KR100388104B1

KR100388104B1 - 차량의 안정성 제어시스템

Info

Publication number: KR100388104B1
Application number: KR10-2001-0041841A
Authority: KR
Inventors: 김동신
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2003-06-18
Also published as: KR20030008038A

Abstract

본 발명은 차량의 안정성을 확보하기 위하여 안티록 브레이크 시스템(ABS) 및 트랙션 콘트롤 시스템(TCS)과 협조 제어를 수행하는 차량의 안정성 제어 시스템을 개시한다. 측정부(101)는 차속, 조향각, 선회속도, 횡가속도, 브레이크압력을 측정하기 위한 센서들을 구비하고 각 센서에 의해서 측정된 신호를 처리하며, 추정부(102)는 센서의 측정 신호를 이용하여 타이어와 노면 사이의 마찰계수와 차체 미끄럼각(slide slip angle)을 추정한다. 차량운동량연산부(103)는 측정부(101)의 센서 측정값과 추정부(102)의 추정값으로부터 실제의 차량 운동량을 연산하며, 안정기준값설정부(104)는 차량이 운전자가 원하는 주행궤적을 쫓아가도록 선회속도로서의 안정기준값(stability criterion)을 설정한다. 비교부(105)는 차량운동량연산부(103)에서 연산된 차량운동량과 안정기준값설정부(104)에서 설정된 안정기준값을 비교하여 그 차에 상응하는 신호를 출력한다. 결정부(106)는 비교부(105)로부터의 신호에 기초하여 과도한 언더스티어(plow) 및 오버스티어(spin-out)의 범위를 결정하고, 그 결정에 따른 신호를 제동압/엔진관리부(107) 및 제동압관리부(108)로 출력한다. 제동압/엔진관리부(107)는 제동력의 조절만으로 불충분하여 엔진의 구동력을 함께 조절하도록 TCS제어블록(109)과 협조 제어하며, 제동압관리부(108)는 제동력의 조절만으로 충분할 때 ABS제어블록(110)과 협조 제어를 수행한다.

Description

차량의 안정성 제어시스템{system for controlling the stability of vehicles}

본 발명은 차량의 안정성 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 안티록 브레이크 시스템 및 트랙션 콘트롤 시스템과 협조 제어하여 차량 안정성을 확보할 수 있도록 한 차량의 안정성 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 안티록 브레이크 시스템(ABS)은 차륜속도로부터 연산되는 슬립률에 따라 휠에 가해지는 제동압을 적절히 조절하여 바퀴의 록킹(locking)을 방지하는 것이고, 트랙션 콘트롤 시스템(TCS)은 차량의 급발진이나 급가속시 과대한 슬립을 방지하기 위해 엔진의 구동력을 조절하는 것이다.

안티록 브레이크 시스템(ABS)과 트랙션 콘트롤 시스템(TCS)은 차량이 직선 도로를 주행하는 경우 양호한 성능을 발휘할 수 있으나, 커브 도로를 선회 주행하는 경우에는 바깥쪽으로 과도하게 기울어지는 언더스티어(plow)가 일어날 수 있고 이와 반대로 안쪽으로 과도하게 기울어지는 오버스티어(spin-out)가 일어날 수 있다.

그래서 차량이 주행하는 어떠한 상황에서도 차량의 자세를 안정적으로 제어하는 즉 차량의 조향성 상실을 방지하기 위한 차량 안정성 시스템이 요구되고 있다. 일예로 선회주행시 운전자가 원하는 주행궤적에서 바깥으로 밀려나가는 언더스티어가 발생하는 상황에서는 후륜 내측 바퀴에 제동력을 가함으로써 차량이 바깥쪽으로 밀려 나가는 것을 방지하고, 선회주행시 차량의 선회속도가 과도하게 커져 운전자 원하는 주행궤적에서 안쪽으로 기울어지는 오버스티어가 발생하는 상황에서는 전륜 외측 바퀴에 제동력을 가하는 동작이 필요하다.

선회주행시 차량 안정성을 제어하기 위해서는 운전자가 희망하는 차량의 선회속도를 정확히 예측하고, 예측된 선회속도에 따라 차량이 주행하도록 전륜과 후륜에 적절한 제동압을 가할 수 있는지에 따라 시스템의 성능이 결정된다.

또한 차량의 안정성을 제어함에 있어서 전술한 안티록 브레이크 시스템 및 트랙션 콘트롤 시스템의 성능을 떨어뜨리지 않아야 하며, 이와 반대로 안티록 브레이크 시스템 및 트랙션 콘트롤 시스템에 의하여 차량의 안정성이 떨어지는 악영향을 미치서도 않된다. 그러므로, 차량의 운동 상태에 적절하게 차량의 안전성을 제어하기 위해서는 기존의 안티록 브레이크 시스템 및 트랙션 콘트롤 시스템과 서로 연계하여 협조 제어하는데 주안점을 두는 것이 바람직하다.

본 발명은 상술한 배경하에서 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 안티록 브레이크 시스템과 트랙션 콘트롤 시스템과 협조하여 제동력과 엔진 구동력을 함께 조절함으로써 차량의 안정성을 확보할 수 있도록 한 차량의 안정성 제어 시스템을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 차량의 안정성 제어시스템의 구성도이다,

도 2는 차량을 2 자유도 시스템으로 모델링한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 차량의 안정성 제어시스템의 전체 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 따른 센서 신호의 처리 과정을 나타내는 흐름도이다.

도 5는 본 발명에 따른 안정 기준값의 설정 과정을 나타내는 흐름도이다.

도 6은 본 발명에 따른 제어 과정을 나타내는 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

101 : 측정부 102 : 추정부

103 : 차량운동량연산부 104 : 안정기준값썰정부

105 : 비교부 106 : 결정부

107 : 제동압/엔진관리부 108 : 제동압관리부

109 : TCS제어블록 110 : ABS제어블록

상기와 같은 본 발명은 차량의 안정성 제어시스템에 있어서, 선회주행시 운전자가 원하는 주행궤적을 쫓아가도록 차량의 거동을 측정하기 위한 센서의 측정신호로부터 운전자가 원하는 선회속도를 설정하고, 상기 센서의 측정신호로부터 실제 차량 운동량을 설정하며, 설정된 선회속도와 차량 운동량에 기초하여 ABS제어블록 및 TCS제어블록과 협조 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 선회주행시 차량이 원하는 주행코스보다 바깥쪽으로 밀려나가는 언더스티어(plow)가 일어나는 상황에 처할 경우에는 후륜 내측바퀴에 제동력을 가함으로서 차량의 조향성 상실을 방지하며, 차량의 원하지 않는 선회속도 증가로 인하여 선회반경이 급격히 줄어들면서 차량 안정성을 잃어버리는 오버스티어(spin-out)가 일어나는 상황에 처할 경우에는 전륜 외측 바퀴에 제동력을 가함으로서 차량의 조향성 상실을 방지한다.

도 1은 본 발명에 따른 차량 안정성 제어시스템의 구성도이다.

본 발명의 차량 안정성 제어시스템은 측정부(101), 추정부(102), 차량운동량연산부(103), 안정기준값설정부(104), 비교부(105), 결정부(106), 엔진제어부(107), 유압제어부(108)을 구비하며, 기존의 트랙션 콘트롤 제어를 수행하기 위한 TCS제어블록(109)과 안티록 브레이크 제어를 수행하기 위한 ABS제어블록(110)과 협조 제어를 수행한다.

측정부(101)는 차량의 안정성 제어를 위한 차속센서와 선회속도센서와 조향각센서와 횡가속도센서와 브레이크 압력센서 등을 구비하고, 각 센서로부터 측정된 신호를 처리한다.

추정부(102)는 측정부(101)의 센서를 통하여 측정된 신호를 이용하여 타이어와 노면의 마찰계수와 차체 미끄럼각(slide slip angle)을 추정한다.

차량운동량연산부(103)는 측정부(101)와 추정부(102)의 출력측에 연결되어 센서의 측정값과 추정된 값을 입력받아 실제 차량의 운동량을 연산한다.

안정기준값설정부(104)는 운전자가 원하는 차량의 선회속도로서의 안정기준값(stability criterion)을 설정한다.

비교부(105)는 차량운동량연산부(103)에서 연산된 차량운동량과 안정기준값설정부(104)에서 설정된 안정기준값을 비교하여 그 차에 상응하는 신호를 출력한다.

결정부(106)는 비교부(105)로부터의 신호에 기초하여 언더스티어(plow) 및 오버스티어(spin-out)의 범위를 결정하고, 그 결정에 따른 신호를 제동압/엔진관리부(107) 및 제동압관리부(108)로 출력한다.

제동압/엔진관리부(107)는 제동력의 조절만으로 불충분할 때 엔진의 구동력을 함께 조절하도록 TCS제어블록(109)과 협조 제어를 수행하며, 제동압관리부(108)는 제동력의 조절만으로 충분할 때 ABS제어블록(110)과 협조 제어를 수행한다.

도 3은 본 발명에 따른 차량의 안정성 제어시스템의 전체 흐름도이고, 도 4는 본 발명에 따른 센서 신호의 처리 과정을 나타내는 흐름도이고, 도 5는 본 발명에 따른 안정 기준값의 설정 과정을 나타내는 흐름도이고, 도 6은 본 발명에 따른 제어 과정을 나타내는 흐름도이다.

본 발명에서는 타이어와 노면의 마찰계수가 변화시에는 언더스티어가 더욱 크게 나타날 수 있으므로 차량운동량과 안정기준값의 차가 규정된 변화율이상으로 증가하면 전륜의 바깥쪽 바퀴 이외에 후륜의 바깥쪽 바퀴도 함께 제어함으로써 차량 안정성을 확보한다.

또, 본 발명에서는 최적의 안정성과 승차감을 확보하기 위해 제동력만으로불충분한 경우에는 엔진에 의한 구동력을 감소시킴으로서 지나친 제동력에 의한 차량의 흔들림(rocking) 현상을 최소화하기 위한 제어동작을 병행하며, 이는 TCS제어블록(109)과의 혐조 제어를 통하여 이루어진다.

<<안정기준값(stability criterion)의 설정>>

운전자가 원하는 차량의 궤적을 나타내는 안정기준값은 선회속도(yaw rate)로 나타낼 수 있으며, 이는 기본 물리법칙에 의거하여 조향각과 차속으로부터 결정된다.

도 2는 차량을 2 자유도 시스템으로 모델링한 도면이다.

식(1)은 차체선회속도(r)와 차체미끄럼각()에 대한 차량운동방정식을 나타내며, 뉴톤(Newton)의 제2법칙과 미분 개념을 이용하여 식(2)를 유도할 수 있다. 식(2)에 의하여 운전자가 원하는 선회속도(r_desired)는 조향각과 차속으로부터 구한다.

(식1)

(식2)

여기서, N_δ은 제어모멘트 미분계수[control moment derivative (-l_fc_f)]

Y_δ는 제어력 미분계수[control force derivative(c_f)]

N_r은 요댐핑 미분계수[yaw damping derivative{(l_f ²c_f+l_r ²c_r)/V}]

Y_β는 댐핑 인사이드 슬립 미분계수[damping-in-side slip derivative(c_f+c_r)]

N_β은 정적 디멘션 안정 미분계수[static directional stability derivative{(l_fc_f-l_rc_r)}]

Y_r는 횡력/요커플링 미분계수[lateral force/yaw coupling derivative{(l_fc_f-l_rc_r)/V}]

I_z는 z축에 대한 차량 내부모멘트[vehicle interia of moment about z-axis]

m은 차량 무게[vehicle mass]

l은 중심과 차축의 거리[distance of the axle and the center of gravity]

아래 첨자 f,r은 전륜과 후륜

c는 타이어 코너링 스티프니스[tire cornering stiffness]

V는 차속

<<안정기준값의 제한>>

노면마찰계수가 작을 경우 (식2)로부터 얻어진 선회속도(r_desired)를 이용하여 제어하면 차량은 운전자가 원하는 주행궤적을 쫓아갈 수 있지만 차체미끄럼각이 커지게 되어 안정성을 잃게 된다. 이 경우에는 선회속도(r_desired)를 제한함으로서 차량 안정성을 확보하면서 차량이 원하는 방향으로 운동할 수 있도록 한다.

본 발명에서 선회속도(r_desired)를 제한하는 방법으로 기본적인 차량운동의 기하학적인 관계를 나타내는 (식3)으로부터 결정된다.

(식3)

차체횡가속도(a_y)는 노면마찰계수(μ)과 차속(V)의 함수로 나타낼 수 있다.

노면마찰계수(μ)가 기준값(μ₁) 보다 작고 안정기준횡가속도(a_y,stab)와 측정된 횡가속도(a_y,means)의 차가 일정값(Δμ_ay) 이상이면 노면마찰계수에 의해 제한된횡가속도(a_y,max)을 이용한다. 이 경우 작은 조향각에 의해 노면마찰을 과소평가하는 것을 방지하기 위하여 차량 선회운동 중에 측정된 횡가속도의 최대값을 고려하여 횡가속도(a_y,max)를 결정한다.

<<조향각 설정>>

상대각 센서를 이용하여 측정하는 조향각은 스티어링 휠(steering wheel)이 영점(zero point)을 지나면서부터 정확하게 얻을 수 있으므로 영점 검출(zero detection) 이전에는 다음과 같은 정상상태에서의 차량동역학 관계식을 이용하여 조향각을 추정한다

(식4)

여기서, δ는 조향각(steering wheel angle)

i는 스티어링 기어비(steering gear ratio)

r은 측정된 요레이트(measured yaw rate)

V는 차속

L은 휠베이스(wheelbase)

K_us는 언더스티어 계수(understeer coefficient)

g는 중력가속도

<<차속 설정>>

차량의 구동방식이 전륜구동이나 후륜구동인 경우에는 기준차속을 비구동륜으로부터 구하고, 4륜구동(4WD)의 경우에는 종가속도 센서를 이용하여 구한다. 바퀴속도의 변화율이 클 경우에는 차속센서신호를 Heavy Fitering를 하며 Monotonous한 증가나 감소일 경우에는 Normal Fitering 하여 기준차속을 구한다.

한편, 차체선회속도가 일정값 이상일 경우에는 장착되어 있는 선회속도센서를 이용하여 보정한다.

<<데드존(Deadzone) 설정>>

차량 안정성 제어시스템은 모든 운전상황에서 작동하여야 하고 불필요한 제어로 인하여 운전을 방해하여서는 안되므로 (식5)로부터 데드존(Deadzone)을 설정한다.

(식5)

여기서, K₀, K₁, K₂, K₃는 상수

δ는 조향각(steering wheel angle)

dδ는 조향각의 미분계수(derivative of steering wheel angle)

a_y는 차량의 횡가속도(lateral acceleration of vehicle)

운전자가 원하는 선회속도(r_desired)와 실제 회전속도의 차가 일정 기본값(K₀)내에서는 제어가 되지 않으며 조향각과 조향각의 변화율 그리고 차체 횡가속도에 따라 그 제어범위가 결정된다. 여기서, K₃는 차량 기준차속의 함수이며, 상수(K₀, K₁, K₂, K₃)는 ABS제어블록과 협조 제어를 할 경우에는 달라진다.

또한 데드존(Deadzone)은 경사로(Bank Road)를 주행시 그 범위가 증가시킴으로써 오작동을 방지하며 서시펜션(Suspension), 스티어링(Steering), 타이어(Tire)의 변화에 의해서 발생하는 운전자가 원하는 선회속도의 오차를 고려하여 그 범위를 증가시킨다. 한편, SN비(Signal-to-Noise Ratio)가 감소하는 저속운전 및 차량동역학적 측면에서 전진운전과 차이가 있는 후진시에는 작동하지 않는다.

<< ABS제어블록과의 협조 제어>>

본 발명의 차량 안정성 제어시스템이 ABS제어블록과 협조 제어함에 있어서는 임의의 바퀴를 제어할 경우 ABS제어에만 의존할 때 발생할 수 있는 덤프(Dump)를 방지하여 차량 안정성에 악영향을 끼치지 않도록 하는 것이다. 즉, 제어되는 바퀴의 목표슬립을 크게 가져가는 것이다.

또한 언더스티어(spin-out)시 후륜의 목표슬립을 작게 가져감으로서 후륜에서의 횡력을 증가시켜, 전륜 바깥쪽에서의 제동력에 의한 불충분한 선회모멘트를보상시켜준다.

그리고, 일반적인 주행시 후륜에 대하여 ABS제어를 독립적으로 함으로서 각 바퀴의 노면상태를 최대한 고려하여 제동거리를 단축시킨다. 그러나 좌우 노면의 차이가 큰 경우(slit mu)에서는 낮은 마찰계수(low mu)에서의 압력상승으로 인한 차량거동를 제어하는데 한계가 있으므로 후륜을 저마찰선택으로(select low)하며 데드존(Deadzone)을 증가시킨다.

<< TCS제어블록과의 협조 제어>>

본 발명의 차량 안정성 제어시스템이 TCS제어블록과의 협조 제어함에 있어서는 기본적으로 차량의 운동이 심하여 큰 제동력이 필요하게 될 경우 엔진 구동토크를 감소시켜 차량의 요동(Rocking)을 방지하면서 제어되는 바퀴의 브레이크 압력을 작게 해준다. 차량이 전륜구동이면 언더스티어(plow)시 목표 회전속도(wheel spin)를 감소시켜(목표토크를 작게 하여) 전륜에서의 횡력을 증가시킨다. 반대로 차량이 후륜구동이면 오버스티어(spin-out)시 목표 회전속도(wheel spin)를 감소시켜 후륜에서의 횡력을 증가시킨다. 차량이 4륜구동(4WD)인 경우에는 기존과 같이 TCS제어블록에서의 목표 회전속도(wheel spin)을 그대로 가져간다.

<<바퀴압력 제어량 및 압력발생>>

본 발명의 차량 안정성 제어시스템에서는 언더스티어(plow). 오버스티어(spin out)을 감지했을 때 제어하는 바퀴는 각각 후륜의 안쪽 바퀴와 전륜의 바깥쪽 바퀴가 대상이 되며, 감지된 양이 어느 기준값이상일 경우에는 같은 쪽 바퀴도 함께 제어한다. 이때 제어되는 바퀴압력은 최적제어이론에 의해서 결정(Rough Tuning)되며 실제 제어값(Fine Tuning)은 안정값과 실제 운동량의 차이와 그 변화율에 따라 실차시험을 통해 결정된다. 또, 제어 압력을 발생시키기 위해서 유압 장치내에 축압기를 내장시킴으로서 저온에서도 빠른 압력을 발생시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 차량 안정성 제어시스템은 선회주행시 발생할 수 있는 언더스티어(plow), 오버스티어(spin-out)를 방지하기 위해 바퀴에 가해지는 제동력과 엔진의 구동력을 함께 제어하며, 기존의 ABS제어블록과 TCS제어블록과 협조 제어를 수행하므로 양호한 차량 안정성을 확보할 수 있다.

Claims

차량의 안정성 제어시스템에 있어서,

선회주행시 운전자가 원하는 주행궤적을 쫓아가도록 차량의 거동을 측정하기 위한 센서의 측정신호로부터 운전자가 원하는 선회속도를 설정하고, 상기 센서의 측정신호로부터 실제 차량 운동량을 설정하며, 설정된 선회속도와 차량 운동량에 기초하여 ABS제어블록 및 TCS제어블록과 협조 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어시스템.
제1항에 있어서, 조향각센서의 영점을 검출하기 전에는 상기 선회속도를 설정하기 위해 다음의 식에 의하여 조향각을 설정하는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어시스템.

여기서, δ는 조향각(steering wheel angle)

i는 스티어링 기어비(steering gear ratio)

r은 측정된 요레이트(measured yaw rate)

V는 차속

L은 휠베이스(wheelbase)

K_us는 언더스티어 계수(understeer coefficient)

g는 중력가속도
제1항에 있어서, 상기 선회속도를 설정하기 위해 차속을 설정하되 전륜 혹은 후륜 구동인 경우에는 기준차속을 비구동륜으로부터 구하고, 4륜구동의 경우에는 종가속도 센서를 이용하여 구하며, 차체선회속도가 일정값 이상일 경우에는 선회속도센서를 이용하여 보정하는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어시스템.
제1항에 있어서, 선회주행시 언더스티어(plow)을 감지하는 경우 후륜의 안쪽 바퀴를 제어대상으로 하며, 오버스티어(spin out)을 감지했을 때 전륜의 바깥쪽 바퀴를 제어대상으로 하는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어시스템.
제1항에 있어서, ABS제어블록과 협조 제어하여 임의의 바퀴를 제어할 경우 ABS제어에만 의존함에 의하여 차량 안정성에 악영향을 끼치지 않도록 제어되는 바퀴의 목표슬립을 크게 가져가는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어시스템.
제5항에 있어서, 오버스티어(spin-out)가 감지되면 후륜의 목표슬립을 작게가져가서 후륜에서의 횡력을 증가시키고 전륜 바깥쪽에서의 제동력에 의한 불충분한 선회모멘트를 보상시키는 것을 특징으로 하는 차량 안정성 제어시스템.
제5항에 있어서, 좌우 노면의 차이가 큰 경우 후륜을 대상으로 데드존을 증가시키는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어시스템.
제1항에 있어서, TCS제어블록과의 협조 제어시 엔진 구동토크를 감소시키고 제어되는 바퀴의 브레이크 압력을 작게 하는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어시스템.
제8항에 있어서, 전륜구동의 차량이 언더스티어에 처할 경우 목표 회전속도를 감소시켜 전륜에서의 횡력을 증가시키며, 후륜구동의 차량이 오버스티어에 처할 경우 목표 회전속도를 감소시켜 후륜에서의 횡력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어시스템.