KR100195047B1 - 차량운전 모사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량운전 모사장치에 관한 것으로, 지면에 고정설치된 베이스(1) 상부에 작동기구(2)를 매개로하여 소정 높이를 두고 배치되면서 시험대상인 차량을 탑재하도록 된 플랫폼(3)이 배치되고, 상기 작동기구(2)의 작동과정을 제어하도록 된 컨트롤러(4)가 구비된 한편, 상기 작동기구(2)가 상기 플랫폼(3)과 베이스(1)사이에 배치된 국부플랫폼(5)과; 하단이 상기 베이스(1)에 구조인트(6)를 매개하여 결합되고 상단이 만능조인트(7)를 매개하여 결합된 한 쌍의 제1액튜에이터(8), 하단이 상기 베이스(1)에 회전조인트(9)를 매개하여 결합되고 상단이 상기 국부플랫폼(5)에 구조인트(10)를 매개로 각각 결합된 3쌍의 제2액튜에이터(11); 상단이 상기 플랫폼(3)에 만능조인트(12)를 매개하여 결합되고 하단이 국부플랫폼(5)에 고정설치된 수동링크(11) 및 상기 제1,2액튜에이터(8,11) 각각에 방향절환밸브(14)를 매개하여 배관된 유압펌프(15)로 구성되어, 기구학적으로 유효자유도가 5자유도인 구조가 되면서 제어되어야 할 액튜에이터의 수가 감소되므로써 컨트롤러(4)에 의한 제어계산을 신속하면서도 효과적으로 수행할 수 있고, 액튜에이터와 이를 움직이기 위한 구성부품이 줄어들므로써 제작비용을 줄일 수 있도록 한 것이다.

Description

차량운전 모사장치(An automobile driving simulator)

본 발명은 차량운전 모사장치에 관한 것으로, 특히 플랫폼(platform)과 베이스(base) 및 이들을 연결시키는 액튜에이터(actuator)로 이루어지고 그 기구학적으로 5자유도를 갖는 병렬구조형으로 이루어져 간편하면서도 신속하게 제어할 수 있음과 더불어 제작비용을 줄일 수 있도록 한 차량운전 모사장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 안전도, 향후 소비자의 반응예측 및 교통안전을 도모하는 데 사용되는 차량운전 모사장치는 여러 형태의 실제환경과 같은 조건하에서 차량의 제어성, 운전성, 안정성에 대한 효과적인 예측분석과, 운전자가 차량을 운전할 때 작용하는 반응을 운전자의 안전에 위협을 주지않으면서 분석할 수 있도록 되어 있다.

한편, 통상 모사장치는 다수 개의 액튜에이터와 베이스, 플랫폼 그리고 이들을 연결시키는 조인트등으로 구성되어 있고, 기구학적으로 오차변위가 적고, 부하능력 및 기동성이 좋다는 장점 때문에 직렬구조형보다 병렬구조형태를 갖는 기구를 사용하고 있는데, 이러한 병렬구조형태를 갖는 종래의 차량운전 모사장치는 비행체 운전 모사장치에 사용되었던 스튜어트 플랫폼(Stewart platform)이라 불리우는 6자유도 병렬 구조형 모사장치에 차량을 탑재시켜 모의 실험을 수행해 왔다.

참고적으로 일반적인 기구가 평면이나 공간상에서의 자유도 방정식은 수학식 1 과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, F = 기구의 유효 자유도(the effective D.O.F of mechanism), λ = 차원 자유도(the D.O.F of the space), l = 링크의 수, j = 조인트 수, f_i= i 번째 조인트의 자유도, I_d= 수동자유도이다.

그리고, λ는 공간상에서 6자유도를 갖고, 평면상에서 3자유도를 갖으며, l은 2n + 2으로 베이스와 플랫폼도 포함되며, f_i는 구조인트(spherical joint)인 경우 3자유도, 만능조인트(universal joint)인 경우는 2자유도, 그리고 회전조인트(revolute joint)와 병진조인트(translational joint)인 경우 1자유도를 갖는다.

I_d는 조인트의 자유도 중에서 기구의 이동성(mobility of mechanism)에 영향을 미치는 않는 자유도를 말하며, 실례로 베이스와 플럇폼을 연결시키는 볼-소켓 조인트인 구 조인트는 액튜에이터 축을 중심으로 자유로이 움직이므로 1개의 수동자유도를 갖고, 구-원통-구조인트로 구성된 액튜에이터에 대해서 원통 조인트는 병진 자유도와 회전자유도를 갖고 있으나, 병진자유도만이 기구의 이동성(mobility of mechanism)에 영향을 주므로, 회전자유도는 수동자유도가 된다. 그러므로 구-원통-구 조인트로 구성된 액튜에이터를 갖는 기구는 구-병진-구 조인트로 구성된 액튜에이터를 갖는 기구와 운동학적으로 자유도가 같게 된다.

종래의 차량운전 모사장치는 도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 지면에 고정된 베이스(101)와, 이 베이스(101) 상부에 작동기구(102)를 매개로하여 소정 높이를 두고 배치되면서 시험대상인 차량(C)을 탑재하도록 된 플랫폼(103) 및, 상기 작동기구(102)의 작동과정을 제어하여 상기 플랫폼(103)을 공간상에서 이동시키기 위한 컨트롤러(104)로 구성되어 있다.

여기서, 상기 작동기구(102)는 하단이 상기 베이스(101)에 2축 회전을 종속관계로 하는 만능조인트(105)를 매개로하여 결합되고 상단이 상기 플랫폼(103)에 3축 회전을 종속관계로 하는 구조인트(106)를 매개로하여 지지하도록 된 6개의 액튜에이터(107)와, 이 6개의 액튜에이터(107) 각각에 방향절환밸브(108)를 매개하여 배관되면서 상기 컨트롤러(104)에 의해 그 토출량이나 토출압이 제어되는 유압펌프(109)를 갖춰 이루어져 있다.

따라서, 상기 컨트롤러(104)를 조작하면 사전에 프로그램된 바에 따라 제어신호를 발생시키게 되고, 이 제어신호량에 따라 상기 유압펌프(109)와 방향절환밸브(108)가 제어작동되어져, 상기 유압펌프(109)에서 토출되는 압유가 상기 방향절환밸브(108)들을 거쳐 상기 각 액튜에이터(107)를 작동시키게 된다.

상기와 같은 작동과정을 거친 각 액튜에이터(107)의 이동변위량은 차량이 탑재된 플랫폼(103)의 운동에 따라 각기 다르게 되고, 서로 다름에 따라 액튜에이터(107)의 양단과 상기 플랫폼(103)과 베이스(101)를 연결시키는 만능조인트(105)와 구조인트(106)에 의한 구속조건하에서 상기 각 액튜에이터(107)는 서로 간섭 영향을 받지 않는 방향으로 움직인다.

이에 따라 각 액튜에이터(107)의 상단과 결합된 상기 플랫폼(103)은 공간상에서 X,Y,Z 방향의 병진운동과 1x, 1y, 1z의 회전운동을 함으로써, 이 플랫폼(103)위에 탑재된 차량은 그 운동특성인 피칭(pitching), 롤링(rolling), 요잉( yawing) 현상을 구현받게 되어, 여러 형태의 실제환경과 같은 조건하에서 차량 주행시 발생되어 질 수 있는 운동을 재현하므로써 차량에 대한 제어성, 운전성, 안정성에 대한 에측 분석 결과를 효과적 얻을 수 있다.

그런데, 상기와 같이 이루어진 종래의 모사장치는 공간상에 떠 있는 비행체의 운동형태는 유효 6자유도가 필수적이나, 지면에 접촉되어 운행되는 차량에서는 그 기구학적 유효자유도(F)를 5자유도만으로도 운동을 발생시키는 데 성능상 관계가 없는데도 불구하고, 그 기구학적 유효자유도(F)를 6자유도를 갖는 구조로 되어 있으로써, 제어대상인 액튜에이터(107)나 이 액튜에이터(107)에 배관된 방향절환밸브(108) 및 유압펌프(109)가 부가적으로 소요되게 되어, 컨트롤러(104)에 의해 실시간 제어시 복잡한 게산량으로 인한 계산능력을 저하시키고 제작비도 비싸지게 된다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기구학적으로 X,Y,Z방향의 병진운동과 1x, 1y, 1z 회전운동을 갖는 유효5자유도 병렬구조형 기구로 함으로써 컨트롤러에 의한 계산능력을 향상시킴과 더불어 제작비를 절감할 수 있도록 한 차량운전 모사장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 지면에 고정된 베이스와 플랫폼을 연결시키면서 플랫폼을 이동시키는 작동기구가, 상기 플랫폼과 베이스사이에 배치된 국부플랫폼과; 하단이 상기 베이스에 구조인트를 매개하여 결합되고 상단이 만능조인트를 매개하여 결합된 한 쌍의 제1액튜에이터, 하단이 상기 베이스에 회전조인트를 매개하여 결합되고 상단이 상기 국부플랫폼에 만능조인트를 매개로 각각 결합된 3쌍의 제2액튜에이터, 상단이 상기 플랫폼에 구조인트를 매개하여 결합되고 하단이 국부플랫폼에 고정설치된 수동링크 및 상기 제1,2액튜에이터 각각에 방향절환밸브를 매개하여 배관된 유압펌프로 구성되어 있다.

상기와 같이 이루어진 본 발명의 차량운전 모사장치에 의하면 상기 컨트롤러에 의해 제어되어야 할 액튜에이터의 수가 6개로 이루어지지 않고 상기 제1,2액튜에이터의 총합인 5개로 이루어져, 그 만큼 제어되어야 할 약튜에이터의 수가 적어져 컨트롤러에 의한 제어계산을 신속하면서도 효과적으로 수행할 수가 있고, 액튜에이터와 이를 움직이기 위한 구성품이 줄어들므로써 제작비용을 줄일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 차량운전 모사장치의 개략적인 구성도,

도 2a는 본 발명을 구성하는 제1액튜에이터의 개략적인 사시도,

도 2b는 본 발명을 구성하는 제2액튜에이터의 개략적인 사시도,

도 2c는 본 발명을 구성하는 수동링크의 개략적인 사시도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 플랫폼이 X축으로 병진운동할 때에 국부플랫폼의 오차변위를 나타낸 도면,

도 3b는 본 발명의 플랫폼이 Y축으로 병진운동할 때에 국부플랫폼의 오차변위를 나타낸 도면,

도 3c는 본 발명의 플랫폼이 X축방향으로 병진운동할 때 발생되는 국부플랫폼의 오차에 따른 액튜에이터의 길이변화량을 나타낸 도면,

도 3d는 본 발명의 플랫폼이 Y축방향으로 병진운동할 때 발생되는 국부플랫폼의 오차에 따른 액튜에이터의 길이변화량을 나타낸 도면,

도 3e는 본 발명의 플랫폼이 X,Y축방향으로 병진운동할 때 발생되는 국부플랫폼의 오차변위 유무에 따른 액튜에이터의 길이변화량을 나타낸 도면,

도 3f 본 발명의 플랫폼이 Y축방향으로 병진운동할 때 발생되는 국부플랫폼의 오차변위 유무에 따른 액튜에이터의 길이변화량을 나타낸 도면이다.

도 4a는 종래의 기술에 따른 차량운전 모사장치를 도 1과 같이 나타낸 구성도,

도 4b는 도 4a에서 액튜에이터만를 나타낸 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 베이스 2 : 작동기구

3 : 플랫폼 4 : 컨트롤러

5 : 국부플랫폼 6,10 : 구조인트

7,12 : 만능조인트 8 : 제1액튜에이터

9 : 회전조인트 11 : 제2액튜에이터

13 : 수동링크 14 : 방향절환밸브

15 : 유압펌프

이하 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 차량운전 모사장치의 개략적인 구성도이고, 도 2a내지 도 2c는 본 발명을 구성하는 제1,2액튜에이터 및 수동링크의 개략적인 사시도를 나타낸 것으로서, 지면에 고정된 베이스(1) 상부에 작동기구(2)를 매개로하여 소정 높이를 두고 배치되면서 시험대상인 차량을 탑재하도록 된 플랫폼(3)이 배치되어 있고, 상기 플랫폼(3)을 공간상에서 이동시키기 위하여 상기 작동기구(2)의 작동과정을 사전에 프로그램된 바에 따라 제어하도록 제어신호를 발생시키는 컨트롤러(4)가 구비되어 있다.

그리고, 상기 작동기구(2)는 상기 플랫폼(3)과 베이스(1)사이에 배치된 국부플랫폼(5)과, 하단이 상기 베이스(1)에 구조인트(6)를 매개하여 결합되고 상단이 만능조인트(7)를 매개하여 결합된 한 쌍의 제1액튜에이터(8), 하단이 상기 베이스(1)에 회전조인트(9)를 매개하여 결합되고 상단이 상기 국부플랫폼(5)에 구조인트(10)를 매개로 각각 결합된 3쌍의 제2액튜에이터(11), 상단이 상기 플랫폼(3)에 만능조인트(12)를 매개하여 결합되고 하단이 국부플랫폼(5)에 고정설치된 수동링크(13) 및, 상기 제1,2액튜에이터(9,11) 각각에 방향절환밸브(14)를 매개하여 배관된 유압펌프(15)로 구성되어 있다.

여기서, 상기 방향절환밸브(14)는 상기 컨트롤러(4)의 제어신호를 인가받아 그 위치가 절환작동되어지도록 되어 있다.

그리고, 상기 제1액튜에이터(8)는 액튜에이터1(8a)과 액튜에이터2(8b)로 구성되어지고, 제2액튜에이터(11)는 액튜에이터3(11a)과 액튜에이터4(11b) 및 액튜에이터5(11c)로 구성되어진다.

상기와 같이 이루어진 본 발명의 모사장치가 유효자유도(F) 5인가 여부를 상기 수학식 1을 이용하여 계산해보면 다음과 같다.

먼저, 공간상에서 차원자유도(λ)는 6이고, 링크의 수(l)는 13 개이며, 조인트 수(j)는 16 개다. 즉, 자유도가 3인 구조인트(6,10)는 5개, 자유도가 1인 회전조인트(9) 3개, 자유도가 2인 만능조인트(7,12)는 3개, 자유도가 1인 병진조인트가 5개이다. 그리고 수동자유도는 없다.

따라서, 본 발명의 유효자유도는 F = 6 S(13-16-1) + {(5 S3) + (3 S1) + (3 S2) + (5 S1)} - 0 = 5 인 병렬구조형의 모사장치를 얻을 수 있게 된다.

한편, 상기와 같은 구조로 된 본 발명의 기구학적 타당성을 검증하기 위해 베이스(1)의 반경을 1.4m, 플랫폼(3)의 반경을 1.0m, 국부플랫폼(5)의 반경을 0.3m, 상기 3쌍의 제2액튜에이터(11)를 가상의 국부베이스(1a)의 반경을 0.4m, 베이스(1)에서 플랫폼(3)까지의 높이를 2.0m, 베이스(1)로부터 국부플랫폼(5)까지의 높이를 0.5m, 베이스(1)와 플랫폼(3)을 연결시키는 제1액튜에이터(8)의 길이를 2,0396m, 베이스(1)와 국부플랫폼(5)을 연결시키는 제2액튜에이터(11) 길이를 0.5099m로 제작한 한 상태에서 입력값으로 플랫폼(3)의 위치와 방향, 국부 플랫폼의 오차변위값이 고려된 MATLAB 프로그램밍값과 DADS를 이용한 시뮬레이션 값을 비교하였다.

여기서, 플랫폼(3)에 대한 입력값은 S(t) = 0.3sin(t-21)으로 각기 X, Y 방향 병진운동으로 주어지고, 이때 국부플랫폼(5)의 X,Y,Z 방향의 오차변위값은 국부플랫폼(5)의 중심점이 움직인 변위로써 도 3a과 도 3b에 나타낸 바와 같다.

그리고, 도 3c및 도 3d는 플랫폼(3)이 X,Y축방향으로 병진운동할 때 발생되는 국부플랫폼(5)의 오차에 따른 액튜에이터(8,11)의 길이변화량을 나타낸 것으로, 이들 그래프로부터 상기 플랫폼(3)의 입력값과 국부플랫폼(5)의 오차변위값이 입력값으로 되는 MATLAB에서 프로그램밍한 시뮬레이션값과 DADS의 모델링된 결과 값이 같다는 것을 확인할 수 있고, 또한 그 기구학적 해석도 적절함을 알 수 있다.

한편, 도 3e 및 도 3f는 상기 플랫폼(3)이 X,Y축방향으로 병진운동할 때 발생되는 국부플랫폼(5)의 오차변위 유무에 따른 액튜에이터(8,11)의 길이변화량을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 액튜에이터1,2(8a,8b)는 오차변위 유무에 무관하게 같은 값을 나타내지만 액튜에이터3,4,5(11a,11b,11c)는 최대길이변화량을 갖을 때, 최대오차변위를 나타낸다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 차량운전 모사장치에 의하면, 기구학적으로 유효자유도가 5자유도를 갖는 구조가 되면서 제어되어야 할 액튜에이터의 수가 감소되므로써 컨트롤러에 의한 제어계산을 신속하면서도 효과적으로 수행할 수 있고, 액튜에이터와 이를 움직이기 위한 구성부품이 줄어들므로써 제작비용을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. 베이스(1) 상부에 작동기구(2)를 매개로하여 소정 높이를 두고 배치되면서 시험대상인 차량을 탑재하도록 된 플랫폼(3)이 배치되고, 상기 작동기구(2)의 작동과정을 제어하도록 된 컨트롤러(4)가 구비된 차량운전 모사장치에 있어서, 상기 작동기구(2)가 상기 플랫폼(3)과 베이스(1)사이에 배치된 국부플랫폼(5)과 하단이 상기 베이스(1)에 구조인트(6)를 매개하여 결합되고 상단이 만능조인트(7)를 매개하여 결합된 한 쌍의 제1액튜에이터(8), 하단이 상기 베이스(1)에 회전조인트(9)를 매개하여 결합되고 상단이 상기 국부플랫폼(5)에 구조인트(10)를 매개로 각각 결합된 3쌍의 제2액튜에이터(11), 상단이 상기 플랫폼(3)에 만능조인트(7)를 매개하여 결합되고 하단이 국부플랫폼(5)에 고정설치된 수동링크(13) 및; 상기 제1,2액튜에이터(8,11) 각각에 방향절환밸브(14)를 매개하여 배관된 유압펌프(15)로 구성된 것을 특징으로 하는 차량운전 모사장치.