ADAS 검증의 핵심 기술인 HIL 테스트 시스템

​​ZF의 차세대 이동 수단

​세계 최대 자동차 티어 1 공급업체 중 하나인 ZF는 교통사고 사망자 제로, 배기가스 배출 제로를 목표로 하는 "비전 제로"를 실현하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 이 목표를 달성하는 주요 접근 방식 중 하나는 운전을 더 안전하고 효율적이며 편하게 만드는 것입니다.

​ZF의 미래 전략은 "차세대 이동 수단"을 만들어가는 데 중점을 두고 있습니다. 여기서 “차세대 이동 수단”이란 전기로 움직이는 지능형의 이동 수단으로 지속 가능하고 안전하며 자동화된 실현 가능한 이동 수단 솔루션을 말합니다.

^{그림 1: ZF의 차세대 이동 수단. 사진 제공: ZF Group.}

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ZF는 차량이 보고 생각하여 작동할 수 있게 하는 전문성과 제품 포트폴리오로 시장에서 확고한 위치를 다졌습니다. “See – Think – Act”라는 문구는 ZF를 이끄는 주제 의식을 간결하게 보여줍니다. 예를 들어, ZF는 센서 시스템, 예를 들어 레이더 또는 라이더를 카메라와 상호 연결하여 360도 파노라마 뷰 를 제공하는데, 이는 ‘See’에 해당합니다. 또한 전자 제어 장치 네트워크 또는 중앙 고성능 컴퓨팅 플랫폼을 사용하여 차량의 스위칭 센터를 개발하고 생산하며 연결하는데, 이는 Think에 해당합니다. 그리고 자연스럽게 드라이브, 섀시 또는 스티어링 시스템의 메카트로닉 시스템을 연결하여 첨단 주행 기능을 구현하는데, 이는 Act에 해당합니다. 따라서 차량이 더 안전해질 뿐만 아니라 효율성 또한 개선됩니다.

ZF Mobility Solutions의 테스트 시스템 개발

​ZF Mobility Solutions (ZMS)는 본사가 독일 잉골슈타트에 있으며, ZF Group의 100% 자회사입니다. 이 회사의 미션은 자율 운송 시스템을 개발하고 구현하여 깨끗하고 효율적이며 편한데 저렴하기까지 한 이동 수단을 제공하는 것입니다.

​ZMS 테스트 시스템 개발 부서의 비전은 복잡한 ADAS 및 AD의 검증과 확인에 요구되는 구체적인 사항에 맞는 혁신적이고 품질 좋은 테스트 시스템을 개발하는 것입니다.

​미션은 일련의 개발 프로젝트에서 바로 사용할 수 있는 하드웨어, 소프트웨어, 프로세스를 사용하여 ZF Group을 위한 HIL 기반 테스트 시스템의 프로토타입을 구축하는 것입니다.

​ADAS 검증 과제

^{그림 2: ZF ADAS. 사진 제공: ZF Group.}

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ADAS는 여러 개발 단계에서 집중적으로 검증해야 합니다. 테스트에는 고도로 네트워크화된 복잡한 기능에 대한 실제 시나리오를 포함해야 합니다. ADAS의 실제 도로 사용이 허가되려면 얼마나 안전해야 합니까? 실제 차량 테스트는 시간이 많이 걸리고 비용도 많이 듭니다. 특히 테스트의 재현성 측면에서 제한된 정보 값만 얻게 되는 경우가 있습니다. 이러한 테스트는 여전히 필요하지만 다른 테스트 방법을 검증 프로세스에 포함시켜 "주행한 거리 중심"에서 "도로에서 테스트해야 하는 주행 거리의 품질"로 빠르게 전환해야 합니다.

​ISO-26262 표준 또는 Automotive SPICE (ASPICE)와 같은 최신 규범과 규정을 준수하려면 그 어느 때보다 정교한 검증 전략이 중요합니다.

​개발 시 가상 현실 (VR) 기술을 사용하는 것은 주요 트렌드 중 하나입니다. VR을 활용하면 초기 단계에 실제와 같은 조건에서 시스템을 테스트할 수 있습니다. 개루프 데이터 재생과 폐루프 시뮬레이션을 위한 HIL 기반 테스트 시스템은 타겟 하드웨어에서 ADAS 기능을 검증하고 기능 및 비기능적 핵심 성과 지표 (KPI)를 결정하는 데 특히 알맞습니다.

​다양한 테스트 방법의 요구 사항과 조합은 운전자와 승객의 안전을 지키고 궁극적으로 자율 주행 차량을 실현하는 데 필수입니다. NI 솔루션을 사용하면 실제 테스트와 VR 기반 테스트로 구성된 포괄적인 테스트 전략에 도움이 되는 테스트 시스템을 구축할 수 있습니다.

​레이더 HIL 테스트 시스템 요구사항

​ADAS로 인해 테스트 시스템 개발에 대한 수요가 커졌습니다. 이러한 시스템의 핵심 영역과 필요가 이제 고성능 컴퓨팅 기능뿐만 아니라 확장성, 유연성, 고도로 네트워크화된 시스템 운영 측면에도 맞춰져 있기 때문입니다. 테스트 중인 시스템 (SUT)은 적응형 주행 제어, 충돌 방지, 충돌 전 안전 시스템 또는 Copilot 기능과 같은 일반적인 ADAS 사용 분야를 위한 ZF의 자동차 등급 레이더 센서입니다. SUT가 점점 더 복잡해지면서 새로운 테스트 시스템을 개발할 때 반드시 플랫폼을 고려해야 합니다.  

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​이러한 테스트 시스템의 주요 측면은 다음과 같습니다.

• ​모듈성: 핵심 HIL 및 애드온 시스템 구성요소의 플러그 앤 플레이
• ​확장성: 단일 ADAS ECU 검증에서 고성능 360° AD 센서 데이터 재생 및 폐루프 가상 현실 시뮬레이션으로
• ​신뢰성: 가장 높은 가용성 요구 사항에 따라 연중무휴 24시간 시리얼 HIL 팜 작동
• ​호환성: 그룹 IT 인프라, 기존 도구 및 프로세스와 관련하여 새로운 HIL 테스트 시스템을 기존 에코시스템에 통합
• ​부드러운 조작성: 원격 액세스, 작동 및 유지 보수, 진단을 포함한 광범위한 시리얼 검증을 위한 HIL 팜 설정

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​성능 시험장과 테스트 플릿의 실제 기록을 사용하여 ADAS ECU의 개루프를 검증하려면 매우 정확한 타이밍과 동기화가 요구되는 복잡한 통신 인터페이스를 통해 높은 데이터 속도로 데이터 재주입을 활성화해야 합니다. 기록된 레이더 데이터 외에도 차량 Rest-Bus 통신 신호는 차량 속도 신호, 요 레이트(Yaw Rate) 또는 기타 상태 데이터와 같이 병렬로 재처리되어야 합니다. 레이더 데이터 재주입의 경우 HIL 테스트 시스템은 적절한 인터페이스를 제공해야 하고 높은 I/O 데이터 속도와 사이드밴드 통신으로 강력하고 정밀하게 재주입을 제어해야 합니다. HIL 테스트 시스템의 소프트웨어 플랫폼 및 인터페이스의 또 다른 중요한 측면은 HIL 테스트 실행의 완전 자동화, 원격 소프트웨어 배포, 연중무휴 24시간 HIL 테스트 팜 운영 시 HIL 작업이 필요하다는 점입니다.

​접근법

​ZMS에서 NI를 선택한 주요 이유는 고정밀 타이밍과 동기화 기능을 갖춘 고성능 리얼타임 컴퓨팅 시스템이었습니다. 또한 PXI 플랫폼은 최신 자동차 버스 시스템, 아날로그 및 디지털 I/O 카드와 같은 다양한 인터페이스 카드와 모듈을 갖추고 있어 매력적이었습니다.

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​NI의 개방형 소프트웨어 플랫폼을 사용하면 특히 LabVIEW를 이용한 리얼타임 소프트웨어 개발과 SystemLink™ 소프트웨어가 다루는 시스템 운영 측면과 관련하여 HIL 시스템 개발 시 모듈식 어플리케이션별 소프트웨어를 생성할 수 있습니다.

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​PXI 플랫폼은 쓸데없는 일로 시간을 낭비하지 않고 하나의 ADAS 프로젝트에서 다른 프로젝트로 작업을 전환할 수 있는 모듈화를 지원합니다. 이는 각 테스트 케이스에 새로운 파라미터를 설정하고 기존의 코어 시스템 기반을 사용하여 이루어집니다. 이 코어 시스템은 강력한 ADAS 및 AD 시스템용 ECU를 테스트하는 데 재사용할 수 있어 시간을 절약할 수 있습니다. 또한 확장성을 갖춰 현재 5~10개의 버스 연결과 데이터 인터페이스를 갖춘 ECU를 테스트할 수 있습니다. 향후 테스트에서는 30개 이상의 인터페이스로 확장할 수 있습니다.

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​완벽한 HIL 시뮬레이터 개발에는 작업과 제품 안전의 모든 측면을 고려한 HIL 장비의 기계 및 전기 설계가 포함되어 있습니다.

PXI 시스템의 설정은 다음과 같습니다:

• ​PXIe-1082 섀시
• ​PXIe-8840 Intel i7 쿼드 코어, 8GB RAM, 320GB 하드 드라이브 
• ​PXI-6683 타이밍 및 동기화 모듈
• ​2 x PXI-8512 CAN- FD 버스 인터페이스

​추가 HIL 시스템 구성요소:

• ​Ubuntu 운영 체제가 설치된 19인치 HIL 제어 PC
• ​12V DC용 전원 공급 장치
• ​16암페어 전원 입력단
• 외부 MIPI/CSI-2 및 SPI 재주입 디바이스

^{그림 3: HIL 리얼타임 코어 시뮬레이션 시스템}

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HIL 리얼타임 작동과 재주입용 데이터 스트리밍을 위한 소프트웨어 아키텍처의 구성은 다음과 같습니다.

• ​기록된 레이더 데이터를 처리하기 위한 ROS (C++) 노드
• ​HIL 리얼타임 연산, 버스 통신, 동기화를 위한 LabVIEW 구성요소
• ​원격 제어와 작동을 지원하고 SystemLink 서버에 연결하기 위한 스크립트와 추가 소프트웨어 구성요소

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​ZMS와 ZF Group이 지닌 각각의 역량을 바탕으로 NI는 소프트웨어를 위한 프로세스 구축과 유지 보수를 지원했습니다. 이는 향후 HIL 프로젝트의 기반이 되고 2022년에 NI 우수성 센터가 되기 위한 길을 마련하는 강력한 모듈식 HIL 소프트웨어 라이브러리를 구축하는 데 도움이 되었습니다.

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​아래 그림에서 잘 보여주는 것처럼 ZMS는 민첩한 스크럼 기반 소프트웨어 개발과 지속적 통합 및 지속적 배포 (CI/CD)를 위해 기존 프로세스를 활용하여 소프트웨어를 개발해 왔습니다.

^{그림 4: 소프트웨어 개발 프로세스}

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다음 그림을 통해 HIL 테스트 시스템 설정의 데이터 흐름과 통신 종속성에 대한 개요를 파악할 수 있습니다.

^{그림 5: 소프트웨어 개발 프로세스}

결과

​HIL 시스템 프로토타입을 개발해 HIL 팜에서 운영되는 여러 HIL 시스템으로 복제하여 완전 자동화된 HIL 실행 시 상당한 수의 레이더 소프트웨어 테스트 주기에 걸쳐 레이더 시스템이 검증되었습니다. 그 결과, 타겟 ECU 플랫폼에서 새 소프트웨어 릴리즈를 실시간으로 테스트했을 때 유연성이 향상되었고 테스트 범위가 넓어졌습니다.

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​레이더 시스템을 개발하는 동안 600일 이상의 성능 시험장 테스트 작업에 해당하는 데이터가 HIL 팜에서 성공적으로 재처리되었습니다.

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​다음 그림은 다양한 HIL 테스트 시스템을 HIL 팜으로 시스템 개발과 검증 프로세스에 통합하는 과정을 보여줍니다.

^{​그림 6: 시스템 개발 및 검증 프로세스}

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원격 HIL 리얼타임 소프트웨어 배포, 시스템 운영, 유지 보수를 위한 SystemLink 기능은 HIL 프로토타입 개발에서 연중무휴 24시간 운영되는 HIL 팜으로 확장하는 경우 추가적인 이점을 제공합니다. NI의 솔루션을 통해 ZF는 시간을 절약하고 확장성을 얻었습니다. 이는 ZF의 테스트 프로그램이 자체 혁신 일정에 맞출 수 있다는 의미입니다.

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​레이더 HIL 개발 프로젝트를 진행하면서 얻은 주목할 만한 한 가지 성과는 ZMS의 테스트 시스템 개발 부서가 "NI 우수성 센터"로 선정된 것입니다. 이 팀은 엔지니어링의 우수성과 시간을 절약하는 소프트웨어 개발 프로세스, 확장 가능하고 확대 가능한 소프트웨어 설계 및 아키텍처는 물론 일관된 교육, 멘토링, 학습을 보여줬습니다.  

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​또한 우리의 전략적 파트너십을 통해 향후 안전하고 믿을 수 있는 ADAS 및 AD 시스템을 시장에 성공적으로 내놓을 수 있을 것입니다.  

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ZF 팀에 미친 영향:

​“저는 멋진 팀과 함께 일하고 있습니다. 의욕이 넘치며 자신이 하는 일에 진정한 전문가들이죠. 우리는 프로젝트와 ZF 전략을 이행하는 데 최선을 다합니다. NI와 같은 전략적 파트너와 함께 아이디어를 성공적으로 실현하고 있습니다.”  

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​Thomas Herpel 박사, 테스트 시스템 개발 수석 관리자로 팀이 최선을 다하고 현재와 미래에 ZF 전략을 시장에 내놓을 수 있는 환경을 조성하는 책임자

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​“LabVIEW 개발에는 잘 정의된 프로세스가 필요하고 우리가 하는 일은 정확해야 하며 동시에 가능한 한 많이 자동화해야 하죠. 우수성 센터가 된 것은 테스트 작업을 줄이는 데 도움이 되었으며, 시간 절약, 효율성 향상, 소프트웨어 개선으로 일상 업무에도 긍정적인 영향이 있었어요. 협업이 잘 이루어지고 있어 자부심을 느낍니다.”  

​Oleg Scherling, HIL LabVIEW 아키텍처 개발자이자 NI 우수성 센터가 될 수 있도록 동기를 부여한 ZMS의 동기 부여자

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​"ZF의 레이더 전문가와 HIL 전문가, 기술 파트너인 ZMS로 구성된 우리 팀은 NI와 함께 레이더 HIL을 개발할 수 있었습니다. 이 레이더는 기존의 고도로 자동화된 ZF 검증 툴체인에 완벽하게 맞아 테스트와 개발 프로세스의 속도를 더 높일 수 있었어요." 
 

​Michael Vogt, ZF의 ADAS 검증 부서 내 엔지니어링 관리자로 ZF ADAS의 HIL 개발 담당

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​“ZMS의 동료들과 함께 NI 구성요소를 사용하여 요구사항을 충족하는 HIL 시스템 개발에 성공할 수 있었습니다. HIL 시스템은 레이더 센서의 검증 전략에서 중요한 축입니다.”

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​Philipp Strempel, ZF의 ADAS 검증 부서 엔지니어 겸 레이더 HIL 개발 담당 프로젝트 리드