[논문]실시간 다물체 차량 동역학 소프트웨어 개발 Part Ⅰ: 부분시스템 합성방법에 의한 실시간 차량 모델

김성수; 정완희; 이창호; 정도현

실시간 다물체 차량 동역학 소프트웨어 개발 Part Ⅰ: 부분시스템 합성방법에 의한 실시간 차량 모델
Development of Real Time Multibody Vehicle Dynamics Software Part I : Real Time Vehicle Model based on Subsystem Synthesis Method 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.17 no.1, 2009년, pp.162 - 168

김성수 (충남대학교 BK 21 메카트로닉스 그룹) , 정완희 (충남대학교 대학원 BK 21 메카트로닉스 그룹) , 이창호 (충남대학교 대학원 BK 21 메카트로닉스 그룹) , 정도현 (자동차부품연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The real-time multibody vehicle model based on the subsystem synthesis method has been developed. Suspension, anti roll bar, steering, and tire subsystem models have been developed for vehicle dynamics. The compliance effect from bush element has been considered using a quasi-static method to achieve the real time requirement. To validate the developed vehicle model, a quarter car and a full vehicle simulations have been carried out comparing simulation results with those from the ADAMS vehicle model. Real time capability has been also validated by measuring CPU time of the simulation results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문은 두 개의 소주제로 나뉘어, Part Ⅰ에서는 부분시스템 합성방법에 의한 현가장치 모델링 및 컴플라이언스 효과 고려방법, 안티롤 바, 조향, 타이어, 실시간 적분기 개발에 대한 내용과 개발된 실시간 차량 모델의 검증 결과를 기술하였다. 그리고 Part Ⅱ에서는 차량 모델링 GUI의 개발과, 하드포인트로부터의 입력데이터 생성 알고리즘, 후처리기 및 가시화 모듈의 개발에 대하여 논하였다.
본 논문에서는 HILS에 적용하기 위한 부분시스템 합성 방법에 기반한 다물체 차량 모델 개발과 차량 모델링 GUI 및 가시화 모듈의 개발 연구를 수행하였다.
본 논문은 두 개의 소주제로 나뉘어, Part Ⅰ에서는 부분시스템 합성방법에 의한 현가장치 모델링 및 컴플라이언스 효과 고려방법, 안티롤 바, 조향, 타이어, 실시간 적분기 개발에 대한 내용과 개발된 실시간 차량 모델의 검증 결과를 기술하였다. 그리고 Part Ⅱ에서는 차량 모델링 GUI의 개발과, 하드포인트로부터의 입력데이터 생성 알고리즘, 후처리기 및 가시화 모듈의 개발에 대하여 논하였다.

제안 방법

1) 차량 시뮬레이터 또는 지능형 샤시 제어 HILS를 위한 실시간 다물체 차량 동역학 소프트웨어를 개발하였다.
2.1절의 부분시스템 합성방법을 이용하여 현가장치 운동방정식을 수립하고, C 언어를 사용하여 해석프로그램을 구현하였다.
개발된 차량 모델의 HILS 환경에서의 실시간 해석 가능성을 검증하기 위하여 범프 통과 및 Fishhook 시뮬레이션이 수행되는 동안의 CPU time을 측정하였다. Table 1은 8초 시뮬레이션 수행 시 CPU time 측정결과를 나타낸다.
계산된 조인트 반력을 부싱좌표계에서 축 방향 힘과 반지름 방향 힘으로 변환한 후 준정적 법을 통하여 부싱 강성에 의한 변형을 계산한다. 이러한 변형을 고려하여 부싱이 위치한 곳의 하드 포인트를 변경한다.
따라서 본 논문에서는 안티 롤 바를 구성하는 기구를 질량이 없는 물체로 간주하고, 오직 기구학적 구속조건식을 이용하여 계산한 안티롤 바의 비틀림각을 구한 후, 좌우 현가장치에 부가되는 힘을 계산하는 알고리즘을 사용하였다.⁵⁾
범프의 높이는 0.1m, 폭은 0.5m, 차량의 초기속도는 10km/h로 설정하였고, 오른쪽 바퀴와 왼쪽 바퀴가 서로 다른 범프를 통과하는 비 대칭 범프 통과 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서 사용된 수치적분은 외재적(explicit) 수치적분 방법으로 운동방정식 모듈에서 구한 현 단계에서의 기준 몸체 및 부분시스템의 속도( # , #)와 가속도( # , #)를 가지고 수치적분을 통해 다음 단계 시간에서의 위치와 속도를 구하게 된다. 본 논문에서는 비교적 큰 적분 간격에서 정확하고 안정적인 적분이 가능한 다단계 적분법인 Adams 계열의 Adams-Bashforth 3차 공식을 사용하였으며, 사용된 공식은 다음과 같다.
실시간 차량 모델의 조향장치는 기구학적 구동장치로 고려하였다. 조향 휠 입력에 대한 랙의 변위를 선형적으로 모델링하였으며 랙과 양쪽 현가장치의 너틀 사이의 타이로드를 거리 구속조건으로 설정하여 랙의 움직임에 따라 조향이 이루어지도록 하였다.
개발된 실시간 차량 모델의 Fish-hook 시뮬레이션을 수행하였다. 실시간 차량 의 부싱을 포함하지 않은 순수한 기구학적 조인트만을 사용한 모델과 부싱 효과를 준정적 법을 이용하여 적용한 모델의 결과를 비교하였다.
실시간 차량 모델의 조향장치는 기구학적 구동장치로 고려하였다. 조향 휠 입력에 대한 랙의 변위를 선형적으로 모델링하였으며 랙과 양쪽 현가장치의 너틀 사이의 타이로드를 거리 구속조건으로 설정하여 랙의 움직임에 따라 조향이 이루어지도록 하였다.
현가장치 전차량 모델의 범프 통과 시뮬레이션을 수행하여 개발된 실시간 다물체 차량 모델과, 부싱 요소가 포함된 기준 ADAMS 모델의 결과를 비교하였다.
현가장치에 장착된 스탑퍼 요소는 비선형 스프링모델로 구현하였다. Fig.

대상 데이터

본 논문에서 개발한 실시간 차량 모델의 대상 차량은 SUV(Sport Utility Vehicle)로 전륜 현가로는 맥퍼슨 스트럿 현가장치를, 후륜 현가로 멀티링크 현가장치를 장착하고 있다.
Table 1은 8초 시뮬레이션 수행 시 CPU time 측정결과를 나타낸다. 시뮬레이션에 사용된 PC의 사양은 Intel core2duo 1.8GHz CPU, 2GB RAM의 시스템을 사용하였고 적분간격은 1ms로 설정하였다. 실시간 적분간격 대비 24~27%의 실제 계산 시간으로 실시간 해석이 가능함을 확인 하였다.

이론/모형

개발된 실시간 차량 모델의 Fish-hook 시뮬레이션을 수행하였다. 실시간 차량 의 부싱을 포함하지 않은 순수한 기구학적 조인트만을 사용한 모델과 부싱 효과를 준정적 법을 이용하여 적용한 모델의 결과를 비교하였다.
그러나 이러한 모델을 사용할 경우, 큰 강성에 의한 고주파 특성을 나타내기 때문에 실시간 해석이 어렵다. 따라서 본 논문에서는 개발된 준정적 법을 이용한 부싱 변형 효과 계산방법을 사용하였다.³⁾
)를 가지고 수치적분을 통해 다음 단계 시간에서의 위치와 속도를 구하게 된다. 본 논문에서는 비교적 큰 적분 간격에서 정확하고 안정적인 적분이 가능한 다단계 적분법인 Adams 계열의 Adams-Bashforth 3차 공식을 사용하였으며, 사용된 공식은 다음과 같다.⁷⁾
4에서 드롭링크는 A와 B 점의 위치 벡터로 구성되는 거리 구속조건으로 고려된다. 이때, A점의 벡터는 회전조인트 각의 함수로 표현되기 때문에 뉴튼 랩슨 방법을 이용하여 구속조건식으로부터 회전조인트의 회전각을 구할 수 있다. 이렇게 계산된 좌우 회전각으로 부터 안티 롤 바 중심 토션 스프링의 강성에 의한 토크를 계산한 후, 너클에 가해지는 힘으로 변환하여 현가장치에 안티 롤 바의 효과를 부여한다.
두 번째로 타이어 모델에서는 타이어에 의하여 너클에 작용하는 힘과 모멘트를 계산한다. 타이어 힘과 모멘트의 계산에는 실험값을 근사적인 수식으로 나타내는 Pacejka 2002 타이어모델이 사용되었다.⁶⁾

성능/효과

2) 실시간 다물체 차량의 부분시스템 모델로, 스탑퍼 요소를 포함한 다물체 현가모델, 준정적법을 통한 컴플라이언스 효과 반영 모델, 타이어 기구학과 Pacejka 타이어 동역학 모델, 랙-피니언 형식의 조향모델, 안티 롤 바 모델이 개발 되었다.
3) 범프 통과 시뮬레이션 및 주행 시뮬레이션 결과를 기준 ADAMS 모델과 비교하여 실시간 다물체 차량 모델의 신뢰성을 검증하였으며, 실시간 적분 간격 대비 27%이내의 계산시간으로 실시간해석 가능성을 확인하였다.
9와 같이 상대적인 언더스티어 경향이 일어나게 된다. 사용된 타이어 모델의 수직방향 힘을 제외한 횡 방향 힘과 복원 모멘트 등의 특성차이로 인하여 ADAMS 모델과의 응답에서 차이가 나타나고 있지만 전반적인 경향에 있어서 컴플라이언스 효과 발생에 따른 차체 거동에의 영향은 고려되고 있음을 확인할 수 있다.
8GHz CPU, 2GB RAM의 시스템을 사용하였고 적분간격은 1ms로 설정하였다. 실시간 적분간격 대비 24~27%의 실제 계산 시간으로 실시간 해석이 가능함을 확인 하였다.

후속연구

추후 연구로, 개발된 실시간 차량 모델의 지능형 샤시 제어 시스템 ECU in the loop 시뮬레이션 또는 HILS 적용이 필요하고, 자체 개발한 타이어 모델을 보완, 개선하여 주행 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 높이기 위한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실시간 차량 동역학 소프트웨어의 설계조건은?	HILS 시스템의 구성요소 중 실시간 차량 동역학 소프트웨어는 HILS 시스템의 핵심적인 요소로서 제어 시스템 개발의 신뢰성을 위해서는 실제 차량의 거동을 정확하게 재현할 수 있어야 하고, 실제하드웨어와 연결되어 상호작용을 해야 하기 때문에 실시간 해석이 가능해야 한다. 또한, 사용자의 편의를 위하여 GUI(Graphic User Interface) 및 가시화 도구의 개발이 필요하다.
	HILS은 어떻게 수행되는가?	차량의 안정성 및 편의성을 위한 지능형 샤시 제어 시스템은 지능형 차량의 핵심 요소로 등장하고 있다. 이러한 샤시 제어장치의 개발에는 설계로부터 실차 시험 검증까지 많은 비용과시간, 위험이 수반하게 되는데 이를 줄이기 위해서는 수학적인 가상의 차량 모델(소프트웨어 모델)과 개발하고자 하는 제어 장치(하드웨어)가 결합하여 시뮬레이션을 수행하는 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기법이효과적이다.

참고문헌 (7)

S. S. Kim, "A Subsystem Synthesis Method for Efficient Vehicle Multibody Dynamics," Multibody System Dynamics, Vol.7, pp.189-207, 2002
R.A. Wehage and E.J. Haug, "Generalized Coordinate Partitioning for Dimension Reduction in Analysis of Constrained Dynamic Systems," ASME Advanced Automotive Technologies, DSC, Vol.52, pp.71-79, 1982
W.H. Jeong and Sung-Soo Kim, "Compliance Effect Consideration for Real Time Multibody Dynamics Using Quasi-static Analysis," Conference of ASME 2007 IDETC/CIE, DETC 2007-34739, 2007
S.-S. Kim and J. Y. You, "An Efficient Constraint Force Computation in Multi-body Systems," JSME international Journal, Series C, Vol.46, No.2, pp.476-482, 2003

상세보기
W.H. Jeong and S.-S. Kim, "Development of Anti Roll Bar Model for Real-time Multibody Dynamics," Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.878-883, 2007
E. Bakker and H. B. Pacejka, "A New Tire Model with an Application in Vehicle Dynamics Studies," SAE 890087, 1989
K. Atkinson, Numerical Analysis, John Wiley & Sons, New York, 1988

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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