휠 동력계의 힘/모멘트 획득 및 무선 전송 방법 개발

국문 초록 (Abstract)

자동차의 성능을 향상시키기 위하여 근래에는 여러 종류의 특성시험을 수행되고 있다. 성능 테스트의 한 방법으로 주행 중에 자동차가 지면과의 상호 작용에 의하여 받게 되는 하중을 측정하기 위해 휠 동력계를 자동차의 바퀴에 설치하여 사용한다. 휠 동력계는 3축의 힘(Fx, Fy, FZ)과 모멘트(Mx, My, Mz)를 측정할 수 있는 센서이다. 주행 중에 실시간으로 차에 적용되는 하중을 측정하여 모니터링 하기 위하여 휠 동력계는 실시간으로 자동차에 적용되는 하중의 변화를 정확도 높게 고속으로 측정할 수 있어야 한다. 또한, 이 변화를 사용자에게 전송하여 시각화가 가능하여야 한다.
휠 동력계는 다축 로드셀의 한 종류이다. 휠 동력계는 측정 데이터의 신뢰성을 위하여 원판형의 한 몸체를 구성되어야 한다. 다분력 힘/토크를 감지해야 하기 때문에 출력되는 신호의 종류가 많은 단점이 있다. 따라서 그 구조의 설계와 신호 처리 시스템을 개발하는 데에는 높은 기술력이 요구된다. 이전의 다축 로드셀의 연구사례를 살펴보면 Youshikawa 등은 출력값 연산을 위하여 바퀴에 휘스톤 브릿지를 구성하는 방법을 제시하였다. Feng 등은 8빔 구조의 Wheel Force Transducer의 구성과 출력 신호 계산식을 제시하였다. 그리고 Lee는 신호 처리 장치의 신호 증폭, 노이즈 필터링 회로에 대하여 제시하였다. Park은 휠 동력계의 감지부에서 스트레인 게이지를 부착하는 방식과 휘스톤 브릿지 회로를 구성하는 방식을 제시하였다.
휠 동력계는 한 몸체로 구성되어 있기 때문에 설계에 많은 제약이 있어 개발에는 높은 기술력이 필요하다. 일본의 AND, 미국의 MTS와 MSC, 독일의 Kistler 등에서는 각 회사가 축적한 노하우를 바탕으로 다양한 형태의 휠 동력계를 설계, 제작하고 있지만 국내에서는 노하우와 기술의 보유가 미비하여 휠 동력계는 수입에 의존하고 있는 실정이다. 또한, 설계 방법에 대한 연구가 이루어지고 있지만, 그 성과가 미비하여 제작 및 상용화에는 어려움을 겪고 있다.
4개의 축을 가지는 휠 동력계를 자동차에 적용하기 위해서는 그 형태에 맞는 신호 처리 시스템이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 휠 동력계를 자동차 분야에 적용하기 위하여, 휠 동력계의 감지부의 각각의 휘스톤 브릿지에서 출력되는 신호를 알고리즘을 이용해 사용할 수 있는 크기로 증폭, 노이즈 필터링, 바이어스하는 회로를 연구하였다. 이 회로를 통해 변조된 신호를 이용해 힘, 모멘트를 연산하는 알고리즘을 제시하였다. 또한, 연산된 3축의 힘, 모멘트 데이터를 사용자에게 무선으로 전송하여 시각화 하는 방법을 연구하였다. 그리고 신호 처리 시스템을 온보드 형식으로 개발하여 신호 처리 시스템 모듈을 휠 동력계에 부착하여 일체화 할 수 있는 형태로 설계하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In order to improve the performance of the vehicle it is essential to analyze applied forces and moments to the vehicle while the vehicle is driving. The wheel dynamometer is installed to vehicle's wheel for measuring three forces and three moments which are applied the vehicle.
The dynamometer is a kind of multi-axis load cell. The dynamometer has to detect three forces and three moment by a single body. So, it is necessary to have high level of technology and a lot of experience for developing the dynamometer.
 In this thesis, in order to measure three forces and three moments by the dynamometer, the signal processing circuit of the dynamometer was designed. The signal processing circuit was designed to amplify, noise filter and offset signals from 8 wheat-stone bridges of the sensing part of the dynamometer. In order to improve credibility of the dynamometer, it is important to maintain amplification and noise filtering performance for the higher frequency range. The controller part converts signals from 8 wheat-stone bridges to ADC data and computes three forces and three moments from ADC data. Also, it transmits the result of computing three forces and three moments to user by ZIGBEE wireless communication.
The signal processing program is developed to compute three forces and three moment from ADC data of signals from wheat-stone bridges. To use the dynamometer at the high-speed driving condition, it is necessary to compute quickly for measuring rapidly changing applied forces and moments. Also, Higher accuracy is important to improve credibility of the dynamometer.
The signal processing module of the dynamometer is developed to measure three forces and free moments by the dynamometer. Considering the result of experiments, it is rapid and credible enough to use for measuring three forces and three moments while a vehicle is driving.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 휠 동력계의 구조 3
• 2.1 휠 동력계의 구조 및 설계 조건 3
• 2.2 휠 동력계의 감지부 구성 5
• Ⅲ. 신호 처리 회로 설계 및 제작 6
• 3.1 신호 처리 회로의 구성 6
• 3.2 감지부 회로 설계 및 제작 8
• 3.2.1 증폭 회로 설계 8
• 3.2.2 노이즈 필터링 회로 및 승압회로 설계 9
• 3.2.3 감지부 회로 제작 및 평가 10
• 3.3 제어부 회로 설계 및 제작 13
• Ⅳ. 힘/모멘트 측정 알고리즘 15
• 4.1 휘스톤 브릿지 신호의 ADC 15
• 4.2 Calibration Matrix 16
• 4.2.1 Calibration Matrix 계산 16
• 4.2.2 Calibration Matrix 평가 19
• 4.3 무선 데이터 전송 시스템 21
• 4.3.1 무선 데이터 전송 시스템 구성 21
• 4.3.2 무선 데이터 전송 시스템 평가 21
• 4.4 신호 처리 프로그램 구성 23
• 4.5 힘/모멘트 측정 알고리즘 평가 25
• Ⅴ. 결 론 28
• 참고문헌 또는 인용문헌 30