CNH, 목초수확기를 위한 지능형 필링 시스템 개발
“모델 기반 설계를 사용하여 대부분의 시간을 시스템 개발과 최적화에 집중했습니다. 그것을 C로 구현하거나 코드를 디버깅하 는 데는 거의 시간이 들지 않았습니다. 랩탑에서 실행하는 Simulink 모델과 생산 코드 간에는 성능 차이가 없습니다.”
과제
옥수수, 목초 및 기타 작물로 트레일러를 채우는 프로세스를 자동화함으로써 목초수확기의 작동을 간소화
솔루션
모델 기반 설계를 사용하여 3D 카메라 데이터를 통해 필러 분출구의 위치를 조정하는 자동 제어 시스템을 개발, 테스트 및 구현
결과
- 개발 시간이 절반으로 감소
- 생성된 코드를 즉시 사용 가능
- 산업 혁신상 수상
New Holland의 FR9000 시리즈 IntelliFill™ 시스템을 장착한 목초수확기.
New Holland의 대형 FR9000 시리즈 목초수확기는 시간당 300톤 이상의 처리량으로 옥수수, 목초 및 기타 작물을 수확하는 동시에 작물을 최소 4mm 길이로 잘라낼 수 있습니다. 수확기 운전자는 방향을 조작하고 최적의 속도를 유지해야 함은 물론 작물이 트레일러로 들어가게 하고 어느 정도 찼는지 모니터링해야 합니다. 운전자가 운전과 작물 채우기를 동시에 수행하여야 하는 어려움이 있습니다.
CNH는 이 문제를 해결하기 위해 3D 카메라를 사용하여 작물이 트레일러로 들어가도록 하는 자동 트레일러 필링 시스템을 개발했습니다. 모델 기반 설계를 사용하여 개발된 New Holland IntelliFill™ 시스템은 시야가 제한된 상황에서도 운전자가 수확기를 운전하면서 트레일러를 정확히 채울 수 있도록 돕습니다.
“이 프로젝트에서는 모델 기반 설계가 매우 중요했고 덕분에 촉박한 일정을 맞출 수 있었습니다.” 라고 CNH의 혁신 역량 센터 시스템 엔지니어인 Karel Viaene이 말합니다. “Simulink를 통해 수확기 운전석의 알고리즘을 디버깅 및 최적화하고 한 번에 실행에 성공한 임베디드 코드를 생성할 수 있었습니다.”
과제
표준 비디오카메라를 기반으로 한 필링 시스템 프로토타입은 거리를 정확히 측정하거나 다른 트레일러의 형태 또는 크기를 감지할 수 없고 먼지, 밝은 태양 빛, 어둠과 같은 환경적 요인을 처리할 수 없기 때문에 비효율적인 것으로 드러났습니다. 3D 근적외선 카메라로 거리 측정을 향상시킬 수 있지만 실제 조건에서 테스트 및 디버그를 수행하려면 수확기에 대한 많은 양의 개발 작업을 필요로 했습니다. 따라서 신속히 변경 사항을 적용하고 실제 하드웨어로 설계를 다시 테스트하는 것이 중요했습니다.
엔지니어링 팀에게는 제한된 테스트 시간을 최대한 활용하기 위해 3D 카메라와 수확기의 CAN 버스에 대한 직접 연결을 지원하는 개발 환경이 필요했습니다. 그러면 수확기의 임베디드 프로세서 중 하나에 대한 검증된 설계를 빠르게 구현할 수 있습니다.
솔루션
CNH는 모델 기반 설계를 사용하여 New Holland IntelliFill™ 시스템의 개발과 구현을 가속했습니다.
팀은 수확기 분출구에 장착된 3D 카메라로부터 데이터를 수집했습니다. MATLAB®을 사용하여 이러한 포인트 클라우드를 분석하고 3D 처리 기술을 평가했습니다.
후보 알고리즘이 Simulink® 컨트롤러 모델의 구성 요소로서 구현되었습니다. 컨트롤러는 카메라로부터 3D 데이터를 수신하여 분출구의 횡이동, 분출구에서 나가는 흐름의 방향, 카메라의 각도는 물론 운전자에 대한 시각 및 청각 경고를 제어하는 신호를 생성합니다.
시스템의 데이터 처리 모듈은 Simulink and DSP System Toolbox™를 사용하여 개발되었습니다. Computer Vision Toolbox™를 통해 3D 비디오 스트림에 디버깅을 위한 주석을 추가할 수 있었습니다.
팀은 Stateflow®를 사용하여 시스템의 아키텍처를 관리하고 입력 데이터부터 출력 신호까지 제어 흐름을 조정하는 컨트롤러 상태를 정의했습니다.
Simulink에서 기본 플랜트 모델을 개발한 후 트레일러 필링 프로세스의 폐루프 시뮬레이션을 수행했습니다.
팀은 차량 내 테스트 준비를 위해 Vehicle Network Toolbox™를 사용하여 컨트롤러 모델에 대한 CAN 버스 인터페이스를 개발하고 Instrument Control Toolbox™를 사용하여 3D 카메라에 대한 이더넷 인터페이스를 개발했습니다.
필드 테스트 중에 수확기 조종석 내부의 랩탑에서 실행되는 Simulink 컨트롤러 모델은 카메라에서 초당 20장의 이미지를 처리하고 CAN 버스를 통해 시스템 컨트롤러로 명령을 전달했습니다.
팀은 필드에서 Simulink 모델을 미세 조정하여 제어 알고리즘을 개선하고 최적화했습니다.
Embedded Coder®를 사용하여 컨트롤러 모델로부터 생산 C 코드를 생성하고 이것을 수확기의 디스플레이 패널 소프트웨어를 실행하는 ARM®9 프로세서에 적용했습니다.
New Holland IntelliFill™ 시스템은 FR9000 시리즈 목초수확기용으로 생산 중입니다. CNH는 모델 기반 설계를 사용하여 농경 장비를 위한 새로운 기능을 개발하고 있습니다.
결과
- 개발 시간이 절반으로 감소. “숙련된 C 프로그래머 팀이 있다고 해도 모델 기반 설계가 아니었다면 프로젝트를 제 시간에 마치지 못했을 것입니다.” 라고 Viaene이 말합니다. “Simulink를 이용하면 모든 신호를 자세히 관찰하고 그 값을 검사할 수 있지만 C를 사용할 경우 디버깅을 위한 자체 툴을 개발해야 하므로 시간이 두 배로 늘어납니다.”
- 생성된 코드를 즉시 사용 가능. “C 코드를 직접 작성할 시간은 없었습니다.” 라고 Viaene이 말합니다. “Embedded Coder를 통해 Simulink와 Stateflow 모델에서 생성한 코드는 필드 테스트에서 모델에 적용했을 때와 똑같이 성공적으로 한 번에 작동했습니다.”
- 산업 혁신상 수상. New Holland IntelliFill™ 시스템은 유럽 최대의 농업 박람회인 Agritechnica에서 기술 혁신 부문 금메달을 수상했습니다. 이 상은 기존 프로세스를 크게 개선하는 새로운 기능을 갖춘 제품에 수여됩니다. “농업 부문에서 최고의 상입니다. 이 상을 받으면 시장에서 New Holland가 긍정적인 이미지를 갖게 됩니다.” 라고 Viaene이 말합니다.
