KR102261527B1 - 인휠 모터를 장착한 차량의 토크 벡터링 제어 장치 및 방법 - Google Patents

인휠 모터를 장착한 차량의 토크 벡터링 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본원은 인휠 모터를 장착한 차량의 토크 벡터링 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치는, 차량의 조향각, 요레이트, 종방향 속도, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도를 포함하는 주행 정보를 측정하는 측정부, 상기 주행 정보를 이용하여 EWMA(Exponential Weighted Moving Average) 기법을 통해 운전자의 운전성향을 나태내는 운전성향지수(Drive Aggressiveness Index)를 산출하는 운전성향지수 산출부, 상기 주행 정보 및 상기 운전성향지수에 기초하여 목표 요레이트를 산출하는 목표 요레이트 산출부 및 상기 주행 정보, 상기 운전성향지수 및 상기 목표 요레이트에 기초하여 제어 모멘트를 생성하는 제어 모멘트 생성부를 포함하되, 상기 운전성향지수 산출부는 상기 횡방향 가속도 및 상기 종방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 상기 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 상기 횡방향 가속도만 발생하는 경우보다 높은 값을 갖도록 상기 운전성향지수를 산출할 수 있다.

Description

인휠 모터를 장착한 차량의 토크 벡터링 제어 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD OF CONTROLLING TORQUE VECTORING FOR VEHICLES WITH INWHEEL MOTOR}
본원은 인휠 모터를 장착한 차량의 토크 벡터링 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 주행 시 노면의 상태, 도로의 횡경사각, 선회에 따른 차체의 쏠림 등에 따라 주행의 안정성을 보장받지 못하는 상황은 필연적이고 빈번하게 발생할 수 밖에 없다.
토크 벡터링은 차량의 주행 민첩성을 높혀 운자자의 선회의지를 차량이 잘 응답할 수 있도록 하면서도, ESC 진입 전 위상차이에 의한 요레이트 에러를 최소화시킴으로써 차량의 안정성을 높이는 차량제어 알고리즘이다.
토크 벡터링 제어를 위한 종래의 기술은 요구 구동 토크를 보존하기 어렵고, 토크 벡터링 제어를 위한 트리거(Trigger) 조건이 명확하지 않다는 문제가 있다.
또한 종래 Smart-shift 등의 기술은 종방향 차량 특성을 운전자 특성에 따라 변화시키는 기술들은 존재하나, 횡방향 차량 특성을 변화시키는 기술이 없으며, 운자자의 모드 입력에 따른 샤시 시스템의 이산적인(discrete) 변화를 주는 경우는 있으나, 연속적인 특성 변화를 줄 수 없어, 운전자가 운전의 이질감을 느끼는 경우가 있다.
즉, 종래 기술에는 토크 벡터링 온오프 조건이 명확하지 않고, 운전자의 특성을 연속적으로 반영하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 차량의 US 특성을 개선시키고, 운전자의 주행특성을 반영하여 차량의 민첩성 및 안정성의 향상과 더불어 주행감성품질의 개선을 위한 토크 벡터링 제어가 필요하다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-1266086호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 운전자의 운전특성을 반영한 운전성향지수에 따라 목표 요레이트와 제어 모멘트를 생성할 수 있는 토크 벡터링 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본원은 종방향 가속도 및 횡방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 운전성향지수가 높게 산출되도록 하여, 차량의 횡방향 특성을 반영할 수 있는 토크 벡터링 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들도 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 인휠 모터를 장착한 차량의 토크 벡터링 제어 장치는 차량의 조향각, 요레이트, 종방향 속도, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도를 포함하는 주행 정보를 측정하는 측정부, 상기 주행 정보를 이용하여 EWMA(Exponential Weighted Moving Average) 기법을 통해 운전자의 운전성향을 나태내는 운전성향지수(Drive Aggressiveness Index)를 산출하는 운전성향지수 산출부, 상기 주행 정보 및 상기 운전성향지수에 기초하여 목표 요레이트를 산출하는 목표 요레이트 산출부 및 상기 주행 정보, 상기 운전성향지수 및 상기 목표 요레이트에 기초하여 제어 모멘트를 생성하는 제어 모멘트 생성부를 포함하되, 상기 운전성향지수 산출부는, 상기 횡방향 가속도 및 상기 종방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 상기 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 상기 횡방향 가속도만 발생하는 경우보다 높은 값을 갖도록 상기 운전성향지수를 산출하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치의 상기 목표 요레이트 산출부는, 상기 운전성향지수에 기초한 가변인자인 시상수 및 요레이트 게인에 기초하여 상기 목표 요레이트를 산출하고, 상기 제어 모멘트 생성부는, 상기 운전성향지수에 기초한 가변인자인 토크 벡터링 제어기 게인에 기초하여 상기 제어 모멘트를 생성하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치의 상기 요레이트 게인 및 상기 토크 벡터링 제어기 게인은, 상기 운전성향지수가 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출되는 것이고, 상기 시상수는, 상기 운전성향지수가 감소할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출되는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치는 상기 차량의 조향각, 상기 요레이트, 상기 종방향 속도 및 상기 횡방향 가속도에 기초하여 시간에 따라 상기 차량에 발생하는 외란을 측정하는 가상 외란 센서부를 더 포함하고, 상기 제어 모멘트 생성부는, 측정된 상기 외란을 고려하여 상기 제어 모멘트를 생성하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치는 상기 제어 모멘트에 기초하여 상기 차량의 각 바퀴의 모터에 제동 토크 및 구동 토크를 분배하는 토크 분배부를 더 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치의 상기 토크 분배부는, 상기 구동 토크 및 상기 제동 토크를 후륜 모터에 분배하되, 상기 구동 토크 및 상기 제동 토크가 상기 후륜 모터의 최대 토크를 초과하는 경우, 상기 구동 토크 및 상기 제동 토크 일부를 전륜 모터에 분배할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치는 유압 제동 토크를 발생시키는 유압 제동 장치를 더 포함하고, 상기 토크 분배부는, 상기 전륜 모터에 분배된 상기 구동 토크 및 상기 제동 토크가 상기 전륜 모터의 최대 토크를 초과하는 경우, 상기 유압 제동 토크를 상기 차량의 회전 방향에 대응하는 상기 전륜 모터 및 상기 후륜 모터에 분배할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치의 상기 운전성향지수 산출부는, 상기 주행 정보에 포함되는 각각의 측정값에 차속에 따른 가중치를 부여하여 운전성향을 나타내는 인덱스 신호로 변환하되, 차속이 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 가중치를 부여하는 인덱스 산출부, 서로 다른 크기의 타임 윈도우로 설정되며, 상기 설정된 타임 윈도우 기간 동안 상기 인덱스 산출부에서 인가되는 인덱스 신호의 평균값을 계산하되, 최근 데이터에 더 높은 가중치를 부여하여 평균값을 계산하여 성향지수를 산출하는 복수의 EWMA부 및 상기 성향지수의 평균값을 계산하여 상기 각각의 측정값에 대응하는 측정값별 운전성향지수를 산출하는 가중치 기반 운전성향지수 산출부 및 상기 측정값별 운전성향지수를 이용하여 상기 운전성향지수를 산출하는 최종 운전성향지수 산출부를 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치의 상기 가중치 기반 운전성향지수 산출부는, 직전 단계에서 산출된 상기 운전성향지수에 기초하여 상기 성향지수에 가중치를 부여하여 상기 측정값별 운전성향지수를 산출하되, 직전 단계에서 산출된 상기 운전성향지수가 기설정되어 있는 중간 값에 속하는 경우에는, 타임 윈도우가 작은 EWMA부에서 출력되는 성향지수의 가중치를 늘리고, 타임 윈도우가 큰 EWMA부에서 출력되는 성향지수의 가중치를 줄여 상기 측정값별 운전성향지수를 산출하고, 직전 단계에서 산출된 운전성향지수가 기설정되어 있는 중간 값을 벗어나는 경우에는, 타임 윈도우가 작은 EWMA부에서 출력되는 성향지수의 가중치를 줄이고, 타임 윈도우가 큰 EWMA부에서 출력되는 성향지수의 가중치를 늘려 상기 측정값별 운전성향지수를 산출할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치는 상기 주행 정보 및 상기 목표 요레이트에 기초하여 상기 차량의 언더스티어 여부 및 모멘트 생성 여부를 판단하는 판단부를 더 포함하고, 상기 제어 모멘트 생성부는, 상기 모멘트 생성 여부에 기초하여 상기 제어 모멘트를 생성할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치의 상기 판단부는, 상기 주행 정보에 기초하여 기설정한 판단 조건에 따라 상기 모멘트 생성 여부를 판단할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 인휠 모터를 장착한 차량의 토크 벡터링 제어 방법은, (a) 측정부에서 차량의 조향각, 요레이트, 종방향 속도, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도를 포함하는 주행 정보를 측정하는 측정 단계, (b) 운전성향지수 산출부에서 상기 주행 정보를 이용하여 EWMA(Exponential Weighted Moving Average) 기법을 통해 운전자의 운전성향을 나태내는 운전성향지수를 산출하는 운전성향지수 산출 단계, (c) 목표 요레이트 산출부에서 상기 주행 정보 및 상기 운전성향지수에 기초하여 목표 요레이트를 산출하는 목표 요레이트 산출 단계 및 (d) 제어 모멘트 생성부에서 상기 주행 정보, 상기 운전성향지수 및 상기 목표 요레이트에 기초하여 제어 모멘트를 생성하는 제어 모멘트 생성 단계를 포함하되, 상기 (b) 단계는, 상기 횡방향 가속도 및 상기 종방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 상기 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 상기 횡방향 가속도만 발생하는 경우보다 높은 값을 갖도록 상기 운전성향지수를 산출할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 방법의 상기 (c) 단계에서, 상기 운전성향지수에 기초한 가변인자인 시상수 및 요레이트 게인에 기초하여 상기 목표 요레이트를 산출하고, 상기 (d) 단계에서, 상기 운전성향지수에 기초한 가변인자인 토크 벡터링 제어기 게인에 기초하여 상기 제어 모멘트를 생성할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 방법은 (e) 판단부에서 상기 주행 정보 및 상기 목표 요레이트에 기초하여 상기 차량의 언더스티어 여부 및 모멘트 생성 여부를 판단하는 판단 단계 및 (f) 토크 분배부에서 상기 제어 모멘트에 기초하여 상기 차량의 각 바퀴의 모터에 제동 토크 및 구동 토크를 분배하는 토크 분배 단계를 더 포함하고, 상기 (d) 단계는, 상기 모멘트 생성 여부에 기초하여 상기 제어 모멘트를 생성할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 운전자의 운전성향을 나타내는 운전성향지수에 따라 목표 요레이트 및 제어 모멘트를 생성할 수 있고, 생성한 제어 모멘트를 이용하여 구동 토크 및 제동 토크를 분배하여 운전자의 운전성향을 반영하여 토크 벡터링 제어를 할 수 있다.
또한, 운전성향지수는 타임 윈도우별 가중치, 이전 구간 운전성향지수에 따른 가중치, 종방향 및 횡방향 가속도 동시 발생 여부에 따른 가중치를 부여하여, 사용자의 운전특성을 보다 정확하게 반영할 수 있고, 목표 요레이트 및 제어 모멘트는 운전성향지수에 기초하여 산출될 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 차량의 주행 민첩성과 안정성을 향상시킬 수 있어, ESC 진입 전, 운전자의 특성에 맞춘 차량의 요레이트 위상제어를 통해 차량의 민첩성과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있다.
또한, 운전자의 특성을 토크 벡터링 제어에 반영하여 차량 주행감성품질을 향상시킬 수 있으며, 후륜모터에 먼저 좌우에 구동력, 제동력을 동시에 발생시킴으로써 US 개선 효과를 냄과 동시에 감속이 발생하지 않도록 하는 모멘트 생성 방식과 각 휠의 모터로 요구 모멘트를 모두 발생시키기 어려운 경우에 유압제동을 활용하는 새로운 토크 배분 방식을 통해 운전자가 의도하는 구동력을 모두 발생시키면서도 모멘트를 생성할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 종방향 가속도 및 횡방향 가속도에 따라 산출되는 운전성향지수를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 운전성향지수와 가변인자인 시상수, 요레이트 게인, 토크 벡터링 제어기 게인의 상관관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 가중치 그래프(테이블)를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본원의 일 실시예에 따른 구동 토크, 제동 토크, 유압 제동 토크의 분배를 나타낸 도면이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치의 온(on)/오프(off) 조건을 나타낸 도면이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 직전 운전성향지수에 따라 산출되는 운전성향지수를 나타낸 도면이다.
도 10는 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치를 이용한 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치의 개략적인 구성도이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 방법을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "블록" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
토크 벡터링에 관한 종래 기술들은 알고리즘적으로 요구구동토크를 보존하기 어렵고, 토크 벡터링 제어 알고리즘의 Trigger 조건이 명확하지 않은 문제점이 있다. 또한, 종래 기술(Smart-shift 등)들은 횡방향 차량 특성을 변화시키기 어렵고, 운전자의 모드입력에 따라 이산적(discrete)인 변화를 주나, 본원에서 개시하는 것과 같이 연속적인(continuous) 특성 변화를 주지 못한다.
인휠 독립구동 전기차 등에 대하여 토크 벡터링이 적용될 수 있다. 토크 벡터링은 차량의 주행민첩성을 높혀, 운전자의 선회의지를 차량이 잘 응답할 수 있도록 하면서도, ESC 진입 전 위상 차이에 의한 요레이트 에러를 최소화시킴으로써, 차량의 안정성을 높이는 차량제어 알고리즘을 의미할 수 있다.
본원에서 개시하는 토크 벡터링 제어 장치 및 방법은, 인휠 전기차에 적용될 수 있으며, 제어의 이질감을 최소화하기 위해 운전자의 구동토크를 만족시키면서도, 토크 벡터링(또는 구동 토크, 제동 토크)에 의한 요구 모멘트(또는 제어 모멘트)를 생성할 수 있는 특징이 있다.또한, 운전자의 주행특성을 제어 목표값과 제어기 게인에 반영함으로써, 운전자 특성에 따른 토크 벡터링 제어가 이루어지도록 할 수 있다.
본원에서 개시하는 운전성향지수(Driving Aggressiveness Index, DA Index) 는 종가속도와 횡가속도를 활용하여 산출될 수 있다. EWMA(Exponentially Weighted Moving Average)를 사용하며, 종가속도와 횡가속도가 동시에 발생하는 경우에 더 큰 값을 산출하도록 수식이 구성될 수 있다. 또한, 운전성향지수의 값이 속하는 범위에 따라 EWMA의 Time Window를 조절 할 수 있다. 예를 들어, 운전성향지수가 0에서 100사이의 값을 가질 때, 중간값 50 근처인 경우 EWMA의 Time Window를 작게 하고, 0과 100에 가까워질수록 Time Window를 크게 함으로써 운전자의 Driving Aggressiveness를 잘 구분할 수 있다.
또한, 본원에서 개시하는 토크 벡터링 제어 장치 및 방법은, PID 제어가 아닌 Model Based 기반 제어기를 활용하여, 주행 상황에 따른 게인 스케줄링을 최소화함으로써, DA index 변화에 따른 게인 변화 효과를 극대화 할 수 있고, 운전자의 인지부하를 경감하고, ADAS의 개입을 최소화하며 공주거리를 예측하여 ADAS의 개입 시점과 강도(비율)을 조절하는데 활용될 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 시스템(10)을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 본원의 일 실시예에 다른 토크 벡터링 제어 시스템(10)은, 토크 벡터링 제어 장치(100) 및 차량(200)을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 시스템(10)은 차량(200)으로부터 주행 정보를 측정하여, 운전성향지수를 산출하고, 목표 요레이트 및 제어 모멘트를 생성하여, 차량(200)의 각 모터로 토크를 분배할 수 있다. 토크 벡터링 제어 시스템(10)은 차량(200)으로부터 측정되는 주행 정보를 이용하여 운전성향지수를 산출할 수 있다. 토크 벡터링 제어 시스템(10)은 언더스티어 여부 또는 토크 벡터링 제어를 위한 제어 모멘트를 생성할지 여부를 판단할 수 있다. 토크 벡터링 제어 시스템(10)은 산출된 운전성향지수와 주행 정보를 이용하여 차량(200)을 제어하기 위하여 필요한 목표 요레이트와 제어 모멘트를 생성할 수 있고, 생성된 제어 모멘트를 차량(200)의 각 바퀴에 분배하여 차량(200) 주행 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)는 차량(200)의 조향각, 요레이트, 종방향 속도, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도를 포함하는 주행 정보를 측정하는 측정부(110), 주행 정보를 이용하여 EWMA(Exponential Weighted Moving Average) 기법을 통해 운전자의 운전성향을 나태내는 운전성향지수(Drive Aggressiveness Index, DA Index)를 산출하는 운전성향지수 산출부(120), 주행 정보 및 상기 운전성향지수에 기초하여 목표 요레이트를 산출하는 목표 요레이트 산출부(130) 및 주행 정보, 운전성향지수 및 목표 요레이트에 기초하여 제어 모멘트를 생성하는 제어 모멘트 생성부(150)를 포함하되, 운전성향지수 산출부(120)는 횡방향 가속도 및 종방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 횡방향 가속도만 발생하는 경우보다 높은 값을 갖도록 운전성향지수를 산출하는 것일 수 있다.
측정부(110)는 차량(200)의 조향각, 요레이트, 종방향 속도, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도를 포함하는 주행 정보를 측정할 수 있다. 측정부(110)에서 측정되는 주행 정보는 차량(200)에 구비되는 다양한 센서들로부터 측정될 수 있다. 예를 들어, 가속도 센서, 속도 센서, 조향각 센서, 관성 센서 등과 같은 센서들이 차량(200)에 구비될 수 있고, 측정부(110)는 각 센서들로부터 주행 정보를 측정 또는 수신할 수있다.
측정부(110)에서 검출하는 주행 정보는 요레이트(yaw rate) 센서 값, 가속 위치 센서(Accel Position Sensor:APS) 값, 종/횡 가속도 센서 값, 조향각 센서 값, 휠속도 센서 값, IMU(Inertial Measurement Unit) 센서 값, 곡률 값 등을 포함할 수 있다. 곡률 값은 차량(200) 진행방향을 촬영하는 카메라로부터 인가되는 영상을 판독하여 얻어지거나, 요레이트 센서값과 차속을 이용한 계산을 통하여 얻을 수 있다.
운전성향지수 산출부(120)는 주행 정보를 이용하여 EWMA 기법을 통해 운전자의 운전성향을 나타내는 운전성향지수를 산출할 수 있다. 운전성향지수는 운전자의 운전성향을 나타내는 것으로, 운전성향지수를 고려하여 목표 요레이트, 제어 모멘트 등을 생성하고, 구동 토크 및 제동 토크를 차량(200)의 각 바퀴에 분배함으로써, 운전자의 운전성향에 적합하도록 차량(200) 제어를 보조할 수 있다. EWMA 기법은 서로 다른 크기의 타임 윈도우로 구현되어 오래된 데이터에 낮은 가중치를 부여하고, 최근 데이터에 기하급수적으로 높은 가중치를 부여하는 기법으로, EWMA 기법을 통한 운전성향지수 산출에 관한 자세한 설명은 후술한다.
목표 요레이트 산출부(130)는 주행 정보 및 운전성향지수에 기초하여 목표 요레이트를 산출할 수 있다. 차량(200) 제어를 보조하기 위하여 제어 모멘트를 생성하여 토크를 분배함을써 횡슬립각(sideslip angle) 성분을 제어할 수 있다. 목표 요레이트는 차량(200)의 횡방향 모션을 제어하기 위한 것으로, 횡슬립각을 제어하기 위한 제어 모멘트 산출에 사용될 수 있다.
제어 모멘트 생성부(150)는 주행 정보, 운전성향지수, 목표 요레이트에 기초하여 제어 모멘트를 생성할 수 있다. 제어 모멘트에 기초하여 구동 토크 및 제동 토크를 차량(200)의 각 바퀴로 분배할 수 있다.
목표 요레이트 산출부(130)와 제어 모멘트 생성부(150)에서 각각 산출되는 목표 요레이트와 제어 모멘트는 운전성향지수에 기초하여 생성되는 것으로, 운전성향지수가 큰 경우에는 산출되는 목표 요레이트와 제어 모멘트의 값이 클 수 있고, 반대로 운전성향지수가 낮은 경우에는 산출되는 목표 요레이트와 제어 모멘트의 값이 작을 수 있다. 즉, 운전자의 운전성향을 나타내는 운전성향지수에 따라 토크 벡터링 제어 장치(100)에서 산출되는 목표 요레이트와 제어 모멘트의 값이 달라질 수 있다.
도 1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)는 주행 정보 및 목표 요레이트에 기초하여 차량(200)의 언더스티어 여부 및 모멘트 생성 여부를 판단하는 판단부(140)를 더 포함하고, 제어 모멘트 생성부(150)는, 모멘트 생성 여부에 기초하여 제어 모멘트를 생성하는 것일 수 있다. 판단부(140)는 주행 정보 및 목표 요레이트에 기초하여 차량(200)의 언더스티어 여부 및 모멘트 생성 여부를 판단할 수 있다. 차량(200)이 회전할 때 언더스티어 상황인 경우, 토크 벡터링 제어에 의하여 구동 토크 및 제동 토크를 발생시켜, 차량(200)의 회전 제어를 보조할 수 있다. 즉, 판단부(140)는 토크 벡터링 제어 장치(100)에서 토크 벡터링 제어를 위한 제어 모멘트 생성, 토크 분배의 온/오프 조건을 판단, 달리 말해 토크 벡터링 제어의 트리거 역할을 수행할 수 있다.
예시적으로, 판단부(140)는 목표 요레이트의 변화량, 요레이트의 변화량을 이용하여 기설정한 온/오프 조건에 따라 제어 모멘트 생성 여부를 판단할 수 있다. 구체적인 온/오프 조건에 대해서는 후술한다.
도 1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)는 차량(200)의 조향각, 요레이트, 종방향 속도 및 상기 횡방향 가속도에 기초하여 시간에 따라 차량(200)에 발생하는 외란을 측정하는 가상 외란 센서부(180)를 더 포함하고, 제어 모멘트 생성부(150)는, 측정된 외란을 고려하여 상기 제어 모멘트를 생성하는 것일 수 있다. 가상 외란이란, 시간에 따라 변할 수 있는 Time Slowly Varying 외란을 뜻할 수 있고, 예를 들어 탑승 인원 또는 차량(200)에 적재한 물품의 중량 등에 따른 질량 변화 등을 포함할 수 있다. 가상 외란을 고려하여 제어 모멘트를 생성함으로써 보다 차량(200) 주행에 적합한 제어 모멘트를 생성할 수 있다. Time slowly varying 외란을 제거하기 위한 가상 외란 센서부(180)을 통해 외란을 추정하고, 토크 벡터링을 제어하기 위한 제어 모멘트 생성부(150)에 외란(즉, 가상 외란)을 적용함으로써 차량의 무게중심, 질량, 타이어 노후화에 따른 코너링 강성 변화 등에 견실하도록 할 수 있다.
도1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)는 제어 모멘트에 기초하여 차량(200)의 각 바퀴의 모터에 제동 토크 및 구동 토크를 분배하는 토크 분배부(160)를 더 포함할 수 있다. 토크 분배부(160)는 생성한 제어 모멘트에 따라 차량(200)의 각 바퀴로 토크를 분배할 수 있다.
미분기(190)는 측정한 요레이트의 변화율 등을 생성할 수 있고, 요레이트의 변화율 등을 이용하여 판단부(140)에서 제어 모멘트 생성 여부를 판단할 수 있고, 제어 모멘트 생성부(150)에서는 제어 모멘트를 생성할 수 있다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 종방향 가속도 및 횡방향 가속도에 따라 산출되는 운전성향지수를 그래프로 나타낸 도면이다. 도 2에서 가로축은 종방향 가속도 ax이고, 세로축은 횡방향 가속도 ay이다.
도 2를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)의 운전성향지수 산출부(120)는 횡방향 가속도 및 종방향 가속도가 동시에 발생하는 경우, 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 횡방향 가속도만 발생하는 경우보다 높은 값을 갖도록 운전성향지수를 산출하는 것일 수 있다.
도 2의 좌측 그래프는 튜닝 파라미터 K에 따른 운전성향지수를 나타내고 있다. 도 2의 좌측 그래프는 튜닝 파라미터 K에 따라 각각 동일한 운전성향지수 값을 갖는 종방향 가속도와 횡방향 가속도의 값을 나타내고 있다. 튜닝 파라미터 K의 값이 10일 때를 예로 들면, 종방향 가속도와 횡방향 가속도가 각각 약 0.3일 때(A)의 운전성향 지수의 값과, 횡방향 가속도가 약 0.1, 종방향 가속도가 약 0.7일 때(B) 또는 종방향 가속도가 약 0.1, 횡방향 가속도가 약 0.7일 때(C)의 운전성향지수의 값이 동일함을 확인할 수 있다.
이때, 종방향 가속도와 횡방향 가속도가 각각 약 0.3일 때, 종방향 가속도와 횡방향 가속도의 값은 약 0.6이고, 종방향 가속도가 약 0.1, 횡방향 가속도가 약 0.7 또는 횡방향 가속도가 약 0.1, 종방향 가속도가 약 0.7일 때의 종방향 가속도와 횡방향 가속도의 합은 각각 약 0.8이다. 즉, 종방향 가속도와 횡방향 가속도가 각각 약 0.3일 때 종방향 가속도와 횡방향 가속도의 합의 크기는 작으나, 동일한 운전성향지수의 값이 산출됨을 알 수 있고, 이는 횡방향 가속도 및 종방향 가속도가 동시에 발생하는 경우, 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 횡방향 가속도만 발생하는 경우보다 높은 값을 갖도록 산출되는 것임을 알 수 있다.
달리 말하면, 종방향 가속도와 횡방향 가속도가 각각 약 0.3일 때의 운전성향지수의 값이 종방향 가속도만 발생하는 경우(에를 들어 종방향 가속도 0.5, 횡방향 가속도 0.1) 또는 횡방향 가속도만 발생하는 경우(에를 들어 종방향 가속도 0.1, 횡방향 가속도 0.5)인 경우보다 운전성향지수가 높음을 의미한다.
상기의 횡방향 가속도 및 종방향 가속도가 동시에 발생하는 경우, 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 횡방향 가속도만 발생하는 경우보다 높은 값을 갖도록 산출되는 운전성향지수는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021005195579-pat00001
상기 수학식 1에서
Figure 112021005195579-pat00002
는 종방향 가속도,
Figure 112021005195579-pat00003
는 횡방향 가속도,
Figure 112021005195579-pat00004
는 운전성향지수를 의미한다.
상기 수학식 1에서 연산을 단순화하기 위하여, 수학식 1과 근사한 아래 수학식 2를 도출할 수 있다. 아래 수학식 2를 참고하면, 상기에서 설명한 바와 같이 튜닝 파라미터 K가 10인 경우, 종방향 가속도 0.3, 횡방향 가속도 0.3인 경우에, 각 방향의 가속도 크기의 합이 동일한 종방향 가속도 0.1, 횡방향 가속도 0.5인 경우 또는 종방향 가속도 0.1, 횡방향 가속도 0.5인 경우보다 운전성향지수가 높게 산출됨을 알 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021005195579-pat00005
상기 수학식 2에서
Figure 112021005195579-pat00006
는 종방향 가속도,
Figure 112021005195579-pat00007
는 횡방향 가속도,
Figure 112021005195579-pat00008
는 운전성향지수,
Figure 112021005195579-pat00009
는 튜닝 파라미터를 의미한다.
도 2의 우측 그래프는, 상기 수학식 2에 따라 튜닝 파라미터
Figure 112021005195579-pat00010
의 값이 10일 때 동일한 운전성향지수를 갖는 곡선을 실선으로 나타내고, 상기 수학식 1에 따라 튜닝 파라미터
Figure 112021005195579-pat00011
의 값이 10일 때 동일한 운전성향지수를 갖는 곡선을 점선으로 나타내고 있다. 즉, 상기 수학식 1을 상기 수학식 2로 단순화하여 연산을 단순화 시킬 수 있고, 연산이 단순화된 수학식 2에 따르더라도 수학식 1과 근사한 결과를 얻을 수 있음을 의미한다.
즉, 운전성향지수는 종방향 가속도 및 횡방향 가속도가 동시에 발생할 때, 높은 값이 산출되도록 수식을 설계할 수 있고, 빠른 운전성향지수 산출을 위하여 연산을 단순화하도록 수식을 산출할 수 있다.
이하에서,
Figure 112021005195579-pat00012
전륜 코너링 강성(cornering stiffness on front wheel)는
Figure 112021005195579-pat00013
은 후륜 코너링 강성(cornering stiffness on rear wheel)
Figure 112021005195579-pat00014
은 차량(200)의 질량,
Figure 112021005195579-pat00015
는 차량(200)의 종방향 속도,
Figure 112021005195579-pat00016
는 차량(200)의 무게 중심에서 앞바퀴까지의 거리,
Figure 112021005195579-pat00017
은 차량(200)의 무게 중심에서 뒷바퀴까지의 거리
Figure 112021005195579-pat00018
는 횡슬립각의 변화율,
Figure 112021005195579-pat00019
은 요레이트의 변화율,
Figure 112021005195579-pat00020
는 차량(200)의 회전관성 모멘트,
Figure 112021005195579-pat00021
은 요레이트,
Figure 112021005195579-pat00022
는 횡슬립각,
Figure 112021005195579-pat00023
는 전륜타이어 실조향각,
Figure 112021005195579-pat00024
는 기준 요레이트,
Figure 112021005195579-pat00025
는 요레이트 게인,
Figure 112021005195579-pat00026
는 시상수,
Figure 112021005195579-pat00027
는 라플라스 변환에서의 복소수 변수,
Figure 112021005195579-pat00028
는 목표 요레이트,
Figure 112021005195579-pat00029
는 제어 모멘트,
Figure 112021005195579-pat00030
는 횡방향 가속도,
Figure 112021005195579-pat00031
는 조향각,
Figure 112021005195579-pat00032
는 목표 요레이트 변화율,
Figure 112021005195579-pat00033
는 토크 벡터링 제어기 게인,
Figure 112021005195579-pat00034
는 추정외란을 의미한다. 추정외란
Figure 112021005195579-pat00035
는 가상 외란 센서부에서 측정되는 외란과 동일하게 이해될 수 있다.
차량(200)의 토크 벡터링 제어는 횡슬립각 성분을 제어하여 수행될 수 있다. 차량(200)의 종방향 특성과 관련된 횡슬립각과 요레이트에 관하여 차량(200)을 모델링하면 아래 수학식 3과 같이 모델링 될 수 있다. 수학식 3을 이용하여 산출되는 횡슬립각을 제어하여 차량(200)의 주행을 보조할 수 있고, 횡슬립각을 제어하기 위하여 기준 요레이트, 목표 요레이트, 제어 모멘트를 생성하여 토크를 차량(200)의 각 바퀴로 분배할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021005195579-pat00036
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 운전성향지수와 가변인자인 시상수, 요레이트 게인, 토크 벡터링 제어기 게인의 상관관계를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)의 목표 요레이트 산출부(130)는, 운전성향지수에 기초한 가변인자인 시상수 및 요레이트 게인에 기초하여 목표 요레이트를 산출하고, 제어 모멘트 생성부(150)는, 운전성향지수에 기초한 가변인자인 토크 벡터링 제어기 게인에 기초하여 제어 모멘트를 생성하는 것일 수 있다.
도 3을 참조하면, 운전성향지수(Driving Agressiveness Index)가 증가하면, 시상수는 감소하고, 요레이트 게인 및 토크 벡터링 제어기 게인은 증가하고, 운전성향지수가 감소하면, 시상수는 증가하고, 요레이트 게인 및 토크 벡터링 제어기 게인은 감소할 수 있다. 도 3에 도시된 시상수, 요레이트 게인 및 토크 벡터링 제어기 게인의 값은 예시적인 것이고, 후술하는 바와 같이 가중치 테이블에 따라 시상수, 요레이트 게인 및 토크 벡터링 제어기 게인은 운전성향지수에 기초하여 변할 수 있다.
도 3을 참조하면, 운전성향지수(Driving Aggresiveness Index)가 0에서 100의 값을 가질 수 있고, 요레이트 게인
Figure 112021005195579-pat00037
는 1에서 1.2, 시상수
Figure 112021005195579-pat00038
는 0.1에서 0.02, 토크 벡터링 제어기 게인
Figure 112021005195579-pat00039
는 5에서 20의 값을 가질 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 운전성향지수가 0에서 100으로 증가하면, 요레이트 게인은 1에서 1.2로 증가, 시상수는 0.1에서 0.02로 감소, 토크 벡터링 제어기 게인은 5에서 20으로 증가함을 확인할 수 있다.
다만, 도 3에 도시된 운전성향지수, 요레이트 게인, 시상수, 토크 벡터링 제어기 게인의 값은 예시적인 것으로, 설정에 따라 각각은 다른 값의 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 운전성향지수는 0에서 1, 요레이트 게인은 1에서 10, 시상수는 2에서 1, 토크 벡터링 제어기 게인은 1에서 100 등과 같이 값의 범위를 다양하게 설정할 수 있다.
목표 요레이트는 아래 수학식 4를 이용하여 목표 요레이트 산출부(130)에서 산출될 수 있다. 아래 수학식 4를 참고하면, 목표 요레이트는 시상수와 요레이트 게인에 의하여 값이 달라질 수 있고, 시상수와 요레이트 게인은 도 3에서 확인한 바와 같이 운전성향지수에 의하여 값이 달라질 수 있는 가변인자로서, 결론적으로 목표 요레이트는 운전성향지수에 따라 값이 달라질 수 있다. 예를 들어, 동일한 기준 요레이트 값인 경우에 운전성향지수의 값이 낮으면 시상수의 값은 증가하고, 요레이트 게인은 감소하여 낮은 목표 요레이트가 산출되고, 반대로 운전성향지수의 값이 높으면 시상수의 값은 감소하고 요레이트 게인은 증가하여 높은 목표 요레이트가 산출된다.
[수학식 4]
Figure 112021005195579-pat00040
제어 모멘트는 아래 수학식 5에 의해 제어 모멘트 생성부(150)에서 산출될 수 있다. 아래 수학식 5를 참고하면, 제어 모멘트는 토크 벡터링 제어기 게인에 의하여 값이 달라질 수 있고, 상기의 목표 요레이트의 값이 운전성향지수에 영향을 받는 것과 유사하게, 다른 변수의 값들이 동일하다고 하더라도 운전성향지수가 높으면 토크 벡터링 제어기 게인의 값이 증가하여 높은 제어 모멘트가 산출되고, 운전성향지수가 낮으면 토크 벡터링 제어기 게인의 값이 감소하여 낮은 제어 모멘트가 산출될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112021005195579-pat00041
즉, 상기의 수학식 4와 수학식 5의 내용을 종합하면, 목표 요레이트와 제어 모멘트는 운전성향지수에 기초한 가변인자인 시상수, 요레이트 게인 및 토크 벡터링 제어기 게인에 의하여 값이 달라질 수 있고, 결국 목표 요레이트와 제어 모멘트는 운전성향지수에 따라 값을 달리한다는 것과 동일하게 이해될 수 있다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 가중치 그래프(테이블)를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면 본원의 일 실시예에 따른 요레이트 게인 및 토크 벡터링 제어기 게인은, 운전성향지수가 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출되는 것이고, 시상수는, 운전성향지수가 감소할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출되는 것일 수 있다.
도 4의 (a)는 후술하는 운전성향지수 산출부(120)의 인덱스 산출부(121)에서 차량(200)의 종방향 속도에 따라 주행 정보에 포함되는 각 항목에 대한 가중치를 설명하기 위한 것이다. 인덱스 산출부(121)는 측정부(110)에서 측정되는 주행 정보에 포함되는 각 측정 항목을 인덱스 신호로 산출할 수 있는데, 이때 차량(200)의 종방향 속도에 따라 가중치를 달리하여 인덱스 신호로 산출할 수 있다. 이때, 도 4의 (a)를 참조하면, 차속이 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 가중치를 부여할 수 있고, 이는 종방향 속도의 중간 영역에서 가중치가 급격하게 변하는 것을 의미할 수 있다. 가중치가 급격하게 변하는 지점은 적절한 가중치가 부여될 수 있도록 설정될 수 있다.
도 4의 (b)에서 좌측 그래프는, 운전성향지수가 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 나타내고, 우측 그래프는 운전성향지수가 감소할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 나타낸다.
도 3에서 설명한 바와 같이, 요레이트 게인 및 토크 벡터링 제어기 게인은 운전성향지수가 증가함에 따라 값이 커질 수 있다. 이때 요레이트 게인 및 토크 벡터링 제어기 게인은 운전성향지수가 증가함에 따라 선형적으로 증가하도록 설정될 수도 있으나, 도 4(b)의 좌측 그래프와 같이, 운전성향지수가 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출될 수 있다. 즉, 요레이트 게인과 토크 벡터링 제어기 게인은 운전성향지수가 0에서 100으로 증가할 때, 운전성향지수의 중간 영역에서 급격히 증가하도록 가중치 테이블을 참조하여 설정될 수 있다. 달리 말하면, 운전성향지수가 중간값 근처에서 변화할 때 요레이트 게인과 토크 벡터링 제어기 게인의 값이 급격하게 변하도록, S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출될 수 있다.
반대로, 도 3에서 설명한 바와 같이, 시상수는 운전성향지수가 증가할수록 값이 감소하는 것으로, 시상수는 운전성향지수가 감소할수록 급격히 증가하도록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출될 수 있다. 시상수는 요레이트 게인 및 토크 벡터링 제어기 게인과 마찬가지로, 운전성향지수가 중간영역에서 변할 때 급격하게 변하나, 운전성향지수가 증가하면 시상수는 감소하고, 운전성향지수가 감소하면 시상수는 증가할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본원의 일 실시예에 따른 구동 토크, 제동 토크, 유압 제동 토크의 분배를 나타낸 도면이다. 도 5 내지 도 7에서 토크 분배부(160)에 의하여 전륜 모터 또는 후륜 모터에 분배되는 구동 토크(또는 모터 구동)는 A(파란색 화살표), 제동 토크(또는 모터 제동)는 B(노란색 화살표), 유압 제동 토크(또는 유압 제동)는 C(주황색 화살표), 요구구동토크 발생을 위한 제동한계마진은 D(빨간색 점선 화살표), 모터출력한계(또는 최대 토크)는 E(실선 원), 노면 한계는 F(일점쇄선 원)으로 표시하고 있다. 상술한 구동 토크, 제동 토크는 차량에 장착된 인휠 모터에 의하여 발생될 수 있는 토크이고, 유압 제동 토크는 유압 제동 장치에 의하여 발생될 수 있는 토크를 의미한다.
도 5를 참조하면, 토크 분배부(160)는 제어 모멘트에 기초하여 구동 토크, 제동 토크, 유압 제동 토크를 선회방향에 대응하도록 각각의 바퀴에 분배, 즉 좌측 전후륜 바퀴에는 제동 토크 및 유압 제동 토크, 우측 전후륜 바퀴에는 구동 토크를 분배하고 있다. 즉, 요구모터구동토크를 생성하기 위해 모터한계토크로부터의 요구모터구동토크만큼 제동토크 사용하지 않는다.
도 6을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)의 토크 분배부(160)는, 구동 토크 및 제동 토크를 후륜 모터에 분배하되, 구동 토크 및 상기 제동 토크가 상기 후륜 모터의 최대 토크를 초과하는 경우, 구동 토크 및 제동 토크 일부를 전륜 모터에 분배하는 것일 수 있다. 도 6의 좌측 그림에서 생성된 제어 모멘트를 만족하기 위하여 후륜 우측 바퀴와 후륜 좌측 바퀴에 필요한 각각의 구동 토크와 제동 토크가 모터 출력 한계를 초과하는 경우, 도 6의 우측 그림과 같이 초과하는 구동 토크의 크기만큼의 구동 토크를 전륜 우측 바퀴로 분배하고, 초과하는 제동 토크의 크기만큼의 제동 토크를 전륜 좌측 바퀴에 분배하여 필요한 제어 모멘트를 만족하도록 구동 토크와 제동 토크를 분배할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)는 유압 제동 토크를 발생시키는 유압 제동 장치(170)를 더 포함하고, 토크 분배부(160)는, 전륜 모터에 분배된 구동 토크 및 제동 토크가 전륜 모터의 최대 토크를 초과하는 경우, 유압 제동 토크를 상기 차량(200)의 회전 방향에 대응하는 전륜 모터 및 후륜 모터에 분배하는 것일 수 있다. 앞서 설명한 도 6과 같이 제어 모멘트를 만족하기 위하여 전륜 모터에 분배한 구동 토크 및 제동 토크가 모터 출력 한계를 초과할 수 있다. 이때, 도 7에서 전륜 우측 바퀴에서 모터 출력 한계를 초과하는 구동 토크의 크기와 전륜 좌측 바퀴에서 모터 출력 한계를 초과하는 제동 토크의 크기를 합하여, 전륜 좌측 바퀴 및 후륜 좌측 바퀴에 각각 유압 제동 토크로 분배하여 요구되는 제어 모멘트를 만족시킬 수 있다. 이때 실시예의 태양에 따라 분배되는 유압 제동 토크는 수직항력에 기초하여 분배될 수 있다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)의 온(on)/오프(off) 조건을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)의 판단부(140)는, 주행 정보에 기초하여 기설정한 판단 조건에 따라 모멘트 생성 여부를 판단하는 것일 수 있다. 도 8 및 아래 수학식 6에서 설명하는 온/오프 조건(또는 트리거 조건)은 예시적인 것으로, 운전성향지수를 고려하여 온/오프 조건이 설정될 수도 있다.
도 8 및 아래 수학식 6에 따라, 제어 모멘트를 생성하기 위한 온/오프 조건이 설정될 수 있다. 판단부(140)는 주행정보에 기초하여 요레이트, 목표 요레이트와 각각의 변화량을 이용하여 온/오프 조건을 판단할 수 있다. 이때, k 1 , k 2 , k 3 , k 4 는 온/오프 조건을 적절히 설정하기 위한 임의의 상수일 수 있고, 사용자에 의하여 변경될 수 있다. 아래 수학식 6을 참고하면, 요레이트 변화량, 요레이트와 목표 요레이트의 차이, 요레이트 변화량의 크기에 따라 각각 판단하여 온/오프 조건에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112021005195579-pat00042
상기 도 8 및 수학식 6에서
Figure 112021005195579-pat00043
는 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF)의 시상수,
Figure 112021005195579-pat00044
는 라플라스 변환에서의 복소수 변수,
Figure 112021005195579-pat00045
는 요레이트(또는 요레이트 측정값, 요레이트 센서값),
Figure 112021005195579-pat00046
은 목표 요레이트,
Figure 112021005195579-pat00047
는 요레이트 변화량(또는 요레이트 변화율),
Figure 112021005195579-pat00048
를 의미할 수 있다.수학식 6에서, 1/(Ts+1)은 1차 저역 통과 필터(또는 저주파 필터)와 동일하게 이해될 수 있다. 요레이트(또는 요레이트 센서값)을 미분하면 요레이트 변화량에 노이즈가 섞여있기 때문에, 이를 1차 저역 통과 필터를 이용하여 적절히 필터링할 수 있다. 즉, 1차 저역 통과 필터를 이용하여 요레이트 변화량의 노이즈를 제거할 수 있고, 노이즈가 제거된 요레이트 변화량의 부호와 크기를 이용하여 상기 수학식 6과 같이 On condition/Off condition(즉, 온오프 조건)을 나타낼 수 있다.
상기 수학식 6에서 나타낸 온오프 조건은 예시적인 것으로, 전술한 바와 같이 운전성향지수를 고려하여 온오프 조건을 설정할 수 있다. 예를 들어,온오프 조건을 설정하기에 적합한 임의의 상수 k 1 , k 2 , k 3 , k 4 에 운전성향지수에 따른 가중치를 곱하는 방법, 또는 요레이트의 변화율에 운전성향지수에 따른 가중치를 곱하는 방법 등을 이용하여, 운전성향지수를 고려하여 온오프 조건을 설정할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)의 운전성향지수 산출부(120)는, 주행 정보에 포함되는 각각의 측정값에 차속에 따른 가중치를 부여하여 운전성향을 나타내는 인덱스 신호로 변환하되, 차속이 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 가중치를 부여하는 인덱스 산출부(121), 서로 다른 크기의 타임 윈도우로 설정되며, 설정된 타임 윈도우 기간 동안 인덱스 산출부(121)에서 인가되는 인덱스 신호의 평균값을 계산하되, 최근 데이터에 더 높은 가중치를 부여하여 평균값을 계산하여 성향지수를 산출하는 복수의 EWMA부(122) 및 성향지수의 평균값을 계산하여 각각의 측정값에 대응하는 측정값별 운전성향지수를 산출하는 가중치 기반 운전성향지수 산출부(123) 및 측정값별 운전성향지수를 이용하여 운전성향지수를 산출하는 최종 운전성향지수 산출부(124)를 포함할 수 있다.
운전성향지수 산출부(120)는 측정부(110)에서 검출(측정, 센싱)된 각종 주행 정보에 가중치를 부여하여 운전성향을 검출하되, 오래된 데이터에 낮은 가중치를 부여하고 최근 데이터에 더 높은 가중치를 부여하여 평균값을 계산하는 EWMA(Exponentially Weighted Moving Average) 기법을 통해 운전성향을 검출하고, 검출된 운전성향, 즉 운전성향지수를 목표 요레이트 산출부(130), 제어 모멘트 생성부(150) 등으로 인가할 수 있다. 또한, 운전성향지수를 판단부(140)에 인가하여, 사용자의 운전성향, 즉 운전성향지수에 기초하여 온/오프 트리거 조건을 판단할 수도 있다.
운전성향지수 산출부(120)는 인덱스 산출부(121), 복수의 EWMA부(122), 가중치 기반 운전성향지수 산출부(123), 최종 운전성향지수 산출부(124)를 포함할 수 있고, 측정부(110)에서 검출된 주행 정보에 대해 가중치를 부여하여 운전성향지수를 산출하고, 각각의 주행 정보에 포함된 항목에 대하여 산출된 운전성향지수를 최종 운전성향지수 산출부(124)에 인가하여, 사용자의 운전성향에 관한 운전성향지수를 산출할 수 있다.
운전성향지수 산출부(120)는 오래된 데이터에 낮은 가중치를 부여하고, 최근 데이터에 기하급수적으로 더 높은 가중치를 부여하는 EWMA 기법을 통해 운전성향지수를 산출할 수 있다.
또한, 운전성향지수 산출부(120)는 종방향 가속도 및 횡방향 가속도가 동시에 발생하는 경우에 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 횡방향 가속도만 발생하는 경우에 비하여 높은 운전성향지수를 산출하도록 할 수 있고, 세부적인 산출 방법에 대해서는 전술하였는바, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도를 고려하여 운전성향지수를 산출하기 전에, 각 주행 정보로부터 운전성향지수를 산출하기 위한 과정을 설명한다.
운전성향지수 산출부(120)는 측정부(110)에서 검출된 주행 정보 각각에 대응하여 운전성향을 나타내는 인덱스 신호로 변환하고, 인덱스 신호에 서로 다른 타임 윈도우 및 가중치를 인가하여 성향지수를 산출하고, 성향지수의 평균값을 계산하여 측정값별 운전성향지수를 산출할 수 있다. 측정값별 운전성향지수를 이용하여 운전성향지수를 산출할 수 있다.
예를 들어, 측정부(110)를 통해 요 레이트 센서 값, 가속 위치 센서 값, 종/횡 가속도 센서 값, 조향각 센서 값, 휠속도 센서 값, IMU 센서 값, 곡률 값을 검출하는 경우, 주행 정보 각각에 대응하여 측정값별 운전성향지수를 산출하고, 이를 이용하여 운전성향지수를 산출할 수 있다.
운전성향지수 산출부(120)는 인덱스 산출부(121), EWMA부(122), 가중치 기반 운전성향지수 산출부(123), 최종 운전성향지수 산출부(124)를 포함할 수 있다.
인덱스 산출부(121)는 측정부(110)에서 각각 입력되는 입력 값을 가공하여 운전성향을 나타내는 인덱스 신호로 변환할 수 있다. 즉 측정부(110)에서 각각 입력되는 입력 값에 차속에 따른 가중치를 부여하여 운전성향을 나타내는 인덱스 신호로 변환할 수 있다.
예를 들어, 요레이트 값(또는 요레이트 센서 값)을 인가받은 인덱스 산출부(121)는 측정부(110)로부터 인가받은 요레이트 값을 미분한 후, 차속에 따른 가중치를 부여하되, 기설정된 차속 이하에서는 요레이트 값을 0으로 하고, 기설정된 차속 이상에서는 요레이트 값을 그대로 사용하여 연산을 수행할 수 있다. 여기서 차속에 따른 가중치를 부여할 때, 일반적으로 차속이 증가하면 차량(200) 신호(주행 정보)들의 크기가 감소하는 통계적 데이터가 존재하므로, 도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이 차속이 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 가중치를 부여할 수 있다. 또한, 인덱스 산출부(121)는 측정부(110)에서 각각 입력되는 입력 값에 차속에 따른 가중치를 부여하여 운전성향을 나타내는 인덱스 신호로 변환할 때 차속에 따라 변환 비율을 제한할 수 있다.
EWMA부(122)는 인덱스 산출부(121)에서 인가되는 인덱스 신호의 평균값을 계산하되, 설정된 타임 윈도우 기간 동안의 인덱스 신호의 평균값을 계산한다. 평균값을 계산할 때, 오래된 데이터에 낮을 가중치를 부여하고, 최근 데이터에 기하급수적으로 더 높은 가중치를 부여하여 평균값을 계산하여 성향지수를 산출할 수 있다.
EWMA부(122)는 각각 서로 다른 크기를 갖는 타임 윈도우로 구현될 수 있다. 예를 들어, EWMA부(122)가 10개로 이루어지는 경우, 첫 번째 EWMA부(122)의 타임 윈도우는 1분, 두 번째 EWMA부(122)의 타임 윈도우는 2분 등과 같이 서로 다른 타임 윈도우로 설정될 수 있다. 즉, EWMA부(122)는 저역통과필터와 유사한 수식으로 표현될 수 있고, 아래 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112021005195579-pat00049
상기 수학식 7에서, a는 0이상 1이하의 가중치, k는 시간 인덱스, T는 시정수(Time Window) Ts는 샘플링 타임을 의미한다.
오래된 데이터는 낮은 가중치를 부여하고 최근 데이터는 높은 가중치를 부여하여 타임 윈도우 기간 동안의 평균값을 계산하여 성향지수를 산출하는 EWMA부(122)는 k+1 시점을 기준으로 타임 윈도우 기간 동안의 데이터 평균을 산출하는 SMA(Simple Moving Average)와는 다르게 실시간 연산이 가능하며, 수학식 7의 시정수 T(Time Window)를 조절하여 SMA와 유사한 결과를 도출할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이 각각 서로 다른 크기의 타임 윈도우로 설정된 각각의 EWMA부(122)는 인덱스 산출부(121)에서 인가되는 인덱스 신호의 평균값을 계산하여 성향지수를 산출하는데, 타임 윈도우가 큰 EWMA부(122)에서 산출되는 성향지수는 잘 변화하지 않는 장기적인 특성 즉, 운전자의 주행 습관의 성격을 나타낼 수 있고, 타임 윈도우가 작은 EWMA부(122)에서 산출되는 성향지수는 자주 변경되는 단기적인 특성 즉, 운전자의 주행 의지의 성격을 나타낼 수 있다. 따라서 타임 윈도우의 크기를 서로 다르게 설정하여 다양한 성향지수를 산출할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
가중치 기반 운전성향지수 산출부(123)는 복수의 EWMA부(122)에서 각각 출력되는 성향지수의 평균값을 계산하여 각각의 입력 값에 대응하는 측정값별 운전성향지수를 산출할 수 있다.
가중치 기반 운전성향지수 산출부(123)는 운전성향지수를 산출할 때, 직전 단계에서 산출된 운전성향지수에 의거하여 각각의 성향지수에 가중치를 부여한 후, 그 평균값을 계산하여 입력 값에 대응하는측정값별 운전성향지수를 산출할 수 있다
본원의 일 실시예에 따른 가중치 기반 운전성향지수 산출부(123)는, 직전 단계에서 산출된 운전성향지수에 기초하여 성향지수에 가중치를 부여하여 측정값별 운전성향지수를 산출하되, 직전 단계에서 산출된 운전성향지수가 기설정되어 있는 중간 값에 속하는 경우에는, 타임 윈도우가 작은 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수의 가중치를 늘리고, 타임 윈도우가 큰 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수의 가중치를 줄여 상기 측정값별 운전성향지수를 산출하고, 직전 단계에서 산출된 운전성향지수가 기설정되어 있는 중간 값을 벗어나는 경우에는, 타임 윈도우가 작은 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수의 가중치를 줄이고, 타임 윈도우가 큰 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수의 가중치를 늘려 측정값별 운전성향지수를 산출하는 것일 수 있다.
직전 운전성향지수가 중간 값에 속하는 경우, 즉 운전성향이 중립적인 경우 운전자가 주행 패턴을 변경하려는 의도를 빠르게 반영하여, 높은 운전성향지수 또는 낮은 운전성향지수를 산출하도록 할 필요가 있으며, 운전자의 운전성향지수가 높거나 낮은 경우에는 해당 운전성향을 유지할 필요가 있다.
타임 윈도우가 큰 EWMA부(122)는 장기적인 운전성향, 타임 윈도우가 작은 EWMA부(122)는 단기적인 운전성향을 나타낼 수 있다. 따라서, 직전 운전성향지수가 중간 값에 속하는 경우, 타임 윈도우가 작은 EWMA부(122)(즉, 운전자의 단기적인 운전성향을 나타내는 EWMA부(122))에서 출력되는 성향지수의 가중치를 높이고 타임 윈도우가 큰 EWMA부(122)(즉, 운전자의 장기적인 운전성향을 나타내는 EWMA부(122))에서 출력되는 성향지수의 가중치를 줄여 측정값별 운전성향지수를 산출함으로써 운전자의 주행 의도 내지 패턴을 빠르게 반영하여 운전성향지수를 빠르게 변화시킬 수 있다.
반면, 직전 운전성향지수가 높은 값 또는 낮은 값을 갖는 경우 타임 윈도우가 작은 EWMA부(122)(즉, 운전자의 단기적인 운전성향을 나타내는 EWMA부(122))에서 출력되는 성향지수의 가중치를 낮추고 타임 윈도우가 큰 EWMA부(122)(즉, 운전자의 장기적인 운전성향을 나타내는 EWMA부(122))에서 출력되는 성향지수의 가중치를 높여서 측정값별 운전성향지수를 산출함으로써, 운전성향지수가 천천히 변하도록 할 수 있다.
직전 운전성향지수의 중간 값은 예시적인 것으로, 일정 구간, 값 등 다양하게 설정될 수 있으며, 산출되는 운전성향지수의 전체 범위에 따라 설정될 수 있다.
구체적으로, 직전 단계에서 산출된 운전성향지수가 중간 값(예를 들어, 35 내지 65로 설정될 수 있으며, 가장 바람직하게는 50으로 설정될 수 있다.)에 속하는 경우에는, 타임 윈도우가 작은 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수의 가중치를 늘리고, 타임 윈도우가 큰 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수의 가중치를 줄여 운전성향지수를 산출할 수 있다.
그리고 직전 단계에서 산출된 운전성향지수가 중간 값을 벗어나는 경우에는, 타임 윈도우가 작은 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수의 가중치를 줄이고, 타임 윈도우가 큰 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수의 가중치를 늘려 운전성향지수를 산출할 수 있다.
여기서 직전 단계에서 산출된 운전성향지수가 중간 값에서 크게 벗어날수록 타임 윈도우가 작은 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수에 부여되는 가중치는 더 작아지고, 타임 윈도우가 큰 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수에 부여되는 가중치는 더 커지게 될 수 있다.
예를 들어, 주행 의지 차원에서 운전자가 차량(200)의 가감속, 혹은 선회 조작을 다이나믹하게 하는 스포츠한 주행 의지를 갖고 가속을 하는 경우에는, 운전성향지수가 올라가고, 그 정도가 심할수록 운전성향지수가 오랜 시간동안 유지된다.
즉, 운전성향지수가 양 극단(0 또는 100)으로 갈수록 그 지수를 오랫동안 유지하게 된다.
최종 운전성향지수 산출부(124)는 가중치 기반 운전성향지수 산출부(123)로부터 산출되는 측정값별 운전성향지수를 이용하여 운전성향지수를 산출할 수 있다. 최종 운전성향지수 산출부(124)는 가중치 기반 운전성향지수 산출부(123)로부터 입력되는 측정값별 운전성향지수에 더하여, 측정부(110)로부터 입력되는 입력값을 이용하여 운전성향지수를 산출할 수도 있다. 예를 들어, 측정부(110)에서 요 레이트 센서 값, 가속 위치 센서 값, 종/횡 가속도 센서 값, 조향각 센서 값, 휠속도 센서 값, IMU 센서 값, 곡률 값을 검출하는 경우, 곡률 값은 최종 운전성향지수 산출부(124)로 입력되고, 나머지 측정값은 인덱스 산출부(121), EWMA부(122), 가중치 기반 운전성향지수 산출부(123)를 통해 측정값별 운전성향지수가 산출될 수 있고, 최종 운전성향지수 산출부(124)는 곡률 값과 측정값별 운전성향지수를 이용하여 운전성향지수를 산출할 수 있다.
최종 운전성향지수 산출부(124)는 측정값별 운전성향지수 또는 측정부(110)로부터 입력되는 측정값을 종방향 관련 운전성향지수, 횡방향 관련 운전성향지수, 종방향 및 횡방향이 모두 관련된 종방향 및 횡방향 관련 운전성향지수로 구분할 수 있다.
최종 운전성향지수 산출부(124)는 각각의 측정값별 운전성향지수의 평균을 이용하여 운전성향지수를 산출할 때, 인가되는 곡률 값에 따라 각각의 측정값별 운전성향지수에 가중치를 부여하여 평균을 구할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)의 최종 운전성향지수 산출부(124)는, 측정값별 운전성향지수에 곡률 값, 종방향 가속도 및 횡방향 가속도 중 적어도 어느 하나에 기초한 가중치를 부여하고, 가중치가 부여된 측정값별 운전성향지수의 평균을 이용하여 운전성향지수를 산출할 수 있다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이, 운전성향지수는 종방향 가속도 및 횡방향 가속도가 동시에 발생하는 경우, 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 횡방향 가속도만 발생하는 경우보다 운전성향지수가 높게 산출될 수 있는 것으로, 종방향 가속도와 횡방향 가속도에 따라 측정값별 운전성향지수에 부여되는 가중치가 다르게 적용될 수 있다.
최종 운전성향지수 산출부(124)는 인가되는 곡률 값이 기설정된 값 이하이면 종방향 관련 운전성향지수의 가중치를 늘리고, 횡방향 관련 운전성향지수와 종방향 및 횡방향 관련 운전성향지수의 가중치를 줄여 최종 운전성향지수를 산출할 수 있다.
이와 같이 최종 운전성향지수 산출부(124)가 인가되는 곡률 값에 의거하여 운전성향지수를 산출하는 이유는 주행 상황에 알맞은 운전성향지수를 산출하기 위함이다.
또한, 실시예의 형태에 따라 최종 운전성향지수 산출부(124)는, 곡률 값에 기초하여 측정값별 운전성향지수에 가중치를 부여하고, 가중치가 부여된 측정값별 운전성향지수의 평균을 산출하고, 산출된 평균에 다시 종방향 가속도 및 횡방향 가속도에 따라 가중치를 부여하여 운전성향지수를 산출할 수도 있다. 즉, 종방향 가속도 및 횡방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 높은 운전성향지수를 갖도록 하기 위하여, 가중치를 적용하거나 환산변수를 적용하는 것과 같은 방식으로 운전성향지수를 산출하는 것과 같이, 다양한 방식에 의하여 종방향 가속도 및 횡방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 높은 운전성향지수를 갖도록 할 수 있다. 종방향 가속도 및 횡방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 높은 운전성향지수를 갖도록 하기 위한 방식은 상술한 설명에 한정되지 않으며, 다양한 단계, 방식(예를 들어, 타임 윈도우를 조절하거나, 인덱스 신호 산출 시 가중치 조절 등)으로 적용될 수도 있다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 직전 운전성향지수에 따라 산출되는 운전성향지수를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 9에 나타낸 그래프는 직전 단계에서 산출된 운전성향지수가 중간값, 중간영역에 해당하는 경우, 이후 단계에서 운전성향지수는 급격하게 변할 수 있고, 직전 단계에서 높은 운전성향지수 또는 낮은 운전성향지수가 산출된 경우 이후 단계에서 운전성향지수는 천천히 변화, 즉 운전자의 운전성향이 유지되도록 할 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이 직전 운전성향지수에 따라, 직전 운전성향지수가 중간 값에 해당하는 경우 운전성향지수가 빠르게 운전자의 주행 의도를 반영하기 위하여 변할 수 있고, 직전 운전성향지수가 높거나 낮은 경우 운전성향지수 변화가 적도록 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수의 가중치를 조절할 수 있다.
도 9와 같이 운전자의 주행 의지 차원에서 sport한 주행 의지를 갖고 가속을 하면, DA 지수가 올라가고, 그 정도가 심할수록 DA 지수가 오래 유지될 수 있다. 즉, 도 9에 나타난 그래프는, DA 지수가 극단으로 갈수록 그 지수를 오래 유지할 수 있다는 것으로 이해될 수 있다.
도 10는 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)를 이용한 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 90도 사인파 오픈 루프 스티어링, 초기 속도 40kph, APS(Accelerator Position Sensor)는 20%로 실험한 결과이며, 도 10을 참조하면 가속/조향 시나리오에 따라 요구구동토크를 만족하면서 요레이트의 위상이 개선되었음을 확인할 수 있다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 장치(100)의 개략적인 구성도이다.
도 11을 참조하면, 본원의 일 실시예에 다른 토크 벡터링 제어 장치(100)는 측정부(110), 운전성향지수 산출부(120), 목표 요레이트 산출부(130), 판단부(140), 제어 모멘트 생성부(150), 토크 분배부(160), 유압 제동 장치(170), 가상 외란 센서부(180)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 차량(200)의 조향각, 요레이트, 종방향 속도, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도를 포함하는 주행 정보를 측정할 수 있다. 측정부(110)는 차량(200)에 구비되는 각종 센서를 통해 주행 정보를 측정, 센싱, 수신할 수 있다.
운전성향지수 산출부(120)는 주행 정보를 이용하여 EWMA 기법을 통해 운전성향을 나타내는 운전성향지수를 산출할 수 있다. 운전성향지수는 목표 요레이트, 제어 모멘트, 온오프 조건(트리거) 판단 등에 이용되어, 운전자의 평소 주행 성향 내지 주행 의도에 적합하도록 토크 벡터링을 제어하여, 토크를 분배하도록 할 수 있다.
운전성향지수 산출부(120)는 인덱스 산출부(121), EWMA부(122), 가중치 기반 운전성향지수 산출부(123), 최종 운전성향지수 산출부(124)를 포함할 수 있다.
인덱스 산출부(121)는 주행 정보에 포함되는 각 측정값에 가중치를 부여하여 인덱스 신호로 산출할 수 있다. 인덱스 신호 산출을 위하여 부여되는 가중치는 차량(200)의 종방향 속도(차속)가 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 부여될 수 있다.
EWMA부(122)는 인덱스 신호의 평균값을 이용하여 성향지수를 산출하되, 서로 다른 타임 윈도우로 설정되어, 타임 윈도우에 따라 가중치를 부여할 수 있다. 즉, 최근 데이터에 더 큰 가중치를 부여하고, 오래된 데이터에 낮은 가중치를 부여하여 운전자의 주행 의도를 적합하게 반영하여 운전성향지수를 산출할 수 있다.
가중치 기반 운전성향지수 산출부(123)는 성향지수의 평균값을 이용하여 측정값별 운전성향지수를 산출할 수 있고, 직전 운전성향지수의 값이 중간 값에 해당하는지 여부에 따라 타임 윈도우가 큰 EWMA부(122)와 타임 윈도우가 작은 EWMA부(122)에서 출력되는 성향지수에 부여되는 가중치를 다르게 적용할 수 있다.
최종 운전성향지수 산출부(124)는 측정값별 운전성향지수를 이용하여 운전성향지수를 산출할 수 있고, 측정값별 운전성향지수에 곡률 값, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 가중치를 부여하고, 가중치가 부여된 측정값별 운전성향지수를 이용하여 운전성향지수를 산출할 수 있다. 따라서, 운전성향지수 산출부(120)는 전술한 바와 같이 종방향 가속도 및 횡방향 가속도가 동시에 발생하는 경우에 운전성향지수가 높게 산출되도록 할 수도 있다.
목표 요레이트 산출부(130)는 주행 정보 및 운전성향지수에 기초하여 목표 요레이트를 산출할 수 있다. 목표 요레이트 산출부(130)는 운전성향지수에 기초한 가변인자인 시상수 및 요레이트 게인에 기초하여 목표 요레이트를 산출할 수 있고, 시상수는 운전성향지수의 값의 크기에 반비례하고, 요레이트 게인은 운전성향지수의 값의 크기에 비례할 수 있다. 또한, 요레이트 게인 및 시상수는 각각 운전성향지수가 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블, 각각 운전성향지수가 감소할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출될 수 있다.
판단부(140)는 주행 정보 및 목표 요레이트에 기초하여 차량(200)의 언더스티어 여부 및 모멘트 생성 여부를 판단할 수 있다. 즉, 판단부(140)는 제어 모멘트 생성 또는 제어 벡터링 토크 분배를 위한 온오프 조건(트리거)를 판단할 수 있다. 또한, 판단부(140)는 주행 정보, 목표 요레이트, 운전성향지수에 기초하여 언더스티어 여부 및 모멘트 생성 여부를 판단하여, 운전자의 주행 성향에 따라 온오프 조건을 다르게 판단할 수 있다.
제어 모멘트 생성부(150)는 주행 정보, 운전성향지수 및 목표 요레이트에 기초하여 제어 모멘트를 생성할 수 있다. 구체적으로, 제어 모멘트는 운전성향지수에 기초한 가변인자인 토크 벡터링 제어기 게인에 따라 값이 달라질 수 있고, 토크 벡터링 제어기 게인은 요레이트 게인과 유사하게 운전성향지수가 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출될 수 있다.
토크 분배부(160)는 제어 모멘트에 기초하여 차량(200)의 각 바퀴의 모터에 제동 토크 및 구동 토크를 분배할 수 있다. 토크 분배부(160)는 구동 토크 및 제동 토크를 후륜 모터(후륜 바퀴에 구비된 모터)에 분배하되, 구동 토크 및 제동 토크가 후륜 모터의 최대 토크(모터출력한계)를 초과하는 경우, 구동 토크 및 제동 토크 일부를 전륜 모터(전륜 바퀴에 구비된 모터)에 분배하여, 요구구동토크를 만족시킬 수 있으며, 전륜 모터에 분배된 구동 토크 및 제동 토크가 전륜 모터의 최대 토크를 초과하는 경우에는, 요구구동토크를 만족시키기 위하여 유압 제동 장치(170)로부터 발생되는 유압 제동 토크를 회전 방향에 대응하는 전륜 모터 및 후륜 모터에 분배하여 요구구동토크를 만족시킬 수 있다. 이때, 분배되는 유압 제동 토크의 크기는 수직항력에 기초하여 산출될 수 있다. 또한, 유압 제동 토크는 요구구동토크를 만족시키면서, 회전방향에 대응하는 전륜 모터 및 후륜 모터에 동일한 크기 또는 상이한 크기로 분배될 수 있다.
유압 제동 장치(170)는 각 바퀴의 모터에 분배되어야 할 구동 토크 또는 제동 토크가 최대 토크(모터출력한계)를 초과하는 경우 유압 제동 토크를 발생시켜 제공하기 위한 것으로, 발생되는 유압 제동 토크는 최대 토크를 초과하는 구동 토크 또는 제동 토크의 크기, 수직항력 등에 기초하여 산출될 수 있다.
가상 외란 센서부(180)는 시간에 따라 변하는 외란, 일시적으로 변할 수 있는 무게 등의 외란을 측정할 수 있고, 제어 모멘트 생성부(150)는 외란을 고려하여 제어 모멘트를 생성함으로써, 보다 주행 제어에 적합한 제어 모멘트를 생성할 수 있다. 상기 수학식 5에서 제어 모멘트는 가상외란
Figure 112021005195579-pat00050
를 고려하여 제어 모멘트를 생성할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 제어 모멘트 생성부는 가상외란(달리 말해 가상 외란 센서부(180)에서 측정된 외란)을 이용하여 제어 모멘트를 생성할 수 있다.
도12에 도시된 토크 벡터링 제어 방법은 앞서 설명된 토크 벡터링 제어 장치(100)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 토크 벡터링 제어 장치(100)에 대하여 설명된 내용은 토크 벡터링 제어 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 토크 벡터링 제어 방법을 나타낸 도면이다.
단계 S100에서, 측정부(110)는 차량(200)으로부터 주행 정보를 측정한다. 주행 정보는 차량(200)의 조향각, 요레이트, 종방향 속도, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도 등을 포함할 수 있다.
단계 S110에서는 운전성향지수 산출부(120)에서 운전성향지수를 산출할 수 잇다. 운전성향지수 산출부(120)에서 산출되는 운전성향지수는EWMA 기법을 통해 산출되어, 최근 데이터에 더 큰 가중치를 부여하고, 오래된 데이터에 낮은 가중치가 부여되어 산출될 수 있다. 또한, 운전성향지수는 차량(200)의 차속(또는 종방향 속도)에 따라 가중치가 부여되어, 차속이 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 측정되는 주행 정보의 각 측정값에 가중치를 부여하여 인덱스 신호를 산출할 수 있다. 또한, 직전 운전성향지수의 값에 따라 EWMA부(122)의 타임 윈도우의 크기에 따라 성향지수에 부여되는 가중치를 달리하여 측정값별 운전성향지수를 산출할 수 있다. 또한, 운전성향지수는 곡률 값에 따라 측정값별 운전성향지수에 가중치를 달리하여 산출될 수도 있으며, 종방향 가속도 및 횡방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 높은 값을 갖도록 산출될 수도 있다.
즉, 운전성향지수는 차속, 직전 운전성향지수, 타임 윈도우, 곡률 값, 종방향 가속도 및 횡방향 가속도 등 다양한 값을 기초로 상이한 가중치가 부여되도록 산출될 수 있고, 이를 통해 운전자의 주행 의도 내지 주행 패턴을 보다 적합하게 반영될 수 있도록 할 수 있다.
다음으로 S120 단계에서는 목표 요레이트 산출부(130)에서 주행 정보 및 운전성향지수에 기초하여 목표 요레이트를 산출할 수 있다. 목표 요레이트는 운전성향지수에 기초한 가변인자인 시상수 및 요레이트 게인에 의하여 값이 달라질 수 있다. 즉, 목표 요레이트는 운전성향지수에 따라 달라지는 것으로, 운전자의 운전성향을 반영하여 산출되는 것일 수 있다.
다음으로 S130 단계에서는 판단부(140)에서 주행 정보, 목표 요레이트에 기초하여 언더스티어 여부 및 모멘트 생성 여부를 판단할 수 있다. 즉, 토크 벡터링 제어의 온오프 조건(트리거)를 판단할 수 있고, 온오프 조건은 기설정된 판단 조건이 적용될 수 있다. 또한, 판단부(140)는 주행 정보 및 목표 요레이트 외에도 운전성향지수를 고려하여 언더스티어 여부 및 모멘트 생성 여부를 판단할 수 있고, 운전성향지수를 고려함으로써 운전자의 운전성향에 적합하게 판단할 수 있으며, 명확한 온오프 조건을 제시할 수 있다.
다음으로 S140 단계에서는 제어 모멘트 생성부(150)에서 주행 정보, 목표 요레이트 및 운전성향지수에 기초하여 제어 모멘트를 생성할 수 있다. 제어 모멘트는 운전성향지수에 기초한 가변인자인 토크 벡터링 제어기 게인의 값에 따라 값이 달라질 수 있다. 즉, 운전자의 운전성향에 따른 운전성향지수를 고려하여 제어 모멘트를 생성함으로써 운전자의 주행 의도 내지 주행 패턴에 적합하도록 제어 모멘트를 생성할 수 있다.
다음으로 S150 단계에서는 토크 분배부(160)에서 제어 모멘트에 기초하여 구동 토크 및 제동 토크를 차량(200)의 각 바퀴의 모터로 분배할 수 있다. 토크 분배부(160)는 구동 토크 및 제동 토크를 후륜 모터의 각 바퀴에 선회 방향에 대응하여 분배함으로써, 운전자가 의도하는 구동력을 모두 발생시키면서도 제어 모멘트를 생성 가능하도록 할 수 있어, US(Understeering)을 개선함과 동시에 감속이 발생하지 않도록 할 수 있다. 후륜 모터에 분배되는 구동 토크 및 제동 토크가 최대 토크를 초과하는 경우, 초과하는 구동 토크 및 제동 토크를 전륜 모터에 각각 분배할 수 있고, 전륜 모터에 분배된 구동 토크 및 제동 토크가 전륜 모터의 최대 토크를 초과하는 경우에는 유압 제동 장치(170)로부터 발생한 유압 제동 토크를 이용하여 요구 모멘트(제어 모멘트)를 발생시킬 수 있다.
본원의 일 실시 예에 따른 토크 벡터링 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 전술한 토크 벡터링 제어 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 토크 벡터링 제어 시스템
100: 토크 벡터링 제어 장치
110: 측정부
120: 운전성향지수 산출부
121: 인덱스 산출부
122: EWMA부
123: 가중치 기반 운전성향지수 산출부
124: 최종 운전성향지수 산출부
130: 목표 요레이트 산출부
140: 판단부
150: 제어 모멘트 생성부
160: 토크 분배부
170: 유압 제동 장치
180: 가상 외란 센서부
190: 미분기
200: 차량

Claims (14)

  1. 인휠 모터를 장착한 차량의 토크 벡터링 제어 장치에 있어서,
    차량의 조향각, 요레이트, 종방향 속도, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도를 포함하는 주행 정보를 측정하는 측정부;
    상기 주행 정보를 이용하여 EWMA(Exponential Weighted Moving Average) 기법을 통해 운전자의 운전성향을 나타내는 운전성향지수(Drive Aggressiveness Index)를 산출하는 운전성향지수 산출부;
    상기 주행 정보 및 상기 운전성향지수에 기초하여 목표 요레이트를 산출하는 목표 요레이트 산출부; 및
    상기 주행 정보, 상기 운전성향지수 및 상기 목표 요레이트에 기초하여 제어 모멘트를 생성하는 제어 모멘트 생성부,
    를 포함하되,
    상기 운전성향지수 산출부는,
    상기 횡방향 가속도 및 상기 종방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 상기 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 상기 횡방향 가속도만 발생하는 경우보다 높은 값을 갖도록 상기 운전성향지수를 산출하는 것인, 토크 벡터링 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 목표 요레이트 산출부는,
    상기 운전성향지수에 기초한 가변인자인 시상수 및 요레이트 게인에 기초하여 상기 목표 요레이트를 산출하고,
    상기 제어 모멘트 생성부는,
    상기 운전성향지수에 기초한 가변인자인 토크 벡터링 제어기 게인에 기초하여 상기 제어 모멘트를 생성하는 것인, 토크 벡터링 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 요레이트 게인 및 상기 토크 벡터링 제어기 게인은,
    상기 운전성향지수가 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출되는 것이고,
    상기 시상수는,
    상기 운전성향지수가 감소할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 산출되는 것인, 토크 벡터링 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차량의 조향각, 상기 요레이트, 상기 종방향 속도 및 상기 횡방향 가속도에 기초하여 시간에 따라 상기 차량에 발생하는 외란을 측정하는 가상 외란 센서부를 더 포함하고,
    상기 제어 모멘트 생성부는,
    측정된 상기 외란을 고려하여 상기 제어 모멘트를 생성하는 것인, 토크 벡터링 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모멘트에 기초하여 상기 차량의 각 바퀴의 모터에 제동 토크 및 구동 토크를 분배하는 토크 분배부를 더 포함하는 토크 벡터링 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 토크 분배부는,
    상기 구동 토크 및 상기 제동 토크를 후륜 모터에 분배하되,
    상기 구동 토크 및 상기 제동 토크가 상기 후륜 모터의 최대 토크를 초과하는 경우, 상기 구동 토크 및 상기 제동 토크 일부를 전륜 모터에 분배하는 것인, 토크 벡터링 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    유압 제동 토크를 발생시키는 유압 제동 장치를 더 포함하고,
    상기 토크 분배부는,
    상기 전륜 모터에 분배된 상기 구동 토크 및 상기 제동 토크가 상기 전륜 모터의 최대 토크를 초과하는 경우, 상기 유압 제동 토크를 상기 차량의 회전 방향에 대응하는 상기 전륜 모터 및 상기 후륜 모터에 분배하는 것인, 토크 벡터링 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 운전성향지수 산출부는,
    상기 주행 정보에 포함되는 각각의 측정값에 차속에 따른 가중치를 부여하여 운전성향을 나타내는 인덱스 신호로 변환하되, 차속이 증가할수록 가중치가 커지는 S자 형태의 가중치 테이블을 참조하여 가중치를 부여하는 인덱스 산출부;
    서로 다른 크기의 타임 윈도우로 설정되며, 상기 설정된 타임 윈도우 기간 동안 상기 인덱스 산출부에서 인가되는 인덱스 신호의 평균값을 계산하되, 최근 데이터에 더 높은 가중치를 부여하여 평균값을 계산하여 운전성향지수를 산출하는 복수의 EWMA부; 및
    상기 운전성향지수의 평균값을 계산하여 상기 각각의 측정값에 대응하는 측정값별 운전성향지수를 산출하는 가중치 기반 운전성향지수 산출부; 및
    상기 측정값별 운전성향지수를 이용하여 상기 운전성향지수를 산출하는 최종 운전성향지수 산출부,
    를 포함하는, 토크 벡터링 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가중치 기반 운전성향지수 산출부는,
    직전 단계에서 산출된 상기 운전성향지수에 기초하여 상기 운전성향지수에 가중치를 부여하여 상기 측정값별 운전성향지수를 산출하되,
    직전 단계에서 산출된 상기 운전성향지수가 기설정되어 있는 중간 값에 속하는 경우에는, 타임 윈도우가 작은 EWMA부에서 출력되는 운전성향지수의 가중치를 늘리고, 타임 윈도우가 큰 EWMA부에서 출력되는 운전성향지수의 가중치를 줄여 상기 측정값별 운전성향지수를 산출하고,
    직전 단계에서 산출된 운전성향지수가 기설정되어 있는 중간 값을 벗어나는 경우에는, 타임 윈도우가 작은 EWMA부에서 출력되는 운전성향지수의 가중치를 줄이고, 타임 윈도우가 큰 EWMA부에서 출력되는 운전성향지수의 가중치를 늘려 상기 측정값별 운전성향지수를 산출하는, 토크 벡터링 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 주행 정보 및 상기 목표 요레이트에 기초하여 상기 차량의 언더스티어 여부 및 모멘트 생성 여부를 판단하는 판단부를 더 포함하고,
    상기 제어 모멘트 생성부는,
    상기 모멘트 생성 여부에 기초하여 상기 제어 모멘트를 생성하는 것인, 토크 벡터링 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 판단부는,
    상기 주행 정보에 기초하여 기설정한 판단 조건에 따라 상기 모멘트 생성 여부를 판단하는 것인, 토크 벡터링 제어 장치.
  12. 인휠 모터를 장착한 차량의 토크 벡터링 제어 방법에 있어서,
    (a) 측정부에서 차량의 조향각, 요레이트, 종방향 속도, 횡방향 가속도 및 종방향 가속도를 포함하는 주행 정보를 측정하는 측정 단계;
    (b) 운전성향지수 산출부에서 상기 주행 정보를 이용하여 EWMA(Exponential Weighted Moving Average) 기법을 통해 운전자의 운전성향을 나타내는 운전성향지수를 산출하는 운전성향지수 산출 단계;
    (c) 목표 요레이트 산출부에서 상기 주행 정보 및 상기 운전성향지수에 기초하여 목표 요레이트를 산출하는 목표 요레이트 산출 단계; 및
    (d) 제어 모멘트 생성부에서 상기 주행 정보, 상기 운전성향지수 및 상기 목표 요레이트에 기초하여 제어 모멘트를 생성하는 제어 모멘트 생성 단계,
    를 포함하되,
    상기 (b) 단계는,
    상기 횡방향 가속도 및 상기 종방향 가속도가 동시에 발생하는 경우 상기 종방향 가속도만 발생하는 경우 또는 상기 횡방향 가속도만 발생하는 경우보다 높은 값을 갖도록 상기 운전성향지수를 산출하는 것인, 토크 벡터링 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 운전성향지수에 기초한 가변인자인 시상수 및 요레이트 게인에 기초하여 상기 목표 요레이트를 산출하고,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 운전성향지수에 기초한 가변인자인 토크 벡터링 제어기 게인에 기초하여 상기 제어 모멘트를 생성하는 것인, 토크 벡터링 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    (e) 판단부에서 상기 주행 정보 및 상기 목표 요레이트에 기초하여 상기 차량의 언더스티어 여부 및 모멘트 생성 여부를 판단하는 판단 단계; 및
    (f) 토크 분배부에서 상기 제어 모멘트에 기초하여 상기 차량의 각 바퀴의 모터에 제동 토크 및 구동 토크를 분배하는 토크 분배 단계를 더 포함하고,
    상기 (d) 단계는,
    상기 모멘트 생성 여부에 기초하여 상기 제어 모멘트를 생성하는 것인, 토크 벡터링 제어 방법.
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