지능형 전기구동 트랙터의 레벨3 자율작업 및 통합제어 알고리즘 개발

김원균 ( Won-gun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

본 연구에서는 40kW급 전기구동 트랙터의 레벨3 자율작업 통합제어 알고리즘을 개발 및 검증을 수행하였다. 레벨3 자율작업 통합제어 알고리즘 검증을 위해 40kW급 전기구동 트랙터 시뮬레이션 모델을 구축하고, 팜맵 기반의 작업지역 인식, 자율작업 경로생성, 경로추종 알고리즘을 포함한 자율작업 통합제어 알고리즘을 구현하여 폐루프 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하였다. 팜맵을 기반으로 작업영역을 선택하여 최외곽 경계점을 도출하고, 최외곽 경계점 정보를 이용하여 작업종류에 따른 작업경로를 생성, 트랙터 동역학 모델 기반의 오차 연산과 최적제어 기법을 통해 생성된 경로를 추종하게 된다. 시뮬레이션 검증을 통해 자율작업 통합제어 알고리즘을 통해 횡방향 거리 및 방향 오차를 일정 범위 이하로 유지할 수 있음을 확인하였다. 향후 보유하고 있는 실시간 자율작업 가상환경 검증시스템(HIL)과 자율작업 트랙터를 통해 알고리즘 성능을 검증할 예정이다.

지능형 전기구동 트랙터의 레벨3 자율작업 및 통합제어 알고리즘 개발

김원균 ( Won-gun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

본 연구에서는 40kW급 전기구동 트랙터의 레벨3 자율작업 통합제어 알고리즘을 개발 및 검증을 수행하였다. 레벨3 자율작업 통합제어 알고리즘 검증을 위해 40kW급 전기구동 트랙터 시뮬레이션 모델을 구축하고, 팜맵 기반의 작업지역 인식, 자율작업 경로생성, 경로추종 알고리즘을 포함한 자율작업 통합제어 알고리즘을 구현하여 폐루프 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하였다. 팜맵을 기반으로 작업영역을 선택하여 최외곽 경계점을 도출하고, 최외곽 경계점 정보를 이용하여 작업종류에 따른 작업경로를 생성, 트랙터 동역학 모델 기반의 오차 연산과 최적제어 기법을 통해 생성된 경로를 추종하게 된다. 시뮬레이션 검증을 통해 자율작업 통합제어 알고리즘을 통해 횡방향 거리 및 방향 오차를 일정 범위 이하로 유지할 수 있음을 확인하였다. 향후 보유하고 있는 실시간 자율작업 가상환경 검증시스템(HIL)과 자율작업 트랙터를 통해 알고리즘 성능을 검증할 예정이다.

6WD/6WS 차량의 스티어-바이-와이어 고장 진단 및 고장 안전 주행 제어

나재원(Jae Won Nah),김원균(Won Gun Kim),이경수(Kyong Su Yi),이종석(Jong Seok Lee) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.5

본 논문은 6륜 구동/조향 차량의 스티어바이와이어 시스템의 고장에 대하여 이를 진단하고 고장 발생시 구동력을 재분배하는 알고리즘을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 고장 진단 및 고장 안전 제어기는 센서 신호와 제어 입력을 이용한 레지듀얼을 이용하여 고장을 진단하고, 고장 진단시 이를 보정하도록 상위 제어기에서는 물리적 한계를 계산하여 거동을 제한하고, 하위 제어기에서는 각 휠에 종방향 타이어 힘을 재분배하여 보정한다. 고장 안전 제어 성능을 검증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. This paper describes a fault detection and traction redistribution strategy for dealing with steer-by-wire system failures in a 6WD/6WS vehicle. The fail-safe controller detects failures of steer-by-wire systems of all wheels with analytical redundancy of sensor signals. When a serious fault or damage occurs in a certain steer-by-wire component, the fail-safe controller gives a redistributed traction control command to the other components. The failsafe redistribution controller consists of the upper and the lower level controller. The upper level controller determines the physical limitation of net yaw moment when the faulty vehicle maneuvers with typical Ackerman steering. The lower level controller compensate the difference between desired yaw-rate via the driver’s input and the physical limitation by redistributed longitudinal tire force on each wheel. Fail-safe performance of a faulty 6WD/6WS vehicle has been evaluated by computer simulations.

고슬립을 이용한 6 륜구동/6 륜조향 차량 고장 안전 주행 제어

나재원(Jae Won Nah),김원균(Won Gun Kim),이경수(Kyongsu Yi),이종석(Jongseok Lee),이대옥(Daeok Lee) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.6

본 논문은 6 륜 독립구동/독립조향 차량의 독립 스티어-바이-와이어 장치의 고장 안전 주행 제어 방법을 제시하였다. 조향부 고장 휠의 횡방향 타이어 힘이 차량 선회 운동에 저항력으로 작용할 수 있으므로, 이를 줄이기 위하여 본 고장 안전 주행 제어 알고리즘은 조향부 고장 휠에 높은 슬립률이 발생 하도록 토크 입력을 가한다. 고슬립으로 인한 조향부 고장 휠의 종방향 타이어 힘 증가를 고려하기 위하여 종방향 타이어 힘을 추정하여 고장나지 않은 휠의 구동력 최적 분배에 구속 조건에 포함시킨다. 개루프 조향 및 폐루프 조향 시뮬레이션 결과 조향부 고장이 발생한 차량의 주행시 고장을 고려하지 않은 최적 구동력 분배 제어에 비하여 본 알고리즘 적용시 차량의 주행 성능이 보정됨을 확인하였다. This paper describes a fault-tolerant driving control strategy for an independent steer-by-wire system in sixwheel-drive/six-wheel-steering vehicles. An algorithm has been designed to realize vehicle maneuverability that is as close as possible to that of non-faulty vehicles by inducing high slip ratio of the wheel through a faulty steer-by-wire system in order to reduce the lateral tire force, which is resistant to the yaw motion. Considering the transition of the longitudinal tire force of a wheel with a faulty steer-by-wire component, the longitudinal tire forces are optimally distributed to the other wheels. Fault-tolerant driving performance has been investigated via computer simulations. Simulation studies show that the proposed algorithm can significantly improve the maneuverability of a vehicle with a faulty steer-by-wire system as compared to the optimal traction distribution method.

고슬립 기반의 6륜구동 / 6륜조향 차량 고장 주행 제어

나재원(Jae Won Nah),김원균(Won Gun Kim),이경수(Kyongsu Yi) 대한기계학회 2012 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2012 No.4

구동부 및 PTO 레이아웃에 따른 55kW급 전기구동 트랙터의 용량 분석

김경대 ( Kyeong-dae Kim ),이시영 ( Si-yeong Lee ),박영준 ( Young-jun Park ),김원균 ( Won-gun Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

트랙터는 주행 및 쟁기 작업에 필요한 동력을 전달하는 차축 외에 PTO 동력 취출부가 존재한다. 추가적인 동력 취출부는 전력 시스템 설계 시, 모터 개수 증가 또는 용량 증대 등의 과설계를 필요로 한다. 하지만 유성기어를 사용하면 동력이 부족한 곳에 보조 동력을 제공할 수 있도록 구동부 설계가 가능하기 때문에 적은 수의 최적 용량을 가진 모터로 구동이 가능하다. 본 연구에서는 유성기어가 장착된 55kW급 전기구동 트랙터의 시뮬레이션 모델을 개발하고 설계된 전력 시스템의 용량 분석을 수행하였다. 전기구동 트랙터 모델은 20kW와 55kW 용량의 모터 두 개와 80kWh 배터리, 유성기어, 감속기, PTO, 차륜으로 구성되어 상용 소프트웨어인 MATLAB Simulink를 통해 개발되었다. 유성기어가 장착된 전기구동 트랙터의 작업 성능 평가를 위해 같은 용량의 76마력급 엔진 트랙터를 이용하여 쟁기와 로타리 작업의 부하를 계측하였으며 이를 전기구동 트랙터 모델의 작업 부하로 인가하였다. 시뮬레이션 모델 시험 결과, 설계된 전력 시스템을 이용한 전기 구동 트랙터는 쟁기와 로타리 작업의 부하를 극복하고 작업 수행이 가능함을 확인할 수 있었으며, 에너지 효율 저하의 원인이 되는 유성기어의 power circulation 및 split 현상을 분석할 수 있었다. 추후 연구에서는 개발된 트랙터 시뮬레이션 모델과 분석 결과를 이용하여 에너지 최적화 알고리즘을 설계하고 전기구동 트랙터 시스템의 통합 주행 제어 알고리즘을 개발하는데 활용될 것이다.

제작 오차가 유성기어트레인의 하중 분할에 미치는 영향 연구

김정길 ( Jeong-gil Kim ),박진선 ( Jin-sun Park ),김원균 ( Won-gun Kim ),김영주 ( Young-joo Kim ),오주영 ( Joo-young Oh ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

다양한 산업 분야에서 환경 규제에 대응하기 위하여 고효율화, 경량화를 위한 노력을 진행하고 있다. 유성기어트레인을 적용하는 것은 고효율화, 경량화 관점에서 매우 유용하나, 유성기어 간의 하중 분할이 균일하지 않으면 유성기어트레인의 내구 수명이 단축되는 문제가 발생 된다. 본 연구에서는 유성기어트레인의 시뮬레이션 모델을 정립하고 개발된 시뮬레이션 모델에 산업 현장에서 제작된 캐리어의 핀홀 위치 오차 측정값을 적용하여 유성기어 간의 하중 분할 경향성을 확인하였다. 해석 결과로 부터 캐리어의 핀홀 위치 오차가 1개 존재하는 경우에는 회전 방향에 따라 캐리어의 핀홀 위치 오차가 존재하는 유성기어에서 먼저 물림이 발생하여 가장 높은 하중이 발생하며, 핀홀 위치 오차가 존재하는 위치의 180도 위치에 존재하는 유성기어에서 2번째 큰 하중이 발생하는 경향성을 나타내었다. 또한 입력 토크가 증가함에 따라 각 유성기어에 작용하는 하중이 변하여 유성기어 간의 하중 분할이 향상되며, 캐리어의 핀홀 위치 오차의 위상에 따라 하중 분할의 경향성이 달라짐을 확인할 수 있었다.

전기구동 트랙터 최적화를 위한 외부 작업기 PTO 출력 지원 시스템 개발

김강현 ( Gang-hyun Kim ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),이시영 ( Si-yeong Lee ),김원균 ( Won-gun Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

트랙터는 작업기로 동력을 전달하기 위해 동력 인출 장치(Power Take Off, PTO)가 존재한다. 기존의 트랙터는 PTO가 출력할 수 있는 용량에 따라 해당하는 작업기의 크기가 정해져 있다. 이는 다양한 용량의 작업기를 사용할 수 없다는 한계가 있다. 하지만 외부의 동력원으로부터 PTO의 출력을 지원함으로써, 단일 트랙터로 고용량의 작업이 가능해질 수 있다. 본 연구는 40kW급 전기구동 트랙터의 시뮬레이션 모델을 개발하여 수행하였다. 전기구동 트랙터 모델은 전차축에 10kW 용량의 모터, 후차축 및 PTO에 30kW 용량의 모터와 배터리, 감속기, 차륜 및 10kW 용량의 외부 동력원으로 구성하였고, 이는 상용 소프트웨어인 Matlab/Simulink를 사용하여 개발되었다. 전기구동 트랙터의 PTO 출력을 비교하기 위해 55마력급 엔진 트랙터의 로타리 작업의 부하를 계측하였으며 위 데이터를 전기구동 트랙터 시뮬레이션 모델의 작업 부하로 인가하였다. 시뮬레이션 결과, 외부의 동력원을 통해 상대적으로 고용량의 PTO 작업 수행이 가능함을 확인할 수 있었다. 추후 연구에서는 트랙터 시뮬레이션 모델과 분석 결과를 이용하여 목표하는 용량의 작업을 수행할 수 있도록 트랙터의 용량 및 외부 동력원의 최적화에 활용될 것이다.

전기 구동 트랙터의 전력 시스템 용량 분석을 위한 시뮬레이션 연구

김경대 ( Kyeong-dae Kim ),박영준 ( Young-jun Park ),김강현 ( Gang-hyun Kim ),김원균 ( Won-gun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

본 연구에서는 40kW급 전기구동 트랙터의 시뮬레이션 모델을 개발하고 설계된 전력 시스템의 용량 분석을 위해 작업 성능을 평가하였다. 전기구동 트랙터 모델은 10kW와 30kW 용량의 모터 두 개와 80kWh 배터리, 감속기, PTO, 차륜으로 구성되어 상용 소프트웨어인 MATLAB Simulink를 통해 개발되었다. 또한 작업 성능 평가를 위해 같은 용량의 40kW급 엔진 트랙터를 이용하여 쟁기와 로타리 작업의 부하를 계측하였으며 이를 전기구동 트랙터 모델의 작업 부하로 사용하였다. 시뮬레이션 모델의 시험 결과, 설계된 전력 시스템을 이용한 전기 구동 트랙터는 쟁기와 로타리 작업의 부하를 극복하고 작업을 수행할 수 있음을 알 수 있었으며, 배터리의 SOC(State of Charge)가 100%인 상태에서 1.4ha의 경지를 3.7시간 동안 작업할 수 있는 것으로 나타났다. 추후 연구에서는 작업 시간을 향상시킬 수 있는 전력 시스템을 설계하고, 개발된 트랙터 시뮬레이션 모델은 전기구동 트랙터 시스템의 통합 주행 제어 알고리즘 개발에 사용될 것이다.

동력 결합 방식에 따른 듀얼 모터 타입 전기 트랙터의 동력 특성 분석

권도엽 ( Doyeop Kwon ),안다빈 ( Da-vin Ahn ),김원균 ( Won-gun Kim ),김영주 ( Young-joo Kim ),조승제 ( Seung-je Cho ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

온실가스 및 탄소 배출 저감을 위해 농업 기계 전동화의 연구 필요성이 증가하고 있다. 특히, 일반적으로 널리 사용되는 농업 기계 중 하나인 트랙터의 전동화에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 전기 트랙터의 경우 동력원인 모터가 엔진과는 다른 특성을 보이기에, 모터의 특성을 고려한 전기 트랙터 파워트레인 구조 설계가 필요하다. 본 연구에서는 듀얼 모터 타입 전기 트랙터의 다양한 파워트레인 구조에 대해 작동 영역과 동력전달효율을 비교 분석하였다. 분석 대상 파워트레인은 다음과 같다: 전ㆍ후륜에 각각 모터가 장착된 트랙션 커플링, 두 모터의 동력을 유성기어가 매개하는 스피드 커플링, 두 모터의 동력을 평행축 기어가 매개하는 토크 커플링. 파워트레인의 작동 영역과 동력전달효율을 도출하는 모델은 MATLAB 코드 기반으로 제작하였다. 구조를 제외한 모든 패러미터는 모두 동일하게 설정하였고, 전기 트랙터 시스템이 만족해야 하는 타겟 파워 엔벨로프는 실제 40kW 트랙터의 작업 부하 데이터를 이용하여 도출하였다. 이후 모델을 통해 각 구조별 작동 영역과 동력전달효율을 구하였다. 우선 각 구조의 작동 영역이 타겟 파워 엔벨로프를 만족하는지 확인하였고, 작동점의 분포를 비교 분석하였다. 또한 각각의 작동 영역에서 동력전달효율의 값과 분포를 분석하였다.