KR101032876B1 - 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법 - Google Patents

다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 설명하면 다굴절차량에 있어서 전차륜조향 장치를 사용하여 차량의 회전반경을 줄일 수 있도록 후륜의 조향각을 최적으로 설정하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법에 관한 것으로; 회전중심이 일치하도록 연장한 전방 제1차량의 가상고정축과 후방 제2차량의 가상고정축을 이용해 상기 제2차량의 후륜 조향각을 연산하는 것을 특징으로 하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법은 종래의 4륜차의 조향각 설정방식이나 네덜란드 APTS사의 전차륜조향(AWS) 방식이 가지는 문제점을 해소하여 3축도 기하학적으로 회전중심이 일치하도록 하여 기하학적으로 애커만 각도, 기하배치 및 안전기준을 만족시킬 수 있도록 가상고정축을 설정할 수 있는 효과가 있다.
다굴절 차량, 조향각

Description

다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법 { rear wheel steering method of multi-articulated vehicle}
본 발명은 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 설명하면 다굴절차량(multi-articulated vehicle)에 있어서 전차륜조향(all wheel steering) 장치를 사용하여 차량의 회전반경을 줄일 수 있도록 후륜의 조향각을 최적으로 설정하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 도시의 대표적인 대중교통수단으로 지하철과 시내버스가 있다. 그런데, 지하철은 정시성과 수송량에 있어 많은 장점이 있음에도 불구하고 과다한 건설비와 운용비 때문에 경제적인 부담이 되고, 시내버스의 경우 편리한 접근성, 시스템 구축의 경제성에 있어 많은 장점이 있지만 정시성에 있어서는 지하철에 비해 단점이 되고 있다.
이러한 지하철과 시내버스가 가지는 장점(수송량, 편의성, 정시성, 경제성)을 갖춘 새로운 도시 교통 시스템으로 바이모달(Bi-modal) 저상 굴절궤도 차량이 검토되고 있다. 굴절차량은 각 차량 사이를 손쉽게 회전할 수 있도록 조인트로 연결한 차량으로 굴절궤도차량은 시내버스와 같은 외형에 지하철과 같은 운용시스템으로 구성된다.
즉, 굴절 시내버스와 같은 2량 1편성이고, 고무 타이어, 현가장치, 조향장치를 장착하고 있다. 특히, 차량의 조향장치는 차량의 진행방향을 바꾸는 역할을 하고, 주행 안전상 매우 중요한 역할을 하는 장치이다.
이와 같은 차량의 조향방식은 크게 2륜조향(2WS;2-wheel steering), 4륜조향(4WS;4-wheel steering), 전 차륜 조향(AWS;all-wheel steering)으로 나눌 수 있다. 국내에서 운행되는 대부분의 승용, 상용 차량은 전륜이 구동하는 2륜조향(2WS) 방식을 채택하고 있고, 일부 외국 차량에서 4륜조향(4WS) 방식이 적용되고 있다.
한편, 다굴절 차량에 있어서 전차륜 조향(AWS) 장치를 사용하면 차량의 회전 반경을 줄일 수 있음에도 불구하고, 전 차륜 조향 시스템은 대부분 4륜 조향(4WS) 위주로 이루어진다.
이와 같은 4륜조향(4WS) 방식에서 후륜 조향각을 제어하는 방법은 여러 가지가 있으나 그 중에서 기본적으로 가장 많이 사용하는 방식은 전륜 조향각 비례 방식, 전륜 조향력 피드백 방식, 요(yaw) 각속도 피드백 방식이 있다. 이러한 방식을 도 1에 나타낸 횡력 및 요 각속도를 이용하여 나타내면 식(1) ~ 식(3)과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009027248635-pat00001
(1)
Figure 112009027248635-pat00002
(2)
Figure 112009027248635-pat00003
(3)
이때, δf는 전륜 조향각, δr는 후륜 조향각,
Figure 112009027248635-pat00004
는 비례상수, Fyf는 전륜에 작용하는 횡력,
Figure 112009027248635-pat00005
는 요 각속도이다.
그런데, 상기 4륜차의 후륜 조향각 제어 방법은 회전반경을 최소화하기 위하여 사용되는 굴절차량에는 적합하지 않다.
한편, 네덜란드의 APTS사에서 개발된 굴절차량의 경우, 가상고정축을 이용한 1축의 조향각에 의한 2축의 조향각 식은 도 2의 자전거 모델에 의해서 유도되어지며, 이는 식(4) 및 식(5)와 같이 표현할 수 있으며, 상기 식(4) ~ 식(5)를 다굴절차량으로 확장하면 식(6)과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009027248635-pat00006
(4)
Figure 112009027248635-pat00007
(5)
Figure 112009027248635-pat00008
(6)
이때, 상기 δ1은 1축의 조향각이고, δ2는 2축의 조향각이고, δ3은 3축의 조향각이고, ω1은 1축과 2축 사이의 거리이고, ω2는 굴절장치에서 3축까지의 거리이고, α1은 첫 번째 굴절장치의 굴절각도이고, P1은 2축에서 첫 번째 가상고정축까지의 거리이고, P2는 3축에서 두 번째 가상고정축까지의 거리이고, n은 정수이며, j 는 축의 총 개수이다.
이와 같은 식(4) 내지 식(6)에서 2축의 조향각식인 식(4)는 기하학적으로 회전중심이 일치하지만, 이를 다굴절차량으로 식(6)과 같이 단순하게 확장함에 따라 3축 이하는 그 회전중심이 일치하지 않게 된다.
따라서, 상기 네덜란드 APTS사의 전 차륜 조향(AWS) 알고리즘에 대한 계산식은 2축의 계산식을 그대로 3축에 적용한 것이므로 기하학적으로 회전중심이 일치하지 않는 문제점이 있었으며, 가상고정축 값도 경험에 의한 설정 방법밖에 없었다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다굴절차량(multi-articulated vehicle)에 있어서 전차륜조향(all wheel steering) 장치를 사용하여 차량의 회전반경을 줄이면서 후륜의 조향각을 최적으로 설정하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
특히, 본 발명은 다굴절차량의 조향 제어시에 가상고정축을 이용하여 후륜을 조향 함으로써, 후륜의 조향각을 안정성을 가지면서 최적화되게 설정하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은;
회전중심이 일치하도록 연장한 전방 제1차량의 가상고정축과 후방 제2차량의 가상고정축을 이용해 상기 제2차량의 후륜 조향각을 연산하는 것을 특징으로 하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법을 제공한다.
이때, 상기 제2차량의 후륜 조향각은;
Figure 112009027248635-pat00009
로 연산되는 것을 특징으로 한다. (이때, P2는 3축에서 두번째 가상고정축까지의 거리,
Figure 112009027248635-pat00010
는 2축에서 3축까지의 거리, α1은 첫번째 굴절장치의 굴절각도, L1은 첫 번째 굴절장치에서 2축까지의 거리)
또한, 상기 제2차량의 후륜 조향각 유도식은;
Figure 112009027248635-pat00011
Figure 112009027248635-pat00012
로 확장되는 것을 특징으로 하는 특징으로 한다.(이때, n은 정수, j는 축의 총 개수)
한편, 상기 제1차량과 제2차량를 연결하는 굴절장치의 굴절각(α)을 기준으로 가상고정축을 설정하되, 상기 굴절각에 대한 1축의 최대조향각은 2축 및 3축이 조향되지 않을 때를 기준으로
Figure 112009027248635-pat00013
으로 연산되는 것을 특징으로 한다. (이때, l은 1축과 2축사이의 거리, α는 굴절장치의 굴절각, ω는 굴절장치에서 3축까지의 거리, L1은 굴절장치에서 2축까지의 거리)
그리고, 상기 2축이 최대로 조향할 수 있는 값을 기준으로 한 가상고정축 P'값은
Figure 112009027248635-pat00014
으로 유도되고, 상기 가상고정축 P1'값을 기준으로 기하학적으로 회전중심이 일치하게 한 가상고정축 P1"값은
Figure 112009027248635-pat00015
으로 연산되는 것을 특징으로 한다. (이때, l은 1축과 2축사이의 거리이고, α는 굴절장치의 굴절각이고, ω는 굴절장치에서 3축까지의 거리이고, L1은 굴절장치에서 2축까지의 거리)
한편, 상기 3축(A3)이 최대로 조향할 수 있는 값을 기준으로 한 가상고정축 P2'값은
Figure 112009027248635-pat00016
으로 연산되고, 상기 가상고정축 P2'값을 기준으로 기하학적으로 회전중심이 일치하게 한 가상고정축 P2"값은
Figure 112009027248635-pat00017
으로 연산되는 것을 특징으로 한다.(이때, l은 1축과 2축사이의 거리, α는 굴절장치의 굴절각, ω는 굴절장치에서 3축까지의 거리, L1은 굴절장치에서 2축까지의 거리)
그리고, 상기 가상고정축 P값은 2축의 조향각을 θ로 하는 경우,
Figure 112009027248635-pat00018
Figure 112009027248635-pat00019
Figure 112009027248635-pat00020
의 함수 조건에 따라 연산되는 것을 특징으로 한다.(이때, 상기 θmax는 최대조향각, θ0는 제한각도, P는 가상고정축 값, Pmax는 설정된 최대 가상고정축 값, ε는 설정각도 θmax에서의 허용오차)
한편, 상기 가상고정축 P값은 제2차량(120)의 스윙아웃을 막기 위해 시간에 따라
Figure 112009027248635-pat00021
Figure 112009027248635-pat00022
Figure 112009027248635-pat00023
의 함수 조건에 따라 연산되는 것을 특징으로 한다.(이때, 상기 t0는 지연시간, ω는 조향장치의 각속도, δmax는 최대 조향각, P는 가상고정축 값, Pmax는 설정된 최대 가상고정축 값, ε은 설정시간(δmax/ω)에서의 허용오차)
그리고, 상기 후륜 조향각을 조정하기 위한 최소 회전반경은
Figure 112009027248635-pat00024
의 함수 조건에 따라 연산되는 것을 특징으로 한다.(이때, Rmin은 최소회전반경, υ는 차량 속도, αlatmax는 최대 횡가속도)
한편, 상기 가상고정축 P값은 차량의 속도에 따라
Figure 112009027248635-pat00025
Figure 112009027248635-pat00026
Figure 112009027248635-pat00027
의 함수 조건에 따라 연산되는 것을 특징으로 한다.(이때, υ는 차량 속도, P는 가상고정축 값, Pmax는 설정된 최대 가상고정축 값)
본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법은 종래의 4륜차의 조향각 설정방식이나 네덜란드 APTS사의 전 차륜 조향(AWS) 방식이 가지는 문제점을 해소하여 3축도 기하학적으로 회전중심이 일치하도록 하여 기하학적으로 애커만 각도, 기하 배치 및 안전기준을 만족시킬 수 있도록 가상고정축을 설정할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 다굴절 차량이 곡선 주행시에 기존 알고리즘을 적용할 때보다 안정적으로 원곡선을 잘 추종할 수 있으며, 기하 배치에 맞게 설정되어 있어서 원하는 조향각 범위 내에서 움직이게 하는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것 이다.
이때, 도 3은 본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법이 적용되는 굴절 차량을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 다굴절 차량의 조향각을 계산하기 위한 자전거 모델을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 다굴절 차량의 3축 조향각을 계산하기 위한 자전거 모델을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 가상고정축에 따른 회전중심을 이동시키는 경우를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명에서 작은 조향각 억제를 위한 P함수를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명에서 작은 조향각 억제시 2축 조향각을 도시한 도면이고, 도 9는 다굴절차량의 후부 스윙 아웃 상태를 도시한 도면이고, 도 10은 도 9의 후부 스윙 아웃 억제를 위한 P함수를 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정시 최소회전 반경을 계산하기 위한 작용점을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정시 속도에 따른 조향각의 제한을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 13은 본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각을 제어하기 위한 블럭도이다.
먼저, 도 3은 본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법을 적용하기 위한 다굴절 차량의 일 예를 도시한 도면으로, 다굴절 차량(100)은 전방의 제1차량(110)에 1축(A1) 및 2축(A2)이 구비되고, 후방의 제2차량(120)에 3축(A3)이 구성되어 있고, 차량 전체에 걸쳐 축간 거리가 길어 일반 차량에 비해 안정성 측면에 서 유리하다. 이러한 이점 때문에 다굴절 차량(100)은 일반 차량이 안정성에 중점을 두어 조향을 제어하는 것과는 달리, 차량의 길이와 굴절 구조로 인해 증가하는 회전반경을 축소하는 데에 중점을 두어 조향 시스템을 설계해야 한다.
이와 같은 점을 고려한 본 발명에 따른 다굴절 차량의 후륜 조향 제어 방법은 다굴절 차량(100)의 선회반경을 줄일 수 있도록 한 것으로, 보다 상세하게는 운전자가 1축(A1)을 조향함에 따라 다굴절 차량(100)의 차체에 발생하는 굴절각을 이용하여 후륜인 2축과 3축의 조향각을 계산함으로써 2축(A2)과, 3축(A3) 또는 그 이상의 다축의 조향각을 동시에 제어할 수 있도록 한 것이다.
이때, 제2차량(120)의 후부축인 3축(A3)의 조향각도를 설정하는 방법은 차량의 기하학에 근거한 계산식을 기준으로 하여 최적의 가상고정축 값, 작은 조향각 억제, 속도에 따른 조향각 제한, 스윙아웃에 의한 억제 등의 제한사항을 고려하여 구하게 된다. 즉, 기하학에 근거한 계산식에 적용되는 가상고정축 값을 조정하여 최종적인 2축조향각 및 3축조향각이 정해지게 된다.
도 4는 본 발명에 적용하는 알고리즘의 설정을 위해 제안된 자전거 모델로서, 자전거모델을 바탕으로 제안한 알고리즘에 따른 후부 조향각을 구할 수 있다.
이 경우 전차륜 조향장치(AωS)가 장착된 다굴절 차량(100)에서의 회전중심(Turn center)(TC)은 조향되지 않는 임의의 가상 고정축(Virtual rigid axle)(S1,S2) 상에 존재하게 된다.
따라서, 다굴절 차량(100)의 제1 및 제2차량(110,120)에 각각 존재하는 가상 고정축(S1,S2)의 연장선의 중심이 회전중심(TC)으로 정의되는데, 상기 회전중심(TC)은 제1 및 제2차량(110,120)간의 굴절각(α) 변화에 따라 크게 변하게 된다. 이상적인 다굴절 차량(100)의 조향장치는 각각의 차축(A1, A2, A3)이 동일한 회전중심(TC)을 기준으로 선회하는 것으로, 각각의 차축(A1, A2, A3)과 회전중심(TC)과의 거리차이가 아주 작고 회전중심(TC)이 동일하다면 각각의 차축(A1, A2, A3)의 궤적은 거의 동일한 원을 그릴 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 다굴절 차량(100)의 조향을 위한 2축 및 3축조향각(δ2,δ3)의 계산은 이상적인 선회 개념으로부터 시작된다.
먼저, 제1차량(110)의 1축조향각(δ1)과 각각의 변수값들을 이용하여 2축조향각(δ2)을 얻을 수 있는데, 2축조향각(δ2)은 종래 APTS사의 굴절차량의 조향각 계산하는 식(4)와 유사하게 아래의 식(7)로 구해진다.
Figure 112009027248635-pat00028
(7)
이때,
Figure 112009027248635-pat00029
은 1축(A1)과 2축(A2) 사이의 거리이고, P1은 2축(A2)에서 첫번째 가상고정축(S1)까지의 거리이다.
다음으로, 3축조향각(δ3)은 2축조향각(δ2) 계산식을 단순 확장한 APTS사의 계산식과는 다르다. 좀 더 상세하게는 본 발명에 따른 다굴절 차량(100)의 조향 제어를 위한 계산식은 해당 차량(120)의 데이터만을 변수로 사용한 APTS사의 계산식과 달리 해당 제2차량(120)과 바로 앞차량인 제1차량(110)의 변수를 함께 사용하여 유도한다.
이는 도 5을 참고하면, 3축조향각(δ3)은 아래의 식(8)과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009027248635-pat00030
(8)
이때, R3'은 원점인 회전중심(TC)에서 두 번째 가상고정축(S2)까지의 반경이고, P2는 3축(A3)에서 두번째 가상고정축(S2)까지의 거리이다.
한편, 상기 식(8)을 3축의 조향각(δ3)으로 전개하면 회전중심(TC)이 일치하는 아래의 식(9)로 표현할 수 있다.
Figure 112009027248635-pat00031
(9)
이때,
Figure 112009027248635-pat00032
는 2축(A2)에서 3축(A3)까지의 거리이고, α1은 첫 번째 굴절장치(130)의 굴절각도이고, L1은 첫 번째 굴절장치(103)에서 2축(A2)까지의 거리이다.
또한, 상기 식(9)는 2량씩 묶어서 식(10)과 같이 다굴절 차량으로도 확장할 수 있다.
Figure 112009027248635-pat00033
(10)
Figure 112009027248635-pat00034
이때, n은 정수이고, j는 축의 총 개수이다.
한편, 전륜만 조향될 때, 후륜은 조향되지 않으므로 후륜은 고정축의 역할을 하며, 이 고정축을 지나는 한점에서 회전중심이 일치한다. 따라서, 가상고정축에 의한 다굴절 차량의 후륜 조향각을 제어하는 방법은 고정축의 역할을 하도록 움직이지 않는 가상의 고정축인 가상고정축을 설정하고, 상기 가상고정축을 지나는 한점에서 회전중심이 일치하도록 제어하게 되는데, 상기 가상고정축은 기하학적으로 각축의 조향각 및 굴절각과 연관이 되어 있다.
이때, 승용차와 같은 2축 차량은 1축이 조향할 수 있는 최대각도 및 트렁크의 공간 등을 고려하여 2축의 허용각도 범위에서 가상고정축을 설정하면 되지만, 굴절차량의 경우에는 각축의 조향각(δ2,δ3, ..., δn) 이외에도 굴절각(α)이 있어서 기하학적으로 복잡하므로 가상고정축을 설정하는 것이 쉽지 않다.
따라서, 우선 강제조향에 의해서 파손되기 쉬운 부분이 굴절장치(130)이므로 굴절각(α)을 기준으로 가상고정축을 설정하여야 한다. 그 후에 각 축에서 최대로 조향할 수 있는 조향각도를 고려하여 기하학적으로 회전중심이 일치하도록 한다.
이는 도 6과 같이 가상고정축이 후부축과 일치할 때는 P값이 '0'이며, 이때 회전중심(TC)은
Figure 112009027248635-pat00035
점이 되며 가상고정축 P값이 설정되면서
Figure 112009027248635-pat00036
으로 이동되게 된다. 굴절각에 대한 1축의 최대조향각은 2축(A2) 및 3축(A3)이 조향되지 않을 때를 기준으로 구해야 하며 아래의 식(11)과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009027248635-pat00037
(11)
이때, l은 1축과 2축사이의 거리이고, α는 굴절장치(130)의 굴절각이고, ω는 굴절장치(130)에서 3축(A3)까지의 거리이고, L1은 굴절장치(130)에서 2축(A2)까지의 거리이다.
한편, 2축(A2)이 최대로 조향할 수 있는 값을 기준으로 가상고정축 P'값을 구하면 아래의 식(12)와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009027248635-pat00038
(12)
그리고, 상기 식(12)를 통해 구해진 가상고정축 P1'값을 기준으로 기하학적으로 회전중심이 일치하게 하여 가상고정축 P1"값을 구하면 아래의 식(13)와 같이 표현할 수 있다. 이 경우 가상고정축 P1"값을 구하기 위해서 사용된 조향각은 방향에 상관없이 양수로 하여 계산된다.
Figure 112009027248635-pat00039
(13)
이때, l은 1축과 2축사이의 거리이고, α는 굴절장치(130)의 굴절각이고, ω는 굴절장치(130)에서 3축(A3)까지의 거리이고, L1은 굴절장치에서 2축까지의 거리이다.
한편, 3축(A3)이 최대로 조향할 수 있는 값을 기준으로 가상고정축 P2'값을 구하면 아래의 식(14)와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009027248635-pat00040
(14)
그리고, 상기 식(14)를 통해 구해진 가상고정축 P2'값을 기준으로 기하학적으로 회전중심이 일치하게 하여 가상고정축 P2"값을 구하면 아래의 식(15)와 같이 표현할 수 있다. 이 경우 가상고정축 P2"값을 구하기 위해서 사용된 조향각은 방향에 상관없이 양수로 하여 계산된다.
Figure 112009027248635-pat00041
(15)
이때, l은 1축(A1)과 2축(A2)사이의 거리이고, α는 굴절장치(130)의 굴절각이고, ω는 굴절장치(130)에서 3축(A3)까지의 거리이고, L1은 굴절장치(130)에서 2축(A2)까지의 거리이다.
따라서, 상기 식(11)을 통해 구한 1축 최대 조향각과 2축이 최대로 조향할 수 있는 각을 이용하여 식(12) 및 식(13)을 통해 가상고정축 P1'값 및 기하학적 회전중심이 일치하게 한 가상고정축 P1"값을 구하고, 상기 식(11)을 통해 구한 1축 최대 조향각과 3축(A3)이 최대로 조향할 수 있는 각을 이용하여 식(14) 및 식(15)을 통해 가상고정축 P2'값 및 기하학적 회전중심이 일치하게 한 가상고정축 P2"값을 구할 수 있게 된다.
이상의 식(13)을 통해 구한 기하학적 회전중심이 일치하게 한 가상고정축 P1"은 식(7)에 대입하여 2축의 조향각(δ2)을 구하게 되며, 식(15)를 통해 구한 기하학적 회전중심이 일치하게 한 가상고정축 P2"은 식(8)에 대입하여 3축의 조향각(δ3)을 구할 수 있게 된다.
또한, 조그만 변동에도 후륜이 조향하게 되면 오히려 안전성이 나빠지므로 1축의 조향각(δ1)이 작을 때는 2축(A2)은 조향되지 않고 0°를 유지하는 것이 바람직하다. 조향각은 가상고정축에 의해서 변하게 되며 1축(A1)이 조향이 되는데 2축(A2)이 0°를 유지하려면 가상고정축의 위치값도 0이 되어야 한다. 가상고정축의 위치값인 P가 '0'에서 설정값까지 갑자기 변동하면 불연속점이 생기므로 스텝입력에 1차 시스템의 과도응답함수를 도입하여 아래의 식(16), 식(17) 및 식(18)과 같이 조종각에 따른 함수를 제안하고, 이는 도 7과 같이 나타낼 수 있다. 1축(A1)의 조향각은 5°까지 제한을 두었을 때 2축의 조향각(δ2)을 θ로 하는 경우 도 8에 도시된 바와 같다.
Figure 112009027248635-pat00042
(16)
Figure 112009027248635-pat00043
(17)
Figure 112009027248635-pat00044
(18)
이때, 상기 θmax는 최대조향각이고, θ0는 제한각도이고, P는 가상고정축 값이고, Pmax는 설정된 최대 가상고정축 값이며, ε는 설정각도 θmax에서의 허용오차이다. 이상의 식(16) 내지 식(18)을 통해 조향각의 범위에 따른 과도응답함수를 이용해 가상고정축 P값을 구하고, 그 구한 P값을 이용해 식(7) 및 식(8)에 대입하여 각각의 조향각을 구할 수 있다.
다음으로, 제2차량(120)은 후부축 밖으로 튀어나온 오버행(overhang)(122)을 가지기 때문에 제2차량(120)이 선회할 때 도 9와 같이 후부축의 바깥쪽 차선으로 벗어나게 된다. 전차륜조향(AωS) 시스템을 가진 굴절 차량에서 제2차량(120)의 후부축의 조향각은 역위상으로 조향되므로 스윙아웃은 더 커지게 되며 특히, 정차 후에 제1차량(110) 또는 장해물을 피하기 위하여 1축(A1)의 조종각을 크게 할 경우에 승강장과 부딪칠 수 있는 상황이 발생한다. 이러한 스윙아웃을 막기 위하여 제2차 량(120)의 후부축 조향각을 일정거리 즉, 1축에서 고정축까지의 거리(l-P)에 해당하는 시간(t0)만큼 지연시킨 후 일정한 각속도(ω)로 최대 가상고정축의 위치까지 움직이게 한다.
또한 선형함수로 표현하면 P가 최대로 되는 변곡점에서 갑작스런 변동에 의해서 충격이 발생할 수 있으므로 변곡점을 없앨 수 있는 지수함수로서 도 10과 같은 P함수를 이용한다. 이와 같은 시간에 따른 가상고정축 P값을 유도하는 식은 지연시간(t0)과의 비교를 통해 아래의 식(19), 식(20) 및 식(21)과 같이 유도된다.
Figure 112009027248635-pat00045
(19)
Figure 112009027248635-pat00046
(20)
Figure 112009027248635-pat00047
(21)
이때, 상기 t0는 지연시간이고, ω는 조향장치의 각속도이고, δmax는 최대 조향각이고, P는 가상고정축 값이고, Pmax는 설정된 최대 가상고정축 값이며, ε은 설정시간(δmax/ω)에서의 허용오차이다. 이상의 식(19) 내지 식(21)을 통해 지연시간에 따른 가상고정축 P값을 구하고, 그 구한 P값을 이용해 식(7) 및 식(8)에 대입하여 각각의 조향각을 구할 수 있다.
한편, 다굴절 차량의 안전을 위하여 곡선을 주행할 때에는 차량의 속도 또는 횡가속도를 제한하고 있으며 UIC(international union of railωays) 규정에 의하면 횡가속도를 3 m/s2까지 제한하고 있다. 전차륜조향(AωS) 시스템을 가진 굴절차량의 경우, 요각이 증가하기 때문에 전륜만 조향되는 차량에 비하여 곡선을 주행 할 때 불안정하다. 원심력에 의한 횡가속도는 속도에 비례하고 반경에 반비례하므로 회전반경에 의한 식(22)와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009027248635-pat00048
(22)
이때, Rmin은 최소회전반경이고, υ는 차량 속도이며, αlatmax는 최대 횡가속도이다. 상기 최소회전반경을 계산하기 위한 적용점은 도 11과 같이 굴절장치(130)의 중앙 지점을 기준으로 하여 앞 뒤 조향각 모두를 고려할 수 있도록 한다. UIC 기준을 적용하여 최대 횡가속도 3 m/s2에 대하여 속도에 대한 최소회전반경을 구할 수 있으며, 이를 기준으로 각각의 축(A2,A3)의 조향각(δ2,δ3)을 그림으로 나타내면 도 12와 같다.
이때, 계산식에 적용하기 위하여 선형화 과정이 필요하며, 도 12와 같이 곡선의 적분값 즉, 면적이 같도록 선형화할 수 있다. 이를 가상고정축 P값에 대하여 선형화하면 아래의 식(23) ~ 식(25)와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009027248635-pat00049
(23)
Figure 112009027248635-pat00050
(24)
Figure 112009027248635-pat00051
(25)
이때, υ는 차량 속도이고, P는 가상고정축 값이며, Pmax는 설정된 최대 가상고정축 값이다.
이상의 식(23) 내지 식(25)를 통해 차량 속도에 따른 가상고정축 P값을 구하고, 그 구한 P값을 이용해 식(7) 및 식(8)에 대입하여 각각의 조향각을 구할 수 있다.
이상과 같이 여러가지 조건들에 의해 유도되는 식(7) 내지 식(25)에 의해 2축 및 3축 조향각(δ2,δ3)의 계산을 하게 되며, 이는 도 13에 도시된 시스템 제어 블럭도에서와 같이 제어장치(200)에서 수행되는데, 상기 제어장치(200)는 2축 및 3축 조향각(δ2,δ3)을 계산하고, 계산 결과를 판단하여 2축(A2) 및 3축(A3)의 조향각(δ2,δ3)을 제어하는 역할을 한다.
즉, 다굴절 차량(100)의 조향 시스템은 운전자가 직접 조향하는 1축(A1)을 제외한 2축(A2) 및 3축(A3)의 조향을 제어하기 위해 상기 제어장치(200)는 다굴절 차량(100)의 운전자에 의해 선택되는 조향모드 정보(140)와, 다굴절 차량(100)의 굴절장치(130)에서 측정되는 굴절각(α) 및 다굴절 차량(100)의 주행속도를 측정하는 차속센서(150)에 의해 측정되는 다굴절 차량(100)의 속도값을 입력받아서 각각 2축 및 3축의 조향각(δ2,δ3)을 결정한 후, 2축 및 3축의 조향각(δ2,δ3)을 제어하도록 2축 및 3축을 제어하는 제1 및 제2유압 실린더(160,162)에 제어신호를 출력하여 조향각을 제어하게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
도 1은 종래 전 차륜 조향 방식의 원리를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 2는 종래 네덜란드 APTS사에서 제시한 굴절차량 조향각 설정을 위한 자전거 모델을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법이 적용되는 굴절 차량을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 다굴절 차량의 조향각을 계산하기 위한 자전거 모델을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 다굴절 차량의 3축 조향각을 계산하기 위한 자전거 모델을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 가상고정축에 따른 회전중심을 이동시키는 경우를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 7은 본 발명에서 작은 조향각 억제를 위한 P함수를 도시한 도면.
도 8은 본 발명에서 작은 조향각 억제시 2축 조향각을 도시한 도면.
도 9는 다굴절차량의 후부 스윙 아웃 상태를 도시한 도면.
도 10은 도 9의 후부 스윙 아웃 억제를 위한 P함수를 도시한 도면.
도 11은 본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정시 최소회전 반경을 계산하기 위한 작용점을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 12는 본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정시 속도에 따른 조향각의 제한을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 13은 본 발명에 따른 다굴절 차량용 후륜 조향각을 제어하기 위한 블럭도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
100: 다굴절 차량 110: 제1차량
120: 제2차량 160,162: 유압 실린더
200: 제어장치 A1: 1축
A2: 2축 A3: 3축
S1,S2 : 가상 고정축 TC: 회전중심

Claims (10)

  1. 회전중심이 일치하도록 연장한 전방 제1차량의 가상고정축과 후방 제2차량의 가상고정축을 이용해 상기 제2차량의 후륜 조향각을 연산하되,
    상기 제2차량의 후륜 조향각은;
    Figure 112011020737285-pat00084
    로 연산되고,
    상기 제2차량의 후륜 조향각 유도식은;
    Figure 112011020737285-pat00085
    Figure 112011020737285-pat00086
    로 확장되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법.
    (이때, P2는 3축에서 두번째 가상고정축까지의 거리,
    Figure 112011020737285-pat00087
    는 2축에서 3축까지의 거리, α1은 첫번째 굴절장치의 굴절각도, L1은 첫 번째 굴절장치에서 2축까지의 거리, n은 정수, j는 축의 총 개수)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1차량과 제2차량를 연결하는 굴절장치의 굴절각(α)을 기준으로 가상고정축을 설정하되,
    상기 굴절각에 대한 1축의 최대조향각은 2축 및 3축이 조향되지 않을 때를 기준으로
    Figure 112011020737285-pat00056
    으로 연산되는 것을 특징으로 하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법.
    (이때, l은 1축과 2축사이의 거리, α는 굴절장치의 굴절각, ω는 굴절장치에서 3축까지의 거리, L1은 굴절장치에서 2축까지의 거리)
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 2축이 최대로 조향할 수 있는 값을 기준으로 한 가상고정축 P'값은
    Figure 112011020737285-pat00057
    으로 유도되고,
    상기 가상고정축 P1'값을 기준으로 기하학적으로 회전중심이 일치하게 한 가상고정축 P1"값은
    Figure 112011020737285-pat00058
    으로 연산되는 것을 특징으로 하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법.
    (이때, l은 1축과 2축사이의 거리이고, α는 굴절장치의 굴절각이고, ω는 굴절장치에서 3축까지의 거리이고, L1은 굴절장치에서 2축까지의 거리)
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 3축(A3)이 최대로 조향할 수 있는 값을 기준으로 한 가상고정축 P2'값은
    Figure 112011020737285-pat00059
    으로 연산되고,
    상기 가상고정축 P2'값을 기준으로 기하학적으로 회전중심이 일치하게 한 가상고정축 P2"값은
    Figure 112011020737285-pat00060
    으로 연산되는 것을 특징으로 하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법.
    (이때, l은 1축과 2축사이의 거리, α는 굴절장치의 굴절각, ω는 굴절장치에서 3축까지의 거리, L1은 굴절장치에서 2축까지의 거리)
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 가상고정축 P값은 2축의 조향각을 θ로 하는 경우,
    Figure 112011020737285-pat00061
    Figure 112011020737285-pat00062
    Figure 112011020737285-pat00063
    의 함수 조건에 따라 연산되는 것을 특징으로 하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법.
    (이때, 상기 θmax는 최대조향각, θ0는 제한각도, P는 가상고정축 값, Pmax는 설정된 최대 가상고정축 값, ε는 설정각도 θmax에서의 허용오차)
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 가상고정축 P값은 제2차량(120)의 스윙아웃을 막기 위해 시간에 따라
    Figure 112011020737285-pat00064
    Figure 112011020737285-pat00065
    Figure 112011020737285-pat00066
    의 함수 조건에 따라 연산되는 것을 특징으로 하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법.
    (이때, 상기 t0는 지연시간, ω는 조향장치의 각속도, δmax는 최대 조향각, P는 가상고정축 값, Pmax는 설정된 최대 가상고정축 값, ε은 설정시간(δmax/ω)에서의 허용오차)
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 후륜 조향각을 조정하기 위한 최소 회전반경은
    Figure 112011020737285-pat00067
    의 함수 조건에 따라 연산되는 것을 특징으로 하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법.
    (이때, Rmin은 최소회전반경, υ는 차량 속도, αlatmax는 최대 횡가속도)
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 가상고정축 P값은 차량의 속도에 따라
    Figure 112011020737285-pat00068
    Figure 112011020737285-pat00069
    Figure 112011020737285-pat00070
    의 함수 조건에 따라 연산되는 것을 특징으로 하는 다굴절 차량용 후륜 조향각 설정 방법.
    (이때, υ는 차량 속도, P는 가상고정축 값, Pmax는 설정된 최대 가상고정축 값)
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