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NI, MWC 2016에서 LTE-U/LAA에 대한 테스트베드 공개

NI는 MWC 2016 (Mobile World Congress)의 NI 부스(스탠드 6L50)에서 LTE-U (LTE Unlicensed Spectrum)와 LAA (License Assisted Access) 무선 접속 기술의 테스트 및 프로토타이핑이 가능한 리얼타임 테스트베드를 공개함으로 업계와 전 세계 엔지니어들에게 주목을 받았다.

5G가 상당한 관심을 모으고 있지만 실제로 구현되기 전까지, 현재의 4G 데이터 성능을 향상시키기 위한 LTE-U 나 LAA 기술의 발전은 반드시 필요하다. LTE-U(Unlicensed Spectrum)는 와이파이용 주파수 대역을 LTE 주파수로 활용, 네트워크 속도를 높이는 기술을 말하며, LAA(License Assited Access)는 wifi 주파수와 같은 비면서 주파수 대역을 LTE로 이용하는 LTE-U(LTE Unlisenced)를 CA(Carrier aggregation) 기술을 통해 묶어 전송하는 것이다.

MWC에서 시연한 NI 리얼타임 테스트베드는 소스 코드에 FPGA 기반 LTE 물리적 계층이 포함되어 있어 LTE-U와 LAA의 다양한 시나리오를 테스트하고 평가할 수 있으며, 기존의 LTE 및 802.11 인프라를 기반으로 하여 구축된 시스템을 개선하여 성능을 진단하고 데이터 속도를 향상시킬 수 있다.

Normalized throughput for legacy Wi-Fi 802.11a and LTE-U for different duty cycle ratios.

 

LTE-U와 LAA는 5.9 GHz 비면허 ISM 대역을 사용하여 셀룰러 스펙트럼을 보강하기 때문에, LTE-U와 LAA 호환 장비는 반드시 802.11a 및 802.11ac 등의 WiFi 장비와 채널을 ”공유”해야 한다. LTE-U는 각 지역별로 구축이 가능한 반면 LAA는 글로벌 스펙트럼 규정에 더욱 보편적으로 부합하므로 3GPP 기술 규격 그룹은 LAA에 보다 초점을 맞추고 있다.

NI 테스트베드는 다음 요소로 구성되어 있으며 즉시 구동 가능한 시스템을 제공한다:
• LabVIEW Communications System Design Suite
• LabVIEW Communications LTE 어플리케이션 프레임워크
• 설정 가능한 LTE-U 및 LAA 참조 소프트웨어
• 2개의 USRP-2953R FPGA 기반 소프트웨어 정의 라디오

NI의 RF 연구 및 SDR 마케팅 책임자 제임스 키머리(James Kimery)는 ”기존 비면허 대역 사용자들과의 간섭을 최소화하기 위해 몇 가지 제안 사항이 3GPP 표준에 도입되었다. 그러나 새로운 표준의 원활한 정착을 위해서는 철저한 프로토타이핑과 테스트가 필수적이다” 라고 말하며, “NI의 LTE-U/LAA 테스트베드는 새로운 표준의 영향을 진단할 수 있도록 지원할 것”이라 전했다.

LTE-U/LAA 테스트베드에 대한 자세한 내용은 http://www.ni.com/white-paper/53044/en 을 방문하면 된다.

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Posted by on March 14, 2016 in Event, NewProducts

 

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한국NI, 서울대학교에 랩뷰 아카데미 라이선스 소프트웨어 기증

한국내쇼날인스트루먼트는(이하 한국NI, ni.com/korea) 2월 12일 서울대학교 공과대학, 의과대학, 융합기술원에 약  3억원 상당의 측정/제어/테스트 분야의 필수적인 랩뷰 싸이트 라이선스(LabVIEW Academic Site License)를 기증했다고 밝혔다.

서울대학교에 기증된 랩뷰 싸이트 라이선스(LabVIEW Academic Site License)는 전 세계 6,000개 이상의 대학교에서 사용되고 있는 랩뷰(LabVIEW, ni.com/labview/ko/)를 포함한 다양한 소프트웨어 및 모듈이 포함되어 있다. 특히 랩뷰(LabVIEW)는 그래픽 기반 시스템 디자인 플랫폼으로 엔지니어들이 효율적인 설계, 제어 및 테스트를 위해 사용해 왔다. 랩뷰(LabVIEW)는 모든 측정 장비 및 설계 도구와의 연동이 가능하기 때문에 어플리케이션 투자에 대한 위험 없이 기존 시스템과 유기적으로 통합할 수 있다는 장점이 있다.

NI, 서울대학교에 랩뷰 싸이트 라이선스 기증

 

공과대학교 이건우 학장과 의과대학교 강대희 학장은 “글로벌 기업인 NI에서 서울대학교 학생들의 엔지니어링 발전과 혁신을 위해 필요한 랩뷰 싸이트 라이선스(LabVIEW Academic Site License)를 기증해 주어 감사하다”며, “본 기증은 세계적인 연구와 인력양상을 위한 발판이 될 것이라 확신한다”고 전했다.

한국NI의 아시아 태평양 매니저 마테 크란츠(Matej Krajnc)는 “본 협약을 통해 서울대학교의 새로운 솔루션과 기회를 창출함으로 국내 엔지니어링 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대하며, 기술을 선도하는 계기가 될 것”이라고 전했다.

수정(2월24일). 한국NI측의 요청으로 10억원 상당을 3억원 상당 금액으로 수정했습니다.  한국NI측의 설명에 따르면, ”10억원은 산업에서 동일한 아래의 제품을 구매시 진행되는 금액이며, 실제 Academic Site License가격이 업계에서 3억원 정도”입니다. 이에 현실을 반영한  정확한 내용을 위해 3억원으로 수정합니다.

아이씨엔 오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr
 
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Posted by on February 24, 2016 in Market

 

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한국NI, SEMICON KOREA 2016에서 반도체 테스트 비용을 절감하는 통합 솔루션 공개

한국내쇼날인스트루먼트(www.ni.com/korea, 이하 한국NI)는 오는 1월 27일부터 29일까지 서울 코엑스(COEX)에서 개최되는 ‘SEMICON KOREA 2016’에 참가하여 테스트 비용을 절감할 수 있는 반도체 개발·검증·테스트·양산 통합 솔루션과 데모를 선보인다고 밝혔다.

 NI STS(Semiconductor Test System)는 반도체 양산 환경에서 사용할 수 있으며 기존의 대형 ATE 보다 작은 작업 공간에서 사용 가능하며 전력 소모량과 유지보수 노력이 줄어들기 때문에 테스트 비용을 절약할 수 있다는 장점이 있다.

한국NI는 R&D 레벨에서의 반도체 테스트(Characterization Test)에서 부터 양산용 반도체 테스트(Production Test)에 이르기까지 반도체 테스트 전반에 걸친 솔루션을 이번 세미콘 코리아 2016에서 선보일 예정이다.

특히 반도체 테스트 비용을 절감할 수 있는 솔루션 중 하나인 NI STS(Semiconductor Test System)는 반도체 양산 환경에서 사용할 수 있으며 기존의 대형 ATE 보다 작은 작업 공간에서 사용 가능하며 전력 소모량과 유지보수 노력이 줄어들기 때문에 테스트 비용을 절약할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 비용 최적화된 고성능 테스트가 가능하기에 최근 이슈가 많은 RF 파워 앰프(RF Power Amplifier), 전력 반도체(PMIC, DC-DC 컨버터)등과 같은 RF/아날로그 중심 반도체의 RF 및 혼합 신호 테스트에 이상적이다. 아울러, 최근 IoT 디바이스들의 수요 증가와 함께, 각 디바이스 내의 다양한 무선 통신 규격(Wifi, Bluetooth, ZigBee, Zwave 등)을 동시에 테스트 할 수 있는 NI WTS(Wireless Test System)도 선보일 예정이다.

한국NI 반도체 테스트 솔루션 담당 권순묵 대리는 “본 부스에서는 NI STS와 PXI의 효율성을 확인할 수 있다”고 말하며, 이번 세미콘 코리아 2016의 한국 NI부스에서 고객이 전 산업에 걸친 반도체 테스트 장비를 확인하고 비용을 절감할 수 있는 방법을 확인하길 바란다”고 덧붙였다.

한편, 한국NI의 부스(코엑스 3층 D홀 6101)에서는 전문 어플리케이션 엔지니어의 데모 시연, 이벤트 및 제품 상담이 함께 진행될 예정이다.

제품에 대한 보다 자세한 사항은 한국NI 홈페이지 http://www.ni.com/korea/sts 에서 확인할 수 있다.

아이씨엔 매거진 news@icnweb.co.kr

 
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Posted by on January 25, 2016 in Event, NewProducts

 

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RF 측정을 재정의하다

VSA, VSG, 그리고 개방형 FPGA의 통합

한정규 대리 Jungkyu.han@ni.com
한국내쇼날인스트루먼트 자동화 테스트 솔루션 담당

수 십 년에 걸쳐 소프트웨어 정의된 RF 테스트 시스템 아키텍처는 테스트 업계에 빠른 속도로 보급화되고 있습니다. 기존 박스형 계측기 형태를 지닌 대부분의 상용 (COTS) 자동화 RF 테스트 시스템은 어플리케이션 소프트웨어를 사용하여 버스 인터페이스를 통해 계측기와 통신합니다.

하지만, RF 어플리케이션이 더욱 복잡해짐에 따라 엔지니어들은 테스트 시간과 비용을 최대한 줄이면서 기능은 개선해야 하는 부담을 안고 있습니다. 테스트 측정 알고리즘, 버스 속도, CPU 속도의 향상으로 테스트 시간이 단축된 것은 사실이지만, 더욱 복잡해지는 RF 테스트 어플리케이션을 다루기 위해서는 획기적인 기능 개선이 필요한 상황입니다.

상용 RF 테스트 계측기는 속도와 유연성을 충족시키기 위해 FPGA 활용성을 늘렸습니다. FPGA는 소프트웨어 개발 환경을 통해 하드웨어 기능을 직접 설정할 수 있는 재프로그래밍이 가능한 실리콘 칩입니다.

RF 계측에 FPGA를 활용하는 것은 현명한 선택이지만, FPGA는 특정 목적을 위해 제작되었고, 기능이 제한적이며, 사용자가 직접 설정이 거의 불가능합니다. 이 때 프로그래밍이 가능한 FPGA를 사용하면 고정된 기능의 FPGA와 비교하여 우수한 장점을 활용할 수 있습니다. 프로그래밍이 가능한 FPGA를 사용하면 RF 계측기를 직접 설정함으로써 각 어플리케이션에 최적화된 솔루션을 구현할 수 있습니다.

NI의 세계 최초 벡터 신호 트랜시버 (VST)는 벡터 신호 생성기 (VSG)와 벡터 신호 분석기 (VSA)를 FPGA 기반 리얼타임 신호 처리 및 컨트롤과 통합한 새로운 형태의 혁신적인 측정 장비입니다.

VST에는 프로그래밍 가능한 FPGA가 탑재되어 있어 계측기의 하드웨어에 사용자가 정의한 알고리즘을 요구에 따라 구현할 수 있습니다. VST는 소프트웨어로 디자인되었으므로 SDR (Software Defined Radio) 아키텍처의 유연성과 RF 계측기 수준의 성능을 제공합니다. 그림 1 (아래)은 기존 RF 계측 방식과 VST를 사용한 소프트웨어 디자인 방식간의 차이점을 설명해 주고 있습니다.

개방형 FPGA 기반 RF 측정 장비 VST

NI LabVIEW FPGA를 활용하면 그래픽 기반 프로그래밍 언어인 LabVIEW 소프트웨어와 같은 프로그래밍 환경에서 재구성 가능한 I/O (RIO) 하드웨어의 FPGA를 프로그래밍할 수 있습니다.

LabVIEW는 병렬 처리와 데이터 흐름에 최적화되어 있으므로 FPGA 프로그래밍에 적합합니다. 따라서 기존의 FPGA 디자인 경험 유무에 상관없이 누구나 재구성 가능한 하드웨어의 강력한 성능을 활용할 수 있습니다.

시스템 디자인 소프트웨어인 LabVIEW는 연산 아키텍처와 데이터 조작에 대한 전문 지식이 없이도 FPGA와 마이크로프로세서 (사용자의 PC 환경)에서 처리를 진행하도록 고유한 기능을 제공합니다.

NI VST는 강력한 LabVIEW FPGA와 NI RIO 아키텍처를 기반으로 구축되었으며, 어플리케이션 IP, 참조 디자인, 예제, LabVIEW 샘플 프로젝트 등 어플리케이션 개발의 시작을 돕는 다양한 요소가 포함됩니다.

기존 RF 테스트 개선

NI VST는 기존 계측기의 빠른 측정 속도와 고성능을 유연한 소형 폼팩터에 통합하였습니다. 따라서 VST는 5.8 GHz에서 -45 dB (0.5%) 보다 우수한 에러 벡터 크기 (EVM)를 통해, 802.11ac와 같은 표준을 테스트할 수 있습니다. 또한, 송수신, 기저대역 I/Q 및 디지털 입출력이 공통의 FPGA를 공유하므로, VST는 기존 박스형 계측기 보다 훨씬 강력한 성능을 제공합니다.

그 중 한가지 예로 데이터 축소를 꼽을 수 있습니다. 부분 제거, 채널화, 평균화 및 기타 직접 설정한 알고리즘을 통해 FPGA는 연산 집약적인 태스크를 수행할 수 있습니다.

이를 통해, 필요한 데이터 처리량과 호스트 측의 프로세싱을 줄여 테스트 시간이 단축되며, 평균화를 늘려 사용자들이 측정에 더욱 확신을 갖게 됩니다. FPGA 기반, 사용자 정의 알고리즘의 다른 예로는 사용자 정의 트리거링, FFT 엔진, 노이즈 수정, 인라인 필터링, 가변 지연, 전력 레벨 서보 등이 있습니다.

VST는 80MHz로 최신 802.11ac 무선 랜 테스트에도 적용이 가능합니다. 160MHz를 필요로 할 시에는 2대의 VST를 통해 contiguous 또는 non-contiguous mode도 테스트할 수 있습니다. 더욱 나아가서는 최신 무선 프로토콜들만 지원한다는 MIMO도 박스형 계측기와는 다르게 매우 용이하게 구성할 수 있습니다.

RF 수신기 및 발신기의 기저대역 I/Q 데이터 이외에도, PXI VST에는 프로그래밍 가능한 FPGA에 직접 연결되는 고속 디지털 I/O가 있습니다. 따라서 사용자들은 RFIC와 같은 DUT를 컨트롤하기 위해 직접 정의한 디지털 프로토콜을 실행하여 테스트 시간을 대폭 단축할 수 있습니다. 이외에도, 테스트 시퀀싱이 FPGA에서 수행되므로 DUT는 리얼타임으로 상태를 변경하고 시퀀싱할 수 있습니다.

최근 몇 년간, MIMO RF 기술은 크게 발전하였으며 특히 셀룰러 및 무선 표준 분야에서 눈에 띄는 발전이 있었습니다. 이와 더불어 RF 변조 구조가 더욱 복잡해지고, RF 대역폭이 증대되었으며, 라디오 스펙트럼은 더욱 복잡해졌습니다.

이 같은 상황에서는 간섭이 차단된 연구소와 같은 이상적인 환경에서 무선 디바이스를 테스트하는 것만큼이나 다이나믹한 실제 환경에서 디바이스가 어떻게 작동하는지 이해하는 것도 중요합니다.

라디오 채널 에뮬레이터는 실제 환경에서 무선 통신을 테스트하기 위한 툴입니다. 페이딩 모델은 물리적인 라디오 환경에서 RF 신호를 방해하는 공기 방해, 반사, 사용자 움직임 및 자연 발생하는 기타 현상을 시뮬레이션 할 때 사용됩니다.

수학 페이딩 모델을 FPGA에 프로그래밍하면, VST는 리얼타임 라디오 채널 에뮬레이터를 실행합니다. 아래 그림은 LabVIEW에서 2개의 VST를 사용하여 실행된 2×2 MIMO 라디오 채널 에뮬레이터입니다.

소프트웨어로 디자인된 계측의 무한 가능성

벡터 신호 트랜시버 (VST)는 제조업체의 정의가 아닌 사용자 어플리케이션 요구에 따라 정의되는 소프트웨어로 디자인된 혁신적인 계측기입니다. RF의 DUT가 더욱 복잡해지고 제품의 시장 출시 시기가 더욱 단축되고 있는 시점에서 이 같은 계측기 성능을 통해 RF 디자이너와 테스트 엔지니어들은 보다 세부적인 컨트롤이 가능합니다.

VST와 같은 장비가 존재함으로써 “계측기 스펙이 적합한가?”라는 질문에 답하기 이전에 “해결해야 할 RF 측정 및 컨트롤 문제가 무엇인가?”에 대해 먼저 생각할 수 있게 되었습니다. VST의 정밀한 RF 입력 RF 출력 및 직접 프로그래밍 가능한 FPGA에 연결된 디지털 I/O를 통해 그 어떠한 문제도 해결이 가능합니다.

11월 1일, 벡터 신호 트랜시버 공식 런칭 행사 개최

벡터 신호 트랜시버의 국내 런칭 행사가 오는 11월 1일, 한국NI 주최의 그래픽 기반 시스템디자인 컨퍼런스 NIDays 2012에서 진행됩니다. RF 측정의 혁신을 주도할 VST의 주요 성능과 다양한 기술 정보를 NIDays 2012 키노트와 기술 세션, 데모부스를 통해 직접 확인해 보시기 바랍니다.

아이씨엔 매거진 2012년 10월호

 
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Posted by on January 21, 2016 in Automation

 

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유방암의 진단 및 치료를 위한 종양 경계 마킹 로봇의 위치 제어 시스템 개발[아이씨엔 매거진]

해결 과제:

로봇에 사용된 모터의 개수만큼 엔코더와 컨트롤러를 사용하여 뛰어난 동기화 효율성과 GUI 품질을 갖춘 6 자유도(DoF) 로봇용 서보 시스템을 제작합니다.

솔루션:

NI 아날로그 입력, 모터 활성화와 엔코더 신호 피드백을 위한 타이머 카운터 보드 등의 하드웨어와 동기화 및 PID 제어 기능, GUI를 위한 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 제어 시스템을 구축합니다.

저자_ Junggun Kim, 국립암센터

개요 및 문제점 설명

국립암센터(NCC) 의공학과의 연구원들은 MR(자기공명영상촬영장비) 갠트리에서 환자의 유방암 종양을 표시하기 위한 MR(자기공명영상촬영장비) 호환 로봇을 연구 및 개발하고 있습니다. 국립암센터는 한국 유일의 정부 지원 암센터이며 암에 대한 연구, 의료, 교육을 선도함으로써 전국적인 암 억제 프로그램을 지원하고 있습니다. 이 프로젝트는 국립암센터의 연구비 지원을 받아 진행되었습니다.

로봇의 위치를 정확하고 안정적으로 제어하기 위해 조종기의 각 모터가 정확한 시간에 0.09° 이하의 오차로 계산된 각도에 도달해야 합니다. 이러한 기능에는 스테핑(stepping) 모터가 적합합니다. 그러나 스테핑 모터는 MR에 호환되지 않기 때문에 이 경우에는 사용할 수 없었습니다. 스테핑 모터 대신 MR 호환이 가능한 비자성 초음파 모터를 사용했습니다. 초음파 모터를 사용하는 로봇에 필요한 정확성 및 동기화 성능을 확보하기 위해 그림 1과 같이 컨트롤 및 엔코더가 장착된 서보 시스템을 구현해야 했습니다.

그림 1. 초음파 모터 및 컨트롤러를 사용한 서보 시스템

서보 시스템을 구축하기 위해서는 엔코더 신호 처리를 위한 다채널 카운터와 제어 프로그램에 구동 전압을 제공하기 위한 다채널 아날로그 출력 단위가 필수적입니다.

프로젝트 설명 및 문제 해결

유방암의 진단 및 치료 시 의사가 육안으로 맨살과 종양을 구별하는 것은 매우 어렵습니다. 이 때 MRI(자기공명 영상 촬영 장비) 를 사용하면 종양을 쉽게 구별할 수 있습니다. 이러한 MRI의 장점을 활용하기 위해 MR 환경에서 사용하기에 적합한 생검 및 시술 시스템이 활발히 개발되고 있습니다.

그 중 하나가 국립암센터의 MR 유방 생검 로봇입니다. 이 로봇의 목적은 유방암 병변이 바늘로 표시되어 있는 MR 영상을 통해 의사가 환자의 유방암 병변 위치를 쉽게 파악하고 생검과 시술을 효과적으로 실시할 수 있도록 돕는 것입니다.

그러나 이러한 시스템을 구현하기 위해서는 몇 가지 어려운 문제를 해결해야 합니다. 우선 이러한 로봇 시스템은 반드시 MR과 호환 가능해야 합니다. 즉 이러한 시스템으로 인하여 MR 영상의 왜곡이 생기거나 시스템이 MR 간트리의 강한 자기장(대략 3 테슬라)의 영향을 받는 등의 문제가 발생해서는 안 됩니다. 뿐만 아니라 MR 환경에서 안전하게 사용할 수 있어야 합니다. 이 로봇은 델타 유형의 일종으로 전반적인 구조는 다음과 같습니다:

그림 2. 로봇의 전반적인 구조(왼쪽) 및 MR 로봇 조종기(오른쪽)

역기구학을 통해 계산한 액추에이터 각도가 제어 프로그램에 전달됩니다. 그 다음에는 다리 부분의 모터가 활성화되고 세 다리 움직임의 조합에 따라 상판이 움직입니다. 상판이 움직인 후, 침투 바늘이 달린 엔드 이펙터(end effector)가 회전하고 기울어져 유방의 모형에 바늘을 삽입할 준비를 합니다. 마지막으로 종양의 위치 정보에 따라 엔드 이펙터의 바늘이 유방 코일로 삽입되어 타겟에 표시를 합니다. 종합하자면 이러한 전체 과정에서 세 가지 모션이 일어나며, 각 모션은 모터 움직임의 조합으로 구성됩니다.

안정성과 안전을 확보하기 위해서는 모든 모션이 동기화되어야 합니다. 뿐만 아니라 구동 전압 신호와 엔코더 신호를 효과적으로 처리하기 위해 편리한 DAQ 장비가 필요합니다. 또한 무엇보다 손쉽게 제어 프로그램을 작성하여 모든 제어 과정을 구현하고 이해하며 효과적으로 모니터링할 수 있어야 합니다. 이러한 이유 때문에 우리는 PCI-6733 보드, PCI-6602 보드, LabVIEW 소프트웨어를 선택했으며 NI 엔지니어 및 DAQ 교육 프로그램의 지원을 받았습니다.

하드웨어 설정

아날로그 출력과 엔코더 신호의 피드백에 두 개의 보드를 사용하여 모터의 PID 제어를 수행했습니다.

그림 3. 하드웨어의 구조

고속 아날로그 출력, 1 MS/s, 16 비트 8채널을 갖춘 PCI-6733 및 32 비트 카운터가 내장된 8채널의 PCI-6602를 사용했습니다.

소프트웨어

제어 프로그림은 LabVIEW를 사용하여 작성했습니다. LabVIEW는 프로그래밍 구문이 훨씬 직관적인 그래픽 단위로 되어 있기 때문에 프로그램을 작성하기가 쉽습니다. 또한 운영자가 여섯 개의 모터를 효과적으로 모니터링할 수 있도록 지원합니다.

그림 4. LabVIEW의 PID 제어 프로그램

기술 지원이 필요할 경우에는 NI 엔지니어 서비스와 DAQ 및 신호 컨디셔닝 교육과정 등의 교육 프로그램이 큰 도움이 되었습니다.

결론

LabVIEW를 사용함으로써 제어 프로그램을 용이하게 구축할 수 있었습니다. 그래픽 VI는 프로그램을 매우 효율적으로 이해하는 데 유용합니다. 프로그램 운영자가 프런트패널을 사용하면 편리하게 로봇을 구동하고 제어 과정을 모니터링할 수 있습니다. DAQmx 채널 생성(CI-POSITION-Angular-Encoder) VI를 사용하여 효과적인 엔코더 신호 피드백을 수행했습니다. 또한 PID VI를 통해 신속하게 PID 제어 기능을 구현할 수 있었습니다. 경로 분리 방식으로 동기화 문제도 해결했습니다. 동기화 요건을 충족시켜야 하는 모션 내에서 각 모터가 움직이며 바꾸는 모든 각도를 수백 개 ~ 천 개에 이르는 경로로 분리하였습니다. 모터 각도의 각 경로에는 LabVIEW 시스템 클럭으로 카운트한 똑같은 초 수를 할당합니다. 움직인 각도를 전부 합한 것이 모터의 동기화 움직임이 됩니다.

프로토타입 로봇에서는 합리적인 에러 수준(2 mm 이하)의 뛰어난 위치 제어 성능을 구현할 수 있었습니다. 이 에러에 대해서는 알고리즘 및 기계적인 관점에서 논의가 이루어질 것입니다.

저자 프로필:

Junggun Kim

Department of Biomedical Engineering, National Cancer Center

Ilsan

solafide@ncc.re.kr

출처. 한국내쇼날인스트루먼트 http://www.ni.com

 
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Posted by on December 24, 2015 in CaseStory

 

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[사례연구] LIG Nex1사의 NI CompactRIO을 활용한 자율형 해저 무인 잠수정(AUV) 개발

“우리는 CompactRIO, LabVIEW, PXI Express를 사용하여 알고리즘 테스트와 HIL 테스트를 위한 AUV 플랫폼을 성공적으로 개발할 수 있었습니다.”

– Moon Hwan Kim, Maritime R&D Lab, LIG Nex1 Co., Ltd

 

해결 과제:

최소한의 비용으로 신속하게 알고리즘 테스트 베드를 구축하기 위해 유연한 인터페이스, 신뢰성 높은 소프트웨어, 높은 활용도를 갖춘 자율형 무인 잠수정(AUV)의 프로토타입을 제작하는 것 입니다.

솔루션:
CompactRIO 하드웨어와 LabVIEW FPGA Module을 사용하여 손쉽게 알고리즘을 제어하고 NI HIL 시스템으로 AUV 모션 테스트 플랫폼을 개발함으로써 개발 및 테스트 시간을 절감합니다.

 

저자:
Moon Hwan Kim – Maritime R&D Lab, LIG Nex1 Co., Ltd

LIG Nex1

LIG Nex1은 1976년에 설립된 이후 한국 첨단 방위 산업 분야의 발전을 선도해 왔습니다. LIG Nex1은 C4I, ISR, PGM, EW, 항공 전자 공학을 포함하여 사실상 군사 작전의 모든 영역에서 핵심 원천 기술과 첨단 무기 시스템을 개발함으로써 한국의 국방 역량을 향상시키는데 기여해 왔습니다. LIG Nex1는 2014년에 LIG Nex1 AUV를 새로운 비즈니스 영역으로 개발하기 시작했습니다.

배경 지식

통계 포털에서 실시한 조사에 따르면 지난 14년간 해양 사고로 사망한 사람의 수는 9,856명에 달합니다. 최근에 발생한 대형 해양 사고로는 2014년 4월 16일의 세월호 침몰을 꼽을 수 있습니다. 한국의 여객선이 476명의 승객과 24명의 선원을 싣고 인천에서 제주도로 항해하던 도중에 전복된 사건입니다. 구조팀의 노력에도 불구하고 강한 바람, 비, 안개, 낮은 수온 때문에 290명의 사상자를 낳는 큰 재앙이 되고 말았습니다. 빠른 해류 등의 해양 조건 때문에 구조 작업에 많은 난항을 겪었습니다. 우리는 자율형 무인 잠수함(AUV)이 있었다면 인명 구조와 위험한 해양 조건 극복에 큰 도움이 되었을 것이라 생각했습니다. 따라서 최소한의 비용으로 신속하게 알고리즘 테스트를 위한 프로토타입 AUV를 제작하고자 했습니다.

기존의 무인 항공기(UAV)나 무인 지상 차량(UGV)과는 달리, AUV는 특수한 해양 환경에 맞는 추가적인 설계 파라미터를 고려해야 한다는 어려움이 있습니다. 우선 수중에서 GPS를 사용하기가 쉽지 않기 때문에 AUV에는 모션 제어를 위한 높은 정밀도의 관성 항법 시스템 (Inertia Navigation System, INS) 이 필요합니다. 두 번째로 AUV에는 전기 장치를 염수에서 보호할 수 있도록 물이 새지 않는 바디가 필요합니다. 세 번째로 AUV는 유체 저항을 받기 때문에 UAV나 UGV보다 많은 에너지를 소모합니다. 이것은 AUV의 작동 시간과 움직임 범위가 한정될 수밖에 없다는 의미입니다. 마지막으로 AUV를 테스트하기 위해서는 현장으로의 이동, 진수, 바다로부터의 회수 등이 필요하므로 많은 비용이 듭니다. 따라서 실제 AUV 하드웨어 시스템을 개발하고 현장에서 테스트하는 것은 매우 복잡한 작업입니다.

CompactRIO와 LabVIEW로 AUV 개발하기

AUV는 유도 항법 및 제어(GNC), 추진, 통신, 감지 시스템으로 구성되어 있습니다. 이러한 시스템 중에서 GNC는 다른 모든 구성요소와 통신하며 동작을 제어하여 주어진 미션을 달성합니다. 따라서 GNC는 뛰어난 처리 및 멀티태스팅 기능을 갖추고 있으며 다양한 통신 방법을 지원해야 합니다. CompactRIO LabVIEW FPGA Module을 사용함으로써 MathWorks, Inc. MATLAB®을 기반으로 한 알고리즘을 손쉽게 컨트롤러를 통해 구현할 수 있었으며, 그 결과 개발 시간을 18개월에서 3개월로 크게 단축할 수 있었습니다.

AUV GNC 프로토타이핑

우리가 개발한 GNC 장비는 CompactRIO 컨트롤러와 삽입 가능한 인터페이스 모듈로 구성되어 있습니다. GNC 컨트롤러는 최대 10 ms의 루프 시간 주기로 11개 이상의 기기와 인터페이스 해야 합니다. CompactRIO 컨트롤러는 인터페이스 모듈을 변경하여 인터페이스를 설정합니다. (예를 들어 시리얼 통신, 아날로그 입력 또는 출력). 따라서 개발중에 발생하는 구성요소 변경에 따른 인터페이스 변경에 유연하게 대처할 수 있습니다. 또한 GNC 소프트웨어도 부분적 업데이트를 통해 전체 구조를 유지할 수 있습니다.

 

 

그림 1. LIG Nex1 AUV는 길이 2.2 m, 직경 8 in.의 어뢰 타입 AUV입니다. 부유 상태의 무게는 68 kg입니다.

표 1. LIG Nex1 AUV의 구성요소 목록

표 2. 구성요소 인터페이스 타입의 목록

LabVIEW를 기반으로 한 GNC 소프트웨어

우리는 LabVIEW Real-Time Module로 리얼타임 OS (RTOS)에서 작동하는 GNC 소프트웨어를 설계하습니다. LabVIEW는 뛰어난 안정성을 바탕으로 하여 여러 분야의 시스템 개발에 활용되어 온 솔루션입니다. 고도 및 위치 제어를 위한 제어 시스템에는 결정성이 높은 루프 시간이 필요하기 때문에 GNC는 RTOS를 지원해야 합니다.

LabVIEW의 기능은 VI 파일로 나타냅니다. 그림 2는 GNC 소프트웨어의 VI 구조를 나타냅니다. Control.vi와 Naviation.vi는 제어 및 항법 알고리즘의 서브루틴입니다. HCL.vi는 HCL 알고리즘을 구현하는 VI입니다. OPlogic.vi와 Data Recording.vi는 작동 상태를 관리하고 원 데이터를 기록합니다. SSS와 추가적인 장비는 Equipment.vi에서 관리합니다. 모든 서브루틴 VI는 Main.vi에서 제어합니다. 작업 사이에서 데이터를 교환할 때는 대부분 프로세스 공유 변수를 사용합니다.

 

그림 2. LIG Nex1 AUV의 VI 구조

결정성있는 루프 시간을 확보하기 위해 Timed 루프 구조와 자가 콜백 멀티스레드를 사용하여 기본 루프 설정에 정밀한 루프 시간을 구현했습니다.

 

그림 3. MathScript Node가 있는 Timed 루프 구조

 

GNC 소프트웨어는 MATLAB 시뮬레이션 코드와 호환이 되어야 소프트웨어 마이그레이션 작업을 최소화하하고 시뮬레이션과 테스트 작업을 손쉽게 수행할 수 있습니다. MATLAB을 시뮬레이션 언어로 사용하는 경우, 코드를 C/C++로 변환해야 합니다. 이것은 사소한 문제처럼 보일 수도 있습니다. 그러나 항법과 제어 알고리즘에는 정확한 계산이 필요하기 때문에코드 변환 과정이 추가되면 알고리즘에 예상치 못한 에러가 발생할 수 있습니다. MATLAB과 LabVIEW를 조합함으로써 신속한 프로토타입이 가능했습니다.

 

그림 4. 지상에 있는 원격 제어 시스템 프로그램은 LabVIEW를 사용하여 주기적으로 HCL과 통신하고, 미션을 제어하며, AUV의 상태를 모니터링합니다.

NI PXI 기반 HIL 테스트 시스템을 사용하여 테스트 시간과 비용 절감

AUV 테스트를 하려면 현장으로의 이동, 진수, 바다로부터의 회수 등이 필요하므로 많은 비용이 듭니다. 따라서 실제 AUV 하드웨어 시스템을 개발하고 현장에서 테스트하는 것은  쉽지 않습니다. 우리는 NI RTOS를 갖춘 PXI Express 시스템을 사용하여 AUV 모션 테스트 HIL 플랫폼을 개발했으며 보통 1달 이상의 시간이 소요되는 무인 잠수함 테스트를 1주 이내에 성공적으로 완료했습니다.

대체적으로 짧은 시간 내에 뛰어난 안정성을 요구하는 시스템을 개발할 때에는 HIL 테스트를 실시합니다. 그림 6은 비행 모션 시뮬레이터(FMS), IMU, LIG Nex1 AUV의 HIL 테스트 설정을 보여줍니다. 우리는 통합 시스템의 성능을 확인하는 데에도 똑같은 테스트 시나리오를 적용했습니다. 깊이는 0에서 5 m로, 헤딩은 0°에서 180°로 변경되었습니다.

LIG Nex1은 2013년 이후 NI PXI Express 시스템을 FMS 리얼타임 컨트롤러로 채택해 왔습니다. LabVIEW Real-Time을 기반으로 하여 HIL 테스트 소프트웨어를 개발했으며 3년간 다양한 수중운동체들을 성공적으로 테스트해왔습니다. AUV 프로젝트에서는 기존의 리얼타임 소프트웨어와 MathScript를 기반으로 한 코드 합성 방식을 결합하여 AUV HIL 시스템을 개발하였습니다. 이것은 M&S SW 툴의 핵심 모델이 HIL 시스템에 적용되었다는 의미입니다. 현장 엔지니어의 관점에서 보면 이것은 알고리즘 개발의 측면에서 혁신적인 변화입니다. 이 솔루션을 사용하여 알고리즘 설계에서 HIL 테스트에 이르기까지 1주일 안에 항법 알고리즘을 개발할 수 있었습니다.

 

그림 5. HIL 테스트 결과

그림 6. HIL 시스템의 설정과 LIG Nex1 AUV의 HIL 테스트 장면

참고. LIG Nex1 AUV의 HIL 테스트 영상

실제 테스트를 시작하기 전에 HIL 테스트를 통해 검증을 완료함으로써 첫 번째 수조 테스트를 성공적으로 완료할 수 있었습니다. 과거에는 수조 테스트에서 발생한 문제를 해결하기 위해 여러 차례 테스트를 반복해야 했습니다. 이렇게 여러 번 테스트를 반복했기 때문에 테스트 시간이 길어지고 테스트 비용이 상승하는 결과를 낳았습니다. 그러나 AUV 프로젝트에서는 HIL 시스템을 통해 충분한 검증을 실시했기 때문에 첫 번째 수조 테스트에서 성공을 거둠으로써 개발 시간을 크게 단축하게 되었습니다.

 

그림 7. 탱크 작동 테스트

향후 계획

AUV와 같은 솔루션을 개발하는 것은 해양 사고가 발생하지 않도록 방지하고 보다 효과적으로 대응하려고 노력하는 엔지니어들에게 가장 큰 과제 중 하나입니다. 우리는 CompactRIO, LabVIEW, PXI Express를 사용하여 알고리즘 테스트와 HIL 테스트를 위한 AUV 플랫폼을 성공적으로 개발할 수 있었습니다. 우리는 이 솔루션을 개방형 아키텍처 기반 솔루션으로 확대하고, 다양한 학술 및 산업 연구 시설에 제공하여 AUV 관련 어플리케이션을 개발할 때 사용할 수 있도록 할 계획입니다. 우리가 개발한 솔루션을 기반으로 하여 업계의 여러 기관이 해양 작업 수행을 위한 다양한 솔루션을 개발할 수 있기를 기대합니다.

 

 

저자 프로필:
Moon Hwan Kim
Maritime R&D Lab, LIG Nex1 Co., Ltd
moonanikim@lignex1.com

 

 

 
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Posted by on November 23, 2015 in CaseStory, Unmanned

 

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내쇼날인스트루먼트-에스트로닉스, 항공우주 및 국방 테스트 시스템 협력

내쇼날인스트루먼트(이하, NI)와 에스트로닉스(Astronics Corporation)의 자회사인 에스트로닉스 테스트 시스템은 항공 우주 산업용 PXI 기반 제품 개발을 위해 협력키로 했다고 발표했다.

NI측은 ”테스트 시스템 통합에서 강점을 보이는 에스트로닉스(Astronics)와 PXI 기반 자동화 테스트 시스템 업계를 선도하는 NI가 손을 잡음으로써 자동화 테스트 장비(ATE) 어플리케이션 분야에서 동급 최강의 포트폴리오를 선보일 것”이라고 전했다.

Astronics에서 새로 출시한 PXI Express용 FTIC (Frequency Time Interval Counter)는 이러한 협력 작업의 초기 결과물이며, 향후에도 기존VXI의 PXI 계측기 이행 작업이 예정되어 있다.

양사의 협력 작업을 통해 처음 선보이게 된 제품은 Astronics VXIbus 200 MHz Universal Counter를 모델로 한 PXI Express용 Astronics FTIC (Frequency Time Interval Counter)다. TPS와의 긴밀한 통합이 가능하도록 설계된 이 계측기는 기존의 VXI 기반 FTIC를 대체할 수 있다. 최신 PXI 기반 서브시스템에서도 동일한 성능을 제공한다. 이 업그레이드는 기존의 VXI 모듈에 아날로그 회로, 펌웨어, 드라이버 소프트웨어를 사용하여 진행됐다. Astronics의 PXI Express용 FTIC 및 향후 양사의 협력으로 개발되는 제품들과 지원 서비스는 전 세계 NI 판매 채널을 통해 구매할 수 있다.

에스트로닉스 테스트 시스템의 짐 물루토(Jim Mulato) 사장은 “VXI에서 PXI로의 이행을 통해 테스트 프로그램 세트(TPS)에 대한 기존 투자를 계속 활용하는 동시에 오래된 계측기를 원활하게 업그레이드할 수 있다.”고 밝히고, ”PXI 업계의 강자인 NI와 협력함으로써 상용과 군용 제품 사이의 간극을 줄이는 한편 DoD 테스트 시스템의 장기적인 지속가능성을 확보할 수 있게 됐다.”고 말했다.

NI의 글로벌 영업 및 마케팅 총괄 부사장인 에릭 스타크로프(Eric Starkloff)는 ”NI와 Astronics의 협력을 통해 개발되는 제품과 소프트웨어 설계 및 합성 계측기에 대한 지속적인 투자를 통해 현재 사용되는 테스트 프로그램의 수명을 크게 연장할 수 있게 될 것”으로 기대한다고 밝혔다.

아이씨엔 매거진 오윤경 기자 news@icnweb.co.kr

 
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Posted by on November 19, 2015 in NewProducts, Power

 

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