지뢰탐지 실험플랫폼의 진동 특성 해석

Analysis of the Vibration Characteristic for the Mine Detectable Test Platform

Abstract

In this paper, analysis of the vibration characteristic for the mine detectable test platform is described. The test platform system is the multi-sensor mine detectable vehicle. This multi-sensor mine detectable unit is more efficient detection performance than other conventional methods. The test platform system has five subsystems, the UWB(ultra wide band) sensor scanner, the MD(metal detector) sensor scanner, the ND(neutron detector) sensor scanner, and the detectable vehicle. We perform the vibration tests for the test platform and analyze the vibration characteristic, such as the max displacement, the max deformation and the max Von-Misses stress.

1. 서 론

이 논문은 차량을 이용한 지뢰탐지 실험플랫폼의 진동 특성을 분석한 결과에 대해 설명한다. 차량을 이용하여 지뢰탐지를 수행할 수 있도록 UWB(ultra wide band, 초광대역)센서, MD(metal detector, 금속탐지)센서 및 중성자센서 등의 다중센서장치들을 차량인 실험플랫폼에 배치 및 장착하여 이동중에 금속지뢰, 비금속지뢰 등을 탐지할 수 있도록 지뢰탐지장치의 실험플랫폼 시스템을 나타낸다. 실험플랫폼 시스템은 UWB센서/MD센서/중성자센서 스캔구동제어부, 탐지차량으로 구성된다. 보도자료에 따르면 국내에 계획지뢰지대 1,100개소, 미확인지뢰지대 208개소에 지뢰 97만 5천발이 매설된 것으로 추정되고 있고, 그 면적은 여의도의 18배에 이르고 있다(1). 매설면적은 11,782만m2으로 추정되고 있으며, 연간 제거능력을 20만m2이라 가정할 경우 단순 수치적 계산으로도 매설된 지뢰의 완전제거에 약 589년이 소요될 것으로 추정된다. 그러나 현재 국가가 시행하고 있는 지뢰 제거법은 수목을 제거하고 표토를 제거하는 방식으로 이뤄지다보니, 환경을 심각하게 훼손하는 방식으로 수행되고 있다(1). 또한 기존의 재래식 방법인 금속탐지기와 중장비에 의존한 방법은 오경보가 발생 빈도가 높으며, 비금속지뢰의 탐지가 어렵고, 지뢰제거작업속도가 매우 느린 한계를 지니고 있다. 그러므로, 다중센서를 차량에 장착하여 이동하면서 보다 넓은 범위의 매설 지뢰를 신속히 탐지하기 위한 시스템이 필요한 실정이다. 최근에는 임펄스 방식의 UWB 레이더의 고해상도 기술을 접목한 지표투과레이더가 해외 선진사들을 선두로 개발되고 있으며, 이를 적용한 멀티센서(초광대역/자성) 기반 지뢰탐지장치가 매설된 지뢰 탐지에 운용되고 있다. 멀티센서 방식은 현재 운용중인 지뢰탐지장치 중 가장 우수한 성능을 만족하는 것으로 보고되고 있다(2,3).

따라서 이 논문에서는 복합센서 기반인 UWB 센서, MD 센서, 중성자 센서를 탐지차량에 장착하고 멀티센서들을 기계적 스캔구동을 통하여 구동시키면서 차량의 이동중에 매설된 다양한 지뢰의 탐지를 위한 실험플랫폼 시스템을 설명하고 실험플랫폼의 진동특성에 대해 측정 및 분석한다.

 

2. 본 론

2.1 실험플랫폼 시스템 형상

실험플랫폼 시스템은 지뢰탐지센서의 성능 및 기능 시험을 위한 것으로 지뢰탐지센서 구성품들의 탑재 및 탐지차량의 이동중에 지뢰를 탐지할 수 있도록 하는 시스템이다. 실험플랫폼 시스템은 탐지차량부, UWB센서 스캔구동제어부, MD센서 스캔구동제어부, 중성자센서 스캔구동제어부로 구성된다. 지뢰탐지 실험플랫폼 시스템 구성도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1Mine detectable test platform system

(1) UWB센서 스캔구동제어부

UWB센서 스캔구동제어부는 비금속지뢰까지 탐지할 수 있는 UWB레이더 센서를 스캔구동제어부에 장착한다. 탐지하려고 하는 지면을 UWB센서가 지향하도록 스캔구동제어하며 탐지차량 이동시 발생할 수 있는 여러 조건들에 대응하여 UWB센서를 지면과 일정한 높이로 유지토록 구동한다.

UWB센서 스캔구동제어부는 유압실린더, 모터, 감속기, 엔코더, 기구적 브라켓 등으로 구성되며, 형상은 Fig. 2와 같다.

Fig. 2UWB sensor scan control driver

(2) MD센서 스캔구동제어부

MD센서 스캔구동제어부는 금속지뢰를 탐지할 수 있는 MD(자성)센서를 스캔구동제어부에 장착한다. 탐지하려고 하는 지면을 MD센서가 지향하도록 스캔구동제어하며 탐지차량 이동시 발생할 수 있는 여러 조건들에 대응하여 MD센서를 지면과 일정한 높이로 유지토록 구동한다. MD센서 스캔구동제어부는 모터, 액추에이터, 기구적 플레이트로 구성되며, 형상은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3MD sensor scan control driver

(3) 중성자센서 스캔구동제어부

중성자센서 스캔구동제어부는 탐지된 지뢰가 폭발성이 있는지 없는지에 대해 최종적으로 탐지할 수 있는 중성자센서를 스캔구동제어부에 장착한다. 탐지된 지뢰의 위치에 스캔구동하여 중성자센서를 위치시켜 폭발성 유무를 탐지한다. 중성자센서 스캔구동제어부는 모터(수평, 수직), 감속기(수평, 수직), 리니어 스테이지, 볼스크류 조립체, 기구적 하우징으로 구성된다. 상세 형상은 Fig. 4와 같다.

Fig. 4ND sensor scan control driver

(4) 탐지차량부

탐지차량부는 상용트럭을 사용하여 각 구성품들을 안전하게 장착하고 이동하면서 지뢰탐지 작업을 수행하게 된다. 탐지차량부 형상은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5Detectable vehicle

2.2 진동 측정

지뢰탐지 실험플랫폼 시스템에는 UWB센서/MD센서/중성자센서로 구성된 센서가 있으며, 탐지차량 위에는 센서 및 구조물의 구동을 위한 유닛들이 장착 된다. 센서 및 유닛은 그 종류에 따라 진동에 취약한 특성을 나타내며 지뢰탐지 및 센서구동에 영향을 미친다. 이를 방지하기 위하여 이 연구에서는 탐지차량 및 공압 압축기와 발전기에서 발생하는 진동을 측정했다(4~6).

진동 검출 센서는 PCB 356A08 3축 가속도계를 사용하고 데이터 획득 및 신호 처리 시스템은 B&K 3560C+B&K PULSE를 사용한다. 획득 데이터는 시험체 정상작동상태에서 수집된 진동 신호를 30초간 선형 평균한 스펙트럼 분석으로 주파수 범위 0~1600 Hz 주파수 분해능 0.5 Hz이며 시간가중 함수는 Hanning 신호 겹침은 75 % overlap하여 처리한다.

Fig. 6(a)는 발전기로 총 5point에서 진동량을 측정하여 Table 1에 나타낸다. 발전기 내 디젤 엔진에서 발생하는 진동은 발전기 하단의 #4위치에서 가장 큰 값을 나타내며, 방진고무를 통하여 #5의 값으로 차량에 전달된다. 방진고무를 통하여 X방향의 진동값을 4 g이상 저감하였으며, Z방향의 진동값을 0.7 g이상 저감함을 알 수 있다. 방진고무를 통해 저감된 진동값 #5의 값을 차량해석에 적용한다. Table 2는 Fig. 6(b)의 압축기의 motor와 cylinder 위치 측정한 진동량을 표기한다. 압축기의 cylinder 위치에서 보다 큰 값의 진동량이 측정 되었으며, 해석 적용 시 #1의 값을 사용한다. Fig. 6(c)의 탐지차량의 총 9point에서의 가속도를 측정한다. 차량의 엔진에서 발생하는 진동량을 측정하기 위하여 엔진과 직접 연결되어 있는 #9의 위치와 차량 전체에 전달되는 진동값을 알아보기 위하여 #1~#8까지의 값을 측정한다. Table 3은 그 값을 나타낸 것으로 엔진과 가까운 #9에서 X방향으로 약 0.067 g, Y방향으로 약 0.266 g, Z방향 0.151 g값이 측정되었다.

Fig. 6Position of accelerometer

Table 1Vibration test @ generator(unit : G)

Table 2Vibration test @ compressor(unit : G)

Table 3Vibration test @ car(unit : G)

2.3 진동 해석

지뢰탐지 실험플랫폼 시스템에 장착되는 센서 및 센서를 구동하기 위한 구조물은 고하중에 큰 변위를 가지는 시스템으로 구조물 안정성에 큰 영향을 주고 차량, 발전기 및 압축기 등에서 발생하는 진동에 취약 할 수 있다. 또한 차량에 탑재되는 플랫폼 장착 유닛의 경우 고하중을 가지는 발전기를 포함하여 총 무게만 3000 kg 이상이며, 이를 장착하기 위해서는 강건한 플랫폼의 설계 및 장착 유닛의 적절한 배치가 필요하다.

이 연구에서는 지뢰탐지 실험플랫폼 시스템 전체 모델을 유연체 동역학 모델을 구성하여 차량 및 시스템의 내구성 및 진동응답을 계산하고, 결과를 반영하여 설계변경 및 해석을 수행하며 구조적 강건성을 가지는 지뢰탐지 실험 플랫폼 시스템을 설계한다.

(1) 프로토타입 모델

UWB센서/MD센서/중성자센서 및 탐지차량을 포함한 장착 유닛을 Fig. 7과 같이 구성하여 프로토타입 모델(prototype model)을 구성한다. DAFUL 해석툴을 이용하여 차량 및 플랫폼의 안정성 해석을 위해 차량의 프레임, 플랫폼, 센서 구동부를 유연체 모델로 구성하고 앞서 측정한 진동 데이터를 이용하여 각 해당 위치에 직접 가진하는 방식으로 해석을 진행한다(7).

Fig. 7Analysis model

- 최대 처짐량 해석

해석에 사용된 Fig. 7의 analysis model은 차량 및 실험플랫폼의 하중을 두 개의 차량 메인프레임이 지지하고 있으며, 메인프레임은 6개의 타이어에 의해 지면에 고정되어 있다. 즉, 차량의 메인프레임은 차량 및 실험 플랫폼의 전체 하중을 견디는 동시에 차량 및 실험 플랫폼에서 발생하는 진동을 각 센서 및 실험 플랫폼에 전달한다. Fig. 8은 각 센서 위치에서의 최대 처짐 량을 나타내고 있다. UWB센서는 최대 23.3 mm, MD센서 4.00 mm, 중성자 센서 56.69 mm로 UWB 센서와 중성자센서가 과도한 처짐량을 나타내고 있다. UWB 센서가 장착된 로봇암형태의 팔의 길이가 길고 다관절로 이루어져 있어 처짐량이 크고 두 개의 팔이 각각의 구동력에 의해 구동하는 구조로 UWB 센서의 비틀림이 발생 할 수 있다. 이는 센서의 정밀도에 영향을 끼칠 가능성이 있으며 구조물의 안정성에도 영향을 끼칠 것으로 보인다.

Fig. 8Max deformation

- 센서부 구조 강성

UWB 센서의 로봇 암의 경우 SS440C와 A6061 두 가지 재질로 구성되며 Fig. 9와 같이 UWB 센서를 지지하기 위하여 차량 프레임에 체결되어 있는 UWB 센서 장착대(SS440C)는 최대 Von-Misses Stress가 96.05 Mpa로 재료의 탄성한도를 넘지 않으며, UWB 센서 로봇암(SS40C) 또한 최대 응력 83.21 MPa로 탄성한도를 넘지 않는다. 중성자 센서 장착대의 경우 고하중을 가지는 중성자 조립체가 차량의 끝단에 설치되어 과도한 처짐과 동시에 차량 플랫폼과 연결되는 부위에서 UTS의 2.14배 해당하는 419.54 MPa의 응력이 집중되어 발생하는 것을 알 수 있다. 이를 개선하기 위해서는 차량 플랫폼과 중성자 센서 장착대 연결부를 보강하고 끝단에 위치한 구동부를 최대한 차량과 가까이 설계하여 끝단에서 생기는 모멘트를 최소화하는 방법이 유효할 것으로 보인다.

Fig. 9Max Von-Misses stress

- 차량 프레임 및 플랫폼 구조 강성

센서의 구동 및 제어를 위한 발전기, 각 센서의 제어랙, 공압유닛, 유압유닛 배전반 등 크게 8개의 유닛이 차량 플랫폼위에 장착된다. 각 유닛의 안정적인 장착 및 구동을 위해서는 차량 플랫폼이 중요하다. 이 해석에서는 차량 플랫폼 및 차량 프레임의 구조 해석을 통하여 구조적 취약점을 파악하고 설계에 반영하도록 한다. Fig. 10과 같이 차량 플랫폼(SS440C)은 차량의 프레임이 끝나는 지점과 만나는 부분에서 응력이 집중되며 UTS의 1.06배에 해당하는 209 Mpa의 최대 응력을 나타낸다. 이는 차량 플램폼이 차량의 길이에 비하여 길게 설계됨과 동시에 차량 끝단에 중성자 센서 및 장착대에 의하여 과도한 하중이 부가되어 차량 프레임이 끝나는 지점에서 차량 플랫폼이 최대 응력이 발생한다. 이를 개선하기 위해 차량 플랫폼의 길이를 줄이고 차량 프레임을 확장하여 설계하는 것이 바람직하다.

Fig. 10Max Von-Misses stress

또한 차량 프레임(ATOS55)은 차량용 특수강을 사용하고 있는 고강도 프레임이며 이 해석에서는 차량 프레임 좌측에 UTS의 0.95배 해당하는 231.07 MPa이 발생하고, 차량 프레임 우측에서는 UTS 약 1.44배에 해당하는 369.40 MPa의 최대 응력이 발생한다. 최대 응력이 발생한 위치를 살펴보면 고하중을 가진 발전기 하단 위치임을 알 수 있다. 특히 발전기가 차량의 우측으로 치우쳐 배치가 되어 차량 우측 프레임에 과도한 응력이 집중된 것을 알 수 있다. 이를 방지하기 위하여 발전기 및 유닛의 배치를 적절히 하여 하중이 분산되도록 해야 한다.

- 센서부 진동 응답

Fig. 11은 차량 및 발전기, 압축기 위치에서 측정한 데이터를 해석모델에 직접 가진하고 각 센서의 끝단 위치에서 변위 및 가속도를 측정한 그래프이다. 앞서 처짐량 해석 결과와 마찬가지로 UWB 센서와 중성자 센서의 처짐에 의한 진동 형태로 나타나며 특히 UWB 센서의 경우 차량 진행방향인 Y축과 중력방향 Z축이 동시에 진동하고 있음을 알 수 있다. UWB 센서 및 중성자 센서 지지부의 강성이 약하여 차량에서 전달되는 진동의 영향보다 저주파인 처짐에 의한 진동이 두드러지게 나타나고 있다.

Fig. 11Sensor vibration

(2) 개선 모델

앞에 진행했던 DAFUL 해석툴을 이용한 해석결과를 참고로 하여 개선된 지뢰탐지 실험플랫폼을 Fig. 12와 같이 구성한다. 먼저, UWB 센서 로봇암의 장착대를 경량화, 로봇암의 지지점을 변경, 로봇암 재질을 변경하고 중성자 센서 장착부와 플랫폼 사이 구조를 보강하고 중성자 센서 구동부를 차량과 최대한 밀착시켜 구조적 안정성을 향상시킨다. 차량 프레임 및 플랫폼의 경우 차량 프레임을 최대한 확장시키고 플랫폼의 좌우 비틀림을 막기 위하여 플랫폼에서 차량 프레임에 직접 연결되는 보강대를 추가 설계한다. 또한 플랫폼에 장착되는 유닛의 배치를 적절히 변경하여 집중되는 하중이 없도록 한다(8,9,10).

Fig. 12Analysis model

- 최대 처짐량

UWB 센서암 및 지지부 변경하여 Fig. 13과 같이 최대 처짐량 6.33 mm으로 줄이고, 두 개의 로봇팔 사이에 보강대를 설치하여 비틀림을 방지한다. 중성자 센서 지지부 및 플랫폼 연결부를 변경하고 중성자 센서의 중량을 최소화하여 최대 처짐량 5.20 mm으로 처짐량을 줄이고 구조적 안정성을 확보한다.

Fig. 13Max deformation

- 센서부 구조 강성

UWB 센서 장착대 및 센서암 변경 후 장착대에서의 최대 응력 62.45 MPa 센서암에서 30.52 MPa으로 시스템 전체에 있어 충분한 강성을 가지고 있어 추후 경량화를 위한 설계 변경에 여유를 두고 진행 할 수 있다. 또한 차량 플랫폼과 중성자 장착대 사이에 과도하게 집중되었던 응력은 나타나지 않으며 중성자 센서와 장착대의 연결부위에서 최대 응력 41.19 Mpa이 나타나 각 센서 및 센서 장착대에서 구조적 안정성을 확보한다(Fig. 14).

Fig. 14Max Von-Misses stress

차량 프레임 및 플랫폼에서 동하중 부가 시 걸리는 응력을 알아본다. 변경 전 모델에서 발생하였던 플랫폼과 차량 프레임이 접촉되는 구간에서 집중되었던 응력은 차량 프레임의 확장으로 응력 집중이 나타나지 않으며 차량 플랫폼 끝단 좌측 위치에서 최대 응력 153.41 MPa이 나타나고 있다. 차량 프레임의 경우 장착 유닛의 위치를 변경하여 과도한 하중의 집중을 피하였으며 그 결과 차량 프레임의 응력이 좌(157.01 MPa), 우(165.93 MPa) 고르게 나타나며 차량 프레임(ATOS55) UTS의 0.62배로 안전율 약 1.4의 안정성을 확보한다(Fig. 15).

Fig. 15Max Von-Misses stress

- 센서부 진동 응답

지뢰 탐지 차량의 진동 응답 해석을 위하여 Fig. 16과 같이 차량의 엔진룸 근처 point #9 ,압축기 상단 point #1, 발전기 하단 point #5 위치에서 측정한 데이터를 시간영역의 데이터로 변환하고 해당하는 위치의 구조물에 가속도 형태의 진동을 부가한다(9).

Fig. 16Vibration test & analysis

그 결과를 Fig. 17과 같이 각 센서부에서 진동 응답을 얻어낸다. UWB 센서의 경우 차량의 전진 방향과 중력 방향으로 약 6.5 Hz의 주파수로 진동하며 자성센서 7 Hz, 중성자 센서 7.5 Hz의 주파수로 진동한다. 가속도 응답을 살펴보면 해석 0.1초 내 구간에서 큰 가속도 응답을 나타낸다. 이는 실제 차량의 시동이나 시스템의 운용 시 과도응답으로 표현될 수 있으므로 실제 지뢰탐지 실험플랫폼의 운용시에 과도응답구간이 지난 뒤에 탐지측정을 시작하면 될 것으로 사료된다.

Fig. 17Sensor vibration

 

3. 결 론

이 논문에서 지뢰탐지 실험플랫폼의 진동특성에 대해 직접 진동 특성을 측정하고 모델링하여 실험플랫폼의 진동특성을 해석하였다. 그 결과를 설계방안에 적용하여 문제되는 부분을 개선한 모델을 설계하였으며 복합센서 기반인 UWB 센서, MD 센서, 중성자 센서를 탐지차량에 장착하고 복합센서들을 기계적 스캔구동을 통하여 구동시키면서 차량의 이동 중에 매설된 다양한 지뢰의 탐지를 위한 실험플랫폼 시스템은 기존의 지뢰탐지기의 여러 가지 단점들을 해결하고 다양한 지뢰에 대한 탐지성능을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구를 통해 확보한 기술은 매설된 폭발물의 탐지에 대해 신속성과 정확성을 향상시킬 것이다.

 

—기 호 설 명—

fd : 외란주파수(disturbance frequency) fn : 고유진동수(natural frequency) T : 전달률(transmissibility) Δs : 정적처짐