궤도차량의 다물체동역학 모델링 및 실시간 가상 시뮬레이터 개발 = Multi-body dynamics modeling of a tracked vehicle and development of real-time virtual simulator

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 궤도차량의 다물체동역학 모델을 구축하고 궤도차량의 원격주행을 위한 실시간 가상 시뮬레이터 개발을 목표로 한다. 이를 위해 다물체동역학(MBD, Multi-Body Dynamics)에 기반하여 궤도차량의 비실시간 동역학 모델을 구축하고, 이를 4 축 차량 모델로 등가하여 실시간 가상 시뮬레이터를 개발하였다. 궤도차량의 다물체 모델링을 진행하고 실제 차량의 주행특성시험을 수행하여 시뮬레이션 결과와 비교함으로써 비실시간 동역학 모델의 정합도를 검증하였으며, TruckMaker 를 활용하여 비실시간 궤도차량 모델을 실시간 4 축 차량 모델로 등가하였다. 해당 과정에서 회전스프링 형태의 현가장치를 병진스프링으로 등가하고, 단일 휠–지면 접촉 시뮬레이션 및 정적평형 시뮬레이션을 통해 스프링 강성 및 감쇠계수를 튜닝하였다. 이후 등가된 모델을 기반으로 MATLAB/Simulink 와 TruckMaker 를 연동하여 실시간 가상 시뮬레이터 환경을 구축하였다. 시뮬레이터는 폐루프(closed-loop) 환경으로 구현되었으며, 사용자가 조이스틱 입력을 통해 가속, 제동, 조향 신호를 입력하고, 시뮬레이션 결과를 실시간으로 시각화 및 피드백 할 수 있게 하였다. 실시간 가상 시뮬레이터를 이용한 주행 시뮬레이션 결과를 비실시간 모델과 비교하여, 실시간 모델이 실차의 거동을 재현하고 있음을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 실시간 가상 시뮬레이터는 궤도차량의 실제 동특성을 반영하면서도 실시간 원격 주행 시뮬레이션이 가능하여, 궤도차량의 무인화 및 자율주행에 관한 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 차량 제원이 변경되어도 해당 모델에 실시간 시뮬레이터가 적용 가능하므로, 향후 실시간 시뮬레이터 기반 디지털 트윈(Digital Twin) 분야의 연구에서도 기여할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to develop a real-time virtual simulator for remote driving of a tracked vehicle by constructing its Multi-body Dynamics (MBD) model. To achieve this, a non–real-time dynamic model of the tracked vehicle was developed based on MBD, and it was equivalently transformed into a four-axle vehicle model to enable real-time virtual simulation. The multibody model of the tracked vehicle was constructed. And driving tests of the actual vehicle were conducted to verify the model’s validity by comparing experimental results with the simulation outcomes, confirming the accuracy of the non–real-time dynamic model. Subsequently, the verified MBD model was implemented in TruckMaker. During this process, the rotational spring-type suspension of the non–real-time model was equivalently replaced with a translational spring system, and its spring stiffness and damping coefficients were calibrated through single-wheel contact and static equilibrium simulations. Based on the equivalent model, MATLAB/Simulink and TruckMaker were integrated to establish a real-time virtual simulator with a closed-loop control structure. By comparing the simulation results of the real-time model with those of the non–real-time model, it was confirmed that the real-time model successfully reproduces the dynamic behavior of the actual vehicle. The developed real-time virtual simulator accurately reflects the dynamic characteristics of tracked vehicles while supporting real-time remote driving simulations. It is expected to serve as a useful tool for research on unmanned and autonomous driving of military tracked vehicles. Moreover, since the simulator can be adapted to different vehicle specifications, it can also contribute to the development of digital twin–based real-time simulation platforms in future research.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 목표 3
• 제 2 장 궤도차량의 비실시간 다물체동역학 모델링 4
• 2.1. 다물체동역학 해석 절차 4
• 2.2. 궤도차량 다물체 모델링 7
• 2.3. 조인트 모델링 10
• 2.4. 힘요소 모델링 11
• 2.5. 궤도차량의 구동 및 조향 모델링 11
• 2.6. 종방향 및 횡방향 마찰계수 튜닝 14
• 제 3 장 실차량과 비실시간 동역학 모델의 비교 검증 21
• 3.1. 직진주행 시험 및 시뮬레이션 22
• 3.2. 원선회 시험 및 시뮬레이션 27
• 3.3. 범프 노면 주행 시험 및 시뮬레이션 31
• 제 4 장 실시간 동역학 모델링 37
• 4.1. 실시간 모델의 차량동역학 해석 절차 37
• 4.2. 차체 및 타이어 모델링 39
• 4.3. 현가장치 모델링· 41
• 제 5 장 비실시간 모델 기반 실시간 모델 검증 45
• 5.1. 직진주행 시뮬레이션 45
• 5.2. 원선회 조향 시뮬레이션 48
• 5.3. 범프 노면 시뮬레이션 50
• 제 6 장 실시간 가상 시뮬레이터 개발 51
• 6.1. MATLAB/Simulink와 Joystick 및 TruckMaker 연동 51
• 6.2. 시뮬레이터 환경 모델링 55
• 6.3. 다양한 환경에서의 실시간 시뮬레이션 57
• 제 7 장 결 론 58