차량용 분산 실시간 시스템의 정적 태스크 할당 및 스케줄링 방법에 관한 연구

Abstract

차량용 전자제어 어플리케이션의 규모가 급속히 확대됨에 따라, 차량에 탑재되는 전자제어장치의 개수가 급속도로 증가하고 있으며, 이는 설계 및 개발 비용의 증가로 이어지고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 적은 수의 전자제어장치를 이용하여, 큰 규모의 차량용 분산제어시스템을 효율적으로 운영할 수 있는 설계 및 개발 기술의 확립이 요구되고 있다. 이 연구에서는 복잡한 차량용 제어 어플리케이션을 여러 개의 마이크로컨트롤러로 구성된 차량 분산제어시스템에 효과적으로 분산시킬 수 있는 설계 방법을 제안하고, 분산제어 플랫폼 상에서 제어 알고리즘을 효율적으로 설계하고 검증할 수 있는 개발 환경의 구축을 목표로 한다. 이를 위하여 첫번째로, 시분할 방식의 분산제어시스템 설계 기법을, 현재 차량용 제어기 소프트웨어 플랫폼으로 광범위하게 적용되고 있는 고정우선순위 방식의 OSEK-OS와 CAN으로 확장하기 위하여, CAN 기반으로 구현할 수 있는 수준의 동기화를 고려한 분산구조 상에서의 태스크와 메시지 응답시간해석 모델을 제시하였다. 다중 주기로 구성된 차량용 어플리케이션을 고려하였으며, 데이터 일관성 (data consistency)과 종단간 마감시간 (end-to-end deadline)을 설계 구속조건으로 정의하였다. 설계요구에 최적화된 어플리케이션 분산결과를 효과적으로 도출하기 위하여 태스크 응답시간과 프로세서 사용률, 네트워크 사용률을 어플리케이션 분산 인자로 고려하였다. 또한, 분산알고리즘으로 결정된 태스크 및 메시지의 시작시간과 우선순위 관계를 기반으로 고정우선순위방식의 스케줄링 인자인 주기, 오프셋, 우선순위ㄹ.ㄹ 도출하기 위한 알고리즘을 개발하였다. 둘째로는, 제어 어플리케이션 개발자가 설계 시 고려하기 어려웠던 소프트웨어와 실시간 설계 인자들을 초기 설계단계에 고려할 수 있는 개발 환경을 제시하였다. OSEK-OS와 CAN의 특성을 고려한 Software-in-the-Loop Simulation (SILS) 환경을 제시하였으며, Rapid Control Prototype (RCP) 환경과의 연계를 통하여 설계와 구현 과정을 단일화 하였다. 특히, 제시한 SILS를 RCP와 동일한 플랫폼에서 구현함으로써 기존의 연구와 차별화하였다. 제어기 설계자가 설계 단계에서 제어기 플랫폼의 환경을 용이하게 고려할 수 있는 SILS 환경을 제시함으로써, 효과적인 제어 알고리즘의 설계와 검증을 가능하게 하였다. 제어 알고리즘 설계에서 구현까지의 일련의 개발과정을 동일한 모델과 환경으로부터 가능하도록 함으로써, 개발 과정의 단축과 모델의 재사용성을 향상 시켰다. 마지막으로, 제안된 분산제어시스템의 설계 방법과 개발 프로세스에 따라 도립진자 제어시스템과 섀시 제어시스템을 개발하여 연구결과의 타당성을 검증하였다. 어플리케이션 분산알고리즘을 이용하여 설계요구사항에 부합하는 분산결과를 도출하였으며, 개발된 시뮬레이션 환경을 이용하여 제어알고리즘의 설계 및 검증을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 실제 분산제어기플랫폼에 어플리케이션을 구현하기 위하여 제시된 자동코드 생성환경을 이용하였으며, Hardware-in-the-Loop Simulation (HILS) 환경을 통한 제어성능의 검증을 수행하였다. 최종적으로, 기존의 설계기법을 통하여 개발한 결과와 비교하여 제시된 분산제어시스템의 설계 및 개발 환경의 타당성을 입증하였다.; More and more automotive control systems rely on model-based control and diagnosis technologies due to stringent environmental and safety regulations along with greater customer expectations. The model-based approach is the requirement of more resources, such as computing power and network usage, and has led to the embedment of numerous electronic control units (ECUs) into vehicles, as well as increasing costs for vehicle electronics. Since sophisticated models may require substantial computing power not generally available in individual processors, the distributed computing approach is used with divided models executing multiple processors. Moreover, their execution result must be achieved within a specified deadline, which is brought about by several time constraints: period, end-to-end deadline, precedence relation, and so on. As a result, the selection of efficient architecture and scheduling of applications with complex functional and temporal design requirements are included in such design issues. We have proposed a distributed architecture with roughly synchronized clock which can be realized with a conventional low-cost CAN system to add a synchronization protocol. Application tasks and messages in the proposed architecture are operated based on fixed priority scheduling (FPS) which is a widely used scheduling policy in the automotive area, and their response time model has been described. Using the temporal system model, an application is scheduled onto the proposed platform by heuristic computation and communication resource assignment algorithm. We consider a multi-rate application constrained by several functional and temporal requirements, such as precedence relation, data consistency, period, and end-to-end deadline. The algorithm can consider several design policies for the distributed real-time system, such as minimization local response time, utilization balancing between processors, and network usage. An off-line scheduling result is translated into appropriate FPS attributes in order to guarantee identical temporal behavior to off-line scheduling. We enhance the previous algorithm considering local instance grouping to minimize the number of artifact tasks and messages created to resolve priority conflicts and irregular release instances. A simulation environment has been developed to design and evaluate control or diagnosis logics on the proposed architecture. The Software-in-the-Loop Simulation (SILS) environment consists of a task, OSEK-OS kernel, CAN kernel, and several OS services, such as alarms, events, and messages, which are represented as graphical blocks. The simulation codes for each component execute designed logic considering temporal and function behavior on the proposed platform. In this phase, a simulation result is affected by task execution delays, scheduling delays, and network-induced delays. In addition, in order to achieve seamless development, the OSEK-OS code is automatically built into target execution code by an automatic code generation procedure provided by the RTW embedded coder. In this stage, identical blocks are used at the simulation and code generation process to promote a seamless procedure. In order to evaluate and validate the proposed architecture, design procedure, and method, a cart-pendulum control and diagnosis system and an advanced chassis control system have been employed. The cart-pendulum application was developed with a linear quadratic regulator and a systematic structural approach to generate numerical analytical redundancy relations. In this application we validated that the proposed procedure can improve traditional design and implementation methodology. The advanced chassis control system consists of electronic stability control, electro-mechanical brake, continuous damping control, and electronic air suspension. We assume that the hardware architecture is constrained by the physical location of sensors and actuators. The proposed scheduling algorithm resolves the application to satisfy the design requirements. As a result, we obtained satisfactory results based on the proposed distributed platform.