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앞차축 센서 신호를 이용한 트랙터 수평제어시스템 성능향상에 관한 연구

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Authors
노영민
Advisor
김경욱
Major
농업생명과학대학 바이오시스템·소재학부
Issue Date
2015-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
수평제어작업기피드포워드트랙터
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 바이오시스템·소재학부(바이오시스템공학전공), 2015. 8. 김경욱.
Abstract
수평제어시스템은 농업용 트랙터를 이용하여 경운 및 정지 등의 부착 작업기로 작업을 수행할 경우, 작업기를 지면에 대하여 수평으로 유지해 주는 자동유압장치이다. 일반적으로 3점히치에 바로 장착된 작업기는 노면의 경사 또는 차륜침하에 의해 발생하는 차체의 롤링 현상으로 인하여 차체와 함께 기울어지게 된다. 이 때 작업기를 지면과 수평으로 유지하기 위하여 3점히치 중 오른쪽 히치에 리프트로드 대신에 설치된 유압실린더를 통하여 작업기의 한쪽 부분을 들었다가 놓았다하는 식으로 제어를 수행한다.
제어가 제대로 수행되지 못할 경우, 주로 바닥을 평평하게 만드는 정지 작업에서 원하지 않는 구간의 바닥을 깊게 파내는 경우가 생기거나 작업기가 불필요하게 요동하여 전체 차량의 승차감을 저해하는 원인이 된다. 작업기 수평제어를 자동으로 하지 않는다면 작업자가 차량을 운전하면서 동시에 고개를 뒤로 돌려 작업기를 바라보고 조절을 해야 하므로 작업자의 숙련도가 요구되고 피로도 또한 상당하다. 그러나 수평제어시스템에 대한 사용자들의 불만이 많고 이에 대한 개선이 필요한 실정이다. 수평제어시스템에 대한 농민들의 불만과 농기계대리점 기술자들의 의견을 종합해 본 결과 단품의 신뢰성과 과도한 헌팅이나 지연응답특성의 문제가 있음을 알게 되었다.
현재 사용중인 on-off밸브 대신 비례제어밸브를 적용할 경우 헌팅 현상은 해결할 수 있지만 유압실린더의 피스톤속도 자체가 느린 문제는 부분적으로 밖에 해결할 수 없다. 이 논문에서는 엑추에이터의 느린 속도 한계를 극복하기 위하여 앞차축에 기울기센서를 추가로 부착하여 지면의 정보를 미리 읽어 들여 제어 시점을 빠르게 하는 방법을 제시하고자 하였다. 이를 위하여 먼저, 시스템을 스펙기반 모델링 방법을 이용하여 물리적으로 모델링하였고, 제어에 유리한 프로그램과 연동하고 앞차축 제어 입력을 추가하여 최적화된 변수를 결정하였다.
시뮬레이션 결과, 최적화 변수는 앞차축과 뒤차축의 가중치 그리고 시간지연을 위한 거리가 각각 0.7, 0.3, 1.6m 인 것으로 나타났다. 최적화 제어변수를 기반으로 컨트롤러를 새롭게 설계하여 수행한 결과, 기존 시스템 대비 33.2% RMSE값이 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 시간지연을 위한 거리만 바꾸어 추가로 실험을 진행하여 제어변수가 각각 0.7, 0.3, 1.5m 일 때 기존 시스템 대비 RMSE값이 46.52% 줄어든 것을 확인 할 수 있었다.
Land leveling is essential for efficient water management in paddy fields. On-off type hydraulic control systems have been widely used in tractors to maintain their implements in level position when they incline to the left or right depending on the field surface condition. The controller receives the input signal from the tilt sensor attached to the rear axle and sends out a command signal to the hydraulic cylinder to turn the implement in opposite direction. However there are many complaints concerned with the horizontal control system due to the slow actuation stemming from the flow rate limitation of low-cost hydraulic cylinders. In order to compensate low actuation speed of tractor implements, we suggested a new strategy that adopts an additional tilt sensor attached to the front axle to move the tractor implement in advance. The effectiveness of the strategy is evaluated by RMSE (root mean square error) between one of command signal that is tilt angle signal from the rear axle and real actuation. Prior to hardware implementation, simulations were carefully conducted. A physical model of horizontal control system was applied to co-simulation with two kinds of software: SimulationX and MATLAB/Simulink. The optimal parameters were selected from the simulation and verified in running tests: Distance for time delay , weighting values of front and rear axle , , respectively. When the implement was controlled based on our new control scheme, RMSE value was reduced by 46.5237% compared to that of current system. This successful performance improvement was attained without hardware enhancement except for the addition of a tilt sensor at the tractor front axle.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/125759
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Appears in Collections:
College of Agriculture and Life Sciences (농업생명과학대학)Dept. of Biosystems and Biomaterials Science and Engineering (바이오시스템·소재학부)Theses (Master's Degree_바이오시스템·소재학부)
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