KR100903665B1 - 가가속도 정보를 이용한 차량의 운동 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정상인 차량 가감속 상태를 포함하는 차량의 다이나믹스의 변화에 따라, 제어 요 모멘트량을 조정하는 것이다.

차량의 요 모멘트를 제어하는 제어수단을 구비한 차량의 운동 제어장치에 있어서, 차량의 전후방향의 속도(V)를 검출하는 제 1 검출수단과, 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 검출하는 제 2 검출수단과, 차량의 요각가속도(r_dot)를 검출하는 제 3 검출수단을 가지고, 제 2 검출수단으로 검출한 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 제 1 검출수단으로 검출한 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V)과, 제 3 검출수단으로 검출한 차량의 요각가속도(r_dot)와의 차가 작아지도록, 제어수단에 의하여 차량의 요 모멘트를 제어한다.

Description

가가속도 정보를 이용한 차량의 운동 제어장치{MOTION CONTROL DEVICE FOR VEHICLE USING INFORMATION ADDED ACCELERATION}

본 발명은, 차량의 운동 제어, 특히, 차량의 가로방향의 가가속도 정보를 사용하여 요 모멘트(yaw moment)를 제어하는 장치에 관한 것이다.

차량의 요 모멘트를 제어하는 차량 제어장치에 관해서는, 예를 들면, 특허문헌 1에 개시되어 있는 방식이 있다. 그런데 일반적으로, 차량의 좌우륜 사이에 토오크차를 발생시킴으로써, 좌우의 각 차륜과 노면과의 사이에서 발휘되고 있는 구동력 또는 제동력의 크기를 좌우 불균형하게 하고, 이것에 의하여, 차량에 요 모멘트를 발생시켜 차량의 거동을 제어할 수 있다.

차량의 좌우륜 사이에 발생시키는 토오크차의 목표값을 정하는 제어 로직에 관해서는, 특허문헌 1에서 개시되어 있는 방식의 하나로, 핸들 각속도에 비례한 값을 토오크차의 목표값으로 하는 방식이 있다. 특허문헌 1에 의하면, 핸들 각속도에 비례한 토오크차를 발생시키면, 핸들 각속도에 비례한 요 모멘트가 발생하여, 핸들 조작에 대한 차량의 요 운동의 초기 응답성을 향상할 수 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개평10-16599호 공보

그러나, 상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 제어 로직과 같이, 차량의 좌우륜 사이에 발생시키는 토오크차의 목표값을, 핸들 각속도에 비례한 만큼의 값으로 한다는 것은, 차량의 다이나믹스(차량의 가로방향의 운동성능)의 변화에 대응할 수 있는 보증은 없다.

차속이 고속화됨으로써 요 응답의 안정성이 저하되거나, 차량이 옆으로미끄러지는 상태에 의하여 타이어가 비선형 영역에 도달하거나, 가감속에 의하여 생기는 각 륜의 하중변화, 또는 타이어 전후력의 증가에 의하여 횡력(橫力)의 저하 등이 발생한 경우에는, 차량이 원래 가지는 복원 요 모멘트가 변화된다. 이 복원 요 모멘트와 제어입력의 합성 요 모멘트에 의하여 결과적으로 차량을 불안정하게 하는 영역이 발생한다.

본 발명의 목적은, 차량의 다이나믹스의 변화에 따라 요 모멘트 제어량을 변화시키는 것이 가능한 차량의 운동 제어장치를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 주로 다음과 같은 구성을 채용한다.

차량의 요 모멘트를 제어하는 제어수단을 구비한 차량의 운동 제어장치에 있어서, 차량의 전후방향의 속도(V)를 검출하는 제 1 검출수단과, 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 검출하는 제 2 검출수단을 가지고, 상기 제 2 검출수단으로 검출한 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 상기 제 1 검출수단으로 검출한 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V)에 의거하여, 차량의 요 모멘트를 제어하는 구성으로 한다.

또, 상기 차량의 운동 제어장치에 있어서, 차량의 요각가속도(r_dot)를 검출하는 제 3 검출수단을 가지고, 상기 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 상기 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V)과, 상기 제 3 검출수단으로 검출한 차량의 요각가속도(r_dot)와의 차가 작아지도록, 상기 제어수단에 의하여 차량의 요 모멘트를 제어하는 구성으로 한다.

본 발명에 의하면, 비정상인 차량 가감속 상태를 포함하는 차량의 가로방향 의 다이나믹스의 변화에 따라, 제어 요 모멘트량을 조정하는 것이 가능해져, 안정된 주행을 실현할 수 있다.

이하, 차량의 운동 제어장치에 대하여, 도 1 내지 도 10을 참조하면서 이하에 상세하게 설명한다. 도 1은 차량의 운동 제어장치의 전체구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에서 차량(0)은, 이른바 바이와이어시스템으로 구성되고, 운전자와 조향기구, 가속기구, 감속기구의 사이에 기계적인 결합은 없는 것이다. 다음에, 본 실시형태에 관한 차량의 운동 제어장치의 구성과 동작에 대하여, 각 항목으로 나누어 설명한다.

「구동」

차량(0)은, 모터(1)에 의하여 좌측 후륜(63), 우측 후륜(64)을 구동하는 후륜 구동차(Rear Motor Rear Drive : RR 차)이다(특히, 구동방식은 본 실시형태에 직접적인 관계는 없다). 모터(1)에 연접(連接)하여, 모터의 토오크를 좌우륜에 자유롭게 배분하는 것이 가능한 구동력 배분기구(2)가 장착되어 있다.

먼저, 구체적인 기기구성을 설명한다. 좌측 전륜(61), 우측 전륜(62), 좌측 후륜(63), 우측 후륜(64)에는, 각각 브레이크 로터, 차륜속(車輪速) 검출용 로터와, 차량측에 차륜속 픽업이 탑재되어, 각 륜의 차륜속을 검출할 수 있는 구성으로 되어 있다. 운전자의 액셀러레이터 페달(10)의 밟음량은, 액셀러레이터 포지션 센서(31)에 의하여 검출되고, 페달 컨트롤러(48)를 거쳐, 중앙 컨트롤러(40)에서 연산처리된다. 이 연산처리 중에는, 본 실시형태에 관한 요 모멘트 제어에 따른 토 오크 분배정보도 포함되어 있다. 그리고, 파워트레인 컨트롤러(46)는, 이 제어량에 따라 모터(1)의 출력을 제어한다. 또, 모터(1)의 출력은 파워트레인 컨트롤러(46)에 의하여 제어되는 구동력 배분기구(2)를 경유하여, 최적의 비율로 좌측 후륜(63), 우측 후륜(64)에 분배된다.

액셀러레이터 페달(10)에는, 또 액셀러레이터 반력 모터(51)가 접속되고, 중앙 컨트롤러(40)의 연산지령에 의거하여 페달 컨트롤러(48)에 의하여 반력 제어된다.

「제동」

좌측 전륜(51), 우측 전륜(51), 좌측 후륜(53), 우측 후륜(54)에는, 각각 브레이크 로터가 구비되고, 차체측에는 이 브레이크 로터를 패드(도시 생략)로 끼워 넣음으로써 차륜을 감속시키는 캘리퍼가 탑재되어 있다. 캘리퍼는 유압식, 또는 캘리퍼마다 전기모터를 가지는 전기식이다.

각각의 캘리퍼는, 기본적으로는 중앙 컨트롤러(40)의 연산지령에 의거하여 브레이크 컨트롤러(451)(전륜용), 브레이크 컨트롤러(452)(후륜용)에 의하여 제어된다. 또, 이 브레이크 컨트롤러(451, 452)에는 상기한 바와 같이 각 륜의 차륜속이 입력되어 있다. 이들 4륜의 차륜속으로 전륜(비구동륜)의 차륜속을 평균 처리함으로써 절대 차속을 추정할 수 있다.

본 실시형태에서는, 이 차륜속 및 차량 전후방향의 가속도를 검출하는 가속도 센서의 신호를 사용함으로써 4륜 동시에 차륜속도가 떨어지는 경우에도, 절대차속(V)을 정확하게 측정하도록 구성되어 있다(이와 같은 절대차속의 측정에 관해서 는, 예를 들면 공지의 일본국 특개평5-16789호 공보 등에 개시된 기술을 채용하면 된다). 또, 전륜(비구동륜)의 좌우륜 속도의 차분을 취함으로써 차체의 요레이트(yaw-rate)를 추정하는 구성으로 되어 있다(r_w). 그리고 이들 신호는 중앙 컨트롤러(40) 내에서 공유정보로서, 항상 모니터링되어 있다.

브레이크 페달(11)에는, 브레이크 반력 모터(52)가 접속되고, 중앙 컨트롤러(40)의 연산지령에 의거하여 페달 컨트롤러(48)에 의하여 반력 제어된다.

「제동·구동의 통합제어」

본 실시형태에서는, 뒤에서 설명하는 요 모멘트 제어를 실현할 때에 3개의 모드[뒤에서 설명하나, 조향에 의한 요 모멘트 부가, 좌우 차동제구동입력에 의한 요 모멘트 부가, 후륜으로부터 전륜으로의 하중 이동에 의한 요 모멘트 부가(도 7참조)]를 가지고 있고, 그 중의 하나가 「좌우 차동제구동입력에 의한 요 모멘트 부가」이다. 좌우륜에 다른 제동력이나 구동력을 발생시키게 되나, 요 모멘트로서 기여하는 것은 좌우의 제동력 또는 구동력의 차분이다.

따라서, 이 차분을 실현하기 위하여 한 쪽은 구동하고, 반대측을 제동하는 등의 통상과는 다른 동작도 있을 수 있다. 이와 같은 상황에서의 통합 제어지령은 중앙 컨트롤러(40)가 통합적으로 지령을 결정하고, 브레이크 컨트롤러(451)(전륜용), 브레이크 컨트롤러(452)(후륜용), 파워트레인 컨트롤러(46), 모터(1), 구동력 배분기구(2)를 거쳐 적절하게 제어된다.

「조향」

차량(0)의 조향계는 4륜 조향장치로 되어 있으나, 운전자의 조향각과 타이어 꺽임각의 사이에 기계적인 결합이 없는, 스티어링 바이 와이어 구조로 되어 있다. 조향계는, 내부에 조향각 센서(도시 생략)를 포함하는 프론트 파워 스티어링(7)과 스티어링(16)과 운전자 조향각 센서(33)와 스티어링 컨트롤러(44)로 구성되어 있다. 운전자의 스티어링(16)의 조향량은, 운전자 조향각 센서(33)에 의하여 검출되고, 스티어링 컨트롤러(44)를 거쳐, 중앙 컨트롤러(40)에서 연산처리된다. 이 연산처리 중에는 본 실시형태에 관한, 요 모멘트 제어에 따른 조향각 입력도 포함되어 있다. 그리고 스티어링 컨트롤러(44)는 이 조향량에 따라, 프론트 파워 스티어링(7), 리어 파워 스티어링(8)을 제어한다.

스티어링(16)에는, 스티어링 반력 모터(53)가 접속되고, 중앙 컨트롤러(40)의 연산지령에 의거하여 스티어링 컨트롤러(44)에 의하여 반력 제어된다. 운전자의 브레이크 페달(11)의 밟음량은, 브레이크 페달 포지션 센서(32)에 의하여 검출되고, 페달 컨트롤러(48)를 거쳐, 중앙 컨트롤러(40)에서 연산처리된다.

「센서」

다음에, 본 실시형태의 운동 센서군에 대하여 설명한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 횡가속도 센서(21)와 전후 가속도 센서(22) 및 요레이트 센서(38)(차량의 회전각 속도)는, 중심점 부근에 배치되어 있다. 또, 각각의 가속도 센서의 출력을 미분하여 가가속도 정보를 얻는, 미분회로(23, 24)가 탑재되어 있다. 또한 요레이트 센서(38)의 센서출력을 미분하여 요각가속도 신호를 얻기 위한 미분회로(25)가 탑재되어 있다.

본 실시형태에서는 미분회로의 존재를 명확화하기 위하여 각 센서에 설치되 어 있는 바와 같이 도시하였으나, 실제로는 중앙 컨트롤러(40)에 직접 가속도 신호를 입력하여 각종 연산처리를 하고 나서 미분처리를 하여도 된다. 따라서, 상기한 차륜속 센서로부터 추정된 요레이트를 사용하여 중앙 컨트롤러(40) 내에서 미분처리를 하여 차체의 요각가속도를 얻어도 된다. 또, 가가속도를 얻기 위하여, 가속도 센서와 미분회로를 이용하고 있으나, 이미 알려진 가가속도 센서(예를 들면, 일본국 특개2002-340925호 공보를 참조)를 사용하여도 된다.

「요 모멘트 제어」

다음에, 좌우륜 구동력 배분에 의한 요 모멘트 제어에 대하여, 도 2와 도 3을 이용하여 설명한다. 본 실시형태에서는, 「조향에 의한 요 모멘트 부가」, 「좌우 차동제구동입력에 의한 요 모멘트 부가」 「후륜으로부터 전륜으로의 하중 이동에 의한 요 모멘트 부가」의 3종류의 방법을 사용하여 차량(0)에 가하는 요 모멘트를 제어한다. 도 2는 차량의 반시계방향의 선회상태에서 3종류의 양의 요 모멘트 입력을 실시한 상황을 나타내는 모식도이다. 도 3은 차량의 반시계방향의 선회상태에서 3종류의 음의 요 모멘트 입력을 실시한 상황을 나타내는 모식도이다.

도 2는, 도 2(a)에 나타내는 표준상태로부터 양의 모멘트를 입력하는 경우의 3가지의 방법을 나타내는 도면이다. 먼저, 표준상태(A)에서의 차량(0)의 가로방향의 운동 방정식과 요잉(회전)운동의 방정식을 나타낸다.

단, m : 차량(0)의 질량, Gy : 차량(0)에 가하는 가로방향의 가속도, Fyf : 전륜 2륜의 횡력, Fyr : 후륜 2륜의 횡력, M : 요 모멘트, Iz : 차량(0)의 요잉 관성 모멘트, r_dot : 차량(0)의 요각가속도(r은 요레이트), lf : 차량(0) 중심점과 전륜 차축간의 거리, lr : 차량(0) 중심점과 후륜 차축간의 거리이다. 표준상태에서는 요잉 운동은 균형(요 모멘트가 제로)을 나타내고, 각가속도는 제로가 된다.

표준상태(A)에서 「조향에 의한 요 모멘트 부가」를 실시한 것이 (B)의 상태이다. (A)의 표준상태에 비하여 전륜 조향각을 Δδf만큼 증가하고, 후륜을 역방향 Δδr만큼 증가하였기 때문에, 전륜 2륜의 횡력이 Fyf에서 Fysf로 증가하고, 후륜 2륜의 횡력이 Fyr에서 Fyrf로 감소하기 때문에, 상기한 수학식 2에 따라, 하기의 수학식 3에 나타내는 바와 같이 양의 모멘트(Ms)가 발생한다.

또, 본 실시형태에서는 후륜도 조향 가능한 4륜 조향 차량을 상정하고 있으나, 통상의 전륜 조향 차량이어도 양의 모멘트를 발생할 수 있다.

다음에, (A)의 표준상태로부터 좌측 후륜(63)에 제동력(-Fdrl), 우측 후륜(64)에 구동력(Fdrr), 그리고 좌측 전륜(61)에 제동력(-Fdf)을 가한 것이, (C)의「좌우 제구동 입력에 의한 모멘트 부가」이다. 이 경우,

가 된다. 여기서 d는 좌우의 트레드(tread)(도시하는 바와 같이 좌우 차륜간 거리)를 나타내고 있다. 또한,

이 되도록 제어하면, 전륜 구동차가 아니어도[본 예에서는 우측 전륜(62)을 구동하지 않더라도) 전후방향으로 가감속을 발생하지 않고 요 모멘트를 발생할 수 있게 된다. 즉 운전자에게 위화감을 주지 않고 요 모멘트를 가할 수 있다.

다음에, 도 2(d)는 제동력을 가함으로써 후륜에서 전륜으로 적극적으로 하중 이동을 발생시켜, 차량의 복원 요 모멘트를 저감시키고, 결과적으로 요 모멘트를 발생시키는 방법이다.

이 하중 이동에 의한 요 모멘트 부가의 현상은, 「자동차 기술회 Vol. 47, No. 12, 1993의 PP. 54∼60, 저자 시바하타 등」에 게재된「요 모멘트 제어에 의한 차량 운동성능의 향상에 대하여」에서 개시되어 있는 바와 같이, 타이어의 횡력이 하중에 비례하는 범위에서, 정상 선회 중인 가감속에 의한 요 모멘트는, 횡가속도와 전후 가속도의 곱에 비례한다. 이 현상은, 전륜의 마찰원이 도 2(a)의 상태에서 감속도(-Gx)에 의하여 증가함과 동시에, 후륜의 마찰원이 감속도(-Gx)에 의하여 감소함으로써 발생한다. 단, -Gx는,

이다. 투입되는 요 모멘트가 횡가속도와 전후 가속도의 곱이 되는 점까지의 식 변형은 생략하나,

이 되어, 양의 요 모멘트를 투입하는 것이 가능해진다.

한편, 도 3은 도 2에 나타내는 방법과 동일한 방법으로 음의 요 모멘트를 입력하는 방법이다. 도 2의 양의 요 모멘트의 입력과 동일한 방법이기 때문에 상세한 설명은 생략하나, 조향은 조향각을 감소, 또는 후륜을 전륜과 동일 위상방향으로 조향하고, 제구동은 역방향의 제구동력을 인가하고, 하중 이동에서는 가속함으로써 후륜 하중을 증가하고, 후륜 횡력을 상대적으로 증가시킴과 동시에, 전륜 횡력을 감소시킴으로써 복원방향의[도 3(b)(c)(d)에서는 시계방향의] 모멘트를 얻도록 하고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 차량은 중앙 컨트롤러(40)의 지령에 의하여 음양 양쪽의 요 모멘트를 발생할 수 있다. 다음에 구체적인 요 모멘트 지령을 위한 목표 요 모멘트의 산출방법에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 이상 설명한 요 모멘트의 발생의 방법에 대한 개략은, 여러가지 문헌에서 소개되어 있다.

「차량 운동 역학적인 기술배경」

도 4에 나타내는 바와 같이, 차량이 있는 곡선을 따라 선회하고 있는 상황을 상정한다. 지상에 고정된 좌표계(X, Y)의 C(s)=(X(s), Y(s))로 나타내는 곡선에서, s는 곡선에 다달은 거리이다. 궤적의 곡률을 κ(= 1/ρ(ρ: 선회반경))라 하면, κ는, 수학식 8에 나타내는 바와 같이, 궤적을 따른 호(弧)가 긴 파라미터(s)를 이용하여 나타내는 것이 일반적이다.

즉, 소정의 거리(ds)만큼 곡선을 진행하였을 때에 각도(dθ)의 변화가 있는 경우, 이것을 곡률 κ(dθ/ds)라 한다.

잘 알려져 있는 바와같이, 일정 차속으로 핸들을 일정한 각속도로 조향하였을 때에 차량이 그리는 궤적은 클로소이드 곡선이라 불리우고, 도로설계에 흔히 사용되고 있다. 이 곡선은,

로 나타내고, 진행하는 거리에 대하여 곡률의 변화율이 일정한 곡선이다. 따라서 차량으로 속도 일정(u)하게 클로소이드 곡선상을 달리는 경우,

이 되고, 이 차량에서 본 곡률의 시간변화는,

이 되어 일정해진다[이것은 호가 긴 파라미터로부터 시간 파라미터(t)로의 치환이라고 생각하여도 된다]. 한편, 곡률(κ)의 정의로부터, κ(s)는 수학식 12와 같이 나타낸다.

이것은, 차량이 곡률[κ(s)]의 곡선상을 옆으로 미끄러짐의 변화없이 s1 → s2까지 이동하면 차량 요각이 ψ만큼 발생한다는 것을 의미하고 있다.

옆으로 미끄러짐의 변화가 없는 상태란, 도 5에 나타내는 바와 같이 곡선[C (s)를 나타내는 굵은 검정곡선]의 접선방향의 벡터(V)와 차량의 속도방향(일점 쇄선방향)의 차가, 제로[도 5(a)]이거나, 또는 횡(橫) 미끄러짐각이라 불리우는 각도(β)가 일정[도 5(b)]한 상태이고, 이와 같은 상태에서는 차량의 공전과 자전이 협조하여 합치하고 있는 이상적인 상태라고 생각된다. 또, 이 이상(理想)상태에서 발생하는 요각은 기하학적으로 결정되는 것으로, 차량 다이나믹스와는 직접적인 관 계가 없는 것에 주시할 필요가 있다. 또한 도 5에 나타내는 상태에 대한 상세는, 예를 들면 「자동차의 운동과 제어」, 아베 마사토 저, 산해당 출판, 평성 4년 7월 10일 제 1쇄 발행, 제 3장에 기술되어 있다.

「규범 요 모멘트의 도출」

도 4에 나타내는 s1 → s2까지 이동하는 데 t1 → t2의 시간이 걸렸다 하고, 이와 같은 운동상태의 차량의 요레이트(r_ref)는,

이 된다. 또한, 요각가속도(r_ref_dot)를 구하면,

이 된다. 여기서 차량의 진행방향의 속도를 다음식과 같이,

이라 하고, 차량의 전후방향의 가속도를 Gx라 하면,

이 된다. 또 차량의 가로방향의 가속도를 Gy라 하면 도 5와 같이 옆으로 미 끄러짐의 변화가 없는 상태에서 운동하고 있는 차량에 대해서는,

과

의 관계가 있다. 이 양 변을 시간 미분하여, 곡률의 시간변화를 구하면,

가 된다.

여기서, Gy_dot는 차량의 횡 가가속도이다. 수학식 14에 수학식 16, 수학식 18, 수학식 19를 대입하면,

여기서, 제 2항의 전후 가속도와 횡 가속도의 곱을 속도의 2승으로 나눈 것은 제 1항에 비하여 작기 때문에, 본 실시형태에서는 생각하지 않기로 한다. 또, 더욱 고정밀도의 값을 요구하는 경우는 고려하여도 된다.

그런데, 상기한 수학식 20으로 나타내는 것은, 이상상태에서 주행하는 차량이 필요로 하는 요각가속도가다. 또, 이 요각가속도의 값에 차량의 요잉 관성 모멘트(Iz)를 곱하면, 규범 요 모멘트가 된다(일반적인, 힘 f = 질량 m × 가속도 α의 관계에 대응하는 것).

「제어 로직」

다음에 상기한 규범 요 모멘트를 사용하여 주행 중인 차량의 요 모멘트를 제어하는 방법에 대하여 설명한다. 여기서, 규범 모멘트라는 것은, 도 5에서 설명한 바와 같이, 차량의 공전과 자전을 협조하여 합치시킨 상태에서 경로를 찾기 위하여 필요한 모멘트이고, 이 모멘트가 크면 차량이 자전하고, 작으면 경로로부터 차량이 벗어나게 된다.

실제의 차량은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 공전운동과 자전운동에 괴리가 생긴다. 이것은 차량이 다이나믹스를 가지고, 속도 변화, 하중 변화, 외란 등에 따라 특성이 변화하기 때문이다. 본 실시형태에서는 이 괴리(도 6에 나타내는 어긋남)를 보정하는 것을 생각한다. 구체적으로는, 이하의 2개의 경우를 상정한다. 첫번째는 직선으로부터 선회에 들어 갈 때, 또는 선회로부터 직선 탈출의 과도상태에서는, 요레이트에 대하여 횡가속도는 횡 미끄러짐각의 변화분으로서의 응답지연을 가지기 때문에, 이 부분을 보정하는 것을 생각한다(선회·탈출 어시스트). 또, 또 하나는 전후륜의 횡력의 밸런스가 무엇인가의 이유에 의하여 무너져, 공전보다 자전이 증가하는 (스핀)상태에 대한 억제에 대해서도 고려한다(거동 변화 억제).

차량(0)에 탑재된 요레이트 센서(38) 또는 좌우 차륜속 센서의 차분으로부터 추정한 요레이트를 미분회로(25)의 출력 각가속도를 r_real_dot라 한다. 이 값에 차량(0)의 요잉 관성 모멘트(Iz)를 곱하면 현재의 차량에 작용하고 있는 요 모멘트를 파악할 수 있다.

결국, 이 작용 요 모멘트(Iz·r_real_dot)와 규범 요 모멘트(Iz·r_ref_dot)의 차분이 공전과 자전의 괴리의 원인이 되는 차분 요 모멘트가 된다. 따라서

이, 보정해야 할 요 모멘트가 된다. 여기서, k는 비례 게인이다. 비례 게인을 필요로 하는 이유로서, 규범 요 모멘트는 다이나믹스를 포함하지 않기 때문에, 직접 피드백(k = 1)을 가하면, 발산하는 영역이 존재한다. 따라서, k는 반드시 1 이하 이도록 조정할 필요가 있다.

「제어 로직의 구성」

도 7은 본 실시형태에 관한 제어 로직의 구성을 나타내는 모식도이다. 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V)에 의거하여, 차량의 요 모멘트를 제어하는 구성으로 되어 있다. 또, 차량의 요각가속도(r_dot)를 검출하여, (Gy-dot/V)와, (r_dot)와의 차가 작아지도록, 차량의 요 모멘트를 제어하는 구성으로 되어 있다.

또, 「조향에 의한 요 모멘트 부가」, 「좌우 차동제구동입력에 의한 요 모 멘트 부가」 「후륜에서 전륜으로의 하중 이동에 의한 요 모멘트 부가」의 변환, 또는 조합은, 운전자 입력에 따라 결정한다. 예를 들면 액셀러레이터 입력이 있는 경우에는 감속도를 따르는「하중 이동에 의한 요 모멘트 부가」는 실시하지 않는, 또는 「좌우 차동제구동입력」의 합계값을 운전자의 액셀러레이터 입력에 따라 제어하는 등이다. 이들 일련의 처리는 중앙 컨트롤러(40) 내에서 행하여진다.

「실제의 검출결과에 의한 원리의 정당성의 확인」

다음에, 실제 차를 이용한 보정 요 모멘트(ΔM)의 검출 시험 결과를 나타낸다. 실험 차량은 약 1500[kg], 요잉 관성 모멘트 2500「kg㎡」의 프론트 엔진 프론트 구동의 승용차이고, 횡 가가속도 검출수단과 요각가속도 검출수단을 가지고 있다.

도 8은 운전자에게 라인 트레이스 태스크[도면에서는 좌측, (d) → (a)]와, 자유롭게 경로를 선택하는 Voluntary Drive[우측, (b) → (d)]를 행하였을 때의 차량의 궤적(계측값), 차량 전후, 횡 가속도, 그 때의 횡 가가속도를 속도로 나눔으로써 얻은 규범 요각가속도(r_ref_dot), 실제의 차량의 요각가속도(r_rea1_dot), 각각의 각가속도의 차분을 나타낸 것이다. 테스트 트랙의 대략 X = -100 [m]보다 좌측 부분에는 노면에 트레이스해야 할 라인이 그려져 있다.

따라서, 운전자는 X = 0[m]인 쪽에서 우측 코너로 어프로치하게 된다. 좌측 코너로부터의 탈출을 나타낸 순간이 이하의 2개의 그래프의 75[s(Time)] 부근이고, 여기에서 차량은 (b)코너로 진입하고, (c)코너로부터 탈출하여 (d)코너로 다시 돌입한다는 태스크이다.

라인 트레이스 태스크(좌측) 코너로의 진입 직전의 속도는 대략 60[km/h]으로 규정하고 있으나, 운전자는 자유롭게 브레이크, 엑셀러레이터를 이용하여도 되는 것으로 하고 있다. 이것이 도 8의 2번째에 나타내는 가속도 그래프이다. 따라서, 본 실험은 자유로운 가감속을 수반하는 결과인 것에 주의할 필요가 있다.

상기한 수학식 20에서 추측할 수 있는 바와 같이, 요각가속도와 곡률(κ)의 시간변화는 상관이 높다. 따라서 곡률이 바뀌는 라인을 트레이스하게 되는 코너 출입구에서는, 규범 요각가속도가 발생하게 된다. 도 8의 3번째에 나타내는 바와 같이, 규범 요각가속도와 실제 요각가속도의 차분은 아주 약간이고, 운전자는 큰 거동 변화를 일으키지 않고 적확하게 차량을 컨트롤하여 라인을 트레이스하고 있는 것을 알 수 있다.

여기서, 도 8의 최하단의 도면은 보정 요 모멘트를 나타낸 것이다. 전체적으로 작은 양이기는 하나, 규범의 요각가속도가 상승하여 피크에 도달할 때까지는 양, 하강에서는 음으로 되어 있고, 이 값을 수학식 21로 나타내는 바와 같이 적당한 게인(k)을 곱하여 피드백하고, 요 모멘트를 투입함으로써 차량 운동의 즉응성(卽應性)과 수속성(收束性)을 향상할 수 있는 것이 명확하다. 또, 상기한 바와 같이, 본 실험은 브레이크, 액셀러레이터에 의한 자유로운 가감속을 운전자에게 허용한 실험이기 때문에, 본 실시형태는 비정상인 차량 가감속 상태에서도 유효한 것도 분명하다.

운전자에 의하여 클로즈드 제어가 행하여지는 경우는, 운전자가 브레이크, 스티어링, 액셀러레이터를 연휴(連携)시켜 적확하게 제어를 행하기 때문에, 보정 요 모멘트가 불필요하게 되는 상황이 많다. 반대로 말하면 그와 같은 상황에서 제어가 개입하면 위화감을 증가시키게 된다. 이 때문에 제어 로직(보정 요 모멘트의 산정)의 정당성을 더욱 명확하게 확인하기 위하여, 설정속도로 좌우에 사인 커브 형상의 조향을 행하는 오픈 루프시험을 실시하여, 적확한 보정 요 모멘트 신호가 산출되는지의 여부를 검증하여 보았다.

도 9는, 각각 차속 20[km/h], 60[km/h], 80[km/h]에서, 스티어링을 1 [Hz]의 사인 커브 형상으로 40 [deg], 40 [deg], 50 [deg]만큼 조향한 경우에, 횡 가가속도를 속도로 나눔으로써 얻은 규범 요각가속도와 실제 차량의 요레이트를 미분하여 얻어진 실제의 요각가속도를 비교한 도면이다.

주지와 같이 차량의 가로방향의 운동성능(다이나믹스)은 차속에 따라 변화된다. 실제의 요각가속도는 차속이 느린 경우에서는 게인이 낮고, 위상이 지연되고 있다. 차속 증가에 따라, 게인이 증가하고, 이것에 따라 위상 지연도 작아진 것 처럼 보인다(실제로는 지연되고 있다). 이와 같은 경우에는 보정 요 모멘트도 차속에 따라 변화할 필요가 있다.

이것에 대하여, 규범 요각가속도는 조향, 즉 1[Hz]의 사인 커브 형상을 멈추고, 속도 변화에 의한 위상 지연 등도 없다(차량 다이나믹스를 이용하고 있지 않기 때문). 따라서 도 10은 규범 요각가속도와 실제의 요각가속도의 차분으로부터 구한 보정 요 모멘트신호(ΔM)를 나타내고 있으나, 규범 요 모멘트에 대하여 다이나믹스변화를 내포한 보정량으로 되어 있는 것은 분명하다.

「정리」

이상 설명한 본 실시형태에 관한 차량 운동 제어장치의 구성 및 기능을 정리하면 다음과 같이 된다. 즉, 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V=r_ref_dot)(규범 요각가속도)과, 차량의 요각가속도 검출수단으로 검출한 차량의 요각가속도(r_real_dot)의 차분을 취하고, 이 값이 작아지도록,

(1) 차량의 각 륜의 횡(橫) 미끄러짐각을 제어하여 전륜과 후륜의 횡력의 차를 제어한다,

(2) 차량의 각 륜의 종(縱) 미끄러짐률을 제어하여, 좌우륜의 구동 또는 제동 토오크차를 발생시킨다[또, 각 륜의 종력(전후력)을 변경하기 위하여, 종 미끄러짐률을 제어하면 되는 것은 당연하나, 종래 알려져 있는 것이다),

(3) 전후 가속도에 의한 전후륜 사이의 하중 이동에 의하여 전후륜의 횡력의 차를 변화시킨다는 3가지 방법을 이용하여(3가지 제어방법을 개별로 적용하는 것에 더하여, 이들 제어방법을 적절하게 조합시켜 적용하는 것도 당연히 가능하다), 차량의 요 모멘트를 제어함으로써, 비정상인 차량 가감속 상태를 포함하는 차량의 다이나믹스의 변화에 따라, 제어 요 모멘트량을 조정하는 것이 가능해져, 안정된 주행을 실현할 수 있다. 단적으로 말하면, 본 발명의 주된 특징은, 차량의 가로방향의 가가속도를 전후방향 속도로 나눈 값이, 도 5에 나타내는 운동을 실현하기 위하여 필요한 요각가속도[요각가속도에 요잉 관성 모멘트(Iz)를 곱하면 요 모멘트]라는 것을 이용하고, 실제의 요각가속도(r_real)와, 상기 나눈 값(r_ref)과의 차분을 기초로 요 모멘트를 제어하는 것이다.

다음에 다른 실시형태에 관한 차량의 운동 제어장치에 대하여, 이하 설명한다. 도 7에 나타내는 바와 같이 상기한 실시형태에서의 제어장치는, 차량의 규범 요각가속도와 실제 요각속도와의 차분에 의거한, 피드백, 클로즈드 루프 제어를 채용한 것이다.

이것에 대하여, 다른 실시형태에서는, 오픈 루프제어, 특히 하중 이동에 의한 요 모멘트제어를 채용하는 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 「자동차 기술회, Vol. 47, No.12, 1993의 PP.54∼60」에 게재된 「요 모멘트 제어에 의한 차량 운동 성능의 향상에 대하여」에서 개시되어 있는 바와 같이, 타이어의 횡력이 하중에 비례하는 범위에서는, 정상 선회 중인 가감속에 의한 요 모멘트(Mzls)는, 수학식 22에 나타내는 바와 같이 횡 가속도와 전후 가속도의 곱에 비례한다. 여기서, m은 차량 질량, h는 중심점 높이, g는 중력 가속도이다.

따라서, 차량의 가로방향의 가속도(Gy_dot)를 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V=r_ref_dot)에 z축 주위의 관성 모멘트를 곱한 값을 필요 요 모멘트로 하고, 이 필요 요 모멘트와 프로파일이 동일한 제어 모멘트를 실현하는 전후 가속도를 구하여 본다. 이것은, 스티어링조작에 의하여 발생하는 횡 가속도, 횡 가가속도에 따라, 브레이크·엑셀러레이터에 의하여 전후 가속도를 결정하는, 전후방향 운동과 가로방향 운동의 통합 제어라고 생각하여도 된다.

즉, 운전자의 조향에 따라, 시스템이 자동적으로 브레이크·엑셀러레이터를 조작하기 위한 제어지침이 되는 값을 얻는 방법이다. 비례 정수를 c라 하면, 지령 전후 가속도(Gxc)는, 하기의 수학식 23으로 주어진다.

이 Gxc값에 의거하여, 브레이크·액셀러레이터를 제어함으로써, 하중 이동에 의한 모멘트가 규범 요 모멘트와 가까워지도록 발생하기 때문에, 더욱 자전과 공전의 일치 정도가 증가하여 조종성의 향상, 차량의 안정화를 도모할 수 있다.

또, 차량에 실장(實裝)하는 경우, 차량의 횡 가속도(Gy)로 나눈 경우, 선회 초기상태에서는, 횡 가속도가 작은 값이 되고, 지령 전후 가속도(Gxc)가 큰 값이 되는 경우가 있다. 또, 속도가 저하하여 온 경우에도 동일한 염려가 있다. 이와 같은 상황을 피하기 위하여, 수학식 24로 나타내는 바와 같이, 주된 정보를 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)에서 얻고, 그 밖의 부분을 속도, 또는 횡 가속도, 또는 그 양쪽의 함수 f(Gy, V), 또는, 부수 정보와 아울러 맵 등에 기억하여 두는 게인(KGyV)으로 하여 지령 전후 가속도(Gxc)를 결정하여도, 충분히 공학적으로 유용하다.

이상을 구체적으로 설명하면, 차량의 전후방향의 속도(V)와, 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 검출하는 수단을 가지고, 검출한 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 검출한 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V)에 의거하여, 차량의 전후 가속도를 제어하여 하중 이동에 의하여 차량의 요 모멘트를 제어하는 것이다. 더욱 구체적으로는 차량의 횡 가속도(Gy)를 검출하고, 이 검출을 기초로 한 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 차량이 검출한 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V)에 대하여, 차량의 횡 가속도(Gy)로 나눈 값에 비례한 물리량에 의거하여, 차량의 전후 가속도를 제어하여 하중 이동에 의하여 차량의 요 모멘트를 제어하는 것이다.

도 1은 차량의 운동 제어장치의 전체 구성을 나타내는 도,

도 2는 차량의 반시계방향의 선회상태에서 3종류의 양의 요 모멘트 입력을 실시한 상황을 나타내는 모식도,

도 3은 차량의 반시계방향의 선회상태에서 3종류의 음의 요 모멘트 입력을 실시한 상황을 나타내는 모식도,

도 4는 차량이 곡선을 따라 선회하는 상황을 나타내기 위하여, 궤적의 곡률과 궤적에 따른 호가 긴 파라미터의 개념을 설명하는 도,

도 5는 차량이 옆으로 미끄러짐이 없는 선회상태를 나타내는 이상적인 상태를 나타내는 도,

도 6은 실제의 차량이 다이나믹스를 가지고 선회하는 상태와 보정 요 모멘트를 필요로 하는 상황을 설명하는 도,

도 7은 차량의 운동 제어장치에서의 제어 로직을 설명하는 도,

도 8은 차량에서의 가감속을 수반하는 운동시의 실측 결과를 나타내는 도,

도 9는 차속과 조향 조건을 규정하였을 때의 규범 요각가속도와 실제의 요각가속도의 실측 결과를 나타내는 도,

도 10은 차속과 조향 조건을 규정하였을 때의 목표 요 모멘트와 보정 요 모멘트의 실측 비교를 나타내는 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

0 : 차량 1 : 모터

2 : 구동력 배분기구 7 : 프론트 파워 스티어링

8 : 리어 파워 스티어링 10 : 액셀러레이터 페달

11 : 브레이크 페달 16 : 스티어링

21 : 횡 가속도 센서 22 : 전후 가속도 센서

23, 24, 25 : 미분회로 31 : 엑셀러레이터 센서

32 : 브레이크 센서 33 : 조향각 센서

38 : 요레이트 센서 40 : 중앙 컨트롤러

44 : 스티어링 컨트롤러 46 : 파워 트레인 컨트롤러

451, 452 : 브레이크 컨트롤러 48 : 페달 컨트롤러

51 : 액셀러레이터 반력 모터 52 : 브레이크 반력 모터

53 : 스티어링 반력 모터 61 : 좌측 전륜

62 : 우측 전륜 63 : 좌측 후륜

64 : 우측 후륜

Claims (10)

1. 차량의 요 모멘트(yaw moment)를 제어하는 제어수단을 구비한 차량의 운동 제어장치에 있어서,

   차량의 전후방향의 속도(V)를 검출하는 제 1 검출수단과, 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 검출하는 제 2 검출수단을 가지고,

   상기 제 2 검출수단으로 검출한 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 상기 제 1 검출수단으로 검출한 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V)에 의거하여, 차량의 요 모멘트를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 운동 제어장치.
2. 제 1항에 있어서,

   차량의 요각가속도(r_dot)를 검출하는 제 3 검출수단을 가지고,

   상기 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 상기 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V)과, 상기 제 3 검출수단으로 검출한 차량의 요각가속도(r_dot)와의 차가 작아지도록, 상기 제어수단에 의하여 차량의 요 모멘트를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 운동 제어장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 차량의 요 모멘트를 제어하는 제어수단은, 차량의 각 륜의 횡(橫) 미끄러짐각을 변화시켜 전륜과 후륜의 횡력의 차를 제어하는 것임을 특징으로 하는 차 량의 운동 제어장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 차량의 요 모멘트를 제어하는 제어수단은, 차량의 각 륜의 종(縱) 미끄러짐률을 변화시켜 좌우륜의 구동력 차 또는 제동력 차를 발생시키는 것임을 특징으로 하는 차량의 운동 제어장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 차량의 요 모멘트를 제어하는 제어수단은, 차량에 횡 가속도가 작용하고 있는 상태에서, 차량의 각 륜의 종 미끄러짐률을 변화시켜 전후력을 발생하고, 이것에 의하여 후륜으로부터 전륜으로의 또는 그 반대의 하중 이동의 전후력을 발생하고, 전륜과 후륜의 횡력의 차를 변화시키는 것임을 특징으로 하는 차량의 운동 제어장치.
6. 차량의 전후방향의 속도(V)를 검출하는 제 1 검출수단과, 차량의 가로방향의 가속도(Gy)를 검출하는 제 2 검출수단과, 차량의 요레이트(yaw-rate; 회전각속도)를 검출하는 제 3 검출수단을 가지고,

   상기 제 2 검출수단으로 검출한 가로방향의 가속도(Gy)를 미분하여 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 구하고,

   상기 구한 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 상기 제 1 검출수단으로 검출한 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V=r_ref)값을 산출하고,

   상기 제 3 검출수단으로 검출한 요레이트를 미분하여 요각가속도(r_real)를 산출하고,

   상기 산출한 상기 값(r_ref)과 상기 요각가속도(r_real)의 차분에 의거한 보정 요 모멘트를 구하고,

   상기 구한 보정 요 모멘트에 의거하여, 조향에 의한 요 모멘트 부가, 좌우 차동제구동입력에 의한 요 모멘트 부가, 후륜으로부터 전륜으로의 하중 이동에 의한 요 모멘트 부가 중 어느 하나의 요 모멘트 부가, 또는 어느 하나를 조합한 요 모멘트 부가를 이용하여, 차량에 가하는 요 모멘트를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 운동 제어장치.
7. 차량의 전후 가속도를 제어하는 제어수단을 구비한 차량의 운동 제어장치에 있어서,

   차량의 전후방향의 속도(V)를 검출하는 제 1 검출수단과, 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 검출하는 제 2 검출수단을 가지고,

   상기 제 2 검출수단에 의하여 검출된 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 상기 제 1 검출수단에 의하여 검출한 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V)에 의거하여, 차량의 전후 가속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 운동 제어장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 차량은, 차량의 횡가속도(Gy)를 검출하는 제 3 검출수단을 가지고,

   상기 제 3 검출수단에 의하여 검출한 상기 횡가속도(Gy)를 기초로 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 구하고,

   상기 구한 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 상기 제 1 검출수단에 의하여 검출한 차량의 전후방향의 속도(V)로 나눈 값(Gy_dot/V)에 대하여, 또한 상기 제 3 검출수단에 의하여 검출한 차량의 횡가속도(Gy)로 나눈 값에 비례한 물리량에 의거하여, 차량의 전후 가속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 운동 제어장치.
9. 차량의 전후 가속도를 제어하는 제어수단을 구비한 차량의 운동 제어장치에 있어서,

   차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)를 검출하는 수단을 가지고,

   상기 검출수단에 의하여 검출한 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)에 의거하여 차량의 전후 가속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 운동 제어장치.
10. 제 9항에 있어서,

    차량의 전후 가속도가, 차량의 가로방향의 가가속도(Gy_dot)에 계수를 곱한 값에 가까워지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 운동 제어장치.

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