KR101716835B1 - 노면마찰계수 추정장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 타이어의 변형량 신호와 차량의 동역학적 특성을 반영하여 노면마찰계수를 추정함으로써 저렴한 비용으로 노면마찰계수의 정확도를 높일 수 있는 노면마찰계수 추정장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 타이어에 설치된 센서를 통하여 해당 타이어의 변형을 측정한 신호를 수신하는 인터페이스부; 차량의 종가속도를 측정하는 종가속도 센서; 및 상기 인터페이스부를 통해 수신된 타이어의 변형량 신호를 기반으로 계산된 수직 하중과 상기 인터페이스부를 통하여 수신된 차속 및 바퀴속도를 이용하여 계산된 슬립률을 이용하여 제 1 종방향 힘을 구하고, 상기 종가속도 센서로부터 측정된 종가속도와 상기 차량의 질량을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구하여 상기 제 1 종방향 힘과 상기 제 2 종방향 힘의 비율로 종방향의 노면마찰계수를 추정하는 전자제어유닛을 포함하는 노면마찰계수 추정장치가 제공된다.

Description

노면마찰계수 추정장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING FRICTION COEFFICIENT OF ROAD SURFACE}
본 발명은 노면마찰계수 추정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타이어의 변형량 신호와 차량의 동역학적 특성을 반영하여 노면마찰계수를 추정함으로써 저렴한 비용으로 노면마찰계수의 정확도를 높일 수 있는 노면마찰계수 추정장치 및 방법에 관한 것이다.
차량은 미끄럽기 쉬운 노면에서 급가속이나 급제동을 하면, 타이어가 슬립을 일으켜 스핀 등을 발생시킬 위험성이 있다. 또한 급한 조타(操舵)를 하면 차량이 옆으로 미끄러지거나 스핀을 일으킬 우려가 있다.
이러한 우려를 해결하기 위하여 대한민국공개특허공보 제2001-0088352호(문헌 1) 등이 알려진 바 있다.
상기 특허를 포함하는 종래기술은 차량의 4륜 타이어의 회전속도를 정기적으로 검출하는 회전속도검출수단; 상기 회전속도검출수단에 의한 측정치로부터 슬립비를 연산하는 제 1 연산수단; 이 슬립비와 차량의 가감속도와의 관계식을 구하는 제 2 연산수단; 및 상기 제 2 연산수단에 의해 구해진 관계식의 기울기에 근거하여 노면과 타이어 사이의 마찰계수를 판정하는 마찰계수판정수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
그러나, 종래 기술은 차량의 4륜 타이어의 회전속도를 정기적으로 검출하기 위한 회전속도검출수단을 구비해야 하므로 노면마찰계수 추정을 위해 비용의 상승을 초래할 수밖에 없다.
또한 종래의 노면마찰계수 추정방법으로는 고가의 카메라, 레이더를 이용하여 전방의 노면상태를 획득하고 노면마찰계수를 추정하기 때문에 노면마찰계수를 추정하는데 고가의 카메라 또는 레이더의 설치를 필요로 하여 비용을 증가시키고, 날씨 여부 또는 장애물의 존재 여부에 따라 노면마찰계수의 정확한 추정이 어려워, 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 고가의 카메라나 레이더를 사용하지 않고도 차량내에 장착되어 있는 센서들을 이용하여 정확한 노면마찰계수를 추정할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
[문헌 1] 대한민국공개특허공보 제2001-0088352호 노면마찰계수 판정장치 및 방법(스미토모 고무 고교 가부시키가이샤 사이토 나오토) 2001.09.26
본 발명의 목적은, 타이어의 변형량 신호와 차량의 동역학적 특성을 반영하여 노면마찰계수를 추정함으로써 저렴한 비용으로 노면마찰계수의 정확도를 높일 수 있는 노면마찰계수 추정장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 타이어에 설치된 센서를 통하여 해당 타이어의 변형을 측정한 신호를 수신하는 인터페이스부; 차량의 종가속도를 측정하는 종가속도 센서; 및 상기 인터페이스부를 통해 수신된 타이어의 변형량 신호를 기반으로 계산된 수직 하중과 상기 인터페이스부를 통하여 수신된 차속 및 바퀴속도를 이용하여 계산된 슬립률을 이용하여 제 1 종방향 힘을 구하고, 상기 종가속도 센서로부터 측정된 종가속도와 상기 차량의 질량을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구하여 상기 제 1 종방향 힘과 상기 제 2 종방향 힘의 비율로 종방향의 노면마찰계수를 추정하는 전자제어유닛을 포함하는 노면마찰계수 추정장치가 제공된다.
상기 제 1 종방향 힘은 노면마찰계수가 1일때의 미리 실험에 의해 정의된 타이어 모델에 상기 수직 하중과 상기 슬립률을 적용시켜 계산되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 타이어에 설치된 센서를 통하여 해당 타이어의 변형을 측정한 신호를 수신하는 인터페이스부; 및 상기 인터페이스부를 통해 측정된 타이어의 변형량 신호를 기반으로 계산된 수직 하중과 상기 인터페이스부를 통하여 수신된 차속 및 바퀴속도를 이용하여 계산된 슬립률을 이용하여 제 1 종방향 힘을 구하고, 상기 계산된 수직 하중을 기초로 구동시 전륜에서의 수직 하중 감소분과 구동시 후륜에서의 수직 하중 증가분을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구하여 상기 제 1 종방향 힘과 상기 제 2 종방향 힘의 비율로 종방향의 노면마찰계수를 추정하는 전자제어유닛을 포함하는 노면마찰계수 추정장치가 제공된다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 주행중인 노면의 마찰계수를 추정하는 방법으로서, 타이어에 설치된 센서를 통하여 해당 타이어의 변형을 측정한 신호를 수신하는단계; 차량에 설치된 종가속도 센서로부터 측정된 종가속도를 수신하는 단계; 상기 수신된 타이어의 변형량 신호를 이용하여 수직 하중을 계산하고, 상기 차량의 차속 및 바퀴속도를 이용하여 슬립률을 계산하여 상기 계산된 수직 하중과 상기 슬립률을 이용하여 제 1 종방향 힘을 구하는 단계; 상기 종가속도와 상기 계산된 수직 하중에 의해 계산된 상기 차량의 질량을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구하는 단계; 및 상기 제 1 종방향 힘과 상기 제 2 종방향 힘의 비율로 노면마찰계수를 추정하는 단계를 포함하는 노면마찰계수 추정방법이 제공된다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 주행중인 노면의 마찰계수를 추정하는 방법으로서, 타이어에 설치된 센서를 통하여 해당 타이어의 변형을 측정한 신호를 수신하는단계; 상기 수신된 타이어의 변형량 신호를 기반으로 수직 하중을 계산하고, 상기 차량의 차속 및 바퀴속도를 이용하여 슬립률을 계산하여 상기 계산된 수직 하중과 상기 슬립률을 이용하여 제 1 종방향 힘을 구하는 단계; 상기 계산된 수직 하중을 기초로 구동시 전륜에서의 수직 하중 감소분과 구동시 후륜에서의 수직 하중 증가분을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구하는 단계; 및 상기 제 1 종방향 힘과 상기 제 2 종방향 힘의 비율로 노면마찰계수를 추정하는 단계를 포함하는 노면마찰계수 추정방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면 타이어의 변형량 신호와 차량의 동역학적 특성을 반영하여 노면마찰계수를 추정함으로써 저렴한 비용으로 노면마찰계수의 정확도를 높일 수 있는 효과가 있다. 이와 같이 정확하게 추정된 노면마찰계수가 저마찰계수인 경우에 운전자에게 미리 경고함으로써 사고를 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 노면마찰계수 추정장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노면마찰계수 추정장치의 추정방법을 설명하기 위한 동작 흐름도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노면마찰계수 추정장치의 추정방법을 설명하기 위한 동작 흐름도,
도 4는 슬립률, 종방향 힘 및 수직 하중을 나타낸 그래프, 그리고
도 5는 차량의 동역학적 특성을 고려하여 제 2 종방향 힘을 구하기 위한 변수를 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 노면마찰계수 추정장치를 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 노면마찰계수 추정장치는 차량내에 설치된 센서로부터 측정된 결과를 수신하는 인터페이스부(10) 및 인터페이스부(10)를 통하여 수신된 결과를 통하여 제 1 및 제 2 종방향 힘을 구하여 최종적인 노면마찰계수를 추정하는 전자제어유닛(Electronic Control Unit)(30)을 포함한다. 차량내에 설치되는 센서는 타이어에 설치되어 타이어의 변형을 측정하는 센서, 차속 센서, 바퀴 속도 센서 등이 포함될 수 있다. 본 실시예에서 사용되는 타이어는 인텔리전트 타이어일 수 있다.
도 1에서는 종가속도 센서(20)를 도시하고 있다. 종가속도 센서(20)는 실제 주행 노면의 제 2 종방향 힘을 구하기 위하여 필요한 기초 데이터 이지만, 종가속도 센서(20)를 이용하지 않고 후술하는 수직 하중을 이용하여 구할 수도 있다.
인터페이스부(10)는 타이어의 변형을 측정하는 센서와 연결되어, 타이어의 변형량 신호를 수신한다. 또한 인터페이스부(10)는 차속 센서, 바퀴 속도 센서와도 연결되어 주행중인 차속 및 바퀴 속도를 수신한다.
여기서 인터페이스부(10)는 CAN(Controller Area Network)일 수 있다.
전자제어유닛(30)은 인터페이스부(10)와 연결되어 타이어의 변형량 신호, 차속 및 바퀴 속도를 수신한다. 또한 전자제어유닛(30)은 종가속도 센서(20)와 연결되어 종가속도 센서(20)에 의해 측정된 종가속도를 수신할 수 있다.
이와 같은 전자제어유닛(30)은 수신부(31), 계산부(32) 및 추정부(33)를 포함하여 구성된다.
수신부(31)는 인터페이스부(10)를 통해 타이어의 변형량 신호, 차속 및 바퀴 속도를 수신한다. 또한 수신부(31)는 종가속도를 이용하여 제 2 종방향 힘을 계산하는 경우 종가속도 센서(20)로부터 측정된 종가속도를 수신한다.
계산부(32)는 수신부(31)에 의해 수신된 타이어의 변형량 신호, 차속 및 바퀴 속도를 이용하여 제 1 종방향 힘을 구한다. 제 1 종방향 힘은 노면마찰계수가 1일때의 미리 실험을 통해 정해진 타이어 모델에 수직하중과 슬립률을 적용시켜 계산된 값이다.
수직 하중은 타이어의 변화량을 근거로 계산된 접지시간과 차속을 지수함수적으로 표현하고 중간 속도에 대해 보간법(interpolation)을 적용시켜 계산된다.
슬립률은 차속과 바퀴속도를 하기의 수학식 1에 적용시켜 계산된다.
Figure 112013011611008-pat00001
도 4는 슬립률대 종방향 힘과 수직 하중을 나타낸 그래프로, 타이어의 종방향 힘은 슬립률이 증가함에 따라 선형적으로 증가하다가 슬립률이 10-20% 구간에서 최대값에 이른 후 이후로는 점진적으로 감소하는 경향이 있고, 타이어의 수직 하중이 증가함에 다라 종방향 힘도 선형적으로 증가하게 됨을 알 수 있다.
계산부(32)는 수신부(31)에 의해 수신된 종가속도와 상술된 수직 하중을 통해 구해진 차량의 질량을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구한다. 종가속도를 이용하지 않은 경우, 예를 들어 종가속도 센서가 차량에 설치되어 있지 않은 경우 계산부(32)는 계산된 수직 하중에 대해 구동시 전륜에서의 수직하중 감소분, 구동시 후륜에서의 증가분 등을 하기의 수학식 2에 반영하여 제 2 종방향 힘(
Figure 112013011611008-pat00002
)을 구한다. 제 2 종방향 힘은 제 1 종방향 힘과 달리 실제 노면에서 작용하는 종방향 힘을 말한다.
Figure 112013011611008-pat00003
여기서,
Figure 112013011611008-pat00004
는 구동시 전륜에서의 수직 하중 감소분이고,
Figure 112013011611008-pat00005
는 구동시 후륜에서의 수직 하중 증가분이고,
Figure 112013011611008-pat00006
는 무게중심점에서 전륜까지의 수평거리이고,
Figure 112013011611008-pat00007
은 무게중심점에서후륜까지의 수평거리이며,
Figure 112013011611008-pat00008
는 무게중심점에서 지면까지의 높이로, 도 5에 도시된 바와 같다.
m은 차량 전체 질량이고 a는 차량의 종가속도이다. 따라서 수직 하중을 통하여 질량을 구할 수 있다.
제 2 종방향 힘은 전류 구동차량에서 전륜에 가해지는 구동력(
Figure 112013011611008-pat00009
)이다.
이와 같은 계산부(32)를 통하여 계산된 제 1 종방향 힘과 제 2 종방향 힘을 근거로 하여 추정부(33)은 노면마찰계수를 추정한다.
추정부(33)는 제 1 종방향 힘과 제 2 종방향 힘의 비율로 노면마찰계수를 추정한다. 예를 들면 노면마찰계수가 1일때 제 1 종방향 힘이 100이고, 실제 노면의 제 2 종방향 힘이 50인 경우 0.5로 노면마찰계수를 추정한다.
이렇게 함으로써 고가의 카메라나 레이더를 사용하지 않고도 노면마찰계수의 추정이 가능하고, 타이어의 변형량과 차량의 동역학적 특성을 반영하여 정확한 노면마찰계수의 추정이 가능하다.
추가적으로 전자제어유닛(30)은 노면마찰계수가 저마찰판단기준, 예를 들면 0.3이하이면 노면이 저마찰노면으로 간주하여 경고를 발생시켜, 운전자에게 사고를 미연에 방지시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 노면마찰계수 추정장치를 이용한 노면마찰계수 추정방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 종가속도 센서(20)가 설치된 차량에서의 노면마찰계수 추정방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면 전자제어유닛(30)은 인터페이스부(10)를 통하여 타이어의 변형량 신호, 차속 및 바퀴 속도를 수신한다(S11).
또한 전자제어유닛(30)은 종가속도 센서(20)를 통하여 측정된 종가속도를 수신한다(S13).
상술된 S11 단계 및 S13 단계는 그 순서에 상관없이 후술하는 S15 단계 이전에만 타이어의 변형량 신호, 차속, 바퀴 속도 및 종가속도를 수신하기만 하면 구현 가능하다.
전자제어유닛(30)은 타이어의 변형량 신호, 차속 및 바퀴속도를 이용하여 제 1 종방향 힘을 구한다(S15). 더 자세하게 전자제어유닛(30)은 타이어의 변형량 신호 중 선정된 노면과 타이어간의 접지시간과 차속을 지수함수적으로 표현하여 구해지는 수직하중과 슬립률을 미리 실험에 의해 정해진 타이어 모델에 적용시켜 제 1 종방향 힘을 계산한다. 제 1 종방향 힘은 드라이한 아스팔트를 노면마찰계수가 1로 정했을때에 작용하는 종방향 힘이다. 슬립률은 상술된 수학식 1을 통하여 계산된다.
전자제어유닛(30)은 제 1 종방향 힘에 반영된 수직 하중을 이용하여 계산된 차량의 질량과 종가속도를 이용하여 제 2 종방향 힘을 구한다(S17). 제 2 종방향 힘은 실제 중인 노면에서 작용하는 종방향 힘이다.
전자제어유닛(30)은 상술된 S15 단계에서 구한 제 1 종방향 힘과 상술된 S17 단계에서 구한 제 2 종방향 힘의 비율로 노면마찰계수를 추정한다(S19). 즉 전자제어유닛(30)은 제 1 종방향 힘을 제 2 종방향 힘으로 나눈 값을 노면마찰계수로 추정한다. 추가적으로 전자제어유닛(30)은 노면마찰계수가 저마찰계수 기준에 만족되면 운전자에게 노면이 미끄러움을 알리는 알림정보를 제공할 수 있다.
이하에서는 종가속도 센서(20)가 설치되지 않은 차량에서 노면마찰계수를 추정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3은 수직하중을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구하여 노면마찰계수를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 전자제어유닛(30)은 인터페이스부(10)를 통하여 타이어의 변형량 신호, 차속 및 바퀴 속도를 수신한다(S51).
전자제어유닛(30)은 타이어의 변형량 신호, 차속 및 바퀴속도를 이용하여 제 1 종방향 힘을 구한다(S53). 더 자세하게 전자제어유닛(30)은 타이어의 변형량 신호 중 선정된 노면과 타이어간의 접지시간과 차속을 지수함수적으로 표현하여 계산된 수직 하중과 슬립률을 미리 실험에 의해 정해진 타이어 모델에 적용시켜 제 1 종방향 힘을 계산한다. 슬립률은 상술된 수학식 1을 통하여 계산된다.
전자제어유닛(30)은 수직 하중을 기초로 구동시 전륜에서의 수직 하중 감소분과 구동시 후륜에서의 수직 하중 증가분을 상술된 수학식 2에 반영하여 제 2 종방향 힘을 구한다(S55). 제 2 종방향 힘을 구하기 위하여 종가속도 센서도 사용하지 않음에 따라 앞선 실시예에 비해 더 비용을 줄일 수 있다.
전자제어유닛(30)은 상술된 S53 단계에서 구한 제 1 종방향 힘과 상술된 S53 단계에서 구한 제 2 종방향 힘의 비율로 노면마찰계수를 추정한다(S57). 즉 전자제어유닛(30)은 제 1 종방향 힘을 제 2 종방향 힘으로 나눈 값을 노면마찰계수로 추정한다. 추가적으로 전자제어유닛(30)은 노면마찰계수가 저마찰계수 기준에 만족되면 운전자에게 노면이 미끄러움을 알리는 알림정보를 제공할 수 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
10 : 인터페이스부 20 : 종가속도 센서
30 : 전자제어유닛 31 : 수신부
32 : 계산부 33 : 추정부

Claims (5)

  1. 타이어에 설치된 센서를 통하여 해당 타이어의 변형을 측정한 신호를 수신하는 인터페이스부;
    차량의 종가속도를 측정하는 종가속도 센서; 및
    상기 인터페이스부를 통해 수신된 타이어의 변형량 신호를 기반으로 계산된 수직 하중과 상기 인터페이스부를 통하여 수신된 차속 및 바퀴속도를 이용하여 계산된 슬립률을 이용하여 제 1 종방향 힘을 구하고, 상기 종가속도 센서로부터 측정된 종가속도와 상기 차량의 질량을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구하여 상기 제 1 종방향 힘과 상기 제 2 종방향 힘의 비율로 종방향의 노면마찰계수를 추정하는 전자제어유닛을 포함하는 노면마찰계수 추정장치.
  2. 청구항 1에 잇어서,
    상기 제 1 종방향 힘은 노면마찰계수가 1일때의 미리 실험에 의해 정의된 타이어 모델에 상기 수직 하중과 상기 슬립률을 적용시켜 계산되는 것을 특징으로 하는 노면마찰계수 추정장치.
  3. 타이어에 설치된 센서를 통하여 해당 타이어의 변형을 측정한 신호를 수신하는 인터페이스부; 및
    상기 인터페이스부를 통해 측정된 타이어의 변형량 신호를 기반으로 계산된 수직 하중과 상기 인터페이스부를 통하여 수신된 차속 및 바퀴속도를 이용하여 계산된 슬립률을 이용하여 제 1 종방향 힘을 구하고, 상기 계산된 수직 하중을 기초로 구동시 전륜에서의 수직 하중 감소분과 구동시 후륜에서의 수직 하중 증가분을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구하여 상기 제 1 종방향 힘과 상기 제 2 종방향 힘의 비율로 종방향의 노면마찰계수를 추정하는 전자제어유닛을 포함하는 노면마찰계수 추정장치.
  4. 주행중인 노면의 마찰계수를 추정하는 방법으로서,
    타이어에 설치된 센서를 통하여 해당 타이어의 변형을 측정한 신호를 수신하는단계;
    차량에 설치된 종가속도 센서로부터 측정된 종가속도를 수신하는 단계;
    상기 수신된 타이어의 변형량 신호를 이용하여 수직 하중을 계산하고, 상기 차량의 차속 및 바퀴속도를 이용하여 슬립률을 계산하여 상기 계산된 수직 하중과 상기 슬립률을 이용하여 제 1 종방향 힘을 구하는 단계;
    상기 종가속도와 상기 계산된 수직 하중에 의해 계산된 상기 차량의 질량을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구하는 단계; 및
    상기 제 1 종방향 힘과 상기 제 2 종방향 힘의 비율로 노면마찰계수를 추정하는 단계를 포함하는 노면마찰계수 추정방법.
  5. 주행중인 노면의 마찰계수를 추정하는 방법으로서,
    타이어에 설치된 센서를 통하여 해당 타이어의 변형을 측정한 신호를 수신하는단계;
    상기 수신된 타이어의 변형량 신호를 기반으로 수직 하중을 계산하고, 차량의 차속 및 바퀴속도를 이용하여 슬립률을 계산하여 상기 계산된 수직 하중과 상기 슬립률을 이용하여 제 1 종방향 힘을 구하는 단계;
    상기 계산된 수직 하중을 기초로 구동시 전륜에서의 수직 하중 감소분과 구동시 후륜에서의 수직 하중 증가분을 이용하여 제 2 종방향 힘을 구하는 단계; 및
    상기 제 1 종방향 힘과 상기 제 2 종방향 힘의 비율로 노면마찰계수를 추정하는 단계를 포함하는 노면마찰계수 추정방법.
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