A Study on the Creating Metaverse Service Platform for Web-based Vehicle Dynamics Simulation

웹 기반 차량동역학 시뮬레이션을 위한 메타버스 서비스 플랫폼 구축에 관한 연구

Abstract

Recently the car tuning has become a trailblazing and creative culture that expresses the personality of the owner. In this paper, the "Car-Vatar", which is the compound word formed from the words "Car" and "Avatar", has been developed to investigate car tuning on the metaverse engineering platform. The Car-Vatar has been developed as a web-based vehicle dynamic simulation service for providing information about car tuning. That has been focused on investigating diverse vehicular performances, such as acceleration, braking, handling and fuel efficiency, according to the tuning vehicles and tuning parts on the virtual engineering platform. The Car-Vatar platform has provided two major services; one is real-time 3D tuning information system for the dress-up and performance-up tuning parts, the other is diverse vehicle dynamics system for the performance-up tuning parts. To check the validation of the Car-Vatar platform, the comparison between virtual simulation results and driving test results has been discussed on various driving environments.

1. 서론

자동차는 기존 운송수단의 개념에서 소유자의 개성을 창의적으로 표현할 수 있는 문화의 개념으로 발전하고 있다[1]. 해외의 선진 자동차 업체에서는 튜닝(tuning) 전문기업과 협업하여 다양한 튜닝 버전의 차량을 개발하고 있으며, 튜닝 부품에서도 파워-업(power-up), 퍼포먼스-업(performance-up), 드레스-업(dress-up)부품으로 세분화되어 고부가가지 산업으로 성장하고 있다.

일반적인 차량 및 주요 부품의 성능을 예측하고 분석하기 위한 수학적 차량동역학 모델(vehicle dynamic model)은 해석 목적, 용도 및 취득 가능한 데이터에 따라 운동 자유도(degrees of freedom) 가 작은 선형 모델(linear model)에서부터 상용 소프트웨어를 활용하여 자유도가 수십에서 수백에 이르는 다물체 동역학 모델(multi-body dynamics model), 그리고 부품 특성이 아닌 시스템의 특성 데이터에 의한 집중 질량 모델(lumped mass model) 등이 있다. 다물체 동역학 이론을 이용하여 차량동역학 모델의 자유도가 높을 경우, 차량과 부품의 다양한 거동 및 동적 특성을 정확히 해석할 수 있으나, 차량을 구성하는 다양한 부품의 자세한 특성 및 수많은 파라미터가 정확히 요구되는 단점이 있다[2].

다물체 차량동역학 해석을 바탕으로 차량의 다양한 운동 동특성 및 부품 설계에 관련한 CAE (Computer-Aided Engineering) 연구[2-6]가 있었지만, 애프터마켓에서 판매되는 튜닝 부품을 대상으로 웹 기반의 차량동역학 시뮬레이션 해석 및 분석에 관한 연구는 미진한 실정이다. 또한 자동차 튜닝은 소비자가 원하는 차량의 외관이나 성능을 위하여 튜닝 부품을 장착하게 되지만, 소비자는 튜닝 부품에 대한 객관적 정보를 얻기 어려우며 대상차량 장착 시의 차량 동특성을 예측하기 어려운 실정이다.

이에 본 연구에서는 메타버스 엔지니어링 플랫폼 기반으로 자동차 튜닝 연구를 위한 카바타 (Car-Vatar) 서비스 플랫폼을 개발하고자 하였다. 카바타는 “Car”와 “Avatar”의 합성어로, 자동차튜닝에 대한 정보를 제공하는 웹 기반 차량동역학 시뮬레이션 서비스로 정의하였다.

2. 차량 및 부품 데이터베이스

본 연구에서는 Table 1과 같이 카바타 서비스플랫폼의 기준 차량으로 2종류의 승용차를 선정하였다. 3D 스캐너와 리버스 엔지니어 방법론을 이용하여 기준 차량의 다물체 차량동역학 모델은 Fig. 1과 같이 구성하였다.

Table 1. Reference vehicles

Fig. 1 Multi-body vehicle dynamics model

차량동역학 모델 구성에서 각 파라미터들은 Fig. 2와 같이 대상차량의 하드포인트 및 주요 부품의 형상은 3차원 역설계를 통하여 구성하였으며, 스프링(spring), 댐퍼(damper), 부시(bush), 마운트(mount), 스태빌라이저 바(stabilizer bar), 브레이크(brake), 타이어(tire), 엔진(engine), 변속기(transmission) 등의 부품은 별도의 특성시험을 수행하였다. 또한 대상차량의 특성 파라미터 도출을 위하여 K&C (Kinematics & Compliance) 시험 및 섀시 다이나모미터(chassis dynamometer) 시험을 수행하였으며, ABS(Ati-lock Brake System), ESC(Electronic Stability Control), MDPS (Motor Driven Power Steering) 제어기 구성을 위한 별도의 실차 주행시험을 수행하였다.

Fig. 2 Development process of vehicle dynamic model

또한 본 연구에서는 스프링, 댐퍼, 스태빌라이저 바, 휠 스페이서(wheel spacer), 브레이크 디스크(disc), 브레이크 캘리퍼(caliper), 브레이크 패드(pad), 휠(wheel), 타이어 등 9종의 퍼포먼스업 튜닝 부품을 선정하였다. 각 튜닝 부품은 Table 2와 같이 각각의 특성 테스트를 통해 수행된 3종류의 모델로 분류하였다. 이 외에도 본 연구에서는 데칼, 엠블럼, 안테나, 머플러, 에어댐, 사이드스커트, 스포일러, 램프, 카스킨 등 10종의 드레스업 튜닝 부품을 정리했다. 각 드레스-업튜닝 부품은 3D 스캐닝으로 완성된 5종류의 모델로 구성하였다.

Table 2. Reference and tuning parts

3. 카바타 서비스 플랫폼

본 연구에서는 웹 기반 차량동역학 시뮬레이션을 위한 카바타 서비스 플랫폼을 Fig. 3과 같은 아키텍처(architecture)로 구성하였다[6]. 이는 Fig. 4 와 같은 메타버스 엔지니어링 환경에서 드레스-업과 퍼포먼스-업 튜닝부품을 위한 실시간 3D 튜닝정보 시스템(3D tuning information system) 및퍼포먼스-업 튜닝 부품을 위한 차량동역학 시뮬레이션 시스템(vehicle dynamic simulation system) 으로 구성된다.

Fig. 3. Architecture of the Car-Vatar service platform

Fig. 4 Metaverse environment for the Car-Vatar

3D 튜닝 정보 시스템은 Fig. 5(a)과 같이 드레스-업 및 퍼포먼스-업 튜닝 부품과 함께 실시간 3D 그래픽 인터페이스로 튜닝 차량을 분석할 수있는 시스템이다. 이러한 튜닝 부품은 웹 환경에서 3D 지오메트리와 엔지니어링 사양 정보를 모두 포함하고 있다. 결과적으로 카바타 사용자는 선택된 드레스-업 및 퍼포먼스-업 튜닝 부품을 사용하여 기준 차량 대비 다양한 튜닝 차량 어셈블리를 특화시킬 수 있다.

Fig. 5 Main functions for the Car-Vatar

차량동역학 시뮬레이션 시스템은 Fig. 5(b)와 같이 기준 차량 대비 튜닝 차량의 다양한 R&H(Ride & Handling) 성능[7-8]을 분석하기 위한 시스템이다. 이는 퍼포먼스-업 튜닝 부품에 따른 다물체 차량동역학 해석 결과를 웹 기반으로 제공한다. 이를 위하여 8가지 성능 지표(performance index)를 선정하였으며, 가속 성능 지수, 제동 성능 지수, 선회 슬립 안정성 지수, 선회 롤 안정성 지수, 연비성능 지수, 승차감 지수, 차량/부품 진동 지수, 부품 내구 지수 등과 같다. 따라서 카바타 사용자는 기준 차량과 부품 대비 튜닝 차량/부품 간의 차량동적 성능을 비교/분석할 수 있다.

또한 본 연구에서 카바타 서비스는 Fig. 6과 같이 일반인용과 전문가용 서비스로 세분화하여 구 성하였다. 일반인용 서비스는 소비자가 튜닝부품을 구매할 때 가상환경에서 튜닝부품의 성능을 예측하여 튜닝부품 선택에 도움을 주기 위함이다. 전문가용 서비스는 튜닝 전문기업 및 튜닝 전문가의 튜닝부품 설계 시에 튜닝부품의 성능/내구성을 예측하여 튜닝부품 연구개발을 지원하기 위함이다.

Fig. 6 Normal and expert modes of the Car-Vatar

4. 카바타 서비스 플랫폼 활용 성능 분석

카바타 서비스 플랫폼에서 다물체 차량동역학 시뮬레이션 시스템의 유효성을 확인하기 위해, Fig. 7(a)와 같이 실차 주행시험을 수행하였다. 대상차량의 동특성 계측을 위하여, 스티어링 로봇, GPS(Global Positioning System), IMU(Inertial Measurement Unit), WFT (Wheel Force Transducer) 및 다수의 센서를 장착하였다. Fig. 7(b)는 대상차량의 기준 차량에 대한 이중차선변경(double lane change) 시험 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 7 Driving test on the proving ground

실차 주행시험 결과를 바탕으로 본 연구에서 개발한 카바타 서비스 플랫폼의 차량동역학 시뮬레이션 시스템의 결과 비교는 Table 3과 Table 4 와 같다. 2가지 기준 차량의 가속 성능 지수, 제동 성능 지수, 선회 슬립 안정성 지수, 선회 롤안정성 지수를 분석한 결과, 전제적으로 6% 이하의 오차율로 분석되었다. 이를 통하여 본 연구에서 구성한 차량동역학 모델의 정확도와 결과 검증을 수행할 수 있었다.

Table 3. Verification for the full-size sedan

Table 4. Verification for the compact sedan

또한 개발된 카바타 서비스 플랫폼을 활용하여9종의 퍼포먼스-업 튜닝 부품에 대한 차량동역학시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통하여 다양한 튜닝 부품 장착에 따라 차량의 동특성에 미치는 효과를 분석할 수 있었다. 대표적으로 차량의 선회롤 안정성에 영향을 미치는 분석 결과는 Fig. 8과 Fig. 9와 같으며, 2가지 기준 차량에서 이중차선변경 모드에서 스태빌라이저 바 튜닝 부품이 피크 대 피크 롤 각(roll angle) 감소에 영향을 미쳐스프링 튜닝 부품보다 더 크게 감소함을 나타내었다. 이를 통하여 선회 롤 안전성에 영향을 미치는 튜닝 부품을 선정할 수 있는 기준을 설정할수 있었다.

Fig. 8 Tuning Part Effects for the full-size sedan

Fig. 9 Tuning Parts Effects for the compact sedan

5. 이용자 만족도 조사 결과

본 연구에서는 카바타 서비스 플랫폼의 안정적인 서비스 제공과 이용자의 의견을 반영한 서비스개선을 위해 Table 5와 같이 총 4회의 만족도 조사(총 775명)를 수행하였다. 이를 통해 카바타 서비스의 품질 개선을 수행하고자 하였다. 소비자만족도 조사 항목은 이용자 정보 분석, 튜닝 및 자동차의 관심도 분석, 카바타 서비스의 개선사항 및 컨텐츠 개발 정보 수집을 위해 항목을 선정하 고 설문조사를 수행하였다.

Table 5. Comprehensive satisfaction survey results

카바타 시스템의 가장 개선 요구사항으로는 웹구동 속도의 개선이 필요했으며, Fig. 10과 같이그래픽 요소를 사용자 환경에 맞춰 다양하게 제공하는 방법으로 업데이트하였다. 또한 차량 및 부품 특성 데이터베이스에 대한 개방 의견에 따라, Fig. 11과 같은 데이터 마켓 메뉴를 활성화하였다.

Fig. 10 U[dated Car-Vatar service platform

Fig. 11 Database tree of the Car-Vatar service model

6. 결론

본 연구에서는 웹 기반 카바타 플랫폼을 개발하여 드레스-업 및 퍼포먼스-업 튜닝 부품에 적용되는 실시간 3D 튜닝 정보 시스템과 퍼포먼스-업튜닝 부품에 따른 다양한 차량동역학 시뮬레이션시스템을 개발하였다. 이를 통하여 카바타 서비스플랫폼에는 10종의 드레스-업 튜닝 부품이 적용된 그래픽 인터페이스와 가속·제동·핸들링·연비등의 성능 해석이 가능한 9종의 퍼포먼스-업 튜닝부품이 적용된 다물체 차량동역학 해석 결과가 구축되었다. 또한 차량 성능 해석 결과는 실차 주행시험 결과와 비교하여 6% 이내의 오차율로 분석되어 신뢰성을 확보할 수 있었다.

이를 바탕으로 다양한 튜닝 부품 장착에 따른 차량 주요 성능과 튜닝 부품의 영향도 분석을 수행할 수 있었으며, 최종적으로 이용자 만족도 조사를 통한 피드백으로 그래픽 요소의 업데이트와 차량 및 부품 특성 데이터베이스를 제공 가능하도록 플랫폼을 업그레이드 하였다. 향후 카바타를 활용하여 다양한 튜닝부품에 따른 연비 성능지수, 승차감 지수, 차량/부품 진동 지수, 부품 내구 지수 등의 추가적인 분석을 수행할 예정이다.

후기

본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원이 지원하는 미래차 디지털 융합산업 실증 플랫폼 구축 과제(P0018599)의 지원을 받아 수행하였습니다.