항공우주시스템공학회 2018년도 추계학술대회 SASE 2018 Fall Conference

1. 서 론

스테레오-열상을 이용한 항공용 통합비행안전장치

는 다수의 센서, 처리장치, 액추에이터로 구성되어 장

비의 구성이 복잡하고 개발에 많은 비용과 기간이 소

요되며 상용화를 위하여 인증을 거쳐야한다. 소형 경

량화를 위하여 ARINC 653 RTOS의 주요 특징중 하나

인 파티션 기능을 활용하여 다수의 LRU로 구성되는

하드웨어를 통합하고 소프트웨어를 구분하여 개발함으

로써 소형 경량화를 달성하기 위한 프레임워크를 설계

하였다. 또한 향후 인증을 고려하여 개발단계의 소프

트웨어가 그대로 활용될 수 있는 RTOS를 선정하여 향

후 상용화를 위한 프레임워크를 설계하여 구현하였다.

에어버스 사에서 활용되고 있으며 DO-178B/C

인증을 받은 독일 SYSGO 사의 PikeOS®를 사용, 각각

다른 인증 수준을 달성할 수 있도록 하였다. 향후 상

용화 과정에서 요구되는 DO-178B/C 인증을 고려하여

설계하였다.

많은 영상처리 알고리즘을 사용하기 위하여 C++로

개발된 OpenCV를 활용하였으며 각기 다른 수준의

Safety-Critical 모듈과 Non-Safety-Critical 모듈이 단

일 하드웨어에 탐재되더라도 인증을 받을 수 있는 구

조로 설계하였다. 대용량 고속 센서데이터 처리와 고

속 영상 처리를 위하여 프레임워크를 구성하였다.

C++ 로 구성된 OpenCV 라이브러리는 DO-178B/C

인증을 획득하는데 제한이 된다.

2. 통합형비행안전장비 아키텍처

2.1 Legacy 항공용 전자광학추적장치 구조통합형비행안전장비의 구조는 스테레오-열상 기반

의 짐벌이 장착된 터렛 (Turret)형으로 구성되며, 구조

상 기존의 항공용 전자광학추적장치 (EOTS)와 유사한

구조를 갖는다.

연방형 (Federated)으로 구성된 항공전자 시스템에

서의 전자광학추적장치의 구성은 전통적으로 Fig.1와

같이 구성된다. 자동영상추적장치 (Automatic Video

통합형비행안전장비용 ARINC 653 RTOS를 이용한 소프트웨어 프레임워크 설계

한규동1,†· 김세환 · 홍순권

넵코어스(주) 방산사업본부

Design of Image Processing Software Framework Using ARINC 653 RTOS for Integrated Flight Safety Unit Gyu Dong Han1,†, Se Hwan Kim and Soon-Kwon Hong

Abstract

요즘의 항공체계 개발시 SW 개발비로 40%이상을 차지하는 등 항공기에서 SW 비중이 커지고 있는 이때 HW뿐만아니라 SW도 신뢰성 향상과 소형 경량화을 위해 기존 연방형 구조에서 통햡형 모듈구조를 지원하기 위해 ARINC 653 RTOS가 등장하였다 . ARINC 653규격을 따르고 DO-178B/C인증을 획득한 PikeOS으로 파티셔닝 기능을 활용하여 소프트웨어 프레임워크를 설계하여 각종 센서 data, IR영상처리 및 김발제어를 안정된 성능 과 기능을 구현할 수 있도록 하였고 상대적으로 Safety에 취약할 수 있는 파티션은 이중화를 고려하여 설계하였다.

Key Words : ARINC 653, Health Monitoring, Dynamic Reconfiguration, Fault-Tolerant, 이중화

†교신저자 ( Corresponding Author )E-mail: gdhan@navcours.comCopyright Ⓒ The Society for Aerospace System

Engineering

FA4-5

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Tracker: AVT), 신호전자장치 (Signal Electronic Unit:

SEU), 페데스털전자장치 (Pedestal Electronic Unit:

PEU), 열제어장치 (Thermal Control Unit: TCU),

Signal Control Unit (Signal Control Unit, SCU), 시현

기 (Display), 터렛 (Turret) 등의 각각의 기능을 담당

하는 소프트웨어가 탑재된 5~7개의 LRU들이 ARINC

429 또는 MIL-STD-1553B의 데이터 버스에 의해 연

동되는 구조를 갖는다.

Fig. 1 항공용 전자광학추적장치 구조 (예)

통합형비행안전장비는 소형 경량화를 위해 고성능

멀티코어로 구성된 단일 SBC 위에 ARINC 653 호환

RTOS를 탑재하여 기존 단일 LRU에서 구현되는 소프

트웨어 기능을 분할 (Partitioning)하여 주요 기능들의

고장이 상호 영향을 미치지 않도록 안정성 있는 소프

트웨어 프레임워크로 설계하였다.

2.2 ARINC 653 RTOS 및 PikeOS®

통합 모듈 항공 전자 시스템은 하나의 모듈이 고장

이 발생될 경우 전체 시스템에 영향을 미치게 된다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서 ARINC 653

에서는 고장 발생시 고장을 탐지하고, 적절하게 처리

할 수 있는 헬스 모니터 표준을 정의 하고 있다[1].

현재 ARINC 653 헬스 모니터는 Fig.2와 같이 실시간

운영체제인 PikeOS®[2]는 완벽한 하드웨어 가상화

(Virtualization)와 인증 받은 하이퍼바이저를 이용하여

Safety-Critical 및 Security-Critical이 반드시 요구되

는 에어버스 A400M Rear Ramp Door Control 및

Airbus-FANS (Future Air Navigation System), A350

XWB FSA-NG (FlySmart by Airbus-New

Generation) 등에 사용되어 온 DO-178B/C 인증된 마

이크로커널 기반의 실시간 운영체제이기 때문에 프로

토타입 개발에서 사용한 개발 결과물을 향후 인증 프

로젝트에 변형 없이 그대로 활용할 수 있어 비용적인

측면에서 유리하다.

Fig. 2 PikeOS® (ARINC653 호환) 아키텍처

PikeOS®는 Fig.3과 같이 SMP Support 기능을 활용

하여 멀티코어 프로세서 상에서 비대칭형 다중처리

(Asymmetric Multi Processing : AMP), 반-대칭형 다

중처리 (Semi Symmetric Multi Processing : SSMP),

대칭형 다중처리 (Symmetric Multi Processing :

SMP)를 완벽하게 지원하여 개발자가 소프트웨어 연산

하중에 따라 프로세서를 할당할 수 있다.

Fig. 3 멀티코어 SMP Support 기능

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3. 소프트웨어 프레임워크 설계

통합형비행안전장비의 소프트웨어 프레임워크는

Fig.4와 같이 각각의 기능을 담당하는 LRU들의 소프

트웨어 기능을 분할하여 기능을 구현할 수 있도록 설

계하였다. 각 파티션간의 데이터 교환을 위해 메시지

처리용 Queing Port 와 센서 융합용 Sampling Port를

설계하여 파티션 간의 데이터를 교환하도록 설계하였

다.

Fig. 4 통합형비행안전장비 프레임워크

3.1 시스템 관리 모듈시스템관리 모듈 (System Management Module :

SMM)은 APEX Personality 상에서 APEX API를 이용

하여 구현되며, 하드웨어 Built-In-Test 기능과 상태

모니터링 그리고 소프트웨어의 헬스 모니터링을 통합

하여 전체 시스템의 결함 유무를 판단하고 결함 발생

시 가능한 운용모드를 선택하여 제어한다.

Fig.5의 헬스 모니터링(HM) 결심 알고리즘에 의해

탐지된 결함은 동적 재형성 (Dynamic

Reconfiguration)을 통하여 결함을 해소할 수 있도록

설계하였다.

3.2 데이터 관리 모듈데이터 관리 모듈 (Data Management Module :

DMM)은 레이저 거리 측정기(LRF), AHRS, Radar

Altimeter 등의 센서로부터의 신호를 융합하여 해당 센

서 신호가 요구되는 파티션에 전송한다. 데이터 관리

모듈은 PikeOS Native Personality를 이용하여 구현하

였다.

3.3 자동 영상 추적 모듈자동 영상 추적 (Automatic Video Tracking : AVT)

모듈은 영상처리 모듈에서 처리된 결과값을 전송받아

터렛(짐벌)의 Azimuth 및 Elevation 서보를 제어하도록

설계하였다. 자동 영상 추적 모듈은 PikeOS Native

Personality를 이용하여 구현하였다.

3.4 영상처리 모듈 영상처리 모듈 (Image Processing Module : IPM)

은 스테레오 열상을 입력받아 영상 안정화, 스테레오

매칭, 표적 탐지추적 및 3D Reconstruction을 통한 매

핑 등을 처리하여 결과값을 AVT 모듈과 비디오 출력

모듈로 전송한다. 영상처리 모듈은 Fig.6과 같이

OpenCV C++ 컴퓨터 비전 라이브러리를 사용하며

Linux Personality 상에서 안정된 산업용 리눅스인

ElinOS를 통하여 구현하였다.

Fig. 5 HM Decision Algorithm

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Fig. 6 Mediator Element를 이용한 통신

파티셔닝

특히 시뮬레이션 결과 OpenCV 라이브러리의 다수의

영상처리 알고리즘을 사용하기 때문에 상대적으로 결

함 발생 빈도가 높은 리눅스 Personality의 영상처리

모듈은 두 개의 파티션을 구성 소프트웨어 N-Version

아키텍처를 이용[3] Mediator Element를 이용한 동적

재형성 (Dynamic Reconfiguration)을 통한 이중화를

구현하도록 설계하였다[4].

Fig. 7 통합형비행안전장비 시현 모습 (예)

4. 결론

통합형비행안전장비는 스테레오 열상을 이용하여 조

종사에게 주야간 악천후 장애물 정보 및 3차원 공간정

보를 제공할 수 있는 비행안전보조 시스템이다.

연방형 아키텍처에서 다수의 LRU에서 구현되던 소

프트웨어를 ARINC 653 기반 파티셔닝을 통하여 안정

된 성능과 기능을 구현할 수 있도록 설계하였으며, 상

대적으로 Safety에 취약할 수 있는 파티션은 이중화를

고려하여 설계하였다.

APEX API를 사용하여 항공전자의 표준을 따르고 사

업화 과정에서의 인증을 고려하여 시제품 개발에서 사

용되었던 결과물을 각기 다른 수준의 인증에 재사용

할 수 있도록 설계하였다.

이 논문은 2016년도 산업통상자원부 항공우주부품

기술개발사업의 연구비 지원에 의한 연구임 (과제번호

: 10074290)

참 고 문 헌

[1] Y. Yoon, “Linux-based ARINC 653 Health

Monitor” 대한임베디드공학회논문지 제9권 제3호,

pp. 184, Jun, 2014.

[2] SYSGO PikeOS®, https://www.sysgo.com/produ

cts/pikeos-hypervisor/safety-architecture/

(accessed on 12 on Oct 2018).

[3] von Aliki Ott, "System Testing in the Avionics

Domain", Oct. 2007

[4] Víctor López-Jaquero, "Supporting ARINC

653-based Dynamic Reconfiguration” 2012

Joint Working IEEE/IFIP Conference on

Software Architecture and European Conference

on Software Architecture.

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