KR100851384B1 - 이에스씨 신호를 이용한 씨디씨 센서의 고장 진단방법 - Google Patents

이에스씨 신호를 이용한 씨디씨 센서의 고장 진단방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이에스씨(ESC) 신호를 이용한 씨디씨(CDC) 센서의 고장 진단방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존 차량에 탑재되어 있는 ESC용 횡/종방향 가속도 신호를 이용하여 CDC에 장착된 가속도 센서의 고장을 진단하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 ESC 신호를 이용한 CDC 센서의 고장 진단방법은, 각 가속도 센서의 가속도와, 피치 가속도 및 롤러 가속도로 질량 중심 가속도를 나타내는 단계와, 차량의 전후좌우에 장착되는 각 타이어에 가해지는 항력을 추정하는 단계와, 피치 가속도와 롤 가속도의 관계식을 구하는 단계와, 상기 피치 가속도와 롤 가속도 관계식에 항력을 대입하여 피치 가속도와 롤 가속도의 근사값을 구하는 단계와, 상기 피치 가속도와 롤 가속도의 근사값을 질량 중심 가속도에 대입하여 각각의 가속도 센서로부터 질량 중심 가속도의 추정치를 얻는 단계와, 각 가속도 센서별 질량 중심 가속도의 추정치를 서로 비교하여, 각 추정치 중에서 가장 오차가 큰 값을 만든 가속도 센서에서 고장이 발생하였다고 판단하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
CDC, ESC, 가속도 센서, 고장 진단, 질량 중심, 항력

Description

이에스씨 신호를 이용한 씨디씨 센서의 고장 진단방법{Error Supervision Method of CDC Sensor Using ESC Signal}
도 1은 CDC 시스템 센서의 차량내 설치 예시도,
도 2는 본 발명에 적용되는 스프링위 질량 3개의 가속도 센서를 가진 차량 모델
도 3은 본 발명에 따른 피치 운동용 1/2 차량 모델,
도 4는 본 발명에 따른 롤 운동용 1/2 차량 모델,
도 5는 본 발명에 따른 고장 진단방법의 순서도.
본 발명은 이에스씨(ESC) 신호를 이용한 씨디씨(CDC) 센서의 고장 진단방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존 차량에 탑재되어 있는 ESC용 횡/종방향 가속도 신호를 이용하여 CDC에 장착된 가속도 센서의 고장을 진단하는 방법에 관한 것이다.
차량의 연속댐핑제어(CDC: Continuous Damping Control) 시스템은 차량에 장착된 4륜 댐퍼의 감쇠력을 독립적으로 제어함으로써 주행 안정성 및 승차감을 향상 시키는 장치이다.
각 차륜의 상단 차체에 상/하 가속도 센서가 부착되어 차륜 각각의 거동을 측정, 독립적인 제어를 가능하게 한다.
차속 센서와 조향각 센서의 신호를 기준으로 운전자의 급조향 거동을 판단하여 4륜의 댐퍼 감쇠력을 제어해주는 안티 롤(anti-roll) 로직에 의해서 4륜 댐퍼의 감쇠력을 제어함으로써 불규칙 노면의 주행시 타이어 접지면에서의 수직 하중을 적절한 수준으로 유지하여 선회, 제동, 구동시의 차량의 안정성을 확보할 수 있고, 차량의 주행중에 발생하는 노면의 불규칙한 압력을 효과적으로 차단(isolation)함으로써 승객에게 안락한 승차감(ride comfort)과 운전 편의성을 제공해 준다.
상기한 바와 같이 CDC 시스템은 여러 가지 센서를 사용한다.
예를 들어 차체나 휠의 가속도를 측정하는 가속도 센서나 차체 롤이나 피치 운동을 측정하는 롤, 피치 센서 등이 사용되고, 제조사나 부품사마다 센서의 종류나 장착 위치는 다양하지만 비용/효과 측면에서 최소한의 센서를 장착하려는 경향이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, CDC 시스템의 센서중 스프링위 질량(sprung mass)에 차량 전방 좌우 및 후방에 3개의 가속도 센서(1a,1b,1c)가 장착되고, 스프링아래 질량(unspung mass)에 전륜의 두 바퀴에 각 1개씩 가속도 센서(2a,2b)가 장착된다.
그리고 일반적인 CDC 시스템에서 차속 센서(5), 브레이크 작동 여부를 감지하는 브레이크 스위치(3), 스로틀 밸브 개도량을 감지하는 TPS(4)가 장착되나, 롤 이나 피치 센서는 사용하지 않는다.
한편, 센서의 고장은 하드웨어적인 덧붙임(redundancy: 고장을 대비하여 여분의 센서를 추가하는 것)과 기구학/동력학적인 덧붙임(센서 사이의 기구학적 동력학적 연관관계를 이용하는 것)을 이용하여 판단할 수 있다.
상기 도 1에서 스프링위 질량(sprung mass)에 장착된 3개의 가속도 센서(1a,1b,1c) 사이의 크로스 체크(cross check)만으로는 고장을 진단할 수 없다.
왜냐하면, 하나의 평면은 3개의 포인트에 의해 유일하게 정의되므로, 고장진단을 위해서 필수적인 덧붙임(redundancy)이 부족한 문제가 발생하기 때문이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, CDC 이외의 시스템, 특히 ESC 시스템의 센서와 차량 동역학적인 접근에 의해 덧붙임(redundancy)을 확보하여 CDC 시스템에 구비되는 3개 가속도 센서의 고장 진단을 할 수 있는 ESC 신호를 이용한 CDC 센서의 고장 진단방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 ESC 신호를 이용한 CDC 센서의 고장 진단방법은, 차량의 전방좌우와 후방에 장착된 3개의 CDC 시스템용 가속도 센서를 이용하여 구한 각각의 가속도 센서의 가속도와, 피치 가속도 및 롤러 가속도로 질량 중심 가속도를 나타내는 제1단계와, ESC 시스템에 장착된 센서에서 출력되는 횡/종방향 가속도 신호를 이용하여 차량의 전후좌우에 장착되는 각 타이어에 가해지는 항력을 추정하는 제2단계와, 상기 피치 운동용 1/2 차량 모델과, 롤 운동용 1/2 차량 모델을 이용하여 피치 가속도와 롤 가속도의 관계식을 구하는 제3단계와, 상기 피치 가속도와 롤 가속도 관계식에 제2단계의 항력을 대입하여 피치 가속도와 롤 가속도의 근사값을 구하는 제4단계와, 상기 피치 가속도와 롤 가속도의 근사값을 제1단계의 질량 중심 가속도에 대입하여 각각의 가속도 센서로부터 질량 중심 가속도의 추정치를 얻는 제5단계와, 상기 제5단계의 각 가속도 센서별 질량 중심 가속도의 추정치를 서로 비교하여, 각 추정치 중에서 가장 오차가 큰 값을 만든 가속도 센서에서 고장이 발생하였다고 판단하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위해 ESC 시스템에 대해 설명하면, 차량에 구비되는 ESC(electronic Stability Control) 시스템은 위험한 운전상황에서 자동차 스스로 브레이크를 밟거나 엔진 토크를 제어해서 위험으로부터 벗어나게 하는 장치이다.
ABS(Anti-lock Brake System)가 브레이크를 직접 밟아야 효과를 발휘하고 또 제동하는 과정에서만 효과를 발휘하는 장치라면, ESC 시스템은 운전자가 브레이크를 밟지 않아도 스스로 최적의 차량 운행조건을 찾아주는 장치이다.
예를 들어 운전자가 통제하기 어려운 속도로 선회를 하고 있을 경우, ESC 시스템은 차량내 장착된 요(yaw) 레이트 센서, 횡가속도(G) 센서, 조향각 센서, 롤 센서, 피치 센서, 차속 센서 등으로 통해 얻어진 차량 운동량과 추정을 통해 얻어진 노면 상태 등을 이용하여 설정된 기준값보다 실제 측정된 차량 운동량을 판단해 서 오버 스티어(over steer) 또는 언더 스티어(under steer)에 따라 차륜의 브레이크 장치를 제어함으로써 차량의 안정성과 조향성을 유지시킨다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 고장 진단방법의 순서도이다.
먼저, 차량의 전방 좌우와 차량의 후방에 장착된 가속도 센서를 이용하여 구한 각 가속도 센서의 가속도와 피치 가속도와 롤러 가속도로 질량중심 가속도를 나타낸다(S502).
3개의 스프링위 질량 가속도 센서를 가진 차량 모델의 도 2에서
Figure 112006091751564-pat00001
과
Figure 112006091751564-pat00002
,
Figure 112006091751564-pat00003
을
Figure 112006091751564-pat00004
(질량 중심 가속도)와
Figure 112006091751564-pat00005
(피치 가속도),
Figure 112006091751564-pat00006
(롤 가속도)로 각 각 표현하면 다음과 같은 수학식이 성립한다.
Figure 112006091751564-pat00007
Figure 112006091751564-pat00008
Figure 112006091751564-pat00009
상기 수학식 1과 수학식 2, 수학식 3을 차량의 질량 중심의 가속도
Figure 112006091751564-pat00010
에 대하여 정리하면 수학식 4가 된다.
Figure 112008018584389-pat00026
이때 CDC 시스템에는 롤 가속도와 피치 가속도를 측정할 수 있는 센서가 없으므로 이를 각 타이어에 가해지는 항력(normal force)을 이용하여 추정해야 한다.
이때 횡가속도와 종가속도는 ESC 시스템에 장착된 센서로부터 받아들인다.
다음 ESC 시스템에 장착된 센서에서 출력되는 횡/종방향 가속도 신호를 이용하여 차량의 전후좌우에 장착되는 각 타이어에 가해지는 항력을 추정한다(S504).
차량이 주행하지 않을 때 차량의 하중에 의해 타이어에 가해지는 전·후 항력 Fzf, Fzr는 다음 수학식 5 및 수학식 6과 같이 분배된다.
Figure 112006091751564-pat00012
Figure 112006091751564-pat00013
그리고 차량에 종방향의 힘이 가해질 경우 차량의 종방향 가속도 성분에 의해 타이어에 가해지는 항력은 수학식 7 및 수학식 8과 같이 변형된다.
Figure 112006091751564-pat00014
Figure 112006091751564-pat00015
또한, 차량의 횡방향 운동에 의해 좌우에 분배되는 항력의 변화량은 차량의 롤 강성계수(roll stiffness)와 차량의 횡가속도에 의해 결정되고 수학식 9와 같다.
Figure 112006091751564-pat00016
따라서 최종적으로 각 타이어에 분배되는 항력은 수학식 10이 된다.
Figure 112006091751564-pat00017
다음 피치 운동용 1/2 차량 모델과, 롤 운동용 1/2 차량 모델을 이용하여 피치 가속도와 롤 가속도의 관계식을 구한다(S506).
도 3과 같은 피치 운동용 1/2 차량 모델을 이용하여 피치 가속도에 대한 관계식을 구하면 수학식 11이 된다.
Figure 112006091751564-pat00018
도 4와 같은 롤 운동용 1/2 차량 모델을 이용하여 롤 가속도에 대한 관계식을 구하면 수학식 12가 된다.
Figure 112006091751564-pat00019
상기 피치 가속도와 롤 가속도 관계식에 항력을 대입하여 피치 가속도와 롤 가속도의 근사값을 구한다(S508).
따라서 수학식 11과 수학식 12에 수학식 10을 대입하면 피치 가속도와 롤 가속도의 근사값을 구할 수 있다.
이렇게 구한 피치 가속도와 롤 가속도의 근사값을 수학식 4에 적용하여 각각의 가속도 센서로부터 질량 중심 가속도의 추정치를 얻는다(S510).
상기 수학식 4의 세 식(AzCG1, AzCG2, AzCG3)에 의해 각각 구해진
Figure 112006091751564-pat00020
세 값들을 비교(크로스 체크)하여, 이때 각 추정치 중에서 가장 오차가 큰 값을 만든 가속도 센서에서 고장(fault)이 발생하였다고 판단한다(S512).
이와 같은 본 발명에 따른 ESC 신호를 이용한 CDC 센서의 고장 진단방법의 효과를 알아보기 위한 검증은, 컴퓨터 시뮬레이션으로 구불구불한 도로를 100kph로 주행하여 실시하였다.
잔여값(residual)은 가장 오차가 큰 추정치에서 나머지 추정치의 평균을 뺀 값으로 정의하고, 시뮬레이션한 결과, 고장난 가속도 센서에서의 오류가 비교적 명확하게 잔여신호에 나타나는 것을 관찰할 수 있었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 기존에 존재하는 ESC용 횡/종방향 가속도 신호를 이용하여 CDC에 장착된 가속도 센서의 고장을 진단함으로써, 가속도 센서 자체의 고장을 진단하는 전자 장치가 파악하는 범위 외의 고장(측정값의 off set 고장) 등을 차량 동역학적 연관성을 이용하여 감지할 수 있는 장점이 있다.
곧 CDC 시스템의 가속도 센서가 완전히 고장 나기 전에 미리 고장 여부를 판 단하여 이상 작동하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 추가 장비없이 기존에 존재하는 센서와 로직의 추가만으로 고장을 진단할 수 있다는 점에서도 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 차량의 전방좌우와 후방에 장착된 3개의 CDC 시스템용 가속도 센서를 이용하여 구한 각각의 가속도 센서의 가속도와, 피치 가속도 및 롤러 가속도로 질량 중심 가속도를 나타내는 제1단계와,
    ESC 시스템에 장착된 센서에서 출력되는 횡/종방향 가속도 신호를 이용하여 차량의 전후좌우에 장착되는 각 타이어에 가해지는 항력을 추정하는 제2단계와,
    상기 피치 운동용 1/2 차량 모델과, 롤 운동용 1/2 차량 모델을 이용하여 피치 가속도와 롤 가속도의 관계식을 구하는 제3단계와,
    상기 피치 가속도와 롤 가속도 관계식에 제2단계의 항력을 대입하여 피치 가속도와 롤 가속도의 근사값을 구하는 제4단계와,
    상기 피치 가속도와 롤 가속도의 근사값을 제1단계의 질량 중심 가속도에 대입하여 각각의 가속도 센서로부터 질량 중심 가속도의 추정치를 얻는 제5단계와,
    상기 제5단계의 각 가속도 센서별 질량 중심 가속도의 추정치를 서로 비교하여, 각 추정치 중에서 가장 오차가 큰 값을 만든 가속도 센서에서 고장이 발생하였다고 판단하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 ESC 신호를 이용한 CDC 센서의 고장 진단방법.
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