A variety of vehicle simulators such as the automobile, flight, tank, motorcycle and ship simulators have been developed and are becoming widely used for testing of design, evaluation of environments, training for driving, entertainment and so on. Even though many investigators have studied various riding simulators, there are just a few works related to two-wheeled and human-powered simulators such as the bicycle simulator. One of the challenging problems with the bicycle simulator is to deal with the inherent unstable dynamics of the bicycle that is coupled with the human rider’s motion. Another is the real time simulation of human-controlled and powered vehicles moving in a virtual environment, including more realistic motion generation through a motion system.
In this thesis, a six dof(degree of freedom) spring-supported Stewart platform was designed and used as a motion system for KAIST bicycle simulator. The spring support system was set up between the lower and upper platforms to compensate static load due to bicycle system, rider and so on. A sliding mode controller that is well known as model-based control strategy using only single PC processor is employed for high control performance for realistic motion feeling. For the model-based controller, the dynamic model of the spring-supported Stewart platform including actuator dynamics is derived by analytical and experimental methods. In analytical method, the principle of virtual work is used to formulate the dynamic equations of motion in order to increase the computational efficiency. In the derivation, the coordinates for the spring support system are different from the actuator coordinate system in order to avoid the formulation singularity. In experimental method, the dynamic parameters of the actuator such as a Coulomb friction, damping are measured, and verified by using load cell attached to the end of actuators.
For the bicycle dynamics and the real time simulation, it is necessary to identify the control inputs from the rider as well as the environments. The steering and pedaling torques can be measured directly by using torque sensor and the virtual environments such as configuration of the ground can be generated and provided by a visual system. However the direct measurement of rider’s body action force that has a large effect on the bicycle motion is not practical. Instead, the action force may be well estimated from six control forces of the motion system that the bicycle system is mounted on. If the spring-supported Stewart platform was well modeled, the action forces from the rider can be regarded as an external perturbation from the viewpoint of the Stewart platform control. A sliding mode controller incorporated with perturbation estimation is developed here to estimate external perturbation due to rider’s action as well as reduce the low-frequency tracking error. In each actuator, the perturbation from a rider is estimated by actuating force according to the controller and then it is transformed to six dof perturbation wrench. Among the perturbation wrench, the rolling moment, which plays the most important role on the bicycle motion is focused on. And, the influence of the estimation error of rolling moment on the bicycle motion is investigated through the bicycle dynamics used in the bicycle simulator. The estimated rolling moment can be utilized as one of the important inputs from the rider for the bicycle simulator.
In conclusion, it is shown that a simulator rider’s action forces can be well estimated by using the control forces of motion system without any direct measurement and the motion system shows a good tracking performance irrespective of the perturbation from the simulator rider.
차, 비행기, 탱크, 오토바이, 배 등 다양한 종류의 승용구 시뮬레이터가 개발되어 새로운 설계에 대한 시험, 환경에 대한 평가, 운전 교육, 오락 등에 광범위하게 사용되고 있다. 많은 연구자들에 의해서 여러 가지 종류의 승용구 시뮬레이터에 대한 심도 있는 연구가 진행되어 왔지만, 자전거와 같이 두 바퀴를 가지며 운전자에 의해 동력을 얻는 승용구를 대상으로 한 시뮬레이터 연구는 소수에 지나지 않았다. 여러 가지 자전거 시뮬레이터 관련 연구 중에서 특히 흥미를 끄는 것 중의 하나가 운전자의 움직임과 연성된 자전거 동역학에 관한 것이고, 또 다른 하나가 운동 장치를 통한 좀더 사실적인 운동 재현을 포함하는 가상 환경을 움직이는 자전거에 대한 실시간 시뮬레이션이다.
본 연구에서는 KAIST 자전거 시뮬레이터를 위한 운동 장치로 스프링 지지 스튜워트 플랫폼을 설계하여 적용하였다. 운전자, 자전거 시스템, 햅틱 시스템 등에 의한 정하중을 보상하기 위하여 플랫폼의 상하판 사이에 스프링 지지 시스템을 설치하여 스튜워트 플랫폼의 용량을 자전거 시뮬레이터용 운동 장치로 사용하기에 적합한 정도인 150kgf로 증가시켰다. 현실감 있고 강인한 제어 성능을 얻기 위해 시스템 모형을 기저로 하는 슬라이딩 모드 제어기가 실시간 OS인 QNX 환경하의 단일 PC 프로세서만을 이용하여 구현하였다. 모형을 기반으로 하는 제어기 설계를 위해서 액추에이터 동역학을 포함하는 스프링 지지 스튜워트 플랫폼의 동역학 모형을 해석적인 방법과 실험적인 방법을 병행하여 사용하였다. 해석적인 방법으로 계산 효율이 높아 실시간 제어에 많이 쓰는 가상일의 원리를 이용하여 운동방정식을 유도하였다. 유도 과정에서 스프링 지지 시스템을 기술하기 위한 좌표계 시스템은 형식화 특이점(formulation singularity)을 피하기 위해서 일반적으로 많이 통용되는 액추에이터를 기술하기 위한 좌표계 시스템과는 다른 방식으로 설정하였다. 그리고, 자전거 시스템의 관성 모멘트와 쿨롱 마찰, 댐핑 계수와 같은 액추에이터의 내부 동특성 인자들은 실험적인 방법으로 구하였으며, 액추에이터 끝단에 부착된 로드셀을 통해서 얻어진 모형의 타당성을 검증하였다.
자전거 동역학과 실시간 시뮬레이션을 위해서 가상 환경과 운전자로부터 입력되는 제어 입력의 규명이 필요하다. 조향 토크, 페달링 토크는 토크 센서 등을 사용하여 직접적인 측정이 가능하고, 지면의 종류와 형상과 같은 가상 환경은 시각 시스템에서 재생되어 동역학 계산에 필요한 데이터를 제공한다. 그러나, 자전거 운동에 큰 영향을 미치는 운전자 몸체 작용력의 직접적인 측정은 실용적이지 못하다. 대신에, 간접적인 방법으로 자전거 시스템이 장착된 스피링 지지 스튜워트 플랫폼 형태의 운동 장치 제어력을 이용하여 운전자의 작용력을 추정할 수 있다. 자전거 시스템, 액추에이터, 상판 등을 포함하는 스프링 지지 스튜워트 플랫폼이 충분히 정확히 모형화 되어 그 오차가 운전자의 작용력에 비해서 상당히 작다면 운전자의 작용력은 운동 장치 제어의 관점에서는 유일한 외란으로 간주될 수 있다. 외란에 대해서 강인한 특성을 지닐 뿐만 아니라 저주파수 추종 오차를 줄이며 외부 교란 추정을 위해서 교란 추정기를 가지는 슬라이딩 모드 제어기를 제안하였다. 제안된 제어기와 앞서 구한 플랫폼의 동역학 모형을 사용하여 자전거 시뮬레이터용 운동 장치로는 충분한 추종 제어 특성을 나타낸다는 것을 실험적으로 확인하였다. 또한 플랫폼의 각 액추에이터에서는 운전자로부터의 교란은 교란 추정기를 갖는 제어기의 제어력을 통해 추정되어 6 자유도 교란 렌치(wrench)항으로 변환하였다. 6 자유도 교란 렌치 항 중에서 자전거 동역학에 가장 큰 영향을 미치는 롤 모멘트가 중점적으로 다루어져서 운전자의 1Hz의 롤 모멘트가 그 크기 10%정도의 오차만을 가지고 잘 추정하는 것을 확인하였다. 그리고 이러한 롤 모멘트의 추정 오차가 자전거 운동에 미치는 영향이 KAIST 자전거 시뮬레이터에 사용된 자전거 동역학 시뮬레이션을 통해서 조사되어 그 롤 모멘트의 추정 오차정도로 자전거 운동의 오차를 유발시킨다. 추정된 롤 모멘트는 KAIST 자전거 시뮬레이터에서 운전자로부터 중요한 입력 중의 하나로 사용되고 있다.
결론적으로 시뮬레이터 운전자의 작용력을 직접적인 측정 없이 운동 장치의 제어력을 이용하여 추정하였으며, 그 운전자로의 움직임에 의한 교란에 관계 없이 아주 우수한 제어 성능을 발휘하였다.
