KR100721046B1 - 차량 안정성 제어 시스템 - Google Patents

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    • B60T2270/30—ESP control system

Abstract

본 발명은 차량 안정성 제어시스템(Electronic stability program 이하 ESP라 함)에 관한 것으로, 상세하게는 ESP 시스템에서 차량의 바퀴와 노면이 형성하는 마찰계수를 추정하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
종래 ABS 시스템은 각 바퀴 속도로부터 계산된 차체속도를 기준으로 차체 가속도를 산출하고, 산출된 가속도가 설정된 값 이상일 때에는 고마찰 노면으로 판단하고, 설정값 이하에서는 저 마찰노면으로 판단하는 노면 추정 방법을 사용하였는데, 상기와 같은 노면 추정 방법은 차량의 주행중에만 판단될 수 있는 방법으로 ESP 시스템의 초기 제어시에는 노면의 상태는 배제하고 슬립율만으로 제어를 수행함으로 정확한 제어가 수행되지 못하는 단점이 있었으며, 상기 산출된 가속도로 노면의 상태를 판단하는 건 정확한 노면 마찰계수가 아닌 소정 설정 범위의 가속도내 마찰계수로 2단계 또는 3단계로 노면을 구분하는 대략적인 마찰계수 추정으로 좀 더 세밀한 제어가 되지 못하는 단점이 발생하였다. 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 차량의 선회주행시 발생하는 요레이트와 차체 가속도를 이용하여 현재 주행중인 노면의 마찰계수를 추정하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
선회주행, 마찰계수

Description

차량 안정성 제어 시스템{Electronic stability system for vehicle}
도 1은 본 발명에 따른 차량 안정성 제어시스템에서 마찰계수 연산을 수행하기 위한 구성도.
도 2는 차량을 2 자유도 시스템으로 모델링한 도면.
도 3은 본 발명의 마찰계수 연산의 수행과정을 보인 플로우 차트.
도 4는 시간에 따른 요레이트 오차, 오차의 절대값, 요레이트 오차 파워값의 변화를 보이기 위한 그래프.
도 5는 시간에 따른 횡 가속도, 횡 가속도의 절대값, 횡 가속도 파워값의 변화를 보이기 위한 그래프.
도 6는 미리 설정된 마찰계수와 요레이트 오차 파워값과의 관계를 보인 그래프
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 측정부 20 : 노면 마찰계수 연산부
30 : ABS 제어부 40 : TCS 제어부
본 발명은 차량 안정성 제어시스템(Electronic stability program 이하 ESP라 함)에 관한 것으로, 상세하게는 ESP 시스템에서 차량의 바퀴와 노면이 형성하는 마찰계수를 추정하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 안티록 브레이크 시스템(Anti lock brake system 이하 ABS라 함)은 차륜속도로부터 연산되는 슬립률에 따라 휠에 가해지는 제동압을 적절히 조절하여 바퀴의 록킹(locking)을 방지하는 것이고, 트랙션 콘트롤 시스템(Traction control system 이하 TCS라 함)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(Under steer)가 일어날 수 있고 이와 반대로 안쪽으로 과도하게 기울어지는 오버스티어(Over steer)가 일어날 수 있다.
그래서 차량이 주행하는 어떠한 상황에서도 차량의 자세를 안정적으로 제어하는 즉 차량의 조향성 상실을 방지하기 위한 차량 안정성 시스템(Electronic stability program 이하 ESP라 함)이 요구되고 있다. 일예로 선회주행시 운전자가 원하는 주행궤적에서 바깥으로 밀려나가는 언더스티어(Under steer)가 발생하는 상황에서는 후륜 내측 바퀴에 제동력을 가함으로써 차량이 바깥쪽으로 밀려 나가는 것을 방지하고, 선회주행시 차량의 선회속도가 과도하게 커져 운전자 원하는 주행 궤적에서 안쪽으로 기울어지는 오버스티어(Over steer)가 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 ABS 및 TCS의 성능을 떨어뜨리지 않아야 하며, 이와 반대로 ABS 및 TCS에 의하여 차량의 안정성이 떨어지는 악영향을 미쳐서도 않된다. 그러므로, 차량의 운동 상태에 적절하게 차량의 안전성을 제어하기 위해서는 기존의 ABS 및 TCS와 서로 연계하여 협조 제어하는데 주안점을 두는 것이 바람직하다.
상기와 같은 ESP 시스템에서 제동동작을 수행하는 ABS는 각 바퀴에 장착된 속도센서와 이를 입력으로 하여 각 바퀴의 압력제어를 결정하는 제어부, 실제 압력제어를 수행하는 제동 액튜에이터(솔레노이드 밸브)로 구성되어, 상기 속도센서를 이용하여 각 바퀴의 원주속도 및 가속도 또는 감속도를 구하고, 차체속도를 추정, 이를 슬립율 계산에 활용하는 것이다.
상기 구해진 감속도와 슬립율에 따라 제어부에서 각 바퀴의 압력제어 모드 즉, 가압, 유지, 감압등이 결정되는 것이다. 상기 ABS의 제동력 크기는 바퀴와 노면상태에 해당하는 마찰계수에 의하여 결정됨으로써, 현재 주행노면의 마찰계수의 추정이 필수적이다.
상기와 같은 종래 ABS 시스템은 각 바퀴 속도로부터 계산된 차체속도를 기준 으로 차체 가속도를 산출하고, 산출된 가속도가 설정된 값 이상일 때에는 고마찰 노면으로 판단하고, 설정값 이하에서는 저 마찰노면으로 판단하는 노면 추정 방법을 사용하였는데, 상기와 같은 노면 추정 방법은 차량의 주행중에만 판단될 수 있는 방법으로 ESP 시스템의 초기 제어시에는 노면의 상태는 배제하고 슬립율만으로 제어를 수행함으로 정확한 제어가 수행되지 못하는 단점이 있었으며, 상기 산출된 가속도로 노면의 상태를 판단하는 건 정확한 노면 마찰계수가 아닌 소정 설정 범위의 가속도내 마찰계수로 2단계 또는 3단계로 노면을 구분하는 대략적인 마찰계수 추정으로 좀 더 세밀한 제어가 되지 못하는 단점이 발생하였다.
또한, 상기와 같은 주행노면의 마찰계수 추정방법은 차량의 선회주행시에는 선회주행에 따른 차량의 움직임 정보를 감안하지 않은 상태로 마찰계수를 추정하게 되므로 선회주행시에 대응되는 마찰계수 추정이 어려운 문제점이 발생하였던 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 차량의 선회주행시 발생하는 요레이트와 차체 가속도를 이용하여 현재 주행중인 노면의 마찰계수를 추정하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
차량의 안정성 제어 시스템에 있어서, 운전자가 원하는 주행궤적을 나타내는 추정 요레이트와 센서에 의한 측정 요레이트와의 요레이트 오차 파워를 산출하는 단계, 주행시의 차체 가속도를 산출하는 단계, 상기 산출된 요레이트 오차에 대응되는 노면 마찰상수를 산출하는 단계, 상기 산출된 차체 가속도와 노면 마찰상수를 이용하여 현재 주행중인 노면의 마찰계수를 산출하는 단계로 수행된다.
이하 본 발명에 따르는 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 차량 안정성 제어시스템에서 마찰계수 연산을 수행하기 위한 구성도, 도 2는 차량을 2 자유도 시스템으로 모델링한 도면, 도 3은 본 발명의 마찰계수 연산의 수행과정을 보인 플로우 차트, 도 4는 시간에 따른 요레이트 오차, 오차의 절대값, 요레이트 오차 파워값의 변화를 보이기 위한 그래프, 도 5는 시간에 따른 횡 가속도, 횡 가속도의 절대값, 횡 가속도 파워값의 변화를 보이기 위한 그래프, 도 6는 미리 설정된 마찰계수와 요레이트 오차 파워값과의 관계를 보인 그래프이다.
본 발명의 차량 안정성 제어시스템은 측정부(10), 노면 마찰계수 연산부(20), ABS 제어부(30), TCS 제어부(40)로 구성된다.
상기 측정부(10)는 4바퀴의 휠 속도를 검출하기 위한 휠 속도센서(11), 차량의 종방향 가속도를 검출하기 위한 종가속도센서(12), 조향핸들의 조향각을 검출하기 위한 조향각센서(13), 차량의 횡방향의 가속도를 검출하기 위한 횡가속도센서(14) 및 차량의 요레이트를 검출하기 위한 요레이트센서(15)를 포함하고 있다.
상기 노면 마찰계수 연산부(20)는 상기 휠 속도센서(11)와 종가속도센서(12) 로부터 검출된 값을 이용하여 차량의 기준속도를 추정하는 차속추정부(21)와, 조향각 센서(13)로부터 검출된 값을 이용하여 조향핸들의 조향각을 연산하는 조향각 연산부(22)와, 차량의 기준차속과 조향각, 횡가속도 센서(14)의 횡가속도를 이용하여 기준노면에서의 운전자가 원하는 요레이트를 추정하는 요레이트 연산부(23)와, 상기 요레이트 연산부(23)에서 연산된 요레이트와 요레이트 센서(15)에서 측정한 측정 요레이트를 비교하여 상기 두 요레이트의 오차를 산출하는 요레이트 오차 산출부(24)와, 상기 요레이트 오차 산출부(24)에서 산출된 요레이트 오차값의 파워를 연산하는 요레이트 오차 파워 연산부(26), 상기 종가속도 센서(12)에서 출력한 종가속도와 횡가속도 센서(14)에서 출력한 횡가속도를 입력하여 차체 가속도의 파워를 산출하는 차체 가속도 파워 연산부(25)와, 상기 차체 가속도 파워 연산부(25)의에서 연산된 차체 가속도 파워값을 입력하여 차체 가속도를 산출하는 차체 가속도 연산부(28), 상기 요레이트 오차 파워 연산부(26)에서 출력하는 요레이트 오차 파워값과 차체 가속도 연산부(25)에서 출력하는 차체 가속도값을 입력하여 노면의 마찰계수를 추정하는 노면 마찰계수 추정부(27)로 구성된다.
상기 ABS 제어부(30)는 상기 노면 마찰계수 추정부(27)에서 추정된 마찰계수를 입력하여 ABS 모드시의 차량의 제동제어를 수행하며, TCS 제어부(40)는 상기 노면 마찰계수 추정부(27)에서 추정된 마찰계수를 입력하여 TCS 모드시의 차량의 가속제어를 수행한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 간략 동작을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
현재 주행중인 차량의 차속과 조향각을 이용하여 운전자가 원하는 요레이트를 연산하는 단계, 상기 연산된 요레이트와 요레이트 센서에 의해 측정된 측정 요레이트의 오차 파워를 산출하는 단계, 횡가속도센서와 종가속도센서에 의해 측정된 횡가속도와 종가속도를 이용하여 차체 가속도를 산출하는 단계, 상기 각각 산출된 요레이트 오차와 차체 가속도를 이용하여 노면 마찰계수를 연산하고, 연산된 마찰계수를 각각의 ABS 제어부나 TCS 제어부에 출력하는 단계로 수행된다.
이하 본 발명의 상세 구성 및 동작을 살펴보면 다음과 같다.
차량의 궤적제어를 위하여 제동력 및 구동력을 제어함으로써 원하지 않는 차량 선회 모멘트, 즉 요레이트를 보상하는 방법을 이용하게 된다.
요레이트는 각 바퀴의 압력제어를 통한 제동력으로부터 발생되는데, 그 제동력의 크기는 바퀴와 노면상태에 해당하는 마찰계수에 의해 결정되게 된다.
노면 마찰계수 연산부(20)의 차속 추정부(21)는 휠 속도센서(11)와 종가속센서(12)에서 검출된 값을 이용하여 차속을 추정하게 되고, 조향각 연산부(22)는 조향각 센서(13)에서 검출된 값을 이용하여 조향각을 연산하게 된다.
노면 마찰계수 연산부(20)의 요레이트 연산부(23)는 상기 차속 추정부(21)에서 출력하는 차속 데이터와 조향각 연산부(22)에서 출력하는 조향각 데이터를 이용하여 기준 요레이트를 연산하게 되는데, 도 2를 참조하여 그 과정을 살펴보면 다음과 같다.
수학식 1은 요레이트(R)와 차체미끄럼각(??)에 대한 차량운동방정식을 나타내며, 뉴톤(Newton)의 제2법칙과 미분 개념을 이용하여 수학식 2를 유도할 수 있 다. 수학식 2에 의하여 운전자가 원하는 요레이트(Rdesired)는 조향각과 차속으로부터 구한다.
[수학식 1]
Figure 112003000994199-pat00001
Figure 112003000994199-pat00002
[수학식 2]
Figure 112003000994199-pat00003
여기서, Nδ은 제어모멘트 미분계수[control moment derivative (-lfcf)]
Yδ는 제어력 미분계수[control force derivative(cf)]
Nr은 요댐핑 미분계수[yaw damping derivative{(lf 2cf+lr 2cr)/V}]
Yβ는 댐핑 인사이드 슬립 미분계수[damping-in-side slip derivative(cf+cr)]
Nβ은 정적 디멘션 안정 미분계수[static directional stability derivative{(lfcf-lrcr)}]
Yr는 횡력/요커플링 미분계수[lateral force/yaw coupling derivative{(lfcf-lrcr)/V}]
Iz는 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
상기와 같이 연산된 요레이트(Rdesired)와 요레이트 센서(15)에서 측정된 측정 요레이트(Rmeasurement)를 요레이트 오차 산출부(24)는 입력하여 상기 연산 요레이트(Rdesired)와 측정 요레이트(Rmeasurement)의 오차(△yaw)를 산출하게 된다.
상기 요레이트 오차 산출부(24)에서 산출된 요레이트 오차를 요레이트 오차 파워 연산부(26)에서 입력하여 그 오차의 파워(△yaw(P))를 산출하게 되는데, 그 산출방법은 엔빌로프(envelope) 방법을 이용한 아래의 수학식 3을 이용하여 산출하게 된다.
엔빌로프 방법은 여러번 반복되는 과정에서 신호의 최소, 최대치를 추출 획득하는 방법이다.
[수학식 3]
IF
Figure 112003000994199-pat00004
이고,
else 이다.
여기서, △yaw는 요레이트 오차
△yaw(p)는 요레이트 오차 파워
τ는 가중치
아래첨자 k는 주기상 스텝을 나타낸다.
상기 수학식 3에서와 같이 구한 요레이트 오차 파워(△yaw(P))는 도 4와 같이 도시된다.
한편, 차체 가속도 파워 연산부(25)는 종가속도 센서(12)와 횡가속도 센서(14)에서 측정한 값을 입력하여 각각의 가속도 파워(△ay(P), △ay(P))를 산출하게 되는데, 상기 요레이트 오차 파워(△yaw(P))와 동일한 방법인 엔빌로프 방법을 이용하여 산출하게 된다.
여기서는 횡 가속도 센서(14)에서 측정한 횡 가속도값(ay)만을 일예로 하여 수학식 4와 같이 산출해 본다.
[수학식 4]
If　　　
Figure 112003000994199-pat00006
이고,
else　　
Figure 112003000994199-pat00007
이다.
여기서, ay는 횡 가속도
ay(p)는 횡가속도 파워
τ'는 가중치
아래첨자 k는 주기상 스텝을 나타낸다.
차체 가속도(G)는 상기와 수학식 4와 같이 산출된 각각의 횡 가속도 파워(ay(p))와, 종 가속도 파워(ax(P))를 이용하여 다음의 수학식 5와 같이 산출하게 된다.
[수학식 5]
Figure 112003000994199-pat00008
여기서, G는 차체 가속도
ax(p)는 종 가속도 파워
ay(P)는 횡 가속도 파워이다.
상기 수학식 3과 5를 이용해 산출된 요레이트 오차 파워(△yaw(p))와 차체 가속도(G)를 이용하여 현재 주행중인 노면의 마찰계수를 산출하게 되는데, 아래의 수학식을 이용하여 산출하게 된다.
[수학식 6]
μ = G +μ(e)
여기서, μ는 마찰계수
G는 차체 가속도
μ(e)는 마찰상수 이다.
상기 마찰상수(μ(e))는 상기 요레이트 오차 파워(△yaw(p))를 이용하여 산출하게 되는데, 도 6에 도시된 바와 같이 요레이트 오차 파워(△yaw(p))를 소정 설정 구간으로 구분하여 해당 구간마다 대응되는 마찰상수(μ(e))가 산출되게 되는 것이다.
예를 들면, 영(Zero)부터 소정 제 1요레이트 오차 파워(△yaw(p)1)까지는 μ(1)의 마찰상수가 적용되며 제 1요레이트 오차파워(△yaw(p)1)부터 소정 제 2요레이트 오차 파워(△yaw(p)2)까지는 선형적으로 μ(1)부터 영(Zero)까지의 마찰상수가 적용되며, 제 2요레이트 오차 파워(△yaw(p)2)보다 큰 요레이트 오차 파워에는 영(Zero)의 마찰상수가 적용되는 것이다.
또한, 상기 마찰상수(μ(e))는 실험에 의해 미리 산출된 값이며, 노면 마찰계수 추정부(27)에 저장되어 있다.
상기에서와 같이 본 발명에서는 차량의 선회주행시를 감안하여 선회주행시 발생하는 요레이트를 이용하여 노면의 마찰계수를 추정함으로써, 선회주행시 차량의 주행제어가 좀 더 안정적으로 이루어지며, 상기 요레이트와 함께 차체 가속도를 이용하여 노면의 마찰계수를 추정하여 차량의 초기 주행시 정확한 노면 마찰 계수를 이용, 주행 제어를 수행함으로써 운전자에게 신뢰성 있는 제동동작을 제공토록 한다.

Claims (6)

  1. 차량의 움직임 정보를 감지하기 위한 휠 속도센서, 요레이트 측정센서, 조향각 센서, 종 가속도 측정센서 및 횡 가속도 측정센서를 구비한 차량의 안정성 제어 시스템에 있어서,
    운전자가 원하는 주행궤적을 나타내는 추정 요레이트와 센서에 의한 측정 요레이트와의 요레이트 오차 파워를 산출하는 제 1단계, 주행시의 차체 가속도를 산출하는 제 2단계, 상기 산출된 요레이트 오차 파워에 대응되는 노면 마찰상수를 산출하는 제 3단계, 상기 산출된 차체 가속도와 노면 마찰상수를 이용하여 현재 주행중인 노면의 마찰계수를 산출하는 제 4단계를 포함하며,
    상기 제 1단계의 요레이트 오차 파워를 산출하는 것은 아래의 수학식에 의해 달성됨을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어 시스템.
    [수학식]
    IF
    Figure 112007003328502-pat00022
    이고,
    else
    Figure 112007003328502-pat00023
    이다.
    ( 여기서, △yaw는 요레이트 오차, △yaw(p)는 요레이트 오차 파워, τ는 가중치, 아래첨자 k는 주기상 스텝.)
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2단계의 차체 가속도를 산출하는 것은 센서에 의해 검출된 각각의 종가속도와 횡가속도의 파워값을 이용하여 아래의 수학식에 의해 달성됨을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어 시스템.
    [수학식]
    Figure 112003000994199-pat00011
    (여기서, G는 차체 가속도, ax(p)는 종 가속도 파워, ay(P)는 횡 가속도 파워.)
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 각각의 종가속도 파워와 횡 가속도 파워는 아래의 수학식 1, 2에 의하여 구해짐을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어 시스템.
    [수학식 1]
    If　　　
    Figure 112003000994199-pat00012
    이고,
    else　　
    Figure 112003000994199-pat00013
    이다.
    (여기서, ay는 횡 가속도, ay(p)는 횡가속도 파워, τ'는 가중치, 아래첨자 k는 주기상 스텝.)
    [수학식 2]
    If　　　
    Figure 112003000994199-pat00014
    이고,
    else　　
    Figure 112003000994199-pat00015
    이다.
    (여기서, ax는 횡 가속도, ax(p)는 횡가속도 파워, τ'는 가중치, 아래첨자 k는 주기상 스텝.)
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 4단계의 노면 마찰계수를 산출하는 것은 아래의 수학식에 의해 달성됨을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어 시스템.
    [수학식]
    μ = G +μ(e)
    (여기서, μ는 마찰계수, G는 차체 가속도, μ(e)는 실험에 의해 미리 산출된 마찰상수.)
  6. 삭제
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