본 다축 차량은 험지와 야전에서 높은 이동성 때문에 비포장도로를 주행해야 하는 군용차량으로 사용된다. 특히 군용차량은 군 요구 사항에 의거 기본적으로 60% 경사로에서 안정적인 등판 성능을 지녀야 한다. 따라서 본 논문은 최적 타이어 힘 분배 방법을 통한 6WD/6WS차량의 등판능력 향상을 다루었다. 경사로 등판 시 사용할 최적 타이어 힘 분배 방법을 위하여 운전자로부터, 목표로 하는 종 방향 힘과 횡 방향 힘, 요 모멘트를 계산하였고, 마찰 원이론과 목적함수에 따른 최적화 된 토크가 각 륜에 분배되었다. 알고리즘 성능을 확인하기 위해서, 트럭심 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션 하였고, 비교를 위하여 2대의 차량을 제안하였다. 한 대의 차량은 최적타이어 힘 분배 방법이 적용되었고, 나머지 한 대는 궤도 차량과 같은 균등 힘 분배 방법이 적용되었다. 경사로에서 등판능력은 최적 타이어 힘 분배 방법에 의해서 향상 되어졌다.
본 다축 차량은 험지와 야전에서 높은 이동성 때문에 비포장도로를 주행해야 하는 군용차량으로 사용된다. 특히 군용차량은 군 요구 사항에 의거 기본적으로 60% 경사로에서 안정적인 등판 성능을 지녀야 한다. 따라서 본 논문은 최적 타이어 힘 분배 방법을 통한 6WD/6WS차량의 등판능력 향상을 다루었다. 경사로 등판 시 사용할 최적 타이어 힘 분배 방법을 위하여 운전자로부터, 목표로 하는 종 방향 힘과 횡 방향 힘, 요 모멘트를 계산하였고, 마찰 원이론과 목적함수에 따른 최적화 된 토크가 각 륜에 분배되었다. 알고리즘 성능을 확인하기 위해서, 트럭심 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션 하였고, 비교를 위하여 2대의 차량을 제안하였다. 한 대의 차량은 최적타이어 힘 분배 방법이 적용되었고, 나머지 한 대는 궤도 차량과 같은 균등 힘 분배 방법이 적용되었다. 경사로에서 등판능력은 최적 타이어 힘 분배 방법에 의해서 향상 되어졌다.
Multi-axle driving vehicle are favored for military use in off road operations because of their high mobility on extreme terrains and obstacles. Especially, Military Vehicle needs an ability to driving on hills of 60% angle slope. This paper presents the improvement of the ability of hill climbing f...
Multi-axle driving vehicle are favored for military use in off road operations because of their high mobility on extreme terrains and obstacles. Especially, Military Vehicle needs an ability to driving on hills of 60% angle slope. This paper presents the improvement of the ability of hill climbing for 6WD/6WS vehicle through the optimal tire force distribution method. From the driver's commands, the desired longitudinal force, the desired lateral force, and the desired yaw moment were obtained for the hill climbing of vehicle using optimal tire force distribution method. These three values were distributed to each wheel as the torque based on optimal tire force distribution method using friction circle and cost function. To verify the performance of the proposed algorithm, the simulation is executed using TruckSim software. Two vehicles, the one the proposed algorithm is implemented and the another the tire's forces are equivalently distributed, are compared. At the hill slop, the ability to driving on hills is improved by using the optimum tire force distribution method.
Multi-axle driving vehicle are favored for military use in off road operations because of their high mobility on extreme terrains and obstacles. Especially, Military Vehicle needs an ability to driving on hills of 60% angle slope. This paper presents the improvement of the ability of hill climbing for 6WD/6WS vehicle through the optimal tire force distribution method. From the driver's commands, the desired longitudinal force, the desired lateral force, and the desired yaw moment were obtained for the hill climbing of vehicle using optimal tire force distribution method. These three values were distributed to each wheel as the torque based on optimal tire force distribution method using friction circle and cost function. To verify the performance of the proposed algorithm, the simulation is executed using TruckSim software. Two vehicles, the one the proposed algorithm is implemented and the another the tire's forces are equivalently distributed, are compared. At the hill slop, the ability to driving on hills is improved by using the optimum tire force distribution method.
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문제 정의
본 논문은 6WD/6WS 전기 차량을 위한 최적 타이어 힘 분배 방법을 이용하여, 60% 직선 경사로 등판 주행 성능 향상 연구를 하였다. 6륜 구동 차량의 구동력 분배 방법에 따른 연구 결과는 다음과 같다.
본 논문은 최적 타이어 힘 분배 방법을 이용하여 경사로에서 6WD/6WS 차량의 힘 분배 방법에 따른 등판 성능 향상에 대하여 다룬다. 먼저 6WD/6WS 차량의 모델을 설정하고 라그랑지 승수 방법(Lagrange Multiplier Method)로 풀이한 최적 타이어 힘 분배 방법을 이용하여 목적 함수를 최소화 시키는 타이어 힘을 계산한다.
가설 설정
본 논문에서는 군 요구사항(ROC)[4]을 만족하는 직선 60% 경사로 등판을 목표한 시뮬레이션을 위하여 경사각을 약 31°의 각도로 설정하고, 경사로는 마른 노면인 정상상태로 가정하여 마찰계수를 1로 가정한다.
또한 조향 입력으로부터 계산된 목표 요 속도를 이용하여 목표 요 모멘트를 결정하고 최적화 된 토크를 각 륜에 분배한다. 본 논문에서는 도로 환경을 직선 경사로로 가정하여 차량의 등판 주행성능 향상 여부를 검증함으로 제어알고리즘은 직선주행만을 고려한다.
제안된 알고리즘을 사용한 차량과 균등 분배 방법을 사용한 차량을 직선 경사로에서 비교함으로써 알고리즘에 따른 등판 성능을 검증, 비교한다. 본 논문은 경사각 추정[9]과 모터 성능은 고려하지 않고, 목표로 하는 휠 토크는 실제 휠 토크와 같다는 가정만을 고려하였다.
정상 상태 직선 주행으로 가정한다면 Mzdes는 0이 되어야 한다.
실선은 속도 프로파일(Profile)을 나타내고 점선은 조향각 프로파일(Profile)을 나타낸다. 직선 등판 주행 시 모터의 최대 토크를 만들기 위하여 10kph로 가정하였으며 조향각은 0도로 가정한다.
제안 방법
1) 구동력 분배 제어 알고리즘을 적용 검증하기 위하여 트럭심(TruckSim)을 이용한 6WD/6WS 차량의 통합시뮬레이션(Co-Simulation) 환경을 구축하였다.
3) 균등 분배 방법이 적용된 6WD 차량과 최적 타이어 힘 분배 방법이 적용된 6WD/6WS 차량을 60% 경사로에서 등판 주행 성능 비교를 하였다. 비교 결과 균등 분배 방법이 적용된 6WD 차량은 전복하여 등판에 실패하였고, 최적 타이어 힘 분배가 적용된 6WD/6WS 차량은 효과적으로 힘을 분배하여 안정적으로 60% 직선 경사로 등판에 성공하였다.
60% 직선 경사로에서 본 논문이 제안한 알고리즘이 적용된 6WD/6WS 차량과 균등 분배 알고리즘을 적용한 6WD 차량의 Z-X평면 경로와 X-Y평면 경로, 차량의 속도비교를 통하여 차량의 등판 주행 성능을 확인한다.
Fxdes와 Fudes,, Mzdes를 만족시키는 각 타이어의 최적 횡 방향 힘 및 종 방향 힘을 계산하기 위해서 최적화 방법을 사용한다. 최적화 방법은 주어진 구속 조건을 만족하는 동시에 목적함수를 최소화 시킨다.
운전자로부터 조향각과 요구 속도를 입력 받고, 차량으로부터 속도와 요 속도를 피드백 받아 목표 종 방향 힘과, 횡 방향 힘 그리고 목표 모멘트를 산출한다. 경사로에 대한 정보와 차량의 종 방향 가속도를 피드백 받아 각 륜에 작용하는 수직하중을 계산하여, 목표 종 방향 힘과 횡 방향 힘, 목표 모멘트와 함께 최적 타이어 힘 분배 방법에 적용한다. 최적 타이어 힘 분배로부터 산출된 종 방향 힘은 바퀴의 반지름을 곱하여 토크로 변환한다.
=0가 된다. 그리고 목표 요 모멘트 Mdes를 생성하기 위하여 목표 요 속도와 실제 차량의 요 속도간의 차이를 이용하여 PI제어기를 이용한다.
따라서 인휠 모터(In-Wheel Motor)를 이용한 독립구동 방식 차량 모델의 전기 차량을 개발하기 위하여 엔진 및 파워트레인 등의 동력전달 요소를 제거하고, 실제로 사용되어질 현가 상 질량(Sprung mass), 관성(Inertia), 현가시스템의 K&C (Kinematics&Compliance)데이터 등을 적용하여 6X6 인휠 독립구동 전기차량 모델을 개발하였다.
제안하는 제어 알고리즘은 운전자 또는 운전자 모델로부터 목표 종 방향 속도를 입력 받아 각 휠의 차량의 종 방향 목표 힘을 계산한다. 또한 조향 입력으로부터 계산된 목표 요 속도를 이용하여 목표 요 모멘트를 결정하고 최적화 된 토크를 각 륜에 분배한다. 본 논문에서는 도로 환경을 직선 경사로로 가정하여 차량의 등판 주행성능 향상 여부를 검증함으로 제어알고리즘은 직선주행만을 고려한다.
경사로 직선 주행을 위한 최적 타이어 힘 분배 방법을 이용한 6WD/6WS 제어 알고리즘의 블록선도를 그림 9과 같이 정의한다. 운전자로부터 조향각과 요구 속도를 입력 받고, 차량으로부터 속도와 요 속도를 피드백 받아 목표 종 방향 힘과, 횡 방향 힘 그리고 목표 모멘트를 산출한다. 경사로에 대한 정보와 차량의 종 방향 가속도를 피드백 받아 각 륜에 작용하는 수직하중을 계산하여, 목표 종 방향 힘과 횡 방향 힘, 목표 모멘트와 함께 최적 타이어 힘 분배 방법에 적용한다.
먼저 6WD/6WS 차량의 모델을 설정하고 라그랑지 승수 방법(Lagrange Multiplier Method)로 풀이한 최적 타이어 힘 분배 방법을 이용하여 목적 함수를 최소화 시키는 타이어 힘을 계산한다. 제안된 알고리즘은 차량 전용 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 차량에 적용 및 시뮬레이션 되며, 군 요구사항(ROC)[4]을 만족하는 직선 60% 경사로 등판을 목표로 시뮬레이션 한다. 비교 차량으로는 좌·우측 각 3개륜이 각각 동일한 구동을 지니는 균등 분배 방법을 사용한 차량을 선정하여.
제안하는 제어 알고리즘은 운전자 또는 운전자 모델로부터 목표 종 방향 속도를 입력 받아 각 휠의 차량의 종 방향 목표 힘을 계산한다. 또한 조향 입력으로부터 계산된 목표 요 속도를 이용하여 목표 요 모멘트를 결정하고 최적화 된 토크를 각 륜에 분배한다.
직선 등판 주행 시, 본 논문에서 제안한 알고리즘을 검증하기 위하여 소프트웨어에서 제공하는 경사로 모델을 사용하고, 군 요구사항(ROC)[4]을 만족하기 위한 60% 경사로를 설정한다. 경사로의 마찰계수는 정상 상태의 환경으로 가정하여 1로 설정하고, 그림 10과 같이 차속 및 조향각을 설정한다.
대상 데이터
차량 주행 시 동특성은 타이어와 노면 등의 조건과 차량의 횡가속도, 현가장치에 의한 하중의 이동 및 다양한 원인에 의하여 영향을 받는다. 본 논문에서 목표로 하는 차량은 6X6 군용 차량으로서 다축 차량모델을 지원해주는 트럭심(TruckSim)을 이용하고, 통합시뮬레이션(Co-simulation) 환경은 그림 4와 같이 매트랩 시뮬링크(Matlab Simulink)를 사용한다.
본 논문은 그림 7과 같은 2차원 평면상에서의 6WD/6WS 차량을 목표 제어 모델로 한다.
비교 차량으로는 좌·우측 각 3개륜이 각각 동일한 구동을 지니는 균등 분배 방법을 사용한 차량을 선정하여.
제안한 최적 타이어 힘 분배 알고리즘과 같이 비교하기 위하여 6WD 차량[8]을 선정한다. 비교 차량인 6WD 차량의 모델은 6WD/6WS 차량 모델과 동일하며, 6WS만 제거된 차량이다. 이 차량에 식 (16)와 같은 균등 분배 방법을 사용하여 시뮬레이션 한다.
제안한 최적 타이어 힘 분배 알고리즘과 같이 비교하기 위하여 6WD 차량[8]을 선정한다. 비교 차량인 6WD 차량의 모델은 6WD/6WS 차량 모델과 동일하며, 6WS만 제거된 차량이다.
데이터처리
비교 차량으로는 좌·우측 각 3개륜이 각각 동일한 구동을 지니는 균등 분배 방법을 사용한 차량을 선정하여. 제안된 알고리즘을 사용한 차량과 균등 분배 방법을 사용한 차량을 직선 경사로에서 비교함으로써 알고리즘에 따른 등판 성능을 검증, 비교한다. 본 논문은 경사각 추정[9]과 모터 성능은 고려하지 않고, 목표로 하는 휠 토크는 실제 휠 토크와 같다는 가정만을 고려하였다.
이론/모형
2) 라그랑지 승수 방법(Lagrange Multiplier Method)를 이용하여 목적 함수를 최소화 하는 최적 타이어 힘 분배 방법을 차량에 적용하였다. 그 결과 각 륜의 구동력을 최적으로 분배 할 수 있었다.
각 차축에 작용하는 수직 하중은 뉴턴(Newton)의 제 2법칙을 적용하고 가속 시에는 달랑베르의 힘을 이용하여 차축에 작용하는 수직 하중을 계산한다. 그 후 차축에 작용하는 수직 하중을 다시 좌·우륜에 분배함으로서 각 륜에 작용하는 수직 하중은 다음 식으로부터 계산된다.
본 논문은 최적 타이어 힘 분배 방법을 이용하여 경사로에서 6WD/6WS 차량의 힘 분배 방법에 따른 등판 성능 향상에 대하여 다룬다. 먼저 6WD/6WS 차량의 모델을 설정하고 라그랑지 승수 방법(Lagrange Multiplier Method)로 풀이한 최적 타이어 힘 분배 방법을 이용하여 목적 함수를 최소화 시키는 타이어 힘을 계산한다. 제안된 알고리즘은 차량 전용 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 차량에 적용 및 시뮬레이션 되며, 군 요구사항(ROC)[4]을 만족하는 직선 60% 경사로 등판을 목표로 시뮬레이션 한다.
본 논문에서 직선 경사로에서의 수직 하중 계산을 위하여 그림 3과 같은 단순화 된 XZ평면 모델을 이용하여 계산한다.
본 논문은 그림 6과 같은 소프트웨어에서 제공하는 경사로 모델을 이용한다
성능/효과
4) 최적 타이어 힘 분배 방법이 적용된 6WD/6WS 차량이 60% 직선 경사로에서 등판 주행을 성공함에 따라서, 직선 등판 주행에서도 좋은 효과를 확인하였다.
그림 11, 그림 12, 그림 13에서 실선은 토크 균등분배 방법이 적용된 차량의 경로 및 속도 그래프를 나타내며, 점선은 최적 타이어 힘 분배 방법에 따른 토크 분배 방법이 적용된 차량이다. 그림 11에서 실선의 결과로 보면 토크 균등분배 방법이 적용된 6WD 차량은 등판에 실패하고, 최적 타이어 힘 분배 방법이 적용된 6WD/6WS 차량은 60% 경사로를 등판 하는 것을 알 수 있다. 또한 그림 12에서는 차량의 직선 주행을 나타내고, 그림 13에서 토크 균등분배 방법이 적용된 차량은 속도가 음의 값을 나타내며 등판에 실패함을 알 수 있다.
그림에서 실선은 토크 균등분배 방법이 적용된 차량으로 전륜, 중륜, 후륜의 토크입력이 같고, 점선은 제안된 알고리즘이 적용된 차량으로 타이어에 작용하는 수직 하중에 따라서 타이어가 가질 수 있는 최적의 종 방향 힘을 발생시키는 토크를 입력하고 있음을 알 수 있다.
비교 결과 균등 분배 방법이 적용된 6WD 차량은 전복하여 등판에 실패하였고, 최적 타이어 힘 분배가 적용된 6WD/6WS 차량은 효과적으로 힘을 분배하여 안정적으로 60% 직선 경사로 등판에 성공하였다. 따라서 최적 타이어 힘 분배가 적용된 6WD/6WS 차량의 직선 경사로 등판 주행 성능이 향상되었다.
3) 균등 분배 방법이 적용된 6WD 차량과 최적 타이어 힘 분배 방법이 적용된 6WD/6WS 차량을 60% 경사로에서 등판 주행 성능 비교를 하였다. 비교 결과 균등 분배 방법이 적용된 6WD 차량은 전복하여 등판에 실패하였고, 최적 타이어 힘 분배가 적용된 6WD/6WS 차량은 효과적으로 힘을 분배하여 안정적으로 60% 직선 경사로 등판에 성공하였다. 따라서 최적 타이어 힘 분배가 적용된 6WD/6WS 차량의 직선 경사로 등판 주행 성능이 향상되었다.
최적 타이어 분배 방법이 적용된 6WD/6WS 차량은 타이어의 수직 하중에 따른 종방향 힘 발생 특성을 고려하여 등판 시 차륜에 인가되는 수직하중에 따른 최적화 방법으로 토크를 분배하여 60% 경사로에서 차량의 등판을 가능하게 하였고, 차량의 등판 주행 성능이 향상되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
6WD 차량의 능력 및 장점은 무엇입니까?
다축 구동차량은 군사용 또는 기타 특수 목적용으로 사용되어진다. 3축을 가진 6WD 차량은 탱크와 같은 궤도 차량이 보유한 제자리 선회 및 험지 주행 능력을 가진다. 그리고 급가속 및 급제동 시에 하중이 중륜에도 배분 되어 피치각이 감소되는 구조적인 이점도 가지고 있다. 6WD 차량은 2WD, 4WD 차량에 비하여 우수한 가속력 및 제동력으로 험지 및 미끄러운 노면에서도 좋은 성능을 보인다. 또한 다수의 독립 휠 구동으로 인하여 외부 타격 혹은 내부 고장에도 주행이 가능하다.
차량 주행 시 동특성은 어떠한 요인들에 의한 영향을 받습니까?
차량 주행 시 동특성은 타이어와 노면 등의 조건과 차량의 횡가속도, 현가장치에 의한 하중의 이동 및 다양한 원인에 의하여 영향을 받는다. 본 논문에서 목표로 하는 차량은 6X6 군용 차량으로서 다축 차량모델을 지원해주 는 트럭심(TruckSim)을 이용하고, 통합시뮬레이션 (Co-simulation) 환경은 그림 4와 같이 매트랩 시뮬링크 (Matlab Simulink)를 사용한다.
각 휠에 모터를 탑재한 다축 전기 차량 또는 4륜 차량이 지니는 이점은 무엇입니까?
최근 배터리 기술의 발달 및 인휠 모터(In-Wheel Motor)의 개발로 인하여 각 휠에 모터를 탑재한 다축 전기 차량 또는 4륜 차량이 연구되고 있다. 이들은 제어적인 관점에서 빠른 응답성과 정확한 토크 발생, 독립구동 의 이점을 가진다[1]. 특히 이러한 시스템의 다축 차량은 일반 조향(normal steering)과 스키드 조향(skid-steering) 및 복합 조향이 가능하며 많은 자유도를 포함하기 때문에 차량 운동 해석 및 제어가 어렵다.
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Martin Larsson, "Road Slope Estimation", Master Thesis, Linkopings universitet, 2010
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