KR102444833B1 - Rls 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법 - Google Patents

Rls 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에 관한 것으로, 복수의 센서를 이용하여 차량의 전기모터에 걸리는 전류, 바퀴의 각속도 또는 상기 바퀴의 수직하중을 측정하는 운동상태 측정단계, 상기 전류를 이용하여 상기 차량의 바퀴에 걸리는 구동력을 산출하고, 상기 각속도를 이용하여 상기 차량의 종방향 가속도를 산출하는 구동력 및 종방향 가속도 산출단계, 상기 구동력, 상기 종방향 가속도 또는 무게추정 알고리즘을 기반으로 차량의 무게를 추정하는 무게 추정단계 및 상기 수직하중 또는 무게중심 위치추정 알고리즘을 기반으로 차량의 무게중심의 위치를 추정하는 무게중심위치 추정단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 추정한 구동력과 종방향 가속도를 사용하여 RLS 알고리즘을 통해 무게 및 무게중심을 추정하므로, 종방향 가속도가 0일 때 추정값의 발산이 방지된다.

Description

RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법{Vehicle weight and center of gravity estimation method using Recursive least square algorithm}
본 발명은 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에 관한 것으로, 더욱 상게하게는 전기 자동차의 구동력 및 종방향 가속도를 이용하여 무게를 추정하고, 각 바퀴의 수직하중 및 종방향 가속도를 이용하여 무게중심을 추정하고, 무게 및 무게중심의 추정방법으로 RLS 알고리즘을 사용하는 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에 관한 것이다.
차량의 무게 및 무게중심의 위치는 자동차를 제어하기 위해 중요한 변수 중 하나이다. 차량의 무게 및 무게중심 추정방법과 관련하여 종래의 기술로는 직진 방향 모델 알고리즘을 적용한 차량의 질량 추정 방법과 직진 방향 및 횡 방향 모델 알고리즘을 적용한 차량의 질량 추정 방법이 있다.
직진 방향 모델 알고리즘을 적용한 차량의 질량 추정 방법은 노면의 기울기 정보가 있는 경우와 노면의 기울기 정보가 없는 경우로 나뉜다. 직진 방향 모델 알고리즘을 적용한 차량의 질량 추정 방법 중 노면의 기울기 정보 가 있는 경우에는 차량이 직진 주행 중일 때의 차량의 견인력, 경도 가속도, 경도 속도, 노면 기울기 등의 정보를 RLS(Recursive Least Square) 방법에 적용하여 차량의 질량을 추정하고, 노면의 기울기 정보가 없는 경우에 는 차량이 직진 주행 중일 때의 엔진 토크, 브레이크 토크, 에어로 드레그 토크, 엔진 스피드, 회전 저항 상수 등의 정보를 RLS 방법에 적용하여 차량의 질량을 추정한다. 직진 방향 모델 알고리즘을 적용한 차량의 질량 추 정 방법은 간단한 모델식을 이용하여 차량을 질량을 추정할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 직진 주행 차량에 서만 질량 추정이 가능하다는 점과, 측정하기 어려운 변수들이 이용된다는 단점이 있다.
그리고, 직진 방향 및 횡 방향 모델 알고리즘을 적용한 차량의 질량 추정 방법은 타이어 모델을 적용하여 직진 방향과 횡 방향의 타이어 힘을 계산하여 차량의 질량을 추정한다. 직진 방향 및 횡 방향 모델 알고리즘을 적용 한 차량의 질량 추정 방법은 상기 직진 방향의 모델 알고리즘을 적용한 차량의 질량 추정 방법과 비교하여 좀 더 유연한 주행 차량의 질량을 추정할 수 있다는 장점이 있으나, 직진 방향의 모델 알고리즘을 적용한 차량의 질량 추정 방법보다 복잡한 알고리즘이 이용되며, 타이어 모델을 적용함에 따라 타어어 힘의 오차에 민감하다는 단점이 있다. 그리고, 직진 방향 및 횡 방향 모델 알고리즘을 적용한 차량의 질량 추정 방법 또한 차량의 운행 조건이 직진 방향과 횡 방향 모델 알고리즘에 한정된다는 단점이 있다.
KR 10-1298388 B1
전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 종방향 운동을 통해 바퀴의 각속도 센서를 사용하여 종방향 가속도를 측정하고 무게중심의 위치를 추정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예로써, RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법 이 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법은 복수의 센서를 이용하여 차량의 전기모터에 걸리는 전류, 바퀴의 각속도 또는 상기 바퀴의 수직하중을 측정하는 운동상태 측정단계, 상기 전류를 이용하여 차량의 바퀴에 걸리는 구동력을 산출하고, 상기 각속도를 이용하여 상기 차량의 종방향 가속도를 산출하는 구동력 및 종방향 가속도 산출단계, 상기 구동력, 상기 종방향 가속도 또는 무게추정 알고리즘을 기반으로 차량의 무게를 추정하는 무게 추정단계 및 상기 수직하중 또는 무게중심 위치추정 알고리즘을 기반으로 차량의 무게중심의 위치를 추정하는 무게중심위치 추정단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법은 상기 무게 추정단계에서 상기 무게추정 알고리즘은 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘에 의해 수행되되 아래의 [수학식 1]에 의해 차량의 무게(
Figure 112020118942674-pat00001
)를 추정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020118942674-pat00002
Figure 112020118942674-pat00003
Figure 112020118942674-pat00004
Figure 112020118942674-pat00005
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00006
는 차량의 가속도,
Figure 112020118942674-pat00007
은 전륜 및 후륜의 구동토크, r은 타이어 반경,
Figure 112020118942674-pat00008
는 차량의 속도,
Figure 112020118942674-pat00009
는 관성 모멘트,
Figure 112020118942674-pat00010
은 슬립율의 미분 값,
Figure 112020118942674-pat00011
은 전륜 및 후륜의 각속도,
Figure 112020118942674-pat00012
는 공기저항,
Figure 112020118942674-pat00013
는 차량의 스프링 상질량,
Figure 112020118942674-pat00014
는 전륜의 스프링 하질량,
Figure 112020118942674-pat00015
는 후륜의 스프링 하질량)
본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에서 상기 [수학식 1]은, 차량의 스프링 상질량 운동방정식을 설계하고, 바퀴의 운동방정식 및 평형방정식을 설계하는 운동 및 평형방정식설계단계, 상기 차량의 속도와 상기 바퀴의 속도관계식(Slip Ratio)으로부터 각속도를 산출하고, 상기 각속도를 미분하여 각가속도를 산출하는 각가속도 산출단계, 상기 바퀴의 평형방정식에 상기 각가속도를 대입하는 각가속도 대입단계, 상기 바퀴의 운동방정식 및 상기 바퀴의 평형방정식을 상기 바퀴에 걸리는 구동력에 관한 수식으로 정리하는 구동력 정리단계, 상기 구동력에 관한 수식을 상기 바퀴에 걸리는 내력에 관한 수식으로 정리하는 내력 정리단계, 상기 스프링 상질량 운동방정식에 상기 내력에 관한 수식을 대입하여 회귀분석 수식으로 나타내는 내력수식 대입단계 및 상기 회귀분석 수식을 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘으로 정의하는 무게 알고리즘 설계단계를 통해 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법은 무게중심위치 추정단계에서 상기 무게중심 위치추정 알고리즘은 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘에 의해 수행되되 아래의 [수학식 2]에 의해 차량의 무게(
Figure 112020118942674-pat00016
)를 추정할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020118942674-pat00017
Figure 112020118942674-pat00018
Figure 112020118942674-pat00019
Figure 112020118942674-pat00020
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00021
은 차량의 바퀴 사이의 거리,
Figure 112020118942674-pat00022
는 무게중심에서 뒷바퀴까지의 거리,
Figure 112020118942674-pat00023
는 차량의 앞바퀴에 걸리는 수직하중,
Figure 112020118942674-pat00024
은 차량의 무게,
Figure 112020118942674-pat00025
는 중력 가속도,
Figure 112020118942674-pat00026
는 무게중심의 높이,
Figure 112020118942674-pat00027
는 차량의 가속도)
본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에서 상기 [수학식 2]는, 상기 차량의 앞바퀴와 지면의 접촉점에서의 앞바퀴 평형방정식 및 상기 차량의 뒷바퀴와 상기 지면의 접촉점에서의 뒷바퀴 평형방정식을 설계하는 바퀴평형방정식 설계단계, 상기 앞바퀴 및 상기 뒷바퀴 평형방정식에서 공통되는 변수를 기준으로 하여 행렬을 형성하는 행렬형성단계 및 상기 행렬을 이용하여 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘을 정의하는 무게중심 알고리즘 설계단계를 통해 산출될 수 있다.
본 발명에 따른 무게 및 무게중심 추정방법은 추정한 구동력과 종방향 가속도를 사용하여 RLS 알고리즘을 통해 무게 및 무게중심을 추정하므로, 종방향 가속도가 0일 때 추정값의 발산이 방지된다.
또한, 무게중심 높이가 변하는 경우에도 무게중심 추정방법에서의 정확성을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 무게추정 알고리즘을 산출하는 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 차량의 스프링 상질량 자유물체도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 차량의 스프링 하질량의 자유물체도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 무게중심 위치추정 알고리즘을 산출하는 방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 차량의 무게전달을 나타내는 자유물체도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 오차율을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "??부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고"연결되어 있는 경우도 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법은 복수의 센서를 이용하여 차량의 전기모터에 걸리는 전류, 바퀴의 각속도 또는 바퀴의 수직하중을 측정하는 운동상태 측정단계(S100), 전류를 이용하여 차량의 바퀴에 걸리는 구동력을 산출하고, 각속도를 이용하여 차량의 종방향 가속도를 산출하는 구동력 및 종방향 가속도 산출단계, 구동력, 종방향 가속도 또는 무게추정 알고리즘을 기반으로 차량의 무게를 추정하는 무게 추정단계(S200) 및 수직하중 또는 무게중심 위치추정 알고리즘을 기반으로 차량의 무게중심의 위치를 추정하는 무게중심위치 추정단계(S300)를 포함할 수 있다.
운동상태 측정단계(S100)에서는 차량의 운동상태를 측정할 수 있는 센서들로부터 차량의 가속도, 차량의 속도 및 바퀴의 각속도 등을 모두 측정할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 차량의 바퀴 모두에 바퀴의 속도를 측정하는 속도 센서가 마련되어 모든 바퀴의 속도를 측정하거나, 일부의 바퀴에만 속도 센서가 마련되어 일부 바퀴의 속도만을 측정할 수도 있다.
또한, 차량의 운동상태에서는 조향각 센서에서 측정한 조향각, 요 레이트(Yaw Rate)센서에서 측정한 요 가속도, 가속도 센서에서 측정한 종방향 및 횡방향 가속도 등을 모두 포함할 수 있다. 또한, 종방향 가속도는 차량의 전륜의 각속도를 측정한 뒤 이를 종방향 가속도로 변환하여 사용할 수 있을 것이다.
구동력 및 종방향 가속도 산출단계에서는 전기모터의 전류를 측정함으로써 모터의 구동 토크를 알 수 있으며, 이를 이용하여 전기 자동차의 구동력을 산출할 수 있다. 또한, 센서를 통해 측정한 바퀴의 각속도를 이용하여 차량의 종방향 가속도를 산출할 수 있다.
무게 추정단계(S200)에서는 상기 운동상태 측정단계(S100)에서 측정한 차량의 속도, 가속도 등의 운동상태를 나타내는 정보와 상기 구동력 및 종방향 가속도 산출단계에서 산출해낸 차량의 바퀴에 걸리는 구동력 및 차량의 종방향 가속도를 본 발명에서 개발해 낸 RLS 알고리즘에 대입하여 차량의 무게를 추정할 수 있다.
무게중심위치 추정단계(S300)에서는 상기 운동상태 측정단계(S100)에서 측정한 차량의 속도, 가속도 및 수직하중 등의 차량의 운동상태 정보와 상기 구동력 및 종방향 가속도 산출단계에서 산출해낸 차량의 종방향 가속도를 본 발명에서 개발해 낸 RLS 알고리즘에 대입하여 차량의 무게중심의 위치를 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법은 무게 추정단계(S200)에서 무게추정 알고리즘은 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘에 의해 수행되되 아래의 [수학식 1]에 의해 차량의 무게(
Figure 112020118942674-pat00028
)를 추정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020118942674-pat00029
Figure 112020118942674-pat00030
Figure 112020118942674-pat00031
Figure 112020118942674-pat00032
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00033
는 차량의 가속도,
Figure 112020118942674-pat00034
은 전륜 및 후륜의 구동토크, r은 타이어 반경,
Figure 112020118942674-pat00035
는 차량의 속도,
Figure 112020118942674-pat00036
는 관성 모멘트,
Figure 112020118942674-pat00037
은 슬립율의 미분 값,
Figure 112020118942674-pat00038
은 전륜 및 후륜의 각속도,
Figure 112020118942674-pat00039
는 공기저항,
Figure 112020118942674-pat00040
는 차량의 스프링 상질량,
Figure 112020118942674-pat00041
는 전륜의 스프링 하질량,
Figure 112020118942674-pat00042
는 후륜의 스프링 하질량)
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법은 무게중심위치 추정단계(S300)에서 무게중심 위치추정 알고리즘은 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘에 의해 수행되되 아래의 [수학식 2]에 의해 차량의 무게중심의 위치(
Figure 112020118942674-pat00043
)를 추정할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020118942674-pat00044
Figure 112020118942674-pat00045
Figure 112020118942674-pat00046
Figure 112020118942674-pat00047
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00048
은 차량의 바퀴 사이의 거리,
Figure 112020118942674-pat00049
는 무게중심에서 뒷바퀴까지의 거리,
Figure 112020118942674-pat00050
는 차량의 앞바퀴에 걸리는 수직하중,
Figure 112020118942674-pat00051
은 차량의 무게,
Figure 112020118942674-pat00052
는 중력 가속도,
Figure 112020118942674-pat00053
는 무게중심의 높이,
Figure 112020118942674-pat00054
는 차량의 가속도)
이하 도 2 내지 도 6을 참조하여, 무게 및 무게중심을 추정하는 RLS 알고리즘에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 무게추정 알고리즘을 산출하는 방법의 순서도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에서 [수학식 1]은, 차량의 스프링 상질량 운동방정식을 설계하고, 바퀴의 운동방정식 및 평형방정식을 설계하는 운동 및 평형방정식 설계단계(S210), 차량의 속도와 바퀴의 속도관계식(Slip Ratio)으로부터 각속도를 산출하고, 각속도를 미분하여 각가속도를 산출하는 각가속도 산출단계(S220), 바퀴의 평형방정식에 각가속도를 대입하는 각가속도 대입단계(S230), 바퀴의 운동방정식 및 바퀴의 평형방정식을 바퀴에 걸리는 구동력에 관한 수식으로 정리하는 구동력 정리단계(S240), 구동력에 관한 수식을 바퀴에 걸리는 내력에 관한 수식으로 정리하는 내력 정리단계(S250), 스프링 상질량 운동방정식에 내력에 관한 수식을 대입하여 회귀분석 수식으로 나타내는 내력수식 대입단계(S260) 및 회귀분석 수식을 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘으로 정의하는 무게 알고리즘 설계단계(S270)를 통해 산출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 차량의 스프링 상질량 자유물체도이다.
운동방적식이란 물체의 운동을 물리량(위치, 속도, 가속도)의 시간 변화에 따라 기술하는 방정식을 의미한다. 평형방정식이란 물체에 작용하는 x축, y축 및 z축 방향의 힘 및 모멘트의 총 합이 0인 조건을 의미하며, 이 조건 하에서 물체는 평형을 이룬다. 본 발명에서는 차량의 운동방정식 및 평형방정식을 이용하여 차량의 무게를 추정하는 RLS 알고리즘을 개발하였다.
도 3을 참조하면, 운동 및 평형방정식 설계단계(S210)에서 설계 가능한 차량의 스프링 상질량 운동방정식을 알 수 있다. 도 3의 차량의 스프링 상질량 자유물체도로부터 설계할 수 있는 차량의 스프링 상질량 운동방정식과 평형방정식은 다음과 같다.
[수학식 3]
Figure 112020118942674-pat00055
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00056
는 무게중심에서의 x축 방향의 힘의 총합,
Figure 112020118942674-pat00057
는 차량의 프링 상질량,
Figure 112020118942674-pat00058
는 차량의 x축 방향 가속도,
Figure 112020118942674-pat00059
는 전륜의 x축 내력,
Figure 112020118942674-pat00060
는 후륜의 x축 내력,
Figure 112020118942674-pat00061
는 공기저항력이다.)
[수학식 4]
Figure 112020118942674-pat00062
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00063
는 무게중심에서의 z축 방향의 힘의 총합,
Figure 112020118942674-pat00064
는 차량의 z축 방향 가속도,
Figure 112020118942674-pat00065
는 전륜의 z축 내력,
Figure 112020118942674-pat00066
는 후륜의 z축 내력,
Figure 112020118942674-pat00067
는 양력이다.)
[수학식 5]
Figure 112020118942674-pat00068
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00069
는 무게중심에서 모멘트의 총합,
Figure 112020118942674-pat00070
는 무게중심에서의 관성모멘트,
Figure 112020118942674-pat00071
는 무게중심에서의 각가속도,
Figure 112020118942674-pat00072
는 무게중심 높이,
Figure 112020118942674-pat00073
는 타이어 반경이다.)
위의 수식들 중에서 [수학식 3]은 스프링 상질량의 x축 방향의 운동방정식이며, [수학식 4]는 스프링 상질량의 z축 방향의 운동방정식이고, [수학식 5]는 스프링 상질량의 모멘트 평형방정식이다.
상기 [수학식 3] 내지 [수학식 5]은 구름저항(Rolling resistance, Rr)이 없는 경우를 가정한 것으로, 차량에 구름저항이 발생할 경우 구름저항을 반영하여 운동방정식 및 평형방정식을 설계할 수 있다.
구름저항(Rr)이란 바퀴가 수평노면을 굴러가는 경우 발생하는 저항으로 노면의 굴곡, 타이어 접지부 변형, 타이어와 노면의 마찰 손실에서 발생하며 바퀴에 걸리는 차량 하중에 비례한다. 즉, 바퀴가 수평노면을 전동하는 경우 발생하는 저항과 에너지 손실에 관한 것으로, 타이어 접지부의 변형에 의해 발생하는 저항, 노면이 변형하기 때문에 발생하는 저항, 노면이 평활하지 않은 경우에 생기는 저항 등이 포함된다.
구름저항은 여러 가지 원인에 의해 발생하기 때문에 바퀴에 걸리는 하중, 노면 상태 및 주행속도에 따라 변하지만 일반적으로 하중에 비례하며, 속도에 영향은 받지 않는다고 본다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 차량의 스프링 하질량의 자유물체도이다.
도 4를 참조하면, 운동 및 평형방정식 설계단계(S210)에서 설계 가능한 바퀴의 운동방정식 및 평형방정식을 알 수 있다. 차량의 바퀴는 전륜과 후륜으로 구성되며, 바퀴의 운동방정식 및 평형방정식은 전륜 및 후륜의 운동방정식 및 평형방정식으로 각각 설계할 수 있다.
전륜의 운동방정식 및 평형방정식은 다음과 같다.
[수학식 6]
Figure 112020118942674-pat00074
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00075
는 전륜의 x축 방향 힘의 총합,
Figure 112020118942674-pat00076
는 전륜의 스프링 하질량,
Figure 112020118942674-pat00077
는 전륜의 구동력,
Figure 112020118942674-pat00078
는 전륜의 x축 내력이다.)
[수학식 7]
Figure 112020118942674-pat00079
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00080
는 전륜의 z축 방향 힘의 총합,
Figure 112020118942674-pat00081
는 전륜의 스프링 하질량,
Figure 112020118942674-pat00082
는 전륜의 수직하중,
Figure 112020118942674-pat00083
는 전륜의 z축 내력이다.)
[수학식 8]
Figure 112020118942674-pat00084
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00085
는 전륜의 모멘트의 총합,
Figure 112020118942674-pat00086
는 전륜의 관성모멘트,
Figure 112020118942674-pat00087
는 전륜의 각가속도,
Figure 112020118942674-pat00088
는 전륜의 구동 토크이다.)
후륜의 운동방정식 및 평형방정식은 다음과 같다.
[수학식 9]
Figure 112020118942674-pat00089
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00090
는 후륜의 x축 방향 힘의 총합,
Figure 112020118942674-pat00091
는 후륜의 스프링 하질량,
Figure 112020118942674-pat00092
는 후륜의 구동력,
Figure 112020118942674-pat00093
는 후륜의 x축 내력이다.)
[수학식 10]
Figure 112020118942674-pat00094
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00095
는 후륜의 z축 방향 힘의 총합,
Figure 112020118942674-pat00096
는 후륜의 스프링 하질량,
Figure 112020118942674-pat00097
는 후륜의 수직하중,
Figure 112020118942674-pat00098
는 후륜의 z축 내력이다.)
[수학식 11]
Figure 112020118942674-pat00099
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00100
는 후륜의 모멘트의 총합,
Figure 112020118942674-pat00101
는 후륜의 관성모멘트,
Figure 112020118942674-pat00102
는 후륜의 각가속도,
Figure 112020118942674-pat00103
는 후륜의 구동 토크이다.)
각가속도 산출단계(S220)에서는 차량의 속도와 바퀴의 속도관계식(Slip Ratio, SR) 및 미분을 이용하여 각가속도를 산출할 수 있다. 즉, 차량의 속도와 바퀴의 속도관계식(SR)로부터 가속도에 관한 식을 산출해낸 뒤 가속도에 관한 식을 미분하면 각가속도에 관한 수식을 얻을 수 있다. 이를 수식으로 나타내면 아래의 [수학식 12] 내지 [수학식14]와 같다.
속도관계식(SR)이란 타이어와 노면 사이에 발생하는 미끄럼 정도를 의미하며, 슬립율(SR)이라고 정의할 수 있다. 지면에 닿아 회전 중인 타이어의 접지부에는 구동력 또는 제동력에 의한 변형이 발생하게 되며, 차륜이 멈추기 이전에도 부분적으로 미끄럼 운동을 한다.
[수학식 12]
Figure 112020118942674-pat00104
[수학식 13]
Figure 112020118942674-pat00105
[수학식 14]
Figure 112020118942674-pat00106
(여기서,
Figure 112020118942674-pat00107
는 슬립율,
Figure 112020118942674-pat00108
는 타이어 반경,
Figure 112020118942674-pat00109
는 바퀴의 각속도,
Figure 112020118942674-pat00110
는 차량의 속도,
Figure 112020118942674-pat00111
는 각가속도,
Figure 112020118942674-pat00112
는 차량의 가속도,
Figure 112020118942674-pat00113
는 미분표시이다.)
각가속도 대입단계(S230)를 수학식으로 나타내면 다음과 같다. 즉, 상기 [수학식 14]를 상기 [수학식 8] 및 [수학식 11]에 각각 대입하는 것이다.
[수학식 15]
Figure 112020118942674-pat00114
Figure 112020118942674-pat00115
구동력 정리단계(S240)에서는 상기 [수학식 15]를 구동력에 관한 식으로 정리한다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
[수학식 16]
Figure 112020118942674-pat00116
Figure 112020118942674-pat00117
내력 정리단계(S250)에서는 상기 [수학식 16]을 차량의 바퀴에 걸리는 내력에 관한 수식으로 정리한다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
[수학식 17]
Figure 112020118942674-pat00118
Figure 112020118942674-pat00119
내력수식 대입단계(S260)에서는 차량의 스프링 상질량 운동방정식에 차량의 바퀴에 걸리는 내력에 관한 수식을 대입한다. 이를 수식으로 정리하면 다음과 같다. 즉, 상기 [수학식 17]을 상기 [수학식 3]에 대입하는 것이다.
[수학식 18]
Figure 112020118942674-pat00120
Figure 112020118942674-pat00121
무게 알고리즘 설계단계(S270)에서는 상기 [수학식 18]을 RLS 알고리즘으로 정의한다. 선형시스템, 시불변, 인과시스템을 만족하는 RLS 알고리즘은
Figure 112020118942674-pat00122
이므로, 본 발명의 무게추정 알고리즘은 상기 [수학식 1]과 같이 정의된다.
이때, 차량의 무게는 차량의 스프링 상질량, 전륜의 스프링 하질량 및 후륜의 스프링 하질량을 합한 값이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 무게중심 위치추정 알고리즘을 산출하는 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에서 상기 [수학식 2]는, 차량의 앞바퀴와 지면의 접촉점에서의 앞바퀴 평형방정식 및 차량의 뒷바퀴와 지면의 접촉점에서의 뒷바퀴 평형방정식을 설계하는 바퀴평형방정식 설계단계(S310), 앞바퀴 및 뒷바퀴 평형방정식에서 공통되는 변수를 기준으로 하여 행렬을 형성하는 행렬형성단계(S320) 및 행렬을 이용하여 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘을 정의하는 무게중심 알고리즘 설계단계(S330)를 통해 산출될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 차량의 무게전달을 나타내는 자유물체도이다.
도 6에서,
Figure 112020118942674-pat00123
는 차량의 가속도,
Figure 112020118942674-pat00124
은 차량의 무게,
Figure 112020118942674-pat00125
는 무게중심에서의 관성모멘트,
Figure 112020118942674-pat00126
는 무게중심의 높이,
Figure 112020118942674-pat00127
은 무게중심에서 후륜까지의 지면상 거리,
Figure 112020118942674-pat00128
는 무게중심에서 전륜까지의 지면상 거리,
Figure 112020118942674-pat00129
은 전륜에서 후륜까지의 지면상 거리이다.
도 6을 참조하면, 바퀴평형방정식 설계단계(S310)에서 설계 가능한 전륜(앞바퀴)과 지면의 접촉점에서의 평형방정식 및 후륜(뒷바퀴)과 지면의 접촉점에서의 평형 방정식을 알 수 있다. 도 6의 자유물체도로부터 설계할 수 있는 평형방정식은 다음과 같다.
[수학식 19]
Figure 112020118942674-pat00130
Figure 112020118942674-pat00131
[수학식 20]
Figure 112020118942674-pat00132
Figure 112020118942674-pat00133
행렬형성단계(S320)는 앞바퀴 및 뒷바퀴 평형방정식에서 공통되는 변수를 기준으로 하여 행렬을 형성할 수 있다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
[수학식 21]
Figure 112020118942674-pat00134
무게중심 알고리즘 설계단계(S330)는 행렬을 이용하여 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘을 정의한다. 선형시스템, 시불변, 인과시스템을 만족하는 RLS 알고리즘은
Figure 112020118942674-pat00135
이므로, 본 발명의 무게중심 위치추정 알고리즘은 상기 [수학식 2]와 같이 정의된다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 7(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에 따라 무게를 추정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7(a)의 그래프에서 검은색 선은 센서를 이용하여 측정한 차량의 무게변화를 나타내고, 빨간색 선은 본 발명의 실시 예에 따른 무게 및 무게중심 추정방법에 따라 추정한 차량의 무게변화를 나타낸다.
도 7(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에서 측정한 가속도 변화를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 8(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에 의해 전륜에서 무게중심까지의 거리를 추정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에 의해 무게중심의 높이를 추정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법의 오차율을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법에 의해 차량의 무게 및 무게중심을 추정한 결과가 개시되어 있다.
도 9를 통해 본 발명의 오차율을 다음의 [표 1]과 같이 알 수 있다.
무게 전륜에서 무게중심까지의 거리 무게중심의 높이
최대 32.962% 34.763% 45.877%
최소 0% 0% 0%
평균 1.785% 1.831% 3.610%
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위게 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 복수의 센서를 이용하여 차량의 전기모터에 걸리는 전류, 바퀴의 각속도 또는 상기 바퀴의 수직하중을 측정하는 운동상태 측정단계;
    상기 전류를 이용하여 상기 차량의 바퀴에 걸리는 구동력을 산출하고, 상기 각속도를 이용하여 상기 차량의 종방향 가속도를 산출하는 구동력 및 종방향 가속도 산출단계;
    상기 구동력, 상기 종방향 가속도 또는 무게추정 알고리즘을 기반으로 차량의 무게를 추정하는 무게 추정단계; 및
    상기 수직하중 또는 무게중심 위치추정 알고리즘을 기반으로 차량의 무게중심의 위치를 추정하는 무게중심위치 추정단계를 포함하고,
    상기 무게 추정단계에서 상기 무게추정 알고리즘은 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘에 의해 수행되되 아래의 [수학식 1]에 의해 차량의 무게(
    Figure 112022049611010-pat00172
    )를 추정하는 것인, RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법.
    [수학식 1]
    Figure 112022049611010-pat00173

    Figure 112022049611010-pat00174

    Figure 112022049611010-pat00175

    Figure 112022049611010-pat00176

    (여기서,
    Figure 112022049611010-pat00177
    는 차량의 가속도,
    Figure 112022049611010-pat00178
    은 전륜 및 후륜의 구동토크, r은 타이어 반경,
    Figure 112022049611010-pat00179
    는 차량의 속도,
    Figure 112022049611010-pat00180
    는 관성 모멘트,
    Figure 112022049611010-pat00181
    은 슬립율의 미분 값,
    Figure 112022049611010-pat00182
    은 전륜 및 후륜의 각속도,
    Figure 112022049611010-pat00183
    는 공기저항,
    Figure 112022049611010-pat00184
    는 차량의 스프링 상질량,
    Figure 112022049611010-pat00185
    는 전륜의 스프링 하질량,
    Figure 112022049611010-pat00186
    는 후륜의 스프링 하질량)
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 [수학식 1]은,
    차량의 스프링 상질량 운동방정식을 설계하고, 바퀴의 운동방정식 및 평형방정식을 설계하는 운동 및 평형방정식설계단계;
    상기 차량의 속도와 상기 바퀴의 속도관계식(Slip Ratio)으로부터 각속도를 산출하고, 상기 각속도를 미분하여 각가속도를 산출하는 각가속도 산출단계;
    상기 바퀴의 평형방정식에 상기 각가속도를 대입하는 각가속도 대입단계;
    상기 바퀴의 운동방정식 및 상기 바퀴의 평형방정식을 상기 바퀴에 걸리는 구동력에 관한 수식으로 정리하는 구동력 정리단계;
    상기 구동력에 관한 수식을 상기 바퀴에 걸리는 내력에 관한 수식으로 정리하는 내력 정리단계;
    상기 스프링 상질량 운동방정식에 상기 내력에 관한 수식을 대입하여 회귀분석 수식으로 나타내는 내력수식 대입단계; 및
    상기 회귀분석 수식을 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘으로 정의하는 무게 알고리즘 설계단계를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법.
  4. 복수의 센서를 이용하여 차량의 전기모터에 걸리는 전류, 바퀴의 각속도 또는 상기 바퀴의 수직하중을 측정하는 운동상태 측정단계;
    상기 전류를 이용하여 상기 차량의 바퀴에 걸리는 구동력을 산출하고, 상기 각속도를 이용하여 상기 차량의 종방향 가속도를 산출하는 구동력 및 종방향 가속도 산출단계;
    상기 구동력, 상기 종방향 가속도 또는 무게추정 알고리즘을 기반으로 차량의 무게를 추정하는 무게 추정단계; 및
    상기 수직하중 또는 무게중심 위치추정 알고리즘을 기반으로 차량의 무게중심의 위치를 추정하는 무게중심위치 추정단계를 포함하고,
    상기 무게중심위치 추정단계에서 상기 무게중심 위치추정 알고리즘은 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘에 의해 수행되되 아래의 [수학식 2]에 의해 차량의 무게중심의 위치(
    Figure 112022049611010-pat00187
    )를 추정하고,
    아래의 [수학식 2]는,
    상기 차량의 앞바퀴와 지면의 접촉점에서의 앞바퀴 평형방정식 및 상기 차량의 뒷바퀴와 상기 지면의 접촉점에서의 뒷바퀴 평형방정식을 설계하는 바퀴평형방정식 설계단계;
    상기 앞바퀴 및 상기 뒷바퀴 평형방정식에서 공통되는 변수를 기준으로 하여 행렬을 형성하는 행렬형성단계; 및
    상기 행렬을 이용하여 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘을 정의하는 무게중심 알고리즘 설계단계를 포함하는 것인, RLS 알고리즘을 이용한 차량의 무게 및 무게중심 추정방법.
    [수학식 2]
    Figure 112022049611010-pat00188

    Figure 112022049611010-pat00189

    Figure 112022049611010-pat00190

    Figure 112022049611010-pat00191

    (여기서,
    Figure 112022049611010-pat00192
    은 차량의 바퀴 사이의 거리,
    Figure 112022049611010-pat00193
    는 무게중심에서 뒷바퀴까지의 거리,
    Figure 112022049611010-pat00194
    는 차량의 앞바퀴에 걸리는 수직하중,
    Figure 112022049611010-pat00195
    은 차량의 무게,
    Figure 112022049611010-pat00196
    는 중력 가속도,
    Figure 112022049611010-pat00197
    는 무게중심의 높이,
    Figure 112022049611010-pat00198
    는 차량의 가속도)
  5. 삭제
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