[논문]타이어 변형량의 무선 계측 시스템 구현

박상수; 곽성우; 양정민

doi:10.13067/jkiecs.2020.15.4.671

타이어 변형량의 무선 계측 시스템 구현
Implementation of Wireless Measurement System for Tire Deformation 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.15 no.4, 2020년, pp.671 - 678

박상수 (발레오오토모티브코리아) , 곽성우 (부경대학교 제어계측공학과) , 양정민 (경북대학교 전자공학부)

초록
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본 논문에서는 스트레인게이지 센서와 Zigbee 무선 통신 기술을 활용하여 차량 주행 시 타이어의 변형량을 실시간으로 측정할 수 있는 무선 계측시스템을 개발하였다. 차량 타이어의 내부에 스트레인게이지 센서를 장착하고 DSP 모듈을 이용하여 차량이 주행 중 발생하는 타이어의 변형량을 취득하였다. 취득된 센서 값은 무선 통신으로 차량 내부로 전송된다. 차량내부에 장착된 무선 수신 모듈은 타이어의 변형량을 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 구현하였다. 이와 같이 취득된 타이어의 변형량은 각 타이어에 가해지는 하중 또는 타이어의 속도 측정에 이용할 수 있다. 타이어에 가해지는 하중 또는 속도는 자율주행자동차의 안정성 있는 제어를 위해서는 반드시 필요한 파라메타들이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a wireless measurement system has been developed which can measure the deformation of a tire in real time by utilizing strain gauge sensors and Zigbee wireless communication. A strain gauge sensor is mounted inside the tire and then the strain on the tire is obtained using the DSP module. The acquired sensor values are transmitted into the vehicle by radio communication. The wireless receiver module installed inside the vehicle can monitor the deformation of the tire in real time. The deformation of the tire can be used for measuring the load applied to each tire or the speed of the tire. The load or speed applied to the tires are essential parameters for the stable control of autonomous vehicles.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 무선 계측 시스템의 구성도 Fig. 1 Configuration of wireless measurement system
그림 그림 2. 스트레인게이지 센서 구동 회로 Fig. 2 Driving circuit for strain gauge sensor
그림 그림 3. 데이터 수집 모듈 Fig. 3 Data measurement module
그림 그림 4. 타이어에 장착된 센서와 데이터 수집 모듈 Fig. 4 Strain gauge sensor and data measurement module mounted on the tire
그림 그림 5. 데이터 통합 모듈 Fig. 5 Data integration and processing module
그림 그림 6. 데이터 수집 모듈 소프트웨어 순서도 Fig. 6 Software flow chart for the data measurement module
그림 그림 7. 데이터 통합 모듈의 소프트웨어 순서도 Fig. 7 Software flow chart for the data integration and processing module
그림 그림 8. 타이어 변형량의 유선 계측 시스템 Fig. 8 Wireline measuring system of tire deformation
그림 그림 9. 타이어 변형량의 유선 계측 신호 Fig. 9 Wireline measurement signal of tire deformation
그림 그림 10. 타이어 변형량의 무선 계측 신호 Fig. 10 Wireless measurement signal of tire deformation

AI 본문요약
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문제 정의

차량이 주행 중에 타이어의 변형량을 측정하기 위해서는 회전 운동을 하는 타이어 휠과 고정된 차량 차체사이를 유선으로 연결시켜주는 슬립 링(slip-ring) 과 같은 고가의 장치가 요구된다[5]. 본 논문에서는 슬립 링과 같은 고가의 장치 대신 타이어 내부[6-7] 에 스트레인게이지 센서[8]를 부착하고 센서 신호 측정 모듈을 이용하여 변형량을 측정한 후, 그 결과를 무선으로 차량내의 수신 모듈로 전송하여 타이어의 변형량을 실시간으로 계측할 수 있는 시스템을 개발 하였다. 무선 계측 시스템으로 측정한 데이터의 신뢰 성을 검증하기 위해 별도의 유선 계측 시스템을 구성 하고 실험결과를 비교하여 제안된 무선 계측시스템의 유용성을 검증하였다[9-10].
자율주행 기술은 미국 방위고등연구계획국(DARPA: Defence Advanced Research Projects Agency)이 군사적인 용도로 사용 하기 위해 지상 차량에 대한 연구를 처음 시작하였다 [3]. 본 논문에서는 자율 주행 자동차의 주행 안전성을 높이기 위해 타이어의 변형량을 무선으로 계측하는 시스템을 구현하였다. VDC(: Vehicle Dynamic Control), AWD(All Wheel Drive)등의 차량 운동 제어시스템에서는 타이어와 노면 간의 접지력, 노면 마찰계수, 강성, 슬립각 등은 차량 동역학을 이용한 추정 값들을 사용하고 있다.

제안 방법

다음으로 그림 8의 슬립링이 부착된 타이어를 데이터 수집 모듈이 탑재된 그림 4의 타이어로 교체하고 차량이 주행할 때 타이어 변형량 측정 실험을 실시하 였다. 이번에는 NI(社)의 DAQ 장비 대신 그림 5의 데이터 통합 모듈을 이용하여 무선으로 스트레인게이지 센서 신호를 전달받아 타이어 변형량을 측정하였다.
데이터 수집 모듈로부터 전송받은 데이터의 노이즈를 제거하고 원하는 주파수 영역 내의 성분만을 뽑아 내기 위해 디지털 버터워스 필터(Butter worth filter) 를 소프트웨어로 구현하여 사용하였다.
데이터 통합 모듈은 각 타이어에 장착된 데이터 수집 모듈로부터 스트레인게이지 센서 신호의 원시 데이터(raw data)를 무선으로 전달받아 신호 처리를 한후 그 결과를 시리얼 통신으로 데이터 모니터링부에 전달하여 디스플레이 장치에 표출하도록 한다.
이를 위해 폴링 방식의 데이터 전송이 아닌 인터럽트 방식을 사용하였다. 먼저 ADC 인터럽트가 발생하면 3개 미만의 데이터를 버퍼에 채운 뒤 스트레인게이지 센서 데이터의 수신이 완료됨과 동시에 Zigbee 무선 모듈을 이용하여 데이터를 전송하도록 인터럽트 서비스 루틴(ISR: Interrupt Service Routine)을 구현하였다.
먼저 차량이 주행 중에 타이어가 지면과 접촉하면서 발생하는 변형량을 직접 계측하기 위해 그림 8과 같이 스트레인게이지 센서가 부착된 타이어와 바퀴 휠(wheel)에 슬립링을 장착하여 유선으로 스트레인게 이지 신호를 취득할 수 있게 구성하였다. 타이어 내부의 스트레인게이지 센서로부터 나오는 신호는 NI(社) 의 DAQ 보드를 이용하여 노트북에서 신호를 계측하 였다.
본 연구에서는 차량 주행 중에 타이어의 변형량을 실시간으로 측정하기 위해 스트레인게이지 센서와 근거리 무선 통신용 Zigbee 모듈, 신호 처리 모듈(DSP) 을 활용한 무선 계측 시스템을 구현하였다. 무선 계측 시스템의 유용성을 확인하기 위해 슬립링을 활용한 유선 계측시스템을 구현하고 실험결과를 비교하였다. 그 결과 무선 계측시스템을 이용하여 타이어 변형량을 실시간으로 측정할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 차량 주행 중에 타이어의 변형량을 실시간으로 측정하기 위해 스트레인게이지 센서와 근거리 무선 통신용 Zigbee 모듈, 신호 처리 모듈(DSP) 을 활용한 무선 계측 시스템을 구현하였다. 무선 계측 시스템의 유용성을 확인하기 위해 슬립링을 활용한 유선 계측시스템을 구현하고 실험결과를 비교하였다.
타이어 내부의 특정 부분에 스트레인게이지 센서를 부착하면 센서가 부착된 면이 지면과 접촉할 때마다 스트레인게이지 센서가 늘어나거나 줄어드는 변형이 발생하며 이것은 스트레인게이지 센서의 내부저항 값을 변화시킨다. 스트레인게이지 센서의 저항 변화는 그림 2의 브리지 회로의 전압 변화를 가져오므로 이것을 계측하여 타이어의 변형량을 측정하였다.
다음으로 그림 8의 슬립링이 부착된 타이어를 데이터 수집 모듈이 탑재된 그림 4의 타이어로 교체하고 차량이 주행할 때 타이어 변형량 측정 실험을 실시하 였다. 이번에는 NI(社)의 DAQ 장비 대신 그림 5의 데이터 통합 모듈을 이용하여 무선으로 스트레인게이지 센서 신호를 전달받아 타이어 변형량을 측정하였다.
먼저 차량이 주행 중에 타이어가 지면과 접촉하면서 발생하는 변형량을 직접 계측하기 위해 그림 8과 같이 스트레인게이지 센서가 부착된 타이어와 바퀴 휠(wheel)에 슬립링을 장착하여 유선으로 스트레인게 이지 신호를 취득할 수 있게 구성하였다. 타이어 내부의 스트레인게이지 센서로부터 나오는 신호는 NI(社) 의 DAQ 보드를 이용하여 노트북에서 신호를 계측하 였다. DAQ 보드는 그림 2의 스트레인 게이지 구동회 로에서 출력되는 아날로그 전압을 직접 계측할 수 있는 장비이다.

대상 데이터

DSP 모듈은 데이터 수집 모듈에서와 동일한 TMS320F28335를 사용하였다. 전원부는 12V 차량 전원으로부터 전원을 공급받아 DC-DC 컨버터를 통해 DSP 모듈, Zigbee 및 CAN 통신 모듈에게 3.
데이터 수집 모듈은 DSP(Digital Signal Processing) 프로세서, 신호 증폭회로, 그리고 취득된 데이터를 무선으로 전송하기 위한 Zigbee 무선 모듈로 구성하였다. DSP 프로세서는 TI(Texas Instruments)(社)의 초소형 TMS320F28335 모듈을 사용하였다. TMS320F28335 모듈은 저 전력, 150MHz/ 150MIPS/150MMACS의 연산능력, 그리고 센서 데이터 취득에 필요한 12Bit ADC(Analog Digital Converter)를 가지고 있다.
본 연구에서 개발한 데이터 수집 모듈의 하드웨어는 그림 3과 같다. 데이터 수집 모듈은 DSP(Digital Signal Processing) 프로세서, 신호 증폭회로, 그리고 취득된 데이터를 무선으로 전송하기 위한 Zigbee 무선 모듈로 구성하였다. DSP 프로세서는 TI(Texas Instruments)(社)의 초소형 TMS320F28335 모듈을 사용하였다.
그림 5는 본 연구에서 개발된 데이터 통합모듈을 보여준다. 데이터 통합 모듈은 신호처리를 위한 DSP, 전원 공급을 위한 전원부, Zigbee 무선 통신부, 그리고 차량 내부 CAN 네트워크와 연결할 수 있는 CAN 인터페이스로 구성된다.
취득된 신호는 무선으로 차량 내부의 데이터 통합 모듈(data integration & processing module)로 전송된다. 데이터 통합 모듈은 차량의 4개 바퀴에서 전달되는 타이어 변형량들을 수집하고 분석한 후 모니터링 시스템에 표출한다. 그림 1에서 볼 수있듯이 스트레인게이지 센서, 구동회로 및 데이터 수집 모듈은 타이어에 장착되고 데이터 통합 모듈은 차량내부에 탑재된다.
스트레인게이지 센서 구동회로는 그림 2에서와 같이 브리지(bridge) 회로를 이용하여 구성하였다. 차량 주행 중에 타이어가 지면과 접촉하면 타이어의 접촉 면에서 변형이 발생한다.

데이터처리

본 논문에서는 슬립 링과 같은 고가의 장치 대신 타이어 내부[6-7] 에 스트레인게이지 센서[8]를 부착하고 센서 신호 측정 모듈을 이용하여 변형량을 측정한 후, 그 결과를 무선으로 차량내의 수신 모듈로 전송하여 타이어의 변형량을 실시간으로 계측할 수 있는 시스템을 개발 하였다. 무선 계측 시스템으로 측정한 데이터의 신뢰 성을 검증하기 위해 별도의 유선 계측 시스템을 구성 하고 실험결과를 비교하여 제안된 무선 계측시스템의 유용성을 검증하였다[9-10].

이론/모형

데이터 수집 모듈은 실시간 계측에 중심을 두고 있기 때문에 일정 데이터가 수신될 때 바로 통합모듈로 데이터를 전송해야 한다. 이를 위해 폴링 방식의 데이터 전송이 아닌 인터럽트 방식을 사용하였다. 먼저 ADC 인터럽트가 발생하면 3개 미만의 데이터를 버퍼에 채운 뒤 스트레인게이지 센서 데이터의 수신이 완료됨과 동시에 Zigbee 무선 모듈을 이용하여 데이터를 전송하도록 인터럽트 서비스 루틴(ISR: Interrupt Service Routine)을 구현하였다.

성능/효과

무선 계측 시스템의 유용성을 확인하기 위해 슬립링을 활용한 유선 계측시스템을 구현하고 실험결과를 비교하였다. 그 결과 무선 계측시스템을 이용하여 타이어 변형량을 실시간으로 측정할 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬립 링(slip-ring)은 무엇인가?	차량이 주행 중에 타이어의 변형량을 측정하기 위해서는 회전 운동을 하는 타이어 휠과 고정된 차량 차체사이를 유선으로 연결시켜주는 슬립 링(slip-ring) 과 같은 고가의 장치가 요구된다[5]. 본 논문에서는 슬립 링과 같은 고가의 장치 대신 타이어 내부[6-7] 에 스트레인게이지 센서[8]를 부착하고 센서 신호 측정 모듈을 이용하여 변형량을 측정한 후, 그 결과를 무선으로 차량내의 수신 모듈로 전송하여 타이어의 변형량을 실시간으로 계측할 수 있는 시스템을 개발 하였다.
	본 논문에서 개발한 타이어의 변형량을 무선으로 계측하는 시스템은 무엇인가?	차량이 주행 중에 타이어의 변형량을 측정하기 위해서는 회전 운동을 하는 타이어 휠과 고정된 차량 차체사이를 유선으로 연결시켜주는 슬립 링(slip-ring) 과 같은 고가의 장치가 요구된다[5]. 본 논문에서는 슬립 링과 같은 고가의 장치 대신 타이어 내부[6-7] 에 스트레인게이지 센서[8]를 부착하고 센서 신호 측정 모듈을 이용하여 변형량을 측정한 후, 그 결과를 무선으로 차량내의 수신 모듈로 전송하여 타이어의 변형량을 실시간으로 계측할 수 있는 시스템을 개발 하였다. 무선 계측 시스템으로 측정한 데이터의 신뢰 성을 검증하기 위해 별도의 유선 계측 시스템을 구성 하고 실험결과를 비교하여 제안된 무선 계측시스템의 유용성을 검증하였다[9-10].
	차량 운동 제어시스템은 어떤 값들을 사용 하고 있는가?	본 논문에서는 자율 주행 자동차의 주행 안전성을 높이기 위해 타이어의 변형량을 무선으로 계측하는 시스템을 구현하였다. VDC(: Vehicle Dynamic Control), AWD(All Wheel Drive)등의 차량 운동 제어시스템에서는 타이어와 노면 간의 접지력, 노면 마찰계수, 강성, 슬립각 등은 차량 동역학을 이용한 추정 값들을 사용하고 있다. 하지만 유동적인 도로의 상황에 따라 즉각적인 대응이 필요한 자율 주행 자동차의 주행 안전성을 높이기 위해서는 타이어의 변형량을 실시간으로 측정하는 것이 필요하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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