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문제 정의
- ABS 제어 로직은 다양한 플랫 폼에 공통으로 적용 가능하지만 최적 슬립율은 대상 항공기의 특성에 맞게 설정될 필요성이 있다. 따라서, 본 논문에서는 ABS 제어 로직의 주요 변수인 최적 슬립율을 결정하는 시험적인 방법을 제안하고 그 효용성에 대한 연구 결과를 제시하였다. 일반적으로 제동장치 성능 입증을 위해 수행하는 다이나모시험 [9-11]으로 필요한 데이터를 획득하고 기존 연구사례 [7-8] 에서 제시된 μ-λ 근사식 도출 방식을 참고하여 최적 슬립 율 결정 방법을 정립하였다.
- 본 논문에서는 항공기용 제동장치의 ABS 제어로직 에서 중요한 변수인 최적 슬립율을 결정하는 시험적 방법을 제안하였다.
- 하지만 이같은 방법은 오일을 고르게 도포하는 문제와 시험 종료 후 제거하는 문제, 제동 중 오일의 유지여부 문제 등 현실적으로 실행하 는데 어려움이 있다. 본 연구에서는 효율적인 시험수 행을 위하여 요구 마찰계수와 다이나모 표면마찰계수의 비율만큼 수직력을 감소시킴으로써 마찰계수가 낮아지는 것과 동일한 마찰력 감소 효과를 모사하였다.
제안 방법
- μ-λ 선도의 참조 수식을 수립하고 최소자승법을 이용하여 μ-λ 분포 결과로부터 μ-λ 근사식을 도출하였다.
- μ-λ 참조 수식과 최소 자승법을 적용하여 μ-λ 분포도로부터 근사식을 도출 하고, 이 근사식을 미분한 식의 해를 구하여 최적 슬립율을 결정하였다.
- μ-λ 참조 수식을 이용하여 일반적인 μ-λ 선도의 근사 식을 도출함으로써 참조 수식의 타당성을 검증하였다.
- 100 % 제동력 인가시 스키드 발생 여부를 확인하고 스키드가 발생할 경우 인가 제동력을 50 %까지 점진적으로 낮추어 스키드 발생하지 않고 제동 완료하는 조건을 확인하였다. 그리고 이 때 제동거리를 산출하였다. Table 2에 스키드 발생 여부를 O, X로 표시하고 스키드 미발생시 제동 거리(단위 : m)를 제시하였다.
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본 연구에서는 다이나모시험을 수행한 결과로부터 노면 마찰계수 μ와 슬립율 λ을 산출 하고 μ-λ 분포도를 획득하였다. μ-λ 참조 수식과 최소 자승법을 적용하여 μ-λ 분포도로부터 근사식을 도출 하고, 이 근사식을 미분한 식의 해를 구하여 최적 슬립율을 결정하였다. 결정된 최적슬립율은 제어로직에 반영하여 다이나모시험 및 활주시험을 수행하였고
- 노면 wet 조건과 노면 ice 조건 각각의 다이나모시험 결과 로부터 μ-λ 근사식을 도출하고 각각의 최적 슬립율을 0.55와 0.2로 결정하였다.
- 노면 wet 조건은 최대 속도, 최대 제동력 인가 조건인 속도 110 km/hr, 제동력 100 % 조건의 결과를 분석 하였다. Fig.
- 다이나모 시험은 노면 wet 조건과 노면 ice 조건으로 두 종류의 활주로 노면 조건을 설정하고 수직력을 달리함으로써 노면 조건의 모사를 대신하였다. 노면 wet 조건과 노면 ice 조건 각각의 다이나모시험 결과 로부터 μ-λ 근사식을 도출하고 각각의 최적 슬립율을 0.
- 마찰계수는 슬립율의 함수이며 슬립율이 증가함에 따라 마찰계수가 급격히 증가하다가 서서히 감소하는 특성이 있다. 마찰계수가 감소하는 구간에서 스키드가 발생되므로휠 슬립율을 실시간 관측하면서 슬립율이 최대 마찰 계수를 갖는 최적 슬립율을 초과하지 않도록 제동력을 제어하는 방식으로 ABS 제어를 수행한다.
- 본 논문에서 제안하는 최적슬립율의 결정 방법은 일반적인 μ-λ 선도에서부터 값을 찾는 것이 아니고 운용하고자하는 항공기 조건과 운용할 제동시스템의 조건에서 시험함으로써 현실적인 μ-λ 선도와 최적 슬립율을 찾는 방법이다.
- 본 논문에서는 2.2절에서 μ-λ 근사식을 참조수 식인 식 (5)로 정립하였고 3.2절에서 μ와 λ의 시험데 이터를 획득하였으므로, 다변수 최소자승법을 통하여식 (5)의 β1, β2, β3, β4, β5 를 수치적으로 결정할 수있다.
- 본 연구에서는 다이나모시험을 수행한 결과로부터 노면 마찰계수 μ와 슬립율 λ을 산출 하고 μ-λ 분포도를 획득하였다.
- 3에 다이나모시험 개념도를 제시하였다. 시험은 다이나모 속도를 증가시켜 항공기 제동인가 속도에 도달하면 휠에 장착된 제동장치에 제동력을 인가 하여 다이나모와 휠이 정지할 때까지 수직력과 제동력, 다이나모 속도, 휠 속도 등의 데이터를 측정하는 방식으로 수행되었다. 제동장치에는 로드셀이 연결되어 있어 제동과정에 휠에 작용하는 복합 힘이 측정된다.
- 앞서 도출한 최적 슬립율을 ABS 제어 로직에 적용 하여 다이나모시험을 수행하였다. 노면 wet 조건에서 최적 슬립율을 0.
- 일반적으로 제동장치 성능 입증을 위해 수행하는 다이나모시험 [9-11]으로 필요한 데이터를 획득하고 기존 연구사례 [7-8] 에서 제시된 μ-λ 근사식 도출 방식을 참고하여 최적 슬립 율 결정 방법을 정립하였다.
- 노면 ice인 경우, 스키드가 발생한 조건을 선정하였다. 제동력 100 % 조건은 Fig. 8과 같이 제동직후 바로 스키드 발생하여 슬립율 및 마찰계수 분석이 불가 능하므로 제동 중간에 스키드 발생하는 조건을 선정 하였다. 노면 ice, 속도 75 km/hr 조건의 경우 제동력 60 % 조건에서 스키드 발생하나 제동력 50 % 인가시 스키드가 발생하지 않음을 확인하였다.
- 최적 슬립율 0.55를 ABS 제어 로직에 적용하여 활주시험을 수행하였다. 노면 wet 조건의 다이나모시험 으로 도출된 최적 슬립율을 노면 dry 조건의 활주시 험에 적용하는 것은 브레이크 잠김현상을 방지하는 목적에서 보수적이고 안전한 방법이다.
- 노면 ice 조건은 100 % 제동 인가시 스키드 발생하였고, 75 km/hr, 50 % 제동인가 조건에서 스키드 발생하지 않고 제동 완료함을 확인하였다. 최적슬립율 결정을 위해 노면조건별 각각 한 조건씩 선정하였고 슬립율 및 마찰계수를 분석하였다.
대상 데이터
- 대상 항공기의 중량조건과 제동운용 속도 조건을 모사하는 다이나모시험을 수행하고 제동 수행간 마찰 계수 μ와 슬립율 λ 데이터를 획득하였다.
- 항공기에 ABS 기능을 구현하기 위해서는 제동력을 가변할 수 있는 제동장치와 제동장치가 위치한 휠의 속도를 측정하는 휠속도센서와 ABS 로직을 포함한 제동력 제어 장치를 보유해야 한다. 본 논문의 시험에 적용한 항공기용 제동장치는 1~2,000 kg 중량급의 소형항공기에 적용되는 전기 모터식 제동장치와 ABS 제어 로직을 포함하는 제동제어기이다. ABS 제어 로직은 슬라이딩 모드 제어 기법을 이용하여 제동력을 조절함으로써 휠 슬립율이 최적 슬립율을 초과하지 않도록 구현되어 있다.
이론/모형
- μ-λ 선도의 참조 수식은 식 (4)에 제시한 Burckhardt 모델[12]을 활용한다.
성능/효과
- 노면은 wet과 ice 조건으로 설정하고 제동 인가 속도는 110 km/hr와 75 km/hr 조건으로 설정하였다. 100 % 제동력 인가시 스키드 발생 여부를 확인하고 스키드가 발생할 경우 인가 제동력을 50 %까지 점진적으로 낮추어 스키드 발생하지 않고 제동 완료하는 조건을 확인하였다. 그리고 이 때 제동거리를 산출하였다.
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μ-λ 참조 수식과 최소 자승법을 적용하여 μ-λ 분포도로부터 근사식을 도출 하고, 이 근사식을 미분한 식의 해를 구하여 최적 슬립율을 결정하였다. 결정된 최적슬립율은 제어로직에 반영하여 다이나모시험 및 활주시험을 수행하였고
ABS 기능이 적절히 작동함을 확인하였다. - 이는 일반적인 μ-λ 선도에서 wet 조건과 ice 조건의 최적 슬립율에 비해 상당히 큰 값이다. 그러나 ABS 제어 로직을 적용한 다이나모시험을 통해 두 조건에서 모두 적절한 스키드 방지 기능과 제동성능이 확인 하였다. 노면 ice 조건의 경우, ABS 제어로직을 적용 하기 전 제동 중 스키드 발생하였으나, ABS 제어로직 적용 후 스키드 발생하지 않고 제동 완료하였다.
- 단, 수직력이 감소되면 지면에 접촉 하는 타이어 면적이 감소되어 타이어 변형에 의한 제동 특성 영향이 실제와 차이가 있을 수 있다. 그러나그 영향이 크지 않을 것으로 판단되고, 3.2절과 3.3절의 결과와 같이 ice 조건에서 스키드를 유발하고 ABS 기능을 확인하는 본 논문의 연구목적을 충분히 달성 하였으므로 본 연구의 시험방법으로 적용하는 것은 타당하다.
- 노면 wet 조건은 100 % 제동인가시 스키드 발생하지 않고 제동 완료하였다. 노면 ice 조건은 100 % 제동 인가시 스키드 발생하였고, 75 km/hr, 50 % 제동인가 조건에서 스키드 발생하지 않고 제동 완료함을 확인하였다. 최적슬립율 결정을 위해 노면조건별 각각 한 조건씩 선정하였고 슬립율 및 마찰계수를 분석하였다.
- 8과 같이 제동직후 바로 스키드 발생하여 슬립율 및 마찰계수 분석이 불가 능하므로 제동 중간에 스키드 발생하는 조건을 선정 하였다. 노면 ice, 속도 75 km/hr 조건의 경우 제동력 60 % 조건에서 스키드 발생하나 제동력 50 % 인가시 스키드가 발생하지 않음을 확인하였다. 노면 ice 조건은 속도 75 km/hr, 제동력 60 % 조건의 결과를 분석하 였다.
- 다이나모시험은 항공기에 실제 운용하는 휠/타이어 조립체와 휠속도센서, 제동장치, 제동제어기로 구성하고 항공기 중량조건과 운용 속도조건을 모사하여 수행한다. 따라서 본 연구에서 제시하는 방법은 대상 항공기의 운용 특성을 고려한 제어 변수 도출이 가능 하다.
- 2로 낮출 경우에 저속 구간에서 불필요한 ABS 기능이 작동하고 제동거리가 증가하므로 기설정한 최적 슬립율이 타당함을 입증하였다. 또한 노면 wet 조건의 최적 슬립율 0.55는 활주시험 결과에서도 적절성을 확인하였다.
- 본 논문에서 제안하는 최적슬립율의 결정 방법은 일반적인 μ-λ 선도에서부터 값을 찾는 것이 아니고 운용하고자하는 항공기 조건과 운용할 제동시스템의 조건에서 시험함으로써 현실적인 μ-λ 선도와 최적 슬립율을 찾는 방법이다. 또한, 다이나모시험을 통하여 제동성능을 확인하고 활주시험에 적용한 결과까지 검토함으로써 제안 방법의 효용성을 입증하였다.
- 휠속도가 항공기 속도를 따라가지 못해 슬립율 55 %에 도달하면 ABS 기능이 작동해서 제동력이 감소된다. 이후 휠속도가 회복되면 제동력이 회복되고 스키드 발생없이 제동이 완료되는 결과를 확인하였다. 시험 결과 제동거리는 다이나모 시험결과보다 짧다.
- 17과 동일 조건에서 제동력을 100 % 인가한 시험 결과이다. 최대 제동력 인가시에도 ABS기능이 작동하여 스키드가 방지되고 제동 완료되는 것을 확인하였다. 단, 빈번한 ABS 기능 작동으로 인하여 제동거리가 증가하였다.
- 노면 wet 조건의 경우, 제동 중 슬립율이 최적 슬립율보다 낮아 ABS 제어로직 적용 전후 제동결과에 차이가 없었다. 하지만 최적 슬립율을 0.55에서 0.2로 낮출 경우에 저속 구간에서 불필요한 ABS 기능이 작동하고 제동거리가 증가하므로 기설정한 최적 슬립율이 타당함을 입증하였다. 또한 노면 wet 조건의 최적 슬립율 0.
후속연구
- 본 연구는 활주시험을 통해 항공기 운용상 적용 효용성은 입증하였으나, 다이나모시험이 활주로 노면상 태를 완전히 모사하지 못하는 한계를 갖고 있다. Fig. 12, Fig. 14와 같은 데이터를 활주로 노면상에서 측정 하여 확인할 수 있다면 실제 활주로 노면상 적합한 최적 슬립율을 ABS 제어 로직에 적용할 수 있을 것이다. 이를 위해서는 제동시 휠에 작용하는 복합 토크를 정확히 측정할 수 있어야 하는데 다이나모시험에 서는 Fig.
- 각 노면 조건의 최적 슬립율은 도출된 μ-λ 근사식을 미분하고 그 해를 구함으로써 구할 수 있을 것이다.
- 따라서, 시험에서 측정된 μ와 λ 데이터에서 μ-λ 선도를 근사식화한다면 이를 미분하여 최적 슬립율을 도출할 수 있을 것이다.
- 본 연구는 활주시험을 통해 항공기 운용상 적용 효용성은 입증하였으나, 다이나모시험이 활주로 노면상 태를 완전히 모사하지 못하는 한계를 갖고 있다. Fig.
- 이를 대신하기 위해서는 휠속도, 제동력, 유효 타이어 반경등 측정 가능한 데이터와 항공기 형상정보를 조합하여 토크를 산출해낼 수 있어야 한다. 향후 누적된 활주시험 결과를 이용하여 시험데이터 및 항공기 형상 정보로부터 활주로 노면상 μ-λ 선도를 도출하고 최적 슬립율을 결정할 수 있을지 가능성을 검토하고 상세 연구를 진행할 계획이다.
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