3. 통합 조정 알고리즘 설계
3.1. 농작업 부하 및 연료 소모량 특성
트랙터는 쟁기 작업, 로터리 작업과 같은 경운 작업과, 운반 작업, 그리고 로더 작 업등 다양한 종류와 형태의 농작업을 수행한다. 이러한 작업들은 부하의 수준, 사용 시간 등이 모두 다를 뿐만 아니라, 작업이 이루어지는 환경과 그 결과물 또한 많은 차이를 보인다. 또한, 작업에 쓰이는 동력의 경우에도 쟁기 작업과 같이 견인력을 요 하는 작업과, PTO 동력을 쓰는 PTO 작업, 유압 동력을 사용하는 작업등 그 형태가 매우 다양하다. 따라서 연비 최소화를 위한 통합 조정 시스템을 개발하기 위해서는 다양한 작업 조건에서 실 사용자들의 트랙터 사용 실태 및 작업 부하, 엔진 사용 영 역, 연료 소모량 특성 등을 구명하여야 하며 각각의 작업에 맞는 조정 알고리즘을 확 립해야 한다.
본 연구에서는 농작업 부하 및 연료 소모량 특성을 분석하기 위하여 통합 계측 시 스템 트랙터를 이용하여 쟁기 작업, 로터리 작업, 운반 작업 등을 수행하고 각각의 작 업에 따라 변속기 입력축, 구동 차축, PTO 축 등에 작용하는 부하를 측정하였으며 측 정된 부하를 이용하여 각각 구동부와 작업에 따른 작업 부하 특성, 엔진 사용 영역, 연료 소모량 특성 등을 분석하였다. 또한 실사용 조건을 분석하여 사용자들의 표준 작업 프로파일을 완성하여 추후 통합 조정 시스템의 효과 분석에 이용하도록 하였다.
3.1.1. 계측 시스템 구성
통합 조정 시스템은 크게 계측 시스템, 제어 시스템으로, 사용자 인터페이스로 구성 되어 있다. 계측 시스템은 트랙터의 실시간 주행 및 작업 상태를 모니터링 하기 위한 시스템으로, 트랙터의 주행상태를 실시간으로 측정하는 계측 장비들과 데이터를 수집 하는 데이터 로거, 그리고 수집된 데이터를 모니터링 하고 사용자에게 정보를 보여줄 수 있도록 해주는 디스플레이 장비 등으로 구성되어 있다.
트랙터의 작업 및 주행 상태를 실시간으로 측정하기 위해서는 작업 및 주행상태를 나타낼 수 있는 대표적인 실시간 측정 변수들을 설정하고 이를 정확하고 빠르게 측정 할 수 있는 다양한 형태의 계측장비들이 필요하다. 또한, 가혹한 환경에서 운용되는 트랙터의 경우 매우 높은 수준의 내구성과 신뢰성 또한 함께 요구된다. 따라서 통합 조정 시스템을 운용하기 위한 계측 시스템의 개발은 운용 시스템의 전반적인 실효성 과 가장 밀접한 관계를 지닌다.
트랙터의 주행상태를 계측하기 위해서는 트랙터의 주행 속도, 구동륜의 각속도, 엔 진 토크, 구동륜 토크, 엔진 회전 속도, 등을 계측하여야 하며, 작업기에 의한 견인력, 토양 반력, 연료 소비량, PTO 토크 및 회전 속도 등도 계측하여야 한다. 이 모든 변 수들은 정확한 값을 실시간으로 계측하여야 하며, 각각의 물리량에 맞는 신뢰성 높은 계측 장비를 사용하여야 한다.
따라서 본 연구에서는 통합 조정 시스템을 위한 계측 장비를 갖춘 트랙터 통합 계 측 시스템을 구축하고 구축된 트랙터를 이용하여 알고리즘 작성에 필요한 농작업 부 하 계측, 시뮬레이션 모델 검증, 통합 조정 시스템 효과 검증에 이용하도록 한다.
3.1.1.1. 공시 트랙터
Rated power (kW) 38.2@2500 rpm 48 @2200 rpm Transmission gear F/R 16/16 24/24 PTO Rated power (kW) 35.3 47.6
Tire Front 9.5-20-6PR 11.2-20-8PR Rear 14.9-28-8PR 14.9-30-8PR Table 3.1 Specification of tractor
Fig. 3.1 Measuring tractor used in this study (T500)
Fig. 3.2 Measuring tractor used in this study (T623)
3.1.1.2. 엔진 출력 측정
Fig. 3.3 Full bridge circuit for input shaft torque transducer
Fig. 3.4 Calibration for input shaft torque transducer
Fig. 3.5 Calibration result of input shaft torque
transducer - T500
Fig. 3.6 Calibration result of input shaft torque
transducer - T623
Fig. 3.7 Strain gage and slip ring attached to input shaft
Item Specifications
Material SCM420H, HRC 58-63, Japan Rated capacity (N.m) 400
Table 3.2 Specification of strain gage used for input shaft torque transducer
Item Specification Table 3.3 Specification of slip ring used for input shaft torque transducer
3.1.1.3. 구동륜 출력 측정
3.10 과 3.11 와 같다. 구동륜의 회전 속도는 토크미터에 부착된 슬립링 내부에 내장 된 마그네틱 픽업 센서를 통하여 측정하였다.
Fig. 3.8 Driving wheel torque meter
Fig. 3.9 Calibration of driving wheel torque meter
Fig. 3.10 Calibration results of front wheel torque meter
Fig. 3.11 Calibration results of rear wheel torque meter
Item Specifications
Front Rear
Manufacturer S. Himmelsein Co. USA
Model MCRT 27820TU MCRT 27960TE Torque range (N.m) 0-5650 0-15000
Torque overload 2× 2×
Max. speed (rpm) 2,000 2,000
Table 3.4 Specification of driving wheel torque meter
3.1.1.4. 주행 속도
Model Radar Ⅱ ground speed sensor Velocity range (km/h) 0.53 to 107
Accuracy (errors %) ≤±5%, (0.53 to 3.2 km/h)
≤±3%, (3.2 to 107 km/h) Response, output speed (ms) 200
DC Power requirement (VDC) 9～16 Mounting angle (degree) 35±5
Mounting height (mm) 457 to 1219
Weight (N) 20
Table 3.5 Specification of radar sensor
Fig. 3.12 Radar speed sensor
레이더 센서의 경우 포장의 불균일에 의한 신호의 오차를 고려하여 T623 모델로 트랙터를 변경함과 동시에 GPS 센서를 설치하여 두 가지 신호를 비교 분석하여 사용 하였다. Fig. 3.13 은 트랙터 내부에 설치된 GPS 센서 모듈을 나타내며 Table 3.6 은 GPS 속도 센서 제원을 나타낸 것이다.
Fig. 3.13 GPS speed sensor
Item Specification GPS
Model VBSS05
Manufacturer RACELOGIC
Output signal Voltage
Maximum velocity (km/h) 1610 Minimum velocity (km/h) 0.1
Accuracy (%) ±5
Table 3.6 Specification of GPS speed sensor
3.1.1.5. 연료 소모량
연료 소모량은 2개의 펄스 출력 유량계를 이용하여 엔진으로 유입되는 유량과 연료 탱크로 리턴 되는 유량을 측정하여 그 차이로서 결정하였다. Table 3.7 은 본 연구에 서 사용한 유량계의 제원이고, Fig. 3.14 은 트랙터의 엔진 룸 내부에 설치한 유량계 를 나타낸 것이며 Fig. 3.15 는 연료 소모량을 계측하는 원리를 나타낸 계략도이다.
한 개의 유량계는 연료 펌프와 필터 사이에 설치하여 엔진으로 유입되는 유량을 계측 하였으며, 나머지 하나는 엔진으로 부터 탱크로 리턴 되는 곳에 설치하였다(동양물산 기업, 2009).
Item Specifications
Manufacturer Aichi Tokei Denki, Japan Aichi Tokei Denki, Japan Model OF05-ZAT-AR OF10-ZAT-AR
Pulse out (mL/P) 0.46 2.5
Measuring range (L/h) 3～51 21 ~ 300 Table 3.7 Specifications of flow meter
Fig. 3.14 Flow meters installed in tractor.
Fig. 3.15 Schematic diagram of fuel measuring system
3.1.1.6. 견인 동력 측정
Fig. 3.16 Draft force measuring system – T500
Fig. 3.17 Calibration results of draft force measuring system
Item Specifications
Material N22-FA-5-120-11-VS1 , Japan Power supply (VDC) 5
Gage length (mm) 5
Resistance (Ω) 120.0±0.3%
Gage factor 2.07±1.0%
Thermal expansion (ppM/℃) 11 Table 3.8 Specification of strain gage
Fig. 3.18 3-point hitch dynamometer for draft force measurement
Item Specifications
Material DBBP Bongshin, Co.,Ltd, Korea Rated capacity (kgf) 2000
Rated output (mV/V) 3.0 ± 0.5 % Hysteresis (%) ≤ 0.3%
Temperature range (℃) -20 ~ +80
Overload × 1.5
Table 3.9 Specification of load cell
×
(3.2)
여기서,
= 견인 출력 (kW) = 트랙터 작업 속도 (km/h)
Fig. 3.19 Load cell for drawbar force measurement
Item Specifications Manufacturer Dacell, Korea Rated capacity (kgf) 2000 Rated output (mV/V) 2.0±1%
Temperature range, safe -20~80℃
Excitation recommended 10V Safe overload 150% R.C Table 3.10 Specifications of drawbar force load cell
3.1.1.7. PTO 동력 측정
PTO 토크와 속도는 PTO축과 작업기 입력축 사이에 Lim 등(2008)이 개발한 PTO 토크 미터와 Fig. 3.20 과 같이 직접 제작한 토크 미터를 작업기와 PTO 출력축 사이 에 설치하여 측정하였다. 앞선 토크 미터는 T500에서 사용되었으며 추후 제작한 토크 미터는 T623 모델에 사용하였다. 직접 제작한 토크 미터는 플랜지 형태의 토크 미터 를 유니버설 조인트 사이에 정밀 가공하여 부착하였다. Table 3.11 은 PTO 토크 미
터의 제원을 나타낸 것이다. PTO 토크 미터의 교정은 차축 토크에서와 같은 방법으 로 실시하였으며 PTO 출력의 계산 방법은 엔진 출력을 계산하는 방법과 동일한 방법 을 사용하였다.
Fig. 3.20 PTO torque meter
Item Specifications
Manufacturer Lorenz, Germany DACELL, Korea Model DR-2112R-500 TRE-100K
Type Contactless Slipring
Measuring range (N.m) 0-500 0-1000
Max. torque (N.m) 1000 1300
Rated speed (rpm) 2000 2000
Table 3.11 Specifications of PTO torque meter
3.1.1.8. 타이어 공기압 및 밸래스트 조정
타이어의 적정 공기압은 한국 산업 규격 KS M6752(KS, 2009)에서 규정한 농업용 타이어의 최대 허용 하중에 따라 결정하였다. 공기압은 압축기와 디지털 공기압 측정
에서 타이어의 공기압을 감시할 수 있도록 하였다(Lee et al., 2010). Fig. 3.21 은 타 이어의 공기압 감시 시스템을 나타낸 것이다.
전후 차축의 중량 분포는 무게가 314 N인 무게 추를 트랙터 전방에 가감하는 방법 으로 조정하였으며, 각 차축에 작용하는 중량은 국립농업과학원 농업공학부에서 차축 하중 측정 장치를 이용하여 측정하였다. 탑재한 무게 추에 따른 차축의 중량 분포는 Fig 3.22와 3.23에서와 같이 나타났다.
Fig. 3.21 Tire inflation pressure monitoring system
Fig. 3.22 Axle weight distribution according to additional weights - T500
Fig. 3.23 Axle weight distribution according to additional weights - T623
3.1.1.9. 통합 계측 시스템
통합 계측 시스템은 엔진 출력, PTO 출력, 구동축 출력, 구동륜 슬립, 주행 속도, 연료 소모량, 견인 동력을 결정하기 위한 센서 및 데이터 수집 장치로 구성하였다. 데 이터 수집 장치는 신호 증폭과 노이즈 필터링을 제공하며, 32개의 채널을 통해 100 kHz의 샘플링 속도와 16 bit의 분해능을 가진 DEWE-3010을 사용하였다. 자세한 사 양은 Table 3.12 와 같다. 계측에 필요한 사용자 인터페이스 개발은 프로그램은 DEWESOFT V. 6.1(DEWETRON, Austria)을 이용하여 개발하였다. Fig 3.24 은 통 합 계측 시스템의 구성 체계를 나타낸 것이며 Fig 3.25 는 트랙터 내부에 설치된 모 습을 나타낸다.
Fig. 3.24 Schematic diagram for measuring system
Fig. 3.25 Data acquisition system in the measuring tractor
Item Specification
Manufacturer DEWETRON, Austria
Model DEWE-3010
Max. Sampling rate (kHz) 100
Resolution (bit) 16
Channels
8 for bridge 8 for frequency 16 for analogue Table 3.12 Specifications of Data acquisition system
3.1.1.10. 농작업 포장시험
포장시험은 수원에 위치한 12개의 서로 다른 논 (A∼L)과 1곳의 밭(M), 이천의 밭 (N), 그리고 논산의 논(O, P, Q) 에서 실시하였으며, 쟁기작업, 로터리 작업 을 수행하 였다. 로터리 작업의 경우에는 무논 로터리 작업과 마른논 로터리 작업을 실시하였다.
시험 토양의 토성, 함수율, 토양 강도는 Table 3.13과 같다. 이때 함수율과 토양 강도 는 쟁기 작업 시행 이전에 측정하였으며, 무논 로터리작업과 마른 로터리 작업 수행 시에는 측정하지 않았다. 이는 무논 로터리 작업의 경우에는 논에 물이 가득한 상태 로 함수율 및 토양 강도를 측정하는 것이 불가능 하였으며, 마른 로터리 작업의 경우 에는 쟁기 작업이 이루어진 이후에 작업이 이루어져 측정이 무의미 하였다. 논토양에 서는 앞서 개발된 통합 계측 시스템이 장착된 T500트랙터를 이용하여 쟁기 작업과 무논 로터리 작업, T623 트랙터를 이용하여 쟁기 작업과 로터리 작업을 수행하였으 며, 수원의 밭. 이천과 논산 토양 에서는 T623트랙터만을 이용하여 쟁기 작업과 마른 로터리 작업을 수행하였다. 운반 작업의 경우에는 T623 트랙터만을 이용하여 일반 아 스팔트와, 시멘트, 단단한 밭 토양을 주행하도록 하였다. Fig. 3.26은 계측용 트랙터를 이용하여 농작업 수행을 나타낸 그림이다.
Plot Soil type
Moisture content
(%)
Cone index by depth (kPa)
0 cm 5 cm 10 cm 15 cm 20 cm 25 cm A Loamy sand 54.4 276.7 541.2 562.8 1422.9 2699.3 2201.1 B Loamy sand 48.0 430.9 462.8 493.8 1085.1 1633.2 1704.7 C Loamy sand 42.1 224.9 307.7 481.8 886.0 1485.0 2111.5 D Loamy sand 27.1 257.1 336.9 521.0 918.0 1521.8 2112.7 E Loamy sand 35.8 232.7 362.8 586.1 773.1 1129.0 1862.4 F Loamy sand 56.1 241.3 334.4 545.6 979.1 1453.9 1922.8 G Loamy sand 43.6 207.7 392.1 632.6 1121.3 1955.5 2270.1 H Loamy sand 44.6 219.0 298.0 385.8 780.8 2457.2 3124.0 I Loamy sand 48.2 521.8 1074.8 745.8 1013.5 1926.4 2703.0 J Loamy sand 38.1 15.0 75 .0 165.1 546.3 2021.0 2071.0 K Loamy sand 32.2 224.2 343.8 561.4 1263.4 2007.8 2001.0 L Loamy sand 41.5 218.9 434.1 473.6 732.4 1636.5 1768.2 M Loam 24.1 29.0 1061.8 1044.3 973.7 1307.5 1851.8 N Silt loam 23.2 76.4 280.4 516.6 656.9 1065.6 1847.5 O Loam sand 32.2 398.2 1185.3 1250.5 1372.2 2054.1 2547.2 P Loam sand 38.9 201.0 615.2 732.1 735.2 1485.2 2425.1 Q Silt Loam 26.8 348.0 948.2 772.1 963.5 1123.7 2036.2 Table 3.13 Soil property of the experimental plots
토양의 수분 함량은 드라이 오븐법을 이용하여 측정하였으며 용적이 동일한 토양
토양의 수분 함량은 드라이 오븐법을 이용하여 측정하였으며 용적이 동일한 토양