트랙터의 반능동 캐빈 서스펜션 시스템 제어 알고리즘 개발

Abstract

최근 차량 편의성에 대한 요구가 증가하면서 사용자의 쾌적한 운전 환경 조성이 자동차 업계는 물론이고 농기계, 중장비 등 산업 전반적으로 중요한 문제로 부각되고 있다. 농업 기계에 있어서 가장 대표적인 쾌적성 문제는 노면으로부터 야기되는 저주파 진동에 의해 발생하는 승차 진동이다. 특히 트랙터 운전이 전문화되고 1일 작업 시간이 증가함에 따라 승차 진동은 더욱 심각한 문제로 대두되고 있으며, 이에 운전자의 건강을 보호하고 보다 편안한 작업 환경을 제공하기 위해 승차 진동에 대한 감소 대책이 요구되고 있다. 이를 위해 최근 캐빈 서스펜션 시스템에 대한 고려가 시작되었다. 캐빈 서스펜션은 차체의 하중을 지지함과 동시에 주행 중에 지면에서 발생하여 차체로 전달되는 진동이나 충격을 흡수하여 진동이 차체에 전달되는 것을 방지함으로써 차량의 여러 장치들과 운전자, 그리고 화물들을 보호하고 바퀴의 불필요한 진동을 억제하여 승차감과 차량의 안전성을 향상시키는 중요한 장치이다. 하지만 자동차 분야에 비해 트랙터 분야에서는 서스펜션에 대한 연구가 부족한 형편이며, 자동차와의 구조적 상이함으로 인해 트랙터에 적합한 서스펜션 시스템을 개발해야 한다. 따라서 본 연구에서는 트랙터의 캐빈 서스펜션 시스템을 크게 수동과 반능동 시스템으로 구분하여 개발하였다. 서스펜션 시스템 개발을 위해 승차 진동을 예측할 수 있는 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 모델의 정확성을 높이기 위해 모델을 구성하는 파라미터의 특성값을 도출하는 방법을 제시하였다. 수동 서스펜션 시스템 개발을 통해 주행 환경에 따라 승차 진동을 최소화할 수 있는 최적의 서스펜션 입력을 제시하였다. 또한 반능동 서스펜션 시스템을 위해 LQG 제어 알고리즘을 개발하였으며 이에 대한 평가를 수행하였다. 서스펜션 시스템이 트랙터의 승차 진동에 미치는 영향을 확인하기 위해 다양한 트랙터를 대상으로 평탄한 노면과 범프 노면에서 진동을 측정하였다. 고무 마운트 트랙터에 비해 반능동 캐빈 서스펜션 시스템 트랙터는 최대 피크값 기준 최대 50.1%의 개선 효과가 나타났으며 총 승차 진동은 최대 53.8%의 진동 개선 효과가 나타났다. 또한 범프 노면을 통과하였을 때 고무 마운트 트랙터에 비해 반능동 캐빈 서스펜션 시스템 트랙터는 최대 67.1%의 VDV 개선 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션 모델을 구성하는 타이어, 고무 마운트, 서스펜션의 특성을 정확하게 계측하고 이를 반영함으로서 모델의 정확성을 높였다. 본 연구에서 계측한 모델 구성요소의 파라미터는 스프링 상수 및 감쇠계수이다. 타이어는 클릿을 이용한 주행 시험을 통해 타이어의 동특성을 확인하는 시험을 제안하였으며, 시험 결과를 대수감소율법을 이용하여 분석하였다. 고무 마운트는 KS M 6604 규격에서 제안하는 바닥 가진 방법을 이용하여 시험을 수행하였으며 고무 마운트 전/후단의 가속도를 분석하여 특성을 확인하였다. 서스펜션의 전류 변화에 따른 특성 시험을 수행하였다. 힘-변위 커브와 힘-속도 커브를 확보하였으며 이를 바탕으로 서스펜션의 동특성을 확인하였다. 구성 요소들의 정확한 특성이 반영된 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 시험과 시뮬레이션 결과를 비교함으로서 모델의 적합성을 확인하였다. 모드 해석을 통해 0.93 Hz의 서스펜션에 의한 모드, 3.13 Hz의 각 타이어에 의한 모드, 15.28 Hz의 고무 마운트에 의한 모드를 확인하였으며 FRF 분석을 통해 각 모드를 확인하였다. 또한 시험과 시뮬레이션 결과를 FFT 분석하였을 때 기본 주파수에서 6% 이하의 낮은 오차를 확인할 수 있었다. 수동 서스펜션 시스템의 최적화를 위해 다양한 조건에서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 대부분의 트랙터 운전 조건에서 서스펜션에 높은 전류가 인가되어 서스펜션의 감쇠 계수가 작아질수록 캐빈에서의 가속도 크기가 작게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 시험을 통한 서스펜션의 최적화를 수행한 결과 역시 전류의 크기가 클수록 캐빈에서의 진동이 작게 나타나는 경향을 확인할 수 있었다. 하지만 평탄 노면을 주행한 결과 전류의 크기와 캐빈에서의 진동은 상관 관계가 없는 것으로 나타났는데 이는 평탄 노면에서는 수직 방향 진동이 매우 작기 때문에 서스펜션에서 발생하는 감쇠력이 거의 없기 때문인 것으로 판단된다. 반능동 서스펜션 시스템의 구현을 위해 LQG 최적 제어 알고리즘을 설계하고 정확도 지수와 성능 지수를 활용하여 LQG 제어 알고리즘의 성능을 검증하였다. LQG 최적 제어 알고리즘의 설계에 활용되는 플랜트 모델은 트랙터 모델과 서스펜션 모델이 있으며 실제 트랙터의 물리적 특성을 기반으로 개발되었다. 트랙터 모델은 Half-트랙터로 개발되었다. 계측이 이루어지는 상태 변수 2개를 제외한 나머지 상태 변수들은 칼만 필터 기반의 상태 관측기를 통하여 예측하였다. 제어 알고리즘의 비용 함수에 캐빈의 속도와 가속도가 포함되도록 구성하였으며, 이러한 비용 함수가 최소가 되도록 하는 제어 시스템을 구성하였다. 예측하는 상태 변수의 정확도는 80% 이상이 나타나는 것을 확인하였으며, 시스템 상태를 시간 지연 없이 추종하였기 때문에 개발된 시스템은 LQR 제어를 위한 상태 관측기로 활용하기에 적합하다고 판단하였다. 설계한 LQG 제어 알고리즘의 제어 성능을 성능 지수를 활용하여 분석하였으며 ISO 8608의 A, B, C 등급의 노면에서 주행하였을 때 고무 마운트 트랙터에 비해 반능동 서스펜션 트랙터는 피크 기준으로 최대 48.97%, RMS 기준으로 최대 47.06%의 승차 진동 감소 효과가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 실제 트랙터에 LQG 제어 알고리즘을 적용하여 수동 서스펜션과 반능동 서스펜션의 승차 진동을 비교하였을 때 최대 35.81%의 진동 개선 효과를 확인하였다. 이러한 시험 결과를 고려하였을 때 개발된 제어 알고리즘은 승차 진동을 개선하는 데 효과를 주는 것으로 판단한다.

With increasing demand of vehicle convenience recently, creating a comfortable driving environment for users is emerging as an important issue not only in the automotive industry, as well as agricultural and heavy industry. The most representative comfort problem in agricultural machinery is ride vibration caused by the road surface. In particular, as tractor driving becomes more specialized and the daily operating hours increase, ride vibration is emerging as a more serious problem, and measures to reduce ride vibration are required to protect operator health and provide a more comfortable working environment . For this purpose, research to apply cabin suspension system to a tractor has recently been started. Cabin suspension supports the load of the vehicle body and at the same time absorbs vibrations or shocks generated from the ground and transmitted to the vehicle body during driving to prevent the vibration from being transmitted to the vehicle body, thereby protecting various devices, drivers, and cargo and protecting the wheels. It is an important device to improve ride comfort and vehicle safety by suppressing unnecessary vibrations. However, research on suspension is lacking in the tractor field compared to the automobile field, and it is necessary to develop suspension system suitable for the tractor due to structural differences from automobiles. Therefore, in this study, the cabin suspension system of the tractor was developed by dividing it into passive and semi-active systems. For the development of the suspension system, a simulation model that can predict ride vibration was developed, and a method of deriving the characteristic values ​​of the parameters constituting the model was presented to increase the accuracy of the model. Through the development of passive suspension system, an optimal suspension input that can minimize ride vibrations according to the operating condition was presented. In addition, LQG control algorithm was developed for the semi-active suspension system and evaluated. In order to confirm the effect of the suspension system on the ride vibration of the tractor, vibrations were measured on flat and bumpy road for various tractors. Compared to the rubber mounted tractor, the semi-active cabin suspension system tractor showed a vibration improvement effect of up to 50.1% based on the maximum peak value, and the frequency-weighted acceleration showed a vibration improvement effect of up to 53.8%. In addition, it was confirmed that the VDV improvement effect of the semi-active cabin suspension system tractor was up to 67.1% compared to the rubber-mounted tractor when it passed the bumpy road. The accuracy of the simulation model was improved by accurately measuring the characteristics of the tire, rubber mount, and suspension constituting the simulation model and applying it. The parameters of the model components measured in this study are stiffness and damping coefficient. A tire test was proposed to confirm the dynamic characteristics of the tire through a driving test using cleats, and the test results were analyzed using logarithmic decrement method and least square exponential curve fitting. A rubber mount was tested using the base excitation method suggested in KS M 6604 standard, and the characteristics were confirmed by analyzing the acceleration. A suspension was tested according to the change in current of the suspension. A force-displacement curve and a force-velocity curve were obtained, and the dynamic characteristics of the suspension were confirmed. A simulation model applying the exact characteristics of the components was developed, and the suitability of the model was confirmed by comparing the test and simulation results. The mode by suspension at 0.93 Hz, the mode by each tire at 3.13 Hz, and the mode by the rubber mount at 15.28 Hz were confirmed through mode analysis, and each mode was confirmed through FRF analysis. In addition, when FFT analysis of the test and simulation results, it was confirmed that a low error of 6% or less occurred at the fundamental frequency. Simulations were performed under various conditions to optimize the passive suspension system. As a result of the simulation, it was confirmed that the magnitude of the acceleration in the cabin appeared smaller as the damping coefficient of the suspension became smaller as a high current was applied to the suspension under most tractor operating conditions. Also, as a result of optimizing the passive suspension through the test, it was confirmed that the larger the current, the smaller the vibration in the cabin. However, as a result of driving on a flat road, it was found that there was no correlation between the magnitude of the current and the vibration in the cabin. For the develpoment of the semi-active suspension system, the LQG optimal control algorithm was designed and the performance of the LQG control algorithm was verified using the accuracy index and performance index. The plant model used in the design of the LQG optimal control algorithm was developed as a half-tractor model based on the physical characteristics of the actual tractor. Except for the two measured state variables, the state variables were estimated through Kalman filter-based state observer. The cost function of the control algorithm was configured to include the velocity and acceleration of the cabin, and the control system was configured to minimize cost functions. It was confirmed that the accuracy of the estimated state variable was over 79%, and the developed system was judged to be suitable for use as state observer for LQR control because the system state was followed without time delay. The control performance of the designed LQG control algorithm was analyzed using the performance index. Compared to the rubber mounted tractor, the peak reduction effect of the semi-active suspension tractor was up to 48.97%, and the reduction effect of the RMS acceleration value was up to 47.06% when driving on the road surface of ISO 8608 classes A, B, and C. By applying the LQG control algorithm to an actual tractor, the vibration reduction effect of up to 35.81% was confirmed when comparing the ride vibration of the passive suspension and the semi-active suspension. Considering these test results, it is judged that the developed control algorithm has a great influence on reducing ride vibration.