한국항공우주산업(KAI), DO-178C 표준을 준수하는 헬리콥터 능동 진동 제어 시스템 소프트웨어를 개발
"C 언어로 직접 코딩을 하는 것보다 모델 기반 설계를 사용하여 제어 소프트웨어를 개발하는 편이 더욱 쉬웠습니다. 모델 기반 설계는 소프트웨어 엔지니어가 구현하게 될 알고리즘과 사양을 제어 엔지니어가 만드는 과정에서 발생하기 쉬운 오버헤드와 오류를 없애 줍니다. 프로젝트가 DO-178C 또는 DAL-C 표준을 준수해야 하는 경우에 고려해야 할 매우 중요한 사항입니다."
과제
헬리콥터용 능동 진동 제어 시스템 소프트웨어 개발 및 검증
솔루션
모델 기반 설계를 사용하여 DO-178C에 따라 제어 소프트웨어 모델링, 시뮬레이션, 검증
결과
- 개발 시간을 절반으로 단축
- 설계 반복 최소화
- DO-178C 개발 간소화
한국항공우주산업 능동형 진동 제어 시스템.
헬리콥터가 비행 중 회전하는 주로터 시스템에 의해 진동이 생성되며 이는 로터 마스트를 통해 하부의 기체로 전달됩니다. 이러한 진동은 전기/전자 구성품 혹은 구조적 구성 요소에 영향을 줄 수 있으며 수명이 단축될 수도 있습니다. 수동형 진동저감장치는 진동을 일부 흡수하긴 하지만, 비행 기동 및 주로터 RPM 변화에 따른 진동 적응 제어를 수행할 수 없습니다.
한국항공우주산업(KAI)과 항공우주연구원(KARI)의 개발 엔지니어들은 다양한 비행 환경에 따라 헬기의 진동을 능동적으로 제어하여 저감할 수 있는 능동 진동 제어 시스템(Active Vibration Control System, AVCS)을 설계하고 있습니다. 소형무장헬기 연계 민수헬기 핵심기술개발 프로그램(LCH/LAH Program)의 핵심 기술인 AVCS DAL-C 제어법칙 소프트웨어는 MATLAB® 및 Simulink®를 활용한 모델 기반 설계를 사용하여 DO-178C 표준에 따라 개발되었습니다.
LCH AVCS 개발 실무책임자인 KAI의 곽동일 책임연구원은 다음과 같이 밝혔습니다. "우리 팀은 모델 기반 설계를 사용하고 DO-178C 및 DO-331 표준에 따라 AVCS 알고리즘으로 구성된 동적 모델을 개발했습니다. 이러한 접근법을 통해 설계적 반복 작업을 최소화하고 신뢰성이 높은 C 코드를 만들 수 있었으며, 그 다음 SIL(software-in-the-loop) 및 PIL(processor-in-the-loop) 테스트를 사용하여 코드를 검증했습니다."
과제
AVCS 프로젝트는 한국 정부에서 발주한 대규모 LCH/LAH 프로그램의 일부이기 때문에, KAI/KARI 개발팀은 해당 프로그램의 엄격한 절차와 일정을 준수해야 했습니다.
AVCS 개발팀의 7명의 엔지니어들은 임베디드 소프트웨어 프로그래밍에 대한 경험이 거의 없었으며, 이번이 이 팀의 첫 번째 DO-178C 프로젝트였습니다.
KAI에서는 모델링과 시뮬레이션을 통해 최대한 빨리 알고리즘을 검증하여 개발 속도를 단축하고, 수동 코딩으로 인해 야기될 수 있는 오류를 최소화하고자 했습니다.
솔루션
KAI 엔지니어는 MATLAB, Simulink, Embedded Coder®를 통해 모델 기반 설계를 사용하여 AVCS 소프트웨어를 개발하고 검증했습니다.
AVCS에 대한 기본 입력값은 항공기에 장착된 가속도계 및 주로터 회전 속도계를 통해 측정하여 도출되었습니다. KAI/KARI 팀은 Simulink로 작업을 수행하면서 이러한 센서에서 생성된 실시간 신호를 처리하는 모델을 개발했습니다.
KAI/KARI 팀은 시스템의 가장 중요한 제어 알고리즘을 구현한 Simulink 모델을 만들어냈으며, 이 알고리즘은 기체에 장착된 하중발생기에 전달되는 명령을 생성합니다. 이 알고리즘은 주로터 회전 속도계 및 가속도계의 측정값과 시스템 응답특성 모델을 함께 입력으로 사용하여 진동을 저감하기 위한 하중 명령을 출력합니다.
비행 중 시스템에 작용된 하중과 발생된 가속도간 응답특성을 계산하는 시스템 응답특성 식별 알고리즘 모델은 일련의 하중 명령과 측정된 응답 데이터를 사용하여 Simulink 및 Stateflow®를 통해 생성되었습니다.
KAI/KARI 팀은 Simulink Check™ 를 사용하여 KAI 및 DO-178C 모델링 표준 준수 여부를 확인하고 Requirements Toolbox™ 를 사용하여 IBM® Rational® DOORS®에서 관리되는 구성 요소 및 요구 사항 간의 추적 기능을 설정했습니다. 또한, KAI/KARI 팀은 Simulink Coverage™ 를 사용하여 설계를 시뮬레이션하는 과정에서 모델 적용 범위를 측정했습니다.
KAI/KARI 팀의 엔지니어들은 Embedded Coder를 사용하여 제어 모델에서 약 7000개에 달하는 C 코드 행을 생성했습니다. 이 코드를 검증하기 위해 KAI/KARI 팀은 시뮬레이션에 사용했던 것과 동일한 테스트 케이스를 사용하여 Simulink에서 SIL(software-in-the-loop) 테스트를 실행했습니다. 그 다음, 타겟 하드웨어인 TI F28335 DSP와 동일한 프로세서가 탑재된 평가 보드에서 PIL(processor-in-the-loop) 테스트를 실행했습니다.
KAI/KARI 팀은 AVCS 제어 알고리즘의 개발과 검증을 완료했으며 하드웨어 및 소프트웨어 구성, 비행 테스트, 항공안전기술원 인증 테스트에 대비하여 생성된 코드를 프로덕션 소프트웨어의 다른 구성 요소와 통합하는 중입니다.
결과
- 개발 시간을 절반으로 단축. "모델 기반 설계가 없었다면 프로젝트를 완료하는 데 두 배 이상의 시간이 걸렸을 겁니다. 모델 기반 설계를 사용했기 때문에 엔지니어들이 한 팀이 되어 더욱 효율적으로 협력할 수 있었으며, 모델을 통해 코드를 생성하여 실수를 줄일 수 있었습니다." - 곽동일 책임연구원
- 설계 반복 최소화. "Simulink에서 모델을 만들고 실현 가능한 시뮬레이션을 실행하면서 반복 횟수가 줄어들었고, 팀원들의 요구 사항을 충족하는 가장 간단한 설계에 신속하게 수렴할 수 있었습니다." - 곽동일 책임연구원
- DO-178C 개발 간소화. "Simulink 덕분에 우리 팀이 최초로 담당한 DO-178C 개발 프로젝트에서 테스트 케이스 실행, 코드 생성, 병합할 변경 사항 식별을 비롯한 여러 가지 중요한 개발 작업을 자동화할 수 있었습니다. 모델 기반 설계로 인해 프로세스와 설계를 모두 쉽게 시각화할 수 있으므로 인증도 원활하게 통과할 것으로 예상합니다." – 곽동일 책임연구원
