KR102317921B1

KR102317921B1 - 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102317921B1
Application number: KR1020200069500A
Authority: KR
Inventors: 김태홍
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2021-10-27
Also published as: CN113771843A; US20210382487A1; CN113771843B; US11669094B2

Abstract

본 발명은 전동식 조향시스템의 제어 장치에 관한 것으로, 자율주행 조건에서 밴드 스탑 필터를 거친 컬럼토크를 이용하여 자율주행 해지 여부를 판단하는 자율주행 해지 판단부; 및 자율주행 시스템에서 출력하는 지령 조향각 정보를 이용하여 지령 조향각가속도 정보를 산출하는 신호 처리부;를 포함하며, 상기 자율주행 해지 판단부는, 상기 조향각가속도 정보가 미리 지정된 기준 이상일 경우, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타로 판단하여 자율주행 해지를 금지한다.

Description

전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING MOTOR DRIVEN POWER STEERING SYSTEM OF VEHICLE}

본 발명은 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 자율주행 중 충돌이나 다른 사고 위험이 갑자기 발생하는 긴급한 상황에서 자율주행 모드가 해지되지 않고 유지되게 하면서 급조타가 수행될 수 있도록 하는, 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 동력 보조 조향장치로는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 조향장치(Hydraulic Power Steering Apparatus)가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 전동 모터를 이용한 전동식 조향시스템(MDPS : Motor Driven Power Steering)이 점차로 보편화되어 가고 있다.

기존의 유압식 조향장치는 동력을 보조해 주는 동력원인 유압 펌프가 엔진에 의해 구동되어 조향 휠의 회전 여부와 관계없이 항상 에너지를 소모하게 되는데 비해서 전동식 조향시스템은 조향 휠이 회전하여 토크가 발생되면 전기 에너지로 구동되는 모터가 조향 보조 동력을 제공하게 된다.

따라서 전동식 조향시스템(또는 전동식 조향장치)을 사용하는 경우 유압식 조향장치에 비해 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

한편 종래의 자율주행 모드가 적용된 차량은 자율주행 중 급조타가 이루어 질 경우 자율주행이 정상적이지 않다고 판단하여 자율주행이 해지되도록 설계가 되었다. 이는 일반적으로 자율주행 중 급조타가 이루어지는 조건이 발생하지 않기 때문이다. 물론 급조타가 이루어 질 경우 운전자는 조타 반대 방향으로 크게 쏠리는 등 위험한 상황이 발생 할 수도 있지만, 그 보다는 사고 방지를 위해서 긴급한 회피 동작이 필요할 경우 급조타가 이루어 질 수 있도록 자율주행 모드를 유지해 주는 것이 더 바람직하다.

다시 말해 자율주행 모드가 적용된 차량은 자율주행 중 충돌이나 다른 사고의 위험이 갑자기 발생할 경우 차속을 줄이거나 조향(또는 조타)을 제어하여 사고 위험을 회피할 수 있도록 설계되어야 한다. 그런데 기존의 자율주행 모드가 적용된 차량은 지정된 거리에 앞서서 미리 장애물이 검출되는 통상적인 상황에서 대응할 수 있도록 설계되어 있을 뿐, 긴급한 상황(예 : 갑자기 전방에 보행자 또는 차량이 끼어드는 상황)에 대응 가능하도록 설계되어 있지 않다.

따라서 통상적으로 긴급하지 않은 상황에서는 미리 차속을 줄이는 것이 효과적이나, 긴급한 상황(예 : 갑자기 전방에 보행자 또는 차량이 끼어드는 상황)에서는 급조타가 사고 회피에 더 효과적일 수 있다. 그런데 만약 기존의 자율주행 모드가 적용된 차량과 같이 이러한 긴급한 상황에서 자율주행 모드가 해지되거나 정상적으로 동작하지 않으면 운전자(또는 사용자)가 더 위험해 질 수 있기 때문에 자율주행 모드가 계속 유지되도록 한 상태에서 긴급한 상황에 대응하여 순간적으로 빠른 조타가 이루어질 수 있도록 응답성을 극대화 시켜주는 기술이 필요한 상황이다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 특허등록번호 제10-0247334호(1999.12.10. 등록, 전동 동력조향장치)에 개시되어 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 차량의 자율주행 중 충돌이나 다른 사고 위험이 갑자기 발생하는 긴급한 상황에서 자율주행 모드가 해지되지 않고 유지되게 하면서 급조타가 수행될 수 있도록 하는, 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치는, 자율주행 조건에서 밴드 스탑 필터를 거친 컬럼토크를 이용하여 자율주행 해지 여부를 판단하는 자율주행 해지 판단부; 및 자율주행 시스템에서 출력하는 지령 조향각 정보를 이용하여 지령 조향각가속도 정보를 산출하는 신호 처리부;를 포함하며, 상기 자율주행 해지 판단부는, 상기 조향각가속도 정보가 미리 지정된 기준 이상일 경우, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타로 판단하여 자율주행 해지를 금지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 밴드 스탑 필터는, 사용자의 의도치 않은 조타개입 시 발생하는 주파수 성분의 컬럼토크를 제거하는 필터인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 사용자의 의도치 않은 조타개입 시 발생하는 주파수 성분은, 전동식 조향시스템의 토션바 공진점과 오차범위에서 같은 진동 주파수인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자율주행 해지 판단부는, 사용자의 의도치 않은 조타개입 시 발생하는 주파수 성분의 컬럼토크를 상기 밴드 스탑 필터를 통해 제거하여, 의도치 않은 사용자의 조타개입이 발생하더라도 자율주행 해지를 금지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자율주행 해지 판단부는, 자율주행 시스템으로부터 지령 조향각이 차량의 기하학(Geometry) 특성을 기준으로 지정된 최대 조타가능 각도 이상이 인가될 경우 자율주행을 해지하며, 또한 지정된 기준 이상의 조향각속도가 입력될 경우에도 자율주행을 해지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타는, 상기 자율주행 시스템에 의한 조타에 의해 토션바가 순간적으로 급격하게 비틀림으로 인해 컬럼토크가 미리 지정된 기준 이상으로 크게 상승하는 조타인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 신호 처리부는, 상기 자율주행 시스템에서 출력된 지령 조향각을 연속해서 2번 미분하여 조향각가속도를 산출하는 제1 미분기와 제2 미분기; 및 상기 산출된 조향각가속도에서 노이즈를 처리하여 보정하는 LPF(Low pass filter);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타 시, 조향각 위치제어기의 게인(G)이 커지도록 조정하여 순간적인 게인 응답성을 향상시키는 게인 조정부; 및 상기 조향각 위치제어기의 위치제어 에러를 모니터링 하여, 현재 조향각이 원하는 지령 조향각에 도달하면 급조타 자율주행 모드에서 일반 자율주행 모드로 변경하여 이에 대응하는 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 가변 HPF(High Pass Filter);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 위치제어 에러는, 지령 조향각과 현재 조향각의 차이에 해당하는 값인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 가변 HPF는, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타인 경우 컷오프 주파수를 낮추어 게인과 주파수 응답을 높여주고, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타가 아닌 경우 컷오프 주파수를 높여 게인과 주파수 응답을 낮춰주는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 가변 HPF는, 현재 조향각과 지령 조향각의 차이에 해당하는 위치제어 에러를 입력받고, 지령 조향각속도에 따라 컷오프 주파수를 결정하며, 차속이 높을수록 미분시간 값을 낮춰주어 컷오프 주파수를 높이고, 차속이 낮을수록 미분시간 값을 높여주어 컷오프 주파수를 낮추는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타 시, 외부환경 요인에 의해 발생하는 진동에 의한 조향각 위치제어기의 게인(G) 증가나 가변 HPF의 컷오프 주파수 가변을 방지하기 위하여, 지정된 일정시간 동안 조향각속도가 얼마나 부호 가변이 되는지 실시간으로 모니터링을 실시하는 진동 감지부;를 더 포함하고, 상기 진동 감지부를 통해 지정된 기준 이상의 진동 발생이 감지된 경우, 상기 가변 HPF는, 급조타 자율주행 모드에서 일반 자율주행 모드로 변경하여 이에 대응하는 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 방법은, 전동식 조향시스템의 신호 처리부가 자율주행 시스템에서 출력하는 지령 조향각 정보를 이용하여 지령 조향각가속도 정보를 산출하는 단계; 및 상기 조향각가속도 정보가 미리 지정된 기준 이상일 경우, 자율주행 해지 판단부가 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타로 판단하여 자율주행 해지를 금지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자율주행 해지 판단부가 자율주행 조건에서 밴드 스탑 필터를 거친 컬럼토크를 이용하여 자율주행 해지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고, 상기 밴드 스탑 필터는, 사용자의 의도치 않은 조타개입 시 발생하는 주파수 성분의 컬럼토크를 제거하는 필터인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 신호 처리부가 자율주행 시스템에서 출력하는 지령 조향각 정보를 이용하여 지령 조향각가속도 정보를 산출하는 단계에서, 상기 신호 처리부는, 상기 자율주행 시스템에서 출력된 지령 조향각을 연속해서 2번 미분하여 조향각가속도를 산출하는 제1 미분기와 제2 미분기; 및 상기 산출된 조향각가속도에서 노이즈를 처리하여 보정하는 LPF(Low pass filter);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타 시, 게인 조정부가, 조향각 위치제어기의 게인(G)이 커지도록 조정하여 순간적인 게인 응답성을 향상시키는 단계; 및 가변 HPF(High Pass Filter)가, 상기 조향각 위치제어기의 위치제어 에러를 모니터링 하여, 현재 조향각이 원하는 지령 조향각에 도달하면 급조타 자율주행 모드에서 일반 자율주행 모드로 변경하여 이에 대응하는 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 가변 HPF가 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 단계에서, 상기 가변 HPF는, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타인 경우 컷오프 주파수를 낮추어 게인과 주파수 응답을 높여주고, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타가 아닌 경우 컷오프 주파수를 높여 게인과 주파수 응답을 낮춰주는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 가변 HPF가 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 단계에서, 상기 가변 HPF는, 현재 조향각과 지령 조향각의 차이에 해당하는 위치제어 에러를 입력받고, 지령 조향각속도에 따라 컷오프 주파수를 결정하며, 차속이 높을수록 미분시간 값을 낮춰주어 컷오프 주파수를 높이고, 차속이 낮을수록 미분시간 값을 높여주어 컷오프 주파수를 낮추는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타 시, 외부환경 요인에 의해 발생하는 진동에 의한 조향각 위치제어기의 게인(G) 증가나 가변 HPF의 컷오프 주파수 가변을 방지하기 위하여, 진동 감지부가 지정된 일정시간 동안 조향각속도가 얼마나 부호 가변이 되는지 실시간으로 모니터링을 실시하는 단계;를 더 포함하고, 상기 진동 감지부를 통해 지정된 기준 이상의 진동 발생이 감지된 경우, 상기 가변 HPF가, 급조타 자율주행 모드에서 일반 자율주행 모드로 변경하여 이에 대응하는 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 차량의 자율주행 중 충돌이나 다른 사고 위험이 갑자기 발생하는 긴급한 상황에서 자율주행 모드가 해지되지 않고 유지되게 하면서 급조타가 수행될 수 있도록 함으로써, 사고를 회피할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 진동 감지부가 조향각속도의 부호 변화를 모니터링 하는 방법을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 3은 상기 도 1에 있어서, 가변 HPF의 특성에 대한 이해를 돕기 위하여 보인 예시도.
도 4는 상기 도 1에 있어서, 조향각 위치제어기의 실험 결과에 따른 응답성을 기존과 비교하여 보인 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치는, 밴드 스탑 필터(Band Stop Filter)(110), 자율주행 해지 판단부(120), 진동 감지부(130), 자율주행 시스템(140), 조향각 위치제어기(150), 및 신호처리부(160)를 포함한다. 상기 신호처리부(160)는 가변 HPF(High Pass Filter)(161), 게인 조정부(162), 제1 미분기(163), 제2 미분기(164), 및 LPF(Low Pass Filter)(165)를 포함한다.

상기 자율주행 해지 판단부(120)는, 미리 지정된 긴급 조건(예 : 자율주행 시스템의 급조타에 의한 충돌 회피 조건)을 제외한, 나머지 일반적인 자율주행 조건에서 컬럼토크가 상기 밴드 스탑 필터(110)를 거친 신호를 이용하여 자율주행 해지 여부를 판단한다.

예컨대 상기 자율주행 해지 판단부(120)는 사용자의 의도치 않은 조타개입(예 : 조타가 아닌 사용자의 핸들 터치 등에 의한 진동 등) 시 MDPS의 토션바 공진점과 유사한 진동(즉, 오차범위에서 같은 진동 주파수)이 발생하는데, 이를 상기 밴드 스탑 필터(110)를 통해 필터링하여 해당 주파수 성분의 컬럼토크(즉, 사용자의 의도치 않은 조타개입에 의해 발생한 주파수 성분의 컬럼토크)는 제거한다. 이를 통해 의도치 않은 사용자의 조타개입이 발생하더라도 자율주행을 해지하지 않는다.

또한 상기 자율주행 해지 판단부(120)는 지령 조향각과 조향각속도 정보를 입력받아 자율주행 해지 여부를 판단한다.

예컨대 상기 자율주행 해지 판단부(120)는 만약 상기 자율주행 시스템(140)으로부터 지령 조향각이 차량의 기하학(Geometry) 특성을 기준으로 최대 조타가능 각도 이상이 인가될 경우 자율주행을 해지하며, 또한 조향각속도가 자율주행 중 운전자가 편안한 승차감을 갖기 힘든 조건이나 제어가 불가능한 수준일 경우(즉, 기준 이상의 조향각속도가 입력될 경우) 자율주행을 해지하게 된다.

참고로 상기 자율주행 해지 판단부(120)가 자율주행을 해지하는 것은, 미리 지정된 긴급 조건(예 : 자율주행 시스템의 급조타에 의한 충돌 회피 조건)을 제외한, 일반적인 자율주행 조건에서 운전자가 안전하게 자율주행을 이용하는 조건기준이다. 물론 이는 차량의 기하학(Geometry) 특성에 따라 달라질 수 있다. 즉, 차량의 길이와 무게, 그리고 기어비에 따른 선회각 특성 등에 따라 횡가속도나 요레이트의 크기와 변화율이 달라질 수 있으므로, 이는 차량별 특성을 고려하여 튜닝되며 내부 메모리(미도시)에 저장된다.

하지만, 이미 상술한 바와 같이 만약 긴급하게 장애물이 튀어나와 차속을 줄이더라도 충돌을 회피할 수 없는 상황이 발생할 경우에는 급조타(또는 긴급 조타)에 의한 충돌 회피가 필요하게 된다.

이럴 경우, 즉 자율주행 시스템(140)에 의한 긴급 조타가 이루어 질 경우, 토션바가 순간적으로 급격하게 비틀림으로 인해 컬럼토크가 크게 상승하게 되며, 이에 따라 기존에는 상기 자율주행 해지 판단부(120)는 운전자가 의도한 조타로 잘못 판단하여 자율주행이 해지될 수 있었다.

그런데 이는(즉, 자율주행 시스템에 의한 긴급 조타는) 미리 지정된 일반적인 자율주행 조건이 아니다.

따라서 컬럼토크가 일정수준 이상일 경우 자율주행을 해지하도록 되어 있는 기존의 자율주행 해지 조건에 따라 자율주행이 해지될 수 있다.

즉, 장애물을 회피하기 위해 자율주행 시스템(140)이 급조타 명령을 내림으로써 컬럼토크가 상승되었는데, 이를 사용자가 의도한 조타 개입으로 잘못 판단하여 자율주행을 해지할 경우 차량은 장애물을 회피하지 못하고 장애물에 충돌하게 되는 문제점이 있었다.

상기와 같이 자율주행 시스템에 의한 급조타 시, 자율주행 해지 판단부(120)가 사용자의 조타 개입으로 잘못 판단하는 것을 방지하기 위해서는 우선 상기 자율주행 시스템(140)에서 출력하는 지령 조향각 정보를 이용하여 지령 조향각가속도 정보를 구해야 한다.

일반적으로 회전토크는 회전관성모멘트와 조향각가속도의 곱의 양에 비례하기 때문에 만약 지령 조향각가속도가 지정된 기준 값 이상 발생할 경우 회전토크의 증가를 예상할 수 있다. 따라서 상기 제1 미분기(163) 및 제2 미분기(164)를 통해 상기 자율주행 시스템(140)에서 출력된 지령 조향각을 2번 미분하여 조향각가속도를 구하고, 이때 발생하는 노이즈를 LPF(Low pass filter)(165)를 통해 처리하여 보정한다. 상기 LPF(165)를 통해 보정되어 출력된 조향각가속도 값이 지정된 기준 이상일 경우, 상기 자율주행 해지 판단부(120)에서 자율주행 해지를 금지한다.

참고로 자율주행 해지를 금지하기 위한 조향각가속도의 크기는 순간적인 차량선회각도의 변화를 의미하며, 이는 차량의 특성에 따라 달라질 필요가 없으므로, 기준 조향각가속도를 시험을 통해 결정해 메모리(미도시)에 적용 후 모든 차종에 이용할 수 있다.

또한 상기와 같이 자율주행 시스템(140)으로부터 급조타 명령이 입력될 경우, 상기 자율주행 해지 판단부(120)에서 자율주행이 해지되는 것을 방지하며, 이때 발생하는 조향각속도와 차속을 바탕으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가변 HPF(161)와 상기 게인 조정부(162)를 통해 상기 조향각 위치제어기(150)의 성능을 가변시킬 수 있다.

통상적으로 차속이 높을 경우(또는 빠른 경우) 차량의 노면 부하가 줄어들게 되고, 반대로 차속이 낮을수록(또는 느릴수록) 차량의 노면 부하가 높아져 조타 시 많은 출력이 필요하게 된다. 또한 조향각속도가 높을수록(또는 클수록) 많은 출력이 필요하고, 조향각속도가 낮을수록(또는 작을수록) 낮은 출력이 필요하다. 한편 차속이 낮을수록 가변 HPF(161)의 컷오프(Cut off) 주파수가 낮아져 넓은 대역폭에 대응 가능하도록 하고, 차속이 빠를수록 가변 HPF(161)의 컷오프(Cut off) 주파수가 높아져 좁은 대역폭에 대응 가능하도록 한다. 그 이유는 차속이 빠를수록 노면 노이즈나 기구, 또는 타이어 등의 노이즈에 의해 MDPS의 제어 안정성이 떨어질 수 있기 때문이다.

또한 상기 게인 조정부(162)는 조향각속도가 높을수록 게인(G)이 커지고 조향각속도가 낮을수록 게인(G)도 작아지게 된다. 이에 따라 만약 급조타가 필요할 경우 게인(G)이 커져 순간적인 게인 응답성이 크게 올라가게 된다.

여기서 상기 가변 HPF(161)는 상기 조향각 위치제어기(150)의 위치제어 에러(즉, 지령 조향각 - 현재 조향각) 량을 모니터링 하며, 만약 원하는 지령 조향각에 도달하면, 가변 HPF(161)는 급조타 자율주행 모드 설정 값에서 다시 일반적인 자율주행 모드 설정 값(예 : Cut off 주파수 및 게인(G) 값)으로 원복 된다.

참고로 가변 HPF(161)를 적용함으로써 향상되는 상기 조향각 위치제어기(150)의 제어 특성은 아래와 같다.

일반적으로 상기 조향각 위치제어기(150)에 D제어기(또는 미분제어기)를 추가하여 위치의 변화에 대한 응답성을 높이지만, 이는 외란이나 외부 환경에서 유입되는 노이즈로 인해 증폭되어 진동을 유발하고, 상기 조향각 위치제어기(150)의 성능을 오히려 저하시킬 수 있다. 이를 방지하기 위하여 보통 D제어기 앞단에 LPF(Low pass filter)나 래그 보상기(Lag-compensator)를 적용한다. 하지만 구조가 복잡해지고 조타 상황에 따라 가변이 필요할 경우 변경해야 할 파라미터나 인자 값들이 많아지게 된다. 즉, 일반적으로 조향각 위치제어기(150)의 P-PI에 있어서, P제어기 단을 PI나 PID로 설계하여 PI-PI나 PID-PI 구성을 이용하는데, 이보다 더 효율적이고 조타 상황에 따라 제어기의 성능을 극대화시켜 노이즈나 외란에 강하면서도 응답성을 크게 향상 시킬 수 있는 방법이 필요하다.

이에 따라 통상적으로 PID 제어기(또는 비례미분적분 제어기)에서 D 제어기(또는 미분 제어기)에 LPF(Low pass filter)나 래그 보상기(Lag-compensator)를 적용하였을 경우, 수식을 정리해 보면 G(s) = Kp(1 + 1/Ti*s + Td*s/(1+s*Td))로 나타낼 수 있다. 이를 각각 PID 제어 게인을 분리하여 다시 풀어보면(즉 Kp를 I나 D제어기에 맞게 게인을 분리하면) G(s) = kp + Ki/Ti*s + Kd*s/(1 +Td*s)로 나타낼 수 있고, 이때 D제어를 다시 정리하면 (1/Td)/((1/Td)+s)) * Td*Kp*s 로 풀어볼 수 있다.

즉, D제어기에 래그(Lag)나 LPF(Low pass filter)를 적용하는 것이 아니라 특화된 D제어 게인을 설정하고, 이에 HPF(High pass filter)를 적용하면 응답성을 높이면서 노이즈나 외란에도 강건화된 구조를 만들 수 있다(여기서, Ti, Td는 각 제어기별 제어 시간을 나타내는 것으로서, 이에 Ti는 적분시간을 나타내며, Td는 미분시간을 나타낸다).

이에 따라 본 실시예는 상기와 같은 제어 특성을 응용하여, 상기 조향각 위치제어기(150)에 입력된 지령 조타속도가 빠르면 상기 가변 HPF(161)의 컷오프(cut off) 주파수를 낮추고, 즉 조타영역의 필요 게인과 주파수 응답을 높여주고, 만약 지령 조타속도가 느릴 경우, 상기 가변 HPF(161)의 컷오프(cut off) 주파수를 높이고, 즉 조타영역의 필요 게인과 주파수 응답을 낮춰주어, 노이즈엔 둔감하게 하여 진동이나 외란에 반응하지 않도록 한다.

이에 따라 만일 자율주행 중 급조타에 의한 충돌 회피가 필요할 경우에 매우 효과적이고 능동적으로 위치제어가 가능하게 한다.

다만 급조타가 완료된 후에도 계속해서 제어응답을 높여줄 경우, 일반적인 주행 시 외란이나 노이즈가 증폭되어 위치제어의 성능을 저하 시키지만, 본 실시예에서와 같이 급조타 제어가 필요한 경우에 이러한 제어는 오히려 운전자의 안전을 향상시키는데 반드시 필요하다.

즉, 가변 HPF(161)는 현재 조향각과 지령 조향각의 차이에 해당하는 에러 값(즉, 위치제어 에러)을 입력받고, 컷오프 주파수는 지령 조향각속도에 따라 결정되며, 상기 게인 조정부(162)의 게인(G)은 위치제어 게인(Kp)에 미분시간(Td)을 곱하여 구한다(G = Kp * Td).

여기서 Kp는 PID제어기의 P게인을 의미한다.

참고로 미분시간(Td)의 경우는 PID제어기에서 D제어기의 제어주기와 주파수를 정의할 수 있으므로, 게인(G)을 제어하기 위해서는 Kd값을 가변시킨다.

여기서 Kd는 PID제어기의 D게인을 의미한다.

이미 정의된 바와 같이, 전달함수 내에서 조향각속도가 빠를수록 Kd값을 증가시키고, 조향각속도가 낮을수록 Kd값을 줄여주어 제어기의 게인응답 특성을 가변시킨다. 또한 상술한 바와 같이 전달함수를 다시 살펴보면, (1/Td)/((1/Td)+s)) * Td*Kp*s 에서 특정 부분(즉, (1/Td)+s), *s)은 HPF(High pass filter)의 형태와 같으며, 1/Td를 통하여 원하는 주파수로 설정이 가능하다.

즉 일반적인 HPF(High pass filter)의 전달함수를 살펴보면 s/(s+w)로 나타 낼 수 있고, 여기서 w는 2*pi*f로서, 이때 f가 바로 컷오프 주파수이다.

상기 전달함수에서는 1/Td가 바로 w가 되며 원하는 주파수를 설정하기 위해서 Td값을 가변 시키면 된다.

즉, 차속이 높을수록 외부의 노이즈나 타이어 진동 등이 심해지므로 미분시간(Td) 값을 낮춰주면(즉, 감소시키면) 컷오프 주파수가 뒤로 밀리게 되고(즉, 컷오프 주파수가 높아지고), 차속이 낮을수록 미분시간(Td) 값을 높여주면(즉, 증가시키면) 컷오프 주파수도 낮아져 더 많은 대역폭을 제어할 수 있다. 이는 MDPS의 제어 안정성을 고려하여 시험을 통해 결정되며, 차속 및 조향각속도에 따라 게인(G) 값과 미분시간(Td) 값은 튜닝맵에 저장되어 동작한다.

하지만, 자율주행 중 급조타가 진행될 경우 외부환경 등의 요인으로 진동 등이 발생할 수 있다. 이럴 경우 사전에 감지하여 과도한 게인(G) 증가나 상기 가변 HPF(161)의 컷오프 주파수 가변을 방지해야 한다.

이를 위해 상기 진동 감지부(130)는 지정된 일정시간 동안 조향각속도가 얼마나 부호 가변이 되는지 실시간으로 모니터링을 실시한다(도 2 참조).

예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 1초 동안의 카운트 시간동안 조향각속도의 부호가 총 3번이 변했을 경우는 1Hz의 노이즈가 발생하였다고 판단할 수 있다.

통상적으로 MDPS는 토션바의 강성이 가장 낮아 토션바의 공진주파수에서 진동이 가장 잘 발생한다. 이는 보통 8 ~ 12Hz로서, 예컨대 1초당 17번 부호변화가 발생 했을 경우 8Hz의 진동이 발생한다는 가정이 가능하며, 이는 과도한 게인(G) 증가나 상기 가변 HPF(161)의 컷오프 주파수가 지나치게 낮아졌다고 볼 수 있으므로, 미리 지정된 일반적인 자율주행 조건의 게인(G) 값이나 컷오프 주파수 값으로 원복을 하게 한다.

한편 자율주행 시 정상적인 상황에서 MDPS가 위치제어를 실행 할 경우 MDPS의 공진을 방지하기 위해 상기 조향각 위치제어기(150)를 설계하고 PID 게인을 튜닝한다. 하지만 순간적인 장애물 회피를 위하여 상기 조향각 위치제어기(150)의 성능을 극대화 시킬 경우, 즉 게인(G)을 순간적으로 올리거나 상기 가변 HPF(161)의 컷오프 주파수를 8 ~ 12Hz 근처의 영역까지 낮출 경우 주파수 특성에 따른 게인이 높아지게 되므로, 상기 조향각 위치제어기(150)의 안정성이 떨어져 진동이 발생할 수 있다. 이는 일반적으로 MDPS에서 8 ~ 12Hz의 토션바 공진 주파수가 검출되지 않는데, 상기 진동 감지부(130)에서 해당 주파수의 신호가 검출될 경우 게인(G)을 낮추거나 상기 가변 HPF(161)의 컷오프 주파수를 진동이 발생하지 않는 정상조건의 수준으로 원복 함으로써 제어가 가능하다.

다시 말해, 본 실시예에서 순간적인 응답성을 높이기 위해 상기 조향각 위치제어기(150)의 게인(G)을 높이거나, 순간적인 조타가 필요한 주파수의 게인 특성을 높여주기 위해 컷오프 주파수를 조절할 경우(일반적으로 가변 HPF(161)의 경우 컷오프 주파수를 낮출수록 8 ~ 12Hz의 주파수에 따른 게인 레벨이 높아지게 됨), 상기 조향각 위치제어기(150)의 안전성 마진이 떨어지게 되므로, 상기 진동 감지부(130)에서 이를 모니터링 하여 만약 진동이 발생한다고 판단이 된다면, 상기 조향각 위치제어기(150)의 성능을 다시 정상상태로 되돌리는 것이다.

이를 통하여 급조타 상황의 경우 자율주행 해지를 차단하고, 상기 조향각 위치제어기(150)의 성능을 가변 HPF(161)를 통해 극대화시킴으로써 자율주행 차량이 긴급한 상황에서 장애물을 회피 할 수 있도록 한다. 뿐만 아니라 위치제어 에러 량으로 가변된 상기 가변 HPF(1161)의 컷오프 주파수를 다시 일반적인 자율주행 상황에 맞게 원복시키고, 만약 급조타 시 상황에 따라 진동이 발생하였을 경우 상기 가변 HPF(161)를 최적화시킴으로써 급조타로 인한 부작용(Side effect)도 사전에 방지할 수 있도록 한다.

이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 조향각 위치제어기의 실험 결과, 도 4의 (a),(b)와 같이 지령 조향각으로 스텝 신호(Step Signal)(예 : 급조타에 대응하는 신호)의 입력(검정색 신호)에 따른 응답성(파란색 신호)이 기존의 다른 위치제어기(빨강, 연두, 및 갈색 신호)에 비해서 훨씬 향상된 것을 알 수 있으며, 또한 도 4의 (c),(d)와 같이 지령 조향각으로 첩 신호(chirp Signal)(예 : 급조타를 제외한 일반 조타에 대응하는 신호)의 입력(검정색 신호)에 따른 응답성(파란색 신호)도 기존의 다른 위치제어기(빨강, 연두, 및 갈색 신호)에 비해서 훨씬 향상된 것을 알 수 있다.

상기와 같이 본 실시예는 자율주행 중 갑자기 발생하는 장애물 등을 피하고자 할 때 감속만으로 충분히 대응할 수 없는 상황이 발생할 수 있다. 이럴 경우 급조타가 이루어지게 되는데 이와 같이 급조타가 이루어지게 될 경우 자율주행이 해지가 될 여지가 있다. 즉, 급조타가 발생할 경우 빠른 조타 속도, 가속도, 비선형 조타지령, 및 컬럼토크 상승 등 일반적인 자율주행 상황에선 발생하지 않는 신호들이 전동식 조향시스템에 인가된다. 이러한 일반적인 자율주행 상황에선 발생하지 않는 신호들이 전동식 조향시스템에 인가되는 상황이 판단될 경우, 자율주행을 해지하지 않고 급조타 명령을 빠르고 정확하게 수행할 수 있도록 하기 위하여, 위치제어기의 성능을 순간적으로 극대화시킴으로써, 위험한 순간에 안정적으로 긴급한 회피가 가능하게 하는 효과가 있다.

이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.

110 : 밴드 스탑 필터
120 : 자율주행 해지 판단부
130 : 진동 감지부
140 : 자율주행 시스템
150 : 조향각 위치제어기
160 : 신호처리부
161 : 가변 HPF
162 : 게인 조정부
163 : 제1 미분기
164 : 제2 미분기
165 : LPF(Low Pass Filter)

Claims

자율주행 조건에서 밴드 스탑 필터를 거친 컬럼토크를 이용하여 자율주행 해지 여부를 판단하는 자율주행 해지 판단부;
자율주행 시스템에서 출력하는 지령 조향각 정보를 이용하여 지령 조향각가속도 정보를 산출하는 신호 처리부;
상기 자율주행 시스템에 의한 급조타 시, 조향각 위치제어기의 게인(G)이 커지도록 조정하여 순간적인 게인 응답성을 향상시키는 게인 조정부; 및
상기 조향각 위치제어기의 위치제어 에러를 모니터링 하여, 현재 조향각이 원하는 지령 조향각에 도달하면 급조타 자율주행 모드에서 일반 자율주행 모드로 변경하여 이에 대응하는 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 가변 HPF(High Pass Filter);를 포함하며
상기 자율주행 해지 판단부는,
상기 조향각가속도 정보가 미리 지정된 기준 이상일 경우, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타로 판단하여 자율주행 해지를 금지하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제 1항에 있어서, 상기 밴드 스탑 필터는,
사용자의 의도치 않은 조타개입 시 발생하는 주파수 성분의 컬럼토크를 제거하는 필터인 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제 2항에 있어서,
상기 사용자의 의도치 않은 조타개입 시 발생하는 주파수 성분은,
전동식 조향시스템의 토션바 공진점과 오차범위에서 같은 진동 주파수인 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제 1항에 있어서, 상기 자율주행 해지 판단부는,
사용자의 의도치 않은 조타개입 시 발생하는 주파수 성분의 컬럼토크를 상기 밴드 스탑 필터를 통해 제거하여, 의도치 않은 사용자의 조타개입이 발생하더라도 자율주행 해지를 금지하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제 1항에 있어서, 상기 자율주행 해지 판단부는,
자율주행 시스템으로부터 지령 조향각이 차량의 기하학(Geometry) 특성을 기준으로 지정된 최대 조타가능 각도 이상이 인가될 경우 자율주행을 해지하며, 또한
지정된 기준 이상의 조향각속도가 입력될 경우에도 자율주행을 해지하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제 1항에 있어서, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타는,
상기 자율주행 시스템에 의한 조타에 의해 토션바가 순간적으로 급격하게 비틀림으로 인해 컬럼토크가 미리 지정된 기준 이상으로 크게 상승하는 조타인 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제 1항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
상기 자율주행 시스템에서 출력된 지령 조향각을 연속해서 2번 미분하여 조향각가속도를 산출하는 제1 미분기와 제2 미분기; 및
상기 산출된 조향각가속도에서 노이즈를 처리하여 보정하는 LPF(Low pass filter);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 위치제어 에러는,
지령 조향각과 현재 조향각의 차이에 해당하는 값인 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제 1항에 있어서, 상기 가변 HPF는,
상기 자율주행 시스템에 의한 급조타인 경우 컷오프 주파수를 낮추어 게인과 주파수 응답을 높여주고,
상기 자율주행 시스템에 의한 급조타가 아닌 경우 컷오프 주파수를 높여 게인과 주파수 응답을 낮춰주는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제 1항에 있어서, 상기 가변 HPF는,
현재 조향각과 지령 조향각의 차이에 해당하는 위치제어 에러를 입력받고,
지령 조향각속도에 따라 컷오프 주파수를 결정하며,
차속이 높을수록 미분시간 값을 낮춰주어 컷오프 주파수를 높이고,
차속이 낮을수록 미분시간 값을 높여주어 컷오프 주파수를 낮추는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제 1항에 있어서, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타 시,
외부환경 요인에 의해 발생하는 진동에 의한 조향각 위치제어기의 게인(G) 증가나 가변 HPF의 컷오프 주파수 가변을 방지하기 위하여,
지정된 일정시간 동안 조향각속도가 얼마나 부호 가변이 되는지 실시간으로 모니터링을 실시하는 진동 감지부;를 더 포함하고,
상기 진동 감지부를 통해 지정된 기준 이상의 진동 발생이 감지된 경우,
상기 가변 HPF는,
급조타 자율주행 모드에서 일반 자율주행 모드로 변경하여 이에 대응하는 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
전동식 조향시스템의 신호 처리부가 자율주행 시스템에서 출력하는 지령 조향각 정보를 이용하여 지령 조향각가속도 정보를 산출하는 단계; 및
상기 조향각가속도 정보가 미리 지정된 기준 이상일 경우, 자율주행 해지 판단부가 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타로 판단하여 자율주행 해지를 금지하는 단계;를 포함하되,
상기 자율주행 시스템에 의한 급조타 시,
게인 조정부가, 조향각 위치제어기의 게인(G)이 커지도록 조정하여 순간적인 게인 응답성을 향상시키는 단계; 및
가변 HPF(High Pass Filter)가, 상기 조향각 위치제어기의 위치제어 에러를 모니터링 하여, 현재 조향각이 원하는 지령 조향각에 도달하면 급조타 자율주행 모드에서 일반 자율주행 모드로 변경하여 이에 대응하는 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제 13항에 있어서,
상기 자율주행 해지 판단부가 자율주행 조건에서 밴드 스탑 필터를 거친 컬럼토크를 이용하여 자율주행 해지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고,
상기 밴드 스탑 필터는,
사용자의 의도치 않은 조타개입 시 발생하는 주파수 성분의 컬럼토크를 제거하는 필터인 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제 14항에 있어서,
상기 사용자의 의도치 않은 조타개입 시 발생하는 주파수 성분은,
전동식 조향시스템의 토션바 공진점과 오차범위에서 같은 진동 주파수인 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제 14항에 있어서, 상기 자율주행 해지 판단부는,
사용자의 의도치 않은 조타개입 시 발생하는 주파수 성분의 컬럼토크를 상기 밴드 스탑 필터를 통해 제거하여, 의도치 않은 사용자의 조타개입이 발생하더라도 자율주행 해지를 금지하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제 13항에 있어서, 상기 자율주행 해지 판단부는,
자율주행 시스템으로부터 지령 조향각이 차량의 기하학(Geometry) 특성을 기준으로 지정된 최대 조타가능 각도 이상이 인가될 경우 자율주행을 해지하며, 또한
지정된 기준 이상의 조향각속도가 입력될 경우에도 자율주행을 해지하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제 13항에 있어서, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타는,
상기 자율주행 시스템에 의한 조타에 의해 토션바가 순간적으로 급격하게 비틀림으로 인해 컬럼토크가 미리 지정된 기준 이상으로 크게 상승하는 조타인 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제 13항에 있어서, 상기 신호 처리부가 자율주행 시스템에서 출력하는 지령 조향각 정보를 이용하여 지령 조향각가속도 정보를 산출하는 단계에서,
상기 신호 처리부는,
상기 자율주행 시스템에서 출력된 지령 조향각을 연속해서 2번 미분하여 조향각가속도를 산출하는 제1 미분기와 제2 미분기; 및
상기 산출된 조향각가속도에서 노이즈를 처리하여 보정하는 LPF(Low pass filter);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
삭제
제 13항에 있어서, 상기 위치제어 에러는,
지령 조향각과 현재 조향각의 차이에 해당하는 값인 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제 13항에 있어서,
상기 가변 HPF가 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 단계에서,
상기 가변 HPF는,
상기 자율주행 시스템에 의한 급조타인 경우 컷오프 주파수를 낮추어 게인과 주파수 응답을 높여주고, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타가 아닌 경우 컷오프 주파수를 높여 게인과 주파수 응답을 낮춰주는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제 13항에 있어서,
상기 가변 HPF가 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 단계에서,
상기 가변 HPF는,
현재 조향각과 지령 조향각의 차이에 해당하는 위치제어 에러를 입력받고,
지령 조향각속도에 따라 컷오프 주파수를 결정하며,
차속이 높을수록 미분시간 값을 낮춰주어 컷오프 주파수를 높이고,
차속이 낮을수록 미분시간 값을 높여주어 컷오프 주파수를 낮추는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제 13항에 있어서, 상기 자율주행 시스템에 의한 급조타 시,
외부환경 요인에 의해 발생하는 진동에 의한 조향각 위치제어기의 게인(G) 증가나 가변 HPF의 컷오프 주파수 가변을 방지하기 위하여,
진동 감지부가 지정된 일정시간 동안 조향각속도가 얼마나 부호 가변이 되는지 실시간으로 모니터링을 실시하는 단계;를 더 포함하고,
상기 진동 감지부를 통해 지정된 기준 이상의 진동 발생이 감지된 경우,
상기 가변 HPF가,
급조타 자율주행 모드에서 일반 자율주행 모드로 변경하여 이에 대응하는 컷 오프 주파수 및 게인(G) 값으로 조정하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.