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자율주행 트랙터를 위한 오비트롤 조향시스템의 동특성 기초 연구
이창주 ( Chang-joo Lee ),한웅철 ( Xiongzhe Han ),전찬우 ( Chanwoo Jeon ),김학진 ( Hakjin Kim ),김정훈 ( Junghoon Kim ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2
자율주행 트랙터를 위한 트랙터 조향제어는 일반적으로 모터를 이용한 EPS(Electric Power Steering) 시스템을 스티어링 휠에 연결하여 회전변위를 변경하고 그 결과 오비트롤(Orbitrol) 밸브의 토출유량을 바꾸고 호스로 연결된 조향실린더의 변위를 조절하여 최종적으로 전방 타이어의 방향각을 변경하면서 이루어진다. 이러한 방식은 오비트롤 밸브의 유량은 회전 당 일정량이 토출되기때문에 일반적인 스풀 밸브에 비해 느린 응답성과 정밀한 조향제어가 어려운 구조이다. 본 연구에서는 자율주행 트랙터의 조향성능 개선 연구의 일환으로 상용 오비트롤 방식의 상용 조향시스템의 시간반응과 동특성을 실험적으로 구명하여 설계개선 방향을 수립하고자 하였다. 시험기는 오비트롤 조향시스템과 유압을 제공하는 기어펌프, 타이어 조향실린더가 장착된 동양물산 TX803 트랙터를 사용하였다. 스티어링 휠의 조작은 모터가 장착된 EPS를 이용하여 이루어졌으며 트랙터의 조향각은 킹핀 위치에 조향각 센서를 장착하여 측정하였다. 조향실린더에 인가되는 부하는 실린더 양측에 압력센서를 설치하여 측정하였다. 실험은 EPS의 스텝 입력 명령에 따라 시간에 따른 바퀴의 조향각의 변화값을 로깅하였다. 트랙터의 부하에 따른 조향성능을 구명하기 위하여 트랙터를 주행하지 않고 크레인을 이용하여 앞 차축을 들어 측면에서 발생하는 부하조건을 없애는 무부하 조건과 트랙터의 주행시 발생하는 부하조건에서 실험을 수행하였으며 그때의 입력 조향각은 10° ~ 30° 범위에서 변경하면서 측정하였다. 무부하 상태에서 조향각의 정상상태오차는 약 1°로 나타났으며 EPS에 명령인가 후 조향실린더가 응답하기까지 약 0.42초가 걸렸으며, 조향실린더가 움직임에 필요한 시동힘(breakout force)은 약 0.5 kN으로 나타났다. 트랙터 주행 시 정상상태오차는 약 1~1.5°로 나타났으며, 실린더 작동 시동힘은 약 0.8~1 kN으로 나타났다. 타이어의 조향각이 커질수록 실린더에 가해지는 부하 약 1~2 kN까지 점점 커졌으나, 조향성능은 큰 차이를 나타내지 않았다. 또한, 트랙터 엔진RPM변화에 따른 실린더 내부 좌우에 가해지는 압력은 크기가 달라졌으나 압력차는 거의 일정하게 나타났다. 오비트롤 방식의 조향시스템은 실린더가 움직이기까지 약 0.3~0.42초 걸려 자율주행 경로추종 시 위상지연을 발생시켜 시스템의 안전성, 성능에 큰 영향을 미칠 것으로 판단하였으며, 이를 위해 실린더의 유량을 직접 제어하여 딜레이를 줄이는 시스템적인 개선이 필요한 것으로 나타났다.
HILS 시뮬레이터를 이용한 자율주행 트랙터 조향시스템 개선 연구
이창주 ( Chang-joo Lee ),한웅철 ( Xiongzhe Han ),전찬우 ( Chanwoo Jeon ),김정훈 ( Junghoon Kim ),김학진 ( Hakjin Kim ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1
자율주행 트랙터를 위한 트랙터 조향제어는 일반적으로 전자모터를 이용한 EPS(Electric Power Steering)시스템을 스티어링 휠에 연결하여 회전변위를 변경하고 그 결과 오비트롤(Orbitrol) 밸브의 토출유량을 바꾸고 호스로 연결된 조향실린더의 변위를 조절하여 최종적으로 전방 타이어의 방향각을 변경하면서 이루어진다. 이러한 조향방식은 시스템 구조상 조향실린더와 오비트롤 밸브가 상대적으로 멀리 떨어져있으며, 밸브 특성상 약 ±5°의 오버랩이 포함되어 있다. 또한, EPS의 전자모터는 관성력, 마찰, 백래시 등의 영향을 가진다. 이와 같은 복합적인 영향은 조향 응답을 느리게 만들어 상대적으로 빠른 속도에서 주행에서 추종성능이 떨어지는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 자율주행 트랙터의 조향성능 개선 연구의 일환으로 조향 HILS 시뮬레이터를 설계제작하여 조향 성능의 요인을 실험적으로 구명하고자 하였으며 이를 바탕으로 조향 시스템의 설계개선 방안을 수립하고자 하였다. 시뮬레이터는 동양물산 80 마력급TX803 트랙터에 사용되는 오픈센터방식의 오비트롤 유압회로 시스템을 기어펌프가 장착된 AC모터로 구동되게 구성하였으며, 유량은 모터의 주파수를 조절 회전속도를 조절 변경하였다. 추가적으로 EPS와 오비트롤 조합의 조향성능을 비교 및 개선하기 위해 비례제어밸브(PVG 32, Danfoss)를 추가 장착하였다. 실제 트랙터 조향 시 나타나는 마찰저항을 모사하기 위해 부하 실린더를 구성하였으며, 조향 실린더의 부하의 크기는 부하 실린더를 폐회로를 구성하고 유량비례제어밸브를 이용한 유로의 개구량 조절을 통해 부하의 크기를 약 4000 N까지 증가시킬 수 있도록 하였다. EPS와 비례제어밸브를 제어하기 위해 CANoe 8.0 소프트웨어를 이용하여 CAN통신 기반 가상 조향ECU를 구성하였으며 오비트롤의 기본 성능을 확인하기 위해 조향휠에 따른 실린더 동특성 및 계단 추종성능을 비례제어밸브와 비교하였다. 오비트롤 밸브는 약 ±5°이상 동작 시 실린더 압력이 상승하기 시작하였으며, 이후 약 ±10°이상 동작 시 조향실린더가 동작하기 시작하였다. 계단 추종성능실험에서는 비례제어밸브가 약 2배 이상의 응답개선을 나타냈다. 자율주행 경로추종 성능을 향상시키기 위해서는 순간적인 출력밀도가 높은 비례제어밸브를 통해 응답개선이 필요한 것으로 나타났다.