[논문]전차륜조향 굴절차량의 안내제어를 위한 횡방향 동역학 모델

윤경한; 김영철; 민경득; 변윤섭

doi:10.5370/kiee.2011.60.6.1229

전차륜조향 굴절차량의 안내제어를 위한 횡방향 동역학 모델
Lateral Dynamic Model of an All-Wheel Steered Articulated Vehicle for Guidance Control 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.6, 2011년, pp.1229 - 1238

윤경한 (국방과학연구소) , 김영철 (충북대 공대 전자공학과) , 민경득 (충북대 공대 전자공학과) , 변윤섭 (한국철도기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the lateral dynamic model of an all-wheel steered articulated vehicle to design a guidance controller. Nonlinear dynamic model of articulated vehicle is developed by complementing the model about the BRT system of California PATH in U. S. A. and the Phileas system of the APTS in Netherlands. Linear lateral dynamic model has been derived from the nonlinear dynamic model under some assumptions associated with the driving conditions. To design a guidance controller, we derive a transfer function that is steering angle as input and lateral acceleration as output from the linear lateral dynamic model by applying the parameter of vehicle that is developed by Korea Railroad Research Institute. To validate the dynamic model, nonlinear dynamic model has been compared with a vehicle model that has been programmed in ADAMS, and linear dynamic model has been compared with a nonlinear dynamic model under sime assumptions.

주제어

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문제 정의

본 연구는 한국 철도기술 연구원이 개발중인 바이모달 트램의 안내제어기 설계 및 검증을 위한 비선형/선형 동역학 모델과 전달함수 모델의 수립 및 수립된 모델에 대한 타당성 검토를 목적으로 한다. 비선형 동역학 모델은 미국과 네델란드에서 BRT시스템 및 Phileas 시스템 개발과 관련된 연구를 통해 발표된 모델을 보완하는 형태로 수립하였다.
굴절차량은 새로운 미래형 도심 교통수단으로써 경전철이나 지하철 등에 비해 많은 장점을 가지고 있으며, 세계 여러 나라에서 유사한 형태의 차량시스템이 개발되고 있다. 본 연구에서는 굴절차량의 자동운전 시스템 개발을 위한 시작 단계로써 차량의 비선형 및 선형 동역학 모델 개발에 대한 내용을 다루었다.

제안 방법

원형경로는 회전반경 50m를 적용하였으며, S자형 경로의 곡선부분은 회전반경 75m를 적용하고, 사인함수형 경로에서는 최소 회전반경을 갖는 곡선분의 회전반경을 150m로 적용하였다. 모델의 특성을 개루프 상태, 즉 수동운전 상태에서 보기 위해 주행속도는 최소 회전반경을 갖는 곡선에서 수동운전으로 주행 가능한 범위를 고려하여 4m/s로 하였다. 또한 수동운전 상태에서는 2축과 3축의 조향이 불가능하기 때문에 1축의 바퀴만 조향하도록 하였다.
본 연구는 한국 철도기술 연구원이 개발중인 바이모달 트램의 안내제어기 설계 및 검증을 위한 비선형/선형 동역학 모델과 전달함수 모델의 수립 및 수립된 모델에 대한 타당성 검토를 목적으로 한다. 비선형 동역학 모델은 미국과 네델란드에서 BRT시스템 및 Phileas 시스템 개발과 관련된 연구를 통해 발표된 모델을 보완하는 형태로 수립하였다. 수립된 비선형 모델의 타당성 검토를 위해 특정 주행조건에서 시뮬레이션을 통해 얻은 주행특성을 ADAMS환경에서 구현된 차량 동역학 모델과 비교하였다.
사인함수형 경로에서 조향각의 최대값은 3°이며, 조향각의 주파수는 0.1Hz, 0.5Hz, 1Hz 세 가지를 적용하였다.
수립된 비선형 모델의 타당성 검토를 위해 특정 주행조건에서 시뮬레이션을 통해 얻은 주행특성을 ADAMS환경에서 구현된 차량 동역학 모델과 비교하였다. 선형 동역학 모델은 미국 PATH 연구소의 연구결과와 유사한 방식으로 비선형 동역학 모델에 근거하여 주행환경에 대한 몇 가지 전제조건하에 선형 근사화 기법을 이용하여 유도되었으며, 유도된 선형 동역학 모델에 한국 철도기술연구원에서 제작된 굴절차량 시험모델의 파라미터를 적용하여 조향각을 입력으로 하고, 경로추종오차를 출력으로 하는 전달함수 모델을 수립하였다. 선형 동역학 모델은 비선형 동역학 모델과 동일한 조건에서 주행 시뮬레이션을 하여 두 모델의 결과를 비교하는 방법으로 타당성을 검토하였다.
선형 동역학 모델은 미국 PATH 연구소의 연구결과와 유사한 방식으로 비선형 동역학 모델에 근거하여 주행환경에 대한 몇 가지 전제조건하에 선형 근사화 기법을 이용하여 유도되었으며, 유도된 선형 동역학 모델에 한국 철도기술연구원에서 제작된 굴절차량 시험모델의 파라미터를 적용하여 조향각을 입력으로 하고, 경로추종오차를 출력으로 하는 전달함수 모델을 수립하였다. 선형 동역학 모델은 비선형 동역학 모델과 동일한 조건에서 주행 시뮬레이션을 하여 두 모델의 결과를 비교하는 방법으로 타당성을 검토하였다.
선형 동역학 모델은 안내제어기 설계를 위한 목적으로 사용될 것이며, 안내제어 문제는 차량이 정해진 주행경로를 기준으로 좌우로 일정한 오차범위 이내에서 움직이는 경우를 고려하는 것이므로 선형 동역학 모델과 비선형 동역학 모델의 유사성은 사인함수형 경로의 주행특성에 대해 비교하였다. 사인함수형 경로에서 조향각의 최대값은 3°이며, 조향각의 주파수는 0.
비선형 동역학 모델은 미국과 네델란드에서 BRT시스템 및 Phileas 시스템 개발과 관련된 연구를 통해 발표된 모델을 보완하는 형태로 수립하였다. 수립된 비선형 모델의 타당성 검토를 위해 특정 주행조건에서 시뮬레이션을 통해 얻은 주행특성을 ADAMS환경에서 구현된 차량 동역학 모델과 비교하였다. 선형 동역학 모델은 미국 PATH 연구소의 연구결과와 유사한 방식으로 비선형 동역학 모델에 근거하여 주행환경에 대한 몇 가지 전제조건하에 선형 근사화 기법을 이용하여 유도되었으며, 유도된 선형 동역학 모델에 한국 철도기술연구원에서 제작된 굴절차량 시험모델의 파라미터를 적용하여 조향각을 입력으로 하고, 경로추종오차를 출력으로 하는 전달함수 모델을 수립하였다.
곡선경로에 적용된 회전반경은 각각 150m, 75m, 50m 세 가지 이며, 원형 경로를 기준으로 세 가지의 회전반경에 대응하는 1축 조향각은 각각 3°, 6°, 9°이다. 원형경로는 회전반경 50m를 적용하였으며, S자형 경로의 곡선부분은 회전반경 75m를 적용하고, 사인함수형 경로에서는 최소 회전반경을 갖는 곡선분의 회전반경을 150m로 적용하였다. 모델의 특성을 개루프 상태, 즉 수동운전 상태에서 보기 위해 주행속도는 최소 회전반경을 갖는 곡선에서 수동운전으로 주행 가능한 범위를 고려하여 4m/s로 하였다.
주행시뮬레이션은 원형경로, S자형 경로, 사인함수 모양의 경로 등 세 가지 모양의 곡선 및 직선과 곡선이 조합된 경로에 대해 수행하였으며, 곡선경로에서 회전반경에 대한 두 모델의 차이를 보기위해 회전반경이 다른 세 가지의 곡선을 주행경로에 적용하였다. 곡선경로에 적용된 회전반경은 각각 150m, 75m, 50m 세 가지 이며, 원형 경로를 기준으로 세 가지의 회전반경에 대응하는 1축 조향각은 각각 3°, 6°, 9°이다.
현재 개발이 진행되고 있는 한국 철도기술연구원의 굴절차량은 주행 가능한 최소 회전 반경이 12m정도이며, 최소 회전반경을 갖는 곡선구간에서의 평균 주행속도를 4m/s 정도의 범위로 고려하고 있다. 횡방향 선형 동역학 모델의 타당성은 사인함수형 경로에 대한 주행시뮬레이션을 하여 차량고정좌표계에서 얻어진 차량위치를 동일한 조건에서 실시한 비선형 동역학모델의 시뮬레이션 결과와 비교하여 검토하였다. 주행속도 4m/s에 대해 유도된 횡방형 선형 동역학 모델의 시뮬레이션 결과는 비선형 동역학 모델의 시뮬레이션 결과와 비교한 결과 차량고정 좌표계에서 두 모델의 위치 차이는 1~2cm 정도의 차이로 매우 유사한 특성을 보였다.

대상 데이터

본 논문에서 서술하고자 하는 굴절차량은 두 개의 차량이 연결된 형태로 첫 번째 차량에 두 개의 차축(axle)이 설치되어 있고, 두 번째 차량에 한 개의 차축이 설치되어 있다. 굴절차량의 위치를 관성좌표계에서 나타낼 때에는 차량 기준점의 좌표와 차량의 중심축이 좌표계의 X-축과 이루는 각도로써 나타낸다.
시뮬레이션에 사용된 굴절차량 모델은 한국 철도기술연구원에서 제작한 바이모달 트램 시험용 차량이며, 그림 5와 같이 두 대의 차량이 연결된 구조에 세 개의 차축이 설치되어 있고, 각 차축의 모든 바퀴가 조향 가능하다. 구동 토크는 두 번째 차축과 세 번째 차축에 인가되며, 세 개의 자석감지센서가 설치되어 차량과 주행경로에 매설된 자석표지의 상대 거리를 측정할 수 있도록 되어있다.

데이터처리

식 (15)의 비선형 동역학 모델에 대한 타당성을 검토하기 위해 세 가지 형태의 주행경로에 대한 주행시뮬레이션을 통해ADAMS 환경에서 구현된 차량모델의 시뮬레이션 결과와 비교하였다. ADAMS 환경에서 구현된 차량모델은 한국 철도기술연구원 주관의 신에너지 바이모달 수송 시스템 개발과제와 관련하여 바이모달 트램 시험용 차량의 물리적, 기계적 특성 및 구조를 반영하여 (주)TUR에서 개발된 모델로서 차량의 동역학 특성분석에 사용되고 있는 모델이다.

성능/효과

비선형 동역학 모델은 차량 주행 시뮬레이션을 통해 ADAMS 환경에서 개발된 차량모델과 특성을 비교하였으며, 비교 결과 직선경로와 회전반경 50m∼150m의 범위의 곡선경로 주행에서 두 모델의 위치 차이는 20cm∼40cm 의 범위로 유사한 특성을 보였다.
그림 6은 세 가지 형태의 경로를 주행하는 경우에 대해 비선형 모델과 ADAMS 환경에서 구현된 차량모델의 주행 시뮬레이션 결과를 관성좌표계에서 차량의 위치변화로 비교한 것이다. 시뮬레이션 결과 두 모델의 위치는 곡선부분에서 20～40cm 범위의 차이를 보이며, 회전반경이 작은 곡선에서 비교적 큰 차이를 나타냈다. 이러한 차이는 두 모델에 적용된 타이어의 미끄러짐 특성에 대한 모델의 차이로 인해 발생된 것으로 보인다.
횡방향 선형 동역학 모델의 타당성은 사인함수형 경로에 대한 주행시뮬레이션을 하여 차량고정좌표계에서 얻어진 차량위치를 동일한 조건에서 실시한 비선형 동역학모델의 시뮬레이션 결과와 비교하여 검토하였다. 주행속도 4m/s에 대해 유도된 횡방형 선형 동역학 모델의 시뮬레이션 결과는 비선형 동역학 모델의 시뮬레이션 결과와 비교한 결과 차량고정 좌표계에서 두 모델의 위치 차이는 1~2cm 정도의 차이로 매우 유사한 특성을 보였다. 조향제어기 설계를 위한 전달 함수 모델은 주행속도 4m/s를 기준으로 유도된 선형 동역학 모델로부터 각 바퀴의 조향각을 입력으로 하고 경로추종오차를 출력으로 하는 구조로 유도되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 광역 BRT 시스템 구축사업에서 추진하고 있는 지역은?	전 세계적으로 도심 교통 혼잡도가 증가하고, 이로 인한 사회적비용 증가가 문제화 되면서 새로운 교통수단의 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이러한 필요성에 의해 전세계적으로 40여개 대도시에서 광역급행버스체계(BRT : Bus Rapid Transit)를 도입하여 운행하고 있거나 도입을 계획하고 있으며, 국내에서는 정부 주도로 서울, 대전, 인천, 세종 등 4개 지역에서 광역 BRT 시스템 구축사업을 추진하고 있다. 한국 철도기술연구원에서 개발하고 있는 바이모달 트램은 BRT 시스템을 위한 신개념 교통수단으로써 버스와 지하철 또는 경전철의 장점을 가진 혼합형 교통수단으로 주목을 받고 있다.
	바이모달 트램이란?	이러한 필요성에 의해 전세계적으로 40여개 대도시에서 광역급행버스체계(BRT : Bus Rapid Transit)를 도입하여 운행하고 있거나 도입을 계획하고 있으며, 국내에서는 정부 주도로 서울, 대전, 인천, 세종 등 4개 지역에서 광역 BRT 시스템 구축사업을 추진하고 있다. 한국 철도기술연구원에서 개발하고 있는 바이모달 트램은 BRT 시스템을 위한 신개념 교통수단으로써 버스와 지하철 또는 경전철의 장점을 가진 혼합형 교통수단으로 주목을 받고 있다. 바이모달 트램은 두 대의 버스가 연결된 굴절차량(articulated vehicle) 형태로 도로에 매설된 자석표지를 따라 운행하며, 자동운전 및 정밀정차가 가능한 미래형 교통수단으로 평가되고 있다.
	외국에서 바이모달 트램과 유사한 교통수단으로는 어떠한 것들이 있는가?	이와 유사한 교통수단으로는 프랑스 Irisbus Iveco사의 CIVIS 시스템, 네델란드 APTS사의 Phileas 시스템, 미국 PATH 연구소의 BRT시스템 등이 있다. CIVIS 시스템은 도로 중앙에 페인트로 표시된 두 줄 형태의 안내선을 카메라를 통해 인식하여 안내제어를 하는 광학적 안내방식(optical guidance system)을 사용하고 있으며, Phileas 시스템이나 PATH의 BRT 시스템은 도로 중앙에 설치된 자석표지를 기반으로 안내제어를 하는 방식을 사용하고 있다.

참고문헌 (15)

한국 철도기술 연구원, "신에너지 바이모달 저상굴절차량개발 연구보고서", 건설교통부 국가교통핵심기술개발사업 제4차년도 연차보고서, pp. 10-20, 2007. 4.
Huei Peng, Masayoshi Tomizuka, "Lateral Control of Front-Wheel-Steering Rubber-Tire Vehicles", BERKELEY Research Report UCB-ITS-PRR-90-5, July 1990.
Dirk de Bruin, Lateral Guidance of All-Wheel Steered Multiple-Articulated Vehicle, Ph. D thesis, Technische Universiteit Eindhoven, 2001.
Meihua Tai, Jenu-Yu Wang, Pushkar Hingwe, Chieh Chen, Masayoshi Tomizuka, "Lateral Control of Heavy Duty Vehicles for Automated Highway Systems", California PATH Research Report UCB-ITS-PRR-98-8, Feb. 1998.
D. de Bruin, P.P.J. van den Bosch, "Modeling and control of a double articulated vehicle with four steerable axles", Proceedings of American Control Conference, June 1999.
한국 철도기술 연구원, "신에너지 바이모달 수송 시스템개발 연구보고서", 건설교통부 국가교통핵심기술개발사업 제7년도 연차보고서, pp. 734-751, 2010. 8.
Jurgen Guldner, Han-Shue Tan, Satyajit Patwardhan, "Analysis of Automatic Steering Control for Highway Vehicles with Look-down Lateral Reference Systems", PATH Technical Note 96-3, April 1996.
민경득, 윤경한, 김영철, 변윤섭, "굴절차량의 안내/추진제어 설계용 Toolbox", 전기학회 논문집, Vol. 57, No. 11, pp. 2074-2079, 2008.
이영화, 김석일, 서명원, 김대영, 김동룡, "타이어의 코너링강성이 4륜조향 자동차의 조향특성에 미치는 영향", 한국자동차공학회 추계학술대회 논문집, pp. 203-212, 1994
Y. S. Byun et al. 3, "Longitudinal Control of bimodal-tram using Sliding Mode Control",. Proc. of ICCAS 2008, pp. 1439-1442, 2008.
Meihua Tai, Jenu-Yu Wang, Pushkar Hingwe, Chieh Chen, Masayoshi Tomizuka, "Lateral Control of Heavy Duty Vehicles for Automated Highway Systems", California PATH Research Report UCB-ITS-PRR-98-8, Feb. 1998.
Chen, C. and Tomizuka, M., "Dynamic Modeling for Articulated Vehicles for Automated Highway Systems", Proceedings of the American Control Conference, Seattle, pp. 653-657, 1995.
Mao-Jun He and Wen-Jian Cai, "New Criterion for Control-Loop Configuration of Multivariable Processes", American Chemical Society, vol. 43, pp. 7057-7064, 2004.
D. de Bruin, A. A. H. Damen, P.P.J. van den Bosch, "Backstepping Control for Lateral Guidance of All-wheel Steered Multiple Articulated Vehicles", IEEE Intelligent Transportation Systems, Oct. 2000.
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동의어: Packet Collision Rate

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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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