KR100630472B1

KR100630472B1 - 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션시스템 및 그 시뮬레이션 방법

Info

Publication number: KR100630472B1
Application number: KR1020040068891A
Authority: KR
Inventors: 김남포; 김정석; 신광복
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-09-29
Also published as: KR20060020130A

Abstract

본 발명은 다축의 서보 액츄에이터가 장착된 모션 베이스와 이미지 프로젝터를 조정하여 궤도차량에 실제로 탑승한 느낌을 받도록 하되, 네트워크상에 연결된 별도의 호스트컴퓨터를 이용하여 틸팅장치를 제어하고 그 시스템을 분석하는 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템과 그 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명은; 이미지를 투사하는 이미지 프로젝터와, 틸팅 작용을 현실적으로 체험이 가능하도록 하단에 형성되어 각각의 서보모터로 구동되는 6축 엑츄에이터가 구비되는 틸팅장치와; 상기 서보모터를 회전시키기 위한 펄스신호를 출력하는 모션구동기와; 상기 모션구동기에 서보모터의 회전을 위한 펄스신호를 전송하고, 상기 이미지 프로젝터에 이미지 데이터를 전송하는 제어컴퓨터와; 상기 제어컴퓨터로 네트워크망을 통해 틸팅장치를 제어하기 위한 데이터를 전송하는 호스트컴퓨터;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면; 궤도차량의 틸팅운동을 적용시켜 실제로 궤도차량에 탑승한 느낌으로 궤도차량의 동적특성을 네트워크를 통해 연결되는 호스트컴퓨터상에서 파악할 수 있다.

틸팅, 궤도차량, 시뮬레이션, 액츄에이터, 서보모터, 모션베이스

Description

네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법 {A system and method for tiling running simulation of track train using network}

도 1은 본 발명에 따른 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템의 구성도.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템의 호스트컴퓨터를 이용하여 차량의 동적 성능을 해석하기 위한 환경조건의 입력 및 시스템의 구동상황을 확인하기 위한 GUI화면.

도 3은 본 발명에 따른 조정입력장치의 회로 블럭도.

도 4는 본 발명에 따른 모션구동기의 회로 블럭도.

도 5a는 본 발명에 따른 틸팅장치의 사시도.

도 5b은 본 발명에 따른 틸팅장치의 측면도.

도 5c는 본 발명에 따른 틸팅장치의 정면도.

도 5d는 본 발명에 따른 틸팅장치의 돔 스크린의 측면도.

도 5e는 본 발명에 따른 틸팅장치에 적용된 액츄에이터와 서보모터가 벨트에 의해 연결된 작동상태도.

도 6은 본 발명에 따른 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템의 주 처리 흐름도.

***도면의 주요부분에 대한 부호 설명***

10; 돔 스크린 12; 돔면

20; 이미지 프로젝터 30; 운전석

40; 휀스 50,60; 상, 하운동판

70; 액츄에이터 75; 모션베이스

80; 서보모터 82; 엔코더

84; 고주파 발진형 근접센서 100; 틸팅장치

200; 모션구동기 300; 제어컴퓨터

400; 조정입력장치 600; 네트워크망

700; 호스트 컴퓨터

본 발명은 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 다축의 서보 액츄에이터가 장착된 모션 베이스와 이미지 프로젝터를 조정하여 궤도차량에 실제로 탑승한 느낌을 받도록 하되, 네트워크상에 연결된 별도의 호스트컴퓨터를 이용하여 틸팅장치를 제어하고 그 시스템을 분석하는 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템과 그 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.

일반적으로 궤도차량에 사용되는 장비의 개발을 위해서는 다양한 조건하에서 시험을 하게 되는데 이때, 실제상황과 거의 유사한 조건이나 환경하에서 궤도차량의 장비를 시험해야 정확한 데이터를 산출해 내고 그 근거를 가지고 더 나은 장비를 개발하여 실제 궤도차량에 적용하게 된다.

물론 이와 같은 정밀한 데이터를 얻기 위한 방법으로 특허출원(1998-47481호, “모션베이스 장치”)에서 3개의 유압실린더를 이용하여 모션베이스를 구동하는 가상현실 시뮬레이터가 개시되어 있는데 이는 각각의 실린더가 독립적으로 직선 또는 요동 운동을 하여 가상 시뮬레이션 상황을 구현하도록 하였다.

또한, 다른 하나의 공지의 예로서 등록특허(제0406023호, “3차원 시뮬레이터”)에서 저가의 산업용 AC모터를 모션베이스의 구동장치에 적용시켜 가상 시뮬레이션 상황을 구현하도록 하였다.

그러나, 상술한 바와 같은 공지의 예들은 가상 현실을 시뮬레이션하는 작동장치를 제공하기는 하지만 유압실린더 및 산업용 AC모터를 장착시켜 구동시 정교한 작동이 불가능하고 그로 인해 정확한 계측 데이터를 얻을 수 없는 문제점을 가지고 있었다.

아울러, 시뮬레이터를 이용하여 계측한 값을 연산해도 사용자가 편리하게 시각적으로 확인할 수가 없으므로 재차 분석해야 하는 번거로운 문제점을 가지고 있었고, 특히 종래에는 철도와 같은 궤도차량을 위한 시뮬레이션 시스템이 개시된 바 가 없어 시뮬레이션을 통한 정밀한 분석을 할 수 없었다.

그리고, 현실적으로 수행되어 분석된 자료를 현장에서 파악하지 않는 경우 다른 곳에서는 그와 같은 시뮬레이션 상태를 실시간으로 파악할 수 없는 문제점 또한 가지고 있었다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 네트워크를 통해 연결된 호스트컴퓨터를 이용하여 다축의 서보 액츄에이터가 장착된 모션 베이스를 조정하여 궤도차량에 실제로 탑승한 느낌으로 궤도차량의 동적특성을 원격으로 제어하고 상태를 파악할 수 있는 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 궤도차량의 시뮬레이션 분석 상태 및 결과를 현장에서 확인하지 않더라도 추후에 일괄적으로 확인할 수 있는 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템에 관한 것으로, 차량의 틸팅 시뮬레이션을 실제로 사용자가 느낄 수 있도록 시각화를 통해 이미지를 투사하는 이미지 프로젝터와, 틸팅 작용을 현실적으로 체험이 가능하도록 하단에 형성되어 각각의 서보모터로 구동되는 6축 엑츄에이터가 구비되는 틸팅장치와; 상기 서보모터를 회전시키기 위한 펄스신호를 출력하는 모션구동기와; 상기 모션구동기에 서보모터의 회전을 위한 펄스신호를 전송하고, 상기 이미지 프로젝터에 이미지 데이터를 전송하는 제어컴퓨터와; 상기 제어컴퓨터로 네트워크망을 통해 틸팅장치를 제어하기 위한 데이터를 전송하는 호스트컴퓨터;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 틸팅장치는 면처리된 내부의 돔면이 2M보다 크지 않은 최대 직경을 갖는 돔 스크린과, 상기 돔 스크린과 이격되어 배치된 후 이미지 픽셀들의 열을 구비하여 상기 돔면에 이미지 소스를 투사하는 이미지 프로젝터와, 상기 이미지 프로젝터가 투사되는 후방으로 사람이 앉아 돔면을 시청할 수 있도록 구비된 운전석과, 상기 운전석의 후방으로 외부 사람의 접근을 방지하도록 설치된 휀스와, 상기 돔 스크린과 이미지 프로젝터와 운전석과 휀스를 안착시키고, 구동원의 작동에 따라 요동하는 상, 하운동판과, 상기 상, 하운동판의 사이에 설치되고, 상운동판을 요동시키는 6축 액츄에이터와, 상기 하운동판에 고정 결합되어 상기 6축 액츄에이터를 각기 작동시키는 서보모터의 제어에 의해서 상기 상운동판을 다양하게 모사 가능하도록 운동시키는 것을 특징으로 한다.

상기 상운동판의 일측에는 고주파발진형 근접센서가 더 구비되어 상기 상운동판의 상하/좌우 위치값을 체크하여 상기 모션구동기로 전송하고, 상기 모션구동기는 체크된 실제 상하/좌우 위치값 데이터를 상기 제어컴퓨터로 전송되고 이는 상기 네트워크망을 통해 상기 호스트컴퓨터로 전송되는 것을 특징으로 한다.

상기 서보모터에는 엔코더가 더 구비되어 상기 서보모터의 실제 회전속도를 체크하여 상기 모션구동기로 전송하고, 상기 모션구동기는 체크된 실제 회전속도 데이터를 상기 제어컴퓨터로 전송하고 이는 상기 네트워크망을 통해 상기 호스트컴퓨터로 전송되는 것을 특징으로 한다.

상기 모션구동기는 상기 제어컴퓨터의 USB포트를 통해 데이터를 송수신하기 위한 USB인터페이스부와, 상기 인터페이스부를 통해 입출력되는 데이터를 송수신하고 제어를 담당하는 중앙처리부와, 상기 중앙처리부로부터 펄스신호를 입력받고 상기 서보모터로 전송하여 구동시키는 서보 드라이버로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 호스트컴퓨터와 제어컴퓨터는 네트워크망으로 연결되되, 그 네트워크망은 스위칭 허브를 이용한 인터넷망;인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, (a) 호스트컴퓨터상에서 틸팅장치의 시뮬레이션 프로그램을 구동하고 시뮬레이션을 위한 환경조건/차량조건/선로조건을 설정하고 틸팅을 시작하는 단계와; (b) 상기 호스트컴퓨터는 네트워크망을 통해 연결된 제어컴퓨터에 이미지 데이터 및 펄스 데이터를 전송하는 단계와; (c) 상기 제어컴퓨터는 상기 이미지 데이터를 틸팅장치의 이미지 프로젝터로 전송하고, 상기 틸팅장치의 6축 엑츄에이터를 동작시키는 서보모터를 제어하기 위한 펄스데이터를 모션구동기로 전송하는 단계와; (d) 상기 모션구동기는 상기 서보모터의 실제 회전속도를 체크하는 엔코더로부터 체크값이 감지되면 모션구동기를 통해 상기 제어컴퓨터로 전송하는 단계와; (e) 상기 제어컴퓨터는 상기 모션구동기로부터 상기 서보모터의 실제 회전속도값이 입력되면 이를 상기 제어컴퓨터로 전송하는 단계와; (f) 상기 제어컴퓨터는 네트워크망을 통해 연결된 호스트컴퓨터에 상기 서보모터의 실제 회전값을 전송하는 단계와; (g) 상기 호스트컴퓨터는 상기 서보모터의 실제 회전값으로 입력받고 분석하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

(h) 상기 단계(d)에서 상기 틸팅장치에의 상운동판의 일측에는 고주파발진형 근접센서를 더 구비하여 상기 상운동판의 상하/좌우 위치값을 체크하여 상기 모션구동기로 전송하고, 상기 모션구동기는 체크된 실제 상하/좌우 위치값 데이터를 상기 제어컴퓨터로 전송하는 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하에 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템의 구성도이고, 도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템의 호스트컴퓨터를 이용하여 차량의 동적 성능을 해석하기 위한 환경조건의 입력 및 시스템의 구동상황을 확인하기 위한 GUI화면이고, 도 3은 본 발명에 따른 조정입력장치의 회로 블럭도이고, 도 4는 본 발명에 따른 모션구동기의 회로 블럭도이고, 도 5a는 본 발명에 따른 틸팅장치의 사시도이고, 도 5b은 본 발명에 따른 틸팅장치의 측면도이고, 도 5c는 본 발명에 따른 틸팅장치의 정면도이 고, 도 5d는 본 발명에 따른 틸팅장치의 돔 스크린의 측면도이고, 도 5e는 본 발명에 따른 틸팅장치에 적용된 액츄에이터와 서보모터가 벨트에 의해 연결된 작동상태도이고, 도 6은 본 발명에 따른 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템의 주 처리 흐름도이다.

먼저 도 1에 따르면, 본 발명에 따른 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템은 차량의 틸팅 시뮬레이션을 실제로 사용자가 느낄 수 있도록 시각화를 통해 이미지를 투사하는 이미지 프로젝터(20)와 틸팅 작용을 현실적으로 체험이 가능하도록 하단에 형성되어 각각의 서보모터(80)로 구동되는 6축 엑츄에이터가 구비되는 모션베이스(75)로 구성되는 틸팅장치(100)와, 상기 모션베이스(75)의 서보모터(80)를 회전시키기 위해 출력하는 펄스신호의 제어 및 상기 서보모터(80)의 실제 회전수를 엔코더(82)로부터 입력받고 고주파 발진형 근접센서(84)로부터 상하/좌우 위치값을 입력받는 모션구동기(200)와, 상기 모션구동기(200)에 서보모터의 회전을 위한 펄스신호를 전송하고 상기 틸팅장치(100)의 이미지 프로젝터(20)에 이미지 데이터를 전송하고 상기 서보모터(80)의 실제 회전수 및 상하/좌우 위치값을 감지하여 저장하는 제어컴퓨터(300)와, 상기 틸팅장치(100)에 설치되어 상기 틸팅장치의 시뮬레이션 시작/종료/속도의 제어를 선택적으로 수행할 수 있도록 사용자가 직접 조정하는 조정입력장치(400)와, 상기 제어컴퓨터(300)와 네트워크망(600)을 통해 연결되어 제어감시되는 틸팅장치(100)의 구동상태/설정상태/분석결과 데이터를 넘겨받고 정형화된 데이터로 분석 및 관리하는 호스트컴퓨터(700)로 구성된다.

이때, 상기 호스트컴퓨터(700)는 틸팅장치(100)의 이미지 프로젝터(20)에 이미지 데이터를 전송하여 돔스크린(10)으로 이미지를 투사하여 운전자가 이를 시각적으로 확인가능하게 데이터를 생성 및 가공하고, 모션베이스(75)의 서보모터(80)를 제어하기 위한 펄스데이터를 종합적으로 저장/관리하고 분석하는 시스템으로 네트워크망(600)을 통해 상기 제어컴퓨터(300)와 연결되어 상기 제어컴퓨터(300)에 데이터를 송수신하게 된다.

이하, 상기한 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템 을 구성하는 각각의 구성요소를 상세히 설명한다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템의 호스트컴퓨터(700)상에서 구현되는 차량의 동적 성능을 해석하기 위한 환경조건을 입력하는 GUI화면이다.

이때, 상기 호스트컴퓨터(700)는 시뮬레이션을 위한 다양한 환경을 사용자가 선택 입력하거나 또는 현재 동작중인 상태의 감시를 원활히 하고 이를 사용자에게 쉽게 알려주기 위해 GUI(Graphic User Interface) 환경을 제공하게 된다.

좀더 구체적으로 설명하면, 도 2a는 본 발명에 따른 호스트컴퓨터(700)의 GUI 환경하에서 제공되는 환경조건에 관한 페이지(page)로서 이에 따르면, 페이지의 최상부에 현재 실행되고 있는 프로그램 명칭 및 화면크기 최소화(Minimize) 및 종료(Exit)를 위한 툴바(Tool Bar)가 위치하고, 그 우측에는 세로방향으로 해당 메 뉴로 이동하기 위한 메인메뉴 패널(320)이 위치하고, 그 메인메뉴 패널(320)의 하단에는 시스템의 현재시간 및 시뮬레이션 시작/경과 시간을 알려주는 시간알림용 바(Bar)(330)가 위치하고, 그 시간알림용 바(Bar)(330)의 우측으로는 시뮬레이션의 초기화/시작/종료와 같은 시뮬레이션 명령 버튼을 모아둔 시뮬레이션 명령 패널(340)과, 데이터의 기록 및 저장 버튼 패널(350)과, 시뮬레이션 명령 및 상태들을 텍스트로 표시하는 명령/상태 메시지 창(360)이 위치하고, 화면의 중앙부에는 상기 메인메뉴 패널(320)에서 선택한 메뉴에 따른 하위 메뉴들이 나타나게 된다.

이때, 상기 메인메뉴 패널(320)에서 시뮬레이터를 운행하는데 있어 각종 시뮬레이션 조건을 설정하기 위해 환경설정 버튼(321)을 선택하면, 도2a에 도시한 바와 같이 주야(晝夜)선택, 날씨선택, 영상의 보는 관점의 선택, 운동판의 운행모드 선택, 레일 조건의 선택, 운동판을 CAN 통신을 통해 제어기에 연결할 것인지를 선택하는 등의 조건을 설정할 수 있게 된다.

한편, 상기 메인메뉴 패널(320)에서 차량조건 버튼(322)을 선택하면, 도 2b에 도시한 바와 같이 차량 시뮬레이션에 대한 각종 파라메터를 실시간으로 설정이 가능하다.

또한, 상기 메인메뉴 패널(320)에서 선로조건 버튼(323)을 선택하면, 도 2c에 도시한 바와 같이 시험을 위한 선로데이터의 로딩/편집/저장이 가능하다. 특히 입력데이터는 직선구간 길이, 원곡구간 길이, 원곡반지름, 곡선방향의 4가지를 입력하면 그에 따른 거리데이터가 생성/수정되어 표가 나타나게 된다.

그리고, 상기 메인메뉴 패널(320)에서 운행정보 버튼(324)을 선택하면, 도 2d에 도시한 바와 같이 미니맵(MiniMap)상에서의 위치와 틸팅각도 및 속도 등의 파라메터를 확인할 수 있고, 상기 메인메뉴 패널(320)에서 그래프정보 버튼(325)을 선택하면 도 2e에 도시한 바와 같이 각각의 파라메타에 따른 원하는 정보를 그래프로 확인이 가능하고, 상기 메인메뉴 패널(320)에서 시스템정보 버튼(326)을 선택하면 상기한 각각의 버튼 설정값에 따른 시스템의 구동조건을 일괄적으로 확인할 수 있게 된다.

이와 같은 각종 조건을 설정하고 시스템을 시작하게 되면, 이미지 프로젝터(20)를 통해 투사하기 위한 영상이미지 데이터와 서보모터(80)를 제어하기 위한 펄스데이터를 제어컴퓨터(300)로 전송하게 된다.

이때, 상기 호스트컴퓨터(700)의 GUI환경하에서 시뮬레이션 명령 패널(340)의 버튼 선택에 따라 시스템을 구동할 수 있으나, 조정입력장치(400)를 통한 틸팅 시스템의 운행도 가능하다.

다음으로, 제어컴퓨터(300)는 상기 호스트컴퓨터와 네트워크망(600)을 통해 데이터를 전송받고 상기 틸팅장치(100)의 VSD1600과 같은 이미지 프로젝터(20)와 서보모터(80)를 제어하기 위한 적절한 데이터로 재가공하여 넘겨주고, 모션베이스(75)로부터 입력받은 엔코더(82)와 고주파 발진형 근접센서(84)의 체크데이터를 적당히 가공하여 네트워크망(600)을 통해 상기 호스트컴퓨터(700)로 전송하여 최종적으로 상기 호스트컴퓨터(700)에서 데이터를 처리하게 되는 장치로서, 상기 호스트컴퓨터(700)와 제어컴퓨터를 연결하는 네트워크망(600)은 스위칭 허브 를 이용한 인터넷망을 통해 구현된다.

즉, 상기 제어컴퓨터(300)는 모션구동기(200)로 모터제어를 위한 펄스데이터를 생성하여 출력하면, 상기 모션구동기(200)는 틸팅장치(100)의 서보모터(80)로 펄스신호를 인가하여 모션베이스(75)의 6축 액츄에이터(70)를 작동시켜 상운동판(50)을 틸팅시킴과 동시에 서보모터(80)의 실제 회전속도를 엔코더(82)를 이용하여 체크하고, 고주파발진형 근접센서(84)를 이용하여 상하/좌우 위치값을 체크한 값이 모션구동기(200)에 입력되면 USB포트를 통해 전송받고 이를 가공하여 네트워크망을 통해 호스트컴퓨터(700)로 전송하게 된다.

이때, 만약 조정입력장치(400)로부터 데이터 입력이 감지되면, 그 감지데이터를 상기 호스트컴퓨터(700)로 전송하여 시스템의 운전조건 등을 반영하게 한다.

한편 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 조정입력장치(400)는 조정간의 위치변화에 따른 저항값의 변화를 감지하는 위치 검출부(410)와, 상기 위치 검출부(410)로부터 검출된 조정간의 위치변화에 따른 아날로그 형태의 전압신호를 디지털 형태의 신호로 변환하는 A/D변환부(420)와, 상기 A/D변환부(420)에 의해 변환된 데이터를 입력받고 제어컴퓨터(300)로 인터페이스부(440)를 통해 데이터를 전송하는 제어부(430)로 구성된다.

이때, 상기 위치 검출부(410)는 가변저항으로 구성하거나 또는 홀소자 및 영구자석으로 구성함이 바람직하다.

이와 같은 구성에 의해 조정간의 위치에 따라 위치검출부(410)에서는 저항값 의 변화를 감지하고 이를 전압신호형태로 변환하게 되고 이를 상기 A/D변환부(420)에서 디지털 신호로 변환하여 제어부(430)와 인터페이스부(440)를 통하여 제어컴퓨터(300)로 전송된다.

이와 같이 조정입력장치(400)의 조정에 의한 시뮬레이션 시작/속도/종료 제어신호는 제어컴퓨터(300)에서 다시 네트워크망(600)을 통해 호스트컴퓨터(700)로 전송되어 그 호스트컴퓨터(700)상의 시뮬레이션 프로그램에서 가공되어 제어컴퓨터(300)로 입력되고 이는 제어를 위한 데이터로 다시 가공되어 상기 틸팅장치(100)의 이미지 프로젝터(20) 및 모션구동기(200)로 신호를 인가하게 되어 모션베이스(75)를 구동시키게 된다.

다음으로 도 4에 따르면, 본 발명에 따른 모션구동기(200)는 모션베이스(75)의 하운동판(60)에 고정 결합되어 상기 6축 액츄에이터(70)를 각기 작동시키는 구동원인 서보모터(80)에 펄스신호를 인가하는 장치이다. 이와 같은 모션구동기(200)는 서보모터(80)를 제어하기 위한 제어보드 역할을 하는 제어컴퓨터(300)로부터 펄스데이터를 입력받고 제어가 가능하다.

이때, 상기 모션구동기(200)는 제어컴퓨터(300)의 USB포트를 통해 데이터를 송수신하기 위한 USB인터페이스부(202)와, 상기 USB인터페이스부(202)를 통해 입출력되는 데이터를 송수신하고 제어를 담당하는 중앙처리부(204)와, 그 중앙처리부(204)로부터 펄스신호를 입력받고 상기 모션베이스(75)의 서보모터(80)로 전송하여 구동시키는 서보 드라이버(206)로 구성된다.

한편, 상기 중앙처리부(204)는 다양한 모션 제어에 유연하게 대처하기 위해 제어컴퓨터(300)와 USB 인터페이스부(202)를 통하여 제어할 수 있도록 개발된 범용, 고속, 고기능 다축 제어, 다양한 운영체제 및 개발자 환경을 지원하는 고성능의 마이크로 콘트롤러로 구현됨이 바람직하다.

이와 같은 상기 중앙처리부(204)는 펄스제어형 위치제어 장치로 제어컴퓨터(300)로부터 USB 인터페이스부(202)를 통하여 위치정보를 지령 받아 서보 드라이버(206)로 위치정보를 펄스형태로 전송하게 된다.

상기 모션구동기(200)의 중앙처리부(204)는 제어컴퓨터(300)로부터 10ms (100Hz) 간격으로 위치제어를 위한 펄스데이터를 USB 인터페이스부(202)를 통해 전달받아 서보 드라이버(206)로 방향 및 위치지령을 수행하게 된다. 이때, 상기 중앙처리부(204)는 상기 서보 드라이버(206)로부터 서보모터(80)의 실제 회전속도를 엔코더(82)를 이용하여 체크하고, 고주파발진형 근접센서(84)를 이용하여 상하/좌우 위치값을 체크한 값을 전달받아 다시 USB 인터페이스부(202)를 통해 제어컴퓨터(300)로 전송하여 주고, 최종적으로 호스트컴퓨터(700)에서 구동중인 시뮬레이션 프로그램상에서 처리된다.

다음으로 도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 본 발명에 따른 틸팅장치(100)는 면처리된 내부의 돔면(12)이 2M보다 크지 않은 직경을 갖는 돔 스크린(10)과, 상기 돔 스크린(10)과 이격되어 배치된 후 이미지 픽셀들의 열을 구비하여 상기 돔면(12)에 이미지 소스를 투사하는 이미지 프로젝터(20)와, 상기 이미지 프로젝터(20) 가 투사되는 후방으로 사람이 앉아 돔면(12)을 시청할 수 있도록 구비된 운전석(30)과, 상기 운전석(30)의 후방으로 외부 사람의 접근을 방지하도록 설치된 휀스(40)와, 상기 돔 스크린(10), 이미지 프로젝터(20), 운전석(30), 휀스(40)를 안착시키고, 구동원의 작동에 따라 요동하는 상하운동판(50,60)과, 상기 상, 하운동판(50,60)의 사이에 설치되고, 상기 상운동판(50)을 요동시키는 6축 액츄에이터(70)와, 상기 하운동판(60)에 고정 결합되어 상기 6축 액츄에이터(70)를 각기 작동시키는 구동원인 서보모터(80)로 이루어진다.

이때, 상기 틸팅장치(100)는 가상현실, 즉 실제 운전상황과 유사한 몰입감을 제공하기 위해서 상기 돔 스크린(10)은 사용자가 사용하기에 적합하게 열린 전방 단부와 면처리된 구형의 내부 돔면(12)을 갖는 돔으로 형성하고, 일정한 거리로 이격된 위치에 이미지 프로젝터(20)가 장착된다.

따라서, 상기 돔 스크린(10)과 이미지 프로젝터(20)를 이용하여 실제상황과 유사한 몰입감을 제공하기 위하여 다양한 데모 지형과 시험 지형을 상기 이미지 프로젝터(20)를 통해 돔스크린(10)으로 투사한다.

이때, 상기 이미지 프로젝터(20)는 내부에 이미지 픽셀들의 열을 구비하는 이미지 소스를 구비하여 상기와 같은 상황을 연출할 수 있고, 당연하지만 픽셀들의 열의 수는 조절가능하다.

한편, 상기 돔 스크린(10)의 후방, 즉 이미지 프로젝터(20)의 후방으로는 사람이 앉아 돔면을 시청할 수 있도록 운전석(30)이 마련된다. 이때, 상기 운전석(30)은 실제로 열차에 장착되는 높이를 갖도록 설계되고, 그 후방에는 외부 사람의 접근을 방지하도록 휀스(40)가 설치되어 돔 스크린(20)에 몰입된 사람을 보호하기 위한 것으로, 운전석(30)의 팔걸이 높이와 동일하게 구비되어 운전석(30)의 후방을 반원의 형태로 감싸는 형태로 둘러싼다.

이와 같은 상기 돔 스크린(10)과, 이미지 프로젝터(20)와, 운전석(30) 및 휀스(40)는 구동원의 작동에 따라 요동하는 모션베이스(75)의 상운동판(50)상에 고정되고, 상하운동판(50,60)의 크기는 돔 스크린(10), 이미지 프로젝터(20), 운전석(30), 휀스(40)와 후술하는 구동원을 충분히 장착시킬 수 있는 넓이를 갖는다. 이때, 상기 모션베이스(75)의 상운동판(50)은 구동원에 의해 다양한 각도로 요동하고, 하운동판(60)은 구동원을 고정 결합시켜 틸팅장치를 지지하는 기초부의 역할을 한다.

또한, 상기 상운동판(50)을 다양한 각도로 동작 또는 요동시키는 구동원은 볼 스큐류 타입의 액츄에이터(70)를 서보모터(80)가 구동시키게 되는데, 상기 액츄에이터(70)는 총 6축 액츄에이터(70)가 장착되고, 최소 작동거리는 150mm이상이다.

이때, 본 발명에 따른 틸팅장치(100)에 적용되는 액츄에이터(70)는 도 5e에 도시된 바와 같이 서보모터(80)의 회전으로 서보모터(80)의 회전축이 회전하면 이에 걸려있는 벨트(90)가 회전하고, 벨트(90)의 일단에 연결된 액츄에이터(70)의 볼 스큐류 축도 회전하여 축이 상승 또는 하강한다. 그리고, 상기 액츄에이터(70)와 연결된 벨트(90)는 체인 또는 기어에 의해서 상호 작동될 수 있다.

이와 같은 틸팅장치(100)는 다음과 같은 기계적 특성 및 틸팅 성능을 갖추어야 한다. 먼저, 최대 틸팅각도는 8°이하, 5°/sec 이상의 틸팅 각속도를 갖추어야 한다. 이것은 8°이상이 될 경우 차체의 전복 위험성을 내포하고 있으므로 그 범위 이내로 시험되어야 하고, 초당 5°의 각도로 틸팅될 수 있는 빠른 응답성을 갖추어야 하고, 상운동판(50)의 상면에 안착되는 각종 장비는 총 500kg 이상이고, 최소 작동되는 거리는 150mm 이상이 되어야 하며, 그 진동 폭은 최소 20Hz 이상이 되어야 한다.

그리고, 모사가 가능한 자유도 수는 적어도 6자유도 이상이 적용되고, 모션은 롤링, 피칭, 요, 히브, 스웨이 및 서지모션의 적용이 가능해야 하고, 진동 및 실제감에 있어서는 진동 20Hz 이상의 대역폭을 구현하여야 하고, 롤방향 ±300°/

의 가속도를 구현하여야 하며, 종방향 최대 가속도는 1.0m/

를 갖도록 ±300°/

의 가속도를 구현해야 한다.

또한, 곡선부의 승차감은 곡선부 통과 횡가속도는 0.8㎨ 이하이고, 차체의 롤가속도 5°/

이하로 작동되어야 하고, 이동성은 반경 1m 이내에 설치되어야 하고, 실제의 무게는 200kg 미만이어야 하며, 이동용 바퀴가 설치되어 다양한 현장에서 시험 가능하도록 한다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참고로 본 발명에 따른 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템의 제어 흐름을 상세히 설명한다.

호스트컴퓨터(700)의 GUI화면상에서 틸팅장치(100)의 구동을 위한 시뮬레이션 프로그램을 구동한다.(S100)

이와 같은 시뮬레이션 프로그램이 구동된 상태에서 메인메뉴 버튼(320)을 선택하여 틸팅장치를 시뮬레이션하기 위한 환경조건/차량조건/선로조건 등의 각종 조건을 입력한다. 이때, 선택하지 않은 조건은 프로그램의 임의의 디폴트값을 설정한다.(S110)

상기 단계(S120)에서 각종 조건을 설정하고 틸팅 시뮬레이션 프로그램 창의 하단에 표시되어 있는 시뮬레이션 명령 패널(340)의 시작버튼을 마우스로 클릭하거나 키입력을 통한 선택을 하게 되면 시스템이 기설정된 조건에 따른 운전이 가능하다. 한편, 제어컴퓨터(300)에서는 주기적으로 조정입력장치(400)를 감시하여 제어데이터의 입력이 있는지를 감시하게 되고, 만약 조정입력장치(400)로부터 신호입력이 감지되면 상기 호스트컴퓨터(700)로 데이터를 전송하고 자료로 저장/분석된 후 제어를 시작하게 된다.(S120)

이와 같이 상기 호스트컴퓨터(700) 또는 조정입력장치(400) 중에 어느 하나를 통해 시뮬레이션 운전을 시작하게 되면, 호스트컴퓨터(700)는 시뮬레이션 프로그램의 연산을 통해 입력된 제어데이터와 기설정된 선로와 여타 조건에 따른 영상 이미지 데이터를 네트워크망(600)을 통해 제어컴퓨터(300)로 전송하고, 제어컴퓨터(300)는 USB인터페이스를 통해 이를 틸팅장치(100)의 이미지 프로젝터(20)로 RS485와 같은 다양한 통신방식을 이용하여 이미지 데이터를 전송하고, USB포트에 연결되어 모션구동기(200)로 모터구동을 위한 펄스데이터를 10㎳간격으로 전송하게 된다.(S130)

이때, 상기 이미지 프로젝터(20)는 제어컴퓨터(300)로부터 입력받은 이미지 데이터를 돔 스크린(10)상에 투사하여 운전자에게 몰입감을 주게 된다. 한편, 상기 모션구동기(200)는 상기 제어컴퓨터(300)로부터 디지털 데이터 형식의 데이터를 입력받고 모션베이스(75)의 6축 엑츄에이터를 구동하기 위한 아날로그 신호 형태로 변환하여 서보 드라이버(206)로 10㎳간격으로 전송하여 6축을 각각 운전하는 6개의 서보모터(80)를 구동시켜 틸팅운전을 하게 된다.(S140)

상기한 바와 같이 운전하는 동안 상기 모션구동기(200)의 중앙처리부(204)는 6축 엑츄에이터(70)를 각각 구동하는 서보모터(80)의 실제 회전속도를 엔코더(82)를 이용하여 체크하고, 고주파발진형 근접센서(84)를 이용하여 상하/좌우 위치값을 체크한 값을 입력받으면 그 측정값을 USB 인터페이스부(202)를 통해 상기 제어컴퓨터(300)로 전송하게 된다.(S150)

이때, 상기 제어컴퓨터(300)는 상기 USB 인터페이스부(202)를 통해 모션구동기(200)로부터 전송받은 실제 모터의 회전속도 및 상하/좌우 위치값을 가공하여 네트워크망(600)을 통해 호스트컴퓨터(700)로 전송하게 된다.(S160)

따라서, 상기 호스트컴퓨터(700)는 구동중인 시뮬레이션 프로그램상에서 전송받은 데이터를 분석하여 GUI화면을 통해 표시해줌으로써, 사용자는 메인메뉴 버튼(320) 중에 운행정보 버튼(324), 그래프정보 버튼(325), 시스템정보 버튼(326)을 통해 종합적인 틸팅장치 시스템의 구동상황을 확인할 수 있다.(S170)

이상과 같이 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등의 범위에 있 는 것까지 본 발명의 권리범위가 미친다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템에 의하면, 궤도차량의 틸팅운동을 적용시켜 실제로 궤도차량에 탑승한 느낌으로 궤도차량의 동적특성을 파악할 수 있고, 시뮬레이션 시스템의 운전을 통한 동적특성에 대한 분석결과를 네트워크상에 연결된 호스트컴퓨터를 이용하여 다양하게 분석하고 결과를 확인할 수 있다.

Claims

차량의 틸팅 시뮬레이션을 실제로 사용자가 느낄 수 있도록 시각화를 통해 이미지를 투사하는 이미지 프로젝터와;

틸팅 작용을 현실적으로 체험이 가능하도록, 상,하운동판 사이에 설치되어 상기 상운동판을 요동시키는 6축 엑츄에이터와, 상기 하운동판에 고정 결합되어 상기 6축 엑츄에이터를 각기 작동시키는 서보모터를 구비한 틸팅장치와;

제어신호가 입력되면 상기 서보모터의 회전을 펄스 신호를 전송하고, 상기 이미지 프로젝터에 이미지 데이터를 전송하며, GUI환경이 제공되는 제어컴퓨터와;

상기 이미지 프로젝터의 일측에 구비되되, 조정간의 위치변화에 따른 저항값의 변화를 감지하는 위치 검출부와, 상기 위치 검출부로부터 검출된 조정간의 위치변화에 따른 아날로그 전압신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환부와, 상기 A/D 변환부에 의해 변환된 데이터를 입력받고 데이터를 가공하여 인터페이스부를 통해 상기 제어컴퓨터로 출력하는 제어부를 구비한 조정입력장치와;

상기 제어컴퓨터와 데이터를 송수신하기 위한 인터페이스부와, 상기 인터페이스부를 통해 입출력되는 데이터를 송수신하고 제어를 담당하는 중앙처리부와, 상기 중앙처리부로부터 상기 펄스신호를 입력받아 상기 서보모터로 전송하는 서보 드라이버를 구비한 모션구동기; 및

상기 제어컴퓨터와 스위칭 허브를 이용한 인터넷 망에 의해 연결되며, 상기 틸팅장치를 제어하기 위한 데이터를 전송하는 호스트컴퓨터;로 구성되는 것을 특징으로 하는 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 틸팅장치는 면처리된 내부의 돔면이 2M보다 크지 않은 최대 직경을 갖는 돔 스크린과, 상기 돔 스크린과 이격되어 배치된 후 이미지 픽셀들의 열을 구비하여 상기 돔면에 이미지 소스를 투사하는 이미지 프로젝터와, 상기 이미지 프로젝터가 투사되는 후방으로 사람이 앉아 돔면을 시청할 수 있도록 구비된 운전석, 및 상기 운전석의 후방으로 외부 사람의 접근을 방지하도록 설치된 휀스를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 상운동판의 일측에는 고주파발진형 근접센서가 더 구비되어 상기 상운동판의 상하/좌우 위치값을 체크하여 상기 모션구동기로 전송하고, 상기 모션구동기는 체크된 실제 상하/좌우 위치값 데이터를 상기 제어컴퓨터로 전송되고 이는 상기 네트워크망을 통해 상기 호스트컴퓨터로 전송되는 것을 특징으로 하는 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 서보모터에는 엔코더가 더 구비되어 상기 서보모터의 실제 회전속도를 체크하여 상기 모션구동기로 전송하고, 상기 모션구동기는 체크된 실제 회전속도 데이터를 상기 제어컴퓨터로 전송하고 이는 상기 네트워크망을 통해 상기 호스트컴퓨터로 전송되는 것을 특징으로 하는 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 시스템.
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(a) 호스트컴퓨터상에서 틸팅장치의 시뮬레이션 프로그램을 구동하고 시뮬레이션을 위한 환경조건/차량조건/선로조건을 설정하고 틸팅을 시작하는 단계;

(b) 상기 호스트컴퓨터는 네트워크망을 통해 연결된 제어컴퓨터에 이미지 데이터 및 펄스 데이터를 전송하는 단계;

(c) 상기 제어컴퓨터는 상기 이미지 데이터를 틸팅장치의 이미지 프로젝터로 전송하고, 상기 틸팅장치의 6축 엑츄에이터를 동작시키는 서보모터를 제어하기 위한 펄스데이터를 모션구동기로 전송하는 단계;

(d) 상기 모션구동기는 상기 서보모터의 실제 회전속도를 체크하는 엔코더로부터 체크값이 감지되면 모션구동기를 통해 상기 제어컴퓨터로 전송하는 단계;

(e) 상기 단계(d)에서 상기 틸팅장치에의 상운동판의 일측에는 고주파발진형 근접센서를 더 구비하여 상기 상운동판의 상하/좌우 위치값을 체크하여 상기 모션구동기로 전송하고, 상기 모션구동기는 체크된 실제 상하/좌우 위치값 데이터를 상기 제어컴퓨터로 전송하는 단계;

(f) 상기 제어컴퓨터는 상기 모션구동기로부터 상기 서보모터의 실제 회전속도값이 입력되면 이를 상기 제어컴퓨터로 전송하는 단계;

(g) 상기 제어컴퓨터는 네트워크망을 통해 연결된 호스트컴퓨터에 상기 서보모터의 실제 회전값을 전송하는 단계;

(h) 상기 호스트컴퓨터는 상기 서보모터의 실제 회전값으로 입력받고 분석하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 네트워크를 이용한 궤도차량의 틸팅 주행 시뮬레이션 방법.
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