KR101734277B1 - 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차륜의 각 휠 내부에 모터를 장착하여 제어하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법에 있어서, 상기 차량 주행정보를 토대로 선회 모드를 판단하는 단계와 상기 선회 모드에 대한 상기 차량의 현재 애커먼률을 계산하는 단계와 상기 현재 애커먼률을 근거로 제어명령을 생성하는 단계 및 상기 제어명령으로 상기 각 휠의 모터를 제어하는 단계를 포함하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 선회 안정성과 회전반경 최소화를 동시에 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING VEHICLE USING IN WHEEL SYSTEM}
본 발명은 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 애커먼 성향을 이용하여 차량의 선회 안정성을 확보하면서도 회전반경을 최소화 할 수 있는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법에 관한 것이다.
인휠 시스템(In-wheel system)은 전기 모터가 차륜의 휠 안으로 장착되어 구동력을 직접적으로 각 휠에서 제어하는 시스템으로, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차 및 전기 자동차와 같이 전기 모터를 휠의 구동원으로 사용하는 자동차에서 사용된다.
일반적으로, 차량의 조향장치는 운전자가 차량의 진행방향을 임의로 조작할 수 있도록 하기 위한 장치로서, 링크기구를 통해 기어기구의 작동을 앞바퀴로 전달하는 역할을 하며, 좌우 바퀴의 관계위치를 바르게 지지하는 부분으로 타이로드 및 너클 암으로 구성되어 있다.
그리고, 상기의 조향장치는 통상적으로 회전반경의 중심점을 축으로 모든 바퀴가 동심원을 그리는 애커먼 성향(Ackerman tendency)의 조향원리를 따른다. 애커먼 성향은 애커먼각과 애커먼률을 정의한다. 애커먼각은 조향 상태에서 전륜 또는 후륜의 법선들이 모두 선회 중심을 통과할 대의 외륜 타이어 각으로 정의하고, 애커먼률은 조향 상태에서 발생하는 실제 타이어 각과 이론적인 애커먼각과의 비율(%)로 정의한다. 애커먼각과 애커먼률은 도 1(a)에 도시된 식에 의해 계산될 수 있다.
애커먼률이 100%가 되면 가장 이상적이지만 기타 링크부와의 제한조건으로 실제 조향 시스템 설계시 애커먼률은 조향각에 따라 약 40~80% 정도로 설계된다. 애커먼률이 알맞게 적용되지 못하면 차량의 타이어 끌림 현상이나, 조향감이 둔탁해지는 문제가 발생한다.
종래기술의 경우 도 1(a)에 도시된 바와 같이 차량이 일반 선회 주행시에 차량에 원심력이 작용하고, 타이어에는 이를 상쇄시키기 위한 코너링력 및 타이어슬립이 발생한다. 이러한 타이어슬립으로 인해 선회 중심점(O)이 상향이동(O') 됨으로써 애커먼 성향의 조건을 만족시킬 수 없기 때문에 타이어 끌림 현상과 조향감 저하가 발생하는 문제가 있었다.
또한, 상기와 같은 차량의 일반 선회 주행시에 조향각의 범위는 낮은 영역에 포함되므로 도 1(b)에 도시된 바와 같이 애커먼률이 떨어지게 되는 문제가 있었다.
한편, 차량이 최소 회전반경이 요구되는 선회 주행시에는 회전반경의 최소화를 위해서 외륜 타이어각(외륜각)이 클수록 유리하다. 그런데 차량의 회전반경을 최소화하기 위해서는 조향각을 크게 해야하고, 조향각이 커지게 되면 도 1(b)에 도시된 바와 같이 애커먼률도 커지게 된다. 그런데, 도 1(a)에 도시된 애커먼률 계산식에 따르면 애커먼률이 커지게 되는 조건은 내륜각이 외륜각 보다 크게 되는 영역이므로 결국 이 조건을 따르려면 외륜각을 크게 할 수 없어 회전반경 최소화에 불리한 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 애커먼률에 의해 선회 안정성을 향상과 회전반경 최소화를 모두 만족시킬 수 있는 애커먼 성향을 이용한 자동차 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 실시예에서는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 상기 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법은 차륜의 각 휠 내부에 모터를 장착하여 제어하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법에 있어서, 상기 차량 주행정보를 토대로 선회 모드를 판단하는 단계; 상기 선회 모드에 대한 상기 차량의 현재 애커먼률을 계산하는 단계; 상기 현재 애커먼률을 근거로 제어명령을 생성하는 단계; 및 상기 제어명령으로 상기 각 휠의 모터를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 선회 모드가 선회 안정성 향상 모드인 경우 상기 차량의 현재 요레이트를 상기 차량의 현재 애커먼률에 따른 목표 요레이트와 비교하여 상기 제어명령을 생성할 수 있다.
상기 선회 모드가 회전반경 최소화 모드인 경우 상기 현재 애커먼률의 최소회전반경수치를 계산하고, 이를 애커먼률이 100%인 경우의 최소회전반경수치와 비교하여 상기 제어명령을 생성 할 수 있다.
상기 주행정보는 조향각, 조향각속도, 차속 및 요레이트 중 적어도 하나 이상을 포함 할 수 있다.
상기 현재 애커먼률은 상기 차량의 랙기어비, 타이어각, 조향각 및 차량 제원 중 적어도 하나 이상을 고려하여 계산 할 수 있다.
상기 목표 요레이트는 상기 차량의 현재 애커먼률, 조향각 및 차속을 고려하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 현재 애커먼률의 최소회전반경수치는 랙기어비, 타이어각, 조향각 및 차량 제원 중 적어도 하나 이상을 고려하여 계산 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인휠 시스템을 이용한 자동차 제어 방법에 의하면 에서 인휠 모터의 내륜과 외륜의 토크를 독립하여 제어할 수 있으므로 높은 애커먼률이 가져오는 선회 안정성과 회전반경 최소화를 동시에 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 각 휠의 모터를 독립적으로 토크 조절할 수 있으므로 차량의 거동 및 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 1(a)는 애커먼각과 애커먼률의 계산식을 도시한 도면이다.
도 1(b)는 조향각과 애커먼률과의 관계를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인휠 시스템을 이용한 자동차 제어 방법의 흐름도 이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인휠 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 애커먼률과 목표 요레이트와의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인휠 시스템을 이용한 자동차 제어 방법의 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 인휠 시스템을 이용한 자동차 제어방법은 차륜의 각 휠 내부에 모터(이하 '인휠 모터'라고 한다.)를 장착하여 제어하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법에 있어서, 상기 차량 주행정보를 토대로 선회 모드를 판단하는 단계(S10)와 상기 선회 모드에 대한 상기 차량의 현재 애커먼률을 계산하는 단계(S13, S23)와 상기 현재 애커먼률을 근거로 제어명령을 생성하는 단계(S16, S26) 및 상기 제어명령으로 상기 각 휠의 모터를 제어하는 단계(S17, S27)를 포함할 수 있다.
상기 인휠 시스템은(In-wheel system)은 전기 모터가 차륜의 휠 안으로 장착되어 구동력을 직접적으로 각 휠에서 제어하는 시스템으로서, 도 3에 실시예로 도시된 바와 같이 따르면 차량의 전륜과 후륜의 좌, 우 휠 모두에 모터(200)를 장착하고, 모터의 토크를 각각 제어한다.
하나 또는 다수의 실시예에서 인휠 시스템(10)은 도 3에 도시된 바와 같이 휠을 구동하는 출력축과 함께 회전하는 휠 허브(100)와, 출력축에 연결된 입력축을 회전시키도록 휠 내에 배치되는 모터(200)와 입력축 및 상기 출력축의 사이에 연결되어 상기 입력축의 회전수를 감속시켜 상기 출력축으로 전달하는 감속기(300)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 통해 각 휠에 장착된 모터(200)를 독립적으로 구동 및 제어함으로써 차량의 전, 후, 좌, 우 휠의 모터 토크를 독립적으로 조절할 수 있으므로 차량의 거동 및 성능이 향상되는 효과가 있다. 예를 들어 차량의 좌/우 인휠 모터의 토크 차이를 조절하여 횡력 발생으로 구동에 의한 조향이 가능하다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 차량의 주행정보를 토대로 선회 모드를 판단한다(S10).
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 선회 모드는 선회 안정성 향상 모드(S12)와 회전반경 최소화 모드(S22)로 나뉘어 질 수 있다.
선회 안정성 향상 모드(S12)는 차량이 일반 선회 주행 상태(S11)에 있는 경우에 적용된다. 즉, 차량이 곡선 도로 등에서 일반적인 선회 주행 상태에 있는 경우에 적용되는 선회 모드이다.
반면에 회전반경 최소화 모드(S22)는 주차 상황 이나 U턴과 같이 차량이 저속으로 운행(S21)하면서 협소한 공간에서 회전반경을 최소화하여 선회할 필요가 있을 때 적용되는 선회 모드이다.
상기 선회 모드를 판단하는데 필요한 차량의 주행정보는 차량의 조향각, 조향가속도, 차속 및 요레이트(Yaw Rate, 회전각속도) 등을 포함할 수 있다. 차속과 조향각 조향가속도 등은 센서를 이용하여 측정할 수 있다. 요레이트는 차량의 선회에 따른 선회정도를 나타내는 값으로서 이 역시 차량 내부에 설치된 요레이트센서등에 의해 측정할 수 있다.
일반적으로 선회 안정성 향상 모드(S12)에 비해 회전반경 최소화 모드(S22)의 경우 조향각과 조향가속도 및 요레이트가 크며, 차속은 작다. 이러한 차량 주행정보를 토대로 차량의 선회모드를 판단한다.
차량의 선회 모드가 결정되면 해당 선회 모드 별로 제어명령을 생성하고(S16, S26), 이를 통해 차량에 장착된 각각의 인휠 모터를 제어한다(S17, S27).
먼저 선회 모드가 선회 안정성 향상 모드(S12)인 경우 차량의 현재 애커먼률을 계산한다(S13). 애커먼률은 조향 상태에서 발생하는 실제 타이어각과 이론적인 애커먼각과의 비율을 의미한다. 따라서, 상기 차량의 현재 애커먼률은 상기 차량의 랙기어비, 타이어각, 조향각 및 차량 제원 등을 고려하여 계산할 수 있다. 여기서 랙기어비는 일반적으로 차량의 조향장치의 조향축 단부에는 피니언기어와 이 피니언기어에 치합되어 연동하여 좌우측으로 수평이동하여 휠의 방향을 조작하도록 하는 랙 기어로 이루어져 있는데 이러한 조향장치의 기어비를 의미한다.
또한, 차량의 현재 애커먼률은 도 1(a)에 도시된 애커먼각과 애커먼률 식에 의해서 계산할 수도 있다.
그 다음 차량의 현재 요레이트(S14)와 상기 현재 애커먼률에 따른 목표 요레이트(S15)를 비교하여 제어명령을 생성한다(S16).
차량의 현재 요레이트(S14)는 현재 차량의 선회에 따른 선회정도를 나타내는 값으로서 차량 내부에 설치된 요레이트센서 등에 의해 측정할 수 있다.
차량의 목표 요레이트(S15)는 상기 차량의 현재 애커먼률에 따라 정해진다. 목표 요레이트는 차량의 현재 애커먼률, 조향각 및 차속 정보에 따라 계산할 수 있으며, 도 4에 실시예로 도시된 바와 같이 애커먼률과 목표 요레이트와의 관계에 대해 차속, 조향각 등 정보를 고려하여 3차원 맵으로 미리 설정할 수도 있다.
목표 요레이트와 현재 요레이트를 비교하여 제어명령을 생성하게 된다(S16). 구체적으로 상기 제어명령은 차량의 전륜과 후륜 좌, 우의 휠 내부에 장착된 모터의 토크를 각각 제어하는 명령이다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 현재 요레이트가 목표 요레이트를 추종하도록 제어명령을 생성할 수 있다.
생성된 제어명령으로 차량의 전륜과 후륜에 각각 장착된 4개의 인휠 모터를 별도로 제어함으로써 상기 현재 요레이트 값이 목표 요레이트 값이 되도록 제어한다(S17). 즉 현재 요레이트와 목표 요레이트의 차이만큼을 제어명령을 생성하여 제어하는 것이다.
하나 또는 다수의 실시예에서 제어명령을 통해 차량의 외륜의 인휠 모터의 토크는 증가시키고 내륜의 인휠 모터의 토크는 그대로 유지하거나 감소하는 방향으로 제어(S17)하면 차량의 현재 요레이트와 목표 요레이트 값의 차이가 작아지게 되어 선회 안정성이 확보되는 효과가 있다.
한편, 선회 모드가 회전반경 최소화 모드인 경우(S22)에도 도 2에 도시된 바와 같이 차량의 현재 애커먼률을 계산한다(S23). 상술한 선회 안정성 향상 모드와 동일하게 상기 차량의 현재 애커먼률은 상기 차량의 랙기어비, 타이어각, 조향각 및 차량 제원 등을 고려하여 계산할 수 있다.
그 다음 차량의 최소회전반경수치를 계산한다(S24). 이 역시 차량의 랙기어비, 타이어각, 조향각 및 차량 제원 등을 고려하여 계산할 수 있다.
차량의 최소회전반경수치가 계산되면(S24) 이를 애커먼률이 100%일 때 차량의 최소회전반경수치(S25)와 비교하여 제어명령을 생성한다(S26). 제어명령은 상술한 바와 같이 차량의 전륜과 후륜 좌, 우의 휠 내부에 장착된 인휠 모터의 토크를 각각 제어하는 명령이다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 현재 최소회전반경수치가 애커먼률이 100%일 때 차량의 최소회전반경수치를 추종하도록 제어명령을 생성할 수 있다(S26).
생성된 제어명령으로 차량의 전륜과 후륜에 각각 장착된 4개의 인휠 모터를 별도로 제어함으로써 상기 현재 최소회전반경수치가 애커먼률이 100%일 때 최소회전반경수치가 되도록 제어한다(S27). 즉, 차량의 현재 최소회전반경수치와 애커먼률이 100%일 때 최소회전반경수치의 차이만큼 제어명령을 생성하여 제어한다.
하나 또는 다수의 실시예에서 제어명령을 통해 차량의 외륜의 인휠 모터의 토크는 증가시키고 내륜의 인휠 모터의 토크는 그대로 유지하거나 감소하는 방향으로 제어(S27)하면 차량의 회전반경이 최소화 되는 효과가 있다.
일반적으로 회전반경 최소화 모드(S22)가 요구되는 주행상황은 주로 주차시나 U턴시와 같이 차량의 속도가 낮은 경우가 된다(S21). 종래기술에 따르면 이때는 비교적 높은 애커먼률이 적용되어 선회 성능은 안정적이지만, 높은 애커먼률이 적용됨으로써 내륜 타이어각이 외륜 타이어각 보다 큰 성향을 가지게 되어 외륜 타이어각이 클수록 유리해지는 최소회전반격 특성에 반하게 되는 문제가 있었다.
그러나 본 발명의 경우에는 회전반경 최소화 모드(S22)에서 인휠 모터의 내륜과 외륜의 토크를 독립하여 제어할 수 있으므로 높은 애커먼률이 가져오는 선회 안정성의 효과와 회전반경 최소화 효과를 동시에 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법에 의하면 일반 주행시 차량의 선회 안정성을 확보할 수 있고, 주차나 U턴시에 회전반경을 최소화하여 선회할 수 있는 효과가 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10: 인휠 시스템
100: 허브
200: 인휠 모터
300: 감속기

Claims (7)

  1. 차륜의 각 휠 내부에 모터를 장착하여 제어하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법에 있어서,
    상기 차량 주행정보를 토대로 선회 모드를 판단하는 단계;
    상기 선회 모드에 대한 상기 차량의 현재 애커먼률을 계산하는 단계;
    상기 현재 애커먼률을 근거로 제어명령을 생성하는 단계; 및
    상기 제어명령으로 상기 각 휠의 모터를 제어하는 단계;를 포함하되,
    상기 선회 모드가 회전반경 최소화 모드인 경우 상기 현재 애커먼률의 최소회전반경수치를 계산하고, 이를 애커먼률이 100%인 경우의 최소회전반경수치와 비교하여 상기 제어명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선회 모드가 선회 안정성 향상 모드인 경우 상기 차량의 현재 요레이트를 상기 차량의 현재 애커먼률에 따른 목표 요레이트와 비교하여 상기 제어명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주행정보는 조향각, 조향각속도, 차속 및 요레이트 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 현재 애커먼률은 상기 차량의 랙기어비, 타이어각, 조향각 및 차량 제원 중 적어도 하나 이상을 고려하여 계산되는 것을 특징으로 하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 목표 요레이트는 상기 차량의 현재 애커먼률, 조향각 및 차속을 고려하여 계산되는 것을 특징으로 하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 현재 애커먼률의 최소회전반경수치는 랙기어비, 타이어각, 조향각 및 차량 제원 중 적어도 하나 이상을 고려하여 계산하는 것을 특징으로 하는 인휠 시스템을 이용한 차량 제어 방법.
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