글│Johann Gabler(Audi AG), Daniel Kohler(Audi AG), Thomas Heinzler(MATIS Deutschland GmbH),
    Ulrich Lauff(ETAS), Oliver Schade(ETAS)

Simulink와 INCA를 이용한 오프라인 캘리브레이션과 검증

Audi는 엔진 ECU의 핵심 기능들을 모두 자체 개발하고 있다. Audi는 핵심 기능들을 개별 애플리케이션과 프로젝트 사양을 반영해 ASCET 또는 MATLAB/Simulink를 사용해 개발하고 있으며, 실차 또는 테스트 벤치에서의 프로토타이핑은 ETAS나 dSPACE에서 공급한 시스템을 사용하고 있다. 측정, 캘리브레이션, 진단 작업에는 INCA 툴을 배치해 사용한다.

새로운 제어 기능의 캘리브레이션과 검증 단계에서 Audi는 의도적으로 INCA를 기능 개발 단계, 즉 MATLAB짋/Simulink짋를 사용하는 단계에서 최대한 빨리 적용하고자 노력하고 있다. 이러한 접근 방법은 몇 가지 고유의 장점이 있는데, 예를 들면 사용자들이 캘리브레이션 환경 즉 INCA에 익숙한 환경에서 작업할 수 있도록 해주며 또한 개별 개발 단계와 양산 캘리브레이션 단계 사이의 측정 및 캘리브레이션 데이터의 교환이 매끄럽고 전이 과정 없이 이뤄질 수 있게 해준다. 이러한 접근 방법은 단순히 ECU 기능의 사전 캘리브레이션을 제공할 뿐만 아니라, ECU의 기능들의 동작, 프로토타입과 기능 모델의 직접적인 비교를 제공한다.

INCA와 MATLAB/Simulink의 인터페이스
INCA를 사용한 PC 환경을 이용해 오프라인 시뮬레이션 동안 직접적으로 캘리브레이션과 검증을 활성화하겠다는 의도로, ETAS는 Audi로부터 Audi의 MATLAB짋/Simulink짋 개발환경에 INCA를 통합해 줄 것을 요청받았다. 통합 결과로 기능 개발자들에게 INCA에 접목되어야 하는 여러 개의 전용 툴들(측정과 캘리브레이션 데이터를 위한 가상 측정 명령어, 캘리브레이션 에디터, 분석 툴)이 제공되었다. 이러한 전용 툴들은 모두 일반적인 MATLAB짋/Simulink짋에는 존재하는 않는 것들이다.

모델링 가이드라인
캘리브레이션 툴과 시뮬레이션 환경과의 중단 없는 연결을 구현하기 위해, Audi의 특정 모델링 가이드라인을 준수해야만 했다. Audi는 현재 개발 툴들과는 독립적으로 ECU 기능 모델들을 조합하기 위해 표준화된 MBFS 모듈들(Model Based Function Specification, ASAM 표준)을 사용하고 있다. 이러한 ASAM-준수 모델링 기술은 개발자들의 공통된 이해를 촉진하며 프로젝트 참여자들 사이의 복잡한 기능들의 교환이 이뤄지도록 해준다.
Audi에서는 ECU 파라미터들과 신호들의 지정이 Automotive Data Dictionary(ADD)를 통해 중앙 관리 되고 있다. MBFS 표준과 함께 ADD 명칭 등록은 명확하게 측정 신호들과 특성 값들, 프로그램 맵들과 축들이 정의되어 있다. 이러한 조건 덕분에, 파라미터와 신호 값들은 Simulink짋에서 자동으로 추출되어 INCA로 전달된다.

INCA-SIP
INCA의 통합은 Simulink짋의 툴박스 형태로 구현됐다. INCA-SIP 툴박스 설치는 INCA와 Simulink짋 모델 사이의 연결을 확립하는데 사용되는 추가 메뉴 함수들과 함께 MATLAB짋/Simulink짋에 장착된다.
시뮬레이션의 초기화의 부분으로 INCA-SIP은 Simulink짋 모델의 분석에 기반하여 INCA의 experiment 설정, hex 파일, ASAM A2L 포맷 내의 캘리브레이션 데이터 설명들을 생성해낸다. 모델의 기능 변경 이후의 시뮬레이션의 새로운 초기화의 경우, INCA 오브젝트들은 자동으로 업데이트 되며 Simulink짋에서 동작하는 모델과 함께, INCA는 측정의 시작과 종료 그리고 MDF 파일들의 형태로 레코딩 할 수 있도록 해준다.
INCA-SIP은 두 가지 시뮬레이션 모델들을 지원한다. 하나는 최대 속도에서 시뮬레이션을 동작시키는 Fast Emulation Mode이고, 두 번째는 실차 상태와 동일한 타이밍 동작을 제공하는 Real-Time Emulation Mode이다. 특히 Real-time Emulation Mode를 사용하면 실차 탑승 상태와 같은 역학으로 캘리브레이션을 수행할 수 있다. INCA와의 데이터 교환은 INCA-SIP이 제공하는 XCP 인터페이스에 의해 이뤄지고 있다. XCP 인터페이스를 이용하면 동일 컴퓨터가 아닌 별도의 고성능 컴퓨터 상에서 시뮬레이션이 수행되도록 할 수도 있다. 이러한 방법을 이용하게 되면 극단적으로 복합적인 모델들의 경우에는 중앙 서버를 통해 시뮬레이션을 수행하게 하는 방법도 가능하게 한다.
INCA-SIP은 INCA가 Simulink짋로 생성되는 측정 데이터를 자동적으로 저장할 수 있도록 하고, 이 측정 데이터를 다음 개발 단계들과 실차 로드 테스트에서 참조 데이터로 활용할 수 있도록 한다. 반대로 시뮬레이션이 측정된 실차 측정 데이터나 Simulink짋 모델에서 분석된 특정 함수의 동작을 입력으로 받을 수도 있다. 이러한 활동은 Simulink짋 모델에서의 양산 기능 또는 프로토타입의 기능 장애 진단을 용이하게 한다.

애플리케이션 예: 실린더 충전 결정
Audi의 첫 프로젝트로 INCA-SIP를 흡기관 내 압력 기반의 실린더 충전 결정에 대한 오프라인 캘리브레이션에 사용해 보았다. 연소실 내의 새로 유입된 공기량의 정확한 계산은 정확한 연료 측정의 기반을 형성하며, 이것은 직접적으로 연료 소모와 배기가스에 영향을 미친다. 대체 시스템을 비교했을 때, 흡기관 압력에 기반을 둔 시스템들의 장점은 연소실에 근접한 부하 값의 획득, 흡기 요로에 따른 더 낮은 압력 손실 그리고 센서 견고함에 대한 더 높은 수준으로 이뤄진다.
세부적으로는 흡기관 압력에 기반을 둔 프로세스는 제어 함수들과 캘리브레이션 둘 모두에 대한 높은 기대치가 요구되어지고 있으며, 만약 가변 밸브 제어, 충전 모션 밸브 그리고 흡기관 변경같은 복잡한 엔진에 사용하면 비선형성 효과가 발생할 수 있다.
이러한 이유로, 자동 최적화 신경망이 시스템 동작의 수학적 서술 방법으로 선택되어졌다. 복합 모델은 수백 개의 ECU 파라미터들과 신호들을 포함하고 있고, Simulink짋와 INCA의 사용은 모델들의 사전 캘리브레이션 뿐만 아니라, 유효한 함수 동작, 기능적 학습들의 수용 을 제공한다.

전망
상기 적용 과정의 다음 애플리케이션 단계를 위해, Audi는 기능 시험 동안 INCA-SIP을 이용해 자동 데이터 기록 방법을 계획하고 있다. 이러한 자동화는 M-scripting을 통한 MATLAB짋/Simulink짋 또는 COM 인터페이스를 통한 INCA를 사용해 제어가 가능하다. ETAS는 현재 INCA-SIP을 제품으로 제공하고 있다.