KR100688451B1 - 차량의 주행 안정성 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 방법은 운전자가 원하는 선회속도를 정확히 예측하고, 실제 차량의 궤적이 이 선회속도에 따른 궤적을 추종하도록 제동력과 엔진 구동력을 함께 조절함으로써 차량의 주행 안정성을 확보하는 데 그 목적이 있다. 본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 방법은 선회 주행시 차량이 원하는 주행코스보다 바깥쪽으로 밀려나가는 언더스티어(plow)가 일어나는 상황에 처할 경우에는 후륜 내측 차륜에 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 차륜에 제동력을 가함으로서 차량의 조향성 상실을 방지한다.

Description

차량의 주행 안정성 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING THE STABILITY OF VEHICLE}

도 1은 본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 시스템의 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 시스템에 대한 전체 흐름도.

도 3은 차량을 2 자유도 시스템으로 모델링한 도면.

도 4는 고 마찰 노면에서의 운전자의 목표 선회 속도 계산에 이용되는 이득을 나타낸 도면.

도 5는 제 2 목표 선회 속도, 즉 제한된 선회 속도의 적용 시점을 결정하기 위한 룩업 테이블을 나타낸 도면.

도 6은 조향각속도가 느린 경우에 적용되는 제 3 목표 선회 속도(3_rd r_desired)를 구하기 위한 룩업 테이블.

도 7은 기준 차륜 슬립량을 결정하기 위한 룩업 테이블을 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 센서부 11 : 차륜 속도 센서

12 : 종가속도 센서 13 : 조향각 센서

14 : 횡가속도 센서 15 : 선회 속도 센서

20 : 전자 제어부 21 : 기준 차속 추정부

22 : 조향각 연산부 23 : 데드존 설정부

24 : 노면 마찰 계수 추정부 25 : 기준 선회 속도 결정부

26 : 언더스티어/오버스티어 판단부 27 : 언더스티어/오버스티어 제어부

30 : 브레이크 제어부 40 : 엔진토크 제어부

50 : ABS 제어부 60 : TCS 제어부

본 발명은 차량 제어 방법에 관한 것으로, 특히 언더스티어나 오버스티어에 따른 불안정성을 극복하고 차량의 주행 안정성을 확보하기 위한 차량의 주행 안정성 제어 방법에 관한 것이다.

차량의 주행 안정성을 확보하기 위한 장치로는 안티록 브레이크 시스템(ABS)과 트랙션 콘트롤 시스템(TCS)이 있다. 안티록 브레이크 시스템(ABS)은 차량의 진행 속도와 차륜(wheel)의 회전 속도의 관계로부터 연산되는 슬립률에 따라 차륜에 가해지는 제동 압력을 적절히 조절함으로써 차륜이 완전히 잠기는(locking) 것을 방지하는 것이다. 트랙션 콘트롤 시스템(TCS)은 차량의 출발이나 가속 시에 차륜과 노면 사이의 마찰 부족에 따른 슬립 현상을 방지하도록 엔진의 구동력을 조절하는 것이다.

안티록 브레이크 시스템(ABS)과 트랙션 콘트롤 시스템(TCS)은 차량이 직선 도 로를 주행하는 경우에는 양호한 성능을 발휘하지만, 차량이 곡선 도로를 선회 주행하는 경우에는 그 효과가 감소하기 때문에 언더스티어(under-steer)나 오버스티어(over-steer)가 발생할 수 있다. 언더스티어는 차량의 선회 반경이 너무 길어 차량이 목표하는 주행 궤적의 바깥쪽으로 치우치는 현상이다. 이와 반대로 언더스티어는 선회 반경이 너무 짧아 목표하는 주행 궤적의 안쪽으로 치우치는 현상이다.

차량의 조향성 상실은 심각한 상황을 초래할 수 있기 때문에 어떤 주행 상태에서도 차량의 자세를 안정적으로 제어할 수 있는 주행 안정성 제어 시스템이 요구된다. 차량의 주행 안정성 제어의 예를 들면, 선회 주행 시 언더스티어가 발생하면 후륜의 내측 차륜에 제동력을 가하여 차량이 목표 궤적의 바깥쪽으로 치우치는 것을 방지하는 것과, 오버스티어가 발생하면 전륜의 외측 차륜에 제동력을 가하여 차량이 목표 궤적의 안쪽으로 치우치는 것을 방지하는 것을 들 수 있다.

주행 안정성 제어 시스템은 선회하는 차량의 안정성을 확보하기 위하여 운전자가 목표로 하는 차량의 선회 속도를 정확히 예측하고, 차량이 예측한 목표 선회 속도를 추종하여 주행하도록 전륜과 후륜에 적절한 제동 압력을 가할 수 있어야 한다. 단, 차량의 주행 안정성 제어는 안티록 브레이크 시스템 및 트랙션 콘트롤 시스템의 성능이 충분히 확보된 상태에서 이루어지는 것이 바람직하며, 이를 위해 운전자가 목표로 하는 차량 선회 속도의 정확한 예측 값과 안티록 브레이크 시스템 및 트랙션 콘트롤 시스템을 서로 연계시켜 차량의 종합적인 주행 안정성을 추구하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 방법은 운전자가 원하는 선회속도를 정확히 예측하고, 실제 차량의 궤적이 이 선회속도에 따른 궤적을 추종하도록 제동력과 엔진 구동력을 함께 조절함으로써 차량의 주행 안정성을 확보하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적의 본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 방법은 다음과 같이 이루어진다. 먼저 선회 주행 시, 차량의 조향각과 기준 차속을 이용하여 차량의 노면에 상응하는 운전자가 원하는 차량의 선회 속도를 설정한다. 조향각 및 기준 차속으로부터 설정된 차량의 선회 속도를 제한하한다. 측정된 횡가속도와 운전자가 원하는 횡가속도와의 차이, 조향각속도, 상기 측정된 횡가속도를 이용하여 상기 제한된 선회 속도의 적용 시점을 결정한다. 기준 차속, 상기 미리 설정된 기준 노면에서 설정된 선회 속도와 측정된 선회 속도와의 차이, 상기 횡가속도, 종가속도를 이용하여 차량의 주행노면을 판단한다. 판단된 주행 노면에 상응하도록 설정되는 상기 운전자가 원하는 차량의 선회속도를 기준 선회 속도로 결정하고, 상기 결정된 기준 선회 속도와 선회 속도 센서로부터 측정된 실제 선회 속도를 비교하여 언더스티어 또는 오버스티어인를 판별한다. 언더스티어/오버스티어 판별 결과에 따라 제동력 및 구동력을 제어한다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 방법의 바람직한 일실시예를 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

기존의 시스템은 차량의 비선형특성을 충분히 반영하지 못해 정교한 제어가 이루어지지 못하므로 본 발명에서는 차량동역학을 고려한 룩업(Look-up) 테이블을 이용하였으며 또한 운전자의 의지를 좀더 반영하기 위하여 조향각속도를 추가적으로 설계변수로 설정함으로서 조향각속도가 느린 경우 제어성을 향상시킨다.

즉, 본 발명은 선회 주행시 차량이 원하는 주행코스보다 바깥쪽으로 밀려나가는 언더스티어(plow)가 일어나는 상황에 처할 경우에는 후륜 내측 차륜에 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 차륜에 제동력을 가함으로서 차량의 조향성 상실을 방지한다.

도 1은 본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 시스템의 블록도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 차량 안정성 제어 시스템은 측정부(10)와 전자 제어부(20), 브레이크 제어부(30), 엔진토크 제어부(40), ABS 제어부(50), TCS 제어부(60)로 이루어진다.

이 가운데 측정부(10)는 차륜 속도 센서(11)와 종가속도 센서(12), 조향각 센서(13), 횡가속도 센서(14), 선회 속도 센서(15)로 이루어진다. 차륜 속도 센서(11)는 각각의 차륜 속도를 검출하고, 선회 속도 센서(15)는 차량의 선회 정도를 검출한다. 종가속도 센서(12)와 횡가속도 센서(14)는 각각 차량의 종방향 가속도와 횡방향 가속도를 검출하는데, 이 가운데 종가속도 센서(12)는 4륜 구동차량에 한하여 적용된다. 조향각 센서(13)는 조향 핸들의 조향 각을 검출한다.

전자 제어부(20)는 기준 차속 추정부(21)와 조향각 연산부(22), 데드존 설정부(23), 노면 마찰계수 추정부(24), 기준 선회 속도 결정부(25), 언더스티어/오버스티어 판단부(26), 언더스티어/오버스티어 제어부(27)로 이루어진다. 기준 차속 추정부(21)는 차륜 속도 센서(11) 및 종가속도 센서(12)의 검출 값으로부터 차량의 기준 속도를 추정한다. 조향각 연산부(22)는 조향각 센서(13)의 검출 값으로부터 조향 핸들의 조향각을 산출한다. 데드존 설정부(23)는 차량의 횡가속도와 기준 차속 및 조향각으로부터 차량의 안정성 제어시점을 결정하고 언더스티어/오버스티어를 판별하기 위한 데드 존(Dead Zone)을 설정한다. 기준 노면(고 마찰 노면)에서의 운전자의 목표 선회 속도는 차량의 기준 차속과 조향각으로부터 추정할 수 있다. 노면 마찰계수 추정부(24)는 이와 같은 방법을 통해 운전자의 목표 선회 속도를 추정하고, 선회 속도 센서(15)를 통해 검출되는 실제의 선회 속도와 앞서 추정한 운전자의 목표 선회 속도의 차이 값과 조향각속도, 차속으로부터 저 마찰 노면 여부를 판별하고, 종가속도와 횡가속도로부터 마찰계수값을 추정한다. 기준 선회 속도 결정부(25)는 노면 마찰계수를 추정한 현재의 노면에서의 운전자가 원하는 기준 선회 속도를 결정한다. 언더스티어/오버스티어 판단부(26)는 기준 선회 속도 결정부(25)에서 결정된 기준 선회 속도와 선회 속도 센서(15)를 통해 검출된 선회 속도의 차이 값을 데드존 설정부(23)에서 설정된 데드존과 비교하여 차량의 언더스티어/오버스티어 상태를 판단한다. 언더스티어/오버스티어 제어부(27)는 차량의 언더스티어/오버스티어 상태에 따라 브레이크 제어부(30)와 엔진토크 제어부(40) 각각을 단독으로 제어하거나, 브레이크 제어부(30)와 ABS 제어부(50)의 협조 제어 또 는 엔진토크 제어부(40)와 TCS 제어부(60)의 협조 제어를 통해 차량의 제동력 및 엔진 구동력을 제어한다.

브레이크 제어부(30)는 유압 모듈레이터로부터 해당 차륜 실린더에 공급되는 브레이크 액압을 제어함으로써 제동력이 발생하도록 한다. 엔진토크 제어부(40)는 엔진 제어기에 목표 토크를 전송함으로서 엔진의 구동력을 제어한다.

도 2는 본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 시스템에 대한 전체 흐름도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 전자 제어부(20)는 노면 상태에 대한 운전자의 목표 선회 속도를 설정한다(S100). 이때, 고 마찰 노면에 대한 운전자의 목표 선회 속도는 기준 차속 추정부(21)의 기준 차속과 조향각 연산부(22)의 조향각을 고 마찰 노면에서의 차량 운동 모델에 적용하여 산출한다. 저 마찰 노면에 대한 운전자의 목표 선회 속도는 기준 차속 추정부(21)의 기준 차속과 횡가속도 센서(14)의 횡가속도를 저 마찰 노면에서의 차량 운동 모델에 적용하여 산출한다.

노면 상태에 대한 운전자의 목표 선회 속도가 산출되면, 전자 제어부(20)는 측정부(10)에서 제공하는 각각의 검출 값들로부터 현재 주행 노면의 상태 즉 마찰계수의 고/저를 판단한다(S200).

노면의 마찰 계수의 고/저가 판단되면, 전자 제어부(20)는 노면에 따른 기준 선회 속도 설정 단계(S100)에서 설정된 선회 속도 가운데 현재 주행 노면의 마찰계수에 대응하는 운전자의 목표 선회 속도를 기준 선회 속도로 결정한다(S300). 전자 제어부(20)는 주행 노면이 고 마찰계수의 노면이면 고 마찰 노면에서의 운전자의 목표 선회 속도를 기준 선회 속도로 결정하고, 반대로 저 마찰계수의 노면이면 저 마찰 노면에서의 운전자의 목표 선회 속도를 기준 선회 속도로 결정한다.

기준 선회 속도가 결정되면, 전자 제어부(20)의 언더스티어/오버스티어 판단부(26)는 결정된 기준 선회 속도와 선회 속도 센서(15)를 통해 검출한 차량의 실제 선회속도를 비교하여 차량의 오버스티어/언더스티어인 상태를 판단한다(S400). 제어부(20)는 차량의 오버스티어/언더스티어 상태를 판단할 때 데드존 설정부(23)에서 설정된 데드존을 참조한다.

제어부(20)는 차량의 오버스티어/언더스티어 상태에 따라 제동력 및/또는 구동력을 제어하여 차량의 주행 안정성이 확보되도록 한다(S500). 차량이 언더스티어 상태이면 언더스티어/오버스티어 제어부(27)는 브레이크 제어부(30)와 엔진토크 제어부(40)를 제어하여 후륜의 내측 차륜에 제동력을 가함으로써 차량의 조향성 상실을 방지한다. 반대로 차량이 오버스티어 상태이면 언더스티어/오버스티어 제어부(27)는 브레이크 제어부(30)와 엔진토크 제어부(40)를 제어하여 전륜의 외측 차륜에 제동력을 가함으로써 차량의 조향성 상실을 방지한다. 이 때 필요에 따라 ABS 제어부(50)와 TCS 제어부(60)의 협조 제어를 통해 차량의 주행 안정성을 더욱 견고히 한다. ABS 제어부(50)와의 협조 제어 시에는 기존의 후륜 내측 차륜과 전륜 외측 차륜 이외에 그 대각선 방향의 차륜도 함께 제어하여 횡력(side force)을 증가시킨다.

언더스티어 현상이나 오버스티어 현상은 차륜의 표면과 노면 사이의 접지력이 한계를 도달할 때 나타난다. 특히 오버스티어 현상은 전륜보다 후륜에서 먼저 노면과의 접지력이 한계에 도달할 때 나타에서의 먼저 타이어와 노면사이의 접착한계 에 도달했을 때 나타나므로, 오버스티어 상태에서는 전륜의 제동 장치를 제어함으로써 차량의 선회 모멘트를 감소시킨다. 반대로, 전륜에서 먼저 노면과의 접지력이 한계에 도달하여 언더스티어 현상이 나타나면 후륜의 제동 장치를 제어하여 차량의 주행 안정성을 확보한다. 노면의 마찰계수가 급격히 변화하는 구간에서는 오버스티어 현상이 더욱 두드러지게 나타날 수 있다. 따라서 기준 선회 속도와 실제 측정된 선회 속도의 차가 미리 설정된 범위를 초과하면, 오버스티어의 경우 전륜의 외측 차륜뿐만 아니라 후륜의 외측 차륜도 함께 제어하고, 언더스티어의 경우에는 후륜의 내측 차륜뿐만 아니라 전륜의 내측 차륜도 동시에 제어함으로써 차량의 주행 안정성을 확보한다.

또한, 본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 방법에서는 제동력만으로 불충분할 때 엔진 구동력을 감소시켜 지나친 제동에 의한 차량의 흔들림(rocking) 현상을 최소화함으로써 최적의 주행 안정성과 승차감을 얻을 수 있도록 한다.

도 2에 나타낸 본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 방법에서, 주행 노면에 따른 운전자의 목표 선회 속도 설정 단계(S100)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

<고 마찰 노면에서의 운전자의 목표 선회 속도 설정>

고 마찰 노면에서의 운전자가 목표로 하는 차량의 궤적을 나타내는 선회 속도(r_desired)는 기본 물리 법칙에 의거하여 조향각과 차속(기준 차속)으로부터 결정된다. 도 3은 차량을 2 자유도 시스템으로 모델링한 도면이고, 다음의 식 (1)은 도 3에 나타낸 차량의 2자유도 모델을 기본으로 한 차체 선회 속도(r)와 차체 미끄럼각(β)에 대한 차량 운동 방정식이다. 식 (1)은 뉴톤(Newton)의 제 2 법칙과 미분 개념을 이용하여 유도할 수 있다.

식 (1)

여기서,

N_{δ :} 제어 모멘트 미분 계수[control moment derivative (-l_fc_f)]

Y_{δ :} 제어력 미분계수[control force derivative(c_f)]

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

Y_δ : 사이드슬립 댐핑 미분계수[side slip damping derivative(c_f+c_r)]

N_δ : 정적 횡방향 안정 미분계수[static directional stability derivative{(l_fc_f-l_rc_r)}]

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

I_z : z축에 대한 차량 관성모멘트[vehicle inertia of moment about z-axis]

m : 차량 무게[vehicle mass]

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

f, r(아래 첨자) : 각각 전륜과 후륜

c : 타이어 코너링 스티프니스[tire cornering stiffness]

V : 차속

위의 식 (1)을 차체 속도(V)에 대하여 정리하면 다음의 식 (2)를 구할 수 있는데, 이 식 (2)를 이용하여 운전자의 제 1 목표 선회 속도(1_st r_resired)를 구한다.

식 (2)

식 (2)의 계수 값 C₁, C₂, C₃은 선형 방정식인 식 (1)의 각 미분 계수로부터 결정된다. 그러나 운전자의 목표 선회 속도는 전형적인 하나의 작용점(Operating Point)에서만 만족하지 않고 모든 운전 상황에서 만족해야 하기 때문에 조향각 및 차속이 변함에 따라 운전자의 목표 선회 속도도 함께 변경시켜야 한다. 즉, 조향각 구간을 m단계로 나누고 차속 구간을 n단계로 나누어 차량 모델에 대한 선회 속도 이득(Gain) G_ij(i=1~m, j=1~n)를 시험을 통하여 구한 다음 C₁, C₂, C₃ 에 각각 곱하게 된다. 도 4는 고 마찰 노면에서의 운전자의 목표 선회 속도 계산에 이용되는 이득을 나타낸 도면이다. 선회 속도 이득은 차속(V_X)과 조향각(δ_X)의 변화에 대한 보상 값이다.

<저 마찰 노면에서의 운전자의 목표 선회 속도 설정>

저 마찰 노면에서의 운전자가 목표로 하는 차량의 궤적을 나타내는 선회 속도(r_desired)는 차량의 횡가속도와 차속(기준 차속)으로부터 결정된다. 노면 마찰 계수가 작을 경우, 식 (2)를 통해 얻은 선회 속도(r_desired)를 이용하여 제어하면 차량은 운전자가 목표로 하는 주행 궤적을 따라 진행할 수 있지만 차체의 미끄럼각이 커져 안정성을 잃게 된다. 이와 같은 경우에는 선회 속도(r_desired)를 제한하여 차량 안정성을 확보함으로써 목적하는 방향으로 차량이 진행할 수 있도록 한다. 차량의 안정성 확보를 위한 제한된 선회 속도인 제 2 목표 선회 속도(2_nd r_desired)는 다음의 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

식 (3)

식 (3)에서, a_y,max는 노면 마찰 계수에 의해 제한된 횡가속도의 최대 값으로서, 측정된 횡가속도를 필터링하여 얻은 값이다.

식 (3)과 같은 제 2 목표 선회 속도(2_nd r_desired)의 적절한 사용 시점은 다음과 같다. 저 마찰 노면일지라도 차가 미끄러지기 시작하는 초기에는 식 (2)에 나타낸 고 마찰 노면의 제 2 목표 선회 속도(2_nd r_desired)가 여전히 의미가 있다. 따라서 조향각속도, 측정된 횡가속도, 측정된 횡가속도와 운전자의 목표 횡가속도의 차이 등 과 같은 세 값을 통해 식 (3)의 제 2 목표 선회 속도(2_nd r_desired)의 적용 시점이 결정된다. 도 5는 제 2 목표 선회 속도, 즉 제한된 선회 속도의 적용 시점을 결정하기 위한 룩업 테이블을 나타낸 도면이다. 운전자의 목표 횡가속도는 운전자의 목표 선회 속도와 기준 차속의 곱으로부터 구한다. 한편, U-턴(U-turn)과 같이 조향각속도가 느리거나 0에 가까울 때 차량은 실제로 언더스티어가 발생하므로 식 (2)와 식 (3)의 차이를 이용하여 차량이 옆으로 미끄러지는 현상을 표현함으로서 후륜 제어를 실시한다. 즉, 조향각속도가 느리고 식 (2)와 식 (3)의 차이가 클 경우에는 후륜 내측 차륜을 제어함으로서 언더스티어를 방지하고 운전자가 목표로 하는 주행 궤적을 추종하도록 한다. 또한, 조향각속도가 느리고 조향각과 차량 미끄럼각속도가 큰 경우에는 다음의 식 (4)와 같은 제 3 목표 선회 속도(3_rd r_desired)를 이용하여 U-턴과 같은 운동 상황에서의 언더스티어 제어를 실시한다.

식 (4)

식 (4)에서, A는 가중치로서 조향각속도가 작고 조향각과 차량 미끄럼각속도의 곱이 큰 경우에는 가중치 A의 값이 커지고 제 2 목표 선회 속도(2_nd r_desired)의 영향을 감소시킨다. 도 6은 조향각속도가 느린 경우에 적용되는 제 3 목표 선회 속도(3_rd r_desired)를 구하기 위한 룩업 테이블을 나타낸 도면이다.

차량의 언더스티어 또는 오버스티어 발생시에 보상해야 할 선회 모멘트(yaw moment)는 노면의 마찰 계수에 따라 다르기 때문에, 다음과 같은 방법으로 노면의 마찰 계수를 획득한다.

<노면의 마찰 계수 획득 방법>

차량의 미끄러짐이 발생하기 전에는 노면 마찰 계수를 추정할 수 없기 때문에 고 마찰 노면으로 가정하고, 차량이 미끄러지기 시작하는 시점은 식 (1)에 나타낸 고 마찰 노면에 대한 선회 속도와 측정된 선회 속도의 차이로부터 결정한다. 이 차이 값이 일정값(d2) 이상이면 측정된 횡가속도와 종가속도의 벡터합으로 노면 마찰 계수를 결정하고, 일정값(d1) 이하이면 고 마찰 노면으로 판단하며, d1과 d2 사이의 값이면 보간법(Interpolation)을 통해서 노면 마찰 계수를 결정한다.

본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 방법에서는 주행 노면에 따른 운전자의 목표 선회 속도를 결정한 다음 차량의 오버스티어/언더스티어 상태를 판단하여 그에 따른 제동력 및 구동력을 제어함으로써 차량의 주행 안정성을 확보한다.

선회하는 차량의 주행 노면이 고 마찰 노면인 경우에는 식 (2)를 이용하여 운전자의 목표 선회 속도를 산출한 후 기준 선회 속도로 결정한다. 저 마찰 노면인 경우에는 식 (3)을 이용하여 운전자의 목표 선회 속도를 산출한 후 기준 선회 속도로 결정한다.

기준 선회 속도가 정해지면, 차량의 실제 선회 속도와 기준 선회 속도를 비교하여 그 차이 값을 계산한 후 그 차이 값과 선회 속도차 역치(Delta yaw Threshold)를 비교하여 오버스티어 또는 언더스티어 상태를 판단하게 되며, 또한 이 역치값을 기준으로 하여 추후 설명할 비례 미분 제어(Proportional & Differential control)의 이득을 결정한다.

다음의 식 (5)는 선회 속도차 역치(Delta yaw Threshold)를 나타낸 것이다.

식 (5)

여기서,

K₀, K₁, K₂, K₃, K₄ : 변수

δ : 조향각(steering wheel angle)

dδ : 조향각의 미분계수(derivative of steering wheel angle)

a_y : 차체 횡가속도값 (측정값)

Vref : 차량의 기준 차속

운전자의 목표 선회 속도(r_desired)와 실제 회전 속도의 차가 기본 값(K₀) 내에 있으면 제어가 되지 않으며 조향각과 조향각의 변화율 그리고 차체 횡가속도에 따라 그 제어 범위가 결정된다. 여기서, K₁, K₂, K₃, K₄의 값은 각각 조향각, 조향각 변화율, 차체 횡가속도값, 차량 기준 차속에 따라서 그 값이 변화하며, 도 4에 나타낸 것과 같은 개념을 적용하여 각 구간별로 계수 값을 결정한다.

또한 선회 속도차 역치(Delta yaw Threshold)는 경사로(Banked Road)를 주행할 때에는 그 범위를 증가시킴으로써 오작동을 방지하며 서스펜션(Suspension)과 스티어링(Steering), 타이어(Tire)의 변화에 의해서 발생하는 운전자의 목표 선회 속도의 오차를 고려하여 선회 속도차 역치(Delta yaw Threshold)의 범위를 증가시킴으로서 시스템의 강건성(Robustness)을 증대시킨다. 한편, 저속 운전 및 차량 동 역학적 측면에서 전진 운전과 차이가 있는 후진의 경우에는 적용하지 않는다.

차량의 상태가 오버스티어 또는 언더스티어인 경우 제동력 및 구동력의 제어는 다음과 같이 이루어진다.

<차륜 압력 제어량 및 압력 발생>

본 발명에 따른 차량 안정성 제어 방법에서 언더스티어 또는 오버스티어 상태가 감지되었을 때에는 각각 후륜의 내측 차륜과 전륜의 외측 차륜이 제어 대상이 되며, 감지된 양이 어느 기준값 이상일 경우에는 같은 쪽 다른 차륜도 함께 제어한다. 이때 제어되는 차륜 압력은 최적 제어 이론에 의해서 결정되며(Rough Tuning) 실제 제어값(Fine Tuning)은 기준 선회 속도와 실제 측정된 선회 속도의 차이 및 그 변화율에 따라 실차 시험을 통해 결정된다. 이때, 차륜의 슬립을 고려하여 제어 압력을 제한한다. 본 발명에서는 운전자가 원하는 선회 속도와 측정된 선회 속도의 차이와 그 변화율을 이용하여 다음의 식 (6)에 나타낸 것과 같은 비례 미분 제어를 실시한다. 식 (6)의 Q값이 커지면 제어량도 증가하기 때문에 이 Q값을 최소화 하는 것이 바람직하다.

식(6)

여기서, K_p : 비례제어 이득값

K_d : 미분제어 이득값

: 측정된 선회속도(r_measured) - 운전자 요구 선회속도(r_desired)

:

이 이득 값들은 앞서 설명한 선회 속도차 역치(Delta yaw Threshold)를 기준으로 결정되며 선회 속도차가 커지면 이득 값을 증가시킴으로서 많은 제어량을 통해 차량의 주행 안정성을 확보한다. Q값은 목표 차륜 슬립 값으로서, 제어에 의한 차륜 슬립이 제한 값 이상이면 제어 압력을 제한한다. 지나친 압력 상승은 차륜을 로킹(Locking)시킬 수 있으며 일정 크기 이상의 차륜 슬립에서는 보상 선회 모멘트(Compensated Yaw Moment)가 더 이상 증가하지 않고 궁극적으로 차량의 안정성을 떨어뜨리고 빈번한 압력 제어를 유발한다.

도 7은 기준 차륜 슬립량을 결정하기 위한 룩업 테이블을 나타낸 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 차속을 m등분하고 노면의 마찰계수(μ)를 n등분하여 각 상황에서의 적절한 보상 차량 모멘트를 발생시킬 수 있는 차륜 슬립량(λ)을 결정한다.

본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 방법에서는 운전자의 목표 선회 속도를 정확하게 추정하는 것이 중요하며, 이를 위해서는 선회 속도 산출에 이용되는 조향각과 기준 차속의 정확한 값을 획득하는 것이 중요하다.

본 발명에 따른 차량의 주행 안정성 제어 방법에서, 조향각 영점 검출 (Zero angle detection)과 기준 차속 획득 방법을 설명하면 다음과 같다.

<조향각 영점 검출>

상대 조향각 센서는 영점 검출(Zero angle Detection) 이후에 이용할 수 있으 며 영점 검출 시점에서의 실제 조향각이 0°, -360°, 360°인지를 판단하는 기준이 필요하다. 이를 위해 모델 기준 판단 방법(Model Based Sensor Monitoring)을 이용한다. 즉, 차륜 속도와 선회 속도, 횡가속도, 조향각 사이에는 각각의 물리적 관계식이 존재하므로, 이들로부터 구한 조향각 값(모델 값)과 측정된 조향각 값을 비교하여 조향각 영점 검출시 실제 조향각의 오프셋(Offset) 값을 결정한다. 이때 모델과 측정된 조향각 값과의 차이(Residual)가 일정값 이하이면 모델 값을 신뢰하고 실제 측정된 조향각 값을 제어에 이용한다. 또한 측정된 조향각 값은 영점 검출시 0°, -360°, 360°로 설정한다.

<차속 설정>

차량의 구동 방식이 전륜 구동이나 후륜 구동인 경우에는 기준 차속을 비구동륜으로부터 구하고, 4륜 구동(4WD)의 경우에는 종가속도 센서를 함께 이용하여 기준 차속을 구한다.

식 (7)은 차속 결정 관계식을 나타낸 것이다.

식 (7)

여기서,

V_ref : 기준 차속 (Reference Speed)

α : 종가속도에 대한 가중치 (Weighting Factor)

a_x0: 종가속도에 대한 외란보상치(Perturbation Factor)

a_x : 차체 종가속도값

Δt : 적분시간 (Integration Time)

c₁ : 이전 기준차속에 대한 가중치 (Weighting Factor)

V_wheel : 차륜 속도 (Wheel Speed)

4륜 구동 차량의 경우에는 구동력에 의해서 모든 차륜에 스핀(Spin)이 발생하기 때문에 차륜의 회전 속도만으로는 기준 차속을 결정할 수 없다. 따라서 차체 종가속도 센서로부터 종가속도 값을 검출하고 그 값을 적분하여 기준 차속을 구한다. 경사로(Up-Hill, Down-Hill) 주행 시에는 중력 가속도에 의해서 종가속도 센서 값에 오차가 발생할 수 있으므로 a_x0과 같은 외란 보상치(Perturbation Factor)를 포함시킨다.

2륜 구동 차량과 같이 차륜 스핀이 없는 경우에는 차륜 속도를 이용하되, 종가속도 센서 값과 차륜 회전 속도 값의 신뢰도에 따라 가중치를 변경시키면서 기준 차속을 결정한다. 또, 차체 선회 속도와 조향각이 각각 일정값 이상일 경우에는 장착되어 있는 선회 속도 센서에 의해 검출되는 선회 속도 값을 이용하여 기준 차속을 보정하는 것이 효과적이다.

<ABS 제어와의 협조 제어>

본 발명의 차량 안정성 제어에 있어서 ABS 제어와 협조 제어시에는 언더스티 어와 오버스티어 발생시 제어되는 후륜 내측 차륜과 전륜 외측 차륜의 목표 슬립을 ABS 제어부에서 설정된 값을 이용하지 않고 차량 안정성 제어 시스템에서 설정한 값을 이용한다.

또한 오버스티어(spin-out)시 후륜 내측 차륜의 목표 슬립을 작게 가져가 후륜에서의 횡력을 증가시킴으로써 전륜 외측에서의 제동력에 의한 불충분한 선회 모멘트를 보상시켜 준다. 언더스티어의 경우에도 마찬가지로 전륜 외측 차륜의 목표 슬립을 작게 가져간다.

여기서, 목표 슬립을 결정하는 방법은 노면 마찰 계수 및 차속별로 차륜 슬립이 차량 선회모멘트에 끼치는 영향을 분석하여 각 운전상황에 맞게 슬립량을 설정한다.

<TCS 제어와의 협조제어>

본 발명에 따른 차량 안정성 제어 시스템에 있어서 TCS 제어와의 협조 제어시에는 기본적으로 차량의 운동이 심하여 큰 제동력이 필요한 경우나 노면 마찰 계수가 작은 경우에 엔진 구동 토크를 감소시켜 차량의 요동(Rocking)을 방지하면서 제어되는 차륜의 브레이크 압력을 감소시킨다. 차량이 전륜 구동이면 언더스티어(plow)시 목표 회전 속도(wheel spin)를 감소시켜(목표 토크를 작게 하여) 전륜에서의 횡력을 증가시킨다. 반대로 차량이 후륜 구동이면 오버스티어(spin-out)시 목표 회전 속도(wheel spin)를 감소시켜 후륜에서의 횡력을 증가시킨다. 차량이 4륜 구동(4WD)인 경우에는 언더스티어나 오버스티어의 경우 모두 목표 회전속도(wheel spin)를 작게 해줌으로서 구동 토크를 줄여준다.

한편, BTCS(Brake Intervention Traction Control System)와의 협조 제어에서는 ABS와의 협조제어에서와 같이 기준 차륜 슬립율을 이용하여 차륜 슬립을 제한한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 차량 안정성 제어 시스템은 선회 주행시 발생할 수 있는 언더스티어, 오버스티어를 방지하기 위해 운전자가 원하는 선회 속도를 노면에 따라 정확히 추정한 후 차륜에 가해지는 제동력과 엔진의 구동력을 함께 제어함으로서 양호한 차량 안정성을 확보하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 선회 주행 시, 차량의 조향각과 기준 차속을 이용하여 차량의 노면에 상응하는 운전자가 원하는 차량의 선회 속도를 설정하는 단계와;

   상기 조향각 및 기준 차속으로부터 설정된 차량의 선회 속도를 제한하는 단계와;

   측정된 횡가속도와 운전자가 원하는 횡가속도와의 차이, 조향각속도, 상기 측정된 횡가속도를 이용하여 상기 제한된 선회 속도의 적용 시점을 결정하는 단계와;

   상기 기준 차속, 상기 미리 설정된 기준 노면에서 설정된 선회 속도와 측정된 선회 속도와의 차이, 상기 횡가속도, 종가속도를 이용하여 차량의 주행노면을 판단하는 단계와;

   상기 판단된 주행 노면에 상응하도록 설정되는 상기 운전자가 원하는 차량의 선회속도를 기준 선회 속도로 결정하고, 상기 결정된 기준 선회 속도와 선회 속도 센서로부터 측정된 실제 선회 속도를 비교하여 언더스티어 또는 오버스티어인를 판별하는 단계와;

   상기 언더스티어/오버스티어 판별 결과에 따라 제동력 및 구동력을 제어하는 단계를 포함하는 차량의 주행 안정성 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 미리 설정된 기준노면에서 설정된 선회속도는 상기 조향각 및 기준차속 과 함께 상기 조향각 및 기준차속의 변화에 따라 미리 설정된 선회속도의 보상값을 더 고려하여 추정되는 차량의 주행 안정성 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서

   차량의 언더스티어 발생 시 상기 조향각과 상기 기준차속으로부터 설정되는 차량의 선회속도와 상기 제한된 선회속도의 차이를 이용하여 상기 차량의 주행 안정성을 확보하는 차량의 주행 안정성 제어 방법.
4. 제 1 항에 있어서

   상기 조향각과 기준차속으로부터 설정된 차량의 선회속도와 상기 제한된 선회속도에 각각 가중치를 두고;

   조향각속도, 조향각과 차량미끄럼각속도의 곱을 이용하여 상기 가중치를 결정하는 차량의 주행 안정성 제어 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 선회속도를 설정하기 위해 기준차속을 산출하되 차량이 4륜 구동차량인 경우의 기준차속은 종가속도센서의 오차와 경사로 주행시의 중력가속도에 따른 외란치를 감안하여 기준차속을 산출할 수 있도록 다음의 식을 이용하여 종가속도 센서값과 차륜속도값의 신뢰도에 따라 가중치를 변경시켜 산출하는 차량의 주행 안정 성 제어 방법.

   

   여기서, Vref : 기준차속 (Reference Speed)

   α : 종가속도에 대한 가중치 (Weighting Factor)

   a_x0: 종가속도에 대한 외란보상치(Perturbation Factor)

   a_x : 차체 종가속도값

   Δt : 적분시간 (Integration Time)

   c₁ : 이전 기준차속에 대한 가중치 (Weighting Factor)

   V_wheel : 차륜속도 (Wheel Speed)
6. 제 1 항에 있어서,

   운전자가 원하는 선회속도와 측정된 선회속도의 차이와 그 변화율을 이용한 다음과 같은 비례미분제어를 이용하여 상기 제동력 제어단계에서의 해당차륜의 브레이크 압력의 Q값을 최소화하는 차량의 주행 안정성 제어 방법.

   

   여기서, K_p : 비례제어 이득값

   K_d : 미분제어 이득값

   

   : 측정된 선회속도(r_measured) - 운전자 요구 선회속도(r_desired)

   

   :

   
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 차륜에서의 슬립값이 기준값 이상일 경우에는 상기 차륜에 제어압력을 발생시키지 않으며, 상기 기준값은 차량의 노면마찰계수 및 차속에 대응되게 미리 설정된 것을 특징으로 하는 차량의 주행 안정성 제어 방법.

Images