실시간 Human-in-the-Loop 시뮬레이터로 제품 개발을 간소화하는 볼보 건설 기계

과제

물리적인 프로토타입 제작 전에 건설 장비의 설 계 개념과 파라미터 값을 평가

솔루션

Simulink, Simscape와 Simulink Real-Time을 사 용하여 유압, 기계 및 엔진 시스템을 모델링하고 실시간 Operator-in-the-Loop 시뮬레이션을 수행

결과

  • 프로토타입 수 감소
  • 현장의 문제를 더욱 빨리 해결
  • 시뮬레이션 중에 컨트롤러 조정 가능

“Simulink, Simscape, Simulink Real-Time이 없을 때는 풀 스케일 유압 시스템 모델을 만드는 것이 기술적으로 불가능했습니다. 하지만 시뮬레이터 덕분에 새로운 건설 장비 개념을 테스트하고, 파라미터를 조정하고, 리드 타임을 줄이며 현장의 문제를 최 소화할 수 있었습니다.”

Jae Yong Lee, Volvo Construction Equipment
볼보 건설 기계의 실시간 Human-in-the-Loop 시뮬레이터.

엔지니어들은 굴삭기, 휠 로더, 화물 트럭 및 기타 건설 장비를 설계할 때 먼저 프로토타입을 개발하여 성능, 민감성, 운용성을 평가합니다. 물리적인 프로토타입을 제작하려면 수십만 달러의 비용과 수개월의 개발 시간이 필요합니다. 하지만 최근까지도 새로운 장비의 운용 경험을 이해하는 방법은 이것뿐이었습니다.

볼보 건설 기계(Volvo Construction Equipment, Volvo CE)는 이제 프로토타입을 만들기 전에 새로운 시스템 설계를 평가할 수 있습니다. Volvo CE 엔지니어들은 Simulink®, Simscape™ 및 Simulink Real-Time™을 이용하여 건설 장비용 실시간 Human-in-the-Loop 시뮬레이터를 제작합니다. VMS(Virtual Machine Simulator)는 시뮬레이션을 수행하는 동안 시각, 청각 및 동작에 관련한 현실감 있는 피드백을 제공합니다.

Volvo CE의 이재용 수석 엔지니어는 “Simscape와 Simulink Real-Time 덕분에 물리적인 프로토타입을 만들기 전에 연비와 성능은 물론 건설 장비를 운전하는 느낌까지 시뮬레이션할 수 있습니다.”라고 말합니다. “시뮬레이션을 통해 작업자의 경험을 평가하는 것은 제품 개발의 초기 단계에서 설계 절충점에 대한 의사 결정을 하는 데 있어 매우 중요합니다.”

과제

Volvo CE의 건설 장비 제품군은 수많은 밸브, 펌프, 파이프, 제어 시스템과 다양한 센서로 구성된 정교한 유압 시스템으로 구성되어 있습니다. 이러한 유압 시스템은 적절한 크기의 엔진과 정합이 잘 이루어져야 되며, 동시에 컨트롤러의 파라미터 조정을 통해 성능과 연비에 최적화되어야 합니다.

Volvo CE 엔지니어들은 이처럼 복잡한 작업을 물리적인 프로토타입으로 테스트하려면 엄청난 비용이 든다는 것을 알았지만 유압을 실시간으로 정확히 시뮬레이션 할 방법이 없었습니다. 또한 도메인 별 특화된 각각의 시뮬레이션 도구는 해당되는 개별 서브시스템만 시뮬레이션 할 수 있었기 때문에 유압, 기계, 전기 및 전자 서브시스템을 모두 포함한 장비에 대한 시뮬레이터를 개발할 수 없었습니다.

엔지니어 팀에는 모든 서브시스템을 단일 환경에서 모델링하고 전체 시스템을 실시간으로 시뮬레이션할 수 있는 툴이 필요했습니다. 이러한 툴이 있으면 성능과 효율은 물론 장비를 운전하는 작업자의 피드백까지 고려할 수 있어 설계 단계에서 설계 절충안에 대한 의사 결정을 내릴 수 있습니다. 또한 팀이 최종 제품의 여러 서브시스템을 병렬로 개발한 후 최적의 솔루션으로 통합하고자 하는 Volvo CE 사내의 컨커런트엔지니어링 (concurrent engineering) 접근 방식을 달성하기 위해서는 여러 도메인을 지원할 수 있는 모델링 및 시뮬레이션 환경도 중요했습니다.

솔루션

Volvo CE 엔지니어들은 VMS 플랫폼 개발을 위해 Simulink, Simscape와 Simulink Real-Time을 선택했습니다.

이들은 Simscape Fluids™와 Simscape를 사용하여 첫 시뮬레이션 대상 장비인 굴삭기 메인 제어 밸브, 릴리프 밸브, 스윙 모터, 유압 회로를 모델링했습니다. 그런 다음 Simscape Multibody™를 이용하여 붐(boom), 암 (arm), 버킷(bucket) 등의 기계 컴포넌트를 모델링했습니다.

팀은 Simulink를 사용해 작업하면서 만든 엔진 모델을 유압, 기계 및 기타 서브시스템 모델과 통합하여 장비의 전체 모델을 완성했습니다.

Simulink 및 Simulink Control Design™으로 컨트롤러 모델을 만들어서 굴삭기 장비 모델과 함께 폐쇄 루프 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션 결과의 후처리에는 MATLAB®을 이용했습니다. 시뮬레이션의 시스템 동작 분석을 토대로 컨트롤러 설계를 개선하고 실제 기계에서 얻은 테스트 데이터로 굴삭기 장비 모델을 검증했습니다.

Simulink Coder™를 이용하여 모델에서 C 코드를 생성하고 Simulink Real-Time을 이용하여 Speedgoat사의 3대의 타겟 머신에서 코드를 동시에 실행했습니다.

현재 실시간 시뮬레이션 플랫폼은 굴삭기 제품 개발에 사용되고 있으며, 앞으로 휠 로더와 험지용 굴절식 덤프트럭 개발에도 사용할 계획입니다. 최근에는 시뮬레이터에 Controller-in-the-Loop 및 래피드 제어 프로토타입 제작 기능을 접목하여 소프트웨어 개발 및 테스트를 지원하고 있습니다.

결과

  • 프로토타입 수 감소. 이재용 수석 엔지니어는 다음과 같이 설명합니다. “Simulink와 Simscape를 이용해 시뮬레이션을 실행하면 다양한 설계 개념과 파라미터 값을 평가할 수 있기 때문에 추후 개발 단계에서 설계를 변경해야 하는 위험성이 줄어듭니다. 일단 시뮬레이션을 통해 최적의 설계를 파악하게 되면 제작 구현을 쉽게 할 수 있습니다. 이러한 방식으로 프로토타입 제작량이 30~50% 감소할 것으로 예상합니다.”

  • 현장의 문제를 더욱 빨리 해결. 이재용 수석 엔지니어는 “시뮬레이터를 사용하여 현장에서 발생하는 문제를 빠르게 재현하여 솔루션을 찾을 수 있습니다.” 라고 설명합니다.

  • 시뮬레이션 중에 컨트롤러 조정 가능. 이재용 수석 엔지니어는 또한 다음과 같이 설명합니다. “컨트롤러 모델과 기계 모델을 시뮬레이션하고 시스템 동작을 분석함으로써 컨트롤러 설계를 개선했습니다. 이 방법으로 광범위한 테스트 시나리오를 처리함으로써 제품 개발의 리드 타임을 줄이고 제품 품질을 높였습니다.”