KR102402807B1 - 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법 - Google Patents

능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법 Download PDF

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Abstract

능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법에 관한 것이다.
롤 각 추정 모델이, 횡가속도를 계측하는 횡가속도 센서, 롤 각을 저감시키는 능동 롤 제어 시스템(ARS:Active Roll System), 서스펜션의 댐핑력을 조절하는 전자 제어 현가 장치(ECS:Electronic Control Suspension)를 포함하는 차량으로부터 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 하나를 입력받는 단계; 상기 차량으로부터 입력받은 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 차량 롤 각을 추정하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

Description

능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법{METHOD FOR ESTIMATING VEHICLE ROLL ANGLE FOR ACTIVE SUSPENSION CONTROL SYSTEM}
본 발명은 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 능동/반능동 현가 제어 시스템인 ARS(Active Roll System:능동 롤 제어 시스템)와 ECS(Electronic Control Suspension:전자 제어 현가 장치)이 적용된 차량에 대한 차량 롤 각 추정 방법에 관한 것이다.
차량의 롤 운동은 선회운동에 따른 횡방향 관성력과 좌우 불균일한 노면 입력에 의해 발생된다.
일반적인 도로 주행 상황에서 조향 입력에 의한 횡방향 관성력은 주로 1Hz이하의 주파수 영역에서 롤 운동을 발생시킨다.
한편 고속 주행에서는 급격한 조향을 하면 큰 롤 모션이 발생되며, 이때 내륜에서 외륜으로의 하중 이동이 크게 일어나 차량의 횡방향 자세가 불안정해질 수 있다.
이런 상황에서 차량의 안정성과 승차감을 동시 개선하기 위해, 롤 각을 저감시키는 능동 롤 제어 시스템(ARS:Active Roll System) 및 서스펜션의 댐핑력을 조절하는 전자 제어 현가 장치(ECS:Electronic Control Suspension)와 같은 능동/반능동 현가 제어 시스템들이 적용되어 왔다.
최근 고급 승용 차량에서의 능동 현가 제어 시스템들의 적용이 확대되어 가고 있으며, 보다 제어 응답성이 빠르고 신뢰성 및 정확도가 높은 시스템 사양이 요구되고 있다.
차량의 롤 각 추정에 대한 연구는 지난 20~30년간 활발하게 진행되었으며 현재까지도 여전히 이뤄지고 있다.
기존 연구들에서는 주로 횡가속도 센서를 모델 입력으로 하는 롤 운동 방정식을 통해 롤 각을 추정한다.
하지만, 많은 연구에서 롤 운동 방정식의 롤 각가속도와 롤 각속도를 생략하여 정상 상태 롤 각을 추정하였기 때문에 횡가속도가 빠르게 변화하는 선회 조건에서는 롤 각 추정이 정확하지 못한 경우가 발생한다.
또한, 차량의 롤 각속도를 적분하는 방법 혹은 무게 중심의 높이와 수직 운동 방정식을 통해 롤 각 추정 알고리즘을 개발해왔지만, 능동/반능동 현가 제어 시스템이 롤 모델에 적절하게 반영되지 않아 ARS/ECS 제어가 적용되는 상황에서 롤 각 추정 성능의 한계가 존재하는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2016-0066415호(공개일 2016.06.10.)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 능동/반능동 현가 제어 시스템이 장착된 차량에서 횡가속도 센서와 ARS/ECS의 제어 정보를 이용하여 차량의 롤 각을 추정할 수 있도록 하는 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법은, 롤 각 추정 모델이, 횡가속도를 계측하는 횡가속도 센서, 롤 각을 저감시키는 능동 롤 제어 시스템(ARS:Active Roll System), 서스펜션의 댐핑력을 조절하는 전자 제어 현가 장치(ECS:Electronic Control Suspension)를 포함하는 차량으로부터 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 하나를 입력받는 단계; 상기 차량으로부터 입력받은 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 차량 롤 각을 추정하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 차량으로부터 입력받은 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 차량 롤 각을 추정하는 단계는, 상기 횡가속도 계측치 및 ARS 롤 모멘트를 아래의 수학식 1에 적용시켜 롤 각을 추정하는 단계인 것이 바람직하다.
[수학식 1]
Figure 112020127112976-pat00001
수학식 1에서,
Figure 112020127112976-pat00002
는 시정수,
Figure 112020127112976-pat00003
는 DC 이득,
Figure 112020127112976-pat00004
는 높이,
Figure 112020127112976-pat00005
는 차량 현가 상질량,
Figure 112020127112976-pat00006
는 횡가속도 계측치,
Figure 112020127112976-pat00007
는 ARS 롤 모멘트이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 시정수
Figure 112020127112976-pat00008
는, 차량에 탑재된 현가 장치의 댐핑계수에 의해 결정되는 값이고, 상기 ARS 롤 모멘트
Figure 112020127112976-pat00009
는, ARS ECU(Electronic Control Unit)에서 산출되어 입력되는 값인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 차량으로부터 입력받은 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 차량 롤 각을 추정하는 단계는, 상기 횡가속도 계측치 및 ECS 댐핑력을 아래의 수학식 2에 적용시켜 롤 각을 추정하는 단계인 것이 바람직하다.
[수학식 2]
Figure 112020127112976-pat00010
수학식 2에서,
Figure 112020127112976-pat00011
는 DC 이득,
Figure 112020127112976-pat00012
는 가변 시정수,
Figure 112020127112976-pat00013
는 높이,
Figure 112020127112976-pat00014
는 차량 현가 상질량,
Figure 112020127112976-pat00015
는 횡가속도 계측치이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 가변 시정수
Figure 112020127112976-pat00016
는, 아래의 수학식 3과 같이 구현되는 것이 바람직하다.
[수학식 3]
Figure 112020127112976-pat00017
수학식 3에서,
Figure 112020127112976-pat00018
는 전륜 댐핑 계수와 후륜 댐핑 계수의 댐핑력 반영 비율,
Figure 112020127112976-pat00019
은 전륜 댐퍼의 롤 댐핑 계수에 근거하여 설계된 댐핑 지수,
Figure 112020127112976-pat00020
은 후륜 댐퍼의 롤 댐핑 계수에 근거하여 설계된 댐핑 지수,
Figure 112020127112976-pat00021
는 시정수 이득이다.
본 발명의 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법은, 능동/반능동 현가 제어 시스템이 장착된 차량에서 횡가속도 센서와 ARS/ECS의 제어 정보를 이용하여 차량의 롤 각을 보다 정확하게 추정할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법에 적용되는 차량 롤 각 추정 모델의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 차량 롤 운동 모델을 나타내는 도면이다.
도 3은 능동 현가 제어 시스템이 적용된 실제 차량의 다양한 차속에서 조향에 의한 롤 계측 데이터를 주파수 분석한 결과를 예시적으로 보인 도면이다.
도 4는 1차 시스템과 2차 시스템의 주파수 영역에서의 게인 및 위상 지연 차이를 예시적으로 보여주는 보드선도이다.
도 5 및 도 6은 각각 차속 90kph와 120kph에서 연속적인 차선 변경 조향 상황에서의 롤 각 추정 결과를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에서 사용된 ECS 모드별 댐퍼 속도에 대한 댐핑력 특성 곡선을 예시적으로 보인 도면이다.
도 8은 전/후 댐퍼가 베이스 셋팅인 차량의 ISO 3888-2 주행에 대한 횡가속도, 조향각, 롤 각속도와 롤 각가속도를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 front hard/rear hard로 제어되는 케이스에 대한 본 발명이 적용된 모델의 정확도를 예시적으로 보인 도면이다.
도 10은 front soft/rear soft로 제어되는 케이스에 대한 본 발명이 적용된 모델의 정확도를 예시적으로 보인 도면이다.
도 11은 front hard/rear base로 제어되는 케이스에 대한 본 발명이 적용된 모델의 정확도를 예시적으로 보인 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법에 적용되는 차량 롤 각 추정 모델의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 1에 도시하는 바와 같이 본 발명에 적용되는 롤 각 추정 모델은 롤 각을 저감시키는 능동 롤 제어 시스템(ARS) 및 서스펜션의 댐핑력을 조절하는 전자 제어 현가 장치(ECS)과 같은 능동/반능동 현가 제어 시스템이 장착된 차량을 위한 차량 롤 각 추정 모델로, 횡가속도 센서의 횡가속도, ARS의 전/후 ARS 롤 모멘트 및 ECS의 FL(Front Left)/FR(Front Right)/RL(Rear Left)/RR(Rear Right) 댐핑력 등의 제어 정보를 입력받아 차량의 롤 각을 추정할 수 있다.
본 발명에 적용되는 차량 롤 각 추정 모델은 도 1에 도시하는 바와 같이 횡가속도 센서의 계측치를 모델 입력으로 하는 2차 롤 운동 방정식을 기반으로 모델 차수 축소 과정을 거쳐 1차 시스템으로 변환할 수 있다.
여기서, ARS를 통해 생성된 롤 모멘트를 차량 롤 각 추정 모델의 추가 모멘트 입력항으로 반영하고, ECS 제어 효과에 의한 댐핑력 변동을 1차 롤 모델 시정수 파라미터에 반영하는 롤 각 추정 알고리즘을 제안할 수 있다.
우선 차량의 2차 롤 운동 방정식에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 적용되는 차량 롤 각 추정 모델은 스프링, 댐퍼 및 롤 회전 관성으로 단순화된 것으로, 차량이 선회하는 경우, 원심력에 의해 선회 바깥쪽으로 롤 거동이 발생할 수 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이 롤 중심에서 발생하는 스프링과 댐퍼의 반력 롤 모멘트, 무게 중심에서 발생하는 횡방향 관성에 의한 모멘트, 중력에 의한 모멘트가 롤 각가속도를 발생시키는 차량 현가 상질량(sprung mass)의 2차 롤 선회 운동 방정식은 수학식 1과 같다.
Figure 112020127112976-pat00022
수학식 1에서
Figure 112020127112976-pat00023
는 차량 롤 관성(vehicle roll inertia, kg·m2)이고,
Figure 112020127112976-pat00024
는 차량 롤 댐핑 계수(vehicle roll damping coefficient, N·m·s/rad)이고,
Figure 112020127112976-pat00025
는 차량 롤 각(vehicle roll angle at c.g of vehicle, deg)이고,
Figure 112020127112976-pat00026
는 차량 롤 강성 계수(vehicle roll stiffness coefficient, N·m/rad)이고,
Figure 112020127112976-pat00027
는 도로 횡경사각(road bank angle, deg)이고,
Figure 112020127112976-pat00028
는 높이(height from roll center to c.g, m)이고,
Figure 112020127112976-pat00029
는 차량 현가 상질량(vehicle sprung mass, kg)이고,
Figure 112020127112976-pat00030
는 차량 요 레이트(vehicle yaw rate, deg/s)이고,
Figure 112020127112976-pat00031
는 종방향, 횡방향 속도(longitudinal/lateral velocity at c.g of vehicle, m/s)이고,
Figure 112020127112976-pat00032
는 중력 가속도(gravity acceleration, m/s2)이다.
한편, 횡가속도 센서 계측치(
Figure 112020127112976-pat00033
: lateral acceleration from sensor, m/s2)는 수학식 1의 순수 횡방향 가속도 성분
Figure 112020127112976-pat00034
과 중력 가속도 성분
Figure 112020127112976-pat00035
을 포함하며 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020127112976-pat00036
참고로, 중력 가속도 성분은 도로에 대한 차량 롤 각(
Figure 112020127112976-pat00037
)뿐만 아니라 도로 횡경사각(
Figure 112020127112976-pat00038
)도 포함하기 때문에 수학식 1은 횡경사 노면에서도 그 유효성이 유지될 수 있다. 결과적으로 롤 모멘트 평형식 수학식 1은 수학식 3과 같이 간략하게 표현될 수 있다.
Figure 112020127112976-pat00039
수학식 3을 라플라스 변환하면 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020127112976-pat00040
수학식 4에서의 2차 롤 운동 모델은 시스템에서 기여도가 상대적으로 적은 상태 변수를 제거하고 중요한 모델의 특성만을 보존하는 방식인 균형적 단절(balanced truncation) 방법론을 통해 1차 롤 운동 모델로 변환하면 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020127112976-pat00041
수학식 5에서
Figure 112020127112976-pat00042
는 1차 롤 모델의 DC 이득(DC gain of first-order roll model)이고,
Figure 112020127112976-pat00043
는 1차 롤 모델의 시정수(time constant of first-order roll model)이다.
균형적 단절 방법론에 의해 도출된 1차 시스템은 2차 시스템 대비 과도 응답 측면에서 정확도가 다소 저하되지만, 본 발명의 관심 주행 상황인 도로 핸들링 조건의 롤 거동의 주파수 영역대(주로 1Hz이하)에서는 롤 각 추정 성능에는 큰 차이가 없으며, 차량 ECU에서 연산 부하가 감소할 뿐만 아니라 모델 파라미터의 간소화로 모델 분석이 용이하게 된다.
도 3은 능동 현가 제어 시스템이 적용된 실제 차량의 다양한 차속에서 조향에 의한 롤 계측 데이터를 주파수 분석한 결과를 예시적으로 보인 도면이다. 이를 통해 대부분 도로 핸들링 상황에서 롤 운동은 1Hz이하의 주파수 영역에서 발생함을 확인할 수 있다.
한편, 도 4는 보드선도(Bode Plot)를 통해 2차 시스템과 모델 축소된 1차 시스템의 주파수 영역에서의 게인 및 위상 지연 차이를 보여준다. 1Hz이하 저주파 구간에서는 모델 축소 1차 시스템의 게인과 위상이 2차 시스템과 거의 유사하게 나타난다. 이를 통해 실차 데이터의 주파수 특성을 고려하여 1차 시스템으로의 모델 차수 축소가 타당함을 확인할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 ARS 제어 모멘트가 반영된 롤 추정식은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020127112976-pat00044
수학식 6은 종래의 롤 추정 수학식 5에 ARS 액추에이터에 의해 생성된 롤 모멘트를 추가 외력 모멘트 입력으로 하는 특징을 갖는다. 여기서, 시정수
Figure 112020127112976-pat00045
는 차량에 탑재된 현가 장치의 댐핑계수에 의해 결정되는 값으로, 차량에 전자 제어 현가 장치(ECS)가 탑재된 경우에는 전자 제어 현가 장치에 의해 가변하는 댐핑계수에 의해 가변되는 값으로 결정될 수 있고, 차량에 수동 현가 장치가 탑재된 경우에는 수동 현가 장치에 의해 고정된 댐핑계수에 의해 고정된 값으로 결정될 수 있다.
그리고, ARS 롤 모멘트(ARS roll moment, N·m)는
Figure 112020127112976-pat00046
로 표현되며, 롤 관성 모션을 억제하는 방향으로 작용할 수 있다. 해당 값은 ARS ECU(Electronic Control Unit)에서 내부적으로 산출하여 CAN 통신을 통해 출력되는 값을 사용할 수 있다.
또한, 수학식 6의 1차 시스템에서 DC 이득 역할을 하는
Figure 112020127112976-pat00047
은 롤 각에 대한 롤 강성 계수의 비선형성을 보상하기 위해 일정한 상수가 아닌 횡가속도 계측치를 입력으로 하는 Look-Up-Table(1D)로 처리하며, 해당 테이블의 수치는 실차 계측 데이터에 근거하여 경험적으로 설계될 수 있다.
한편, ARS가 장착된 차량에서 롤 각 추정 성능을 검증하기 위해 실차 테스트를 수행할 수 있다. 차량은 국내의 대형 승용차량으로, 본 발명에서 사용된 차량 모델 파라미터는 아래 표 1과 같을 수 있다. 정확한 레퍼런스 값 측정을 위하여 상용 GPS/INS RT3000을 장착하여 차량 롤 각을 계측할 수 있다. ARS는 주로 고속 선회 구간에서 안정성 및 승차감 개선 효과를 목적으로 하기 때문에 90kph이상 고속 조건의 연속 차선 변경 시나리오로 테스트를 진행할 수 있다.
sprung mass (
Figure 112020127112976-pat00048
)		 1784.811
Figure 112020127112976-pat00049
CG height from roll center (
Figure 112020127112976-pat00050
)		 0.57
Figure 112020127112976-pat00051
roll inertia (
Figure 112020127112976-pat00052
)		 873.8
Figure 112020127112976-pat00053
roll stiffness coefficient (
Figure 112020127112976-pat00054
)		 145720
Figure 112020127112976-pat00055
roll damping coefficient (
Figure 112020127112976-pat00056
)		 14572
Figure 112020127112976-pat00057
도 5와 도 6은 각각 차속 90kph와 120kph에서 연속적인 차선 변경 조향 상황에서의 롤 각 추정 결과를 예시적으로 나타낸다.
종래의 롤 각 추정 방법은 수학식 5와 같이 ARS 제어 롤 모멘트가 고려되지 못한 롤 각 추정식을 의미하며, 본 발명에 따른 롤 각 추정 방법은 수학식 6과 같이 ARS 롤 모멘트가 추가 모멘트 입력 형태로 적절히 반영된 롤 각 추정식을 의미한다.
우선, 횡가속도 계측치와 ARS 롤 모멘트를 각각 나타낸 상단 그래프는 ARS 롤 모멘트가 롤 각을 감소시키기 위해 횡방향 관성력 반대 방향으로 작용하여 횡가속도 센서 계측치와 역상되는 경향을 보인다.
하단의 롤 각 추정 결과 그래프를 통해, ARS 제어 효과가 모델에 효과적으로 반영된 본 발명의 롤 각 추정 방법이 종래 롤 각 추정 방법 대비 롤 각을 더 정확하게 추정함을 알 수 있다.
특히, ARS가 차량의 롤 응답성을 빠르게 하면서도 정점을 지나 빠르게 저감시키는 부분에서 특히 종래의 롤 각 추정 방법에서는 오차가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 본 발명에 따른 롤 각 추정 방법은 ARS 롤 모멘트를 롤 각 추정 모델에 모멘트 입력 형태로 반영함으로써 최대 1도(deg) 정도의 오차를 개선한 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에서 사용된 ECS 모드별 댐퍼 속도에 대한 댐핑력 특성 곡선을 예시적으로 보인 도면이다.
전/후륜 각각의 모드별 댐퍼 특성을 고려하여 베이스 대비 하드 셋팅이 반영되는 ECS 제어 모드에서는 시정수가 높게, 소프트 셋팅이 적용되는 ECS 제어 모드에서는 시정수가 낮게 조절될 수 있다.
종래 롤 추정 방정식인 수학식 5를 기반으로 위의 고려된 ECS 제어 효과에 의한 가변 시정수를 적용한 본 발명의 롤 각 추정 방법은 수학식 7과 같다.
Figure 112020127112976-pat00058
본 발명에 따른 1차 롤 모델의 DC 이득(
Figure 112020127112976-pat00059
)은 수학식 6에서와 같이 경험적으로 설계하고, 가변 시정수
Figure 112020127112976-pat00060
는 ECS가 고정 모드가 아닌 4륜의 임의의 연속적인 제어량으로 전/후 댐퍼를 각각 제어하는 상황에서도 유효성을 확보하기 위해 제어 댐핑 모드별 상대적인 위상 지연을 고려하고, 다양한 검증 시뮬레이션 결과를 기반으로 경험적인 방법으로 수학식 8과 같이 설계할 수 있다.
Figure 112020127112976-pat00061
수학식 8에서
Figure 112020127112976-pat00062
는 전륜 댐핑 계수와 후륜 댐핑 계수의 댐핑력 반영 비율로, 차량에 따라 달라질 수 있다.
Figure 112020127112976-pat00063
,
Figure 112020127112976-pat00064
은 전/후 댐퍼의 롤 댐핑 계수에 근거하여 설계된 댐핑 지수(
Figure 112020127112976-pat00065
: front damper damping ratio,
Figure 112020127112976-pat00066
: rear damper damping ratio)를 의미하며, 이 값은 모드에 따라 0~1사이의 값을 가질 수 있다(soft 0.35, base 0.5, hard 1). 그리고,
Figure 112020127112976-pat00067
값은 모델의 성능 개선을 위한 시정수 이득(time constant tuning gain)으로서, 경험적인 방법에 의해 설계될 수 있다.
또한, 도 7을 통해 동일 스트로크 속도에 대해 댐퍼 용량 차이로 인해 전륜 댐핑력이 후륜 댐핑력보다 더 큰 것을 알 수 있으며, 이를 고려하기 위해 본 발명의 시정수 수학식 8에서 후륜 댐퍼 대비 전륜 댐퍼의 댐핑 지수를 25% 크게 적용할 수 있으며, 이러한 경우 수학식 8에서
Figure 112020127112976-pat00068
는 1.25로 설정될 수 있다.
한편, ECS 시스템이 적용된 차량에 대해 본 발명의 롤 각 추정 방법을 검증하기 위해 상용 차량 동역학 해석프로그램인 Carsim을 활용할 수 있다.
사용된 차량 모델은 앞서 언급된 실차 데이터가 도출된 국내 대형 승용 차량일 수 있다. 검증 시나리오는 이중 차선 변경 관련 표준인 ISO 3888-2(moose test)9)을 사용하며, 종방향 속도는 70kph로 설정될 수 있다.
도 8은 전/후 댐퍼가 베이스 셋팅인 차량의 ISO 3888-2 주행에 대한 횡가속도, 조향각, 롤 각속도와 롤 각가속도를 예시적으로 나타낸 것이다. 최대 횡가속도는 절대값 기준으로 약 0.7g, 최대 롤 각속도는 약 10deg/s인 급격한 핸들링 상황으로 모드 별 댐퍼 특성 변동이 가변 시정수를 적용한 본 발명의 롤 각 추정 방법으로 잘 모사가 되는지 여부를 검증하기에 적합한 주행 상황이다.
본 발명에서는 ECS 노멀 모드에서의 롤 각 추정 모델을 기준 모델(nominal model, 시정수 고정)로 간주하여 시정수를 가변한 차량 모델과의 정확도를 비교한다.
참고로 핸들링 상황에서 전/후 댐퍼 모두 하드 셋팅인 하드 모드, 전/후 댐퍼 모두 베이스 셋팅인 베이스 모드, 전/후 댐퍼 모두 소프트 셋팅인 소프트 모드의 경우, 수학식 8에 의해 산출된 시정수
Figure 112020127112976-pat00069
는 각각 0.081, 0.045, 0.027이 될 수 있다(시정수는 그 외 연속적인 전/후 댐핑력 제어 조합들에 의해 다양한 값들로 산출가능하다.).
도 9와 도 10은 각각 전/후 댐퍼의 셋팅이 하드 모드(FHRH:Front Hard Rear Hard), 소프트 모드(FSRS:Front Soft Rear Soft)에서 본 발명이 적용된 차량 각 추정 모델을 기준 모델(nominal model)과 비교한 그래프를 예시적으로 보인 도면이다.
하단의 그래프는 롤 각의 정밀한 오차 비교를 위해 본 발명이 적용된 차량 모델 및 기준 모델과 Carsim에서 측정된 롤 각의 차이에 대한 오차 절대값을 나타낸 그래프이다.
도 9의 FHRH 상황에서는 수학식 8에서 산출된 시정수가 차량 롤 각 추정 모델 특성에 맞게 결정되어 본 발명에 적용되는 모델이 기준 모델 대비 위상을 실제 차량 롤 거동과 유사하게 40ms 정도 지연시켜 차량 롤 각 오차를 최대 0.3도(deg) 정도 감소시킬 수 있다.
또한, FHRH조건에서 본 발명에 적용된 롤 각 추정 모델의 롤 각과 Carsim 측정 롤 각의 오차는 0.05도(deg) 이하로 매우 작다.
도 10은 차량의 전/후 댐핑력이 상대적으로 작게 제어되는 FSRS 상황에서도 수학식 8에 의해 시정수가 0.027로 산출되어 본 발명에 적용되는 모델이 기준 모델 대비 위상을 약 15ms 빠르게 변화시켜 차량 롤 각 오차를 최대 0.2도(deg) 정도 감소시키는 것을 보여준다.
소프트 셋팅 댐퍼는 댐핑력이 낮기 때문에 급격한 핸들링 상황에서 큰 과도응답이 발생하며 이 부분을 제외하고는 FSRS 조건에서 본 발명에 적용되는 모델의 롤 각과 Carsim 측정 롤 각의 오차는 0.07도(deg) 이하로 매우 작다.
추가적으로, 과도한 핸들링 상황에서 오버스티어 발생 시 언더스티어 유도를 위해 ECS가 front hard/rear base로 제어되는 케이스에 대한 본 발명에 적용되는 모델의 정확도를 도 11을 통해 살펴볼 수 있다. 본 발명에 적용되는 롤 각 추정 모델에서 시정수는 해당 전/후 댐핑력 제어 모드에 따라 0.065로 조절됨으로써 급격한 차선 변경 상황에서 롤 운동 위상을 기준 모델 대비 18ms 정도 지연시켜 롤 각 오차를 0.03도(deg) 이하로 감소, 개선시킬 수 있다. 이를 통해 핸들링 상황에서 발생하는 다양한 ECS 댐핑력 제어 모드에서도 본 발명에 적용되는 롤 각 추정 롤 모델이 우수한 롤 각 추정 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.
전술한 경우 외에 다수의 댐핑력 조합들에 대한 검증들을 통해 ECS 제어로 인한 전/후의 댐퍼 특성이 변화하는 상황에서 본 발명에 적용되는 롤 각 추정 모델이 시정수의 적절한 변동을 통해 변화되는 차량의 롤 운동의 동특성을 잘 모사하여 모델 오차를 감소시키는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 롤 각 추정 모델이, 횡가속도를 계측하는 횡가속도 센서, 롤 각을 저감시키는 능동 롤 제어 시스템(ARS:Active Roll System), 서스펜션의 댐핑력을 조절하는 전자 제어 현가 장치(ECS:Electronic Control Suspension)를 포함하는 차량으로부터 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 하나를 입력받는 단계;
    상기 차량으로부터 입력받은 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 차량 롤 각을 추정하는 단계;를 포함하되,
    상기 차량으로부터 입력받은 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 차량 롤 각을 추정하는 단계는,
    상기 횡가속도 계측치 및 ARS 롤 모멘트를 아래의 수학식 1에 적용시켜 롤 각을 추정하는 단계인, 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112022032962549-pat00102

    수학식 1에서,
    Figure 112022032962549-pat00103
    는 시정수,
    Figure 112022032962549-pat00104
    는 DC 이득,
    Figure 112022032962549-pat00105
    는 높이,
    Figure 112022032962549-pat00106
    는 차량 현가 상질량,
    Figure 112022032962549-pat00107
    는 횡가속도 계측치,
    Figure 112022032962549-pat00108
    는 ARS 롤 모멘트이다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시정수
    Figure 112022032962549-pat00077
    는, 차량에 탑재된 현가 장치의 댐핑계수에 의해 결정되는 값이고,
    상기 ARS 롤 모멘트
    Figure 112022032962549-pat00078
    는,
    ARS ECU(Electronic Control Unit)에서 산출되어 입력되는 값인, 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법.
  4. 롤 각 추정 모델이, 횡가속도를 계측하는 횡가속도 센서, 롤 각을 저감시키는 능동 롤 제어 시스템(ARS:Active Roll System), 서스펜션의 댐핑력을 조절하는 전자 제어 현가 장치(ECS:Electronic Control Suspension)를 포함하는 차량으로부터 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 하나를 입력받는 단계;
    상기 차량으로부터 입력받은 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 차량 롤 각을 추정하는 단계;를 포함하되,
    상기 차량으로부터 입력받은 횡가속도 계측치, ARS 롤 모멘트, ECS 댐핑력 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 차량 롤 각을 추정하는 단계는,
    상기 횡가속도 계측치 및 ECS 댐핑력을 아래의 수학식 2에 적용시켜 롤 각을 추정하는 단계인, 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112022032962549-pat00109

    수학식 2에서,
    Figure 112022032962549-pat00110
    는 DC 이득,
    Figure 112022032962549-pat00111
    는 가변 시정수,
    Figure 112022032962549-pat00112
    는 높이,
    Figure 112022032962549-pat00113
    는 차량 현가 상질량,
    Figure 112022032962549-pat00114
    는 횡가속도 계측치이다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가변 시정수
    Figure 112020127112976-pat00085
    는,
    아래의 수학식 3과 같이 구현되는, 능동 현가 제어 시스템을 위한 차량 롤 각 추정 방법.
    [수학식 3]
    Figure 112020127112976-pat00086

    수학식 3에서,
    Figure 112020127112976-pat00087
    는 전륜 댐핑 계수와 후륜 댐핑 계수의 댐핑력 반영 비율,
    Figure 112020127112976-pat00088
    은 전륜 댐퍼의 롤 댐핑 계수에 근거하여 설계된 댐핑 지수,
    Figure 112020127112976-pat00089
    은 후륜 댐퍼의 롤 댐핑 계수에 근거하여 설계된 댐핑 지수,
    Figure 112020127112976-pat00090
    는 시정수 이득이다.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007106257A (ja) * 2005-10-13 2007-04-26 Toyota Motor Corp 車両用サスペンションの制御方法および装置
JP2009214592A (ja) * 2008-03-07 2009-09-24 Toyota Motor Corp 車両の減衰力制御装置
KR20160066415A (ko) 2014-12-02 2016-06-10 현대모비스 주식회사 차량의 능동 회전형 스태빌라이저의 롤 각 추정 방법

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