KR101560808B1 - 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠 - Google Patents

자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠에 관한 것이다. 본 발명은, 각각이 기계식 자이로스코프(10)를 포함하는 제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)의 이중 로터 구조를 갖는 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)에 있어서, 제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)의 기계식 자이로스코프(10)의 회전체(11)는 이방향성으로 회전하며, 각 기계식 자이로스코프(10)의 중심점(P)에 대한 총 각운동량(L)에 대한 크기는 변하지 않으며 방향성이 수직선상으로 변화되어 제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)의 기계식 자이로스코프(10)에 의한 세차운동이 상쇄되어 쓰러지지 않는 구조를 제공한다.
이에 의해, 이방향성의 기계식 자이로스코프의 회전체에 대해서 로터 구조를 갖도록 플라이휠에 배치하여 각 회전체의 서로의 작용 반작용 법칙에 의해 생성되는 세차운동인 회전관성을 상쇄시키고, 이를 활용하여 직렬로 배치되어 있는 2륜 구동 차량이 좌우로 쓰러지지 않고 안정된 상태를 유지할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

Description

자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠{Flywheel of two wheel drive vehicle with apparatus for maintaining the position using mechanical gyroscope}
본 발명은 2륜 구동 차량의 자세 제어장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 직렬로 정렬되어 있는 2륜 구동 차량에 대해 한 방향으로 회전하는 자이로스코프에서 발생되는 회전관성을 상쇄시키기 위해 이방향성의 플라이휠을 배치하여 서로의 작용 반작용 법칙에 의해 생성되는 세차운동인 회전관성을 상쇄시키고, 이를 활용하여 직렬로 배치되어 있는 2륜 구동 차량이 좌우로 쓰러지는 현상을 이방향성 자이로스코프를 활용하여 쓰러지지 않도록 하기 위한 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠에 관한 것이다.
최근 쓰러지지 않는 2륜 구동 차량에 대해 많은 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이런 2륜 구동 차량은 2개의 바퀴를 이용하기 때문에 중심점을 측량하고 이로 인하여 균형을 잡는 장치가 내장되어 있다. 대표적으로 세그웨이(segway) 장치가 있으며, 이는 자이로스코프(gyroscope)를 활용하여 3축 또는 2축을 측량하는 방식으로 위치각을 계산 측량을 수행하는 방식을 보다 진보된 형태로 개량하는 것이 주된 기술 개발들에 해당한다.
그러나 세그웨이 장치와 같이 2륜 구동차량에 대해 이동시 쓰러지지 않고 안정된 상태를 유지하는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 주로 연구가 세그웨이 장치와 같이 병렬형식의 2륜 구동차량에 대해서만 연구 개발이 되고 있는 한계점이 있으며, 오토바이와 같은 직렬로 정렬되어 있는 2륜 구동 차량에 대해서는 연구가 미미한 실정한다.
한편, 상술한 자이로스코프는 항공기, 잠수함, 대륙간 탄도미사일의 관성 유도 등의 정밀도가 높은 시스템에 많이 사용되고 있으나, 위치 검출용으로도 많이 사용되며, 전자적 센서를 이용한 방식뿐만 아니라 기계적인 방식으로 사용이 많이 되고 있다. 현재 기계식 자이로스코프에 대한 기술 개발도 아직까지 활발히 진행되고 있으며, 레저 선박이라고 불리는 소형 선박에 대해서가 대표적인 예이다. 보다 구체적으로, 선박은 크기와 무게가 상대적으로 큰 선박에 비해 작기 때문에 선박의 편의성이나 안정성을 높이기 위한 기술이 요구되는데 선박의 횡동요(roll) 저감 장치가 기계적인 방식의 자이로스코프가 사용되는 대표적인 예에 해당된다.
이에 따라 해당 기술분야에 있어서는 활용도가 높은 기계식 자이로스코프를 이용할 뿐만 아니라, 직렬로 정렬되어 있는 2륜 구동 차량에 대해 세차운동으로 발생되는 안정된 상태를 방해하는 힘을 제거하여 안정된 자세 제어를 수행하도록 하기 위한 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
[관련기술문헌]
1. 사용자에게 균형잡힌 개인용 운반장치의 작동에 대한 신속한 접근을 제공하기 위한 장치 및 방법(APPARATUS AND METHOD FOR PROVIDING A USER WITH ACCELERATED ACCESS TO OPERATION OF A BALANCING PERSONAL TRANSPORTER) (특허출원번호 제10-2008-7017754호)
2. 차량의 제동력 유지장치 및 방법(APPARATUS AND METHOD FOR KEEPING UP BRAKING POWER) (특허출원번호 제10-2007-0030337호)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이방향성의 기계식 자이로스코프의 회전체에 대해서 이중 로터 구조를 갖도록 플라이휠 상에 배치하여 각 회전체의 서로의 작용 반작용 법칙에 의해 생성되는 세차운동인 회전관성을 상쇄시켜 안정된 상태를 유지하도록 하기 위한 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 이중 로터 구조를 활용함으로써, 직렬로 배치되어 있는 2륜 구동 차량이 좌우로 쓰러지지 않고 안정된 상태를 유지하도록 하기 위한 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠은 철(비중: 7.874 g/cm3(실온))로 형성되는 회전체(11)을 구비한 기계식 자이로스코프(10)를 포함하는 제 1 로터부(110)와; 철(비중: 7.874 g/cm3(실온))로 형성되는 회전체(11)을 구비한 기계식 자이로스코프(10)를 포함하는 제 2 로터부(120)로 이루어진 이중 로터 구조를 가지고, 2륜 구동 차량에 형성되되, 제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)의 기계식 자이로스코프(10)의 회전체(11)는 이방향성으로 회전하며, 각 기계식 자이로스코프(10)의 중심점(P)에 대한 총 각운동량(L)에 대한 크기는 변하지 않으며 방향성이 수직선상으로 변화되어 제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)의 기계식 자이로스코프(10)에 의한 세차운동이 상쇄되어 쓰러지지 않는 구조를 제공하고, 상기 제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)의 기계식 자이로스코프(10)의 회전체(11)는 상호 이방향성으로 회전에 따라 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)의 전체 세차운동의 각속도(ωp)는,
Figure 112015060315702-pat00018
인 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 실시예에 따른 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠은, 이방향성의 기계식 자이로스코프의 회전체에 대해서 로터 구조를 갖도록 플라이휠에 배치하여 각 회전체의 서로의 작용 반작용 법칙에 의해 생성되는 세차운동인 회전관성을 상쇄시키고, 이를 활용하여 직렬로 배치되어 있는 2륜 구동 차량이 좌우로 쓰러지지 않고 안정된 상태를 유지할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)에서 기계식 자이로스코프(10)의 원리를 설명하기 위한 일반적으로 연산되는 각속도(ω)에 대한 개념을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)에 사용되는 기계식 자이로스코프(10)의 회전관성을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)에 대한 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)에서 기계식 자이로스코프(10) 구동시 균형이 유지되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)에서 기계식 자이로스코프(10)의 원리를 설명하기 위한 일반적으로 연산되는 각속도(ω)에 대한 개념을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 기계적 자이로스코프(10)를 이용한 시스템은 축을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있는 회전자로 구성되어있다. 이러한 기계식 자이로스코프(10)는 회전자의 회전운동에 의한 각운동으로 정의될 수 있는데 이러한 각운동은 하기의 도 1과 같이 하기의 [수학식 1]의 각속도(ω)에 의해 결정된다.
즉, 하기의 [수학식 1]과 같이 각속도(ω)의 계산은 회전을 하는 물체(Ob.)와 기준점(RL)을 연결한 직선의 단위 시간(t) 동안에 이루는 각도(θ)에 대한 연산에 의해 수행될 수 있다.
Figure 112014007266011-pat00002
이러한 기계적 자이로스코프(10)를 이용한 시스템에 미치는 토크와 세차운동의 각속도를 구하려면, 구동되는 장치의 차축은 항상 수평면 x, z에 있다고 가정한다면 다음 차축이 z축에 놓이는 순간의 운동을 고려함을 전제로 한다.
다음으로, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)에 사용되는 기계식 자이로스코프(10)의 회전관성을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 기계식 자이로스코프(10)의 회전관성은 회전체(11)의 회전하는 방향에 의해 회전관성이 생기게 되는데 이러한 회전관성을 발생시키는 운동이 바로 세차운동에 해당한다.
세차운동을 하는 기계식 자이로스코프(10)는 회전축(12)의 한쪽 끝을 지지대(2) 위에 올려놓으면 회전축(12)의 다른 쪽 끝에는 무게추(1)를 올려놔도 중력방향으로 떨어지지 않고 무게추(1)를 들어올린 상태에서 세차운동을 하게 된다.
이러한 기계식 자이로스코프(10)의 회전체(11)와 회전축(12)에는 회전체(11)의 중심에서 아래 방향으로 작용하는 무게(Fg 또는 Mg)와 지지대(2)의 원뿔형상 중 최상단에 해당하는 중심점(P)에 작용하는 힘(Fp)의 두 외부 힘이 작용한다.
한편, 본 발명에서의 지지대(2)의 원뿔형상 중 최상단에 해당하는 중심점(P)에 대한 마찰로 인한 토크는 무시한다.
회전체(11), 회전축(12), 무게추(1), 지지대(2)를 포함하는 전체 계에 의해 작용하는 회전축(11)의 중심점(P)에 관한 외부 토크는 x 방향을 향하게 되어 하기의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112014007266011-pat00003
회전체(11)의 중심에서 아래 방향으로 작용하는 무게(Fg)의 작용점을 지나 힘의 방향으로 그은 직선이 중심점(P)을 지나기 때문에 중심점(P)에 대한 토크에 영향을 미치는 것은 무게뿐이다.
따라서 시간간격인 "dt" 동안 중심점(P)에 대한 총 각운동량의 미소 변화 dL은 하기의 [수학식 3]과 같다.
Figure 112014007266011-pat00004
중심점(P)에 대한 총 각운동량(L)은 회전체(11)에 대한 각운동량(Ls)과, 회전체(11)와 축(12)의 세차운동으로 인한 각운동량(Lp)의 합으로 표현된다.
Figure 112014007266011-pat00005
따라서 ?
Figure 112014007266011-pat00006
는 회전체(11)에 대한 각운동량인 회전 각운동량이며, Is는 차축에 대한 회전체(11)의 관성 힘의 작용선에 내린 수직선의 길이와, 관성 힘을 곱한 값이다.
Figure 112014007266011-pat00007
는 세차 각운동량이며, Ip는 y축에 대한 회전체(11)와 차축에 의한 관성 힘의 작용선에 내린 수직선의 길이와, 관성 힘을 곱한 값을 의미한다.
Figure 112014007266011-pat00008
따라서 중심점(P)에 대한 총 각운동량(L)은 하기의 [수학식 6]과 같다.
Figure 112014007266011-pat00009
삼각형의 지지대(2)에서 시간간격 dt 동안에 작용한 미소 세차 운동각 dφ은 하기의 [수학식 7]과 같이 연산할 수 있다.
Figure 112014007266011-pat00010
한편, ωp=dφ/dt 이므로 세차운동의 각속도(ωp)는 하기의 [수학식 8]과 같이 구할 수 있다.
Figure 112014007266011-pat00011
[수학식 8]에서 차축의 마찰이 ωs를 감소시키면 ωp가 증가될 것이라는 것을 알 수 있다. 회전체(11)의 각 운동량이 매우 크다면, 세차운동은 매우 느리게 나타날 것이다.
이러한 도 2의 개념과 같은 각운동에 의한 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)은 각운동 에너지를 이용하여 하나의 회전체(11)인 로터 1kg의 무게를 40kg에 해당하는 것으로 증폭시키는 효과를 제공할 수 있다. 이때 자세 제어장치(100)에 필요한 것이 300hz의 회전력이다.
하지만 제안된 식에 의해 연산하면 기계식 자이로스코프(10)의 세차운동으로 인한 주변 환경의 영향에 따라 한 축의 각운동 에너지는 점차 오류 값이 심해지며 일정한 방향성을 가질 수 없는 한계점이 있다. 또한 중력권 내에서의 세차운동으로 인하여 계속된 회전운동을 할 수 없으며, 마찰운동으로 인하여 이용할 수 없다.
이러한 문제 때문에 본 발명에서는 도 3과 같은 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)에 대한 구조를 제안한다.
자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)은 도 3과 같이 제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)의 이중 로터 구조로 형성되며, 각 로터부의 회전체(11)에 대해 철의 비중인 7.874 g/cm3(실온)를 대입하면 하나의 회전체(11)의 질량은 약 7.34kg에 해당한다.
이중 로터 구조 중 하나의 제 1 로터부(110)에 의해 발생되는 약 200hz의 속도로 회전하면 수평으로 되려는 힘이 100kg의 무게를 수평에서 지탱할 수 있는 힘이 발생되며 다른 방향성을 가진 이중 로터 구조 중 다른 하나의 제 2 로터부(110)에 해당하는 기계식 자이로스코프(10)는 제 1 로터부(110)의 기계식 자이로스코프(10)와의 관계에서 서로의 세차운동을 상쇄시키며 서 있을 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
일반적인 기계식 자이로스코프(10)는 제시된 [수학식 8]과 같이 하나의 방향성만 회전하는 회전체(11)를 가질 경우 회전체(11)의 회전관성에 의한 세차운동이 일어나게 된다.
하지만 본 발명에서 제시하는 것과 같이 이방향성을 가지는 자이로스코프를 자세 제어장치(100)은 제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)에 의한 서로의 세차운동이 상쇄되어 하기의 [수학식 9]와 같은 연산이 가능함으로써, 기계식 자이로스코프(10)에 의한 세차운동 능력이 상실된다.
Figure 112014007266011-pat00012
이러한 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)은 양끝의 축에 무게에 대한 부하가 걸리게 되어도 [수학식 6]에서 제시된 중심점(P)에 대한 총 각운동량(L)에 대한 크기는 변하지 않으며 방향성이 수직선상으로 변화되어 도 4와 같이 쓰러지지 않는 구조를 제공한다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 기계적 자이로스코프
11: 회전체
12: 회전축
100: 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠
110: 제 1 로터부
120: 제 2 로터부

Claims (4)

  1. 철(비중: 7.874 g/cm3(실온))로 형성되는 회전체(11)을 구비한 기계식 자이로스코프(10)를 포함하는 제 1 로터부(110)와;
    철(비중: 7.874 g/cm3(실온))로 형성되는 회전체(11)을 구비한 기계식 자이로스코프(10)를 포함하는 제 2 로터부(120)로 이루어진 이중 로터 구조를 가지고, 2륜 구동 차량에 형성되되,
    제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)의 기계식 자이로스코프(10)의 회전체(11)는 이방향성으로 회전하며, 각 기계식 자이로스코프(10)의 중심점(P)에 대한 총 각운동량(L)에 대한 크기는 변하지 않으며 방향성이 수직선상으로 변화되어 제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)의 기계식 자이로스코프(10)에 의한 세차운동이 상쇄되어 쓰러지지 않는 구조를 제공하고,
    상기 제 1 로터부(110) 및 제 2 로터부(120)의 기계식 자이로스코프(10)의 회전체(11)는 상호 이방향성으로 회전에 따라 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠(100)의 전체 세차운동의 각속도(ωp)는,
    Figure 112015060315702-pat00013

    인 것을 특징으로 하는 자세 제어장치를 갖는 2륜 구동 차량의 플라이휠.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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