KR100461388B1 - 드라이빙 시뮬레이터용 컬럼타입 파워스티어링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상기 스티어링컬럼 어셈블리의 스티어링샤프트 단부에 일체로 설치된 제1기어와, 상기 제1기어에 치합되어 상기 제1기어가 스티어링휠의 록투록회전수만큼 회전될 때 1회전되도록 설치된 제2기어와, 상기 제1기어와 제2기어가 치합된 상태에서 회전 가능하도록 지지하는 케이스와, 상기 제2기어가 360°이내의 범위에서 회전되도록 하는 스토퍼로드 및 스토퍼돌기와, 상기 제2기어의 회전각도를 감지하는 엔코더와, 상기 엔코더로부터의 신호를 입력받고, 차량동역학시스템과 교신하여 C-EPS의 모터를 제어하는 컨트롤러로 구성된 드라이빙 시뮬레이터용 컬럼타입 파워스티어링 시스템을 제공하여 운전자에게 실제차량을 탑승한 것과 같은 느낌을 주도록 한다.

Description

드라이빙 시뮬레이터용 컬럼타입 파워스티어링 시스템{A COLUMN TYPE EPS FOR A DRIVING SIMULATION}

본 발명은 차량의 운전상태를 인위적으로 시뮬레이션 하는 드라이빙 시뮬레이터에서 운전자의 조향 조작력을 가하도록 하고, 그에 따른 조향감을 느낄 수 있도록 하기 위한 Electronic Power Steering System(이하, "EPS"라 함)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 컬럼타입 EPS(C-EPS)에 관한 것이다.

EPS는 도 1에 도시된 바와 같이 기존에 유압을 이용하여 운전자의 조타력을 배가하도록 하던 파워스티어링 장치를 변경하여, 전기로 구동되는 모터(100)를 사용하여 전자적인 컨트롤러(102)로 보다 정밀하게 운전자의 조향 조작을 돕는 장치이다. 이와 같은 EPS는 운전자의 조타력을 도와주는 모터(100)가 랙&피니언 쪽에 설치된 경우 R-EPS라 하고, 스티어링컬럼 쪽에 설치된 것을 C-EPS라고 하는 바, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같은 C-EPS를 드라이빙 시뮬레이터에 적용하도록 하는 것에 대한 것이다.

드라이빙 시뮬레이터는 차량의 운전상태를 모사하는 장치로서, 도 2에 그 개념도가 도시되어 있는 바, 운전자가 운동플랫폼(201) 위에 있는 차량에 앉아서 실제 차량을 운전하듯 운전을 하면, 운전자가 조작하는 시동키, 각종 페달, 조향휠 등의 각종 조작장치의 움직임을 센서를 통해 제어힘로딩시스템(202)에 전달하고, 이 제어힘로딩시스템(202)은 이들 신호들을 처리하여 차량동역학시스템(203)으로 전달하며;

차량동력학시스템(203)에서는 미리 내장된 차량의 수학적인 모델 및 실시간 시뮬레이션 모델을 통해 차량의 상태를 실시간으로 계산하고, 그 계산 결과를 이용하여 네트워크로 다른 모든 시스템으로 전달함과 아울러 상기 제어힘로딩시스템(202)으로 전달하여 차량의 계기판 등에 운전자가 필요로 하는 정보(차속, RPM 등)를 표시하도록 한다.

운동시스템(204)에서는 INVERSE KINEMATICS와 WASHOUT 알고리즘 등을 통하여 실제 차량의 거동을 나타내기 위해 운동플랫폼(201)이 어떻게 움직여야하는지를 계산하고, 그 결과를 사용하여 운동플랫폼(201)을 움직여주면 차량에 탑승하고 있는 운전자는 실제 차량에서 느끼는 롤(ROLL)이나 피치(PITCH) 등과 같은 모든 운동을 느끼게 된다.

이외에 청각시스템(205) 및 시각시스템(206)에서는 스피커(207)와 이미지 제너레이터(208) 등을 사용하여 운전자에게 차량의 운행에 따라 발생되는 음향과 영상을 제공하여 실제 차량의 주행에서 보고 들을 수 있는 정보를 인위적으로 제공하게 된다.

한편, 모니터링시스템(209)에서는 상기와 같이 작동되는 각종 구성장치들의 모든 신호를 전달받아 전체적인 시스템의 관측 및 제어의 역할을 수행함과 동시에 차량의 상태와 그에 따른 운전자의 거동 등을 감시 또는 데이터화하여 저장하는 역할 등을 수행한다.

상기한 바와 같은 드라이빙 시뮬레이터를 차량 제조 업체에서는 주로 실제 차량을 이용하여 실험하기 곤란한 경우에 각종 실험을 수행하는 데에 사용되며, 아울러 가상현실 오락장치로 사용될 수 있는바, 이와 같은 드라이빙 시뮬레이터는 시험하는 운전자가 실제 차량을 탑승한 상태와 유사한 느낌을 느낄 수 있도록 하는것이 가장 중요한데, 이중에서도 특히 운전자가 차량을 운전할 때 가장 많은 조작을 가하게 되는 조향휠의 느낌은 매우 중요하다.

그런데, 종래에는 상기한 바와 같이 드라이빙 시뮬레이터에 사용되는 조향시스템을 단순하게 조향휠의 끝단에 스프링을 설치하거나 DC모터를 장착하여 간단한 제어만을 수행함으로써, 운전자가 실제적인 조향감을 느끼기에는 매우 부족한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 드라이빙 시뮬레이터에 사용되어 운전자에게 실제차량을 탑승한 것과 같은 느낌을 주도록 할 수 있는 드라이빙 시뮬레이터용 파워스티어링 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 C-EPS의 구성을 도시한 개략도,

도 2는 일반적인 드라이빙 시뮬레이터의 구성을 도시한 개념도,

도 3은 본 발명에 따른 드라이빙 시뮬레이터용 컬럼타입 파워스티어링 시스템을 도시한 구성도,

도 4는 도 3의 스토퍼와 엔코더 설치부의 상세 구조도,

도 5는 도 4의 A방향 관측도,

도 6은 도 3의 컨트롤러의 입출력 상태를 도시한 블록도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1; 스티어링컬럼 어셈블리 1-1; 모터

1-2; 스티어링샤프트 3; 제1기어

5; 제2기어 7; 엔코더

9; 케이스 11; 컨트롤러

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 드라이빙 시뮬레이터용 컬럼타입 파워스티어링 시스템은

C-EPS의 스티어링컬럼 어셈블리와;

상기 스티어링컬럼 어셈블리의 스티어링샤프트 단부에 일체로 설치된 제1기어와;

상기 제1기어에 치합되어 상기 제1기어가 스티어링휠의 록투록회전수만큼 회전될 때 1회전되도록 설치된 제2기어와;

상기 제1기어와 제2기어가 치합된 상태에서 회전 가능하도록 지지하는 케이스와;

상기 제2기어가 360°이내의 범위에서 회전되도록 하는 스토퍼수단과;

상기 제2기어의 회전상태를 감지하는 엔코더와;

상기 엔코더로부터의 신호를 입력받고, 차량동역학시스템과 교신하여 C-EPS의 모터를 제어하는 컨트롤러로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 드라이빙 시뮬레이터용 컬럼타입 파워스티어링 시스템의 구성을 도시한 개념도로서, 스티어링컬럼에 조타력을 돕기 위한 모터(1-1)가 설치된 C-EPS의 스티어링컬럼 어셈블리(1)와, 상기 스티어링컬럼 어셈블리(1)의 스티어링샤프트(1-2) 단부에 후술하는 제1기어(3)와 제2기어(5) 및 엔코더(7) 등을 구비한 케이스(9)가 설치되고, 상기 엔코더(7)로부터 스티어링샤프트(1-2)의 조향각에 대한 정보를 전달받아 차량동역학시스템과 교신하여 상기 C-EPS의 모터(1-1)를 제어하는 컨트롤러(11)로 이루어져 있다.

즉, 상기 컨트롤러(11)는 일반적인 드라이빙 시뮬레이터에서 제어힘로딩시스템에 해당한다.

상기 케이스(9)에는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 스티어링컬럼 어셈블리의 스티어링샤프트(1-2) 단부에 일체로 설치된 제1기어(3)와, 상기 제1기어(3)에 치합되어 상기 제1기어(3)가 스티어링휠의 록투록(LOCK TO LOCK)회전수만큼 회전될 때 1회전되도록 설치된 제2기어(5)가 설치되어, 상기 제1기어(3)와 제2기어(5)가 치합된 상태에서 회전 가능하도록 지지되며, 상기 케이스(9)와 제2기어(5) 사이에는 상기 제2기어(5)가 360°이내의 범위에서 회전되도록 하는 스토퍼수단이 구비되고, 아울러 상기 제2기어(5)의 회전상태를 감지하는 엔코더(7)가 구비되어 있다.

여기서, 상기 제1기어(3)와 제2기어(5)는 그 기어비가 1:3으로 이루어져, 후술하는 스토퍼수단과 함께 스티어링휠로 스티어링샤프트(1-2)를 좌우로 각각 1.5바퀴씩 조향 조작할 수 있도록 된 차량을 모사하고 있다. 물론, 이 기어비는 적용되는 차량 모델에 따라서 적절한 상태로 변경하여 적용할 수 있다.

상기 스토퍼수단은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제2기어(5)에서 돌출된 스토퍼로드(13)와, 상기 스토퍼로드(13)가 제2기어(5)의 회전에 따라 상기 케이스(9)에 대한 회전이 억제되도록 상기 케이스(9)에 돌출되어 형성된 스토퍼돌기(15)로 이루어져 상기 제2기어(5)가 1회전의 범위 내에서만 회동이 가능하도록 제한함으로써, 상기 제1기어가 3회전, 즉 좌우 1.5회전으로 그 회전각도가 구속될 수 있도록 하고 있다.

상기 컨트롤러(11)의 입출력 관계가 개략적으로 도시된 도 6을 참조하여 상기한 바와 같이 구성된 본 발명을 작용을 살펴보면 다음과 같다.

상기 컨트롤러(11)는 상기 엔코더(7)로부터 운전자의 스티어링휠 조작에 따른 스티어링샤프트의 조향각(제1기어와 제2기어로 변환된) 을 전달받아 상기 차량동력학시스템으로 제공하면, 상기 차량동력학시스템은 내장된 차량모델을 이용하여 차속과 엔진회전수를 계산함과 아울러 상기 조향각을 이용하여 운전자의 조향조작에 의해 타이어에서 발생되는 토크를 가상으로 계산하여 상기 컨트롤러(11)로 제공하고, 상기 컨트롤러(11)는 상기와 같이 제공된 차속과 엔진회전수 및 토크에 따라상기 모터(1-1)를 제어하여 운전자가 실제 C-EPS를 조작하는 것과 동일한 상태를 모사한다.

여기서, 상기 운전자의 스티어링휠 조작은 상기한 제1기어(3)와 제2기어(5) 및 스토퍼수단에 의해서 실제 차량과 같이 스티어링휠의 록투록회전수(여기서는 3회전)만큼만 이루어지게 되어, 실질적으로 스티어링샤프트(1-2)에 기어박스 및 휠이 설치되지 않은 상태이지만, 실제차량에서 스티어일휠이 록투록회전수만큼만 좌우로 회전되는 것을 그대로 모사할 수 있도록 한다.

아울러, 상기한 바와 같은 운전자의 스티어링휠 조작상태는 상기 엔코더(7)를 통해 감지된 조향각이 상기 컨트롤러(11)를 통해 차량동역학시스템으로 제공되면, 상기 차량동력학시스템은 본 출원인이 대한민국 출원번호 10-2001-0061841에서 기 출원한 바와 같이 조향각을 변수로 하는 로그함수를 이용하여 토크값을 계산하는 바, 이 함수는

토크값 = ±비례상수1×LOG₁₀(조향각+비례상수2×조향각)

과 같다.

상기 컨트롤러(11)는 상기와 같이 차량동역학시스템에서 계산된 토크값과 엔진회전수 및 차속을 입력받아 종래의 일반적인 C-EPS에서 운전자의 조타력을 지원하도록 모터를 제어하는 것과 동일한 방법으로 상기 모터(1-1)를 제어함으로써, 운전자는 실제 차량에서 스티어링휠을 조작하는 것과 동일한 상태로 C-EPS가 동작하는 것을 느낄 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 비교적 간단한 구성으로 드라이빙 시뮬레이터에 사용되어 운전자에게 실제차량을 탑승한 것과 같은 느낌을 주도록 할 수 있다.

Claims (3)

1. C-EPS의 스티어링컬럼 어셈블리와;

   상기 스티어링컬럼 어셈블리의 스티어링샤프트 단부에 일체로 설치된 제1기어와;

   상기 제1기어에 치합되어 상기 제1기어가 스티어링휠의 록투록회전수만큼 회전될 때 1회전되도록 설치된 제2기어와;

   상기 제1기어와 제2기어가 치합된 상태에서 회전 가능하도록 지지하는 케이스와;

   상기 제2기어가 360°이내의 범위에서 회전되도록 하는 스토퍼수단과;

   상기 제2기어의 회전상태를 감지하는 엔코더와;

   상기 엔코더로부터의 신호를 입력받고, 차량동역학시스템과 교신하여 C-EPS의 모터를 제어하는 컨트롤러;

   로 구성된 것을 특징으로 하는 드라이빙 시뮬레이터용 컬럼타입 파워스티어링 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1기어와 제2기어는 그 기어비가 1:3인 것을 특징으로 하는 드라이빙 시뮬레이터용 컬럼타입 파워스티어링 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 스토퍼수단은

   상기 제2기어에서 돌출된 스토퍼로드와;

   상기 스토퍼로드가 제2기어의 회전에 따라 상기 케이스에 대한 회전이 억제되도록 상기 케이스에 돌출되어 형성된 스토퍼돌기;

   로 구성된 것을 특징으로 하는 드라이빙 시뮬레이터용 컬럼타입 파워스티어링 시스템.