KR101168443B1 - 차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 측정하는 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차륜 자동차(20)의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상의 측정에 관한 것으로, 차륜 자동차(20)에서 서로에 대해 횡방향으로 배향된 차륜 자동차(20)의 적어도 2개의 선 가속도와, 차륜 자동차(20)의 좌표축을 중심으로 한 회전 운동 또는 회전 운동 성분의 3개의 회전 속도가 측정 장치(1)에 의해 각각 측정되며, 상기 3개의 좌표축은 서로에 대해 횡방향으로 연장되고, 차륜 자동차(20)의 적어도 하나의 축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상은 평가 장치(9)의 도움으로 적어도 2개의 선 가속도 및 3개의 회전 속도에 의해 결정된다.
Description
본 발명은 차륜 자동차의 동축 하중(dynamic axle loads) 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
축 하중 및 차륜 하중, 즉, 구동 기어(running gear)의 부품 또는 구동 기어에 작용하는 힘은 자동차의 전자 제어 시스템, 예를 들면, 차량 구조물에 대한 구동 기어의 커플링 또는 구동 기어를 능동적으로 제어하기 위한 시스템(예를 들어 소위 전자식 안정성 프로그램; ESP) 및 안티-록 브레이크 시스템(ABS)에 대한 입력 변수이다. 추가적인 예시는 자동차를 전복(rolling over)으로부터 보호하는(전복 방지) 보호 시스템과, 트레일러뿐만 아니라 승용차 및 다목적 차량의 로킹 모션(rocking motion)을 안정화시키기 위한 시스템을 포함한다. 본 발명은 보다 구체적으로 적어도 하나의 이러한 시스템 또는 이러한 시스템들의 임의의 조합에 장치를 연결하는 것에 관한 것이다.
자동차의 경우 축 하중을 결정하는 회로 장치는 DE 196 03 430 A1에 공지되어 있다. 회전 속도 센서의 신호는 평가 회로에 수용되고, 상기 신호는 자동차의 피칭 동작(pitching motion)을 재생하며, 상기 신호로부터 자동차의 축 하중 및 차륜 접촉력 중 하나 이상이 계산된다. 보다 구체적으로, 자동차의 종방향에서 피치 각도(angle of pitch)까지의 각속도와 자동차의 횡방향에서 전복 각도(roll angle)까지의 각속도는 모두 제어 컴퓨터에서 조정된다. 앞차축과 뒷차축 사이의 축 하중 또는 중량의 분포는 자동차의 노속(road speed) 뿐만 아니라 피치 각도, 전복 각도, 위치 상승 또는 경사, 좌우측 축거(wheelbase) 및 전후방 트랙으로부터 계산될 수 있다.
본 발명의 목적은 많은 실제 주행 상황에서 차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하게 하는 장치 및 방법을 특정하는 것이다. 보다 구체적으로, 적절한 구동면(driving surface)의 경우 및 회전하는 차량 구조물의 경우 중 하나 이상의 경우, 코너링할 때와 같이 특히 안전우선 상황에서 축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정할 수 있어야 한다.
그러나 차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하기 위하여, 서로에 대해 횡방향으로 배향된 차륜 자동차의 적어도 2개(바람직하게는 3개)의 선 가속도(linear accelerations)와 차륜 자동차의 3개의 회전 속도(rotation rates)를 측정하는 것이 제안되었다. 각각의 경우, 3개의 회전 속도는 차륜 자동차의 좌표축을 중심으로 하는 회전 운동 또는 회전 운동 성분을 측정하는 것이며, 이 경우, 2개 또는 3개의 상기 좌표축은 서로에 대해 횡방향으로 연장되며, 특히 직교 좌표계(Cartesian coordinate system)를 형성한다.
또한, 다음이 또한 제안되었다:
- 차륜 자동차에 설치되거나 차륜 자동차에 설치될 수 있는 측정 장치로서, 서로에 대해 횡방향으로 배향된 차륜 자동차의 적어도 2개의 선 가속도와, 차륜 자동차의 좌표축을 중심으로 하는 회전 운동 또는 회전 운동 성분의 3개의 회전 속도를 각각의 경우에 측정할 수 있도록 작동되며, 이때, 3개의 상기 좌표축은 서로에 대해 횡방향으로 연장되는, 측정 장치, 및
- 상기 측정 장치에 연결되며 상기 측정 장치와 작동되는 평가 장치로서, 상기 평가 장치의 도움으로 적어도 2개의 선 가속도와 3개의 회전 속도에 의해 적어도 하나의 축 하중 및 하나의 차륜 하중 중 하나 이상이 결정되는, 평가 장치를 구비하는 장치.
이 경우, 용어 "축"은 강성 축 및 개별적이며 객관적으로 실재하는 구성요소로서 구현된 축 중 하나 이상을 단지 의미하지는 않는다. 오히려 축의 차륜은 예를 들면, 차량 구조물과 특정 차륜 사이에 설치된 쇼크 옵서버 장치(shock absorber devices) 및 현가 장치(suspension devices) 중 하나 이상에 의해서뿐만 아니라 차량 구조물에 의해서 서로에 대해 단순히 연결될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 축이 하나의 차륜을 단지 갖는 것도 가능하다.
축 하중은 대체로 차축의 차륜에 (예를 들면, 자동차 구조물로부터 4륜 자동차의 전방 차륜에) 작용하거나 (예를 들면 차륜 접촉 지점에서) 차축의 차륜으로부터 지표면(subsurface) 상에 가해진 하중을 의미한다. 차륜 하중은 자동차의 개별적인 차륜에 (예를 들면, 자동차 구조물로부터 4륜 자동차의 우측 전방 차륜에) 또는 자동차의 복수 개의 차륜에 (예를 들면, 4륜 자동차의 2개의 우측 차륜에) 작용하거나, 차륜 또는 차륜들로부터 지표면 상에 가해지는 하중을 의미한다.
바람직하게 측정 장치는 2개 (또는 3개)의 선 가속도를 측정하기 위해 가속도 센서를 갖고, 3개의 회전 속도를 측정하기 위해 회전 속도 센서를 가지며, 이때, 상기 가속도 센서와 회전 속도 센서는 차륜 자동차 내에 설치될 수 있도록 설비 공학에 따라 구현된 예비 조립식 유닛(prefabricated unit)의 부속품이다. 이러한 유닛은 이른바 관성 측정 유닛(IMU)의 특정 실시예이다. 관성 측정 유닛(IMU)은 차륜 자동차의 무게 중심(center of gravity)에 또는 무게 중심에 인접하여 조립되게 하기 위한 것이다. 이때 바람직하게 차륜 자동차 또는 차륜 자동차의 차량 구조물의 무게 중심은 측정 유닛 내에 있다.
또한, 측정 장치를 사용함으로써 선형 측정량(linear measured quantities)으로서 2개 (또는 3개)의 선 가속도를 측정할 수 있으며, 이들 선형 측정량은 서로에 대해 독립적인 것이 바람직하다. 바람직하게, 가속도 센서에 의해 기록된 가속도 또는 가속도 성분의 방향은 각각 3차원 직각 좌표계(right-angle coordinate system)의 축을 형성한다.
따라서, 차량 회전 운동의 회전 벡터(rotation vector) 성분이 측정되는 3개의 좌표축의 조정에 대해서도 이와 동일한 것이 바람직하다. 즉, 측정 장치는 3개의 좌표축이 쌍을 이루어 서로에 대해 수직으로 연장되도록 구현된다.
측정 장치는 예를 들면 각각 측정된 양에 대한 별도의 센서를 갖는다. 그러나 또한 동시에 언급된 측정양들 중 두 가지(예를 들면, 2개의 가속도 또는 2개의 회전 속도)를 측정하는 센서들이 존재한다.
회전 속도와 선 가속도를 측정하기 위해, 바람직하게 측정 장치의 측정 센서는 자동차의 구동 기어에 대해 움직이는 차량 구조물에 조립된다.
가속도 센서는 차량의 방위에 따라 중력에 영향을 받는 측정량을 측정한다. 자동차가 정지 상태로 서 있을 경우, 가속도 센서는 중력의 영향을 단지 측정한다. 이때, 실제 가속이 측정량에 발생하지 않는다.
본 명세서에서, 중력에 의해 변화된 동적 가속도 양(dynamic acceleration quantity)은 유효 가속도 양(effective acceleration quantity)으로 지칭된다. 바람직하게 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 경우, 유효 가속도 값이 사용된다. 그 후, 정하중(static load)(지구의 인력(gravitational pull) 또는 중력의 일부)을 포함하는 동하중(dynamic loads)이 얻어진다. 그러나 필요한 경우, 예를 들면 세계적으로 정해진 좌표계에 대해 자동차의 방위를 결정하기 위해 3개의 회전 속도를 적분하고, 이러한 방위에 대한 정보를 이용하여 정적인 부분을 소거함으로써 순수한 동하중을 결정할 수도 있다.
이를 위해 특별히 본 발명의 장치는 3개의 회전 속도로부터 차량 외부의 좌표계에서 차륜 자동차의 방위를 결정할 수 있도록 구현된 방위 결정 장치를 구비할 수 있다. 또한, 있을 수 있는 오류에 대해 측정 장치에 의해 측정된 양을 모니터링할 수 있도록 하기 위하여, 방위를 결정하기 위한 장치의 출력량 및 비교량을 이용함으로써, 측정된 선 가속도들 중 적어도 하나의 모니터링 과정을 실행할 수 있도록 구현된 모니터링 장치(monitoring device)가 제안된다. 비교량을 결정하기 위해, 측정 장치에 의해 측정되지 않은 추가량은, 특히 예를 들면 적어도 하나의 조종 가능한 차륜의 조향각(steering angle) 및 노속 중 하나 이상을 이용한다. 측정 장치의 측정값은, 예를 들어 센서의 오류로 인해 신뢰할 수 없는 경우, 적절한 측정이 이루어질 수 있는 모니터링 과정을 실행함에 따라 결정되어야 한다.
차량의 적어도 2개의 가속도와 3개의 회전 속도를 고려함으로써, 안전 우선 주행 상황, 특히, 차량의 높은 가속도 및 빠른 회전운동 중 하나 이상이 일어나는 경우, 축 하중 및 적어도 하나의 차륜 하중 중 하나 이상을 신뢰할 수 있도록 계산하는 것이 가능하다. 하중을 계산하기 위하여 이미 공지되어 있는 방법이 사용될 수 있거나 제한된 방식으로만 사용될 수도 있는 주행 상황의 예시는 코너링, 볼록한(cambered) 지표면에서의 주행 및 차량 구조물의 측면 회전 운동시(기울어진 차량 구조물의 경우) 중 하나 이상에 관한 것이다.
컴퓨터 모델에서, 평가 장치에서 실행된 하중 계산을 위해, 회전 속도와 가속도를 기초로 하여 비측정된 정보를 사전에 이용 가능하게 하는, 예를 들면 하나의 항 또는 복수의 항들을 고려하는 것이 가능하다. 이들 항은:
- 차량 및 차량 구조물 중 하나 이상의 움직임을 기초로 지표면의 평면에 대해 횡방향으로의 하중을 고려하는 항,
- 차량의 구동 기어와 차량 구조물 사이의 상대 운동을 고려하는 항, 및/또는
- 회전 운동의 경우 자동차 및 차량의 일부(특히 차량 구조물) 중 하나 이상의 관성 모멘트를 고려하는 항을 포함한다.
또한, 구동 기어에 대한 차량 구조물의 (특히 감쇠된) 탄성 운동 작용을 고려하는 항들이 컴퓨터 모델에서 고려될 수 있다. 이는 하기에 상세히 설명된다.
보다 구체적으로, 평가 장치는 계산 유닛(computation unit)을 가질 수 있고, 계산 유닛은,
- 차량 지표면의 평면에 대해 횡방향으로 배향된 선 가속도 측정 장치에 의해 측정된 측정값을 이용하여, 적어도 일부의 축 하중 및 일부의 차륜 하중 중 하나 이상이 계산되고;
- 3개의 회전 속도를 이용하여, 차륜 자동차의 회전 운동 및 차륜 자동차 일부의 회전 운동 중 하나 이상에 의해 발생되는 적어도 일부의 축 하중 및 일부의 차륜 하중 중 하나 이상이 계산되며/계산되거나,
- 차륜 자동차의 차륜들 중 적어도 하나와 차량 구조물 사이의 특히 감쇠된 현가장치를 고려하여 축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상이 계산되도록 구현된다.
계산 유닛은 예를 들면 마이크로프로세서를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 주행 상황을 신뢰성 있게 예측할 수 있도록 하며, 이때 본 발명의 방법에 따라 계산된 적어도 2개의 축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 이용함으로써, 차륜 자동차의 하나의 차륜 또는 차륜 자동차의 복수의 차륜들이 주행 안정성 및 그에 따라 지표면에 대한 그립(grip)을 잃을지 여부를 예상하는 것이 가능하다. 예를 들면 차량의 상이한 차륜들에 대한 하중이 시간의 함수로서 고려되고, 이들 함수가 반복적으로 추정됨으로써, 이들 하중의 적어도 하나의 미래 값(future value)이 각각의 경우에 획득된다. 비교에 의하여/의하거나 추정된 하중을 이용함으로써, 주행 안정성 및 그에 따른 지표면에 대한 그립을 잃을지 여부를 시간상 미래의 지점에 대하여 결정하는 것이 가능하다. 예를 들면, 이 경우 차량 구조물에 대한 구동 기어의 커플링 또는 구동 기어를 능동적으로 제어하기 위한 시스템이 이러한 위험한 상황을 피하기 위해 적절한 측정이 실행될 수 있도록 한다. 예를 들면 자동차의 하나의 차륜 또는 복수의 차륜들에 제동력을 가하는 것이 가능하다.
이제 실시예를 기초로 본 발명이 상세히 설명된다. 첨부된 개략적 도면을 설명하기 위해 참조부호가 사용되며 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에서 동일한 부호는 기능적으로 동일하고 대등한 유닛 또는 장치들뿐만 아니라 동일한 유닛 또는 장치들을 지시한다. 각각의 도면은 다음과 같다.
도 1은 동축 하중 및 차륜 하중의 결정을 위한 장치를 갖는 도로 자동차의 도면,
도 2는 측정 장치에 관하여 도 1에 도시되어 있는 평가 장치의 실시예,
도 3은 평가 장치를 갖는 공통 하우징 내에 있는 도 1에 도시되어 있는 측정 장치의 도면,
도 4는 구동 기어를 갖춘 도로 자동차 모델 및 감쇠된 현가장치를 통해 구동 기어에 연결된 차량 구조물의 측면도,
도 5는 도 4에 따른 모델의 정면도,
도 6은 치수와 각도를 설명하기 위하여 도로 자동차를 표현한 도면, 및
도 7은 도 1에 도시되어 있는 측정 장치의 일 실시예의 예시를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시되어 있는 도로 자동차(20)는 2개의 전방 차륜과 2개의 후방 차륜을 가지며, 이 경우 우측 전방 차륜이 참조부호 22로 지시되며, 우측 후방 차륜이 참조부호 24로 지시된다. 전방 차축(26)은 전방 차륜에 할당된다. 후방 차축(27)은 후방 차륜에 할당된다. 하나의 차축에 할당된 차륜들은 도로 자동차(20)의 직선전방 주행에 대해 동축으로 회전한다. 즉, 차륜은 공동 회전 축선을 갖는다.
측정 장치(1)는 도로 자동차(20) 내에 배치되며, 상기 측정 장치는 도로 자동차(20)의 축 하중과 차륜 하중을 결정하기 위한 평가 장치(9)에 연결된다.
도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 측정 장치(1)는 예를 들면 가속도 측정 장치(3)와 회전 속도 측정 장치(4)를 갖는다. 보다 구체적으로, 측정 장치(1)는 예비 조립된 구조 유닛(constructional unit)이며, 이 경우 가속도와 회전 속도를 측정하기 위하여 대응하는 측정 센서들이 유닛 내에서 서로에 대해 상대적으로 정해진 위치에 배치된다. 보다 구체적으로, 구조 유닛은 자동차의 무게 중심에 또는 무게 중심에 인접하여 조립될 수 있도록 디자인되며, 이 경우 자동차 내에서의 특정한 정렬은 각각의 경우를 목적으로 한다.
보다 구체적으로, 가속도 측정 장치(3)는 3개의 선 가속도 센서(31,32,33)(도 7)를 가지며, 이들 선 가속도 센서는 가속도 센서들 중 하나가 직교 좌표계의 축선 방향으로 자동차의 가속도 또는 가속도 성분을 각각의 경우에 측정하도록 배치되며, 이때, x축은 자동차의 종방향에서 전방을 향하여 연장되고, y축은 종축선에 대해 횡방향으로 배향되며, z축은 (수평으로 정렬된 자동차의 경우) 상부를 향하여 수직으로 연장된다. 이러한 좌표계는 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 상기 도 6은 2개의 조종 가능한 전방 차륜(21,22)과 2개의 조종 가능하지 않은 후방 차륜(23,24)을 갖춘 도로 자동차(20)를 도시하고 있다. 도시되어 있는 상태에서, 전방 차륜은 좌측을 향하며, x축에 대한 조향각 δL(좌측 전방 휠(21)) 또는 δR(우측 전방 휠(22))를 갖는다. 전방 차륜(21,22)은 서로로부터 SF의 거리(축거)를 갖고, 후방 차륜(23,24)은 서로로부터 SR의 거리를 갖는다. rR은 후방 차륜(23,24)의 반경을 지시한다. 측정 장치(1)는 개략적으로 차량 구조물(25)의 중심에 종방향으로 배치된다. 측정 장치는 종방향에서 전방 차륜(21,22)의 차축으로부터 lF의 거리에 놓이고, 후방 차륜(23,24)의 차축으로부터 lR의 거리에 놓인다.
본 발명은 전방 차륜이 조종 가능한 차륜 자동차에 한정되지 않는다. 그와 반대로 본 발명은 또한 후방 차륜이 조종 가능할 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 장치의 실시예가 도 2에 주어진다. 가속도 측정 장치(3)는 필터 장치(5)를 통해 평가 장치(9)에 연결된다. 회전 속도 측정 장치(4)는 필터 장치(5)를 통해 평가 장치(9)에 마찬가지로 연결된다.
도 2에 도시되어 있는 필터 장치(5)는 부가의 필터장치들의 대용으로 기능하며, 도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 장치 또는 변형된 장치의 경우에도 제공될 수 있다. 필터 장치에 의해 실시되는 측정 신호 및 그에 따라 유도된 신호 중 하나 이상의 필터링은, 특히 예를 들면 차량 구조물의 진동을 기초로 발생할 수도 있는 노이즈와 측정 신호의 고주파 진동(high-frequency fluctuations)을 제거하게 한다. 보다 구체적으로 필터 장치는 적어도 하나의 저역통과 필터(lowpass filter) 및 적어도 하나의 대역통과 필터(bandpass filter) 중 하나 이상을 가질 수 있다.
필터 장치(5)는 가속도 측정 장치(3)의 가속도 측정 센서에 의해 측정된 가속도 신호와 회전 속도 측정 장치(4)의 회전 속도 측정 센서에 의해 측정된 회전 속도를 상기 신호들이 평가 장치(9)로 전달되기 전에 필터링한다.
도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 측정 장치(1)와 평가 장치(9)는 모두 공통 하우징(2) 내에서 다른 유닛 및 장치 중 하나 이상과 공동으로 배치될 수 있다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 평가 장치(9)는 계산 유닛(11)과 모니터링 장치(10)를 가질 수 있다. 계산 유닛(11)은 자동차의 축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 계산한다. 모니터링 장치(10)는 측정 장치(1)에 의해 발생된 측정 신호를 모니터링하도록 작용한다.
입력(6)을 통해 수신된 차량의 조향각 및 노속의 측정 신호를 이용함으로써, 모니터링 장치(10)는 측정 장치(1)에 의해 측정된 양 중 적어도 하나의 양에 대한 모니터링 절차를 실행한다. 예를 들면, 선 가속도를 모니터링하기 위해, 모니터링 장치(10)는 지구 고정 좌표계(earth-fixed coordinate system)에서 자동차의 방위 측정법으로서 기능하는 적어도 2개의 각도(회전 속도를 적분하여 획득된 자동차의 피치 각도와 전복 각도)를 이용한다. 이에 따라, 상기 장치는 지구 고정 좌표계에 대한 자동차의 방위에 따라, 측정된 선 가속도가 지구의 인력으로 인한 것인 성분을 포함하는 것을 고려할 수 있다.
도 3에 도시되어 있는 바와 동일한 방식으로, 계산 유닛(11)은 (이미 설명된 바와 같이), 자동차의 차륜 중 적어도 하나가 주행 안정성을 유지할 수 없으며, 그에 따라 지표 하면에 대한 그립을 잃거나 더 이상 상기 주행 안정성을 충분히 유지하지 못하는, 미래 주행 상황을 예상하기 위해 외삽 유닛(extrapolation unit; 12)에 연결될 수 있다. 이러한 주행 상황에 대한 대응 정보는 외삽 유닛(12)에 연결되는 인터페이스(13)를 통해 시스템으로 출력될 수 있으며, 이는 매우 위험한 상황을 방지하는데 적절한 방안(예를 들면, 전복 방지)을 시작한다.
이하, 예를 들면 계산 유닛(11)에 의해 실행되는 축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상의 계산이 상세히 설명된다.
제 1 계산 유형의 경우, 복수의 차륜 하중의 합계가 각각의 경우에 계산되어야 하며, 모든 경우에 차축의 모든 차륜 또는 자동차 일측면의 모든 차륜들이 포함된다. 예를 들면 4륜 자동차의 경우, 전방 차축의 하중, 후방 차축의 하중, 우측 차륜의 차륜 하중 합 및 좌측 차륜의 차륜 하중 합 중 하나 이상을 이에 따라 계산할 수 있다. 각각의 이들 계산에서 측정 장치에 의해 측정된 단 2개의 가속도 양이 각 경우에 요구된다. 또한, 모든 경우 z축 방향에서의 선 가속도는 이들 2개의 가속도 양에 속한다(도 6).
제 2 가속도 양의 크기는 계산되어야 하는 합에 좌우된다. 축 하중(차축의 차륜의 합)을 계산하는 것은 필수적인 경우, x축 방향의 가속도가 제 2 선 가속도 양으로서 사용된다. 자동차의 일측면 상의 차륜 하중의 합을 계산하는 것이 필수적인 경우, y축 방향의 가속도가 제 2 가속도 양으로서 사용된다.
또한, 각각의 이들 차륜 하중의 합계의 경우, 회전 운동시의 자동차의 관성을 나타내는 항이 고려된다. 이 항을 위해, 바람직하게 측정 장치에 의해 측정된 3개의 모든 회전 속도가 사용된다.
이하, 차륜 하중의 이러한 합계를 계산하는 예시가 자동차의 물리적 모델을 기초로 상세히 설명된다.
제 1 모델의 경우, 자동차는 강성체로 간주되며, 즉 차륜과 차량 구조물 사이에 (특히 감쇠된) 현가 장치를 사상(map)하는 항은 고려되지 않는다.
전방 차축의 동하중(FF )은 전방 차륜들의 접촉력의 합으로서 정의되고, 후방 차축의 동하중(FR )의 합은 후방 차륜들의 접촉력의 합으로 정의된다. 보다 구체적으로, 접촉력은 다음 방정식에 따라 계산될 수 있다.
이 경우, 
는, 측정 장치에 의해 결정되며 특히 측정 장치가 자동차의 무게 중심에 배치되어 설치된다는 가정하에서, 필터링 수단 및 추가 수단 중 하나 이상에 의해 미리 조사되는, 선 가속도에 대한 측정 신호이다. 그렇지 않은 경우, 측정된 값들은 무게 중심에 대해 전환된다. 또한, 도 6을 참조하여 이미 소개된, lR 또는 lF 는 측정 장치와 후방 차축의 하중 또는 전방 차축의 하중 사이의 거리이며, mV 는 자동차의 질량, hCG 는 자동차의 지표면 상의 무게중심의 높이, 및 
는 벡터 
의 x성분 또는 y성분이다.
이 경우, 
는 무게 중심에 대한 자동차의 관성 센서(inertia sensor)이고, 이 경우 좌표축은 센서의 측정 방향으로 배향되었다. 
는 자동차의 회전 벡터이다. 회전 벡터가 어림잡아 대각선이라고 가정하면, 벡터 
의 2개의 제 1 성분에 대해, 자동차의 주 관성 모멘트 
(3x3 관성 모멘트 행렬의 대각선 성분)와 회전 벡터
의 성분들을 갖는 다음식이 얻어진다.
대응하는 방식으로, 좌측 차륜의 차륜 하중 
(제 1 지수 F는 "전방"을 나타내고, 제 1 지수 R은 "후방"을 나타나며, 제 2 지수 L은 "좌측"을 나타냄)의 합에 대한 다음의 방정식을 얻을 수 있다.
이 경우, S F 는 축거이며, 축거는 차동차의 전방 차륜과 후방 차륜에 대해 동일한 크기인 것으로 가정된다. 이 방정식 우변의 제 2 피가수(summand)의 대수 부호(algebraic sign)를 변환함으로써 우측 차륜에 대한 대응하는 방정식을 얻을 수 있다. 이는 y축 방향(그러므로 이동 방향에 대해 횡방향)에서의 가속도가 우측 차륜과 좌측 차륜의 접촉력에 역으로 작용함을 고려한다.
자동차의 전복을 예방(전복 방지)하기 위해, 예를 들면 좌측 차륜의 차륜 하중의 합 및 우측 차륜의 차륜 하중의 합 중 하나 이상을 이용할 수 있으며, 이미 설명된 외삽이 각각의 경우에 실행될 수 있다. 보다 구체적으로, 예를 들면 좌측 차륜의 차륜 하중의 합을 우측 차륜의 차륜 하중의 합과 비교하는 것이 가능하다. 때때로 대응하는 방정식들이 동일한 항들을 포함하기 때문에, 특별한 적용 및 특정한 주행 상황 중 하나 이상에서 대수 부호가 변환된 항들의 값을 충분히 구할 수 있다. 따라서, 이러한 경우, 비교는 항 또는 항들의 계산으로 풀릴 수 있으며, 대수 부호는 우측 차륜과 좌측 차륜 모두에 대해 변환된다. 보다 구체적으로, 이러한 비교의 경우, 미리 결정된 경계값에 도달하거나 경계값을 초과하는지 여부를 결정하기 위해 테스트가 실행될 수 있다. 그렇지 않을 경우, 신호는 예를 들면 주행중에 자동차를 안정화시키기 위해 시스템으로 출력된다.
이미 설명된 모델의 기본은 자동차가 강성임을 가정하고, 각 경우에 고려된 차륜(예를 들면 전방 차륜, 후방 차륜 또는 좌측 차륜)의 각운동량이 균형(또는 그에 상당한 균형)을 이루는 것을 기초로 한다. 그러나 이러한 모델에서 개별적인 차륜의 차륜 하중을 결정하는 것은 불가능하다.
특히 구조물과 구동 기어 사이에 무시할 수 없는 움직임이 일어나면, 그럼에도 불구하고 구조물(특히 IMU) 내에 배치된 측정 장치의 측정값들에 의해 축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 것이 가능하다. 이를 위해 자동차의 기어 장치와 구조물 사이의 탄성을 고려하는 자동차 모델이 사용된 것으로 제안된다.
4륜 자동차의 개별적인 차륜 하중을 결정하기 위해 차륜들(즉, 구동 기어)과 강성 차량 구조물 사이에 현가장치의 탄성이 도입된 제 2 모델에 따른 다음의 접근이 제안된다. 또한, 각 경우 구동 기어와 차량 구조물 사이의 상대 운동, 즉, z 축 방향에서의 선형 운동(예를 들면 측정 장치가 측정을 수행하는 차량 구조물 지점의 운동), 자동차에 수평하게 연장되는 제 1 회전축(특히 x축)을 중심으로 한 제 1 회전 운동 및 자동차에 수평으로 연장되고 제 1 회전축에 횡방향으로 연장되는 제 2 회전축(특히 y축)을 중심으로 한 제 2 회전 운동에 대한 3개의 자유도가 허용된다.
도 4 및 도 5는 모델의 개략적 도면이다. 차량 구조물(28)은 무게 중심(CG)을 가지며, 스프링(40,41,43) 및 스프링(40,41,43)에 평행하게 작용하는 감쇠기(44,45,47)를 통해 4개의 차륜(21,22,23,24)에 개별적으로 연결된다(4개의 차륜들 중 단 3개만 2개의 도면에 도시되어 있음). 차륜(21,22,23,24)들이 서로 기계적으로 직접 연결되어 있지 않기 때문에, 5-질량 모델(five-mass model)을 이용하는 것이 가능하다. 차륜(21,22,23,24)들은 지표면(30)(예를 들면 도로) 상에 위치된다.
강성 자동차에 대해 전술된 바와 같이(즉, 각 경우 2개의 차륜, 예를 들면 전방 차륜 및 후방 차륜에 대한 2개의 방정식), 구동 기어에 대하여 대응하는 각운동량 균형(또는 이에 상당하는 균형, 예를 들면 토크 균형)을 형성하고, 다음의 미분 방정식을 고려함으로써,
개별적인 차륜 하중이 계산될 수 있다. 이때, 
는 자유도의 특정 운동 성분의 선형 스프링력(linear spring force)에 대응하는 자동차의 파라미터이고, 
는 특정한 운동 성분의 선형 감쇠 항목에 대응하는 자동차의 파라미터이며, 
는 자동차의 추가적인 파라미터이고, 
는 x축을 중심으로 한 차량 구조물과 구동 기어 사이의 상대 회전 각도(전복 각도)이며, 
는 y축을 중심으로 한 차량 구조물과 구동 기어 사이의 상대 회전 각도(피치 각도)이고, 
는 차량 구조물 내에 배치된 측정 장치에 의해 측정된 x축, y축 및 z축에서의 선 가속도이다.
모든 파라미터들은 특정한 자동차 또는 특정한 자동차의 유형에 대해 예를 들면 실험적이며/실험적이거나 산술적으로 결정될 수 있다.
이러한 모델의 필요 조건은 차량 구조물이 강성체로 이루어지는 실시예이며, 이에 따라 어림잡아 도로상에서의 자동차 행정에 특히 적합하다. 이러한 모델은 전술된 바와 동일한 방식으로 전복 운동과 피치 운동을 고려하며, 그 결과, 주행 상황에 특히 적합하고/적합하거나 이러한 움직임 또는 운동이 일어나는 자동차에 특히 적합하다. 이는 특히 예를 들면 트럭 및 특수한 노상 외 자동차(off-road vehicles)의 경우, 차량 구조물의 무게 중심이 구동 기어상에 높이 위치되는 자동차에도 적합하다.
전술한 일련의 세 가지 특정한 미분 방정식의 경우, 특히 다음의 변형이 이루어질 수 있거나 대안이 실행될 수 있다.
- 스프링은 비선형 스프링으로 설명될 수 있고,
- 방정식들 중 하나 또는 복수의 방적식, 보다 구체적으로는 피치 각도
에 대한 방정식에서 제동력, 또는 제동력 및 구동력 중 하나 이상, 또는 차륜에 걸친 구동력(예를 들면 4륜 구동 자동차의 경우)의 분배가 고려될 수 있으며/있거나,
- 방정식은 적어도 부분적으로 결합될 수 있다.
계산을 단순화하기 위해 다음과 같이 가정을 단순화할 수 있다.
- 차량 구조물의 질량에 비해 구동 기어의 질량을 무시하고,
- 측정 장치가 회전 속도와 선형 가속도를 측정하고/측정하거나 3개의 회전 축들이 연장되는 측정 지점이 차량 구조물의 무게 중심이라 가정하며/가정하거나,
- 차륜과 차량 구조물 사이에서 작동하는 차량 구조물 내의 현가 장치에 스프링력이 작용하는 4개의 작용점(working points)의 경우 측정 지점의 (z축 방향으로)높이의 차가 4개의 모든 차륜들에 대해 치수가 동일한 것으로 가정한다.
고려된 모델에서, 수학적인 극한값이 형성될 수 있으며, 이 경우 스프링력이 무한대(강성 스프링의 경계선인 경우)에 도달할 수 있다. 전술한 미분 방정식에서, 상기 모델은 K R , K P , k → ∞ 에 대응한다. 다음의 계산 방정식이 개별적인 차륜 하중으로부터 얻어진다.
이때, 방정식의 연산부호 
의 마이너스 부호는 각각의 경우에 좌측 차륜을 지칭하고, 플러스 부호는 각각의 경우에 우측 차륜을 지칭한다.
보다 구체적으로, 단순화된 이러한 모델은 (열악한 도로 구역과 대조적으로) 지표면 레벨에서 이동하고 고속으로 이동하기 위해, 차량 구조물의 무게 중심이 낮게 위치된 자동차에 적절하다. 예를 들면 특정 실시예의 경우, 이러한 상태가 실제로 일어나는지 여부를 결정할 수 있다. 그렇지 않을 경우, 계산 유닛은 단순화된 모델로 복귀한다. 다른 방법으로는 현가 장치를 고려한 기본 모델이 이용된다.
Claims (17)
- 차륜 자동차(20)의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 장치로서,차륜 자동차(20) 내에 배치되거나 차륜 자동차 내에 배치될 수 있는 측정 장치(1)로서, 서로에 대해 횡방향으로 배향된 차륜 자동차(20)의 적어도 2개의 선 가속도와 차륜 자동차(20)의 좌표축을 중심으로 하는 회전 운동 또는 회전 운동 성분의 3개의 회전 속도를 각각 측정할 수 있도록 작동되며, 이때 3개의 상기 좌표축이 서로에 대해 횡방향으로 연장되는, 측정 장치(1), 및상기 측정 장치(1)에 연결되며, 상기 측정 장치(1)와 작동되는 평가 장치(9)로서, 상기 평가 장치의 도움으로 적어도 2개의 선 가속도와 3개의 회전 속도에 의해 적어도 하나의 축 하중 및 하나의 차륜 하중 중 하나 이상이 결정되는, 평가 장치(9)를 구비하며,상기 측정 장치(1)는 적어도 2개의 선 가속도가 서로에 대해 독립적인 선형 측정량으로 측정될 수 있도록 구현되고, 상기 측정 장치(1)는 3개의 좌표축이 쌍을 이루어 서로에 대해 수직으로 연장되도록 구현되며, 회전 속도와 선 가속도를 측정하기 위하여 상기 측정 장치(1)의 측정 센서가 자동차의 구동 기어(29)에 대해 움직이는 차량 구조물(28)에 조립되는,차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 측정 장치(1)가 선 가속도를 측정하기 위해 가속도 센서(31,32,33)를 갖고, 3개의 회전 속도를 측정하기 위해 회전 속도 센서(41,42,43)를 가지며,상기 가속도 센서(31,32,33)와 회전 속도 센서(41,42,43)는 차륜 자동차(20) 내에 설치될 수 있도록 설비 공학에 따라 구현되는 예비 조립식 유닛(2)의 부속품인,차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 장치.
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- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 평가 장치(9)는 계산 유닛(11)을 가지며, 상기 계산 유닛(11)은 차량 지표면(30)의 평면에 대해 횡방향으로 배향된 선 가속도에 대한 측정 장치(1)에 의해 측정된 측정값을 이용하여, 적어도 일부의 축 하중 및 일부의 차륜 하중 중 하나 이상이 계산되도록 구현되는,차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 평가 장치(9)는 계산 유닛(11)을 가지며, 상기 계산 유닛(11)은 3개의 회전 속도를 이용하여, 차륜 자동차의 회전 운동 및 차륜 자동차 일부의 회전 운동 중 하나 이상에 의해 발생되는 적어도 일부의 축 하중 및 일부의 차륜 하중 중 하나 이상이 계산되도록 구현되는,차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 평가 장치(9)는 계산 유닛(11)을 가지며, 상기 계산 유닛(11)은 차륜 자동차(20)의 적어도 하나의 차륜(21,22,23,24)과 차량 구조물(28) 사이의 현가장치(40,41,43)를 고려하여, 축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상이 계산되도록 구현되는,차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 장치.
- 차륜 자동차(20)의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 방법으로서,차륜 자동차(20)에서 서로에 대해 횡방향으로 배향된 차륜 자동차(20)의 적어도 2개의 선 가속도와, 차륜 자동차(20)의 좌표 축을 중심으로 한 회전 운동 또는 회전 운동 성분의 3개의 회전 속도가 각각 측정되는 측정 단계로서, 3개의 상기 좌표축이 서로에 대해 횡방향으로 연장되는, 측정 단계, 및상기 적어도 2개의 선 가속도와 3개의 회전 속도를 이용하여, 차륜 자동차(20)의 적어도 하나의 축 하중 및 하나의 차륜 하중 중 하나 이상이 결정되는, 결정 단계를 포함하고상기 적어도 2개의 선 가속도는 서로에 대해 독립적인 선형 측정량으로 측정되며, 상기 3개의 좌표축은 쌍을 이루어 서로에 대해 수직으로 연장되며, 상기 회전 속도와 선 가속도는 자동차의 구동 기어(29)에 대해 움직이는 차량 구조물(28)의 회전 속도와 선 가속도로서 측정되는,차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 선 가속도는 가속도 센서(31,32,33)로 측정되고, 상기 회전 속도는 회전 속도 센서(41,42,43)로 측정되며, 상기 가속도 센서(31,32,33)와 회전 속도 센서(41,42,43)가 차륜 자동차(20) 내에 설치될 수 있도록 설비 공학에 따라 구현되는 예비 조립식 유닛(1)의 부속품인,차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 방법.
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- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,차량 지표면(30)의 평면에 대해 횡방향으로 배향된 선 가속도에 대해 차륜 자동차(20) 내에서 측정된 측정값을 이용하여, 적어도 일부의 축 하중 및 일부의 차륜 하중 중 하나 이상이 계산되는,차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 방법.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,상기 3개의 회전 속도를 이용하여 차륜 자동차(20)의 회전 운동 및 차륜 자동차(20)의 일부의 회전 운동 중 하나 이상에 의해 발생되는, 적어도 일부의 축 하중 및 일부의 차륜 하중 중 하나 이상이 계산되는차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 방법.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,차륜 자동차(20)의 적어도 하나의 차륜(21,22,23,24)과 차량 구조물(28) 사이의 현가장치(40,41,43)를 고려하여, 축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상이 계산되는,차륜 자동차의 동축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 결정하는 방법.
- 주행 상황 예측 방법으로서,차륜 자동차(20)에서 서로에 대해 횡방향으로 배향된 차륜 자동차(20)의 적어도 2개의 선 가속도와, 차륜 자동차(20)의 좌표 축을 중심으로 한 회전 운동 또는 회전 운동 성분의 3개의 회전 속도가 각각 측정되는 측정 단계로서, 3개의 상기 좌표축이 서로에 대해 횡방향으로 연장되는, 측정 단계, 및상기 적어도 2개의 선 가속도와 3개의 회전 속도를 이용하여, 차륜 자동차(20)의 적어도 하나의 축 하중 및 하나의 차륜 하중 중 하나 이상이 결정되는, 결정 단계를 포함하고상기 적어도 2개의 선 가속도는 서로에 대해 독립적인 선형 측정량으로 측정되며, 상기 3개의 좌표축은 쌍을 이루어 서로에 대해 수직으로 연장되며, 상기 회전 속도와 선 가속도는 자동차의 구동 기어(29)에 대해 움직이는 차량 구조물(28)의 회전 속도와 선 가속도로서 측정됨에 따라 계산된 적어도 2개의 축 하중 및 차륜 하중 중 하나 이상을 이용하여, 차륜 자동차(20)의 하나의 차륜(21,22,23,24) 또는 차륜 자동차(20)의 복수의 차륜(21,22,23,24)들이 주행 안정성과 지표면(30)에 대한 그립(grip)을 잃을지 여부를 예상할 수 있는,주행 상황 예측 방법.
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