Introduction
자율주행 농업기계는 운전자가 직접 차량에 탑승하지 않으므로 사람이 농업기계를 직접 운전하는 경우보다 차량 운행에 대한 동역학 해석이 중요하다. 일반적으로, 차량 및 건설기계 분야에서 차량 동역학에 대한 연구는 대부분 시뮬레이션을 통해 성능을 예측한 후에 필드 시험을 수행하고 있다. 이러한 시뮬레이션을 이용한 해석 방법은 인력, 시간, 비용을 절감할 수 있으며 필드 시험보다 신뢰성이 높은 장점이 있어 자동차 및 건설기계 분야에서는 지속적으로 동역학 시뮬레이션에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Yoo et al. (2012)은 효율을 높이기 위해 현가 장치를 제거하여 기구정역학적인 실험으로 추출된 특성 그래프로 대체하여 효율성을 높인 차량 시뮬레이션 모델을 개발하였다. Han et al. (2013)은 실 트랙터에 자율주행 성능을 분석하기 위해 동적 모델를 이용한 가상시험화경을 구축하고, 트랙터 경운 경로 추종 위해 개발한 최적 경로탐색 알고리즘의 개발을 위해 시뮬레이션을 개발하였다. Han (2017)은 농업용 트랙터에 무인자율주행을 위한 각종 제어 및 조작 장치를 탑재하고 다양한 형태의 포장형상에서 무인 자율로 농작업이 가능하도록 작업경로 자동 생성과 추종 제어 시스템을 개발하고자 하였다. 많은 연구들은 시뮬레이션을 개발하여 포장 시험을 통해 평가하였으나, 본 연구는 실제 주행 부하를 계측하고, 그 데이터를 입력하여 개발한 자율주행 트랙터 시뮬레이션 모델을 평가하였다.
Materials and Methods
시뮬레이션 모델
본 연구는 시뮬레이션 해석을 진행하기 위해서 Recurdyn (V9R2, Functionbay, Korea)을 사용하여 실시하였다. 해석에 사용된 트랙터의 세부 제원은 총 길이 4,225 mm, 폭 2,140 mm, 높이 2,830 mm이며, 총 중량 3,985 kg이며, 축간거리는 2,320 mm, 차륜거리는 각각 전방 1,735 mm, 후방 1,660 mm 로 설정하였다. 차량의 무게중심은 차량의 좌측으로부터 1,070 mm, 뒷 차축으로부터 984 mm, 지면으로부터 973 mm로 설정하였다. 타이어의 제원은 전방은 넓이 315 mm, 직경 1,156 mm, 후방은 넓이 445 mm, 직경 1,575로 설정하였다. 모델 구성 이후 전방에 로더를 기대중량 908 kg, 후방에 이랑쟁기를 주량 1,015 kg으로 부착하여 구성하였으며, 총 중량 5,908 kg으로 구성하였다. 농업용 트랙터의 모델의 경우 차체(Car body)와 전차축(Front axle), 너클암(Nuckle arm) 및 타이어(Tire)로 구성되어 있다. 차량의 운동은 관성 좌표계(Intertial referenc frame)에 대해 차체와 각 바퀴에 고정된 좌표계의 위치와 회전에 의하여 기술할 수 있다. 전체 모델을 지오메트리로 구성하여 모델을 구성하게 되면 해석에 대한 시간이 오래 걸리기 때문에 간소화를 통해 모델을 단순화 시켜 진행하였다. 차량은 전차축, 차량바디, 너클암, 후방 3점히치 및 4개의 타이어로 구성하였다. 트랙터 차체의 경우 엔진, 변속기, 캐빈 등으로 구성되어 있으나 간소화를 통해 단일 지오메트리로 구성하였으며, 차량의 후방에는 실제로 사용되는 3점히치의 형상을 Fig. 1과 같이 구현하였다.
부하 계측 시험
부하 계측은 78 kW 트랙터(S07, TYM, Korea)에 각각의 차축에 토크미터와 근접센서로 구성하여 차축의 토크와 회전속도를 측정였으며, 데이터 수집장치는 독일 IMC 社의 CRONOS compact CRC-400-11 모델을 사용하였다. 차축 토크미터는 텔레메트리(Telemetry) 방식의 모델을 사용하였으며, 차축 회전속도는 근접센서를 통해 단위시간당 기어의 톱니 수를 측정하여 회전체의 회전수를 계산하여 회전속도로 나타내었다. 시험은 100 × 40 m 사이지의 노지에서 6.7 km/h의 속도로 주행하여 부하 계측을 수행하였다.
Results and Discussion
부하 측정
시뮬레이션 검증은 노지 단순 주행 시의 부하 데이터를 측정하여 비교 분석하였으며, 트랙터 작업의 특성상 부하데이터는 각 차축에 토크미터를 장착하여 계측하였다. 노지 단순 주행의 경우 전륜에서 견인하려는 힘이 더 크게 발생하여 트랙터 후륜보다 전륜이 더 큰 부하가 발생하였다. 단순 주행 작업 부하는 전륜 좌측에서는 최대, 평균 각각 2,417.14, 1,367.09 Nm, 전륜 우측에서는 최대, 평균 각각 2,221.82, 1,363.57 Nm, 후륜 좌측에서는 최대, 평균 각각 1,983.76, 781.45 Nm, 후륜 우측에서는 최대, 평균 각각 1,953.24, 701.78 Nm로 나타났다. 차량의 속도는 평균 6.5 km/h 로 나타났으며, 차축 회전속도는 전륜은 약 32 rpm, 후륜은 약 21 rpm으로 나타나며, 이는 타이어 직경 크기를 고려한 회전비로 판단된다. 모델 개발을 위한 시뮬레이션 입력 데이터는 차축 회전속도로 부여하였으며, 차축 회전속도에 따른 차량속도 및 차축 토크를 검증데이터로 선정하였다.
주행 시뮬레이션
노지 포장 조건에서 주행에 따른 시뮬레이션을 진행한 결과, Fig. 2의 그래프와 같이 전륜 좌측의 시뮬레이션 평균값은 1402.82 Nm이며, 계측시험을 통해 얻은 평균값 1367.09 Nm과 약 2.55%의 오차율을 보여 주었다. 전륜 우측의 시뮬레이션 평균값은 1268.58 Nm이며, 계측시험을 통해 얻은 평균값 1363.57 Nm과 약 7.49%의 오차율을 보여 주었다. 후륜의 경우에는 Fig. 3과 같이 좌측륜의 시뮬레이션 평균값은 884,2 Nm이며, 계측시험을 통해 얻은 평균값 781.45 Nm과 약 11.62%의 오차율을 보였다. 우측륜의 시뮬레이션 평균값은 743.24 Nm이며, 계측시험을 통해 얻은 평균 값 701.78 Nm과 약 5.58%의 오차율을 보였다. 시뮬레이션에서의 데이터 중 순간적으로 토크가 높게 발생하는 구간은 자율주행 시의 경로를 추종하기 위해 조향 시스템의 PID 제어를 하는 순간 타이어에 주행 부하와 조향 부하가 같이 발생한 것으로 판단된다. 노지 포장에서의 주행 시 트랙터 속도는 평균값 6.73 m/s로 계측시험을 통해 얻은 트랙터 속도의 평균값 6.52 m/s와 약 3.22 %의 오차율을 보였다.
