KR100892480B1 - System for presuming self-alignment torque - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 곡선 주행을 위하여 조향휠을 회전시켰을 때 그 차륜을 스스로 원래의 직진의 상태로 되돌아가게 하는 토크인 조향 복원토크를 추정할 수 있는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system capable of estimating steering restoration torque, which is the torque that causes the wheel to return to its original straight state when the steering wheel is rotated for curve driving.
최근, 운전자의 피로를 덜고, 부주의나 운전미숙 등으로 인한 교통사고의 방지를 위해 차선 이탈 억제시스템 혹은 차선 유지 시스템의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.Recently, development of a lane departure suppression system or a lane keeping system has been actively conducted to reduce driver fatigue and prevent traffic accidents due to carelessness or immature driving.
이러한 시스템은 평상시 차량이 일정한 차선을 추종하도록 자동 제어를 수행하나, 운전자가 차선을 변경하고자 하는 적극적인 의도가 있는 경우, 운전자의 조향각 수동 제어를 허용할 수 있어야 한다. 이때, 운전자가 차선을 변경하고자 하는지의 여부에 대한 판단은 칼럼이나 래크에 설치된 토크 센서가 이용된다.Such a system performs automatic control so that the vehicle normally follows a certain lane, but should allow manual control of the driver's steering angle if the driver has an active intention to change lanes. In this case, a torque sensor installed in a column or a rack is used to determine whether the driver wants to change lanes.
그러나, 토크 센서에서의 측정값은 운전자가 조향휠에 가한 실제의 조향 토크와 차량의 횡방향 거동에 따라 야기되는 복원 토크(Self-Alignment Torque: Ts)의 합력이기에, 토크 센서에서의 측정값을 이용한 운전자의 의도 판단은 부정확하다. 특히, 조향 복원토크는 차속에 따라 변화되는 강한 비선형성을 갖는 물리량이 기에, 그 부정확성은 더욱 커진다.However, since the measured value in the torque sensor is the sum of the actual steering torque applied to the steering wheel and the self-alignment torque (TS) caused by the lateral movement of the vehicle, the measured value in the torque sensor The driver's intention judgment was incorrect. In particular, since the steering restoration torque is a physical quantity having a strong nonlinearity that varies with the vehicle speed, its inaccuracy is further increased.
따라서, 운전자의 의도에 부합하는 적절한 조향 제어를 위해서는 운전자가 가하는 조향 복원토크의 정확한 측정이 필요하다. 그러나 조향 복원토크는 센서를 이용하여 측정할 수 없으므로 다른 물리량으로부터 추정되어야 한다.Therefore, for proper steering control in accordance with the driver's intention, it is necessary to accurately measure the steering restoration torque applied by the driver. However, steering restorative torque cannot be measured using a sensor and must be estimated from other physical quantities.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 정밀한 조향 제어를 위해 차량 복원토크를 추정할 수 있는 조향 복원토크 추정 시스템을 제공함을 목적으로 한다.The present invention has been proposed to solve this problem, and an object thereof is to provide a steering restoration torque estimation system capable of estimating vehicle restoration torque for precise steering control.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 조향 복원토크 추정 시스템은, 요레이트 센서, 조향각 센서 및 차속 센서를 포함하는 센서부; 상기 요레이트 센서에서 측정된 요레이트 값, 상기 조향각 센서에서 측정된 조향각에 조향기어비가 곱해진 바퀴각, 상기 차속 센서에서 측정된 차속, 및 상기의 측정 요레이트 값과 피드백되는 추정 요레이트 값 간의 오차에 관측기 게인을 곱한 값을 이용하여 횡방향 속도를 추정하도록 설계되며, 상기 관측기 게인은 차속에 따라 스케쥴링되며, 상기 오차가 일정 범위 내로 수렴할 때의 추정 횡방향 속도를 차량의 현재 횡방향 속도인 것으로 추정하는 횡방향 속도 관측기; 및 상기 센서부에서 측정된 값들과 상기 횡방향 속도 관측기에서 추정된 차량의 현재 횡방향 속도를 이용하여, 차속에 따른 차량의 현재 조향 복원토크를 추정하는 조향 복원토크 관측기;를 포함한다.Steering reconstruction torque estimation system according to the present invention for achieving the above object, the sensor unit including a yaw rate sensor, a steering angle sensor and a vehicle speed sensor; Between the yaw rate value measured by the yaw rate sensor, the steering wheel angle multiplied by the steering gear ratio measured by the steering angle sensor, the vehicle speed measured by the vehicle speed sensor, and the measured yaw rate value and the estimated yaw rate value fed back It is designed to estimate the lateral velocity using the error multiplied by the observer gain, the observer gain is scheduled according to the vehicle speed, and the estimated lateral velocity when the error converges within a certain range, and the current lateral velocity of the vehicle. A lateral velocity observer that assumes to be; And a steering restoration torque observer for estimating the current steering restoration torque of the vehicle according to the vehicle speed by using the values measured by the sensor unit and the current lateral velocity estimated by the lateral speed observer.
바람직하게는, 상기 게인값은 일정한 차속 구간별로 스케쥴링되며, 횡방향 속도 관측기는 아래의 수식에 따라 설계된다.Preferably, the gain value is scheduled for each constant vehicle speed section, the transverse speed observer is designed according to the following equation.
한편, 본 발명에 따른 조향 복원토크 추정 시스템은, 정밀 조향 제어가 필요한, 모터에 의한 조향 제어가 되는 차량에 공통적으로 적용될 수 있을 것이다.Meanwhile, the steering restoration torque estimation system according to the present invention may be commonly applied to a vehicle that is subjected to steering control by a motor, which requires precise steering control.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 조향 복원토크 추정 시스템에 따르면, 운전자의 적극적인 의도에 따라 조향휠을 회전시키는 경우 조향 복원토크값을 추정하여 정밀한 조향 제어를 가능하게 하여 운전자의 승차감을 향상시키고 안전운전을 도모할 수 있다.According to the steering restoration torque estimation system having the above-described structure, when the steering wheel is rotated according to the driver's active intention, the steering restoration torque value is estimated to enable precise steering control, thereby improving the driver's riding comfort and driving safety. We can plan.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조향 복원토크 추정 시스템에 대하여 살펴본다.Hereinafter, a steering restoration torque estimation system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
자동주행이 가능하기 위해서는, 도로상황과 차선을 인식할 수 있는 센서, 입력된 도로정보를 계산하고 적절한 제어량(속도, 조향, 브레이크 등)을 출력해주는 제어기, 그리고 이들 제어량들을 실행시켜주는 액추에이터가 필요하다.In order to enable automatic driving, a sensor that can recognize road conditions and lanes, a controller that calculates input road information and outputs an appropriate control amount (speed, steering, brake, etc.), and an actuator that executes these control amounts is required. Do.
도 1은 차량의 주행 중 운동 경로를 보여주는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a movement path during driving of a vehicle.
우선, 도 1에 도시된 각 변수를 설명하면, δf는 차량의 바퀴각, υ는 차량 의 횡방향 속도, γ(Gamma)는 차량의 요레이트(Yaw rate), x는 차량의 초기 진행방향, y는 차량의 횡방향, V는 차속, β는 사이드 슬립 앵글로서 차량의 앞 전륜의 조향휠각에 따른 차량 무게중심에서의 회전각이다. 여기서, 바퀴각(δf)은 조향휠에서 회전하는 조향각(δ)과 조향기어비(n)의 곱으로 표현될 수 있다. 예를 들어, 조향기어비(n)가 18:1 일 때, 조향휠의 조향각(δ)이 18˚이면 바퀴각(δf)은 1˚이다.First, each variable shown in FIG. 1 will be described, where δ f is the wheel angle of the vehicle, υ is the lateral velocity of the vehicle, γ (Gamma) is the yaw rate of the vehicle, and x is the initial traveling direction of the vehicle. where y is the transverse direction of the vehicle, V is the vehicle speed, and β is the side slip angle, and is the angle of rotation at the center of gravity of the vehicle, depending on the steering wheel angle of the front wheels of the vehicle. Here, the wheel angle δ f may be expressed as the product of the steering angle δ rotating at the steering wheel and the steering gear ratio n. For example, when the steering gear ratio n is 18: 1, the wheel angle δ f is 1 ° when the steering angle δ of the steering wheel is 18 °.
도 1을 참조하여 조향 복원토크의 추정을 위한 차량의 운동 경로를 살펴보면, 코너링을 시작하는 차량의 횡방향 운동은 힘 평형 방정식 및 모멘트 평형 방정식을 이용하여 아래와 같이 모델링될 수 있다. 다만, 코너링 포스가 일정하다고 가정한다. Looking at the motion path of the vehicle for estimating the steering restoration torque with reference to Figure 1, the lateral motion of the vehicle starting cornering can be modeled using the force balance equation and the moment balance equation as follows. However, it is assumed that the cornering force is constant.
힘 평형 방정식(y 방향)를 살펴보면, 차륜에 작용하는 코너링 포스에 의한 힘의 평형은 아래의 수식 1과 같이 수식화될 수 있다. 그리고, 사이드 슬립 앵글은 아래의 수식 2와 같이 표현될 수 있으므로, 수식 2를 이용하여 수식 1을 횡방향 속도 및 요레이트에 대하여 정리하면 수식 3과 같이 표현된다.Looking at the force balance equation (y direction), the force balance due to the cornering force acting on the wheel can be formulated as in Equation 1 below. In addition, since the side slip angle may be expressed as Equation 2 below, Equation 1 may be expressed as Equation 3 when Equation 1 is summarized with respect to lateral velocity and yaw rate.
[수식 1][Equation 1]
[수식 2][Formula 2]
[수식 3][Equation 3]
여기서,here,
m: 차량 질량,m: vehicle mass,
Cf: 전륜의 코너링 파워, 즉 사이드 슬립 앵글에 대한 코너링 포스의 값,C f : cornering power of the front wheel, that is, the value of the cornering force for the side slip angle,
Cr: 후륜의 코너링 파워, 즉 사이드 슬립 앵글에 대한 코너링 포스의 값,C r : cornering power of the rear wheel, that is, the value of the cornering force for the side slip angle,
lf: 차량중심으로부터 전륜축까지의 거리, 및 f is the distance from the center of the vehicle to the front axle, and
lr: 차량중심으로부터 후륜축까지의 거리이다.l r : Distance from vehicle center to rear axle.
다음으로, 시스템의 모멘트 평형 방정식을 도출하면, 차량 중심의 회전에 의한 모멘트 평형은 아래의 수식 4와 같이 수식화될 수 있으며, 수식 4를 요레이트 및 횡방향 속도에 대하여 정리하면 수식 5과 같다.Next, to derive the moment equilibrium equation of the system, the moment equilibrium due to the rotation of the vehicle center can be formulated as shown in Equation 4 below, if Equation 4 is summarized with respect to the yaw rate and the lateral velocity is shown in Equation 5.
[수식 4][Equation 4]
[수식 5][Equation 5]
여기서, I는 차량 중심 회전 관성모멘트이다.Where I is the vehicle center rotational moment of inertia.
조향 복원토크는 코너링포스(선회력)의 착력점이 접지중심보다 뒤쪽에 있기 때문에 발생하는 토크로서, 이 복원토크는 선회주행시 사이드 슬립앵글을 줄이는 방향으로 발생하기 때문에 조향바퀴에 복원력을 일으키는 힘으로 작용한다.Steering restorative torque is the torque generated because the cornering force of the cornering force is behind the ground center, and this restorative torque is generated in the direction of reducing the side slip angle during turning. .
여기서, 조향 복원토크(Ts)는 아래의 수식 6과 같이 선형으로 모델링될 수 있는데, 이러한 수식 6은 수식 2를 기초로 다시 수식 7과 같이 표현될 수 있다.Here, the steering restoration torque Ts may be modeled linearly as shown in Equation 6 below, and Equation 6 may be expressed again as shown in
[수식 6][Equation 6]
[수식 7][Formula 7]
여기서,here,
ξ: 앞바퀴의 트레일 길이(trail length), 즉 앞바퀴가 지면에 닿는 길이,ξ: trail length of the front wheel, that is, how long the front wheel touches the ground,
kf: 앞바퀴의 코너링 강성(conering stiffness), 즉 회전시 앞바퀴가 지면으로부터 받는 항력이다.k f : The cornering stiffness of the front wheel, ie the drag received by the front wheel from the ground during rotation.
수식 7을 상세하게 살펴보면, 수식 7을 이용하여 조향 복원토크(Ts)를 산출하기 위해서는 3개의 변수(바퀴각(δf), 요레이트(γ), 횡방향 속도(υ))가 필요하다. 이때, 바퀴각(δf)은 조향기어비(n)와 조향각 센서의 측정값인 조향각(δ)을 이용하여 산출할 수 있으며 요레이트(γ)는 요레이트 센서를 이용하여 직접 측정 가능하나, 횡방향 속도(υ)의 측정은 상당히 어렵다.Looking at
종래에는 횡방향 가속도 센서의 측정값을 이용하여 횡방향 속도(υ)를 계산하였으나, 횡방향 가속도 센서에서의 측정량은 물리적으로는 횡방향 가속도 성분과 요레이트 차량속도의 합력이므로 횡방향 가속도 센서를 이용한 횡방향 속도의 산출은 어려움이 있다.Conventionally, the lateral velocity (υ) is calculated using the measured value of the lateral acceleration sensor. However, since the measured amount in the lateral acceleration sensor is the sum of the lateral acceleration component and the yaw rate vehicle speed, the lateral acceleration sensor It is difficult to calculate the lateral velocity using.
따라서, 본 발명에 따른 일 실시예에서는 정밀한 횡방향 속도를 바퀴각 및 요레이트를 이용하여 추정할 수 있는 관측기를 설계하고자 한다.Therefore, one embodiment according to the present invention is to design an observer that can estimate the precise lateral speed using the wheel angle and yaw rate.
도 2는 본 발명에 따른 조향 복원토크 추정 시스템의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of a steering restoration torque estimation system according to the present invention.
도 2는 참조하면, 조향 복원토크 추정시스템은 센서부(10), 횡방향 속도관측기(20) 및 조향 복원토크 관측기(30)를 포함한다.2, the steering restoration torque estimation system includes a
센서부(10)는 요레이트 센서(11), 조향각 센서(12) 및 차속 센서(13)를 포함한다. 더욱 상세하게는, 요레이트 센서(11)는 차량의 요레이트(γ)를, 조향각 센 서(12)는 조향휠의 조향각(δ)을, 차속 센서(13)는 차량의 차속(V)을 측정한다.The
횡방향 속도 관측기(20)는 아래의 식(수식 8 내지 수식 12)들을 통하여 설계될 수 있다.The
우선, 일반적인 시불변 제어시스템의 경우, 상태 방정식은 아래의 수식 8과 같이 표현될 수 있는데 이를 수식 3 및 수식 5를 이용하여 표현하면 다시 수식 9와 같이 행렬식화될 수 있다. 또한, 출력 방정식은 수식 10과 같이 측정가능한 요레이트로 표현될 수 있다.First, in the case of a general time invariant control system, the state equation may be expressed as Equation 8 below. In addition, the output equation may be expressed as a measurable yaw rate, such as
[수식 8]Equation 8
[수식 9][Equation 9]
여기서, 행렬식 내의 요소들은 각각 아래와 같다.Here, the elements in the determinant are as follows.
[수식 10]
수식 9를 살펴보면, 차량의 횡방향 속도(υ)는 수식으로는 표현될 수 있으나 측정될 수 없는 상태변수이므로 추정되어야 한다. 따라서, 횡방향 속도(υ)에 대한 상태관측기(20)를 설계하고자 한다. Referring to Equation 9, the lateral velocity v of the vehicle can be expressed by the equation, but should be estimated because it is a state variable that cannot be measured. Therefore, we want to design the
횡방향 속도 관측기(20)은 수식 11 및 수식 12을 통하여 구체적으로 표현될 수 있다.The
[수식 11][Equation 11]
[수식 12]Equation 12
여기서, 는 추정 요레이트이며,는 추정 횡방향 속도이다.here, Is the estimated yaw rate, Is the estimated lateral velocity.
수식 11은 일반적인 상태관측기를 나타내는 식이다. 특히, 수식 11에서 추정오차()는 추정 출력값과 실제 측정 출력값간의 차이인 출력오차이며 더욱 상세하게는 실제로 측정된 요레이트와 추정된 요레이트의 차이값으로 표현된다. Equation 11 is a general state observer. Specifically, the estimated error ( ) Is an output error that is the difference between the estimated output value and the actual measured output value, and more specifically, the difference between the actually measured yaw rate and the estimated yaw rate.
수식 12는 수식 8 내지 수식 11을 이용하여 표현될 수 있다. 수식 12를 참조하면 추정오차가 일정 오차 범위 내에서 수렴할 때 요레이트과 횡방향 속도를 추정할 수 있다.Equation 12 may be expressed using Equations 8 to 11. Referring to Equation 12, the yaw rate and the lateral velocity can be estimated when the estimation error converges within a certain error range.
여기서, 추정오차의 게인값인 L1과 L2는 차속에 따라 별도의 값을 가지며 차속센서(13)에서 측정된 차속에 따라 스케쥴링된다. 여기서, 게인값은 차속 구간별로 별도값을 가질 수도 있음은 자명하다.Here, L1 and L2, which are gain values of the estimated error, have different values according to the vehicle speed and are scheduled according to the vehicle speed measured by the
조향 복원토크 관측기(30)는 수식 7에 의하여 조향 복원토크(Ts)를 센서부(10)에서 전달되는 값과 횡방향 속도 관측기(20)에서 추정된 횡방향 속도값을 이용하여 산출한다.The steering
도 3은 추정된 조향 복원토크를 이용한 조향 제어 시스템의 개념도이다. 도 3은 도 2에서 추정된 조향 복원토크를 이용하여 조향 제어가 어떻게 이루어지는지를 나타내고 있다.3 is a conceptual diagram of a steering control system using the estimated steering restoration torque. 3 illustrates how steering control is performed using the steering restoration torque estimated in FIG.
도 1은 차량의 주행 중 운동 경로를 보여주는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a movement path during driving of a vehicle.
도 2는 본 발명에 따른 조향 복원토크 추정 시스템의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of a steering restoration torque estimation system according to the present invention.
도 3은 추정된 조향 복원토크를 이용한 조향 제어 시스템의 개념도이다.3 is a conceptual diagram of a steering control system using the estimated steering restoration torque.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10: 센서부 11: 요레이트 센서10: sensor unit 11: yaw rate sensor
12: 조향각센서 13: 차속센서12: Steering Angle Sensor 13: Vehicle Speed Sensor
20: 횡방향속도관측기 30: 조향복원토크관측기20: lateral velocity observer 30: steering restoration torque observer
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