통합 시뮬레이션·테스트 플랫폼으로 무인 차량 제어시스템 혁신

**1. 서론** 무인 차량(자동차, 보트, 고정익, 멀티콥터 등)은 민·군 양 분야에서 급격히 확대되고 있으나, 안전성 확보가 가장 큰 과제로 남아 있다. 특히, 하드웨어 중복을 위한 여유가 제한적인 경우 소프트웨어 기반 중복과 복잡한 제어 로직에 의존하게 되며, 이로 인해 제어 시스템의 신뢰성 검증이 필수적이다. 기존에는 실험 기반 테스트가 주를 이루었지만, 비용·시간·위험성 측면에서 비효율적이며, 센서 고장·환경 변동 등 희귀한 결함을 충분히 검증하기 어렵다. **2. 통합 모듈식 모델링 방법** 저자는 모든 무인 차량을 ‘제어 시스템·센서·액추에이터·차량 본체·환경’ 다섯 개 레이어로 추상화하고, 각 레이어를 다시 ‘동역학·공기역학·구동·전기·통신’ 서브시스템으로 분해한다. 각 서브시스템은 파라미터화된 블록으로 구현되며, 실험 데이터를 이용한 식별 절차(예: 비행 테스트, 지상 주행 테스트)를 통해 파라미터를 보정한다. 이렇게 하면 동일한 모델링 프레임워크를 사용해 고정익, 멀티콥터, 자동차 등 다양한 플랫폼에 적용할 수 있다. **3. Model‑Based Design 기반 소프트웨어 개발** Simulink/Matlab을 활용한 모델 기반 설계(MBD) 환경을 구축한다. 설계자는 블록 다이어그램으로 제어 로직과 서브시스템 인터페이스를 정의하고, 자동 코드 생성 툴(Embedded Coder 등)을 통해 실시간 임베디드 코드와 인터페이스 코드를 자동으로 생성한다. 자동 생성된 코드는 DO‑178C, ISO‑26262 등 안전 표준을 만족하도록 설정 가능하며, 수작업 코딩 오류를 최소화한다. 또한, 모듈 단위 테스트와 연속 통합(CI) 파이프라인을 적용해 소프트웨어 신뢰성을 단계별로 검증한다. **4. FPGA 기반 실시간 HIL 시뮬레이션 플랫폼** CPU 기반 HIL이 고속 센서 인터페이스를 재현하기 어려운 점을 보완하기 위해 FPGA를 핵심 연산 장치로 채택한다. FPGA는 100 MHz 이상의 업데이트 주기로 센서 신호(SPI, I²C, UART 등)와 아날로그 회로를 실시간으로 에뮬레이션한다. 제어 보드는 기존 하드웨어와 동일하게 연결되며, 코드 수정 없이 블랙박스 형태로 테스트가 가능하다. 이를 통해 실제 비행/주행 상황과 동일한 전자·전기 환경을 제공하면서도, 파라미터와 고장 모델을 실시간으로 변경할 수 있다. **5. 신뢰성 평가 방법** 저자는 이전 연구에서 제안한 ‘시뮬레이션 신뢰성 평가 프레임워크’를 적용한다. 주요 성능 지표(위치 오차, 자세 오차, 응답 시간 등)를 시간 영역과 주파수 영역에서 비교하고, 통계적 신뢰 구간을 설정해 시뮬레이션 결과와 실제 실험 데이터를 정량적으로 매칭한다. 멀티콥터 사례에서는 시뮬레이션과 실험 간 평균 위치 오차가 2 cm 이하, 주파수 응답 차이가 3 dB 미만임을 확인하였다. **6. 적용 사례 및 결과** - **급속 프로토타이핑**: 파라미터만 교체해 새로운 멀티콥터 모델을 30분 내에 시뮬레이션 환경에 적용. - **추정 알고리즘 검증**: EKF 기반 상태 추정기의 센서 결함 시나리오를 HIL에서 실시간 주입, 추정 정확도와 복구 성능을 평가. - **자율 비행 테스트**: 경로 계획·장애물 회피 알고리즘을 HIL에서 10,000회 이상 반복 실행, 평균 성공률 98.7% 달성. - **자동 결함 주입 및 안전 테스트**: 전압 강하, GPS 신호 손실, 모터 고장 등을 자동으로 주입하고, 시스템이 안전 모드 전환·복구 절차를 올바르게 수행함을 검증. **7. 논문의 기여와 향후 과제** 본 연구는 (1) 차량 유형에 구애받지 않는 통합 모델링, (2) MBD 기반 자동 코드 생성으로 소프트웨어 신뢰성 확보, (3) FPGA 기반 HIL로 하드웨어 신뢰성 강화, (4) 정량적 신뢰성 평가 프레임워크 제공이라는 네 가지 핵심 기여를 한다. 한편, FPGA 설계 비용·전문 인력 필요성, 복합형(멀티콥터+고정익) 시스템에 대한 추가 검증, 클라우드 기반 시뮬레이션 파라미터 관리 체계 구축 등이 향후 연구 과제로 남는다. **8. 결론** 통합 모델링·MBD·FPGA HIL이라는 삼위일체 접근법을 통해 무인 차량 제어 시스템의 테스트 효율성을 크게 향상시키고, 안전성 검증을 정량적·표준화된 절차로 전환할 수 있음을 입증하였다. 이는 무인 차량 산업 전반에 걸친 개발 주기 단축과 인증 프로세스 간소화에 기여할 것으로 기대된다.