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경찰 오토바이 시뮬레이터의 동역학에 관한 연구
A Study on the Dynamics of Police Motorcycle Simulator 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.15 no.3, 2020년, pp.533 - 542  

안동혁 (경찰인재개발원) ,  조성현 (경찰인재개발원) ,  김희철 (광주대학교 컴퓨터공학과)

초록
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본 연구에서는 기동 순찰대 오토바이 가상훈련 시스템 구현의 개발 기술을 바탕으로 PC를 기반으로 한 모터사이클 시뮬레이터를 개발하였다. 모터사이클 시뮬레이터를 현실감 있게 직접 운전하고 있다는 느낌을 받도록 하기 위해서는 운전자와 시뮬레이터 사이에서 상호 신뢰성 있는 신호의 전달 및 조작 느낌이 중요하다. 이를 위해서 실차와 동일한 조작 느낌을 생성하기 위하여 실차의 각 서브시스템이 모터사이클 시뮬레이터에 그대로 적용될 수 있는 방법에 대한 연구를 수행하여 시스템을 구축하였으며, 이러한 결과를 바탕으로 운전자에게 현실감 있는 조작 느낌을 제공할 수 있는 피드백 큐 생성 방법을 개발하였다. 차량 동역학은 차량 시뮬레이터에 탑승한 운전자가 운전 중 조작하는 조향 휠, 가감속 페달 등으로부터 입력을 받아 실시간으로 차량의 운동을 예측하고, 그 결과를 시각, 음향 시스템에 전달하여 필요한 시각 및 운동 큐를 생성케 하는 시뮬레이터의 중심요소이다. 시뮬레이션 동역학 주요 요구내용에 대해 정리하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we developed a PC - based motorcycle simulator based on the development technology of the virtual patrol motorcycle training system. In order to get the impression that the motorcycle simulator is operating in a realistic way, it is important to have a reliable signal transmission and...

주제어

#오토바이 시뮬레이터   #가상 훈련 시스템   #시뮬레이터 동역학   #시뮬레이터 캐빈   #운전조작 장치   #모터사이클  

표/그림 (5)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 더불어 기동 순찰대에서 운영하고 있는 오토바이의 중량이 400Kg 이상으로 사전 연습이 없이 훈련을 하고, 운전 연습기능, 일반 순찰 기능, 긴급 상황 등위기 대응능력까지 다양한 체험을 경험할 수 있도록 하여 훈련생은 실제 상황에서 필요한 기술을 습득하는데 많은 어려움과 한계를 극복하고자 시뮬레이터의 필요성과 도입이 지속적으로 요구되어 왔다. 경찰인재개발원의 교육 과정에서 요구되는 훈련용 오토바이 가상훈련 시스템으로 운전자에게 현실감 있는 조작 느낌을 제공할 수 있는 다단계 축 운동 시스템을 반영한 오토바이 시뮬레이터를 제안하고 구현하고자 하였다. 본 논문에서 제안한 방법에 근거하여 오토바이 시뮬레이터 동역학을 구현한 내용에 대하여 운동시스템에 부분에서는 모션베이스 장치, 운동시스템 자유도, 모션베이스 롤과 피치 설정 범위, 모션베이스 비상정지 버튼 등의 수용여부와 동작 여부를 확인한 결과 만족한 결과를 확인할 수 있었다.
  • 본 논문 연구는 기동 순찰대원들의 훈련을 위해서 실제 오토바이를 사용하여 교육하는 과정에서 발생할 수 있는 안전사고를 예방할 수 있는 시스템의 필요성이 대두 되었다. 더불어 기동 순찰대에서 운영하고 있는 오토바이의 중량이 400Kg 이상으로 사전 연습이 없이 훈련을 하고, 운전 연습기능, 일반 순찰 기능, 긴급 상황 등위기 대응능력까지 다양한 체험을 경험할 수 있도록 하여 훈련생은 실제 상황에서 필요한 기술을 습득하는데 많은 어려움과 한계를 극복하고자 시뮬레이터의 필요성과 도입이 지속적으로 요구되어 왔다.

가설 설정

  • 차체에 직접 작용하는 힘은 중력, 공기 항력 및 완충기를 통하여 전달되는 힘과 모멘트이다. 바퀴가 완충기를 통하여 차체에 연결되기 때문에 바퀴의 운동을 기술하려면 별도의 질량과 스프링, 댐퍼(damper)를 갖는 동력학 모델을 가정한다. 바퀴를 제외한 차체와 탑승자의 질량을 스프링으로 지지되는 질량이라는 뜻으로 스프링 질량(spring mass) 라고 하며, 바퀴 동력학에 적용되는 질량을 언스프링 질량(unspring mass)라고 부른다.
  • 오토바이에 운전자가 수직으로 앉아있는 자세에서 상체를 앞으로 기울이고 옆으로 틀어서 무게중심이 측정된다면 곧은 자세로 앉아있는 상태에서 좌표변환을 하여 관성능률을 얻는다. 상체의 형상을 타원통이라고 가정하고 타원통의 바닥이 오토바이 좌석에 고정되어 공간에서 회전한다고 가정하자. 좌표계로써 타원통의 중심을 원점으로 하고, 오토바이 전방을 x축, 오른쪽 방향을 y축이라 하고, 전체 질량이 m이고, 길이 lb, 가슴 두께 a, 폭 b 인 타원통을 수직으로 앉은 곧은 자세라고 가정하면 관성능률은 식 (21), (22), (23)과 같다.
  • 오토바이 본체는 그림 4와 같이 앞바퀴, 뒷바퀴, 엔진 그리고 핸들과 외피 등으로 구성되며 여기에 운전자의 하체가 고정되어 있다고 가정한다. 바퀴를 반경 R이고 두께 t인 속이 찬 균일한 원판으로 볼 때 관성능률은 식 (12), (13), (14)와 같이 나타낸다.
  • 차체의 무게중심에 대한 각 방향의 병진운동과 회전운동, 앞바퀴 완충기 변위, 뒷바퀴 완충기 변위, 앞바퀴의 회전, 뒷바퀴의 회전, 엔진의 회전을 포함하면 자유도는 향상된다. 오토바이 차체는 완충기를 통하여 각각의 바퀴와 연결된다. 차체에 직접 작용하는 힘은 중력, 공기 항력 및 완충기를 통하여 전달되는 힘과 모멘트이다.
  • 운전자가 상체를 움직이면 전체 무게중심이 변화하므로 별도의 질량으로 보고 상체 자세에 따른 관성력과 변화하는 관성능률은 반영하지만 전체 무게중심의 이동은 그 양이 작다고 보아 무시한다. 차체의 무게중심에 대한 각 방향의 병진운동과 회전운동, 앞바퀴 완충기 변위, 뒷바퀴 완충기 변위, 앞바퀴의 회전, 뒷바퀴의 회전, 엔진의 회전을 포함하면 자유도는 향상된다. 오토바이 차체는 완충기를 통하여 각각의 바퀴와 연결된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
경찰 오토바이의 시뮬레이터 개발이 중요한 이유는? 그 해결책 중의 하나가 경찰 오토바이의 시뮬레이터 개발이다. 왜냐하면 기동순찰대원의 훈련은 실전중심의 체험을 통해서 얻어지는 매우 어려운 과정이기 때문에 실제상황을 고려한 훈련용 오토바이 가상훈련 시스템이 요구된다. 중량이 400Kg이상인 경찰 오토바이를 사전교육 없이 사용하는 것은 위험한 교육방법이며 그동안 많은 문제점을 안고있는 현안이다.
캐스터 점은 무엇인가? 캐스터 점은 킹핀 또는 조향축의 연장선이 지면과 만나는 점이고 타이어의 접지점 O와 거리를 캐스터 옵셋(caster offset)이라 한다. 캐스터 옵셋은 리이드 (lead), 트레일(trail)이라 부르기도 하는데 이는 타이어의 접지점이 항상 캐스터 점을 따라 이동한다는 의미에서 붙여진 이름이다.
기동순찰대원을 양성하기 위해서 어떤 훈련을 하는가? 중량이 400Kg이상인 경찰 오토바이를 사전교육 없이 사용하는 것은 위험한 교육방법이며 그동안 많은 문제점을 안고있는 현안이다. 기동순찰대원을 양성하기 위해서는 운전 연습기능, 일반 순찰기능, 긴급상황 등 위기 대응훈련까지 모두 실전으로 이루어 지고 있다. 현재 훈련용 오토바이 시뮬레이터는 차량 시뮬레이터에 비해 기술력이 뒤져있지만 후자에서 연구된 내용을 전자의 시스템 개발에 적용한다면 대부분 활용될 것으로 사료된다.
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참고문헌 (16)

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  5. D. Ferrazzin and F, Barbagli: "MORIS: Simplified Dynamic Model," Technical report MO-SS-ME-D-SDM-00, 2000. 

  6. D. Ferrazzin, O. Toscanelli, F. Salsedo, A. Frisoli, M. Franceschini, and M. Bergamasco, "The Stewart Platform of the MORIS Simulator," In Proceedings of PKM99, Milano, Italy, 1999. 

  7. M. Diatale, G. MPrisco, G.Diietro, M. Bergamasco, and P. Ancilotti "The Design and Analysis of the MORIS Simulator," In Proceedings of the 1999 RTAS - Real Time Applications Symposium, June 1999, Vancouver BC, Canada. 

  8. F. Barbagli, D. Ferrazzin, C. Avizzano, and M. Bergamasco, "Washout Filter Design for a Motorcycle Simulator," In Smc 2000 conference proceedin..., Nashville, TN, USA, 2002. 

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  10. J. Binacori, "A Practical Approach to Motion Simulation," In AIAA Visual and Motion Simulation Conference, Palo Alto, CA, USA, 1973, pp.931-938. 

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  12. J. Vian, J. Martin, "Binaural room acoustics simulation: Practical uses and applications," Applied Acoustics, vol. 36, Issues 3-4, 1992, pp.293-305. 

    상세보기 crossref

  13. Y. Gol., I. Kim, S. Oh, and H. Kim, "A Study on the Basic Theory for a Micro Smart Grid Simulator Design Using MEMS' Miniaturization Technology," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 2, 2017, pp. 315-324. 

  14. J. Jo, "Performance Comparison among MANET Routing Protocols of Drone Patrol Network for Traffic Violation Enforcement on a Highway," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 1, 2018, pp. 107-112. 

  15. Y. Jo, "Development of 119 Integrated Emergency Management System Training Simulator System," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 4, 2015, pp. 461-468. 

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  16. S. Cho, Y. Jeong, and D. Ahn, "A Study on Feedback Queue Generation Method in Police Motorcycle Simulator System," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 4, 2018, pp. 827-836. 

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