트랙터 시뮬레이션 모델 개발

작업 부하 예측 모델, 주행 속도 및 슬립 계산 모델, 연료 소비량 예측 모델로 구성하 였다. 또한 실제 트랙터를 이용한 포장 작업을 통해 분석하기 어려운 밸래스트 조정, 타이어 공기압, 변속 단수, 엔진 속도, 구동륜의 슬립 등이 연료 소비율, 단위 면적당 연료 소비량 등에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 시뮬레이션 모델을 이용하여 요인 시험을 수행하고 요소 조정 기술들의 효과를 검증하도록 하였다. 또한 트랙터를 이용 한 통합 조정 시스템 효과 분석 이전에 알고리즘의 타당성을 평가하기 위한 트랙터 모델로 활용하도록 한다. 조정 기술의 효과를 검증하고 요인을 분석하는 내용은 추후 통합 조정 시스템 알고리즘 검증 및 확립 부분에 서술 하도록 한다. 시뮬레이션 모델 의 검증은 앞서 개발된 통합 계측 트랙터를 이용하여 실제 농작업을 수행하고 시뮬레 이션 모델을 이용하여 수행한 결과를 비교 하였다. 아래의 그림은 트랙터 컴퓨터 시 뮬레이션 모델의 구성을 나타낸 계략도이다. 시뮬레이션 모델에 이용된 트랙터 모델 은 앞서 개발된 통합 계측 시스템 트랙터 구축에 이용된 T623 모델의 성적서 (국립농 업과학원, 2009)를 통하여 주어진 데이터를 이용하여 개발하였다.

Fig. 3.42 Schematic diagram for tractor computer simulation model

3.2.2. 개발 프로그램

트랙터 시뮬레이션 모델은 Mathworks (Massachusetts, USA)사의 Matlab R2012b 에서 제공하는 그래픽 제어 시뮬레이션 툴인 Simulink를 사용하여 개발하였다.

Simulink는 데이터의 흐름을 시각적으로 나타낼 수 있도록 제작된 프로그래밍 툴로써 모델링, 시뮬레이션, 동역학적 시스템에 대한 다차원적인 분석이 가능한 프로그램 툴 박스이다. 특히 프로그램 모델링 인터페이스가 제어 시스템에서 일반적으로 사용하는 블록다이어그램 형태로 되어 있으며 다양한 라이브러리를 제공하여 사용자가 본인의 환경에 맞춰 다양한 설정이 가능할 수 있도록 하였다.

CAN통신을 이용한 제어기 개발 및 시뮬레이터 개발을 위하여 트랙터 모델의 변수 를 실시간으로 조정하고 모니터링 할 수 있도록 하기 위한 터미널 형식의 가상 제어 판을 CAN통신 및 그래픽 인터페이스를 통한 제작이 간편한 National instruments (Texas, USA) 사의 Labview를 이용하여 구성하였다. Labview는 그래픽 기반의 프로 그램 개발 언어로써 센서 및 통신 기반의 시스템 개발에 매우 효과적이다.

Simulink는 트랙터 모델을 구성하는 엔진, 변속기, 견인 성능 예측 모델, 차축 중량 분포, 작업 부하 예측 모델, 주행 속도 및 슬립 계산 모델, 연료 소비량 예측 모델의 수식 및 연산 알고리즘이 블록 다이어그램 형태로 입력되어 있으며 각각의 모델은 특 정 물리량을 입력 받고 출력한다. 시뮬레이션 결과로 출력되는 값들은 메모리에 저장 된다.

Labview를 이용한 제어 터미널은 Simulink 시뮬레이션 동작 중 하기 힘든 실시간 변수 조정 및 시뮬레이션 결과 모니터링이 가능하도록 하기 위하여 개발하였으며, 실 시간으로 Simulink를 통하여 계산된 결과들이 표시되도록 하였다. 아래의 Fig. 3.43과 3.44는 Simulink와 Labview를 이용하여 개발된 트랙터 시뮬레이션 모델과 제어 터미 널 패널을 나타낸 것이다.

Fig. 3.43 Tractor simulation model in Simulink

Fig. 3.44 Control panel terminal in Labview

3.2.3. 엔진 모델

Fig. 3.45 Engine model used in this study

엔진으로부터 출력된 토크는 데이터 흐름에 맞춰 다음 모델인 변속기 모델로 입력 된다. 시뮬레이션이 한 스텝 이루어진 이후 최종적으로 계산된 차륜의 선속도는 슬립 모델을 통해 출력되어 다시 엔진의 회전 속도로 입력되며 계속적으로 이 과정이 반복 되게 하여 초기 조건에 의한 한 번의 스텝이 반복된 이후 연속적으로 계산이 이루어 지는 재귀적인 방법이 사용되었다. 엔진의 초기 조건은 1000 rpm으로 T623 모델의 초기 아이들 속도를 입력하였다.

3.2.4. 변속기 모델

3.2.5. 연료 소비량 예측 모델

연료 소비량을 시뮬레이션하기 위한 연료 소비량 예측 모델은 김수철 (2010)이 개 발한 연료 소비량 예측식을 이용하여 모델을 제작하였다. 연료 소비량 예측식은 트랙 터의 OECD 시험 성적서의 주 PTO 성능 시험 성적을 이용하여 전부하 성능 데이터 와 정격속도의 부분 부하 데이터를 이용하여 연료 소비량을 예측할 수 있도록 하였으 며 본 연구에서는 T623 모델의 주 PTO 성능 시험 성적을 이용하여 아래의 그림과 같은 연료 소비량 예측 모델을 개발하였다. 연료 소비량 예측 모델은 엔진 속도와 출 력의 함수로써, 엔진으로 부터의 출력과 회전 속도를 입력받아 연료 소모량을 출력하 도록 하였다.

Fig. 3.46 Fuel consumption map of simulation model

3.2.6. 견인 성능 예측 모델