[논문]수정된 스카이훅 제어기를 적용한 회전형 현가장치 차량의 차체진동 저감

정사무엘; 유완석

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.1.025

초록
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군용 견마로봇차량은 전시 임무수행간 야지를 주행하게 되는데, 이때 발생하는 지속적인 충격에 의한 차체의 진동은 내부 구성품에 손상을 초래할 수 있다. 현재 차체 진동저감을 위한 제어의 수단으로 능동 또는 반능동 현가장치을 사용한 많은 연구가 진행 되고 있다. 본 연구에서는 기존의 반능동 현가장치와 더불어 $6{\times}6$ 차량의 회전형 현가장치와 독립적인 구동제어에 의한 진동저감 기법을 제안한다. 진동 제어기로는 스카이훅의 수정기법 중의 하나인 SH-ADD 를 적용하였다. ISO E 등급의 노면을 주행노면으로 선정하였으며, 시뮬레이션은 ADAMS Control 과 Matlab Simulink 를 연동하여 수행하였다. 야지에서의 내부장비의 피로누적에 초점을 두어 주행 제어조건에 따른 RMS 수치로서 결과를 비교 및 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In military vehicles moving over poor roads, severe vibration of the chassis can damage internal components. Currently, many studies have focused on active and semi-active suspensions to reduce the vibration of the chassis. In this study, a vibration reduction technique is suggested by applying a un...

In military vehicles moving over poor roads, severe vibration of the chassis can damage internal components. Currently, many studies have focused on active and semi-active suspensions to reduce the vibration of the chassis. In this study, a vibration reduction technique is suggested by applying a unique rotating suspension structure. SH-ADD, a type of modified Skyhook, was selected as a controller for vibration reduction. A random ISO class E road was selected as the driving road. The simulation was performed using ADAMS Control and Matlab Simulink. The control result was compared with the RMS acceleration with a focus on the cumulative fatigue of the internal equipment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 기존 회전형 현가장치를 장착한 승용차량에서의 제동 및 출발시 Dive/Squat 현상을 방지하는 기법^(7,8)에서 착안하여 구동력을 이용한 차체 진동 제어기법을 제안한다.
본 연구에서는 현가장치 이외의 제어수단, 즉 휠토크로 차체 진동저감이 가능함을 보이고, 기존의 반능동 현가장치와 더불어 6x6 차량의 특징인 현가장치의 회전형 구조와 독립적인 구동능력에 의한 진동저감 기법을 제안한다.

가설 설정

11 과 같은 길이에 따른 고저형상을 보이며, 좌우측 바퀴에 위상차이를 다르게 주어 차체 롤링이 발생할 수 있도록 하였다. 주행 속력은 군용견마로봇이 정찰모드로써 야지에서 운용되는 것을 가정하여 10KPH 로 선정하였다.

제안 방법

다물체동역학 해석프로그램인 ADAMS 를 이용하여 견마로봇 차량을 Fig. 3 과 같이 모델링하였다.
차량과 타이어 및 노면을 ADAMS Control 을 이용하여 모델링를 구성하였고, Arm/Wheel torque controller 는 Matlab Simulink 를 이용하여 구성하여 Cosimulation 을 수행하였다.

대상 데이터

과도응답제어성능 분석을 위한 노면으로 5cm 사다리꼴 범퍼를, 정상응답제어성능 분석을 위한 노면으로는 Fig. 10 에서의 ISO 기준 E 등급의 랜덤노면을 생성하여 적용하였다. 생성된 노면은 Fig.
본 연구에 사용된 차량모델은 다족형 견마로봇(Quadruped Legged Robot)의 형상으로 6 개의 팔과 6 개의 바퀴로 구성되어 있으며 연결관계를 나타내는 Topology 는 Fig. 2 과 같으며, 각 부분 질량은 Table 1 과 같다.
시뮬레이션 주행노면은 야지기준에 적합한 ISO 기준 E 등급의 랜덤노면⁽⁵⁾을 선정하였다. 시뮬레이션은 ADAMS Control 과 Matlab Simulink 를 연동⁽⁶⁾하여 수행하였으며, 내부장비의 피로누적에 초점을 두어 제어조건에 따른 RMS 수치로서 결과를 비교 분석하였다.
48Nms/rad 이다. 차량의 구동력원은 In-wheel motor 이며 타이어는 MF-Fire 모델을 선정하였다.
현가장치는 차체와 팔간의 회전형 스프링 및 반능동 댐퍼로 구성되어 있다. 선형강성계수는 8021.

데이터처리

을 선정하였다. 시뮬레이션은 ADAMS Control 과 Matlab Simulink 를 연동⁽⁶⁾하여 수행하였으며, 내부장비의 피로누적에 초점을 두어 제어조건에 따른 RMS 수치로서 결과를 비교 분석하였다.

이론/모형

본 연구에서는 차체 진동제어 알고리즘으로 스카이훅(Skyhook)제어의 수정기법인 SH-ADD 를 적용하였으며 Simulink 로 ADAMS 와 연동하였다.
진동제어 기법으로는 Karnoop 가 제안한 Skyhook 제어기법⁽³⁾의 수정기법인 ADD(Acceleration Driven Damper)제어⁽⁴⁾를 적용하여 운행간 차체에 지속적으로 발생되는 수직가속도응답을 저감하였다.

성능/효과

12 에 나타내었으며, 전체응답에서 가속도가 가장 크게 나오는 부분을 확대한 그림을 Fig 13 에 나타내었다. Fig. 13 을 보면 반능동 현가장치와 구동력을 제어한 결과 모두 Passive 주행에 비해 가속도응답이 10%이상 개선되었으며, Table 5 에서 볼 수 있는 바와 같이 Arm 과 Wheel 을 동시에 제어하면 29%의 저감결과를 얻을 수 있었다.
랜덤노면에의 정상상태응답 특성을 비교하기 위해 가속도 누적 RMS 를 비교하였으며, 그 결과는 Fig. 14 와 같이 랜덤노면에서 또한 구동력 제어를 추가한 결과값이 크게 줄어들어 차체 진동저감성능이 개선됨을 알 수 있다.
반능동 현가장치와 구동력 제어를 각각 적용시 정상상태 및 과도상태에서 모두 효과가 있었으며, 두 제어 수단을 동시에 적용했을 때에는 더 나은 결과를 이끌어 낼 수 있음을 확인하였다.
본 연구에선 수정된 스카이훅의 한 종류인 SHADD 기법을 적용하여 기존 반능동 현가장치와 더불어 In-wheel motor 의 구동력을 추가적으로 제어함으로써 차체 진동저감이 가능함을 확인하였다.

후속연구

현재 무인자율로봇의 기본 형태가 견마형태이고 각 바퀴 독립구동이 가능하기 때문에 기존 생산된 차량에서도 하드웨어적인 변경 없이 구동력 제어 알고리즘을 적용 후 실험 수행과 추가적인 개선사항 도출이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	군용 견마로봇차량이란?	군용 견마로봇차량은 미래전 상황시 근거리 감시정찰 및 지뢰의 탐지와 제거를 목적으로, 정해진 경로를 자율적으로 주행하여 임무수행할 수있는 차량형 무인 로봇이다. 군용 견마로봇차량의 임무수행 환경은 시가지 또는 야지로서 노면 상태를 예측하여 경로와 속력을 제어하며 운행 하게 된다.
	군용 견마로봇차량이 전시 임무수행간 야지를 주행하게 될 때, 발생할 수 있는 문제는?	군용 견마로봇차량은 전시 임무수행간 야지를 주행하게 되는데, 이때 발생하는 지속적인 충격에 의한 차체의 진동은 내부 구성품에 손상을 초래할 수 있다. 현재 차체 진동저감을 위한 제어의 수단으로 능동 또는 반능동 현가장치을 사용한 많은 연구가 진행 되고 있다.
	본 연구에서 제안한 진동저감 기법은 무엇을 적용하여 운행간 차체에 지속적으로 발생되는 수직가속도응답을 저감하였는가?	진동제어 기법으로는 Karnoop 가 제안한 Skyhook 제어기법(3)의 수정기법인 ADD(Acceleration Driven Damper)제어(4)를 적용하여 운행간 차체에 지속적으로 발생되는 수직가속도응답을 저감하였다.

참고문헌 (8)

Jeon, S. H., Lee, J. H., Yoo, W. S. and Kim, J. Y., 2011, "Study on Improving Stability of 6 ${\times}$ 6 Skid- Steering Vehicle by Employing Skyhook Control Method," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 35, No. 8, pp. 905-912.

원문보기 상세보기
Cho, Y., Song, B. S. and Yi, K., 1999, "A Road- Adaptive Control Law for Semi-Active Suspensions," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 13, No. 10, pp.667-676.
Karnopp, D., Crosby, M. J. and Harwood, R. A., 1974, "Vibration Control Using Semi-Active Force Generators," Journal of Engineering for Industry, Vol.96, Issue. 2, pp. 619

상세보기
Savaresi, S.M., Poussot-Vassal, C., Spelta, C., Sename, O. and Dugard, L., 2010, "Semi-Active Suspension Control for Vehicles," Butterworth Heinemann, Elsevier.
Kim, K.S. and Yoo, W.S., 1997, "Generation of Road Surface Profile with a Power Spectral Density Funcion," The Korean Society of Automotive Engineers, Vol.5, No. 1, pp. 136-145.
Su-hee Jeon, Jeong-han Lee, and Wan-Suk Yoo, 2011, "Improvement of Maneuvering Stability of a 6*6 Vehicle Using Control Schemes," ECCOMAS, multibody2011, Belgium
http://www.tonyfoale.com/Articles/Dive/DIVE.htm (Tony Foale)
http://girishravan.xomba.com/what_antidive_and_antisquat (xomba , GirishRavan)

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