KR101237018B1

KR101237018B1 - 이더캣의 멀티채널 통신을 기반으로 하는 시뮬레이터

Info

Publication number: KR101237018B1
Application number: KR1020100138643A
Authority: KR
Inventors: 이종배; 김봉석; 임선
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2013-02-26
Also published as: KR20120076885A

Abstract

본 발명은 가상의 현실 환경을 조성해서 작업자에게 실체감 있는 주변 환경을 제공하고, 이렇게 제공되는 상기 주변 환경을 기초로 특정 기구에 대한 실습을 수행할 수 있도록 하는 이더캣의 멀티채널 통신을 기반으로 하는 시뮬레이터에 관한 것으로, 본체(110)와; 본체(110)의 기계적 동작을 위한 출력수단(120)과; 페달(131, 132), 조이스틱(133, 134), 스위치(135) 및 조그 다이얼(136) 중 선택된 하나 이상의 입력수단(130)을; 갖춘 구동장치(100): 입력수단(130)의 동작을 감지해서 조작신호를 발하는 동작센서(200): 상기 조작신호를 수집하는 수집장치(300): 영상이미지 데이터를 출력하는 영상이미지 출력장치(400): 및 제어신호에 따라 출력수단(120)을 제어하는 모션제어모듈(510)과; 제어신호에 따라 영상이미지 출력장치(400)를 제어하는 영상제어모듈(520)과; 상기 조작신호를 처리해서 모션제어모듈(510)과 영상제어모듈(520)에 각각 상기 제어신호를 전송하는 처리모듈(530)을 갖춘 제어장치(500):를 포함하는 시뮬레이터에 있어서, 상기 수집장치(300)는 상기 조작신호의 발/수신을 위해, 동작센서(200) 및 제어장치(500)와 각각 유선 연결되는 다수의 포트를 포함하고; 상기 수집장치(300)는 이더캣 통신채널 형성을 위한 이더캣 슬래이브 모듈(310)과, CAN(Controller Area Network) 통신채널 형성을 위한 CAN 통신모듈(320)과, Uart(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 통신채널 형성을 위한 Uart 통신모듈(330)을 포함하는 것이다.

Description

이더캣의 멀티채널 통신을 기반으로 하는 시뮬레이터 {SIMULATOR BASED ON ETHERCAT MULTICHANNEL NETWORK}

본 발명은 가상의 현실 환경을 조성해서 작업자에게 실체감 있는 주변 환경을 제공하고, 이렇게 제공되는 상기 주변 환경을 기초로 특정 기구에 대한 실습을 수행할 수 있도록 하는 이더캣의 멀티채널 통신을 기반으로 하는 시뮬레이터에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, FA(Factory Automation) 시스템에서 입출력 레벨의 장치들은 직접 배선하는 방법들을 사용하였다. 하지만 최근에는 통신기술의 발달과 설치의 편리성 및 비용 절감 등의 이유로 네트워크를 통해 복수의 장치들을 서로 연결하여 동작시키고 있다.

일반적으로 TCP/IP 기반의 멀티채널 A/D, D/A보드 등이 개발 및 양산되어 사용되고 있는데, 사용되는 네트워크에 다양한 기기가 더해질수록 TCP/IP 기반의 네트워크에서는 실시간성이 지수적으로 떨어지게 된다.

한편, 시뮬레이터는 작업자에게 특정 기기를 직접 조작하지 않고도 상기 특정 기기에 대한 조작법을 실습할 수 있도록 하는 것으로, 도 3(본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이터를 보인 이미지)에서 보인 바와 같이, 작업자가 직접 탑승함으로서 해당 특정 기기를 조작하는 듯한 충격과 흔들림을 인식할 수 있는 균형적 환경은 물론, 작업자가 눈으로 보고 인식할 수 있는 시각적 환경과, 귀로 듣고 인식할 수 있는 청각적 환경을 제공한다.

그런데, 시뮬레이터가 이러한 환경을 제공하기 위해서는 해당하는 다양한 종류의 기기를 구비해야 하고, 이러한 기기들은 작업자가 상기 환경들을 동시에 인식할 수 있도록 설치되어야 한다. 하지만, 앞서 언급한 바와 같이, TCP/IP 기반 네트워크에서는 기기가 더해질수록 실시간성이 저하되므로, 시뮬레이터가 다양한 상기 환경들을 작업자에게 동시 인식시키는데 실패 가능성이 높아지는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해소하기 위해 종래에는 시뮬레이터를 단독으로 배치해서 다른 통신라인과의 연결을 차단하고, 시뮬레이터를 제어하기 위한 PC(네트워크와 연결) 등은 시뮬레이터와의 직접 통신을 위한 별도의 전용 PCI 카드를 구입해서 장착했다.

또한, 다수의 시뮬레이터를 구비할 경우, 통신 부하의 가능성 때문에 상기 다수의 시뮬레이터를 연결하는 네트워크는 다른 네트워크와의 연결이 곤란했고, 이를 통해 다수 시뮬레이터의 일괄 관리가 쉽지 않은 문제가 있었다. 물론, 앞서 언급한 바와 같이 상기 시뮬레이터들의 일괄적인 관리를 위해 네트워크로 연결해야 할 경우, 별도의 독립된 산업용 네트워크를 채용하며 이를 사용하기 위해 시뮬레이터 또는 PC에는 상기 산업용 네트워크 전용 PCI 카드를 설치해야 하는 불합리함이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 기존의 TCP/IP 기반이 갖는 시간지연과 실시간성의 비보장성을 극복하고, 다수의 아날로그 및 디지털 채널을 확장시켜서, 안정된 시뮬레이션 실행이 가능하도록 된 이더캣의 멀티채널 통신을 기반으로 하는 시뮬레이터의 제공을 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

본체와; 본체의 기계적 동작을 위한 출력수단과; 페달, 조이스틱, 스위치 및 조그 다이얼 중 선택된 하나 이상의 입력수단을; 갖춘 구동장치: 입력수단의 동작을 감지해서 조작신호를 발하는 동작센서: 상기 조작신호를 수집하는 수집장치: 영상이미지 데이터를 출력하는 영상이미지 출력장치: 및 제어신호에 따라 출력수단을 제어하는 모션제어모듈과; 제어신호에 따라 영상이미지 출력장치를 제어하는 영상제어모듈과; 상기 조작신호를 처리해서 모션제어모듈과 영상제어모듈에 각각 상기 제어신호를 전송하는 처리모듈을 갖춘 제어장치:를 포함하는 시뮬레이터에 있어서,

상기 수집장치는 상기 조작신호의 발/수신을 위해, 동작센서 및 제어장치와 각각 유선 연결되는 다수의 포트를 포함하고;

상기 수집장치는 이더캣 통신채널 형성을 위한 이더캣 슬래이브 모듈과, CAN(Controller Area Network) 통신채널 형성을 위한 CAN 통신모듈과, Uart(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 통신채널 형성을 위한 Uart 통신모듈을 포함하는 시뮬레이터이다.

본 발명은 시뮬레이터 본체에 설치된 입력수단에서 발생하는 조작신호를 수집하는 수집장치와 시뮬레이터의 제어모듈 사이를 이더캣 네트워크로 통신함으로써, 시뮬레이터 본체의 동작에 대한 시간지연이 최소화되어 시뮬레이터 동작의 실시간성이 보장되고, 이더켓 기반의 채널 이외에 다양한 통신환경의 채널이 적용되어서 특정 통신환경으로 제한된 단말기에 대한 활용 및 확장이 가능한 효과가 있다.

또한, 수집장치에 이더캣 슬레이브 모듈을 장착하여 별도의 하드웨어 장착 없이 다수의 아날로그 및 디지털 채널을 확장할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 이더캣 기반의 수집장치를 사용함으로써 하나의 모션제어모듈과 영상제어모듈로 다수의 시뮬레이터를 구동할 수 있어 경제적이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예인 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도이고,
도 2는 본 발명의 수집장치(300)의 일 실시 예를 도시한 블록도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이터를 보인 이미지이다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정하 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예인 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 수집장치(300)의 일 실시 예를 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이터를 보인 이미지인 바, 이를 참조해 설명한다.

본 발명의 일 실시 예인 시뮬레이터는 작업자가 탑승하고 그 조작이 이루어지는 구동장치(100)와, 구동장치(100)의 동작을 확인하는 동작센서(200)와, 동작센서(200)의 조작신호를 수신하는 수집장치(300)와, 영상이미지 출력장치(400)와, 조작신호에 따라 구동장치(100) 및 영상이미지 출력장치(400) 등을 제어하는 제어장치(500)로 구성되어 있다.

구동장치(100)는 탑승한 작업자를 지지하면서 외형의 구조물을 이루는 본체(110)와, 작업자가 흔들림 또는 기울어짐 등을 느낄 수 있도록 본체(110)에 외력을 가하는 출력수단(120)과, 본체(110)에 탑승한 작업자가 시뮬레이션에 따른 신호입력이 가능하도록 하는 입력수단(130)으로 구성된다.

본체(110)는 도 3에서 보인 바와 같이 작업자가 안정적으로 탑승할 수 있도록 제작된 구조물로, 단순한 철골구조일 수도 있고, 함체 형상을 이룰 수도 있다.

출력수단(120)은 본체(110)를 지지하면서 본체(110)에 진동을 가하거나 기울어지도록 하는 것으로, 통상적인 바이브레이터 또는 액추에이터가 적용될 수 있다.

입력수단(130)은 작업자가 시뮬레이션을 보고 느끼면서 특정 기기를 제어하듯이 조작할 수 있는 물리적인 기기로, 일반적인 좌우 페달(131,132), 좌우 조이스틱(133,134), 스위치(135) 또는 조그 다이얼(136) 등이 구성될 수 있다. 참고로, 본 발명에 따른 시뮬레이터는 특정 기기의 시뮬레이션을 위한 것이므로, 입력수단(130)은 상기 특정 기기의 입력수단에 상응하는 하드웨어가 적용되어야 함은 당연할 것이다. 일 예로 자동차 시뮬레이터를 구성한다면 상기 입력수단(130)은 핸들, 페달(엑셀레이터, 클러치, 브레이크) 등으로 구성될 수 있으며, 다른 예로 항공기 시뮬레이터를 구성한다면 상기 입력수단(130)은 조종간 및 각종 스위치 등으로 구성될 수 있을 것이다.

동작센서(200)는 입력수단(130)의 동작 여부를 확인해서 해당 동작에 따른 고유한 조작신호를 생성 및 발신하는 것으로, 입력수단(130) 각각의 동작 여부를 감지해야 하므로 입력수단(130)의 구성 개수에 상응하는 개수가 구비되어야 할 것이다. 여기서, 동작센서(200)는 입력수단(130)의 종류와 동작 내용에 따라 다양한 종류가 적용될 수 있고, 이를 통해 해당 동작센서(200)로부터 발신되는 조작신호는 특정한 통신환경에서만 허용되는 신호일 수도 있다.

수집장치(300)는 상기 조작신호의 발/수신을 위해, 동작센서(200) 및 제어장치(500)와 각각 유선 연결되는 다수의 포트를 포함하고, 아울러 이더캣 채널 형성을 위한 이더캣 슬래이브 모듈(310)과, CAN(Controller Area Network) 채널 형성을 위한 CAN 통신모듈(320)과, Uart(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 채널 형성을 위한 Uart 통신모듈(330)을 포함한다.

이더캣(EtherCAT; Ethernet for Control Automation Technology)은 산업용 이더넷(Ethernet)의 한 종류로서, 빠른 데이터의 업데이트 기능을 가지면서 복수의 장치들 사이의 동기 제어가 가능한 통신환경이다. 따라서, 이더켓 기반의 통신환경 적용을 통해 다수의 동작센서(200)로부터 발신되는 다수의 조작신호를 실시간으로 수집하고 이를 다시 제어장치(500)로 실시간 발신할 수 있다. 물론, 제어장치(500)는 실시간으로 수신된 조작신호에 따라 구동장치(100)와 영상이미지 출력장치(400)를 실시간으로 제어함으로서, 시뮬레이터 작업자는 자신의 입력수단(130) 조작에 맞춰 구동장치(100)의 움직임과, 영상이미지 출력장치(400)의 영상이미지를 체감할 수 있고, 이를 통해 작업자는 현장에서 느낄 수 있는 작업환경과 유사한 작업환경에서 해당 시뮬레이터에 적용된 특정 기기에 대한 현실감 있는 실습을 진행할 수 있는 효과가 있다.

CAN(Controller Area Network; 계측 제어 통신망) 통신은 ISO 11898의 physical layer이며 저렴한 비용의 고 신뢰성을 제공하는 비동기 통신 방식의 일종이다. 본 발명에 따른 수집장치(300)는 CAN통신 기반의 입출력 설정 및 신호의 크기를 설정할 수 있는 디지털 신호처리 코어(Digital Signal Processing Core)모듈(321)를 더 포함할 수 있고, 이를 통해 CAN통신 채널을 통해 발/수신되는 신호의 범위를 조정할 수 있다.

UART(Universal Asynchronous Receiver & Transmitter)는 대부분의 PC가 IP로 내장하고 있는 통신 인터페이스로서, Tx와 Rx 포트만을 운영하여 비동기식으로 동작하는 직렬통신이며, 타이밍을 중심으로 데이터를 송수신한다. 일반적으로 PC에서 말하는 시리얼 통신이란 UART를 기반으로 한 통신이다.

이러한 다양한 통신환경을 갖춘 수집장치(300)는 특정한 형식의 조작신호를 발신하는 동작센서(200)와의 통신이 가능하고, 이를 통해 다양한 형식과 형태의 동작센서(200)를 적용할 수 있는 범용성을 갖는다.

영상이미지 출력장치(400)는 작업자가 전방에서 가시할 수 있도록 구동장치(100)에 설치되거나 구동장치(100)와 인접한 위치에 설치되는 디스플레이어를 포함하는 통상적인 장치이다. 일반적으로 프로젝터가 활용될 수 있을 것이나, 이에 한정하는 것은 아니며, 통상적인 영상이미지 데이터를 수신해서 이를 출력할 수 있도록 된 것이라면 이하의 권리범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변형실시될 수 있을 것이다. 참고로, 영상이미지 출력장치(400)는 프로젝터 이외에 LCD 모듈과 같은 통상적인 디스플레이어가 적용될 수도 있다.

제어장치(500)는 구동장치(100)의 동작을 제어하는 모션제어모듈(510)과, 영상이미지 데이터가 실행되도록 영상이미지 출력장치(400)를 제어하는 영상제어모듈(520)과, 상기 조작신호에 따라 모션제어모듈(510) 및 영상제어모듈(520)의 동작 제어를 위한 제어신호를 발하는 처리모듈(530)로 구성된다.

모션제어모듈(510)은 구동장치(100) 특히 출력수단(120)의 동작을 제어하는 것으로, 상기 제어신호에 따라 본체(110)의 물리적인 움직임이 발생한다.

영상제어모듈(520)은 영상이미지 출력장치(400)가 특정 영상이미지 데이터를 출력할 수 있도록 제어하는 것으로, 영상제어모듈(520)은 해당 조작신호에 따른 특정한 제어신호를 영상이미지 출력장치(400)로 전송하고, 영상이미지 출력장치(400)는 당해 제어신호에 따라 영상이미지를 연출 및 출력할 것이다.

도 2를 참조하면 수집장치(300)는 이더캣 슬레이브 모듈(310)과, 상기 수집장치(300)는 이더캣 채널 형성을 위한 이더캣 슬래이브 모듈(310)과, CAN 통신모듈(320)과, Uart 통신모듈(330)을 포함한다.

동작센서(200)로부터의 조작신호 수신을 위해, 수집장치(300)는 0V ~ +5V까지의 아날로그 입력이 인가될 수 있는 24채널, -10V ~ +10V까지 차동 입력을 위해 아날로그 입력이 인가될 수 있는 6채널, -10V ~ +10V까지 아날로그 출력을 발생시킬 수 있는 12채널 형성을 위한 A/D 또는 D/A 컨버터를 더 포함하고, 아울러 0V 또는 24V 전용 디지털 입출력 포트와, 수집장치(300)와 제어장치(500) 사이의 통신을 위한 하나 이상의 LAN 방식의 포트를 더 포함한다. 따라서, 수집장치(300)는 다양한 입력수단(130)의 동작을 감지하는 동작센서(200)의 아날로그 및/또는 디지털 형식의 조작신호를 다양한 통신환경 및 채널로 수신할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 수집장치(300)는 그 사용이 시뮬레이터에 한정되지 않고 다양한 아날로그 및 디지털 출력이 발생하는 산업현장에서 사용될 수 있다. 즉 산업 현장의 많은 센서 또는 작업 기계들을 제어하기 위해서 이더캣 슬레이브 모듈이 장착된 이더캣 기반의 DAQ보드 상에 필요한 입/출력 포트 및 채널을 구성시켜서, 각각의 출력들이 실시간으로 제어기(ex. PC)에 전송돼 상황에 맞는 즉각적인 기계들의 제어가 가능하도록 하는 것이다. 또한 별도의 네트워크를 구성할 필요없이 종래 사용되던 이더넷 기반 네트워크의 활용이 가능하므로 보다 경제적인 이점이 있다.

도 3을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이터는 굴삭기 시뮬레이터의 본체(110; 도 1 참고) 부분의 형상을 나타낸 것인데, 본체 하부에는 시뮬레이터의 기계적 움직임을 제어하기 위한 출력수단(120; 도 1 참고)인 모션 플랫폼이 위치하고, 상부에는 시뮬레이터의 움직임을 위해 작업자가 조작할 수 있는 페달, 조이스틱, 각종 스위치 및 조그 다이얼 등이 위치한다.

또한, 도시되어 있지 않지만 본체의 앞 부분에는 영상이미지 출력장치(400; 다수의 LCD 모듈 또는 프로젝터 화면 등)가 위치하여, 시뮬레이터 작업자에게 현장에서 직접 굴삭기를 운전하는 것과 같은 느낌을 가지게 한다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

본체(110)와; 본체(110)의 기계적 동작을 위한 출력수단(120)과; 페달(131, 132), 조이스틱(133, 134), 스위치(135) 및 조그 다이얼(136) 중 선택된 하나 이상의 입력수단(130)을; 갖춘 구동장치(100): 입력수단(130)의 동작을 감지해서 조작신호를 발하는 동작센서(200): 상기 조작신호를 수집하는 수집장치(300): 영상이미지 데이터를 출력하는 영상이미지 출력장치(400): 및 제어신호에 따라 출력수단(120)을 제어하는 모션제어모듈(510)과; 제어신호에 따라 영상이미지 출력장치(400)를 제어하는 영상제어모듈(520)과; 상기 조작신호를 처리해서 모션제어모듈(510)과 영상제어모듈(520)에 각각 상기 제어신호를 전송하는 처리모듈(530)을 갖춘 제어장치(500):를 포함하는 시뮬레이터에 있어서,
상기 수집장치(300)는 상기 조작신호의 발/수신을 위해, 동작센서(200) 및 제어장치(500)와 각각 유선 연결되는 다수의 포트를 포함하고;
상기 수집장치(300)는 이더캣 통신채널 형성을 위한 이더캣 슬래이브 모듈(310)과, CAN(Controller Area Network) 통신채널 형성하고 상기 조작신호의 입출력 및 신호의 크기를 설정하는 디지털 신호처리 코어(Digital Signal Processing Core; 321)를 포함하는 CAN 통신모듈(320)과, Uart(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 통신채널 형성을 위한 Uart 통신모듈(330)을 포함하며;
상기 수집장치(300)는 0V ~ +5V 아날로그 형식의 조작신호를 디지털 형식의 조작신호로 변환하는 24채널 컨버터와, -10V ~ +10V 아날로그 형식의 조작신호를 차동입력 받아 디지털 형식의 조작신호로 변환하는 6채널 컨버터와, 디지털 형식의 조작신호를 -10V ~ +10V 아날로그 형식의 조작신호로 변환하는 12채널 컨버터 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 수집장치(300)의 포트는 0V 또는 24V 디지털 형식의 조작신호가 입출력되도록 된 것을 특징으로 하는 시뮬레이터.