KR102546834B1 - Abs브레이크의 제동방법과 이를 이용한 차량용 abs브레이크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ABS브레이크(anti-lock braking system)의 제동방법과 이를 이용한 차량용 ABS브레이크에 관한 것으로서, 최적의 목표슬립을 추정하고, 추정된 목표슬립을 정확하게 추적하는 ABS브레이크의 제동방법과 이를 이용한 차량용 ABS브레이크를 제공한다.

Description

ABS브레이크의 제동방법과 이를 이용한 차량용 ABS브레이크{ABS brake braking method and vehicle ABS brake using the same}

본 발명은 ABS브레이크(anti-lock braking system)의 제동방법과 이를 이용한 차량용 ABS브레이크에 관한 것으로서, 최적의 목표슬립을 추정하고, 추정된 목표슬립을 정확하게 추적하는 ABS브레이크의 제동방법과 이를 이용한 차량용 ABS브레이크에 관한 것이다.

차량이 미끄러운 노면에서 급작스런 제동시에 가장 문제되는 것은 휠(wheel)이 잠기는(locking) 현상이다. 이와 같은 현상은 상당히 바람직하지 못하다. 왜냐하면 휠이 잠기게 되면 타이어가 노면과 심하게 미끄러져 마찰력이 감소하여 제동거리(braking distance)가 증가하기 때문이다. 또한 휠이 잠기게 되면 휠의 조향 능력이 사라져 차량 제어가 불가능하게 되기 때문이다. 차량 ABS(anti-lock braking system) 제어의 주 목적은 이와 같은 급작스런 제동시에 휠이 잠기는 현상을 방지하여 제동거리를 단축하면서 차량의 조향 능력을 유지하는 것이다.

ABS 제어기를 설계하는데 있어 가장 어려운 점은 차량 시스템의 강한 비선형(nonlinear)과 불확실성(uncertainty)이다. 이것은 모델링 과정에서 차량 질량 등과 같은 변수의 추정 오차, 무시되는 동역학, 그리고 공기저항과 구름저항력의 외란 등에 의한 모델 불확실성이 반드시 수반되기 때문이다. 따라서 이와 같은 복잡한 시스템을 고전적인 선형 제어와 주파수영역 방법을 이용하여 제어하기는 상당히 어렵다.

이러한 이유로 모델 불확실성에 대해 강건성(robustness)을 줄 수 있을 뿐만 아니라 비선형 시스템에 효과적으로 작용될 수 있는 ABS 제어기 개발을 위한 연구들이 진행되었으며, 이와 관련하여 ABS 슬라이딩 모드 제어기를 제안하였다. 추적해야 할 최적의 목표 슬립, 즉 노면과 타이어에서 최대의 마찰력이 발생하는 슬립 영역을 알고 있다는 가정 하에 설계되었다. 하지만 실제에서는 타이어의 주행 속도, 하중, 캠버, 노면 거칠기, 온도 등에 의해서 최대 마찰력이 작용하는 목표 슬립은 항상 변화한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 관측기(Observer)를 설계하여 노면과 타이어 사이의 마찰력을 추정하여 ABS 제어에 활용하는 방법들도 제시하였다.

한편, 휠각속도와 캘리퍼 내의 유압과의 관계로부터 타이어/지면 접촉 영역 내의 최대 마찰력 μpeak를 추정하여 제어알고리즘에 이용하는 기술도 제안된바 있으나 타이어에서 발생하는 슬립율과 제동력을 추정하는 방법에 비해 부정확한 단점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-0199735호 '슬립지수를 이용한 ABS 제어방법' 은 종래의 슬립율, 또는 차륜가속도를 이용하는 대신, 상기 슬립율에 배율 조정된 차륜 가속도를 덧셈 연산하여 진폭은 슬립율과 비슷하며 반면 위상은 차륜가속도와 같이 슬립율에 선행하는 지수인 슬립지수를 산출하고, 이 슬립지수를 기준으로 브레이크 압력에 대한 제어를 행한다. 그 결과, 이전의 두 가지 지수의 장점을 모두 가지고 있는 새로운 슬립지수 하나만으로 동일한 효과를 얻을 수 있게 되어 간단하고도 용이한 ABS제어를 실현하는 기술을 개시한 바 있지만 지속적인 슬립율에 대한 갱신이 이루어지지 않는 문제가 있었다.

다른 한편, 일반적으로 λ는 0.10 정도가 되는 것으로 알려져 있어 많은 연구자들이 상수 값으로 설정한다. 그러나, 노면 마찰 계수에 의해서 0.02~0.1까지 변화하며, 하중에 의해서는 0.02~0.2까지 변화하게 된다. 즉, 결과적으로 ABS 제어기가 실제에 효과적으로 적용되기 위해서는 첫 번째로 노면과 타이어 사이의 최대 마찰력이 발생하는 최적의 목표 슬립을 추정하는 것과 두 번째로 추정된 목표 슬립을 정확하게 추적하는 것을 동시에 만족해야 한다. 지금까지의 기술들을 이 두 가지를 동시에 고려하여 최적의 ABS 제동 시스템 개발에 미흡하였다.

(특허문헌 1) 공개특허공보 제10-2018-0119585호(2018.11.02.)

(특허문헌 2) 등록특허공보 제10-0199735호(1999.06.15.)

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd)을 추정하여 설정함으로써 노면과 타이어 사이의 최대 마찰력이 발생하는 최적의 목표 슬립을 추정하고 추정된 목표 슬립을 정확하게 추적하는 기술을 제공한다. 상기의 구성에 따라 최적의 목표슬립을 적용함으로써 최적의 제동률을 구현하는 ABS브레이크의 제동방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 ABS브레이크의 제동방법에 있어서, 타이어의 제동력 추정단계(s100); 타이어의 슬립율(λ) 추정단계(s200); 추정된 타이어의 제동력과 슬립율(λ)을 통해 도출된 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd) 추정단계(s300); 목표슬립 설정단계(s400); 및 설정된 목표슬립에 따른 ABS브레이크 제어단계(s500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 ABS브레이크의 제동방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 타이어의 제동력 추정단계(s100)와, 타이어의 슬립율(λ) 추정단계(s200)는 슬라이딩모드 관측기에 의해 추정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 추정된 타이어의 제동력과 슬립율을 통해 도출된 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd) 추정단계(s300)에서 상기 기울기(ξ)는,

의 식으로 도출되며, 상기의 식에서 Fx는 마찰력, λp는 최대슬립율인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 추정된 타이어의 제동력과 슬립율을 통해 도출된 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λ추정단계(s300)에서 상기 목표슬립율( λd은

의 식으로 도출되며, 상기의 식에서 i는 시간구분자이며, Δλ는 슬립율의 증분량이고, sgn(ξ)는 슬립율의 증가방향을 결정하는 요소이고, 상기 sgn(ξ)는

상기의 식에서와 같이, 기울기(ξ)가 0보다 크면 1을, 기울기(ξ)가 0이면 0을 기울기(ξ)가 0보다 작으면 -1을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 차량용 ABS브레이크에 있어서, 타이어의 제동력과 타이어의 슬립율(λ)을 추정하는 슬라이딩모드 관측기(100)와, 상기 슬라이딩모드 관측기로부터의 제동력과 슬립율(λ)을 기초로 목표슬립율(λd) 설정하는 목표슬립율(λd) 설정모듈(200)과, 상기 설정된 목표슬립율(λd)에 따라 ABS브레이크를 제어하는 ABS제어기(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 ABS브레이크를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 슬라이딩모드 관측기로부터의 제동력과 슬립율(λ을 기초로 목표슬립율(λd) 설정하는 목표슬립율(λd) 설정모듈(200)은 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 목표슬립율(λd)을 설정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd)을 추정하여 설정함으로써 노면과 타이어 사이의 최대 마찰력이 발생하는 최적의 목표 슬립을 추정하고 추정된 목표 슬립을 정확하게 추적하는 기술을 제공한다. 상기의 구성에 따라 최적의 목표슬립을 적용함으로써 최적의 제동률을 구현할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 ABS브레이크의 제동방법을 설명하는 순서도이다.
도2는 마찰력과 슬립율의 그래프이다.
도3은 450kgf의 하중하에서의 마찰력과 슬립율의 그래프이다.
도4는 타이어 제동력과 슬립율과의 관계를 도시한 그래프이다.
도5는 일반적인 CBS 브레이크의 제동성능을 나타내는 그래프들이다.
도6은 전륜과 후륜의 목표 슬립율을 고정한 (λdf=0.15, λdr=0.1) ABS 제동 성능을 나타낸 그래프들이다.
도7은 제동력이 최대가 되도록 목표 슬립율을 최적화시키는 ABS 제동 성능을 타나낸 그래프이다.
도8은 도 5 내지 7의 제동에서 전륜과 후륜 타이어에서 발생하는 타이어의 마찰력을 나타낸 그래프이다.
도9는 도 5 내지 7의 제동에서 제동거리를 비교한 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 ABS브레이크의 제동방법을 설명하는 순서도이다. 도2에서 나타난 바와 같이, 본 발명은 ABS브레이크의 제동방법에 있어서, 타이어의 제동력 추정단계(s100), 타이어의 슬립율(λ) 추정단계(s200), 추정된 타이어의 제동력과 슬립율(λ)을 통해 도출된 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd) 추정단계(s300), 목표슬립 설정단계(s400) 및 설정된 목표슬립에 따른 ABS브레이크 제어단계(s500)를 포함하는 ABS브레이크의 제동방법을 제공한다.

상기 타이어의 제동력 추정단계(s100)와, 타이어의 슬립율(λ) 추정단계(s200)는 관측기(100) 로서 슬라이딩모드 관측기에 의해 추정되는 것이 바람직하다. 슬라이딩모드 관측기는 센서로 직접 측정하는 것에 비하여 비용 측면에서 유리한 장점이 있다. 마찬가지로 설정된 목표슬립에 따른 ABS브레이크 제어단계(s500)에서의 제어기(300)는 외란에 강건한 슬라이딩모드 제어기를 적용하는 것이 바람직하다.

제어기(300)가 추적해야 할 목표 슬립은 슬라이딩모드 관측기(100)에 의해 추정된 마찰력과 슬립 곡선의 기울기를 이용한 목표슬립율(λd) 설정모듈(200)의 에 의한 추정된 타이어의 제동력과 슬립율(λ)을 통해 도출된 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd) 설정단계(s300)서 결정된다. ABS 제어는 차량의 휠 슬립율이 목표치인 목표슬립율(λd)을 추적하는 것이며, 이때 λd는 노면과 타이어 사이에서 발생하는 마찰력이 최대가 되는 슬립율이 되어야 한다.

상술한 바와 같이, 일반적으로 목표슬립율(λd)는 0.10 정도가 되는 것으로 알려져 있어 많은 연구자들이 이를 상수 값으로 설정한다. 그러나, 도 2에 보인 바와 같이 타이어 마찰력이 최대가 되는 슬립율은 노면 마찰 계수에 의해서 0.02~0.1까지 변화하며, 도3과 같은 450kgf의 하중에 의해서는 0.02~0.2까지 변화하는 것을 알 수 있다.

도4는 타이어 제동력과 슬립율과의 관계를 도시한 그래프이다. 본 발명은 도4에서 나타난 바와 같이, 마찰력과 슬립율 간의 관계를 이용하여 가변의 목표슬립율(λd)을 설정한다.

즉, 추정된 타이어의 제동력과 슬립율을 통해 도출된 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd) 추정단계(s300)에서 상기 기울기(ξ)는,

의 식으로 도출되며, 상기의 식에서 Fx는 마찰력, λp는 최대슬립율을 나타낸다.

상기의 식에서와 같이, 타이어 마찰력과 슬립율 간의 기울기(ξ)는 최대마찰력(Fxp)를 기준으로 부호가 변화하는 것을 알 수 있다. 기울기가 ξ인 영역에서 슬립율을 증가시킬수록 타이어 마찰력이 증가하며, ξ인 영역에서는 반대로 슬립율을 감소시켜야 마찰력이 증가한다.

이와 같은 관계를 이용하여 본발명자는 ABS 제어기가 추적해야 할 목표 슬립율 λd를 다음과 같이 설정하여 ABS 제동시에 최대 마찰력이 발생할 수 있도록 하였다. 즉, 추정된 타이어의 제동력과 슬립율을 통해 도출된 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd) 추정단계(s300)에서 상기 목표슬립율(λd)은

의 식으로 도출되며, 상기의 식에서 i는 시간구분자이며, Δλ는 슬립율의 증분량이고, sgn(ξ)는 슬립율의 증가방향을 결정하는 요소이다.

여기서, 상기 sgn(ξ)는

상기의 식에서와 같이, 기울기(ξ)가 0보다 크면 1을, 기울기(ξ)가 0이면 0을 기울기(ξ)가 0보다 작으면 -1을 갖는다.

수학식2의 목표 슬립율 λ는 이전 스텝의 목표 슬립율 λi-1d와 타이어 마찰력의 슬립율에 대한 기울기 ξ의 방향에 의해서 결정된다. 따라서 ξ의 계산을 위해서 타이어 마찰력과 슬립율은 관측기(100)에 의해서 추정될 수 있다.

본 발명은 이에 나아가, 차량용 ABS브레이크에 있어서,

타이어의 제동력과 타이어의 슬립율(λ을 추정하는 슬라이딩모드 관측기(100)와, 슬라이딩모드 관측기로부터의 제동력과 슬립율(λ)을 기초로 목표슬립율(λd) 설정하는 목표슬립율(λd) 설정모듈(200)과, 상기 설정된 목표슬립율(λd)에 따라 ABS브레이크를 제어하는 ABS제어기(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 ABS브레이크를 제공한다.

슬라이딩모드 관측기로부터의 제동력과 슬립율(λ)을 기초로 목표슬립율(λd)설정하는 목표슬립율(λd) 설정모듈(200)은 상술한 바와 같은 방법으로 목표슬립율(λd)을 설정하게 된다.

이하, 시험결과를 나타낸 그래프들을 참조하여 본원발명의 효과를 설명한다.

도 5는 일반 적인 CBS의 제동 성능을 나타낸 것이다. 도5에서 나타낸 바와 같이 노면의 마찰계수를 초기에 마른 노면(μmax=1.0)에서 갑자기 매끄러운 노면(μmax=0.2)으로 그리고 중간 정도(μmax=0.6)로 변화시켰다. 상기의 조건 하에서 0.5 sec에서 전륜 휠이 먼저 잠김(locking) 현상이 나타난 후 후륜 휠도 같이 잠김 현상이 발생하여 슬립율이 1.0을 유지하는 하는 것을 볼 수 있다.

도 6은 전륜과 후륜의 목표 슬립율을 고정한 (λdf=01.5, λdr=0.1) ABS 제동 성능을 나타낸 것이다. 0.25 sec 후에 전륜과 후륜에서 고정된 목표 슬립율을 정확하게 추적하는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 제동력이 최대가 되도록 목표 슬립율을 최적화시키는 ABS 제동 성능을 타나낸 것이다. 목표 슬립율이 가변하며, 전륜과 후륜 휠은 가변하는 목표 슬립율을 잘 추적하는 것을 확인할 수 있다.

도 8은 도 5 내지 7의 제동에서 전륜과 후륜 타이어에서 발생하는 타이어의 마찰력을 나타낸 것이다. CBS의 경우 타이어에서 제동력이 가장 작게 발생하고 있으며, 제안된 가변 목표 슬립율 ABS 제동의 경우 타이어에서 제동력을 가장 크게 발생시켜 유리한 성능을 보임을 알 수 있다.

도 9는 도 5 내지 7의 제동에서 제동거리를 비교한 것이다. 3.5 sec 후 제동 거리가 CBS 경우 76m로 가장 크게 나타났으며, 고정 슬립율 적용의 70m이며, 제안된 가변 목표 슬립율 적용의 경우 66m로 가장 짧게 나타났다. 제안된 방법은 일반적인 고정 슬립율 ABS 제동 보다 4m 정도 제동거리를 단축할 수 있는 결과를 얻을 수 있었다.

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 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.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 관측기
200: 목표슬립율(λd) 설정모듈
300: ABS제어기

Claims (6)

1. ABS브레이크의 제동방법에 있어서,
   타이어의 제동력 추정단계(s100);
   타이어의 슬립율(λ) 추정단계(s200);
   추정된 타이어의 제동력과 슬립율(λ)을 통해 도출된 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd) 추정단계(s300);
   목표슬립 설정단계(s400); 및
   설정된 목표슬립에 따른 ABS브레이크 제어단계(s500);를 포함하고,
   추정된 타이어의 제동력과 슬립율을 통해 도출된 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd) 추정단계(s300)에서 상기 기울기(ξ)는,
   

   

   
   의 식으로 도출되며, 상기의 식에서 Fx는 마찰력, λp는 최대슬립율인 것을 특징으로 하는 ABS브레이크의 제동방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 타이어의 제동력 추정단계(s100)와, 타이어의 슬립율(λ) 추정단계(s200)는 슬라이딩모드 관측기에 의해 추정되는 것을 특징으로 하는 ABS브레이크의 제동방법.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   추정된 타이어의 제동력과 슬립율을 통해 도출된 슬립곡선의 기울기(ξ)를 이용한 목표슬립율(λd) 추정단계(s300)에서 상기 목표슬립율(λd)은
   

   

   
   의 식으로 도출되며, 상기의 식에서 i는 시간구분자이며, Δλ는 슬립율의 증분량이고, sgn(ξ)는 슬립율의 증가방향을 결정하는 요소이고,
   상기 sgn(ξ)는
   

   

   
   상기의 식에서와 같이, 기울기(ξ)가 0보다 크면 1을, 기울기(ξ)가 0이면 0을 기울기(ξ)가 0보다 작으면 -1을 갖는 것을 특징으로 하는 ABS브레이크의 제동방법.
   
5. 차량용 ABS브레이크에 있어서,
   타이어의 제동력과 타이어의 슬립율(λ)을 추정하는 슬라이딩모드 관측기(100)와,
   상기 슬라이딩모드 관측기로부터의 제동력과 슬립율(λ)을 기초로 목표슬립율(λd)을 설정하는 목표슬립율(λd) 설정모듈(200)과,
   상기 설정된 목표슬립율(λd)에 따라 ABS브레이크를 제어하는 ABS제어기(300)를 포함하고,
   상기 목표슬립율(λd)은
   

   

   
   의 식으로 도출되며, 상기의 식에서 i는 시간구분자이며, Δλ는 슬립율의 증분량이고, sgn(ξ)는 슬립율의 증가방향을 결정하는 요소이고,
   상기 sgn(ξ)는
   

   

   
   상기의 식에서와 같이, 기울기(ξ)가 0보다 크면 1을, 기울기(ξ)가 0이면 0을 기울기(ξ)가 0보다 작으면 -1을 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 ABS브레이크.
6. 삭제

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