KR101651898B1 - 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치를 공개한다. 이 장치는 차체의 하부에 구비된 모션 플랫폼의 회전각도 데이터를 출력하는 메인 제어부; 상기 모션 플랫폼을 구동하는 서보 모터의 제어 각도가 제한 각도를 초과하는지 여부를 감지하는 센서부; 상기 제한 각도 및 상기 회전각도 데이터를 인가받아 감속기 축 회전 각도를 연산하는 프로그램 로직 제어기; 상기 연산된 감속기 축 회전 각도를 인가받아 상기 서보 모터의 제어 계수를 산출하여 상기 서보 모터를 구동하는 서보 모터 드라이버; 상기 프로그램 로직 제어기의 동작 모드를 선택하고, 상기 동작 모드에 따라 복수개의 스위칭 동작 및 디스플레이 동작을 수행하는 프로그램 로직 제어기 운전 조작부; 및 상기 서보 모터에 연결되어 상기 서보 모터 드라이버의 제어에 응답하여 상기 서보 모터를 소정의 감속비로 감속하는 감속기;를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 농업인에게 농업용 트랙터의 도로주행 안전교육이나 경사 작업 등의 안전교육시 고비용의 안전시설을 갖춘 교육 시스템의 필요 없이 운전자가 차량을 실제 운전하는 느낌을 갖도록 농업용 트랙터 차체의 하부에 장착된 모션 플랫폼의 움직임을 정밀하게 제어하고, 전복 사고 등 교육 과정 중에 위험한 상황을 예방할 수 있다.

Description

농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치{A control device of a agricultural tractor simulator}

본 발명은 시뮬레이터 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 농업인에게 농업용 트랙터의 도로주행 안전교육이나 경사 작업 등의 안전교육시 고비용의 안전시설을 갖춘 교육 시스템의 필요 없이 운전자가 차량을 실제 운전하는 느낌을 갖도록 농업용 트랙터 차체의 하부에 장착된 모션 플랫폼의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있는 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치에 관한 것이다.

농업의 기계화로 인한 최근의 농업기계 안전사고 발생빈도를 살펴보면 농작업 사고는 100 대당 경운기 0.79건, 트랙터 0.38건, 예취기 0.16건의 순으로 발생했고, 교통사고는 100대당 경운기 0.18건, 트랙터 0.19건이었다.

이러한 농업기계 안전사고를 원인 별로 분석해 보면 농작업 사고는 93 %, 교통사고는 98 %가 인적 요인에 의해 발생하고 있는 것으로 분석되었다.

한편, 농업기계 안전교육은 실제 농업기계를 주행하거나 작업하면서 하는 체험교육이 가장 효과적이므로, 최근에 실제 농업기계를 이용하여 평지 작업 등 상용의 조건 위주로 교육이 진행되고 있는 실정이다.

그런데, 도로주행 안전교육이나 경사 작업 등의 안전교육은 위험한 상황을 초래할 수 있고, 농업인에게 실제 농업기계로 경사면 작업을 체험 교육하기 위해서는 고비용의 안전시설을 갖춘 교육 시스템이 필요한 문제점이 있었다.

비근한 예로, 일본에서는 트랙터, 콤바인, 이앙기 등의 기본 조작부터 경사면과 경사로의 위험 체험, 회피 방법, 고령자 체험 등을 위하여 운전교육을 실시하고 있으나, 실제 농업기계를 가지고 실시하고 있어 시설비용이 고가이고 실제 도로나 경사면 주행시 실제 사고로 이어질 위험 가능성이 있는 한계가 있었다.

이에 따라, 농업기계를 가지고 농작업을 하는 농업인에게 농작업 및 도로 주행 등을 실제상황과 유사하게 운전교육을 실시하여 사고를 예방할 수 있는 농용트랙터용 가상현실 시뮬레이터를 개발할 필요성이 대두되었다.

일반적으로, 시뮬레이터는 물리적, 전기적 현상에 대한 모의 실험 장치로서, 실제 상황에서 일어나는 움직임을 해석하기 위하여 동일 또는 유사하게 동작하도록 설계된 기계나 전기장치를 이용하여 해석하는 장치를 말한다.

이러한 시뮬레이터가 주로 사용되는 분야는 항공기, 선박, 자동차 등의 조종훈련, 원자로 운전 훈련, 재난대비 훈련, 공항 관제훈련, 무기제어 훈련 등과 같은 기술적, 경제적으로 곤란한 조건을 반복적으로 재현하는 경우 복잡한 작동상황 등을 컴퓨터를 통하여 실제 장면과 동일하게 재현하게 된다.

특히, 차량 시뮬레이터는 운전자의 운전조작 장치 조작, 도로 등 주변 상황 등을 입력받아 시뮬레이션을 수행하여 차량 움직임, 음향 등을 출력한다.

이때, 차량의 움직임에 상응하는 동적 상황 모션을 플랫폼에 전달하여 운전자가 차량을 실제 운전하는 느낌을 갖도록 한다.

이러한 차량 시뮬레이터는 고속도로, 시내 및 지방도로 주행 등의 도로주행 상황, 경사로 주행, 충돌이나 전복과 같은 교통사고 재현 등의 위험상황 등에 응용되어 차량의 운전연습, 운전자 지원 시스템 개발, 교통안전연구 등에 활용된다.

이와 같이 시뮬레이터가 자동차, 비행기, 군수용, 놀이용 기구 등으로 개발되어 활용된 사례는 많으나 농업용으로 특화되어 개발된 사례는 국내외에서 찾아보기 힘들다.

이에 본 발명자는, 농업인 교육기관에서 교육에 활용 가능하도록 농용트랙터 주요 운전 조작 장치, 농작업 사고 및 교통사고 도로 여건, 안전 운전 및 조작 방법 등을 조사하고 모의 운전 조작 장치, 농용트랙터 컴퓨터 모델, 모션 플랫폼, 가상 환경 및 영상 출력장치 등을 구비한 농용트랙터용 가상현실 시뮬레이터를 개발하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 농업용 트랙터 차체의 하부에 장착된 모션 플랫폼의 회전각도 데이터 및 농업용 트랙터 차체의 구동을 제어하는 모터 드라이버의 제한 각도를 실시간으로 송수신하여 모션 플랫폼의 이동을 정밀하게 제어함으로써 실제감 있게 모션 시뮬레이션 환경을 조성하는 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치를 구비한 농업용 트랙터 시뮬레이터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치는 차체의 하부에 구비된 모션 플랫폼의 회전각도 데이터를 출력하는 메인 제어부; 상기 모션 플랫폼을 구동하는 서보 모터의 제어 각도가 제한 각도를 초과하는지 여부를 감지하는 센서부; 상기 제한 각도 및 상기 회전각도 데이터를 인가받아 감속기 축 회전 각도를 연산하는 프로그램 로직 제어기; 상기 연산된 감속기 축 회전 각도를 인가받아 상기 서보 모터의 제어 계수를 산출하여 상기 서보 모터를 구동하는 서보 모터 드라이버; 상기 프로그램 로직 제어기의 동작 모드를 선택하고, 상기 동작 모드에 따라 복수개의 스위칭 동작 및 디스플레이 동작을 수행하는 프로그램 로직 제어기 운전 조작부; 및 상기 서보 모터에 연결되어 상기 서보 모터 드라이버의 제어에 응답하여 상기 서보 모터를 소정의 감속비로 감속하는 감속기;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 상기 센서부는 상기 서보 모터 드라이버의 일측면에 이격되게 위치하여 상기 제한 각도를 감지하는 제1 및 제2 제한각도 검출 근접 센서; 상기 제1 및 제2 제한각도 검출 근접 센서의 사이에 위치하여 상기 서보 모터 드라이버의 위치가 영점 조정이 되었는지 여부를 감지하는 영점 위치 검출 근접 센서; 상기 서보 모터의 구동 링크에 이격되게 위치하여 상기 구동 링크가 소정의 회전 각도 범위 외의 각도에서 회전시 상기 제한각도를 검출하는 구동 링크 검출 센서; 및 상기 모션 플랫폼에 구비된 복수개의 공압 실린더에 부착되어 상기 공압 실린더의 길이가 소정 길이 이상으로 감소하는지 여부를 감지하는 자력 검출센서;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 상기 프로그램 로직 제어기 운전 조작부는 상기 동작 모드를 수동 모드 또는 자동 모드로 선택하고, 리셋 및 상기 서보 모터의 비상 정지를 스위칭하는 스위치; 및 상기 서보 모터의 각축에 대한 실시간 각도, 상기 메인 제어부와 인터페이스하는 신호의 ON/OFF 상태를 디스플레이하고, 제어 명령이 입력되는 터치 스크린;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 상기 메인 제어부는 상기 프로그램 로직 제어기가 자동 모드 상태인 경우에는 준비 요구 메시지를 상기 프로그램 로직 제어기에 전송하고, 상기 프로그램 로직 제어기가 준비 완료 상태인 경우에는 준비 완료 메시지를 상기 프로그램 로직 제어기에 전송하며, 상기 프로그램 로직 제어기가 운전중 상태인 경우에는 운전중 메시지를 상기 프로그램 로직 제어기에 전송하고, 상기 프로그램 로직 제어기가 전복사고 상태인 경우에는 사고 발생 메시지를 상기 프로그램 로직 제어기에 전송하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 상기 메인 제어부는 상기 회전각도 데이터를 상기 프로그램 로직 제어기에 전송하여 상기 모션 플랫폼의 수평위치를 전후 좌우로 이동하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 상기 프로그램 로직 제어기는 상기 인가받은 회전각도 데이터의 1/4에 상응하는 각도를 이용하여 상기 감속기 축 회전 각도를 연산하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 상기 프로그램 로직 제어기는 상기 메인 제어부가 준비 요구 상태인 경우에는 준비완료 메시지를 상기 메인 제어부에 전송하고, 상기 메인 제어부가 준비 완료 상태인 경우에는 운전중 메시지를 상기 메인 제어부에 전송하며, 상기 메인 제어부가 운전중 상태인 경우에는 각도위치 추종 제어를 수행하고, 상기 메인 제어부가 전복사고 상태인 경우에는 사고 접수 메시지를 상기 메인 제어부에 전송하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 상기 서보 모터 드라이버는 자동 모드에서 기계 부하관성 모멘트 비를 추정하여 상기 서보 모터의 제어 계수를 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 상기 서보 모터 드라이버는 최적 이득을 설정하여 PID(proportional integral derivative) 제어 알고리즘을 이용하여 상기 서보 모터를 구동하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 상기 소정의 회전 각도는 0° 내지 10°인 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터는 상기 차체 내 운전석의 전방, 좌측, 우측 및 후방에 각각 배치되어 시각적 시뮬레이션 환경을 3D로 조성하는 영상 출력 장치; 및 상기 차체의 동적 상황 모션을 상기 운전석에 전달하여 모션 시뮬레이션 환경을 조성하는 상기 모션 플랫폼;을 구비하고, 상기 영상 출력장치 및 상기 모션 플랫폼은 일체형으로 조립되는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터는 상기 모션 플랫폼의 전면, 후면 및 양측면에 부착되어 상기 모션 플랫폼의 움직임 시작 및 종료 시점에서 일시적인 움직임 불안정을 완충시키는 상기 복수개의 공압 실린더; 상기 차체의 캡 내부에 설치되어 상기 서보 모터의 구동을 내부에서 긴급 정지시키는 내부 비상 정지 스위치; 및 상기 차체의 캡 외부에 설치되어 상기 운전석 내 CCTV 카메라를 통한 모니터링 중에 이상이 감지된 경우 상기 서보 모터의 구동을 외부에서 긴급 정지시키는 외부 비상 정지 스위치;를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 트랙터 시뮬레이터의 상기 영상 출력 장치는 상기 차체의 캡 자체에 설치되는 전방 모니터, 좌측 모니터, 우측 모니터 및 후방 모니터를 구비하고, 상기 좌측 모니터 및 상기 우측 모니터는 상기 전방 모니터를 중심으로 각도 조절이 가능하며, 상기 좌측 모니터와 상기 전방 모니터 사이 접촉면 및 상기 우측 모니터와 상기 전방 모니터 사이 접촉면 사이에 각각 힌지가 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의할 경우, 농업인에게 농업용 트랙터의 도로주행 안전교육이나 경사 작업 등의 안전교육시 고비용의 안전시설을 갖춘 교육 시스템의 필요 없이 운전자가 차량을 실제 운전하는 느낌을 갖도록 농업용 트랙터 차체의 하부에 장착된 모션 플랫폼의 움직임을 정밀하게 제어하고, 전복 사고 등 교육 과정 중에 위험한 상황을 예방할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치를 구비한 농업용 트랙터 시뮬레이터의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 차체(1000)의 정면도 및 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 차체(1000) 내부의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전방 모니터(1020), 좌측 모니터(1030), 우측 모니터(1040)에서 디스플레이되는 화면(a) 및 후방 모니터(1050)에서 디스플레이되는 화면(b)이다.
도 5는 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치 내 모션 플랫폼 제어기의 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 센서부(200)를 외부에서 본 사시도이다.
도 7은 도 5에 도시된 센서부(200) 내에 구비된 자력 검출센서(250)를 외부에서 본 사시도이다.
도 8은 도 1에 도시된 트랙터 차체 캡 내부에 구비된 비상 정지 내부 스위치(1080)에 대한 사시도이다.
도 9는 도 1에 도시된 트랙터 차체 캡 외부에 구비된 비상 정지 외부 스위치(1090)에 대한 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 제어 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.

이하, 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치를 구비한 농업용 트랙터 시뮬레이터의 사시도로서, 차체(1000) 및 모션 플랫폼(2000)을 구비한다.

도 2는 도 1에 도시된 차체(1000)의 정면도 및 측면도이다.

도 3은 도 1에 도시된 차체(1000) 내부의 사시도로서, 전방 모니터(1020), 좌측 모니터(1030), 우측 모니터(1040), 후방 모니터(1050), 조명등(1060) 및 CCTV 카메라(1070)를 구비한다.

도 4는 도 3에 도시된 전방 모니터(1020), 좌측 모니터(1030), 우측 모니터(1040)에서 디스플레이되는 화면(a) 및 후방 모니터(1050)에서 디스플레이되는 화면(b)이다.

도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치를 구비한 농업용 트랙터 시뮬레이터의 기능 및 동작을 설명하면 다음과 같다.

차체(1000) 내 영상 출력 장치는 4개의 full HD TV 모니터로 전방 모니터(1020), 좌측 모니터(1030), 우측 모니터(1040) 및 후방 모니터(1050)를 구성하여 운전석에 전방, 좌측, 우측 및 후방의 시야에 대하여 시각적 시뮬레이션 환경을 조성한다.

모션 플랫폼(2000)은 농업용 트랙터 차체(1000)의 하부에 장착되어 차량의 움직임에 상응하는 동적 상황 모션을 차체(1000)에 전달하여 운전자가 차량을 실제 운전하는 느낌을 갖도록 운전석에 모션 시뮬레이션 환경을 조성한다.

상기 모션 플랫폼(2000)과 상기 차체(1000)는 조립되어 일체형으로 형성된다.

또한, 농용트랙터 운전석이 결합된 모션 플랫폼(2000)을 제어할 때 움직임의 시작과 종료에서 일시적인 제어 불안정성이 발생하므로, 앞부분에 2개, 좌·우 각각 1개, 후면 부분에 1개의 공압 실린더(10, 20)가 부착되어 댐퍼의 기능, 즉 완충 역할을 수행한다.

또한, 4개의 모니터(1020, 1030, 1040, 1050)에 서라운드 가상 화면을 출력하기 위해 아이피니티(Eyefinity) 기능이 있는 그래픽 카드가 사용되어 4개 모니터로 운전자의 전방 시야, 좌측 시야, 우측 시야, 후방시야를 출력한다.

즉, 도 3에서 보는 바와 같이, 트랙터 차체(1000)의 캡과 영상출력 장치를 통합하여 full HD TV 모니터 4 개(1020, 1030, 1040,1050)가 캡 자체에 설치되어 도 4(a)와 같이 운전자의 전방 및 좌측, 우측 시야가 출력되고, 도 4(b)와 같이 후방시야가 출력된다.

이때, 도 4(a)에 도시된 운전자의 좌측 모니터(1030) 및 우측 모니터(1040)는 전방 모니터(1020)를 중심으로 각도 조절이 가능하여 운전자의 기호에 따라 좌측 및 우측 시야를 조절할 수 있다.

특히, 도 2(b) 및 도 4(a)와 같이 좌측 모니터(1030)와 전방 모니터(1020) 사이 접촉면 및 우측 모니터(1040)와 전방 모니터(1020) 사이 접촉면 사이에 각각 힌지(1015, 1016)가 구비되어 운전자가 탑승할 수 있도록 자유롭게 열고 닫을 수 있는 문의 구조로 되어 있어 운전자가 승하차시 영상출력 장치로 인해 공간상 방해받지 않으며, 닫을 때 운전자의 안전을 위해 견고하게 고정될 수 있도록 도어 락(door lock, 1010)이 설치된다.

또한, 좌측 문이 닫혀 있음을 감지할 수 있는 도어 센서가 설치되어 운전석 좌측 문이 열리면 이를 감지하여 지붕 하단에 설치된 LED 조명등(1060)을 자동으로 턴 온시켜 실내를 밝게 한다.

도 5는 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치 내 모션 플랫폼 제어기의 블록도로서, 메인 제어부(100), 센서부(200), 프로그램 로직 제어기(300), 서보 모터 드라이버(400), 프로그램 로직 제어기 운전 조작부(500), 감속기 및 서보 모터(600)를 구비한다.

도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치 내 모션 플랫폼 제어기의 동작을 설명하면 다음과 같다.

메인 제어부(100)는 가상 트랙터 시뮬레이션용 컴퓨터로서, 프로그램 로직 제어기(300)가 자동 모드 상태, 운전중 상태, 전복사고 상태인지 여부에 따라 각각 준비요구 메시지, 운전중 메시지, 사고 발생 메시지를 전송한다.

또한, 피치(pitch) 모터 및 롤(roll) 서버 모터 어드레스에 모션 플랫폼(2000)의 전후 및 좌우 회전각도에 대한 소정의 각도값을 전송하여 플랫폼의 전후 좌우를 수평위치로 이동하도록 제어한다.

센서부(200)는 서보 모터 드라이버(400)에 비정상 값이 입력되거나 잘못된 영점 조정으로 제한 각도가 넘게 제어되는 경우를 감지한다.

프로그램 로직 제어기(Programmable logic controller, 300)는 센서부(200)로부터 감지된 제한 각도를 인가받고 메인 제어부(100)로부터 UDP 통신을 통해 전후 및 좌우 플랫폼 회전각도에 대한 소정의 각도값을 입력받아 입력 받은 값의 1/4에 해당하는 상판 각도로 감속기(620) 축 회전 각도를 연산하여 광케이블을 통하여 서보 모터 드라이버(400)에 전송한다.

이때, 수신된 값의 오류로 연산된 값이 10° 이상인 경우에는 10°로 제한하여 전송한다.

또한, 메인 제어부(100)가 준비요구 상태인지 여부에 따라 플랫폼의 전후 좌우를 수평위치로 이동하도록 제어하고 메인 제어부(100)에 준비완료 메시지를 전송하고, 준비완료 상태인지 여부에 따라 운전중 메시지를 전송한다.

또한, 메인 제어부(100)가 운전중 상태인지 여부에 따라 각도위치 추종 제어를 수행하고, 메인 제어부(100)에 준비완료 메시지를 전송하고, 전복사고 상태인지 여부에 따라 사고 접수 메시지를 전송한다.

서보 모터 드라이버(400)는 전/후 및 좌/우 서보 모터(640)에 적절한 제어기 계수를 산출하도록 오토튜닝 모드에서 기계 부하관성 모멘트 비를 항상 추정하여 최적 이득(Gain)을 자동적으로 설정하여 PID(proportional integral derivative) 제어로 위치 추종제어를 수행한다.

여기에서, PID 제어라 함은 제어하기 위한 목표값과 현재값의 차이를 산출해 내서 그 편차값에 비례하게 제어량을 주는 비례 제어, 편차를계속 적분해서 제어량에 더해줌으로써 편차를 없애기 위한 적분 제어, 현재값과 바로 전 값의 기울기에 비례하게 제어값을 주어서 보다 신속하고 유연하게 목표값에 도달할 수 있도록 해주는 미분 제어를 조합시켜 수행하는 제어 알고리즘을 의미한다.

이때, 서보 모터 드라이버(400)가 서보 모터(640)에 요구하는 명령지령 최소시간 간격은 100ms 이상으로 설정한다.

만일, 서보 모터(640)가 위치 추종을 종료한 후에 다시 위치 추종을 하는 경우 에는 계단 움직임처럼 동작하여 움직임의 연속성을 유지할 수 없으므로, 서보 모터(640) 위치 지령 시간 간격은 100ms, 최소 위치 추종시간은 120ms로 설정한다.

프로그램 로직 제어기 운전 조작부(500)는 스위치 및 터치스크린을 구비하고, 스위치는 수동 모드 또는 자동 모드를 선택하고, 리셋 및 비상 정지를 할 수 있으며, 수동 모드에서는 각축에 대한 각도 지령, 조그(JOG) 모드 운전, 원전 복귀 등을 할 수 있다.

또한, 자동 모드에서는 터치스크린이 각축에 대한 지령 각도 및 현재 서보 각도 실시간 표시, 시스템 상태 표시, 메인 제어부(100)와의 인터페이스 신호의 ON/OFF 상태 표시, 알람 발생 시 하단에 알람 디스플레이 수동 조작, 데이터 설정 및 확인을 할 수 있다.

감속기(620)는 소정의 감속비(예를 들어 50:1)를 가지고 서보 모터(640)에 부착되어 프로그램 로직 제어기(300)의 제어에 응답하여 서보 모터(640)를 감속하는데, 3상 모터를 사용하므로 220V 3상 전원이 없는 경우에도 사용될 수 있도록 위상변환기(20 kV)를 이용하여 220V 단상이 3상으로 변환된다.

도 6은 도 5에 도시된 센서부(200) 내에 구비된 제한각도 검출 근접 센서(210, 230), 영점 위치 검출 근접 센서(220) 및 구동 링크 검출 센서(240)를 외부에서 본 사시도이다.

도 7은 도 5에 도시된 센서부(200) 내에 구비된 자력 검출센서(250)를 외부에서 본 사시도이다.

도 8은 도 1에 도시된 트랙터 차체 캡 내부에 구비된 비상 정지 내부 스위치(1080)에 대한 사시도이다.

도 9는 도 1에 도시된 트랙터 차체 캡 외부에 구비된 비상 정지 외부 스위치(1090)에 대한 사시도이다.

도 6에서 보는 바와 같이, 센서부(200) 내 2개의 제한각도 검출 근접 센서(210, 230)는 서보 모터 드라이버(400)에 비정상 값이 입력되어 제한 각도(예를 들어 10°)가 넘게 제어되는 경우를 감지하고, 1개의 영점 위치 검출 근접 센서(220)는 잘못된 영점 조정으로 제한 각도가 넘게 제어되는 경우를 감지한다.

구동 링크 검출 센서(240)는 피치(pitch) 모터 및 롤(roll) 서버 모터의 구동 링크가 회전하여 0° 및 10° 위치에 접근하였을 때 제한각도를 검출한다.

센서 설치대는 서보 모터(640) 각 축에 설치되어 구동 링크 검출 센서(240)에서 감지된 데이터를 인가받아 모터구동을 한다.

또한, 구동 링크 검출 센서가 검출을 못하는 경우를 대비하여 도 7과 같이 댐퍼용 공압 실린더(10)에 자력 검출센서(250)가 부착되어 길이 이상으로 공압 실린더(10) 길이가 줄어들면 공압 실린더(10) 끝에 장착된 자석이 자력 검출센서(250)에 가까워져 자력 검출센서(250)가 이를 감지한다.

프로그램 로직 제어기(300)는 자력 검출센서(250)로부터 감지된 데이터를 인가받아 서보 모터 드라이버(400)를 제어하여 서보 모터(640)를 정지시킨다.

그 밖에, 농용트랙터 시뮬레이터 운전자가 긴급하다고 판단하여 서보 모터(640)의 구동을 정지시켜야 할 경우와 CCTV 카메라(1070)를 통해 운전자 모니터링 중에 이상을 감지하여 서보 모터(640)의 구동을 정지시켜야 할 경우를 대비하여 도 8과 같이 트랙터 캡 내부에 비상 정지 내부 스위치(1080) 및 도 9와 같이 트랙터 캡 외부에 비상 정지 외부 스위치(1090)가 설치되어 긴급하게 서보 모터(640)를 정지시킬 수 있다. 이때, 비상 정지 스위치를 해제하여도 수동모드에서 리셋 스위치를 조작하지 않는 한 서보 모터(640)가 재가동되지 않는다.

도 10은 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 제어 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.

도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

메인 제어부(100)는 프로그램 로직 제어기(300)가 자동 모드 상태인지 판단하여(S110) 자동 모드 상태인 경우에는 메인 제어부(100)가 프로그램 로직 제어기 어드레스에 하이 레벨의 준비요구 메시지를 전송하고(S120), 수동 모드 상태인 경우에는 프로그램 로직 제어기 어드레스에 로우 레벨의 준비요구 메시지를 전송한다.

프로그램 로직 제어기 어드레스에 하이 레벨값이 전송된 경우에 프로그램 로직 제어기(300)는 메인 제어부(100)가 준비요구 상태인지 여부를 판단하여(S115) 준비요구 상태인 경우에는 메인 제어부 준비요구 어드레스에 하이 레벨값을 전송하여 메인 제어부(100)가 플랫폼의 전후 좌우를 수평위치로 이동하도록 제어한다(S125).

프로그램 로직 제어기(300)는 플랫폼이 전후 좌우 수평위치로 이동하도록 제어 신호를 출력하고, 플랫폼의 이동이 완료되면 메인 제어부 준비완료 어드레스에 하이 레벨의 준비완료 메시지를 전송한다(S135).

메인 제어부(100)는 가상화면의 현 위치에서 가장 가까운 전후 좌우 수평위치로 이동시키고, 프로그램 로직 제어기(300) 상태가 준비 완료 상태인지 판단하여(S130), 준비 완료 상태인 경우 메인 제어부 준비요구 어드레스에 로우 레벨값, 메인 제어부 준비완료 어드레스에 하이 레벨값을 전송한다(S140).

상기 단계가 정상적으로 수행되었으므로 메인 제어부(100)는 프로그램 로직 제어기(300)가 데이터를 전송하도록 프로그램 로직 제어기 준비완료 어드레스에 로우 레벨값을 전송하고, 프로그램 로직 제어기(300) 상태가 운전중 상태인지 여부를 판단하여(S150) 운전중 상태인 경우에는 프로그램 로직 제어기 운전중 어드레스에 하이 레벨의 운전중 메시지를 전송한다(S160).

메인 제어부(100)는 데이터 전송을 시작함을 알리면서 메인 제어부 준비완료 어드레스에 로우 레벨값을 전송하고, 메인 제어부(100) 상태가 준비완료 상태인지 여부를 판단하여(S145) 준비완료 상태인 경우에는 프로그램 로직 제어기 운전중 어드레스에 하이 레벨의 운전중 메시지를 전송한다(S155).

메인 제어부(100)는 피치(pitch) 모터 및 롤(roll) 서버 모터 어드레스에 모션 플랫폼(2000)의 전후 및 좌우 회전각도에 대한 소정의 각도값(예를 들어, -40°~ 40°)을 전송한다(S170).

프로그램 로직 제어기(300)는 메인 제어부(100)가 운전중 상태인지 판단하여(S165) 운전중 어드레스가 하이 레벨값이면 플랫폼의 전후 좌우 서보 모터(640) 위치제어를 수행하는 제어 신호를 출력하고(S175), 메인 제어부(100)는 프로그램 로직 제어기(300) 상태가 전복사고 상태인지 여부를 판단하여(S180) 전복사고 상태인 경우에는 메인 제어부(100)는 프로그램 로직 제어기 사고 발생 어드레스에 하이 레벨의 사고 발생 메시지를 전송한다(S190).

프로그램 로직 제어기(300)는 메인 제어부(100) 상태가 전복사고 상태인지 여부를 판단하여(S185) 전복사고 상태인 경우에는 메인 제어부 사고 접수 어드레스에 하이 레벨의 메인 제어부 사고 접수 메시지를 전송하고(S205), 전복사고 상태가 아닌 경우에는 메인 제어부(100)가 정상종료 상태인지 여부를 판단한다(S195).

메인 제어부(100)가 정상종료 상태인 경우에는 프로그램 로직 제어기(300)는 메인 제어부 정상종료 어드레스에 하이 레벨의 정상종료 메시지를 전송하고(S197), 프로그램 로직 제어기(300) 상태를 제외한 모든 어드레스를 로우 레벨값으로 전송하여 모든 메시지를 리셋하며(S215), 메인 제어부(100)가 정상종료 상태가 아닌 경우에는 단계(S155)로 궤환한다.

단계(S190)에서 메인 제어부 사고 발생 어드레스에 하이 레벨의 사고 발생 메시지가 전송된 경우, 프로그램 로직 제어기(300)는 경보음이 발생하도록 제어하고, 소정의 시간(예를 들어, 10초)동안 사고 각도를 유지하면서 수평위치로 이동한 후 프로그램 로직 제어기 사고 접수 어드레스에 하이 레벨의 메인 제어부 사고 접수 메시지를 전송한다(S205).

메인 제어부(100)는 프로그램 로직 제어기(300) 상태가 사고 접수 상태인지 여부를 판단하여(S200) 사고 접수 상태인 경우에는 모든 메시지를 리셋하고(S210), 사고 접수 상태가 아닌 경우에는 단계(S200)로 궤환한다.

이와 같이 본 발명에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치는 농업용 트랙터 차체의 하부에 장착된 모션 플랫폼의 회전각도 데이터 및 농업용 트랙터 차체의 구동을 제어하는 모터 드라이버의 제한 각도를 실시간으로 송수신하여 모션 플랫폼의 이동을 정밀하게 제어함으로써 실제감 있게 모션 시뮬레이션 환경을 조성하는 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치를 제공한다.

이를 통하여, 농업인에게 농업용 트랙터의 도로주행 안전교육이나 경사 작업 등의 안전교육시 고비용의 안전시설을 갖춘 교육 시스템의 필요 없이 운전자가 차량을 실제 운전하는 느낌을 갖도록 농업용 트랙터 차체의 하부에 장착된 모션 플랫폼의 움직임을 정밀하게 제어하고, 전복 사고 등 교육 과정 중에 위험한 상황을 예방할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 메인 제어부
200: 센서부
300: 프로그램 로직 제어기
400: 서보 모터 드라이버
500: 프로그램 로직 제어기 운전 조작부
600: 감속기 및 서보 모터

Claims (13)

1. 차체의 하부에 구비된 모션 플랫폼의 회전각도 데이터를 출력하는 메인 제어부;
   상기 모션 플랫폼을 구동하는 서보 모터의 제어 각도가 제한 각도를 초과하는지 여부를 감지하는 센서부;
   상기 제한 각도 및 상기 회전각도 데이터를 인가받아 감속기 축 회전 각도를 연산하는 프로그램 로직 제어기;
   상기 연산된 감속기 축 회전 각도를 인가받아 상기 서보 모터의 제어 계수를 산출하여 상기 서보 모터를 구동하는 서보 모터 드라이버;
   상기 프로그램 로직 제어기의 동작 모드를 선택하고, 상기 동작 모드에 따라 복수개의 스위칭 동작 및 디스플레이 동작을 수행하는 프로그램 로직 제어기 운전 조작부; 및
   상기 서보 모터에 연결되어 상기 서보 모터 드라이버의 제어에 응답하여 상기 서보 모터를 소정의 감속비로 감속하는 감속기;를 구비하며,
   상기 메인 제어부는 상기 회전각도 데이터를 상기 프로그램 로직 제어기에 전송하여 상기 모션 플랫폼의 수평위치를 전후 좌우로 이동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는
   농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서부는
   상기 서보 모터 드라이버의 일측면에 이격되게 위치하여 상기 제한 각도를 감지하는 제1 및 제2 제한각도 검출 근접 센서;
   상기 제1 및 제2 제한각도 검출 근접 센서의 사이에 위치하여 상기 서보 모터 드라이버의 위치가 영점 조정이 되었는지 여부를 감지하는 영점 위치 검출 근접 센서;
   상기 서보 모터의 구동 링크에 이격되게 위치하여 상기 구동 링크가 소정의 회전 각도 범위 외의 각도에서 회전시 상기 제한각도를 검출하는 구동 링크 검출 센서; 및
   상기 모션 플랫폼에 구비된 복수개의 공압 실린더에 부착되어 상기 공압 실린더의 길이가 소정 길이 이상으로 감소하는지 여부를 감지하는 자력 검출센서;
   를 구비하는 것을 특징으로 하는
   농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 프로그램 로직 제어기 운전 조작부는
   상기 동작 모드를 수동 모드 또는 자동 모드로 선택하고, 리셋 및 상기 서보 모터의 비상 정지를 스위칭하는 스위치; 및
   상기 서보 모터의 각축에 대한 실시간 각도, 상기 메인 제어부와 인터페이스하는 신호의 ON/OFF 상태를 디스플레이하고, 제어 명령이 입력되는 터치 스크린;
   을 구비하는 것을 특징으로 하는
   농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 메인 제어부는
   상기 프로그램 로직 제어기가 자동 모드 상태인 경우에는 준비 요구 메시지를 상기 프로그램 로직 제어기에 전송하고,
   상기 프로그램 로직 제어기가 준비 완료 상태인 경우에는 준비 완료 메시지를 상기 프로그램 로직 제어기에 전송하며,
   상기 프로그램 로직 제어기가 운전중 상태인 경우에는 운전중 메시지를 상기 프로그램 로직 제어기에 전송하고,
   상기 프로그램 로직 제어기가 전복사고 상태인 경우에는 사고 발생 메시지를 상기 프로그램 로직 제어기에 전송하는 것을 특징으로 하는
   농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치.
   
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 프로그램 로직 제어기는
   상기 인가받은 회전각도 데이터의 1/4에 상응하는 각도를 이용하여 상기 감속기 축 회전 각도를 연산하는 것을 특징으로 하는
   농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 프로그램 로직 제어기는
   상기 메인 제어부가 준비 요구 상태인 경우에는 준비완료 메시지를 상기 메인 제어부에 전송하고,
   상기 메인 제어부가 준비 완료 상태인 경우에는 운전중 메시지를 상기 메인 제어부에 전송하며,
   상기 메인 제어부가 운전중 상태인 경우에는 각도위치 추종 제어를 수행하고,
   상기 메인 제어부가 전복사고 상태인 경우에는 사고 접수 메시지를 상기 메인 제어부에 전송하는 것을 특징으로 하는 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 서보 모터 드라이버는
   자동 모드에서 기계 부하관성 모멘트 비를 추정하여 상기 서보 모터의 제어 계수를 산출하는 것을 특징으로 하는
   농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 서보 모터 드라이버는
   최적 이득을 설정하여 PID(proportional integral derivative) 제어 알고리즘을 이용하여 상기 서보 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는
   농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치.
   
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 소정의 회전 각도는
    0° 내지 10°인 것을 특징으로 하는
    농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치.
    
11. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 농업용 트랙터 시뮬레이터의 제어 장치를 구비한 농업용 트랙터 시뮬레이터로서,
    상기 차체 내 운전석의 전방, 좌측, 우측 및 후방에 각각 배치되어 시각적 시뮬레이션 환경을 3D로 조성하는 영상 출력 장치; 및
    상기 차체의 동적 상황 모션을 상기 운전석에 전달하여 모션 시뮬레이션 환경을 조성하는 상기 모션 플랫폼;을 구비하고,
    상기 영상 출력장치 및 상기 모션 플랫폼은 일체형으로 조립되는 것을 특징으로 하는
    농업용 트랙터 시뮬레이터.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 농업용 트랙터 시뮬레이터는
    상기 모션 플랫폼의 전면, 후면 및 양측면에 부착되어 상기 모션 플랫폼의 움직임 시작 및 종료 시점에서 일시적인 움직임 불안정을 완충시키는 상기 복수개의 공압 실린더;
    상기 차체의 캡 내부에 설치되어 상기 서보 모터의 구동을 내부에서 긴급 정지시키는 내부 비상 정지 스위치; 및
    상기 차체의 캡 외부에 설치되어 상기 운전석 내 CCTV 카메라를 통한 모니터링 중에 이상이 감지된 경우 상기 서보 모터의 구동을 외부에서 긴급 정지시키는 외부 비상 정지 스위치;
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    농업용 트랙터 시뮬레이터.
    
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 영상 출력 장치는
    상기 차체의 캡 자체에 설치되는 전방 모니터, 좌측 모니터, 우측 모니터 및 후방 모니터를 구비하고,
    상기 좌측 모니터 및 상기 우측 모니터는 상기 전방 모니터를 중심으로 각도 조절이 가능하며,
    상기 좌측 모니터와 상기 전방 모니터 사이 접촉면 및 상기 우측 모니터와 상기 전방 모니터 사이 접촉면 사이에 각각 힌지가 구비되는 것을 특징으로 하는
    농업용 트랙터 시뮬레이터.
    

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