:22 +0900

요새 다시 소프트웨어 테스팅 법칙 293가지(정보문화사,Cem Kaner 외 2인 공저, 이주호 역)를 읽고 있습니다. 그 중 공감이 가는 문구 몇 개를 옮겨 봅니다.

자동차 제어기같이 신뢰성이 크게 요구되는 부분에서는 소프트웨어 테스트가 매우 중요합니다. 하지만 아직까지 자동차 분야에서는 기계 부분 혹은 하드웨어 부분에 대한 테스트가 주된 업무였지요. 그만큼 하드웨어의 비중이 컸으니까요.

하지만 소프트웨어의 분량이 늘어나고, 많은 기능이 소프트웨어에 의존하게 되면서 소프트웨어 테스트 분야도 같이 중요하게 되었습니다. 이제는 차량 테스트가 하드웨어 테스트인지 소프트웨어 테스트인지 구분하기가 쉽지 않지요. ESP 테스트는 ESP 하드웨어 (센서, 솔레노이드, 브레이크 등)에 대한 테스트일까요? 아니면 바퀴 접지력을 측정하고 바퀴의 제동력을 제어하는 소프트웨어에 대한 테스트일까요?

소프트웨어 테스트의 중요성이 커진 만큼 이 분야에 대해서도 공부를 하면서 글을 조금씩 올리려고 합니다.

p.41

소프트웨어가 충분히 좋다는 것을 어떻게 알아낼 것인가?

만약 충분히 좋지 않다면 그 사실을 어떻게 알아낼 것인가?

충분히 테스트했다는 것을 어떻게 입증할 것인가?

p.46

주로 소스코드에 관심을 가지고 있고, 수행하는 테스트가 소스 코드에서 유도된 것이라면 프로그래머보다 얕은 지식을 가지고서, 이미 프로그래머가 다루었던 것을 살펴보게 되는 상황이 되고 만다.

p.47

테스트를 설계할 때 누구나 마음속에 어떤 그림을 가지고 있을 것이다. ... 모델 ... 모델에 결함이 있으면 테스트 역시 결함을 가지게 된다.

p.52

우리가 경험한 바에 의하면 대부분의 경우 요구사항 문서는 미완성이고, 애매한 부분이 있기는 했지만 많은 정보가 담겨있고, 도움이 된다. ...

(회의, 추론, 참조를 통해 암묵적 요구사항을 능동적으로 찾아내야 한다는 뜻)

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Distributed Automotive Embedded Systems

ambrosius — Sat, 20 Oct 2007 00:02:13 +0900

SAE에서 새 논문집이 나왔습니다. SAE에서는 자동차 업계의 트랜드를 알 수 있는 최근/중요 논문을 분야별로 모아서 책을 내고는 합니다. 그리고 조금 비싸게 팔지요.

이번에 안내가 온 책은 "Distributed Automotive Embedded Systems" 입니다. 자동차 임베디드 시스템에 대한 논문을 모아놓았는데, $88.95나 하는군요. 약 88개의 논문을 모아놓았다고 합니다.

대략 논문 분야를 보니까,

1) Controller Design/Development
2) Software Design/Development
3) Communication Networks/Systems
4) Model-Based Hardware/Software/Network Developments
5) Systems Testing/Diagnosis
6) Implementation Examples

로 되어 있네요.

대략 살펴보니, SIL에 대한 것도 있고, UML과 AUTOSAR 관련 내용도 있네요. 분산 시스템에 관련된 책이라 통신에 관련된 내용이 많이 있네요. TTCAN, TTP 내용이 많은 것도 눈에 띕니다. MBD (Model Based Development) 가 완전히 한 분야를 차지한 것 같기도 합니다. 물론 MBD가 논문 쓰기는 편한 분야라서 그런 것 같기도 하구요.

Testing 분야는 제가 관심있는 분야인데, 아직까지 입맛에 맞는 연구 내용을 보지는 못했습니다. 어렵네요.

논문의 내용을 차근차근 요약해 드리면 좋겠으나, 시간상 어렵고 대신 책에 실려있는 논문 목차를 스캔했습니다.

관심있으신 분들은 인터넷 검색을 통하면 일부 논문은 구해 보실 수 있을 것 같습니다.

사진을 클릭하면 큰 그림이 나옵니다.

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아. 게으름.

ambrosius — Sun, 01 Apr 2007 02:56:05 +0900

올 초 넘치는 의욕으로 자동차쪽 소프트웨어 관련한 글들을 쓰고자 시작한 블로그인데, 한달 두달 지나면서 일이 많아지니 글 올리는 속도도 엄청 늦어지네요.

공부하면서, 예전에 알았던 내용도 정리하면서 글을 올리려 하는데 생각보다 쉽지는 않네요. 글을 쓰려고 하니 막상 안다고 생각한 것도, 제대로 아는 것이 아니더라구요. 이것 저것 찾아보고, 논문 읽고 하다 보면, 글 쓰는 것 보다 공부해야 할 것이 더 많다는 생각도 들고..

이제 완연한 봄이 되어가니까, 봄 기운을 맞아 좀 더 분발해야겠습니다.

모두들 건강하고 상쾌한 봄을 맞이하시길~

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일정 수준의 완성도를 지니지 못하였습니다.

ambrosius — Fri, 23 Mar 2007 15:40:04 +0900

얼마전, 네이버에 등록 신청을 하였는데, 다음과 같은 답변이 왔네요~ ^^;;

================================================

고객님이 일반 등록 신청하셨던 사이트가 아래와 같은 사유로 인해 등록 보류되었습니다.

등록 심사과정 및 결과에 대해서 오류가 있다고 생각되실 경우에는 고객센터로 문의해 주십시요.

등록 보류 사유

일정수준의 완성도를 지니지 못한 홈페이지

안녕하십니까 지식까지 찾아주는 검색 네이버 입니다.

네이버는 일정수준 이상의 완성도를 지닌 사이트를 등록하는 것을 원칙으로 하고 있습니다. 네이버 사이트 등록기준에 따라 다음과 같은 경우에는 등록되지 않습니다.

- 양질의 게시물 부족
- 업데이트 등 사이트 관리가 원활하지 못한 경우
- 사이트 디자인 및 인터페이스가 미흡한 경우
- 이미지 및 멀티미디어 파일이 깨진 경우
- 개인의 신상정보나 신변잡기적인 정보만 제공하는 경우
- 단순 링크 또는 게시판만으로 구성된 경우

위의 사항 중 한가지라도 해당하는 경우 등록 불가하오니 충실한 내용, 고유한 화면구성을 갖춘 사이트로 보완하여 다시 등록 신청하여 주시기 바랍니다.

감사합니다.

네이버에서 이렇게 연락이 왔네요. 앞으로 일정 수준의 완성도를 지니도록 노력하겠습니다.

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EMS의 기능

ambrosius — Tue, 20 Mar 2007 22:49:42 +0900

목차

현대적인 EMS는 어떠한 기능을 수행할까요? 1998년에 발표된 논문을 통해서 Bosch의 ME7의 기능을 한번 정리해 보겠습니다. ME7은 Bosch사에서 만든 EMS 시스템으로 토크 기반의 전자 제어 스로틀 기능이 있습니다.

Engine Management System ME7

토크에 관련된 액추에이터를 전부 제어하여 엔진의 토크를 관리합니다.중앙 집중식 공연비 제어를 수행합니다. 공연비 제어에는 람다 파일럿 제어 (λ-pilot control), 람다 폐루프 제어 (λ-closed loop control) 가 포함됩니다.

연료 분사를 실린더 별로 순차적으로 제어합니다.

충전 시간(dwell angle)이나 점화각, 점화 시기 제어를 수행합니다.

실린더별로 노킹 (Knock) 제어를 수행합니다.

배출 가스를 최소화 하기 위한 제어를 수행합니다. 즉, 촉매를 빨리 가열하기 위하여 시동시, 시동 후 (during cranking, start and after start) 별로 상황에 맞게 최적화된 배출 가스 제어를 합니다. 이 때에는 연료를 농후하게 하거나 희박하게 하거나, EGR을 사용하거나 2차 공기를 주입하는 (SAI; secondary air injection) 방법을 사용합니다.

캐니스터가 충전된 정도에 따라 캐니스터 퍼지 제어를 수행합니다.

공회전 속도 제어(idle speed control)를 합니다.

진단 기능을 수행합니다.

OBDII와 EOBD법규를 만족시키기 위해 필요한 기능을 수행합니다. 토크 기반의 진단 시스템이 스로틀 제어를 항상 관리하고 있으며, 고장이 발생하면 적절한 대응을 수행합니다.

변속기 제어기 등의 외부 시스템과 통신을 하기 위해서 CAN을 통해 토크 명령을 주고 받습니다. 즉, EMS가 외부에서 요구하는 토크를 제어해 줄 수 있는 것이지요.

캠샤프트 제어를 수행합니다. 이를 통해 밸브 타이밍이나 밸브 행정 제어를 수행합니다.

흡기관 플랩 제어 (Resonance flap control)를 수행합니다.

냉각팬 제어를 수행합니다.

에어컨 제어를 수행합니다.

크루즈 컨트롤을 수행합니다.

EOL (end of line) 프로그래밍 툴이나 스캔툴 같은 외부 기기와 통신을 수행합니다.

이모빌라이저 기능을 수행합니다.

그 이외에 자동차 OEM이 요구한 기능을 수행합니다.

생각한 것 보다 EMS가 처리하는 기능이 많군요. 이렇게 많고 복잡한 기능을 처리하기 위해서 엔진 제어기가 차량 제어기의 기술을 선도해 왔다고 할 수 있습니다. 하지만 최근에는 차량의 자세 제어나 텔레메틱스 등의 기술도 발전하고 있기 때문에, 다 같이 복잡해 지는 추세입니다.

엔진 ECU와 같이 차량 제어기가 점차 복잡해 지고 있기 때문에, 엔진 전문가 (application engineer) 뿐 아니라 소프트웨어 전문가 (software engineer) 들의 역할도 점자 증가하고 있습니다. 최근에는 복잡해지는 엔진 ECU를 효과적이고 안전하게 개발하기 위해서 소프트웨어 공학(software engineering) 기법이 도입되고 있습니다. 차량 제어기 분야는 많은 엔지니어들에게 열려있는 분야이지요.

참고 문헌: J. Gerhardt, H. Hoenninger, and H. Bischof "A New Approach to Functional and Software Structure for Engine Management System - BOSCH ME7", 98P-178, SAE 1998

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엔진 제어 - 매우 간단한 EMS의 역사

ambrosius — Sun, 11 Mar 2007 23:30:21 +0900

목차

EMS의 역사를 간단히 요약한 자료를 옮겨 보았습니다.

70년대 초반 : 간단한 연료 분사 제어가 사용됨. 점화 장치는 연료 분사 제어 장치와 별도로 장착됨

80년대 : 연료 분사 제어기와 점화 제어기가 하나로 합쳐짐

90년대 ~ 최근 : 엔진 제어의 기본적 기능 이외에 각종 부가적인 제어 기능이 통합됨

현대로 올 수록 제어기능이 늘어가는데, 어떤 기능들이 있는지 나열해 봅시다. 연료 분사 제어, 점화 시기 제어, 람다(Lambda) 제어나 촉매 장치 가열등을 포함하는 배기 가스 제어, 캠샤프트 위치 제어, 흡기관 플랩 제어 (resonance flap actuation), 냉각 팬 제어 등이 있군요. 여기에 진단 기능도 빼 놓을 수 없지요.

엔진 제어기의 기능을 좀 더 혁신적으로 변화하게 한 계기는 ETC(전자제어 쓰로틀, Electronic Throttle Control, Throttle-by-wire) 입니다. ETC를 사용하면 운전자가 페달을 밟는 정도와 실제 쓰로틀 밸브를 열어주는 정도를 세밀하게 조정할 수 있습니다. ETC를 통해 엔진 ECU가 엔진의 토크를 보다 완전히 제어할 수 있지요.

예전에는 운전자가 페달을 밟으면, 그에 거의 비례하는 정도로 쓰로틀 밸브가 열리고, 쓰로틀 밸브가 열린 정도 만큼의 공기가 엔진 실린더로 들어갑니다. 이 공기양에 따라 연료를 분사하고 엔진에서 출력되는 토크가 결정되어지지요. 엔진 ECU가 토크를 제어할 수 있는 방법은 연료량을 조금 늘이거나 줄이는 것, 혹은 점화 시기를 조금 빠르게 하가나 늦추는 방법밖에 없었고, 그 영향도 작았습니다. 즉, 엔진 유입 공기량이 엔진 출력 토크와 거의 비례하였지요. 이러한 엔진 유입 공기량은 운전자가 밟은 페달에 의해 결정되었습니다.

하지만 ETC가 장착되면서 엔진 ECU가 쓰로틀 밸브가 얼마나 열릴지 비교적 자유롭게 제어할 수 있게 되었습니다. 운전자가 페달을 밟지 않고도 쓰로틀을 열 수 있지요. 이렇게 되면, 크루즈 컨트롤 같은 정속 주행이나 Idle RPM 유지, 변속시 엔진 토크 변동을 줄이는 기능을 사용하기가 더 쉬워집니다. 반면에, 기존 EMS에서 별개로 제어하던 연료량 제어, 점화시기 제어, Idle RPM 제어 기능을 하나로 엮는 통합 작업이 필요하게 됩니다.

이렇게 다양한 기능을 하나로 통합하는 매개체는 '토크'입니다. 엔진에서 가장 중요한 출력이 '토크'이기 때문에, 대부분의 제어 기능을 '토크'를 얼만큼 늘릴 것이냐 줄일 것이냐의 문제로 환원한 것이지요. 따라서 현대의 엔진 제어기 - EMS는 토크 기반 제어기로 개발되게 됩니다.

참고 문헌: J. Gerhardt, H. Hoenninger, and H. Bischof "A New Approach to Functional and Software Structure for Engine Management System - BOSCH ME7", 98P-178, SAE 1998

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[논문요약] 상호작용하는 지능형 크루즈 컨트롤

ambrosius — Wed, 14 Feb 2007 22:38:58 +0900

원문참조
목차

2006-01-0346
InterActive Cruise Control - A New Driver Interaction Concept for Adaptive Curise Control Systems

Chrisoph Mayser, Walter Kagerer
BMW Group, Driver Assistance and Active Safety Systems / System Development

Karl Naab
BMW Group, System Architecture and Design / Driver Assitance Systems

운전자를 보조하기 위해 차량에 장착되는 시스템에는 ABS, TCS같이 순간적으로 차량 제어를 도와주는 샤시 제어 시스템과 네비게이션과 같이 운전 정보를 제공해 주는 시스템, 그리고 크루즈 컨트롤같은 운전 보조 시스템이 있다. 운전 보조 시스템은 아직 자동 운전과 같은 정도는 아니지만 어느 정도 운전자가 원하는 바를 자동화 해주고 있다. 이러한 운전 보조 시스템이 동작하는 경우, 운전자는 직접 운전을 하지 않고 운전 보조 시스템이 잘 하는지 못 하는지 보고만 있으면 되기 때문에, 운전자의 운전 부담을 줄여준다.

현재 사용되는 대표적인 운전 보조 시스템 중 하나인 적응형 크루즈 컨트롤에는 크게 두가지 기능이 있다. '정속 주행' 기능으로 이것은 일반 크루즈 컨트롤 시스템부터 구현되어 있던 기능이다. 이 기능은 주행 중에 현재 속도를 유지하고 싶은 경우 버튼 하나만 누름으로써 차량의 속도가 자동으로 현재 속도로 유지된다. 물론 운전자는 가속 페달을 밟지 않아도 된다. 다른 하나의 기능은 '차간 거리 유지' 기능이다. 이 기능은 앞 차량과의 거리가 원하는 거리보다 가까운 경우에는 자차의 속도를 줄여서 앞차와의 거리를 유지해 주는 기능이다. 만약 앞 차량이 멀어지면 자차의 속도를 증가시켜서 앞차를 따라가게 된다. 물론, '정속 주행'에서 설정된 속도 이상으로 가속되지는 않는다. 앞 차와의 거리는 차량 앞에 부착된 레이더 센서를 이용하여 알 수 있는데, 보통 이 센서는 2~ 150m의 거리를 측정할 수 있고, 각도로는 좌우 4도에서 8도 정도를 감지할 수 있다.

이러한 일반적인 적응형 크루즈 컨트롤에는 몇 가지 문제가 있다. 옆 차선에 있던 차량이 차선 변경으로 자기 차선으로 끼어드는 경우, 적응형 크로즈 컨트롤 시스템은 앞차와의 거리가 갑자기 줄어들었다고 판단하고 엔진 브레이크나 일반 브레이크 등을 사용하여 차량 속도를 줄이려고 한다. 만약, 자동으로 제어할 수 있는 정보보다 큰 감속이 필요한 경우에는, 운전자에게 차량 속도를 줄이라고 경보음이나 경고등을 통하여 경고를 한다. 운전자가 차량의 속도를 줄이기 위하여 브레이크를 밟게 되면, 크루즈 컨트롤 기능이 해제되고 차량은 완전 수동 운전 모드로 변경된다. 이 이후에 운전자가 적응형 크루즈 컨트롤 기능을 사용하려면, 다시 적응형 크루즈 컨트롤 버튼을 눌러서 시스템을 재시작해야 한다. 즉, 차량 운전 도중에 급가속, 급감속이 필요한 상황이 되면 적응형 크루즈 컨트롤 자체가 종료되게 되어있었다. 그리고 해당 상황이 끝난 다음에 크루즈 컨트롤 기능을 사용하고 싶다면, 운전자가 다시 적응형 크루즈 컨트롤 버튼을 눌러야 했다.

BMW는 본 논문에서 iACC (InterActive Cruise Control) 시스템을 제안하였다. iACC는 핸들에 차량의 속도를 증가/감소 시킬 수 있는 버튼을 추가하여 적응형 크루즈 컨트롤 기능을 한단계 발전시킨 것이다. 즉, 적응형 크루즈 컨트롤 상태에서 운전자가 가속 버튼을 누르면, 차량의 목표 속도가 빨라지고, 감속 버튼을 누르면 차량의 속도가 줄어든다. 이렇게 차량 속도를 빠르고 느리게 할 수 있는 버튼을 추가함으로써, 운전 도중에 크루즈 컨트롤을 완전히 중단시킬 필요가 없게되었다. 앞의 차선 변경 상황을 iACC 시스템을 통해 어떻게 해결하는지 살펴보자. 만약 옆 차선 차량이 차선 변경을 하는 경우, 운전자가 눈으로 보고 이 상황을 미리 알 수 있으므로, 핸들에 있는 감속 버튼늘 눌러서 차량 속도를 줄인다. 운전자가 자기 차의 속도를 충분히 줄인 이후에는 앞차와의 거리가 충분히 확보되므로 보통 '차간 거리 유지'기능을 수행할 수 있다. 이 경우에 iACC 시스템이 종료되지 않기 때문에 운전자가 감속 이후에 iACC 시스템을 재시작 해야 하는 불편이 줄어든다.

이러한 시스템의 성능은 운전자가 어떠한 방식으로 차량을 운전하느냐와 밀접한 관계가 있기 때문에, BMW에서는 41명의 남성 운전자를 대상으로 평가를 수행하였다. 그 결과 일반 적응형 크루즈 컨트롤 차량을 경험해 본 적이 있는 사람들은 대부분 iACC가 좀더 개선된 시스템이라는 의견을 내었다. 한편 아주 소수는 iACC 기능에 포함된 감속 기능 때문에, 위급 상황에서 실제 브레이크 페달을 늦게 밟을 가능성이 있다는 의견을 내었다.

이번에는 일반 적응형 크루즈 컨트롤를 사용하지 못한 사람들에게 평가를 진행하게 하였는데, 이 경우에는 상당수의 사람들이 iACC에 대한 의견을 내지 않았다. 그들은 일반 크루즈 컨트롤 시스템이 어떻게 불편한지 모르기 때문에, iACC의 개선점을 찾을 수 없었던 것이다.

Ambrosius의 요약/결론
일반 ACC 시스템의 경우, 갑작스럽게 차량 속도를 빠르게 하거나 느리게 할 필요가 있는 경우마다 ACC 제어가 해제되었기 때문에 불편했습니다. 그래서 운전자의 가감속 의지를 반영할 수 있도록 핸들에 버튼을 추가한 iACC를 개발하게 되었지요. 이 시스템은 ACC의 불편함을 해결하는데는 효과가 있었지만, 차량의 가감속을 할 수 있는 수단이 가속 페달/브레이크 페달에서 가감속 버튼으로 늘어났기 때문에 운전자가 혼동을 일으킬 가능성이 있습니다. 따라서 일반 운전자가 어떤 행동 패턴을 보일지, 과연 더 편하게 느낄지 여부는 좀더 연구가 필요하다 하겠습니다.

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[논문요약] 실시간 제어기에서 시간 지연이 발생하면 어떻하지?

ambrosius — Sun, 11 Feb 2007 23:54:27 +0900

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2006-01-0800
Effect of Computational Delay on the Performance of a Hybrid Adaptive Cruise Control System

Junmin Wang
Southwest Research Institute and The University of Texas at Austin

Raul G. Longoria
The University of Texas at Austin

ABSTRACT
이 논문은 실시간 제어기 (Real-time Control System)에서 계산이 지연되면 어떤 영향이 발생하는지를 살피고 있는데, 특히 적응형 크루즈 컨트롤 (ACC: Adaptive Cruise Control) 시스템에서 가속과 감속이 일어날 경우에 대한 것을 주제로 삼고 있다. 이 ACC 시스템은 계층적으로 구성되어 있는데, 상위 계층은 유한 상태 기계 (FSM: finite state machine)로 구성되어 있고, 하위 계층은 비선형 슬라이딩 모드 제어기 (SMC: sliding mode controller)로 구성되어 있다. 이 ACC 시스템은 브레이크-바이-와이어 (brake-by-wire) 플랫폼상에 구현된 차량 동력학 모델을 사용하고 있다. 정해진 시간 범위 안에서 무작위로 계산이 지연될 경우에, 제어를 위해 얼만큼 노력이 필요한지 (control effort) 그리고 얼마나 제어 입력을 잘 따라 가는지 (tracking errors)를 기준으로 시스템 성능이 얼마나 영향을 받는지 시뮬레이션을 통하여 연구하였다. 또한 상위 계층과 하위 계층 중 어디에서 계산 지연이 발생하는지가 얼마나 영향을 미치는지도 연구하였다.

INTRODUCTION
디지털 제어 이론에서는 일반적으로, 제어를 수행하기 위한 계산이 순식간에 일어나는 것으로 가정한다. 하지만, 실제 제어기를 사용한 실시간 제어에서는 시간 지연이 발생할 수 밖에 없다. 여기서는 시간 지연 (computational delay)을 제어 알고리즘이 수행되기 시작한 순간부터, 제어 명령을 외부로 출력한 시점까지의 시간 차이로 정의한다. 이러한 시간 지연은 CPU가 명령어를 처리하는데 시간이 필요하고, 메모리나 주변 장치 등의 자원에 접근하는데 시간이 필요하며, 인터럽트도 처리해야 하고, 각종 예외 상황을 처리하기 때문에 발생한다.

CPU의 계산 속도는 엄청나게 빨라지고 있지만, 제어 알고리즘이 복잡해지거나 샘플링 주파수가 높아지면서 계산 지연에 대한 문제가 발생할 가능성이 높아지고 있다. 특히, ACC, TCS (Traction Control System), ESP (Electronic Stability Program), DYC (Direct Yaw-moment Control) 등이 등장하면서 제어에 필요한 계산량이 증가하고 있다. Yang의 논문에서는 계산 지연을 고려하지 않은 적응형 제어기의 성능이 고정된 파라메터를 갖고 있는 단순한 제어기보다 떨어진다고 한다. Shin과 Cui의 논문에서는 로봇 토크 제어기에서 허용 가능한 계산 지연의 최대 범위를 찾아내었다.

more..

DESIGN OF HYBRID ACC SYSTEM
우선 계산 지연의 효과를 분석하기 이전에, 분석에 사용될 대상 시스템으로 Hybrid ACC 제어기를 설계하였다. 복잡한 시스템을 만들면, 시간 지연 효과에 대한 분석이 어려워지기 때문에, 선행차와의 거리가 적당할 경우에는 정속 주행을 하고, 선행차와의 거리가 가까워질 때에만 브레이크를 사용하여 감속하는 시스템만 고려하였다. ACC 제어기는 선행 차량의 속도가 줄어들어서 자차와 선행차와의 거리가 가까워지면 브레이크를 동작시키게 된다. 그러나 선행차의 속도가 조금 바뀔때마다 브레이크를 동작시킨다면, 낭비가 심한 시스템이 될 것이다. 따라서 특정 조건이 만족된 경우에만 브레이크를 동작시키는 Hybrid ACC 제어기를 사용한다.

본 제어기는 상위 계층과 하위 계층으로 나뉘어져 있다. 상위 계층 제어기는 브레이크 모드에서 제어할지, 일반 모드에서 제어할지를 결정한다. 하위 계층에서는 실제 선행차와 자차의 속도 차이에 다라 브레이크를 제어하게 된다.

상위 계층 제어기는 선행차와의 속도차이, 거리에 따라 제어 모드를 변경한다. 간단히 설명하면, "선행차와 속도 차이 < 속도 기준값" 이거나 "선행차와의 거리 < 기준값"이 된 경우에만 브레이크 제어를 수행하는 것이다. 만약 선행차와 속도 차이가 커지고 선행차와의 거리가 멀어지면 일반 제어 모드로 진입한다. 이 경우, 차속 정보에 잡음이 끼게 되면, 브레이크 모드와 일반 주행 모드가 너무 자주 번갈아가면서 변경될 수 있다. 이런 현상이 발생하지 않도록, 브레이크 모드에서 일반 주행 모드로 변경될 때와 일반 주행 모드에서 브레이크 모드로 변경될 때의 속도, 거리 기준값에 Hysteresis Band를 설정하였다.

하위 계층 제어기는 브레이크 토크로 부터 차량의 속도가 어떻게 변하는지를 모델링하여 구성하였다. 즉, 원하는 차량 속도로 부터 얼만큼의 브레이크 토크를 주어야 하는지를 결정하는 것이다. 브레이크 토크-차속 모델은 몇 가지 간단한 근사식을 사용하여 얻었다. 우선, 브레이크 토크 지령~실제 브레이크 토크는 1차 식으로 모델링하였다. 그 다음 브레이크 토크, 공기 저항, 마찰력 등을 사용하여 간단히 실제 브레이크 토크와 차량 속도에 대한 수식을 얻었다. 이 모델로부터 제어식을 얻는 데에는 슬라이딩 모드 제어기 (Sliding Mode Controller)를 사용하였다.

sliding mode control에 대한 자료 : http://myhome.shinbiro.com/%7Ectchen/engineering/SMC.pdf

위의 모델은 모두 연속 시간계(Continous Time)에서 설계되었다. 실제 실시간 제어기는 일정한 주기마다 계산이 이루어지는 이산 시간계(Discrete Time)에서 설계되어야 한다. 하지만, 시스템의 시정수에 비해 샘플링 주기가 매우 빠르므로 큰 문제는 없을 것으로 가정하였다.

EFFECT OF THE COMPUTATIONAL DELAY ON THE PERFORMANCE OF THE HYBRID ACC
실제 차량 제어기에 존재하는 시간 지연은 계산에 걸리는 시간 이외에도 제어기간 통신에 소요되는 통신 지체도 포함된다. 본 논문에서는 계산 시간과 통신 지체 모두를 포함하여 시간 지연이라고 생각하였고, 시간 지연은 한 샘플링 주기 사이에 무작위로 고루 분포한다고 가정하였다. (modeled as a random number uniformly distributed)

시간 지연에 대한 결과를 정확히 분석하기 위해서는 Z 변환을 한 이후 해석적으로 연구해야 하지만, 적합한 해석 방법이 없고 복잡하기 때문에, 시뮬레이션을 통하여 결과를 도출하였다.

시뮬레이션을 통해 시간지연이 없는 경우, 상위 제어기에만 시간 지연이 발생한 경우, 하위 제어기에 시간지연이 발생한 경우, 상위/하위 제어기 모두에 시간지연이 발생한 경우의 성능을 측정하였다. 성능을 평가할 때에는 목표 차속과 실제 차속의 최대 에러, RMSE (root mean square error; 에러의 평균값), 제어에 필요한 에너지 (control energy)를 사용하였다.

결과를 살펴 보면 시간 지연이 발생한 부분에 따라서, 상위/하위 > 상위 > 하위 > 시간지연 없음 의 순서로 성능이 좋아지고 있다. 즉, 상위 제어기에 발생한 시간지연 오차가 하위 제어기에 발생한 시간지연보다 시스템 성능을 더 떨어뜨린다는 것이다.

그렇다면, 어떻게 시간지연에 의한 성능 저하를 극복할 수 있을까?

본 논문에서 제시한 방법은 시간 지연 e가 예상될 경우, 상위 제어기에서 미리 e 시간 이후의 시스템 상태를 예측 하여 제어하는 것이다. e 시간 이후의 시스템 상태는 간단히 1차 Taylor 근사를 사용하여 추정할 수 있다. 이렇게 제어하는 것이 어느정도 효과가 있다고 한다.

Ambrosius의 요약/결론
실시간 제어기에서 발생하는 계산 시간이나 통신 시간 지연은 시스템 성능을 떨어뜨린다고 합니다. 본 연구에서 살펴본 것과 같이, 상위에서 모드 변경을 제어하는 시스템에 발생한 시간 지연이 하위 시스템에 발생한 시간 지연 보다 큰 영향을 주네요. 다행히도 시간 지연에 의한 성능 저하는, 미리 예측하여 제어한다면 극복될 수 있다고 합니다. 하지만 시간 지연 정도를 어떻게 추정해야 할 까요? 각종 센서로부터 차량의 상태를 측정하는데, 이 신호가 메인 제어기에 도달할 때 까지 수십~수백 ms 정도의 지연이 발생할 수 있습니다. 만약 안전에 중요한 제어기라면 이렇게 측정 신호가 지연되서 도달하는 것을 고려하여 설계되어야 하겠지요.

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[논문요약] ECU 네트워크에서 기능 할당하기...

ambrosius — Sat, 03 Feb 2007 18:40:56 +0900

제목이 참 거창하지요? 개인적인 스터디겸 자동차 소프트웨어에 관련된 논문들을 요약, 정리 하는 포스트입니다. 소프트웨어 분야가 아닐 수 도 있어요.

원문보기

2004-01-0757
Constraint-Driven Simulation-Based Automatic Task Allocation on ECU Networks

Paolo Giusto
Automotive Team - Cadance Design Systems, Inc.
Gary Rushton
E/E Vehicle Systems - Visteon Corporation

간단히 제목을 우리말로 옮겨보면, ECU 네트워크에서 태스크 (기능 혹은 작업)를 어떻게 할당할 것인가? 이다. 그것도 제한 사항을 고려하고, 시뮬레이션에 근거해서 자동으로 할당하는 방법에 대해서 논하고 있다.

ABSTRACT
고급 차량에 ECU 개수가 70개 이상 들어가면서, 어떤 기능을 어떤 ECU에 할당해야 하는지 결정하는 문제가 매우 중요한 이슈로 떠 올랐다. 소프트웨어 기능들을 할당할 경우에는 성능, 가격, 크기 등을 고려해야 한다. 어떻게 할당하는 것이 좋은지 여부는 정적 분석이나 동적 분석 등을 통해 알 수 있다. 이 논문에서는 기능 할당하는 방법에 대한 방법을 제시하도록 한다.

INTRODUCTION
운전자에게 다양한 편의/안전 기능을 제공하기 위해, 재구성 가능한 플랫폼 (configurable platforms)이 자동차에 사용되고 있다. 이 말은 기능이 여러 ECU 들 사이에 분산되어 있고, CAN, Flexray, TTP 등의 고속 통신망을 통하여 각 ECU 간에 필요한 데이터를 주고받는 것을 의미한다. 샤시 제어를 예를 들어 보면, 필요한 기능들이 증가하면서 저사양 차량에는 6개 정도의 ECU가 필요하고, 고사양 차량에는 35개 정도의 ECU가 필요한 상태에 이르렀다.

이 논문에서 다루고 있는 문제는 다음의 2가지 이다.

ECU들과, 센서, 엑추에이터, 통신망 사양을 결정하는 자동차 ECU 아키텍처를 결정하는 시기는 자동차 개발 과정에서 매우 초기에 속한다. 따라서 하드웨어, 소프트웨어가 완성되기 전이기 때문에, 검증을 하기 매우 어렵다. 제어기가 완성된 이후에 통합 과정에서 발생한 문제를 해결할 경우에는 큰 비용이 소모된다.
자동차 OEM과 부품 공급 업체 사이에 의사소통에 문제가 있을 경우, 생산된 제어기의 성능이나 기능, 안전성, 비용 등에 큰 문제가 발생할 수 있다.

OEM과 Tier1의 시스테 아키텍트들은 이미 여러 ECU간에 소프트웨어를 할당하고 통합하는 문제로 많이 골치를 썪였기 때문에, 최근에는 소프트웨어 플랫폼을 OSEK과 같은 표준에 맞추고 ECU간의 통신을 위한 COM이나 FTCom 과 같은 API를 통일하고 있다. 이렇게 해서 여러 ECU에 걸쳐 있는 소프트웨어 개발을 보다 쉽게 하려는 것이다.

여러 ECU를 사용한 분산형 시스템을 최적화 하기 위해 OEM과 Tier1의 아키텍트들은 고심을 많이 하고 있다. Tier1은 여러 OEM들에 공급할 수 있는 표준적인 플랫폼을 만드는데 집중하고 있고, OEM들은 여러 차종에 사용될 수 있는 공용 플랫폼을 만드는데 집중하고 있다.

이 논문에서 다루는 내용은 다음의 2가지 이다.

정적 분석을 통한 분산형 시스템의 최적화 방법
시뮬레이션을 사용한 가상 통합 플랫폼 (virtual integration platform)

THE VIRTUAL INTEGRATION PLATFORM
가상 통합 플랫폼 (virtual integration platform)이란, 모델 기반 개발 방법론을 어플리케이션에서 통신, OS, ECU간 기능 분배까지 확장시킨 개념이다. 즉, 하드웨어 개발 이전에, 모델을 사용하여 ECU간 기능을 구현하고 이것이 적합하게 설계되어 있는지 사전에 검증하는 것이다. 검증된 모델을 사용하여 소프트웨어를 만들어내고, 이를 하드웨어에 탑제하면 전체 개발 일정을 줄일 수 있다.

이 방법에서는 제어 알고리즘과, 통신 구조를 모델링하고 알고리즘의 각 기능들을 적절한 ECU 하드웨어에 할당한다. 이 모델을 사용하여 통신망과 각 제어기의 CPU에 발생하는 시간 지연, 계산 부하, 성능 등을 해석한다. 이 해석 결과를 사용하여 차량 분산 시스템 전체의 아키텍처를 잘 설계할 수 있다.

ISDO TOOL FLOW
ISDO란 Visteon Integrated System Design and Optimization의 줄임말로, 제어기 사이에 최적으로 기능을 분배하는 방법을 분석하는 도구이다. ISDO 툴을 사용하여 비용을 적게 들이고도 여러 차량 플랫폼 사이에 공용 가능한 EE 아키텍처를 설계할 수 있다. ISDO에서 여러 기능 들을 모아서 ECU 들에 할당하고, 시스템의 오버헤드 비용, 와이어링 비용 등을 최적화 할 수 있는 할당 방법을 찾는 것이다.

이 논문에서 제시하는 설계 흐름은 다음과 같다.

ISDO와 같은 정적 분석 툴을 사용하여, 각 기능을 어떤 ECU에 할당하는 것이 제어기 성능, 네트워크 트래픽, 시스템 단가 등을 최적화 할 수 있는지 분석한다. 이 결과 기능과 제어기간 최적 분배 설계를 얻는다.
이 결과를 Cadence Automotive Platform 등과 같은 가상 플랫폼 시뮬레이션 툴에 입력한다. 이 툴을 사용하여 네트워크 트래픽이나, ECU의 성능, 전체 시스템의 안전성 등을 시뮬레이션 할 수 있다. 시뮬레이션 결과가 좋으면 이 설계대로 시스템을 개발하고, 결과가 좋지 않으면 ISDO 툴을 사용한 설계를 다시한다.
ISDO 툴과 Cadence Automotive Platform 툴 사이의 정보 교환은 XML을 통하여 이루어진다. 이 XML 에는 각 기능이 수행하는 작업과 어떤 데이터를 주고받는지, 혹은 스케줄러 정보, 네트워크 트래픽 정보 등이 들어가게 된다.

결론적으로, 이 논문은 Cadence와 Visteon에서 개발한 각 툴을 어떻게 조합하여 사용하는 것이 좋은가를 논의하고 있다. 제품 설명을 제외하고 우리가 얻을 수 있는 교훈은, 자동차 시스템 개발을 할 경우, 각 제어기 설계 이전에 차량 전체 단위에서 제어 기능을 설계하고, 이 기능들을 어떻게 배치하는 것이 최적화된 것인지 미리 시뮬레이션 해야 한다는 것이다.

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자동차 임베디드 소프트웨어와 관련해서 알아두면 좋을 것 들..

비회원 — Sun, 28 Jan 2007 13:06:48 +0900

자동차 임베디드 소프트웨어를 할 때에 알아두면 좋은 것 들은 무엇일까요? 아래 적은 것들 이외에도 많은 것이 필요하겠지만, 제가 느낀 범위 내에서 살펴보았습니다. 자동차가 아닌 다른 분야에서는 많이 다를 수 있겠지요. 가볍게 읽어주세요.

1. MCU 혹은 CPU
다른 임베디드 시스템과 마찬가지로 자동차 임베디드 시스템도 많은 부분이 하드웨어 의존적입니다. 그리고 아직 MCU , CPU 자원을 제어하는 부분이 일반 어플리케이션 부분과 명확히 분리되지 않은 곳도 많이 있습니다. 제어기 중에는 아직 OS가 없는 것도 많이 있지요. 또한, 임베디드 소프트웨어 개발자가 많지 않기 때문에, 보통 자동차 임베디드 소프트웨어를 개발하다 보면, MCU 자원을 직접 만져야 할 경우가 있습니다. 적어도 이해할 수는 있어야지요. 포트 제어, ADC 제어, 시리얼 통신, 플래시 제어 등등 여러가지 분야에 대해 많이 알면 도움이 될 것입니다.
물론, 점차로 하드웨어에 관련된 플랫폼 부분과, 일반 어플리케이션 부분이 분리되는 추세입니다. 앞으로는 윈도 환경에서 프로그래밍하듯이 어플리케이션에만 집중할 수 있는 시기가 오겠지요. 하지만, 많이 알면 더 도움이 되리라 생각합니다.

2. 통신 환경 - CAN, LIN 등등등
자동차에 제어기가 많아지면서 점차 서로 연관성이 증가하고 있습니다. 즉, 변속기 제어기가 2단에서 3단으로 변속을 수행하는 순간에, 기어나 토크 컨버터 등에 올 수 있는 충격을 줄이기 위해서는, 엔진에서 나오는 출력을 잠깐 줄여야 할 필요가 있습니다. 이 때에 변속기 제어기는, '내가 지금 변속을 하려 하니 엔진 출력 토크를 얼만큼 줄여 줘~ ' 하고 엔진 제어기에게 부탁을 합니다. 엔진 제어기는 들어줄 수 있는 부탁이면, 토크를 줄여주지요. 이러한 제어기간의 대화는 보통 CAN이란 통신을 통하여 수행됩니다.
제어기간 차량 통신에는 CAN이란 통신 방식이 널리 쓰입니다. CAN은 Controller Area Network의 줄임말로, 독일 Robert Bosch 사에서 제창한 방식입니다. 그 이외에 간단한 통신에는 LIN이 사용되고 있고, 점차 늘어나는 통신 데이터량을 지원하기 위하여 Flexray란 통신이 서서히 도입되고 있습니다.
앞으로 생산되는 차량 제어기는 제어기간 통신을 빼어 놓고 생각할 수 없기 때문에, 이러한 통신 환경에 대한 공부가 필요하지요. 또한, 여러 ECU간의 협조 제어가 필요하기 때문에 분산 시스템에 대한 공부도 해야 합니다.

3. 다양한 도메인 지식
차 량 제어기의 가장 큰 역할은 차량의 각 부분을 제어하는 것입니다. 제어기가 MP3를 틀어주거나 인터넷 브라우징을 하기 위해 존재하는 것은 아니지요. 그래서 제어기의 생명은 제어를 얼마나 잘 하느냐 입니다. 그럼 제어를 잘 하기 위해서는 어떻게 해야 할까요? 바로 제어 대상인 플랜트를 잘 이해하고 있어야 합니다. 엔진을 제어한다면 연소 과정, 공연비, 엔진의 각 부분의 역할 등을 이해해야 하고, 브레이크를 제어한다면, 브레이크 유압 시스템, 바퀴의 미끄럼 등을 이해해야지요. 또한, 차량 전원 시스템 제어를 한다면, 전류와 전압과의 관계, 전선이 견딜 수 있는 전류 용량 등을 알고 있어야 하구요.
물론, 각 도메인에 대한 전략 및 제어 방법 설계는 각 분야의 전문가가 설계하게 됩니다. 각 분야 전문가는 해당 분야에 대한 지식이 많고, 어떻게 제어를 해야 하는지 잘 알고 있습니다. 하지만 MCU나 프로그래밍 환경에 대해서는 잘 모를 수 있지요. 이렇게 되면 분명히 도메인 전문가가 요구한 내용하고 실제 구현사이에 큰 공백이 생기게 되고, 누군가는 이 공백을 매꿔주어야 합니다. 이 역할을 도메인 전문가와 소프트웨어 담당자가 같이 공유해야 하지요. 자동차 임베디드 소프트웨어 담당자에게는 자기 분야의 도메인 지식이 재산이 되는 것이지요.

4. 하드웨어
제어기는 외부에 실재로 존재하는 대상을 측정하고 제어해야 하기 때문에, 여러개의 센서와 액추에이터가 연결되어 있지요. 보통 센서의 출력은 전압인데, 간혹 전류로 출력을 내어 보내는 센서들도 있습니다. 이러한 센서들의 입력을 MCU가 이용하기 위해서는 노이즈를 제거하기 위한 회로, 신호 크기를 적절히 변경하기 위한 회로 등이 필요하고, 그 외에도 센서의 종류에 따라 신호 처리를 하는 IC 등이 사용되기도 합니다. 이러한 회로를 거친 이후에 MCU의 ADC나 데이터 버스로 연결되지요. 그리고 액추에이터를 제어할 때에도, MCU에서 직접 구동하는 경우보다는, 구동 전용 IC를 사용하여 제어하게 됩니다. 따라서 MCU나 CPU 이외에도, 센서 신호 처리 IC, 액추에이터 구동 IC 등 제어기 PCB위에 있는 여러 IC들에 대해 이해하고 있어야 하지요. 쉽게 말하면, 회로도, 데이터시트 들하고 친구가 되어야 하는 것이지요.

5. 외국어
다른 분야와 마찬가지로 대부분의 자료가 영어권에서 생산되기 때문에 영어는 기본으로 읽을 수 있어야 합니다. 그리고, 외국 업체와 일을 할 기회가 많기 때문에, 기술 회의를 영어로 진행하는 일도 종종 있지요. 또한 자동차 분야의 강자인 독일과 일본의 자료들 중에는 영어화 되지 않은 경우도 종종 있기 때문에, 독일어/일어 지식도 간간히 도움이 될 것입니다. 가끔 독일에서 만든 영문 메뉴얼을 보다 보면 독일어가 중간 중간 그대로 나와있는 경우도 있었습니다. 제 경우에는 독일어는 Babel Fish를 이용해서 영어로 번역해 보았습니다. 일본어는 아직 제 손에서 해독해야 할 필요는 없었는데, 앞으로는 필요할 것 같다는 생각이 들더라구요. 그리고 덤으로, 외국 업체와 일하다 보면 프랑스 사람이 말하는 영어, 독일 사람이 말하는 영어, 인도 사람이 말하는 영어 등등 세계 각국 사람이 말하는 영어를 듣게 됩니다. 재미있는 것은 졸면서 듣다 보면 영어가 아니라 그나라 말로 들리더군요~ ^^.

6. 실험 환경
자동차는 결국 세상을 누비기 위해 존재하지요. 사막을 횡단할 수 도 있고, 시베리아의 눈밭을 지날 수 도, 비오는 남부순환도로를 달려야 할 수 도 있지요. 이런 모든 환경에서 안전한 동작을 보증하기 위해 자동차 회사에서는 혹한기/혹서기, 오지 시험을 수없이 수행합니다. 소프트웨어 담당자가 직접 그러한 실험을 하는 경우는 거의 없지만, 자기가 담당한 부분에서 문제가 발생하면 직접 그러한 시험에 참가하기도 하지요. 그리고 소프트웨어는 그러한 험한 환경을 고려해서 개발되어야 합니다.
그리고, 개발 중인 소프트웨어를 자동차에 탑제하고 시험을 할 경우도 있습니다. 보통은 자동차가 들어갈 수 있는 실험실에 여러가지 장비를 갖추고 실험을 하게 되지만, 그렇지 못한 경우도 있습니다. 건물 밖 주차장에서 실험차를 세워 놓고, 그 안에 들어가서 자동차 배터리에서 나오는 전기로 각종 시험을 할 경우도 있지요. 예를 들면, 자동차에서 실험을 해야 하는데, 실험실 사정으로 실험차가 외부 주차장에 주차되어 있었습니다. 실험을 준비하고 있는데, 하늘에서 눈발이 흩날리더군요. 12월 초의 저녁이었습니다. 바람도 불고 추운데, 실험에 사용된 장비의 전원을 연결하려고 후드를 열고 자동차 배터리에 케이블을 연결했습니다. 실험 장비는 배터리 12V를 사용하는 것이었지요. 그런데, 배터리는 이미 방전이 많이 된 상태였습니다. 이런! 배터리에서 그대로 전원을 뽑아 사용하면 곧 전원이 차단될 것 같아서, 엔진 시동을 걸었지요. 근데 이제는 연료가 문제였습니다. 연료 지시등에 경고등이 들어왔던 것이지요. 그날 실험은 추위에 떨면서 연료가 버텨주길 빌면서 겨우 진행했던 것으로 기억합니다. 항상 이렇진 않겠지만, 예측하지 못한 환경과 만날 수 있다는 것이 자동차 임베디드 소프트웨어 개발의 매력이라고 생각합니다.

7. 산업 분위기
자동차 산업은 점차 전자화가 진행되고 있어서 소프트웨어가 중요해지고 있습니다. 하지만 아직까지는 기계가 바탕이된 산업입니다. 또한 생산 문제도 중요한 부분이지요. 현재 전 세계 자동차 관련 회사들에서 소프트웨어 개발자가 큰 힘을 갖고 있지는 못한 것 같습니다. 물론 매년 분위기가 개선되고 있지만, 소프트웨어가 주력인 분야와 비교한다면 아직 차이가 나지요.

8. 법규
자동차는 현대인의 삶에서 큰 부분을 차지하고 있습니다. 그리고 사회적인 문제와 많은 연관을 맺고 있지요. 간단히 생각해도 자동차 사고는 큰 인명 피해를 부르고, 자동차의 배기 가스는 대기 오염을 유발시킵니다. 이런 문제와 관련해서 자동차에 관련된 법규는 상당히 많지요. OBD 등의 환경 법규, 안전 법규 등이 가장 큰 규제이지요. 그 이외에도 전자파 규제, 각종 표준 준수 등이 중요합니다. 교통 법규도 연관이 되지요. 이러한 법규나 규정 등이 결국 소프트웨어 개발에 큰 영향을 미치는 요구사항이 됩니다. 따라서 개발자는 관련 법규도 어느 정도 알고 있어야 합니다.

9. 사용 년한
핸드폰 같은 경우에는, 빠르면 6개월도 되지 않아 버려지기도 하는 것 같습니다. 하지만 자동차는 10년 이상 타시는 분들도 많이 있지요. 자동차의 공식 보증 기간이라는 것이 있지만, 보통은 공식 보증 기간보다 더 긴 시간 동안 자동차가 길거리에 돌아다니는 것이지요. 이렇게 오랜 기간동안 돌아 다니는 자동차에 문제가 생기면 큰일 나겠지요? 10년전 신입 사원때 작성한 코드에 잠재된 문제가, 자신이 차장/부장이 되었을 때에 발견될 수 있는 것입니다. 개발할 때에 항상 내가 만든 소프트웨어가 얼마나 오랜 기간 동작할 것인가를 생각해야지요.

10. 안전성
미국에서만 1년에 천만대 가량의 자동차가 생산됩니다. 천만대가 1년에 300일을 운행한다고 하면, 약 30억 일 동안 운행되는 것이지요. 하루에 4시간만 운행해도 120억 시간이 됩니다. 만약, 미국에서 생산되는 천만대 모두에 동일한 소프트웨어 탑제되어 있고, 이 소프트웨어의 고장 확율이 1억 시간에 1번 꼴이라고 가정을 해 봅시다. 그렇다면, 그 소프트웨어의 고장은 1년에 120번 정도 발생하게 됩니다. 만약, 해당 소프트웨어가 5년간 계속 차량에 탑제되었다면 1년에 600번 - 하루에 2번 꼴로 문제가 발생할 것입니다. 물론 1개의 소프트웨어가 모든 차량에 공급되지는 않겠지요. 하지만 차량의 생산 대수가 많고 운행 시간이 길기 때문에, 발생하기 희박한 문제라도 언젠가 발생하게 됩니다. 또한, 문제가 발생하면 큰 문제로 이어질 가능성이 높습니다. 고속도로 주행중에 엔진이 정지한다던지, 브레이크가 잘 동작하지 않는다던지 말이지요. 생각만해도 끔찍한 일입니다. 결국, 자동차 소프트웨어 개발자는 항상 안전성, 신뢰성에 지대한 관심을 갖고 있어야 합니다.

자동차 임베디드 소프트웨어에 대해 몇 가지 이야기를 적어 놓았는데, 약간 과장된 부분도 있고, 제가 간과한 부분도 있습니다. 만만치 않은 분야이지요. 하지만 다른 분야 못지 않게 특별한 경험을 할 수 있는 매력이 있는 분야이기도 합니다. 이 글이 자동차 임베디드 소프트웨어에 관심있는 분들에게 조그마한 도움이 되었으면 좋겠습니다. ^^;;

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OBD (On Board Diagnostics) 란?

비회원 — Thu, 25 Jan 2007 17:26:59 +0900

자동차에서 볼 수 있는 경고등

1. 들어가며
자동차에 시동을 걸면, 대시 보드에 여러가지 램프에 불이 들어왔다 꺼지는 것을 볼 수 있습니다. 그 중에서 Check Engine이나 엔진 모양의 램프를 보신적이 있으실 겁니다. 그럼, 이 램프가 의미하는 것은 무엇일까요? 이 램프의 의미를 알기 위해서는 OBD가 무엇인지 알아야 합니다.

OBD (On Board Diagnostics)란 무엇일까요?
말 그대로 생각해보면,

On Board: 어딘가에 달려 있다.

Diagnostics: 진단

이므로.. 어딘가에 달린 채 진단을 하는 것으로 생각해 볼 수 있습니다. 본 말 풀이 만으로는 무엇을 나타내는지 알기 어렵습니다. 하지만 자동차에서 이야기하는 OBD란 자가진단을 말합니다.
좀 더 정확히는, 자동차 매연 저감에 관련된 장치들이 고장났는지 아닌지를 검사하여, 고장이 발생한 경우에 운전자에게 경고등 (MIL: Malfunction Indication Lamp 혹은 Check Engine 램프)를 사용하여 알려주는 시스템을 말합니다. 즉, 자동차가 자기 자신의 상태를 감지하여, 고장 여부를 알려주는 장치이지요. 그럼 OBD에 대하여 좀 더 알아보도록 하겠습니다.

2. OBD의 배경
OBD란 미국에서 제정된 자동차 배출가스 규제 법규 중 하나로 자동차 자가 진단 장치에 대한 규정을 담고 있습니다. 왜 그럼 자가 진단 장치가 법규로 제정되었을까요? 자동차에서는 많은 유해 가스가 알게 모르게 나오고 있습니다. 그 중에서 가장 대표적인 것이 탄화 수소 (HC), 일산화탄소 (CO), 질소 산화물 (NO, NO2, NO3 등등. 통칭하여 NOX라 부릅니다.) 등이지요. 이러한 유해 배출 가스를 줄이기 위해 기술 개발 및 규제 강화의 노력이 시작이 되었습니다. 캘리포니아주가 미국에서 가장 강력한 환경 규제를 갖고 있는데, 이것은 캘리포니아의 지형적, 기후적 원인에 의해 대기 오염에 가장 취약했기 때문이라고 합니다. 이러한 노력의 결과 촉매 변환 장치 및 전자식 엔진 제어가 널리 보급되어 현재 양산되는 자동차의 유해 가스 배출량은 상당히 감소했지요.

그러나 이러한 배출 가스 저감 장치가 고장이 난 경우에는, 다시 유해한 가스가 많이 배출되겠죠? 1996년 American Petroleum Institute의 연구 결과에 따르면 자동차로부터 배출되는 CO와 HC의 약 40 ~ 50% 가 배출 가스 저감 장치의 고장 때문에 발생했다고 합니다. 즉, 새 차는 규제치 이하로 유해한 가스를 배출하는데, 차가 출고된지 오래되어 낡게 되면 훨씬 많은 유해 가스를 배출한다는 것이지요. 따라서 배출 가스 저감 장치의 상태를 계속 점검하고 고장 유무를 진단하는 것이 중요하게 되었지요. 자동차에 이러한 장치들의 진단을 수행하는 기능이 있어야 한다고 규정한 법규가 OBD 법규입니다. 이는 OBD I에서 시작하여 현재 OBD II, 강화 OBD II 등으로 발전해 왔습니다. 이와 비슷한 유럽 법규도 있으며 이것은 EOBD라 부릅니다. 비슷하게 한국에서 실시하는 법규는 KOBD라고 합니다.

3. OBD I ?
1985년 4월 CARB (California Air Resource Board; 캘리포니아 대기 보전국)는 OBD 법규를 승인하였습니다. 이 법규는 ECU가 배출 가스 관련 부품들을 진단하고 이상이 발견될 경우 MIL을 켜도록 하고 있고, 1988년 이후 캘리포니아에서 판매되는 대부분의 차에 적용되었습니다. 또한 OBD 시스템은 정비사가 엔진 제어 장치와 배출 가스에 관련된 장치에 어떤 고장이 났는지 검사하는데 도움이 되도록 DTC (Diagnostic Trouble Code : 고장 코드)를 저장하도록 하고 있지요. 즉, 정비사는 특수한 장비 (진단기, Scan Tool 국내에서 유명한 제품은 하이스캔등이 있습니다.)로 DTC를 읽어서, 어느 부분에 고장이 났는지 쉽게 파악할 수 있지요. 이 법규의 목적을 요약하면 다음과 같이 두 가지 입니다.

자동차에 고장이 감지된 경우 이를 운전자에게 알림으로써, 고장난 차량이 유해 가스를 많이 배출하기 전에 수리하도록 한다.

정비사들이 배출 가스 제어 시스템의 고장 부위를 검출하고 정비하는데 도움이 되도록 한다.

OBD에서 진단을 하는 시스템은 아래와 같이 배출 가스에 영향을 미치는 시스템들 입니다.

엔진 관련 센서 전부

연료 제어 시스템

위와 같은 배출 가스 관련 장치에 고장이 발생하면, MIL이 켜지고 DTC가 ECU 메모리에 저장되게 됩니다. 그럼 어떤 것들이 진단될까요? 보통 회로선 들이 단락(short)되었는지, 단선(open) 되었는지, 신호 값들이 정상 범위에 있는지 등을 진단합니다. ECU에 기록된 DTC는 외부에서 진단기를 사용하여 읽어 볼 수 있습니다. 이 때에 진단기를 ECU와 연결하기 위하여 시리얼 데이터 통신이 가능한 커넥터 (보통 OBD 커넥터라고 부릅니다.)가 차량에 부착되어 있지요. 일부 차량의 경우 규정된 DTC 이외에 센서, 액추에이터, ECU 연료/점화 제어량 등의 정보를 진단기로 전달하는 경우도 있었습니다.

4. OBD II
비록 OBD가 배기와 관련된 시스템과 부품들에 대한 중요한 정보를 제공했지만, OBD 도입 당시(1988)의 기술적 한계로 포함되지 못한 항목들이 있었습니다. 그 후 기술 발전에 의하여 진단 할 수 있는 범위가 증가하여서 CARB의 주도하에 더 포괄적인 OBD 법규가 제정되었습니다. OBD-II는 1994년부터 1996에 걸쳐 개발되었고, 여기에는 새로운 시스템에 대한 진단이 많이 추가되었는데, 가령 촉매 변환 장치 진단, 실화 진단, 캐니스터 퍼지 (Canister Purge) 진단, 2차 공기 시스템 진단등 입니다. 또한 자동차 회사마다 달랐던 DTC 데이터의 내용이 표준화 되었고, 통신 방법도 표준화 되었습니다.

차량의 OBD 커넥터

커넥터 핀 구조

그럼 OBD II에서 어떠한 항목들을 진단하는지 살펴볼까요? 진단 항목은 크게, 직접 배출 가스를 발생시키는 부분에 대한 것과 공연비 제어에 대한 부분, 그리고 촉매 장치 제어에 대한 부분으로 나누어 볼 수 있습니다.
직접 배출 가스를 발생시키는 부분에 관계된 진단 항목은 EVAP 시스템 진단, 에어컨 냉매 누출 진단, EGR 시스템 진단, PCV시스템 진단이 있습니다.
공연비 제어에 관련된 진단으로는 연료 시스템 진단, O2 센서 진단이 있습니다.
촉매 장치 최적 제어에 관련된된 진단은 촉매 변환 장치 진단, 2차 공기 시스템 진단, 촉매 변환 장치 예열 시스템 진단, 실화 진단 등이 있습니다.
그 이외에, 냉각수온계 진단 등 주요 센서나 액추에이터에 대한 진단등을 하도록 되어 있습니다.

4.1 촉매 변환 장치 진단
자동차 유해 배출 가스 억제를 위하여 제일 중요한 장치가 배기 가스의 후처리를 담당하는 촉매 변환 장치입니다. 엔진 연소 후 발생하는 유해 가스인 HC, CO, NOX를 촉매/환원 반응을 사용하여 무해한 CO2, H2O, N2 등으로 변환해 주는 장치이지요. 이 촉매 변환 장치는 엔진 배기다기관과 머플러 사이에 1 ~ 2개 장착되어 있습니다. 가장 주요한 배기 가스 처리 장치이기 때문에 OBD-II의 가장 중요한 진단 항목으로 포함되어 있습니다.

촉매 변환 장치 장착위치

4.2 O2 센서 진단
O2 센서란 연소 후 배기 가스중에 포함된 산소의 양을 측정하는 센서입니다. 보통 연소가 적절히 이루어 졌는지, 공기가 너무 많지는 않았는지, 연료가 너무 많지는 않았는지 확인하는데 사용합니다. 또한 촉매 변환 장치 전 후의 산소 농도를 측정하여 촉매 변환 장치의 정화 효율을 진단하는데 사용합니다. 따라서 정확한 촉매 진단을 위해서 O2 센서의 고장 여부를 파악하는 것도 중요한 진단 항목입니다.

5.3 실화 진단
실화는 엔진에서 연소가 정상적으로 발생하지 않는 것 입니다. 즉, 연소가 일어나지 않았으니, 연소실에 주입된 연료가 그대로 배출되겠지요. 이렇게 실화가 발생하면 촉매 변환 장치를 손상시킬 수 있으므로, 실화 진단도 주요 항목으로 포함된다.

4.4 연료 제어 시스템 진단
연소후 발생하는 유해 배기가스는 연소실에서 연료와 공기가 완전 연소될 수록 적게 방출됩니다. 또한, 촉매 변환 장치가 최대 효율로 배기 가스를 정화하기 위해서는 공연비가 최적 공연비를 기준으로 적절히 제어되어야 합니다. 정확히는 최적 공연비를 중심으로 약간 농후하다가 약간 희박하게 연비가 조성되도록 연료를 제어되어야 하지요. 이러한 제어는 O2 센서에서 측정한 산소 농도를 기준으로 수행합니다. 만약 지나치게 연료가 많이 포함된 경우에는 연료량을 줄이고, 반대로 지나치게 희박한 공연비가 조성된 경우에는 연료 분사량을 늘리는 것이지요. 이러한 공연비 제어가 유해 배기 가스 방출량에 큰 영향을 미치기 때문에, 연료 제어 시스템도 OBD 진단 항목에 포함됩니다.

연료 제어 시스템

4.5 증발 가스 방지 시스템 진단
자동차에서 배출되는 매연 중 HC의 약 20%는 휘발유의 증발에 의해 발생합니다. 즉, 연소 후 배기관으로 배출되는 것 이외에도 연료 탱크에서 그대로 증발되는 것도 상당한 양이지요. 이를 방지하기 위해 누출 가스 포집 장치는 연료 탱크, 연료 공급관 등에서 발생하는 가스를 저장하고, 누적된 연료를 다시 엔진으로 전달하는 역할을 합니다. 이렇게 증발하는 연료를 포집하는 시스템을 증발 가스 방지 시스템(Evaporative system)이라고 하지요. 그런데, 이 증발 가스 방지 시스템 상에 균열 등이 발생하면, 대기중으로 증발된 휘발유가 배출되겠지요. 따라서 증발 가스 방지 시스템 자체도 진단의 대상이 됩니다.

4.6 PCV (Positive Crankcase Ventilation System) 진단
정상적인 압축 행정 (Compression Stroke)동안, 연소실에서 가스의 일부가 피스톤을 지나서 샐 수 있습니다. 이러한 블로바이 (blowby) 가스의 약 70%가 연소되지 않은 연료(HC)입니다. 이 가스는 엔진 오일을 희석, 오염시키고 중요한 부품들을 부식시키며 침전물들을 만들어 냅니다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 크랭크케이스로부터 유해한 가스를 제거하는 장치인 PCV(Positive crankcase ventilation system)이 있고, 이를 진단하도록 하고 있습니다.

4.7 EGR (Exhaust Gas Recirculation) 진단
연소실 내의 온도가 높은 경우에는, 배기 가스에 NOX의 비율이 증가합니다. 이는 공기 중의 산소 O2와 질소 O2가 서로 반응하기 때문에 발생합니다. 보통 N2는 안정된 화합물이라 반응을 하지 않지만, 온도가 매우 높게 되면 산소와 화합하는 것이지요. NOX의 배기가스 내 함유량은 폭발 온도가 1371℃ 이상에서 매우 높아진다고 합니다. EGR 시스템은 배출 가스의 일부를 흡기 다기관에 재순환 (recirculation)시키는 것입니다. 이렇게 되면 연소실의 산소 농도가 낮아지게 되어 연소실 온도도 낮아지게 됩니다. 이러한 EGR 시스템도 EGR 진단 (Exhaust Gas Recirculation System Monitoring)을 통해서 수행하도록 하고 있습니다.

4.8 2차 공기 시스템 (Secondary Air System) 진단
연소 후 배기 다기관을 통과하는 배기가스는 실제로 완전 연소되지 않은 상태입니다. 따라서 배기 시스템에 추가적인 O2가 공급되면 배기관을 통과하는 도중에 연소가 완료될 수 있습니다. 2차 공기 시스템 (Secondary Air System)이란 배기관에서 촉매 변환 장치에 도달하기 전까지 배기 가스에 공기를 유입시켜 계속 연소가 일어나게 함으로써 배기 가스에 함유된 HC와 CO량을 줄이는 역할을 하는 시스템입니다. 또한 추가로 공급된 O2는 촉매 변환 장치에 유입되어 산화 반응을 돕게 되지요. OBD II에서는 이러한 2차 공기 시스템 진단 (Secondary Air System Monitoring)도 포함하고 있다.

4.9 기타 시스템 진단
이 외에도, 대기 오염에 원인이 될 수 있는, 각종 장치들에 대한 진단을 하도록 되어 있습니다. 에어컨의 경우 냉매의 유출이 대기 오염의 원인이 되므로, 에어컨 냉매 누출 진단 (Air Conditioning Refrigerent Monitoring)이 포함됩니다. 또한 위의 모든 장치들이 정상 동작할 수 있는 환경 역시 중요하므로 각 장치들에 공급되는 전력이나 센서의 이상 동작 유무, 솔레노이드나 공기 펌프 등의 모든 구동 장치들의 정상 동작 여부를 진단 (Comprehensive System Monitoring) 하고 있습니다.

5. 마무리
간단히 (?) OBD에 대하여 알아보았습니다. OBD란 것이 자동차에 장착된 여러 가지 배기 가스 저감 장치등을 진단하는 것인데, 각 진단 시스템에 대한 간단한 소개를 하다 보니 조금 글이 길어졌습니다. 최근에는 차량에 장착된 제어기들이 점차 증가하고 있고 복잡한 시스템이 늘어나는 추세이기 때문에, 고장이 날 수 있는 부분이 증가하고 있고, 고장을 진단할 수 있는 항목도 증가하고 있습니다. 이제는 차량 정비소에서 진단기를 통하여 많은 정보를 알 수 있지요. 머지 않은 장래에는, 차량 고장 정보를 집에 있는 PC나 핸드폰 등에서 알아볼 수 있는 시대도 올 것 같습니다. 다음에는 엔진 제어 시스템 (Engine Management System)에 대하여 좀 더 알아보도록 하지요.

6. 참고 자료
"Technical status Update and Proposed Revisions to Malfunction and Diagnostic System Requirements Applicable to 1994 and Subsequent California Passenger Cars, Light-Duty Trucks, and Medium-Duty Vehicles (OBD II)" CARB staff report, 1991
§1968.2. Malfunction and Diagnostic System Requirements--2004 and Subsequent Model-Year Passenger Cars, Light-Duty Trucks, and Medium-Duty Vehicles and Engines
"Emission Analysis", Toyota Motor Sales, 2000
"OBDII #1 - Overview of On-Board Diagnostics", Toyota Motor Sales, 2000
"Emission #10 - Catalytic Converter", Toyota Motor Sales, 2000
"Emission #4 - Closed Loop Feedback Systems", Toyota Motor Sales, 2000
"Emission #8 - Evaporative Emission Control", Toyota Motor Sales, 2000
"Emission #9 - Positive Crankcase Ventilation", Toyota Motor Sales, 2000
"Emission #7 - Exhaust Gas Recirculation", Toyota Motor Sales, 2000
"Emission #11 - Secondary Air", Toyota Motor Sales, 2000

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자동차와 임베디드 시스템

비회원 — Thu, 25 Jan 2007 17:26:28 +0900

자동차와 임베디드 소프트웨어는 어떤 관계가 있을까요? 자동차에 소프트웨어가 얼마나 많이 사용될까요? 임베디드 소프트웨어가 포함되려면, 소프트웨어가 실행될 시스템이 있어야 합니다. 그럼 어떠한 임베디드 시스템들이 존재하는지 알아보도록 하겠습니다.

자동차는 크게 샤시(Chassis), 파워트레인(Powertrain), 바디(Body), 멀티미디어(Multimedia)로 나누어 볼 수 있습니다. 샤시란 브레이크, 서스펜션 등 자동차의 운동을 제어하는 부분입니다. 파워트레인은 엔진이나 변속기등 차량의 동력을 생산하는 부분을 말합니다. 바디란 시트, 속도계 등 운전자에게 편의를 주는 장치를 말합니다.멀티미디어란 최근 등장한 시스템으로 텔레메틱스나 내비게이션, 오디오/비디오 시스템을 말합니다. 이 외에도 에어컨등의 공조 시스템 등이 있겠지요. 그럼 각 시스템에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

샤시

ABS -Anti-lock braking system. 브레이크를 밟았을 때에, 바퀴가 미끌어지는 것을 방지하기 위한 시스템입니다. 바퀴가 미끌어질 경우 브레이크를 살짝 풀어주어 바퀴의 미끌어짐을 방지하게 됩니다.

ABS, TCS, ESC

TCS - Traction Control Systme. ABS에서 발전한 시스템으로, 브레이크의 강도만 조정하는 것에서 엔진의 출력 토크까지 제어하는 시스템입니다. ASR (Active Slip Regulation)이라고 부르기도 합니다.
ESC - Electronic Stability Control. ABS, TCS에서 좀 더 발전한 시스템으로, 바퀴에 전달되는 제동력을 제어하여, 자동차가 미끌어지는 것을 방지하는 시스템입니다. ESP(Elektronisches Stabilitätsprogramm)는 Bosch사의 ESC 상표명입니다.
에어백 - 자동차가 충돌한 경우 운전자와 승객을 보호하기 위하여 가스가 든 풍선을 터트려서 충격을 완화하는 장치입니다.
ACC - Adaptive Cruise Control. 적응형 크루즈 컨트롤인데 앞 차와의 거리를 제어해주는 시스템입니다. 기존 크루즈 컨트롤에는 차량의 속도를 일정 속도로 유지하는 기능만 있었지만, ACC에는 앞 차와의 거리를 일정하게 유지하는 기능도 있습니다.
자동 브레이크 - 앞 차와의 거리가 많이 가까워지면 브레이크를 자동으로 동작시켜, 충돌을 예방하는 시스템입니다.
TPMS - Tire Pressure Monitoring System. 타이어가 터져서 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지하기 위하여, 타이어 압력을 진단하는 시스템입니다. 타이어 압력이 지나치게 높을 경우 운전자에게 경고를 하게 됩니다.

파워트레인

EMS - Engine Management System. 거의 최초로 자동차에 포함된 전자 제어 장치로, 엔진의 효율적 제어를 수행합니다. 연료량 제어, 점화 시기 제어, 공기 유입량 등을 제어하여 엔진에서 발생하는 유해 배기가스를 줄이는 기능을 합니다. 자가 진단 기능도 갖고 있지요.

Engine Management System

TMS - Transmission Management System. 자동차의 변속기를 제어하는 시스템입니다. 보통 자동 변속기의 변속을 제어하지만, 최근에는 AMT (Automated Manual Transmission)이라는 반 자동 변속기도 제어하며, CVT (Continously Vairable Transmission)도 제어합니다.
MCU - Motor Control System. 최근 하이브리드 차량이나 연료 전지 차량의 동력원인 모터를 제어하는 시스템입니다. 주로 모터에 전기 동력을 공급하는 인버터를 제어합ㄴ다.
BMS - Battery Management System. 모터에 에너지를 공급하는 배터리를 관리합니다. 배터리의 충전/방전을 제어하여, 배터리를 관리하게 됩니다.

바디

BCM - Body Control Module. 실내등, 방향 지시등, 원격 시동 등을 제어합니다.

파워 윈도/미러 - 차량 도어의 창문이나 미러를 제어합니다.

파워 시트 - 운전석 및 다른 좌석의 위치를 제어합니다.

정션 박스 제어 - 차량의 각 제어기와 전기 장치에 전력을 공급하는 정션 박스가 있습니다. 기존의 정션 박스에는 릴레이와 휴즈가 장착되어 있으나, 이것이 점차 반도체 스위치 (IPS - Intelligent Power Switch)로 대체되고 있습니다. 이 IPS를 제어하기 위해서는 MCU가 필요합니다.

램프 제어 - 전조등, 방향 지시등을 제어하는 것도 기존의 스위치/릴레이/휴즈로 제어되던 것에서 MCU/IPS 제어로 변경되고 있습니다.

ECU

멀티미디어

텔레메틱스, 내비게이션 - 에프터마켓에서 활성화된 내비게이션 장치들이 이제 점차 자동차의 기본 사양으로 반영되고 있습니다. 내비게이션 장치는 운전자에게 지도 정보, 최단 거리 등의 정보를 제공합니다.

오디오/비디오 - 기존의 자동차 라디오에서 점차 발전하여 DVD, DMB 등의 영상 및 디지털 라디오, MP3 등 오디오 서비스를 제공하고 있습니다.

그 이외에도 FATC (Full Auto Temperature Control, 자동 에어컨), 차선 경고 이탈 장치 등이 있습니다.

이렇게 자동차에는 점차 많은 전자 시스템이 추가되고 있습니다. 자동차를 좀더 편리하고, 안전하게 만들기 위하여 소프트웨어가 할 일이 많아지는 것이지요. 위 모든 제어기에 소프트웨어가 들어가고 있으니 자동차에 들어있는 소프트웨어의 양이 상당하다고 볼 수 있습니다.

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