연구진
  - 지도교수 : 주백석
  - 연구원 : 김승호, 최동훈, 차영주, 권희진

1. Introduction

▶ 연구배경

 트랙터는 대개 논, 밭에서 농사를 위한 용도로 사용한다. 하지만 이러한 특수 차량도 일반 도로주행을 해야 할 경우가 많이 발생하게 된다. 트랙터는 농업용이기 때문에 특성상 바퀴가 크고 높은 차체로 인해 무게중심도 높아 급커브나 다소 빠른 속도로 주행을 할 경우 안정감이 떨어져 사고가 빈번하게 일어난다. 또한 장애물을 지나갈 때에도 무게중심이 불안정하여 사고가 일어나는 경우가 있다.

▶ 연구목적

 트랙터의 전복 사고 유형은 트랙터가 장애물에 걸리거나 또는 선회하는 과정 중 무게중심이 높아 차체가 기울어져 발생한 사고가 대부분이다.  따라서 트랙터가 험지를 지나거나 선회하는 과정 중 기울어지는 차체에 의해 발생하는 다양한 트랙터 전복 사고를 예방하기 위해 바퀴 축의 높이를 조절할 수 있는 트랙터 수평유지 장치를 설계함으로써 무게중심의 높낮이를 변형할 수 있는 기능을 도입하고자 한다.

2. Mechanical Design

▶ 기구부 설계

 제작하기에 앞서 CATIA V5를 이용하여 Prototype을 모델링하였다. 플랫폼의 전후방에는 장애물을 인식하기위해 각각 적외선 센서가 부착되어 있으며, 플랫폼 내부에는 경사를 감지하기 위한 자이로 센서가 위치한다. 각 구동 프레임은 축 모터에 장착되어 있으며 축 모터는 구동 프레임을 회전시킴으로써 본체의 수평을 조절한다. 오른쪽 그림은 플랫폼이 경사와 장애물 극복할 때의 가상 모습이다.

▶ 하중해석

 위 그림은 플랫폼의 자유물체도이다. 시스템을 설계함에 있어서 부품 선정은 매우 중요하다. 따라서 플랫폼, 구동 프레임, 바퀴 등의 하중을 고려한 모멘트 평형식을 활용하였고, 결과적으로 42.55kgf*cm 이상의 성능을 가진 적절한 축 모터를 선정하였다.

3. Hardware Design

▶ 시스템 개략도

 본 시스템에 관한 모든 구성 요소들이다. 축 모터는 본체의 구동 프레임과 결합되며, 구동 프레임에는 구동 모터가 장착된다. 이로부터 수평 유지를 위한 메커니즘을 구현할 수 있다. 또한, 본 시스템을 구현하기위해 2가지 센서가 사용된다. 하나는 기울기를 감지하는 자이로 센서이며, 다른 하나는 장애물을 인식하는 적외선 센서이다. 이 요소들로부터 플랫폼은 축 모터를 독립적으로 제어하여 수평을 유지할 수 있다.

4. Control System Design

▶ 제어 알고리즘

 본 시스템은 ATmega2560이라는 MCU를 통해서 제어된다. 시스템이 작동되면 적외선 센서와 자이로 센서는 대기상태에서 외부 환경을 인식한다. 경사나 장애물이 감지되면 각 축 모터에 결합된 구동 프레임이 독립적으로 회전함으로써 수평을 유지한다. 또한, 각 축 모터의 회전 각도를 조절함으로써 플랫폼의 무게중심 높낮이를 설정할 수 있다.

5. Result

▶ 장애물 극복

 플랫폼의 장애물 극복 모습이다. 왼쪽 사진은 플랫폼이 전방 장애물을 극복하는 모습이며, 가운데 사진은 간헐적 장애물을 극복하는 모습, 마지막으로 오른쪽 사진은 비대칭 장애물을 극복하는 모습을 볼 수 있다. 결과적으로 플랫폼 자체와 물품 등은 수평을 유지하면서 안전하게 운반 될 수 있다. 또한, 구동 프레임의 독립적인 제어를 통해 경사면과 장애물 등을 극복하는 데 유용하다. 따라서, 본 시스템은 건축, 군사, 해양 등 많은 분야에서 활용될 수 있다.

▶ 기대효과

• 무게중심하강 시스템
  - > 고속주행 및 급커브 시 전복사고 위험감소
 
• 수평 유지 시스템
  - > 험지 및 경사로부터 안전한 주행 가능
 
• 구동 프레임 독립 제어 - > 경사•험지 극복에 유용
  - > 건축, 군사, 해양 등 많은 분야에 활용 가능

∵ References

• J. L. Meriam, L. G. Kraige. Engineering Mechanics Dynamics
• Gene F. Franklin, J. David Powell, Abbaas Emami-Naeini. Feedback Control of Dynamic Systems

∵ Qualifications (Award & Patent)

• J. L. Meriam, L. G. Kraige. Engineering Mechanics Dynamics
• Gene F. Franklin, J. David Powell, Abbaas Emami-Naeini. Feedback Control of Dynamic Systems