KR101449324B1 - 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동식 조향 장치 및 차량의 상태 정보를 이용하여 주행 중인 차량이 운전자의 의도와 상관없이 주행 경로를 이탈하는 것을 방지하기 위한 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법에 관한 것으로서, 전동식 조향 장치 및 차량의 상태 정보를 이용하여 조향 장치의 기능 고장시 발생할 수 있는 셀프 스티어링 및 렁 다이렉션 등을 정확하게 검출하여 방지할 수 있는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명은, 전동식 조향 장치의 운전자 조향토크와 모터토크의 방향이 서로 다른지 여부를 판단하는 제1단계; 현재 차속이 기설정된 차속기준값 이상인지 여부를 판단하는 제2단계; 모터토크와 기설정된 토크기준값의 차를 일정 시간 동안 합산한 적분값이 기설정된 토크누적값보다 큰지 여부를 판단하는 제3단계; 요 레이트의 미분값이 기설정된 미분기준값보다 큰지 여부를 판단하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법을 제공한다.

Description

자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법 {Method for determining driving course deviation of vehicle}

본 발명은 전동식 조향 장치 및 차량의 상태 정보를 이용하여 주행 중인 차량이 운전자의 의도와 상관없이 주행 경로를 이탈하는 것을 방지하기 위한 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법에 관한 것이다.

차량 내 부품들이 전자화됨에 따라 차량의 기능 안전에 대한 관심이 점차 높아지고 있으며, 차량 기능 안전에 관한 국제 표준인 ISO26262가 자동차 관련 업체들에게 큰 관심을 불러 일으키고 있다.

이에 차량의 전동식 조향 장치(MDPS, Motor Drive Power System) 분야에서도 국제 표준인 ISO26262를 만족하는 조향 장치를 제공하고자 하는 노력이 가속화되고 있다.

종래에는 전동식 조향 장치의 기능 안전성을 확보하기 위해 고장 발생시 고장 검출성을 높이고자 하였으며, 이러한 전동식 조향 장치의 고장으로 인해 발생할 수 있는 문제로서, 셀프 스티어링(self-steering)과 렁 다이렉션(wrong direction)이 있다.

셀프 스티어링이란 직진 또는 원선회 주행시 등과 같이 운전자의 입력이 없는 상황에서 MDPS 기능 고장에 의해 모터에 큰 토크가 발생하여 의도하지 않게 경로를 이탈하는 상황을 가리키는 용어이고, 렁 다이렉션이란 운전자가 선회 주행시 MDPS 기능 고장에 의해 운전자 주행 방향과 반대방향으로 모터에 큰 토크가 발생하여 운전자의 의도와 반대 방향으로 주행하게 되는 상황을 가리키는 용어이다.

도 1은 차량의 주행시 셀프 스티어링과 렁 다이렉션이 발생한 경우를 보여주는 도면이다.

도 1의 좌측 도면에 보이듯이, ①지점에서 직진 주행을 하는 차량이 ②지점에서 전동식 조향 장치에 고장이 발생하게 되면, 차량은 정상 경로를 따라 직진하지 못하고 고장시 경로를 따라 주행하게 된다.

또한 도 1의 우측 도면에 보이듯이, ①지점에서 초기 직진 주행을 하는 차량이 ②지점에서 선회를 시작하는 경우 ③지점에서 전동식 조향 장치에 고장이 발생하게 되면, 차량은 정상적인 경로를 따라 선회하지 못하고 고장시 경로를 따라 주행하게 된다.

이와 같이 주행 중에 전동식 조향 장치의 고장 발생시 셀프 스티어링이나 렁 다이렉션 등과 같은 위험 상황이 발생하는 경우, 운전자의 의도와 상관없이 정상 주행 경로를 이탈하게 되므로 큰 사고를 초래하게 된다.

종래에는 전동식 조향 장치의 고장 발생시 전동식 조향 장치의 기능에만 초점을 맞추어 위험이 예상되는 고장 발생시 차량의 상태에 대한 고려 없이 즉각적으로 조향 장치의 모터에 공급되는 전류를 차단하여 전동식 조향 장치의 작동을 정지시켰다.

그러나, 종래와 같이 전동식 조향 장치의 기능에만 초점을 맞추어 조향 장치의 고장을 검출하게 되면, 전동식 조향 장치의 기능 추가시 추가된 기능을 모니터링하기 위한 시스템이 요구되어 시스템이 복잡해지게 되는 문제점이 있다.

또한, 전동식 조향 장치의 고장 발생시 셀프 스티어링이나 렁 다이렉션 등과 같은 현상이 반드시 발생하는 것은 아니므로, 셀프 스티어링이나 렁 다이렉션을 정확하게 검출하기 위해서는 차량의 상태를 고려할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, 전동식 조향 장치 및 차량의 상태 정보를 이용하여 조향 장치의 기능 고장시 발생할 수 있는 셀프 스티어링 및 렁 다이렉션 등을 정확하게 검출하여 방지할 수 있는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전동식 조향 장치의 운전자 조향토크와 모터토크의 방향이 서로 다른지 여부를 판단하는 제1단계; 현재 차속이 기설정된 차속기준값 이상인지 여부를 판단하는 제2단계; 모터토크와 기설정된 토크기준값의 차를 일정 시간 동안 합산한 적분값이 기설정된 토크누적값보다 큰지 여부를 판단하는 제3단계; 요 레이트의 미분값이 기설정된 미분기준값보다 큰지 여부를 판단하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법을 제공한다.

이러한 본 발명에서는, 상기 각 단계의 판단 조건을 모두 만족하면 차량의 셀프 스티어링 또는 렁 다이렉션 등으로 인해 주행 경로 이탈이 발생한 것으로 판단하고, 조향 장치용 모터에 공급되는 전류를 차단하여 상기 모터를 오프(off)시킴으로써 전동식 조향 장치를 작동 중지시킨다.

구체적으로, 상기 제1단계에서는 운전자 조향토크와 모터토크를 승산한 값이 '0'보다 작은 경우 운전자 조향토크와 모터토크가 서로 다른 방향을 갖는 것으로 판단하며, 상기 제3단계에서는 적분값이 토크누적값보다 크면 전동식 조향 장치의 고장이 일정 시간 이상 발생한 것으로 판단하고, 적분값이 토크누적값 이하이면 전동식 조향 장치의 고장을 일시적인 것으로 판단한다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 전동식 조향 장치 및 차량의 상태 정보를 이용하여 셀프 스티어링 및 렁 다이렉션을 정확하게 검출하고 방지함으로써 그로 인한 주행경로 이탈 및 재난 상황에 대비할 수 있다.

둘째, 셀프 스티어링 및 렁 다이렉션의 발생 감지시 전동식 조향 장치의 모터를 오프시킴으로써 전동식 조향 장치의 기능 안전성을 확보할 수 있다.

셋쩨, 셀프 스티어링 및 렁 다이렉션 감지시 조향 장치용 모터에 인가되는 전류를 차단함과 동시에 리셋하고 재동작시킴으로써 전동식 조향 장치의 계속적인 작동이 가능하다.

도 1은 차량의 주행시 셀프 스티어링과 렁 다이렉션이 발생한 경우를 보여주는 도면
도 2는 본 발명에 따른 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법을 나타낸 순서도
도 3은 본 발명에 따른 운전자 조향토크 값의 측정 원리를 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명에 따른 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법을 로직 다이어그램으로 나타낸 도면
도 5a는 본 발명에 따른 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법을 검증하기 위한 셀프 스티어링의 시뮬레이션 조건을 나타낸 도면
도 5b는 도 5a의 시뮬레이션 조건에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면
도 6a는 본 발명에 따른 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법을 검증하기 위한 렁 다이렉션의 시뮬레이션 조건을 나타낸 도면
도 6b는 도 6a의 시뮬레이션 조건에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면

이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

본 발명은 전동식 조향 장치의 고장시 발생할 수 있는 셀프 스티어링 및 렁 다이렉션 등과 같은 위험 상황을 조기에 감지하여 방지하기 위한 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 주행 중에 전동식 조향 장치의 스티어링 휠이 작동되면 이 스티어링 휠의 각도 변화나 토크 변화에 따라 조향 장치 내의 모터가 작동하여 차량의 주행 방향을 바꿀 수 있게 된다.

즉, 전동식 조향 장치는 운전자가 스티어링 휠을 조작하면 토크 센서가 이를 감지하고 자동차의 전자제어장치(ECU)가 스티어링 휠의 조향 방향과 조향 토크의 값에 대응되는 지령을 조향 장치 내의 모터에 전달하고, 상기 모터가 이에 상응되게 동작하여 차량의 앞바퀴 축을 움직임으로써 차량의 주행 방향을 바꾸게 한다.

이에 본 발명에서는 전동식 조향 장치의 고장을 검출하고 그에 따른 셀프 스티어링 및 렁 다이렉션 등을 방지하기 위하여, 도 2에 나타낸 바와 같이, 먼저 운전자 조향토크(혹은 스티어링 휠의 조향토크)와 모터토크 간에 방향이 동일한지 여부를 판단한다(S100).

상기 운전자 조향토크는 운전자가 스티어링 휠을 조작시 발생하는 토크값이고, 상기 모터토크는 조향 장치용 모터의 토크값이다.

자동차의 전동식 조향 장치에는 토크 센서가 장착되어 있어서, 운전자가 스티어링 휠을 조작하면 상기 토크 센서가 운전자의 조향 의도에 따른 운전자 조향토크를 감지하게 된다.

도 3을 참조하면, 상기 토크 센서(1)는 토션바(2)에 부착된 상부 홀센서(3)와 하부 홀센서(4)에서 감지된 비틀림 각도 변위(θ2-θ1)를 토션바 강성계수(Nm/deg)와 승산하여 운전자 조향토크를 검출하게 되며, 전동식 조향 장치의 고장에 의해 모터(5)가 먼저 회전하게 되면 하부 홀센서(4)의 측정값(θ1)이 상부 홀센서(3)의 측정값(θ2)보다 크게 형성되어 운전자 조향토크는 '0'보다 작은 음의 값을 갖게 된다.

또한 셀프 스티어링의 경우 운전자가 스티어링 휠을 조작하지 않는 상황에서 조향 장치의 모터가 구동되기 때문에 운전자 조향토크와 모터토크가 반대 방향으로 발생하게 되고, 렁 다이렉션의 경우 운전자가 스티어링 휠을 조작하여 의도하는 주행방향과 반대방향으로 모터토크가 발생하게 된다.

따라서 조향 장치용 모터가 먼저 회전하게 되는 전동식 조향 장치의 고장시 상기 운전자 조향토크와 모터토크를 승산한 값이 음의 값을 갖게 되므로, 이 값을 이용하여 조향 장치용 모터가 스티어링 휠의 작동에 정상적으로 반응하지 못하는 등의 고장 여부를 판단할 수 있게 된다.

전동식 조향 장치의 운전자 조향토크와 모터토크가 서로 다른 방향을 갖는 것으로 판단되면(S100), 그 다음으로 차량의 현재 주행속도를 차속기준값과 비교하여 판단한다(S110).

상기 차속기준값은 미리 설정해둔 차량의 속도값으로, 전동식 조향 장치의 고장 검출에 더욱 민감하게 작동되어야 할 속도로서 임의로 결정될 수 있다.

예를 들면, 전동식 조향 장치의 고장은 저속 주행시보다는 고속 주행시 셀프 스티어링 및 렁 다이렉션에 심각한 영향을 미칠 수 있으므로, 이를 감안하여 상기 차속기준값을 선택할 수 있다.

따라서 현재 차속이 차속기준값(THR) 이상인지 여부를 판단하여 차량의 현재 상태를 고려하도록 한다.

현재 차속이 기설정된 차속기준값(THR)보다 큰 것으로 판단되면, 그 다음으로 모터토크의 크기를 판단한다(S120).

구체적으로는, 모터토크의 절대값과 기설정된 토크기준값의 차를 일정 시간 동안 합산하여서 적분값을 산출하고, 상기 적분값을 미리 설정된 토크누적값과 비교하여 적분값이 토크누적값 이상인지를 판단한다(S120).

상기 적분값을 기설정한 토크누적값과 비교함으로써 모터토크의 절대값(크기)이 토크기준값보다 크게 지속되는 시간을 현상학적으로 판단할 수 있게 된다.

다시 말해, 모터토크가 토크기준값을 초과하는 토크값을 일정 시간 동안 누적하여 합산한 값(상기 적분값)을 토크누적값과 비교함으로써 모터토크의 크기가 토크기준값보다 크게 발생하는 지속 시간을 판단할 수 있으며, 상기 적분값이 토크누적값보다 작은 경우 전동식 조향 장치의 고장이 발생하더라도 그 고장을 일시적인 것으로 간주하여 무시할 수 있게 된다.

즉, 상기 적분값을 기설정한 토크누적값과 비교함으로써 전동식 조향 장치의 고장을 검출함에 있어 전동식 조향 장치의 일시적인 고장 검출을 제외할 수 있게 된다.

전동식 조향 장치의 일시적인 고장으로 셀프 스티어링 또는 렁 다이렉션이 발생하더라도 곧바로 정상 상태로 복귀하게 되는 경우, 전동식 조향 장치의 고장으로 판단할 필요가 없기 때문이다.

그러나, 전동식 조향 장치의 고장 상태가 일정시간 동안 계속 발생하여 상기 적분값이 기설정된 토크누적값을 초과하게 되면 조향 장치의 고장에 대한 대응책이 필요하므로, 모터토크의 크기와 토크기준값의 차를 적분하여 기 설정되어 있는 토크누적값보다 큰지 여부를 판단한다.

다시 말해, 상기 적분값이 토크누적값보다 큰 경우 전동식 조향 장치의 고장이 일정 시간 이상 발생하여 셀프 스티어링이나 렁 다이렉션이 발생가능한 것으로 판단하고, 상기 적분값이 토크누적값 이하인 경우 전동식 조향 장치의 고장을 일시적인 것으로 간주하여 셀프 스티어링이나 렁 다이렉션을 순간적인 것으로 판단하여 무시한다.

여기서 상기 토크기준값과 토크누적값은 자동차의 셀프 스티어링 또는 렁 다이렉션을 검출함에 있어 민감도를 결정하는 과정에서 설계자가 임의로 선택할 수 있다.

상기 적분값이 토크누적값보다 큰 것으로 판단되면, 그 다음으로 요 레이트(Yaw Rate)의 변화율을 판단하기 위하여, 요 레이트의 미분값을 기 설정된 미분기준값과 비교하여 상기 요 레이트의 미분값이 미분기준값보다 큰지 여부를 판단한다(S130).

요 레이트는 자동차의 중심을 관통하는 수직선 주위에 회전각(요각)이 변하는 속도를 나타내는 것으로, 요 레이트의 변화율 즉, 요 레이트의 미분값을 통해 차량의 요(yaw) 상태를 판단할 수 있으며, 상기 요 레이트의 미분값을 기 설정한 미분기준값과 비교함으로써 셀프 스티어링 및 렁 다이렉션 등의 발생을 차량의 요(yaw) 상태를 고려하여 판단할 수 있게 된다.

여기서 상기 미분기준값은 자동차의 셀프 스티어링 또는 렁 다이렉션을 검출함에 있어 민감도를 결정하는 과정에서 설계자가 자유롭게 선택할 수 있다.

상기 요 레이트의 미분값이 미분기준값보다 크다고 판단되면, 셀프 스티어링 또는 렁 다이렉션 등으로 인한 주행 경로 이탈이 발생한 것으로 판단하고(S140), 조향 장치용 모터에 공급되는 전류를 차단하여 모터를 오프(off)시킨다(S150).

상기와 같이 셀프 스티어링 또는 렁 다이렉션을 검출 및 방지하기 위한 과정은, 전동식 조향 장치의 제어기에 의해 수행되거나 또는 차량 내 다른 제어기(마이크로프로세서)에 의해 수행되거나 또는 조향 장치의 제어기와 차량 내 다른 제어기의 협조제어에 의해 수행될 수 있으나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전동식 조향 장치의 고장 검출 조건은 제1블록(10), 제2블록(20), 제3블록(30), 제4블록(40), 제5블록(50), 및 제6블록(60)으로 나타낼 수 있다.

스티어링 휠의 조향토크(혹은 운전자 조향토크)와 조향 장치용 모터의 모터토크의 방향이 동일한지 여부를 판단하는 과정은 제1블록(10)과 같이 나타낼 수 있다.

현재 차속이 기설정된 차속기준값보다 큰지를 판단하는 과정은 제2블록(20)과 같이 나타낼 수 있다.

모터토크의 절대값과 기설정된 토크기준값의 차를 적분한 값이 기설정된 토크누적값보다 큰지를 판단하는 과정은 제3블록(30)과 같이 나타낼 수 있다.

상기 제3블록(30)에서 조향 장치의 모터토크의 절대값과 기 설정된 토크기준값의 차는 제1스위치(31)를 통하여 적분기(32)로 입력된다.

요 레이트의 미분값이 미분기준값보다 큰지 판단하는 과정은 제4블록(40)과 같이 나타낼 수 있다.

제5블록(50)은 앤드(AND) 논리 소자를 나타내는 블록으로서 상기 제3블록(30)과 제4블록(40)의 검출 조건을 만족하는지를 앤드(AND) 조건으로 파악하여 판단하게 되며, 제6블록(60)은 자동차의 셀프 스티어링 또는 렁 다이렉션으로 인한 주행 경로 이탈을 판단시 최종적으로 모터의 오프 신호를 출력하는 출력단자이다.

한편, 본 발명에 따른 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법의 정확성 및 신뢰성을 확인 및 검증하기 위하여, 도 5a와 같은 시뮬레이션 조건으로 셀프 스티어링을 발생시켜 도 5b와 같은 시뮬레이션 결과를 얻었다.

도 5a에 나타낸 시뮬레이션 조건을 보면, ①지점에서 80KPH로 직진을 시작하고 4.5초 후 ②지점에서 차량의 전동식 조향 장치에 고장을 일으켜 ③지점에서 셀프 스티어링이 발생하는 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다.

도 5b에 나타낸 시뮬레이션 결과를 보면, 차량의 직진 시작 후 4.5초 지점에서 전동식 조향 장치의 고장이 발생하여 셀프 스티어링이 발생하게 되면, 운전자 조향토크와 모터토크를 승산한 값이 '0'보다 작은 값을 가지게 되고, 일정한 값을 갖던 차속과 '0'의 값을 갖던 모터토크 및 요 레이트의 변화율에 변동을 일어남을 확인할 수 있다.

따라서 차속과 모터토크, 요 레이트의 변화율에 대한 기준값으로서 적절한 차속기준값, 토크기준값, 토크누적값, 및 미분기준값을 설정하는 경우, 본 발명에 따른 방법을 적용하여 오류 없이 자동차의 셀프 스티어링을 검출 가능함을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법의 정확성 및 신뢰성을 확인 및 검증하기 위하여, 도 6a와 같은 시뮬레이션 조건으로 렁 다이렉션을 발생시켜 도 6b와 같은 시뮬레이션 결과를 얻었다.

도 6a에 나타낸 시뮬레이션 조건을 보면, ①지점에서 80KPH로 초기 직진을 시작한 뒤 2초 후 ②지점에서 선회를 시작하고 4.5초 후 ③지점에서 차량의 전동식 조향 장치에 고장을 일으켜 ④지점에서 렁 다이렉션이 발생하는 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다.

도 6b에 나타낸 시뮬레이션 결과를 보면, 차량의 선회주행 중 4.5초 지점에서 전동식 조향 장치의 고장이 발생하여 렁 다이렉션이 발생하게 되면, 운전자 조향토크와 모터토크를 승산한 값이 '0'보다 작은 값을 가지게 되고, '0'의 값을 갖던 모터토크, 요 레이트의 변화율에 변동이 일어남을 확인할 수 있다.

따라서 모터토크, 요 레이트의 변화율에 대한 기준값으로서 적절한 토크기준값, 토크누적값, 및 미분기준값을 설정하는 경우, 본 발명에 따른 방법을 적용하여 자동차의 렁 다이렉션을 오류 없이 검출 가능함을 알 수 있다.

이상으로 본 발명에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 설명에 의해 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

1 : 토크센서
2 : 토션바
3 : 상부홀센서
4 : 하부홀센서
5 : 모터

Claims (7)

1. 전동식 조향 장치의 운전자 조향토크와 모터토크의 방향이 서로 다른지 여부를 판단하는 제1단계;
   현재 차속이 기설정된 차속기준값 이상인지 여부를 판단하는 제2단계;
   모터토크와 기설정된 토크기준값의 차를 일정 시간 동안 합산한 적분값이 기설정된 토크누적값보다 큰지 여부를 판단하는 제3단계;
   요 레이트의 미분값이 기설정된 미분기준값보다 큰지 여부를 판단하는 제4단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 각 단계의 판단 조건을 모두 만족하면 차량의 주행 경로 이탈이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 각 단계의 판단 조건을 모두 만족하면 차량의 셀프 스티어링 또는 렁 다이렉션이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 각 단계의 판단 조건을 모두 만족하면 차량의 주행 경로 이탈이 발생한 것으로 판단하고, 조향 장치용 모터에 공급되는 전류를 차단하여 상기 모터를 오프시키는 것을 특징으로 하는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1단계에서는 운전자 조향토크와 모터토크를 승산한 값이 '0'보다 작은 경우 운전자 조향토크와 모터토크가 서로 다른 방향을 갖는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제3단계에서는 적분값이 토크누적값보다 크면 전동식 조향 장치의 고장이 일정 시간 이상 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제3단계에서는 적분값이 토크누적값 이하이면 전동식 조향 장치의 고장을 일시적인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자동차의 주행 경로 이탈 감지 방법.
   

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