KR101571629B1 - 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치 - Google Patents

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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 고장 환경 및 차량이 주행 중인 주변 도로 환경에 맞게 능동적으로 조절하여 차체를 안정화시키고, 주변 도로 환경에 적응적으로 차량의 선회 성능을 조절함으로서 안전한 주행 환경을 보조할 수 있는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치에 관한 것이다.

Description

4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치{FAULT TOLERANT APPARATUS FOR AN INDEPENDENT CONTROLLED STEERING IN A FOUR WHEEL SYSTEM}
본 발명은 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 고장 환경 및 차량이 주행 중인 주변 도로 환경에 맞게 능동적으로 조절하여 차체를 안정화시키고, 주변 도로 환경에 적응적으로 차량의 선회 성능을 조절함으로서 안전한 주행 환경을 보조할 수 있는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치에 관한 것이다.
일반적으로 4륜 조향 차량은 선회시 각 차륜의 조향각의 내접원이 동심원을 그리도록 설계되어, 각 차륜의 선회 반경이 일정하게 유지되도록 한다. 하지만 각 차륜에 설치된 하나 이상의 조향시스템에 고장이 발생하는 경우, 각 조향각의 내접원의 중심이 한 점으로 모이지 못하게 되며, 그 결과 강체(rigid body)로 구성된 차량은 횡 축 방향으로 큰 스트레스를 받게 되어, 차량의 구조적 안전성이 크게 저해되고, 차량에 탑승한 운전자의 안전에 치명적인 영향을 미치게 된다.
이에 따라 차량의 구조적 안전성을 높이고 운전자의 안전을 도모할 수 있는 4륜 조향 차량의 효율적인 조향제어기술에 대하여 다양한 연구가 진행되고 있다.
특허문헌 1은 차량의 전동식 조향장치에 관한 것으로, 조향장치를 구성하고 있는 조향구동모터의 이상시 기존의 장치나 구성부품을 사용하여 안정적으로 조향이 가능하도록 기술을 개시하고 있다.
보다 구체적으로, 특허문헌 1에는 조향구동모터감지부로부터 조향구동모터의 입, 출력 전류량의 관계 및 조향휠 회전각 랙변위를 통하여 조향구동모터의 이상을 감지하고 이상 발생시, 제동기를 각각 제어하여 조향휠의 회전방향 및 각도에 비례하여 차량의 진행방향이 전환되도록 차륜 각각에 마련된 제동기의 제동력을 계산하여 제동기로부터 발생되는 제동력이 계산된 값을 가지도록 제어하는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 2는 조향각 센서를 통해 검출된 조향각과 모터 토크값을 통하여 산출된 비틀림 값을 참고하여 상기 비틀림값이 반영된 모터의 등가조향각속도와 조향각속도의 차이값을 연산하여 차이값이 문턱값을 초과하는 경우, 전원을 오프 시키는 기술을 개시하고 있다.
보다 구체적으로, 특허문헌 2에는 조향시스템의 고장 감지장치에 포함된 ECU는 모터의 신호를 이용하여 비틀림효과를 반영한 정확한 등가 조향각속도를 산출함으로써 비틀림 효과로 인한 오차의 발생을 보상하며, 등가조항각속도와 조향각속도의 차이값을 연산하여 차이값이 문턱값을 초과하는 경우, 즉 실질적인 문제 발생시에만 전원을 차단하여 운행의 안정성을 높이는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 1과 2에는 조향시스템에 고장이 발생하였을 경우 제동(brake)을 통해 회전방향 및 각도를 제어하는 기술 등을 개시하고 있을 뿐, 이와 동시에 차량의 선회 반경을 동시에 제어할 수 없다는 문제점이 있었다.
한국등록특허공보 제10-0590691호 한국공개특허공보 제10-2013-0057879호
본 발명은 4륜 차량을 구성하는 하나 이상의 차륜에 고장이 발생하는 경우 정상적으로 동작하는 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 주변 도로 환경에 맞게 능동적으로 조절하여 안전한 주행 환경을 보조할 뿐만 아니라 고장시에도 차체를 안정화시킬 수 있는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 특정 목적지까지의 차량 경로를 제공함에 있어, 현재 차량의 고장 환경에 적응적으로 주행 가능한 경로 기반희 차량 경로를 제공할 수 있는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치에 있어서, 차량의 4륜에 설치되어 각 차륜의 조향을 제어하고 각 차륜의 상태정보를 수집하여 전송하는 조향시스템부; 및 상기 조향시스템부로부터 전송받는 상태정보에 따라 상기 조향시스템부를 제어하여 차량의 선회 반경을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 조향시스템부가 전송하는 상태정보에 고장정보가 포함되어 있는 경우 고장이 발생하지 않은 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 제어하여 상기 차량의 선회 반경을 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 조향시스템부가 전송하는 상태정보에 고장정보가 포함되어 있는 경우 상기 차량의 적정 선회 반경을 결정하는 선회 반경 결정부; 전체 차륜의 법선들이 한 점에 수렴하면서 차량이 상기 선회 반경 결정부에 의해 결정된 적정 선회 반경을 유지하도록 하는 선회 중심 좌표를 연산하는 선회 중심 좌표 연산부; 상기 선회 중심 좌표 연산부에 의해 연산된 선회 중심 좌표를 기준으로 상기 적정 선회 반경을 유지하기 위한 속도를 연산하는 속도 연산부; 상기 선회 중심 좌표 연산부에 의해 연산된 선회 중심 좌표를 기준으로 고장이 발생하지 않은 조향시스템의 조향각을 연산하는 조향각 연산부; 및 상기 조향각 연산부에 의해 연산된 조향각을 고장이 발생하지 않은 조향시스템에 전송하고 상기 속도 연산부에 의해 연산된 속도를 엔진 제어부에 전송하여 차량의 속도와 조향각을 제어하는 속도/조향각 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 차량의 속도는 임계치 이상으로 유지하며 상기 선회 반경을 제어할 수 있다.
상기 차량이 주행 중인 도로에 대한 최대 선회 반경을 획득하는 최대 선회 반경 정보 획득부;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 차량의 선회 반경을 상기 최대 선회 반경 이하로 제어할 수 있다.
상기 차량이 주행 중인 도로에 대한 적정 선회 반경을 획득하는 적정 선회 반경 정보 획득부;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 차량의 선회 반경을 상기 적정 선회 반경으로 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 특정 목적지까지의 하나 또는 두 개 이상의 경로별 최대 선회 반경을 획득하는 최대 선회 반경 획득부; 및 상기 제어부에 의해 제어 가능한 최대 선회 반경 값과 각 경로별 최대 선회 반경을 비교하여 특정 목적지까지의 주행 경로를 설정하는 주행 경로 설정부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 최대 선회 반경 획득부는, 현재 차량의 위치 정보를 기반으로 특정 목적지까지의 하나 또는 두 개 이상의 경로를 설정하는 예비 경로 설정부; 및 별도의 도로 정보 DB 로부터 획득된 각 경로에 포함되는 하나 또는 두 개 이상의 도로의 최대 선회 반경 값을 이용하여 경로별 최대 선회 반경을 획득하는 경로별 최대 선회 반경 획득부;를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 전자 제어 유닛(Electronic Control Unit, ECU)이거나 별도의 독립 모듈로 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치는 4륜 조향 차량을 구성하는 하나 이상의 차륜에 고장이 발생하는 경우 정상적으로 동작하는 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 주변 도로 환경에 맞게 능동적으로 조절하여 안전한 주행 환경을 보조할 뿐만 아니라 차체를 안정화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 특정 목적지까지의 차량 경로를 제공함에 있어, 현재 차량의 고장 환경에 적응적으로 주행 가능한 경로 기반희 차량 경로를 제공할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처기술이 적용되는 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 특정 목적지까지의 경로를 제공하는 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 적용되는 조향시스템의 직교좌표계를 나타낸 도면,
도 5는 정상적으로 동작하는 4륜 차량의 횡방향 운동을 나타낸 도면,
도 6은 조향시스템에 고장이 발생한 4륜 차량의 횡방향 운동을 나타낸 도면,
도 7은 4륜 차량의 조향시스템 고장대처 기술의 기본적인 개념을 나타낸 도면,
도 8은 차량의 속도에 따른 선회 반경의 변화를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 전체 차륜의 법선들이 한 점에 수렴하면서 주변 도로 환경에 따라 적정 선회 반경을 유지하도록 하는 선회 중심 좌표를 보정하는 방식을 설명하기 위한 도면,
도 10은 차량의 궤적 및 선회 중심을 고장이 발생하지 않은 정상인 경우와 본 실시 예에 따라 고장대처를 수행한 경우를 상호 비교하여 나타낸 도면,
도 11은 차량의 속도를 고장이 발생하지 않은 정상인 경우와 본 실시 예에 따라 고장대처를 수행한 경우를 상호 비교하여 나타낸 도면,
도 12는 본 실시 예에 따라 고장대처 후 전륜의 궤적을 나타낸 도면,
도 13은 본 실시 예에 따라 고장대처 후 전륜 사이의 거리를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 실시 예에 따라 고장대처 후 후륜의 궤적을 나타낸 도면,
도 15는 본 실시 예에 따라 고장대처 후 후륜 사이의 거리를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처기술이 적용되는 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 전체 시스템은 4개의 차륜 즉, 전방좌륜, 전방우륜, 후방좌륜, 후방우륜에는 각각 조향시스템이 설치되어 각 차륜에서 발생하는 고장정보를 포함하는 상태정보를 실시간으로 네트워크를 통해 ECU와 같은 제어모듈로 전송한다. 상세히 설명하겠지만, 제어모듈은 각 조향시스템으로부터 전송받은 상태정보 및 별도로 획득하는 주변 도로 환경 정보에 기반하여 차량의 선회 반경을 제어하면서 전체 차륜의 법선들이 제어된 선회 반경에 따른 특정 점(선회 중심 좌표)에 수렴하도록 제어한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치는 조향시스템부(100) 및 제어부(200)를 포함하여 구성된다.
조향시스템부(100)는 차량의 4륜에 설치되어 각 차륜의 조향을 제어하고 각 차륜의 상태정보를 수집하여 전송하는 기능을 수행한다. 또한, 조향시스템부(100)를 구성하는 어느 하나의 조향시스템에 고장이 발생하는 경우, 해당 조향시스템은 고장정보를 제어부(200)로 전송하고, 고장이 발생하지 않은 조향시스템들은 제어부(200)에 의해 연산된 보정 조향각 및 속도 정보를 입력받아 해당 차륜의 조향각 및 속도를 제어한다.
제어부(200)는 조향시스템부(100)로부터 전송받는 상태정보에 따라 조향시스템부(100)를 제어하는 기능을 수행한다. 제어부(200)는 전자 제어 유닛(Electronic Control Unit, ECU)이거나 엔진컨트롤유닛과는 독립적인 별도의 독립 모듈로 구현될 수 있다.
예를 들어, 이러한 제어부(200)는 선회 반경 결정부(210), 선회 중심 좌표 연산부(220), 속도 연산부(230), 조향각 연산부(240), 속도/조향각 제어부(250), 최대 선회 반경 정보 획득부(260), 적정 선회 반경 정보 획득부(270), 주행 경로 설정부(280)를 포함하여 구성될 수 있다.
선회 반경 결정부(210)는 상기 조향시스템부(100)가 전송하는 상태정보에 고장정보가 포함되어 있는 경우 상기 차량의 적정 선회 반경을 결정한다. 차량의 적정 선회 반경이란 상기 차량의 강체에 무리를 주지 않으며 상기 차량이 주행할 수 있는 차량의 선회 반경을 의미한다. 이때, 적정 선회 반경 값으로는 다양한 값이 적용될 수 있다. 일 예로, 최대 선회 반경 정보 획득부(260)를 통해 획득되는 최대 선회 반경의 이하 값이나, 적정 선회 반경 정보 획득부(270)를 통해 획득되는 특정 값이 적용될 수 있다.
선회 중심 좌표 연산부(220)는 조향시스템부(100)가 전송하는 상태정보에 고장정보가 포함되어 있는 경우, 전체 차륜의 법선들이 한 점에 수렴하면서 상기 선회 반경 결정부(210)에 의해 결정된 적정 선회 반경을 유지하도록 하는 선회 중심 좌표를 연산하는 기능을 수행한다.
이러한 선회 중심 좌표 연산부(220)는 고장이 발생한 차륜의 법선과 고장 발생 시점의 선회 반경을 반지름으로 하는 원의 교점을 연산함으로써 선회 중심 좌표를 연산하도록 구성될 수 있다.
속도 연산부(230)는 선회 중심 좌표 연산부(220)에 의해 연산된 선회 중심 좌표를 기준으로 상기 적정 선회 반경을 유지하기 위한 속도를 연산하는 기능을 수행한다.
조향각 연산부(240)는 선회 중심 좌표 연산부(220)에 의해 연산된 선회 중심 좌표를 기준으로 고장이 발생하지 않은 조향시스템의 조향각을 연산하는 기능을 수행한다.
속도/조향각 제어부(250)는 조향각 연산부(240)에 의해 연산된 조향각을 고장이 발생하지 않은 조향시스템에 전송하고, 속도 연산부(230)에 의해 연산된 속도를 엔진 제어부에 전송하여 차량의 속도와 조향각을 제어하는 기능을 수행한다.
최대 선회 반경 정보 획득부(260)는 상기 차량이 주행 중인 특정 도로에 대한 최대 선회 반경을 획득한다. 또는, 상기 최대 선회 반경 정보 획득부(260)는 사용자에 의해 특정 목적지가 결정되면 상기 목적지까지의 하나 또는 두 개 이상의 경로별 최대 선회 반경을 획득한다.
이를 위해 상기 최대 선회 반경 정보 획득부(260)는 별도의 도로 정보 DB(미도시)로부터 특정 경로에 대한 최대 선회 반경 정보를 획득할 수 있다. 일 예로, 네비게이션 등에 구비된 별도의 DB로부터 해당 정보를 획득할 수도 있으며, 필요시 유/무선 네트워크를 통해 별도의 서버로부터 해당 정보를 획득할 수도 있다.
이와 같은 최대 선회 반경 정보 획득부(260)는 구체적으로 예비 경로 설정부(262) 및 경로별 최대 선회 반경 획득부(264)를 포함할 수 있다. 상기 예비 경로 설정부(262)에 의해 하나 또는 복수 개의 예비 경로가 설정되게 되면, 상기 경로별 최대 선회 반경 획득부(264)는 각 경로에 포함되는 하나 또는 복수 개의 도로별 최대 선회 반경 값에 기반하여 각 경로별 최대 선회 반경 값을 획득할 수 있다. 일 예로, A 경로에 포함되는 도로들의 최대 선회 반경값이 (10,15,20)이고, B 경로에 포함되는 도로들의 최대 선회 반경값이 (12, 13, 15)인 경우, 상기 최대 선회 반경 획득부(264)는 A 경로의 최대 선회 반경값은 20, B 경로의 최대 선회 반경값은 15라는 값을 획득할 수 있다.
이와 유사하게 적정 선회 반경 정보 획득부(270)는 상기 차량이 주행 중인 도로에 대한 적정 선회 반경값을 획득한다. 상기 최대 선회 반경 정보를 획득하는 방법과 동일하게 상기 적정 선회 반경값은 별도로 구비된 DB 등을 통해 획득할 수 있다.
주행 경로 설정부(280)는 상기 최대 선회 반경 획득부(260)를 통해 획득되는 복수 개의 경로별 최대 선회 반경 값과 차량의 제어부(200)에 의해 제어 가능한 최대 선회 반경 값을 비교하여 특정 목적지까지의 주행 경로를 설정할 수 있다. 이하 상기 구성에 대해서는 도 3을 통해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 특정 목적지까지의 경로를 제공하는 구성을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 현재 차량의 위치로부터 목적지까지는 A, B 두 경로가 존재하고, A 경로의 최대 선회 반경값은 20, B 경로의 최대 선회 반경값은 15이다. 이때, 차량의 전방 우측 차륜의 조향에 고장이 생겨 상기 제어부(200)에 의해 제어 가능한 최대 선회 반경 값은 16이다.
이 경우, 상기 주행 경로 설정부(280)는 상기 값들을 비교하여 현재 차량은 최대 선회 반경을 16까지 밖에 제어하지 못하므로 특정 목적지까지의 경로를 B 경로로 최종 결정할 수 있다. 이를 통해 현재 차량 상태에 기반한 최적의 경로를 운전자에게 제공할 수 있다.
또 다른 예로, 제어부(200)는 차량의 속도는 임계치 이상으로 유지하며 상기 선회 반경을 제어할 수 있다. 이는 차량 선회 반경을 제어하기 위하여 불필요하게 차량의 속도를 일정 이하로 낮추게 되면 오히려 주변 차량으로 인한 사고 위험성을 높이는 문제점이 있기 때문이다.
도 2에서는 본 발명에 적용가능한 바람직한 실시예에 적용가능한 조향시스템의 모든 기술 구성을 도시한 것으로, 실시예에 따라 상기 기술 구성 중 일부만 선택 적용할 수 있음은 당업자라면 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이하에서는, 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치의 고장대처과정을 보다 구체적으로 설명한다.
먼저 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 적용되는 조향시스템의 직교좌표계를 설명한다. 좌표 (0, 0)은 차량의 중심으로 직교좌표계의 원점이고, A(-wf/2, af)는 전방좌륜 조향시스템의 좌표이고, B(wf/2, af)는 전방우륜 조향시스템의 좌표이고, C(wr/2, -ar)는 후방우륜 조향시스템의 좌표이고, D(-wr/2, -ar)는 후방좌륜 조향시스템의 좌표이고, wf는 전방 차축의 윤거이고, wr은 후방 차축의 윤거이고, af는 중심점과 전방 차축과의 거리이고, ar은 중심점과 후방 차축과의 거리이다.
정상적으로 동작하는 4륜 조향 차량의 횡방향 운동을 나타내는 도 5를 참조하면, 4륜 조향 차량은 선회시 각 차륜의 법선이 한 점에서 만나도록 설계되어, 모든 차륜의 내접원이 동심원을 이루도록 만들어진다.
하지만 조향시스템에 고장이 발생한 4륜 조향 차량의 횡방향 운동을 나타내는 도 6을 참조하면, 4륜으로 동작하는 조향시스템 중 1개 이상의 시스템에서 고장이 발생하게 되면, 차륜의 법선이 한 점에서 만나지 않게 된다. 그 결과 강체(rigid)로 구성된 차량의 횡방향 구조 안전에 큰 영향을 미치게 된다. 도 6은 전방우륜에 고장이 발생한 경우이다.
본 실시 예에서 제시하는 고장대처 기술은 다음과 같다.
먼저 4륜 차량의 조향시스템 고장대처 기술의 기본적인 개념을 나타내는 도 7을 참조하면, 고장이 발생하지 않은 정상적인 차륜들을 조절하여, 각 차륜의 법선이 한 점에서 만나도록 제어한다. 하지만 도 7에서 볼 수 있듯이, 각 차륜의 법선은 여러 점(O1, O2)에서 만날 수 있으며, 만나는 점의 위치에 따라 차량의 선회 반경이 바뀌게 된다. 실제로 각 차륜의 법선이 만나는 점은 차량이 선회하는 속도와 관련이 있다. 즉 도 8에 개시되어 있는 바와 같이, 차량의 속도가 빠를수록, 선회 반경은 커지게 된다.
따라서 본 실시 예에서는 차량의 속도도 함께 조절하여 선회 반경을 적정 선회 반경으로 유지하도록 제어한다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따라, 전체 차륜의 법선들이 한 점에 수렴하면서 특정 도로의 적정 선회 반경을 유지하도록 하는 선회 중심 좌표를 보정하는 방식을 설명하기 위한 도 9를 참조하면, 본 실시 예는 정상적인 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 조절하여, 새로운 선회 중심 Oreconf을 찾는다.
이하에서는, 도 9를 주로 참조하면서 선회 중심 좌표 연산, 차량 속도 보정, 조향각 보정으로 구분하여 본 실시 예의 구체적인 동작을 설명한다.
<선회 중심 좌표 연산>
도 6에 개시된 바와 같이, 만약 차량이 선회 시, 전방우륜 조향시스템(140)에 고장이 발생하게 되면, 각 차륜에서의 선회 중심은 한 점에서 만나지 않게 된다. 그 결과 차량은 횡방향으로 큰 스트레스를 받게 되어, 안전에 큰 영향을 미치게 된다. 본 실시 예에서는 정상적으로 동작하는 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 조절하여, 고장에 실시간 대처한다.
도 9를 참조하면, 각 차륜의 선회 중심이 한 점에 수렴하는 조건과 적정 선회 반경을 유지하는 조건을 모두 만족시키는 점은 고장이 발생한 차륜의 법선과 기존 즉, 고장 발생 시점의 선회 반경을 반지름으로 하는 원과의 교점이 된다. 즉, 이러한 새로운 선회 중심 좌표는 아래 수학식 1을 연립함으로 구할 수 있다.
Figure 112014062224814-pat00001
수학식 1에서, δkm은 고장이 발생한 조향시스템의 조향각이고, 아래첨자 k는 고장이 발생한 조향시스템이 좌륜 조향시스템과 우륜 조향시스템 중 어느 조향시스템인지를 구분하기 위한 기호이고, 아래첨자 m은 고장이 발생한 조향시스템이 전방 조향시스템과 후방 조향시스템 중 어느 조향시스템인지를 구분하기 위한 기호이고, p와 q는 고장이 발생한 조향시스템의 직교좌표를 나타낸 값이다. R'은 고장대처장치에 의해 결정되는 적정 선회 반경 값으로, 상황에 따라 변경되는 값이 적용될 수 있다. 이를 도 4를 참조하여 정리하면 다음 표 1과 같다.
k=l, m=f k=r, m=f k=l, m=r k=r, m=r
p -w f /2 w f /2 -w r /2 w r /2
q a f a f -a r -a r
표 1에서, 파라미터 a f , a r, w f, w r 에 대한 정의는 표 2와 같다.
기호 정의 값 단위
a f 중심점과 전방 차축과의 거리 1.40 m
a r 중심점과 후방 차축과의 거리 1.40 m
w f 전방 차축의 윤거 1.35 m
w r 후방 차축의 윤거 1.40 m
수학식 1을 연립하면 다음과 같은 2차방정식인 수학식 2를 얻을 수 있다.
Figure 112014062224814-pat00002
수학식 2를 연산하면, 새로운 선회 중심의 x좌표는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112014062224814-pat00003

상기 새로운 선회 중심에 대한 각 계수는 다음과 같이 정의된.
Figure 112014062224814-pat00004
여기서, 근호 앞의 부호 +와 는 각각 차량의 우선회 및 좌선회에 적용되는 부호이고, 계수 akm, bkm, ckm은 다음 표 3과 같이 일반화될 수 있다.
고장 위치 a km b km c km
전방좌륜
(k=l, m=f)
Figure 112014062224814-pat00005
Figure 112014062224814-pat00006
Figure 112014062224814-pat00007
전방우륜
(k=r, m=f)
Figure 112014062224814-pat00008
Figure 112014062224814-pat00009
Figure 112014062224814-pat00010
후방좌륜
(k=l, m=r)
Figure 112014062224814-pat00011
Figure 112014062224814-pat00012
Figure 112014062224814-pat00013
후방우륜
(k=r, m=r)
Figure 112014062224814-pat00014
Figure 112014062224814-pat00015
Figure 112014062224814-pat00016
표 3에서, 계수 a, b, c의 아래첨자 k는 좌측(left, l) 또는 우측(right, r)을 의미하고, 아래첨자 m은 전방(front, f) 또는 후방(rear, r)을 의미한다.
또한, 연산된 선회 중심의 x좌표값인 x rec 를 수학식 1에 대입하면, 고장대처를 위한 새로운 선회 중심의 y 좌표값 y rec 는 다음과 같다.
Figure 112014062224814-pat00017
선회 중심의 y좌표는 고장위치에 따라 다음 표 4와 같이 일반화될 수 있다.

 k=l k=r
m=f
Figure 112014062224814-pat00018
Figure 112014062224814-pat00019
m=r
Figure 112014062224814-pat00020
Figure 112014062224814-pat00021
<차량 속도 보정>
새로운 선회 중심 좌표(x rec , y rec )을 기준으로, 적정 선회 반경을 유지하기 위한 차량의 보정 속도는 다음 수학식 3을 통해 연산된다.
Figure 112014062224814-pat00022
수학식 3에서, Vr은 차량의 보정 속도이고, R'은 적정 선회 반경, δo는 차량의 이동 방향각속도이고, xrec는 수학식 1을 통해 연산된 선회 중심의 x좌표이고, yrec는 수학식 1을 통해 연산된 선회 중심의 y좌표이다. 본 실시 예의 속도 연산부(230)는 수학식 3을 통해 적정 선회 반경을 유지하기 위한 속도를 연산한다.
<조향각 보정>
새로운 선회 중심 좌표(x rec , y rec )을 기준으로, 고장에 대처하기 위해 재구성된 보정 조향각은 다음 수학식 4를 통해 연산될 수 있다.
Figure 112014062224814-pat00023
수학식 4에서, 점(p, q)는 정상적으로 동작하는 조향시스템의 직교좌표이며, 그 좌표값은 표 1을 따른다.
따라서 표 1, 표 3 및 표 4로부터, 수학식 4는 다음 표 5와 같이 표현될 수 있다.
고장대처를 위한 보정 조향각
k=l, m=f k=r, m=f k=l, m=r k=r, m=r
고장발생조향시스템 k=l, m=f 고장
Figure 112014062224814-pat00024
Figure 112014062224814-pat00025
Figure 112014062224814-pat00026
k=r, m=f
Figure 112014062224814-pat00027
 고장
Figure 112014062224814-pat00028
Figure 112014062224814-pat00029
k=l, m=r
Figure 112014062224814-pat00030
Figure 112014062224814-pat00031
 고장
Figure 112014062224814-pat00032
k=r, m=r
Figure 112014062224814-pat00033
Figure 112014062224814-pat00034
Figure 112014062224814-pat00035
 고장
표 5로부터, 만약 전방우륜(right front) 조향시스템에 고장이 발생하면, 고장대처를 위한 보정 조향각은 표 5의 k=r, m=f행을 따르면 된다.
즉, 본 실시 예의 조향각 연산부(240)는 1) 전방좌륜(left front) 조향시스템 고장시에, 전방우륜 조향시스템(140)의 조향각(δrf)을
Figure 112014062224814-pat00036
로 연산하고, 후방좌륜 조향시스템(160)의 조향각(δlr)을
Figure 112014062224814-pat00037
로 연산하고, 후방우륜 조향시스템(180)의 조향각(δrr)을
Figure 112014062224814-pat00038
로 연산하고, 2) 전방우륜(right front) 조향시스템 고장시에, 전방좌륜 조향시스템(120)의 조향각(δlf)을
Figure 112014062224814-pat00039
로 연산하고, 후방좌륜 조향시스템(160)의 조향각(δlr)을
Figure 112014062224814-pat00040
로 연산하고, 후방우륜 조향시스템(180)의 조향각(δrr)을
Figure 112014062224814-pat00041
로 연산하고, 3) 후방좌륜(left rear) 조향시스템 고장시에, 전방좌륜 조향시스템(120)의 조향각(δlf)을
Figure 112014062224814-pat00042
로 연산하고, 전방우륜 조향시스템(140)의 조향각(δrf)을
Figure 112014062224814-pat00043
로 연산하고, 후방우륜 조향시스템(180)의 조향각(δrr)을
Figure 112014062224814-pat00044
로 연산하고, 4) 후방우륜(right rear) 조향시스템 고장시에, 전방좌륜 조향시스템(120)의 조향각(δlf)을
Figure 112014062224814-pat00045
로 연산하고, 전방우륜 조향시스템(140)의 조향각(δrf)을
Figure 112014062224814-pat00046
로 연산하고, 후방좌륜 조향시스템(160)의 조향각(δlr)을
Figure 112014062224814-pat00047
로 연산한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치에 대한 시뮬레이션 결과를 설명한다.
먼저 시뮬레이션을 위한 가정은 다음과 같다.
전방우륜(right front)에서 20%의 성능저하 고장이 발생하고(δrf: 14.3887 11.511), 고장 발생 시점에서의 차량의 속도는 24.4412 km/h이고, 선회 중심 좌표는 (-31.045, -6.7376)이고, 선회 반경은 31.7678 m이다. 차량의 각 파라미터 값은 표 1에서 정의한 바와 같다. 차량의 적정 선회 반경은 현재 차량의 선회 반경과 같은 값으로 정의한다.
아래 표 6은 고장을 대처하기 위한 차량의 변화된 보정 및 각 차륜의 보정 조향각, 고장대처 후 변화된 선회 중심 좌표 및 선회 반경을 개시하고 있다.
고장 발생 전 고장대처 후
δrf 15 6.9185
δlr 9.9762 6.924
δrr 9.5445 6.6244
차량 속도 24.4412 km/h 18.5214 km/h
선회 중심 (-31.045, -6.7376) (-31.3521, -5.1224)
선회 반경 31.7678 m 31.7678 m
표 6에서, 고장에 대처한 후, 차량의 선회 중심은 x축으로 약 -30 cm, y축으로 약 1.6 m 정도 이동한 것을 알 수 있으며, 차량의 속도는 약 6 km/h 감속한 것을 확인할 수 있다. 차량 속도 감소로 인하여, 적정 선회 반경이 유지되고 있음을 확인할 수 있다.
도 10 내지 도 15는 선회하는 차량의 운동에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다.
먼저 도 10은 정상 차량과 고장대처를 수행한 차량의 궤적 및 각 궤적에 따른 선회 중심을 보여준다. 도 11은 고장에 대처하고 적정 선회 반경을 유지하기 위하여, 차량의 속도가 줄어든 결과를 보여준다. 도 10 도 11을 참조하면, 차량의 속도가 약 6 km/h 감속하면서, 차량의 이동거리가 줄어든 것을 알 수 있다.
도 12와 도 13은 전방 좌, 우 차륜의 선회 궤적 및 두 차륜 사이의 거리를 보여준다. 또한 도 14와 도 15는 후방 좌, 우 차륜에 대한 선회 궤적 및 차륜 사이의 거리를 보여준다. 도 12 내지 도 15를 참조하면, 본 본 실시 예에서 제안한 고장대처 기술을 이용하여 조향 입력을 조절한 결과, 각각 전방 폭(w f ) 즉, 전방 차축의 윤거 및 후방 폭(w r ) 즉, 후방 차축의 윤거를 유지하여, 차량의 횡방향 안전을 확보하고 있음을 알 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 4륜 차량을 구성하는 하나 이상의 차륜에 고장이 발생하는 경우 정상적으로 동작하는 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 주변 도로 환경의 적정 선회 반경에 맞게 능동적으로 조절하여 차체를 안정화시킬 수 있는 효과가 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 조향 시스템부 120: 전방 좌륜 조향 시스템
140: 전방 우륜 조향 시스템 160: 후방 좌륜 조향 시스템
180: 후방 우륜 조향 시스템 200: 제어부
210: 선회 반경 결정부 220: 선회 중심 좌표 연산부
230: 속도 연산부 240: 조향각 연산부
250: 속도/조향각 제어부 260: 최대 선회 반경 정보 획득부
262: 예비 경로 설정부 264: 최대 선회 반경 획득부
270: 적정 선회 반경 정보 획득부 280: 주행 경로 설정부

Claims (9)

  1. 특정 차륜의 조향 제어에 고장 발생시 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치에 있어서,
    차량의 4륜에 설치되어 각 차륜의 조향을 제어하고, 각 차륜 중 특정 차륜의 조향 제어에 고장 발생시 이에 대한 상태정보를 수집하여 전송하는 조향시스템부; 및
    상기 조향시스템부로부터 전송받는 상태정보에 기반하여 고장이 발생하지 않은 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 동시에 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    하기 표 및 수학식에 따라 상기 고장이 발생하지 않은 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 동시에 제어함으로써 차량의 선회 반경이 적정 선회 반경을 유지하도록 것을 특징으로 하는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치.
    [표]
    Figure 112015100975888-pat00083

    (이때, (k,m)이 (l,f)은 전방 좌륜, (r,f)은 전방 우륜, (l,r,)은 후방 좌륜, (r,r)은 후방 우륜을 의미하며,
    Figure 112015100975888-pat00084
    는 중심점과 전방 차축과의 거리,
    Figure 112015100975888-pat00085
    은 중심점과 후방 차출과의 거리,
    Figure 112015100975888-pat00086
    는 전방 차축의 윤거,
    Figure 112015100975888-pat00087
    은 후방 차축의 윤거,
    Figure 112015100975888-pat00088
    는 새로운 선회 중심의 x 좌표값,
    Figure 112015100975888-pat00089
    는 새로운 선회 중심의 y 좌표값)
    [수학식]
    Figure 112015100975888-pat00090

    (이때, R'은 차량의 선회 반경, Vr은 차량의 속도, δo는 차량의 이동 방향각속도)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고장이 발생하지 않은 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 동시에 제어함으로써 상기 차량이 적정 선회 반경을 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 조향시스템부가 전송하는 상태정보에 고장정보가 포함되어 있는 경우 상기 차량의 적정 선회 반경을 결정하는 선회 반경 결정부;
    전체 차륜의 법선들이 한 점에 수렴하면서 차량이 상기 선회 반경 결정부에 의해 결정된 적정 선회 반경을 유지하도록 하는 선회 중심 좌표를 연산하는 선회 중심 좌표 연산부;
    상기 선회 중심 좌표 연산부에 의해 연산된 선회 중심 좌표를 기준으로 상기 적정 선회 반경을 유지하기 위한 속도를 연산하는 속도 연산부;
    상기 선회 중심 좌표 연산부에 의해 연산된 선회 중심 좌표를 기준으로 고장이 발생하지 않은 조향시스템의 조향각을 연산하는 조향각 연산부; 및
    상기 조향각 연산부에 의해 연산된 조향각을 고장이 발생하지 않은 조향시스템에 전송하고 상기 속도 연산부에 의해 연산된 속도와 조향각을 제어하는 속도/조향각 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치.
  4. 삭제
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 차량이 주행 중인 도로에 대한 최대 선회 반경을 획득하는 최대 선회 반경 정보 획득부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    고장이 발생하지 않은 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 동시에 제어하여 차량의 선회 반경을 상기 최대 선회 반경 이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 차량이 주행 중인 도로에 대한 적정 선회 반경을 획득하는 적정 선회 반경 정보 획득부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    고장이 발생하지 않은 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 동시에 제어하여 차량의 선회 반경을 상기 적정 선회 반경으로 제어하는 것을 특징으로 하는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    특정 목적지까지의 하나 또는 두 개 이상의 경로별 최대 선회 반경을 획득하는 최대 선회 반경 획득부; 및
    상기 제어부에 의해 고장이 발생하지 않은 차륜의 조향각 및 차량의 속도를 동시에 제어하여 제어 가능한 최대 선회 반경 값과 각 경로별 최대 선회 반경을 비교하여 특정 목적지까지의 주행 경로를 설정하는 주행 경로 설정부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 최대 선회 반경 획득부는,
    현재 차량의 위치 정보를 기반으로 특정 목적지까지의 하나 또는 두 개 이상의 경로를 설정하는 예비 경로 설정부; 및
    별도의 도로 정보 DB 로부터 획득된 각 경로에 포함되는 하나 또는 두 개 이상의 도로의 최대 선회 반경 값을 이용하여 경로별 최대 선회 반경을 획득하는 경로별 최대 선회 반경 획득부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 전자 제어 유닛(Electronic Control Unit, ECU)이거나 별도의 독립 모듈로 구현되는 것을 특징으로 하는 4륜 독립제어 조향시스템의 고장대처장치.
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