[논문]실시간 다물체 차량 동역학 모델 개발 및 구현

오영석; 김성수

doi:10.22634/ksme-a.2001.25.5.834

문제 정의

따라서. 본 논문에서는 부분 시스템 합성법을4개의 SLA(Short Long Arm)형 독립 현가 장치와 조향 장치를 장착한 미군 군용지프 HMMWV(High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle)"에적용하여, 다물체 차량 모델을 개발하고, 비대칭범프 통과, 스텝 조향 입력(J-tum)과 정현파 조향 입력 시험 시뮬레이션을 수행하여 개발된 모델의 실시간 해석 가능성을 검증하였다.
본 논문에서는 조향 장치가 포함된 경우의 부분 시스템 합성법을 이용한 실시간 차량 동역학 모델을 개발하였다. 기구학적 조향 장치가 포함되는 경우 3개의 부분 시스템을 4개의 부분 시스템으로 나누어 계산의 효율성을 향상할 수 있었다.

제안 방법

응답 득성과 정상 상태의 응답 특성을 관찰할 수 있다. 100km/h의 속도를 규정속도로 하고 있으며 직진 주행으로부터 횡가속도가 0.4g(3.924m/s2)가 되도록 랙의 구동입력으로 3초와 3.1 초 사이에서 좌회전을 할 수 있도록 8mm의 계단입력을 사용하였다. 차량의 횡가속도, 요속도(yaw rate)의 웅답 특성은 Fig.
부분 시스템 합성법을 이용한 실시간 시뮬레이션 가능성을 검증하기 위하여 HMMWV 차량을 모델링하고 비대칭 범프 통과, 스텝 조향 입력(J-tum)과 정현파 입력 시험과 같은 차량 시험을 수행하였다.
부분 시스템의 합성 효과와 차량 모델의 검증을 위하여 타이어가 포함된 전차량을 해석하였다. 평형 상태에서 10km/h의 속도로 출발하여 왼쪽 바퀴가 10m와 14tn, 오른쪽 바퀴가 11m와 15m에서 폭 0.
실시간의 가능여부를 살펴보기 위하여 기존의 순환 공식에 대하여 프로그램의 전체 루프 타임과 일반좌표 분할법을 이용한 부분 시스템 합성법이 적용되는 가속도 해석부분의 CPU time을 비교하여 표 1에 나타내었다. p-Ⅲ 533Mhz 컴퓨터에서 적분기는 Adams Bashforth 3차 공식(9)을사용하고 컴파일러는 Digital Visual Fortran 6.
앞에서 기술한 현가, 조향, 타이어 모델을 사용하여 HMMWV 전차량 시스템을 구성하였다. Fig.
조향 장치는 좌우즉 타이어가 랙(rack)의 기구학적 조건에 의하여 운동할 수 있도록 전륜의 좌우측 타이로드(tie rod)를 질량이 없는 거리구속조건식(distance constraint)으로 모델링 하였으며 컴플라이언스에 의한 조향각과 조향축에 전달되어지는 조인트 반력은 고려하지 않았다. 또, 조향핸들의 회전 운동을 고려하지 않고 랙(rack)에 기구학적 구동조건을 사용하여 Fig.
초기 속도 600km/h의 속도에서 주기가 2초이고 진폭(랙의 변위)이 1cm 인 2개의 정현파 입력 (single sine input)을 랙의 구동 입력으로 사용하여 2중 차선변경(double lane change)과 유사한 해석을 하였다.
평형 상태에서 10km/h의 속도로 출발하여 왼쪽 바퀴가 10m와 14tn, 오른쪽 바퀴가 11m와 15m에서 폭 0.5m, 높이 5cm의 반사인(Half sine)비대칭 범프를 통과하는 해석을 수행하였다. Fig.

데이터처리

(8) 여기서는 일반좌표 분할법의 계산량을 수치해석 방법에 따른 오퍼레이션 카운트(9) 를 통하여 기존의 순환 공식의 계산량과 비교하여 보았다. 지면관계상 알고리즘과 전체 계산량을 구하는 부분은 생략하고 계산량을 비교하는 그림만 수록하였다.
기구학적 조향 장치가 포함되는 경우 3개의 부분 시스템을 4개의 부분 시스템으로 나누어 계산의 효율성을 향상할 수 있었다. 또한 이 방법을 HMMWV에 적용하여 실제 적분 시간의 약 24.7%의 계산시간으로 실시간 해석 결과를 얻을 수 있었으며 다양한 시뮬레이션을 통하여 부분 시스템 합성법을 적용한 모델의 검증을 수행하였다.

이론/모형

표 1에 나타내었다. p-Ⅲ 533Mhz 컴퓨터에서 적분기는 Adams Bashforth 3차 공식(9)을사용하고 컴파일러는 Digital Visual Fortran 6.0을 사용하였다. 여기서 적분스텝은 8.
모델이 있다. 본 논문에서는 해석 모델과 수치 모델을 보완한 STI 타이어 모델^⑹을 사용하였다. 타이어에서 발생하는 힘은 타이어의 수직력(normal force), 전후 방향 미끄럼률(slip ratio) 과옆 미끄럼각(side slip angle)과 캠버각(Camber angle)의 함수로 표현되어지는 전후방향 힘 (longitudinal force), 횡력 (lateral force)과 얼 라이 닝토크(aligning torque)로 나누어진다.

성능/효과

이러한 단점을 보완하기 위하여, 차량의 조향 장치 및 현가 장치와 같은 부분 시스템을 특성에 따라 나누어 작은 크기의 운동 방정식으로 푸는 효율적인 부분 시스템 합성법이 제기 되었다.⁽⁴⁾이 방법의 특징은 부분 시스템의 수정이나 교체가 차량 모델 전체에 영향을 미치지 않고 수정이 필요한 부분 시스템에 국한되며, 또한, 프로그램 측면에서도 다양한 종류의 현가 장치를 서브 루틴 프로그램으로 모듈화 하여 사용할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 이 방법은 기존의 순환 다물체 차량 동역학모델과 그 효율성은 비교되었지만,⁽⁴⁾ 조향 장치를 포함한 보다 복잡한 모델과 실시간 해석의 가능성에 관하여는 아직 검증된 바 없다.
HMMWV의 경우 SLA 현가 장치가 4개이므로 4개의 부분 시스템으로 나눌 수 있다. HMMWV에 일반좌표 분할법을 적용할 경우 기존의 순환 공식에 비해 운동방정식의 해를 구하는 부분에서 이론상으로 약 32.8배 효율적인 것을 알 수 있다.
개발하였다. 기구학적 조향 장치가 포함되는 경우 3개의 부분 시스템을 4개의 부분 시스템으로 나누어 계산의 효율성을 향상할 수 있었다. 또한 이 방법을 HMMWV에 적용하여 실제 적분 시간의 약 24.
3ms를 사용하였다. 부분 시스템 합성법이 사용된 가속도 해석부분에서 약 19.1 배의 속도 향상이 있는 것으로 나타났다. 이론상의 효율비 32.
23배의 속도 향상이 있는 것으로 나타났다. 부분 시스템합성법을 사용할 경우 현재 사용한 시스템의 적분 시간의 약 24.7%정도만을 차지하므로 현재 단계에서 실시간 해석이 가능한 것으로 나타났다.
8배에 미치지 못하는데 이는 프로그램 구현에 있어서 다수의 서브루우틴 호출에서 비롯되는 것으로 생각된다. 전체적으로 기존의 순환공식에 비해 약 3.23배의 속도 향상이 있는 것으로 나타났다. 부분 시스템합성법을 사용할 경우 현재 사용한 시스템의 적분 시간의 약 24.

후속연구

차량 모델이 제시될 것이다. 또한, 부분 시스템 합성법의 구조상 특성을 활용하여 병렬처리를 적용한 실시간 해석이 연구될 예정이다.
추후 제동과 구동계를 추가하여 시뮬레이터에 적합한 차량 모델이 제시될 것이다. 또한, 부분 시스템 합성법의 구조상 특성을 활용하여 병렬처리를 적용한 실시간 해석이 연구될 예정이다.

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