Dynamic Characteristic Analysis of an Autonomous Tractor According to Plow Tillage

Research
Taek-Jin Kim1Hyeon-Ho Jeon1Yong-Joo Kim1*

Abstract

In this study, the multi-body dynamics of the tractor according to the plow tillage was analyzed using a simulation model. The Recurdyn, a multibody dynamics software was used to develop the simulation model. The tractor model was simplified using the body, front axle, knuckle arm, and tire. Load measurement system which consist of four wheel torque meters and proximity sensors were installed on the tractor in order to measure the load data. The field test was conducted with plow tillage mounted at 100 × 40 m farmland in Dangjin, Chungnam, Korea. Tractor work was performed through auto guidance equipment. In Recurdyn, the tractor model was simulated by simplifying the model because the entire model took a long time for analysis. As a comparison of the field and simulation results, the error rate was 4.38, 6.48, 9.1, and 0.6% at the front wheel left, front wheel right, rear wheel left and rear wheel right, respectively. The average, maximum, and minimum lateral error of the plow tillage was -12.88, 7.63, and -42.15 mm, respectively. In the future, it can be used as a test model after developing the controller and steering device of autonomous tractor.

Keyword



Introduction

농업 기계는 비정형 노면환경에서 쟁기, 로터리, 베일러, 작물 수확기 등 다양한 농작업이 이루어진다. 농작업은 비정형화된 환경에서 작업을 수행하므로 이에 따른 정해진 노면 조건을 주행하는 상용차와 달리 다양한 동특성을 가지게 된다. 농업 기계의 동특성 분석에 관한 연구는 주로 시험을 통하여 진행되었다. Park et al. (2015)은 농용 트랙터가 논 또는 밭과 같은 험지에서 작업용으로 사용하는 것을 고려하여 4-Post Road 시뮬레이터 모델을 개발하였으며, 동적 하중이 고려된 구조해석을 진행하였다. Yu et al. (2013)은 동역학 모델 개발을 통해 작업환경에 따른 수직방향 변위와 가속도를 해석함으로써 차량 작업 안정성 해석을 진행하였다. 그러나 농작업 포장 조건은 토양 성분과 함수율 등에 따라 다르며, 특히, 포장 조건이 동일하다고 해도 작업의 종류에 따라 다른 동특성이 나타나 정확한 동특성을 분석하는 것이 어려운 실정이다. 그러므로 시험을 통한 동특성의 분석은 시험의 신뢰성 및 재현성을 확보하기가 어려워 자동차 분야에서는 주로 시뮬레이션을 통한 동특성 분석에 관한 연구가 활발히 진행중이다. Park (2005)은 차량의 제원 입력 시 성능을 예측할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 개발하고자 하였으며, 하이브리드 차량의 모델링을 통하여 ECE 주행사이클에 대한 차량의 동작을 시뮬레이션 하였다. Park et al. (2011)은 전기 자동차의 동특성을 시뮬레이션 할 수 있는 기준 모델을 Matlab/Simulink 기반으로 개발하여 수학적 분석 모델을 검증 및 차량의 주요 주행 성능을 비교 분석하였다. 그러나, 아직까지 농기계의 농작업에 따른 동특성 분석에 관한 연구는 부족한 실정이며, 특히 시뮬레이션을 통한 연구는 전무한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 실제 작업 부하를 계측하고, 그 데이터를 시뮬레이션 모델에 입력하여 쟁기 작업에 따른 자율주행트랙터의 동특성을 분석하였다.

Materials and Methods

트랙터 모델

본 연구는 시뮬레이션 해석을 진행하기 위해서 Recurdyn (V9R2, Functionbay, Korea)을 사용하여 실시하였다. Recurdyn에서 트랙터 모델은 전체 모델을 지오메트리로 구성하여 모델을 구성하게 되면 해석에 대한 시간이 오래 걸리기 때문에 Fig. 1과 같이 차체(Car body)와 전차축(Front axle), 너클암(Nuckle arm) 및 타이어(Tire)로 간소화를 통해 모델을 단순화시켜 진행하였다. 트랙터 모델의 타이어 계수는 농작업에 따른 측방향 슬립을 고려하기 위하여 Radial stiffness, Radial damping ratio, Longitudinal stiffness, Lateral stiffness, Camber stiffness, Rolling resistance, Friction factor를 분석항목으로 선정하였다. 트랙터의 타이어는 차량과 달리 러그 형태로 구성되어 있으며, 각각의 요소에 대한 상태값은 Table 1과 같이 Radial stiffness 600 N/mm, Radial damping ratio 0.06, Longitudinal stiffness 40,000 N/ratio, Lateral stiffness 40,000 N/deg, Camber stiffness 3,000 N/deg로 선정하였다. 또한 토양조건을 반영하여 건조한 양토 조건으로 Rolling resistance와 Friction factor는 0.3 mm, 0.6 ~ 0.7로 선정하였다(Wong, 1993). 이때, Longitudinal stiffness는 타이어의 종방향 하중에 대하여 변화하는 정도로 차량의 견인력 및 추진력을 통해 식(1)과 같이 계산을 통해 선정하였다.

http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_19-016/eq_pastj_01_01_09_1.jpg(1)

Where, Klon : longitudinal stiffness (N/ratio)

Flon : Longitudinal force (N)

rlog : Longitudinal slip ration

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Fig. 1. Simulation model for autonomous tractor.

Table 1. Coefficient of tire model

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필드 시험

필드 시험은 Fig. 2과 같이 쟁기 작업에 따른 부하 계측을 위하여 휠 토크미터와 근접센서를 트랙터의 차축에 각각 장착하였다. 포장 시험은 충남 당진에 위치한 100×40 m 크기의 노지에서 쟁기 작업을 수행하였다. 시험에 사용한 쟁기는 8련 이랑 쟁기를 선정하였으며, 트랙터 작업의 경우 TOPCON사의 오토가이던스 장비를 통해 진행하였다. 또한, Longitudinal stiffness 계산을 위한 견인력은 육분력계 장비를 사용하여 계측하였으며, 실제 계측 시 로드셀 위치에 지오메트리를 구성한 뒤 수평방향으로 계측된 부하를 입력하였다. 시험은 트랙터 속도를 5.2 km/h로 작업 주행하였으며, 직진 구간의 자율주행 작업시의 부하 데이터를 측정하였다.

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Fig. 2. Composition of load measuring system..

Results and Discussion

부하 계측

쟁기 작업의 부하는 Fig. 3과 같이 전륜 좌측에서 최대, 평균 각각 5,212.72, 3,605.67 Nm, 전륜 우측에서 최대, 평균 각각 5,188.3, 3,737.65 Nm, 후륜 좌측에서는 최대, 평균 각각 9,143.62, 6,556.76 Nm, 후륜 우측에서는 최대, 평균 각각 9,961.15, 7,058.6 Nm로 나타났다. 차축 회전속도는 전륜은 약 32 rpm, 후륜은 약 21 rpm 으로 나타나며, 이는 타이어 직경 크기를 고려한 회전비로 판단된다. 분석결과 쟁기 작업의 전륜 토크는 작업 시 150%, 후륜 토크는 400%의 부하가 발생하였으며 작업시 후방에 위치한 쟁기의 토양관입으로 후륜의 접지력 및 마찰계수의 증가로 인하여 후차축에 더 큰 부하가 발생하는 것으로 판단된다.

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Fig. 3. Each measured axle torque of tractor during plow tillage.

시뮬레이션

쟁기 작업 시뮬레이션을 진행한 결과, Fig. 4와 같이 전륜 좌측 부하의 평균값은 3454.37 Nm이며, 계측 시험을 통해 얻은 전륜 좌측 부하의 평균값 3605.63 Nm과 약 4.38%의 오차율을 보였다. 전륜 우측 부하의 평균값은 3495.39 Nm 이며, 계측 시험을 통해 얻은 전륜 우측 부하의 평균값 3737.79 Nm과 약 6.48%의 오차율을 보였다. 또한, Fig. 5과 같이 후륜 좌측 부하의 평균값은 7214.04 Nm이며, 계측 시험을 통해 얻은 후륜 좌측 부하의 평균값 6557 Nm과 약 9.1%의 오차율을 보였다. 후륜 우측 부하의 평균값은 7016.45 Nm이며, 계측 시험을 통해 얻은 후륜 우측 부하의 평균값 7059.1 Nm과 약 0.6%의 오차율을 보였다. 쟁기 작업의 횡방향 오차는 Table 2와 같이 평균 –12.88 mm, 최대 7.63 mm, 최소 –42.15 mm로 나타났으며, 최대 최소의 차이는 49.78 mm으로 나타났다.

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Fig. 4. Comparison of front wheel torque between simulated and measured value during polw tillage.

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Fig. 5. Comparison of rear wheel torque between simulated and measured value during polw tillage.

Table 1. Simulation results of lateral error and driving direction speed

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Conclusion

본 연구에서는 트랙터의 주행 안정성 및 동특성 분석을 위한 기초 연구로써, 트랙터 주행 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 또한, 쟁기 작업 시 트랙터의 차축에 걸리는 부하를 시뮬레이션과 트랙터의 동특성을 비교 분석하였다. 시뮬레이션 결과와 계측된 데이터는 전륜 좌/우, 후륜 좌/우에서 4.38, 6.4%, 9.1, 0.6%의 오차율을 보여 주었으며, 평균 –12.88 mm, 최대 7.63 mm, 최소 –42.15 mm의 횡방향 오차가 나타났다. 차후 자율주행 트랙터의 제어기 및 조향 장치 개발 후 시험모델로서 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

References

1  Park CH. 2005. A Study on the Dynamic Characteristics and Simulation for Hybrid Vehicles. M. S. Thesis. Chung-Ang Univ., Seoul, Korea.  

2  Park GM, Lee SH, Jin SH, Kwak SS. 2011. Modeling and Dynamic Analysis for Electric Vehicle Powertrain Systems. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SC 48(6): pp. 71 - 81. 

3  Park JS, Lee KW, Cho CY, Yoon JW, Shin JY. 2015. Flexible Body Dynamics Analysis of Agricultural Tractor Using 4-Post Road Simulator. Transactions of the KSME C: Industrial Technology and Innovation 3(2): 83-88. 

4  Yu JK, Shin DH, Oh KS, Yoon JW, Cho CY, Yi KS. 2013. Development of Tractor Dynamics simulation model. In: Proceeding of 2013 Spring Conference of the Korean Society of Mechanical Engineers, Dynamics and Control. pp. 45-46.  

5  Wong JY. 1993. In Theory of Ground Vehicles(2nd) edited by Wong JY. pp. 3-90. Wiley, John and Sons, Incorporated, New York, USA.