타이어 공기압 시스템 기술을 사용한 차량의 적재중량 측정 시스템 개발
Development of a Load Measurement System for Vehicles using Tire Pressure System Technology
박 제 현*, 이 승 호**★ Jae-Hyun Park*, Seung-Ho Lee**★
Abstract
In this paper, we propose the design technique of the vehicle’s load weight measuring system using tire pressure, which is one of the physical elements of tires. The proposed technique consists of four processes: noise correction by load and vibration, gas flow correction, data mixer and weight conversion. Noise correction by load and vibration eliminates noise that increases the tire’s internal pressure due to external shocks and vibrations produced by the vehicle while it is in motion. In the gas flow correction process, the noise of the internal pressure of the tire is increased due to the temperature rise of the ground with respect to the data obtained through the noise correction process due to the load and vibration. In the data mixer process, the load and pressure on the tolerances the empty, median and the full load are classified according to the change in pressure of the tire that is delivered perpendicular to the tire in the event of cargo. In the weight conversion process, weight is expressed by weight through weight conversion algorithms using noise correction results by load and vibration and gas flow correction.
The weight conversion algorithm calculates the weight conversion factor, which is the slope of the linear function with respect to the load and pressure change, and converts the weight. In order to evaluate the accuracy of the loading weight measurement system of the vehicle using the tire pneumatic system technique proposed in this paper, we propose the design technique of the vehicle’s load weight measuring system using tire pressure, which is one of the physical elements of tires..
Noise correction results by load and vibration and gas flow data correction results showed reliable results. In addition, repeated weight precision test showed better weight accuracy than the standard value of 90% of domestic companies.
요 약
본 논문에서는 타이어의 물리적인 요소 중 하나인 압력정보를 이용해서 자동차의 하중 표출이 가능한 타이어 공기압 측정 기술을 사용한 차량의 적재중량 측정시스템 설계 기법을 제안한다. 제안된 기법은 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정, 기체유량 보정, 데이터 믹서, 중량 환산 등의 4가지 과정으로 구성된다. 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정에서는 외부충격 및 차량이 주행 중 발생하는 진동 등에 의해 타이어의 내부 압력이 상승하는 노이즈를 제거한다. 기체유량 보정 과정에서는 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정 과정을 거친 데이터에 대하여 지면의 온도상승에 의해 타이어의 내부 압력이 상승하는 노이즈를 제거한다. 데이터 믹서 과정에서는 화물적 재 시 타이어에 수직으로 전달이 되어 타이어의 압력변화에 따른 공차, 중차, 만차에 대한 하중과 압력 등을 분류하게 된다. 중량 환산 과정에서는 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정 및 기체유량 보정을 거친 데이터를 사용하여 중량 환산 알고리즘을 통해 중량으 로 표출된다. 중량 환산 알고리즘은 하중과 압력변화에 대한 선형 함수의 기울기인 중량 환산 Factor를 구하여 중량을 환산한다. 본 논문에서 제안된 타이어 공기압 측정 기술을 사용한 차량의 적재중량 측정 시스템의 정밀도를 평가하기 위해 자체적으로 테스트 베 드를 구축하여 평가하였다. 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정 결과와 기체 유량 데이터 보정 결과는 신뢰성 있는 결과를 나타내었다.
또한 중량 정밀도 반복 실험도 국내 업체 기준치인 90% 보다 우수한 중량 정밀도를 나타내었다.
Key words
：
Noise Correction, Gas Flow Correction, Data Mixer, Weight Conversion, Tire Pressure System* Dept. Electronic Engineering, Hanbat National University
** Dept. Electronics&Control Engineering, Hanbat National University
★ Corresponding author
E-mail：[email protected], Tel：+82-42-821-1137
Manuscript received Feb. 4, 2020, revised Mar. 12, 2020, accepted Mar. 16, 2020.
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Ⅰ. 서론
대형 화물차량의 과적은 도로 구조물에 엄청난 피로 하중을 누적시켜서 교량 붕괴 및 도로파손의 주요 원인이 되기 때문에 국가적으로 과적 단속을 강력하게, 실시하고 있으나 화물차 작업현장 주위 에 축중기나 계근소가 많지 않기 때문에, 운전자들 은 짐을 실은 후 적재량을 알 수 없어 부득이하게 과적하게 되는 경우가 비일비재하게 발생하고 있 다. 현재 사용되고 있는 계중기의 계측시스템[1]은 용도에 따라 계중기, 이동식 축중기, 고정식 축중기 등으로 구분되며, 사용환경에 따라 고정용과 이동 형으로 구분되어 주변에 사용되고 있다. 그러나 다 음과 같은 단점들을 가지고 있다. 첫 번째로 이동 형과 고정형의 경우에 전문인력이 매시간 배치되 기 때문에 인력손실을 초래한다. 두 번째로 측정하 는 환경에 따라 하중의 측정값이 변하기 때문에 과 적판별에 어려움이 있다. 세 번째로 측정 장비의 교정이 매년 또는 주기별로 검정을 받아야 함에 따 라 계측기 수급이 어렵다.
따라서 본 논문에서는 현재 사용되고 있는 현행 축중량 계측기의 단점을 극복하기 위하여 무정차 중에도 중량계측이 가능한 타이어 공기압 측정 기 술을 사용한 차량의 적재중량 측정시스템 개발을 제안한다.
Ⅱ. 본론
1. 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정 과정
지면의 온도 및 차량이 주행 중 발생하는 진동 및 차량의 하중에 의한 외부충격[2] 등에 의해 발생하 는 노이즈를 제거하고 정확한 압력 데이터를 출력 하기 위해서는 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정을 활용하여 노이즈를 걸러내야 한다. 이러한 보정 과 정을 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정이라고 한다.
1.1. 이동평균 보정
적재중량 측정시스템에서 차량의 하중 및 외부충 격에 따라 발생하는 타이어의 내부 압력이 상승하 는 노이즈를 제거하기 위하여 이동평균 보정[3]을 수행한다. 이동평균 보정을 수행하지 않았을 경우, 원신호와 노이즈가 서로 결합 되어 있어 지속적인 원신호와 잡음의 누적으로 큰 오차를 발생하게 된
다. 제안된 기법의 첫 번째 과정에서는 타이어 내 부 압력을 일정 주기로 데이터를 수집하는 단계이 다. 두 번째 과정에서는 타이어의 내부 압력 데이 터를 수집한 횟수를 누적하는 단계이다. 세 번째 과정에서는 타이어의 내부 압력 측정기준의 횟수 (100회 정도)가 만족하지 않을 경우에 타이어의 내 부 압력 데이터를 측정기준이 만족할 때까지 수집 하는 단계이다. 네 번째 과정에서는 타이어의 내부 압력 측정 횟수 기준이 만족한다면 측정 횟수와 누 적된 타이어의 내부 압력을 이동평균 보정으로 노 이즈를 제거한다. 따라서 식 (1)～(3)을 통해 설정 한 측정 횟수 기간동안에 전체 평균 타이어의 내부 압력 평균으로 타이어의 내부 압력을 산출하기 때 문에 일시적인 차량의 하중 및 외부충격으로 발생 하는 타이어의 내부 압력이 상승하는 노이즈를 제 거할 수 있다.
(1)
(2)
(3)
1.2. 주행 중 발생하는 진동에 의한 노이즈 보정 적재중량 측정시스템에서 차량의 주행 중 발생하 는 진동에 따라 타이어의 내부 압력이 상승하는 노 이즈를 제거하기 위하여 진동에 따른 노이즈 보정 을 수행한다. 제안된 기법은 첫 번째 과정에서 이 동평균 보정을 거쳐 나온 타이어의 내부 압력 데이 터를 일정 간격으로 데이터를 수집하는 단계이다.
두 번째 과정에서는 일정 버퍼 영역을 생성하고 할 당된 데이터 버퍼 기준(약 3회 정도)에 만족할 때 까지 이동평균 보정 값을 지속해서 수집하는 단계 이다. 세 번째 과정에서는 버퍼 영역에 쌓여있는 이동평균 데이터의 평균값을 산출하는 단계이다.
네 번째 과정에서는 현재 타이어의 내부 압력 값이 설정된 최소값과 최대값이 같으면 노이즈로 판단 하고 삭제한다. 따라서 진동 노이즈 보정을 통해 차량이 주행 중 발생하는 진동에 따라 타이어의 내 부 압력[4]이 상승하는 노이즈를 제거할 수 있다.
2. 기체유량 보정
기체유량 보정 과정에서는 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정 과정을 거친 데이터에 대하여 지면의
온도상승에 의한 타이어의 내부 압력이 상승하는 노이즈를 제거한다. 대부분의 압력 신호들은 기계 적인 변위를 전기신호로 변환하는 특성을 이용하여 제작되어 외부온도와 부피에 따라 비선형 특성이 있기 때문에 압력의 이상적인 선형을 표출하기 위 해서는 기체 보정방식을 통해 선형으로 작업을 수 행해야 한다. 기체 유량 데이터 보정의 경우에 온 도 압력 보정용으로 압력 및 온도 데이터를 입력받 아 기준온도에서의 보정 신호를 출력시키도록 하 는 것이다. 온도나 압력에 민감한 기체를 압력 센 서로 측정함에 있어 주변 온도나 압력의 차이에 따 른 보정을 해 주어야만 정확한 값을 표시할 수 있 으며, 온도나 압력에 따른 보정을 해 주지 않을 경 우 측정시간과 측정장소에 따라 상당한 차이를 보 이게 된다. 최적의 연산 방정식을 선택하여 온도나 압력 보상을 해 주어야만 가장 정확한 정보표시가 가능하게 된다. 즉 기존에는 온도나 압력의 조건 중 하나의 조건을 선택하여 가중치를 측정값에 가 산하여 보정이 이루어지게 하고 있으나, 이는 온도 와 압력을 동시에 가중치를 주지 못하여 그 결과치 에 신뢰성이 떨어지는 단점이 따르게 된다. 또한 기체의 종류별 특성을 고려하지 않아 기체의 종류 별로 정확한 보정이 이루어질 수 없는 문제가 있는 것이다. 이 현상을 줄이기 위해 이상 기체방정식의 보정[5]을 이용하여 문제점을 보정 한다.
식(4)～(6)은 반데르발스가 제안한 이상 기체방 정식[6]의 보정방법 과정을 나타낸다. 수식 내용에서
(
)은 실제 압력과, 실제 타이어 내부 부피의값 처리 대상을 의미한다. 여기에서 실제 압력인
은 입자들간의 인력과 관련된 항만큼을 빼주게 된다. 여기에서 a는 인력과 관련된 상수를 나타낸 다.
은 기체 입자 자신의 부피를 무시할 수 없 으므로 이상기체의 부피에 자신의 부피에 해당하 는 만큼 더해주면 된다. 이 역시 기체의 몰수가 클 수록 자신의 부피를 무시할 수 없을 것이므로 위와 같은 식을 사용할 수 있습니다. 이때 b는 기체 입 자의 종류에 따른 부피 관련 상수를 나타낸다.
,
(4)
(5)
(6)위 수식들을 타이어의 내부 압력과 온도 데이터 에 대해 기체보정방정식을 적용하면 그림 1과 같이 온도에 따라 압력변화 특성을 보이는 히스테리시 스 현상에서 기체보정방정식을 통해 빨간 선으로 표시된 것처럼 선형적으로 데이터가 표출된다.
Fig. 1. Hysteresis Characteristics with Temperature and Pressure.
그림 1. 온도와 압력에 따른 히스테리시스 특성
3. 데이터 믹서
데이터 믹서 단계에서는 초기 차량에 적용하는 단계로 타이어의 규정 압력으로 주입한 상태로, 적 재함의 하중을 증가시켜 그림 2와 같이 공차, 중차, 만차에 대한 하중 값과 타이어의 내부 압력변화 데 이터를 블록 단위로 정렬하여 내부메모리에 저장 하는 단계이다.
Fig. 2. Diagram of Data Mixer Conceptual.
그림 2. 데이터 믹서의 개념도
4. 중량 환산
중량 환산 알고리즘에서는 최초 센서 부착 시의 타이어압력 값과 공차 중량을 알고 있을 때, 상차 하여 타이어 변화에 따라 압력 값이 증가 되었을 때의 중량을 알면 하중과 압력 데이터가 선형성을 가지므로 선형 함수의 기울기 Factor를 구할 수 있
다[7]. Factor는 식(7), 전체 중량은 식(8)에 의하여 구하여진다.
Factor = (만차 중량-공차 중량)/
(만차 압력 값-공차 압력 값) (7) 중량 = (구하는 압력 값-공차 압력 값) ×
Factor + 공차 중량 (8)
그림 3에서 실제로 중량 환산을 계산해보면, Factor 는 계산식에 의해 (4,500-2,500)/(1,700-600) = 1.818 임을 알 수 있다. 이때 압력 값이 1,100일 때의 중량은 (1,100-600) × 1.818 + 2,500 = 3,409kg으로 측정할 수 있다.
Fig. 3. Conversion of Weight Algorithm.
그림 3. 중량 환산 알고리즘 환산
5. 성능 실험 가. 실험 환경
본 논문에서 제안된 타이어 공기압 측정 기술을 사용한 차량의 적재중량 측정시스템의 정확성을 평 가하기 위하여 시험환경의 테스트 베드를 그림 4와 같이 구축하여 실험을 수행하였다.
Fig. 4. Test Bed of Test Environment.
그림 4. 시험환경의 테스트 베드
또한, 그림 5와 같이 제작된 중량 환산 측정 모듈 의 시제품을 시험환경에 적용하여 진행하였다.
(a) 네트워크 모듈
(b) 압력 센서 모듈
Fig. 5. Prototype of the Manufactured Weight Conversion Module.
그림 5. 제작된 중량 환산 측정모듈의 시제품
(a) 압력 센서 모듈 (b) 휠에 압력 센서 모듈 장착
(c) 적재물 상차 준비 (d) 적재물 상차완료
(e) 네트워크 모듈 (f) 적재물 중량 측정
(g) 적재물 중량 확인 (h) 적재물 중량 검증 Fig. 6. Experimental Process.
그림 6. 실험과정
그림 6은 본 논문에서 제안한 타이어 공기압 시스 템 기술을 사용한 차량의 적재중량 측정시스템의 실 험과정을 나타내었다. 타이어에 장착한 압력 센서
Fig. 8. Results after Carrying out Moving Average Calibration.
그림 8. 이동평균 보정 수행 후의 결과
Fig. 10. Graph of Tire Internal Pressure After Gas Flow Correction.
그림 10. 기체유량 보정 후의 타이어 내부 압력 그래프
모듈에서 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정과 기체유량 보정을 거친 데이터를 무선으로 네트워크 모 듈에 전달한다. 네트워크 모듈에서는 데이터 믹서 와 중량 환산 과정을 거쳐 화물의 중량을 환산하여 무선으로 연결된 노트북에 표시하게 된다.
그림 7은 본 논문에서 제안한 기법의 정확성을 정밀하게 평가하기 위해 기구부를 설계하고 제작 하였으며, 타이어 내부에 압력 센서 모듈을 장착하 고 타이어를 수직으로 일정한 힘을 인가하였을 때 공인평가 된 저울과 네트워크 모듈에서 표시하는 중량의 오차를 테스트하기 위한 설비이다.
Fig. 7. Mechanism for Evaluating the Accuracy of the Proposed Technique.
그림 7. 제안한 기법의 정확성 평가를 위한 기구부
나. 실험 결과
이동평균 보정 과정에서는, 차량의 하중 및 외부 충격에 따라 발생하는 타이어의 내부 압력이 상승하 는 노이즈를 제거하기 위하여 이동평균 보정을 수행 하였다. 실험결과, 그림 8과 같이 차량의 하중 및 외 부충격에 의해 타이어 내부 압력이 급격하게 증가 되는 것을 확인하였다(Raw Data). 그러나 차량의 하중 및 외부충격에 따라 발생하는 타이어의 하중이 급격하게 반응하는 것을 최소화하기 위해 이동평균
보정을 사용한 후에는, 안정적인 출력 값을 나타내 는 것을 확인하였다(Moving Average Data).
주행 중 발생하는 진동에 의한 노이즈 보정 결과 분석과정에서는, 차량의 주행 중 도로면의 상태와 포토 홀 등에 의해서 진동이 발생하는 타이어의 내 부 압력이 상승하는 노이즈를 제거하기 위하여 진 동에 의한 노이즈 보정을 수행하였다. 실험결과, 그 림 9와 같이 차량의 주행 중 발생하는 외부충격 노 이즈 등으로 타이어 내부 압력이 급격하게 증가 되 는 것을 확인하였다(Raw Data). 그러나 진동에 의 한 노이즈 보정을 수행하여 일정 시간 동안 수집된 타이어의 내부 압력 데이터의 최소값과 최대값이 같으면 노이즈로 판단하고 제거한 후에는, 차량의 주행 중 발생하는 외부충격 노이즈가 제거되는 것 을 확인하였다(Correction Data).
Fig. 9. Result after Noise Correction Due to Vibration While Driving.
그림 9. 주행 중 발생하는 진동에 의한 노이즈 보정 후의 결과
기체유량 보정 과정에서는, 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정 과정을 거친 데이터에 대하여 지면의 온도상승에 의한 타이어의 내부 압력이 상승하는 노이즈를 제거하였다. 타이어의 압력은 온도에 따
라 선형적으로 압력이 증가하게 된다. 따라서 본 논문에서는 기체 유량 보정 과정에서 이를 보정 하 였다. 실험결과, 그림 10과 같이 기체유량 보정 후 에는 타이어의 내부 압력이 온도에 관계없이 일정 하게 출력되는 것을 확인하였다.
압력 신호를 통한 중량 환산 결과 분석과정에서 는, 차량의 적재함 하중을 증가시키면서 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정과 기체 유량 보정 거친 후, 압력 신호에 대해 중량을 환산한 결과를 분석 하기 위하여 다음과 같은 실험을 진행하였다. 정확 성을 정밀하게 평가를 위해 제작한 기구부를 통해 중량 정밀도 반복 실험을 진행하였다. 이때 공인평가 된 저울과 네트워크 모듈에서 표시하는 중량의 오 차를 테스트하였다. 1000kg부터 1500kg까지 100kg 단위로 증가, 감소시키면서 중량 반복 정밀도를 평 가하였다. 표 1에서는 중량 반복 정정밀도를 평가 하기 위해 각 중량 지시 값에 대해 각 10회씩, 총 110회 반복 테스트를 진행하여, 중량 반복 정밀도 측정결과를 나타내었다. 중량 정밀도는 최소 99.41%, 최대 99.93%로 평균 99.7%를 나타내어서, 국내 업 체 기준치인 90%보다 우수한 중량 정밀도를 나타 내는 것으로 실험 결과를 통해 확인하였다.
Table 1. Results of Weight Repeat Precision.
표 1. 중량 반복 정밀도 결과
Ⅲ. 결론
본 논문에서는 타이어의 물리적인 요소 중 하나 인 압력정보를 이용해서 자동차의 하중을 측정할 수 있는 차량 적재중량 측정 시스템 설계 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 기법은 첫 번째로 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정에서는 외부충격 및 차량이 주행 중 발생하는 진동 등에 의해 타이
어의 내부 압력이 상승하는 노이즈를 제거하였다.
두 번째로 기체유량 보정 과정에서는 하중 및 진동 에 의한 노이즈 보정 과정을 거친 데이터에 대하여 지면의 온도 상승에 의해 타이어의 내부 압력이 상 승하는 노이즈를 제거하였다. 세 번째로 데이터 믹 서 과정에서는 화물적재 시 타이어에 수직으로 전 달이 되어 타이어의 압력변화에 따른 만차, 중차, 공차 등을 분류하였다. 네 번째로 중량 환산 과정 에서는 하중 및 진동에 의한 노이즈 및 기체유량 보정을 거친 데이터를 사용하여 중량 환산 알고리 즘을 통해 중량으로 표출하였다. 중량 환산 알고리 즘은 화물차 적재함의 공차, 중차, 만차 등의 데이 터를 입력순서에 맞추어 입력하면 선형방정식을 통해 산출된 Factor를 구하여 중량을 환산하였다.
본 논문에서 제안된 타이어 공기압 측정 기술을 사 용한 차량의 적재중량 측정 시스템의 정밀도를 평 가하기 위해 자체적으로 테스트 베드를 구축하여 평가하였다. 하중 및 진동에 의한 노이즈 보정 결 과와 기체 유량 데이터 보정 결과는 신뢰성 있는 결과를 나타내었다. 또한, 중량 정밀도 반복 실험도 국내 업체 기준치인 90%보다 우수한 중량 정밀도 를 나타내었다. 앞으로의 연구 과제로는 타이어 내 부에 센서 모듈이 장착됨에 따라 고속 주행 시 진 동으로 발생하는 구조 파손, 센서의 불안정성 등의 영향을 최소화하여 차량의 적재중량 측정 정밀도 를 향상시키는 연구가 필요하다고 사료된다.
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