KR102568045B1 - 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

종래에는 비례이득 제어(P 제어)를 이용하여, 차량이 도로 요철면을 통과시 발생하는 상하 요동(피치모션)을 완화하는 수준의 제어만 있었지만, 실제로는 피치모션 외에 종방향 가속도와 울컥거림(jerk)의 영향도 크다. 이에, 도로 요철면 통과시 발생하는 피치모션 뿐만 아니라, 종방향 가속도와 울컥거림의 저감을 목표로 승차감을 개선하고자 한다. 본 발명에 따르면, 최적제어에 기반하여, 차량의 가속도값과 울컥거림 한계값을 이용해 피치모션 저감 목적함수, 종방향 가속도 저감 목적함수, 및 울컥거림 저감 목적함수를 계산하고, 이들 목적함수에 가중치를 반영하여 최종 구동토크를 계산해서 차량에 인가하여 피치모션, 종방향 가속도, 울컥거림을 저감하도록 한다.

Description

도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 방법 및 장치 {Method and apparatus for optimal control of driving torque for smooth ride on uneven road}

본 발명은 차량의 구동계 제어에 관한 것으로, 구체적으로는, 과속방지턱이나 웅덩이 등 도로 요철면 통과시의 승차감을 향상시키기 위하여 구동토크를 최적제어하는 기술에 관한 것이다.

차량이 도로 요철면(예를 들어, 과속방지턱(bump), 웅덩이(dip) 등)을 통과할 때, 차량의 현가상 질량(sprung mass)에 의도되지 않은 피치모션(pitch motion)과 종방향 가속도가 발생하여 승차감이 저하된다. 여기서 Sprung mass(현가상 질량)는 주로 차량 하중 모델링시에 사용되는 용어로 차량의 사람이 타고 있는 윗부분을 의미한다. 반대로 차량 아래의 하부 차체 구조를 Unsprung mass라 부른다.

종래의 기술에 따르면, 이러한 현가상 질량의 수직방향 변위를 최소화하기 위해 주로 차량의 현가 장치 제어(active suspension 등)를 활용하였고 이를 통해 승차감을 개선하였다.

예를 들어, 대한민국 공개특허 10-1997-0069430(1997.11.7.)은 자동차의 자동 레벨 조정장치에 관한 것으로, 과속방지턱이 돌출되어 있는 도로의 노면상태를 감지하기 위해 차체 하부에 설치된 도로 감지센서로부터 전달된 신호에 따라 액튜에이터가 작동하여 압축공기 조절용 레벨링 밸브가 개폐작동한다. 이 레벨링 밸브의 압축공기 조절로 차체의 높이를 조절하는 에어스프링이 차체와 차축 사이에 설치되어 과속방지턱에 의한 차체 하부의 손상을 막아주고 노면에 의한 충격을 흡수완화시켜 탑승자의 승차감을 향상시킨다.

종래에는 비례이득 제어(P 제어)를 이용하여, 차량이 도로 요철면을 통과시 발생하는 상하 요동(피치모션)을 완화하는 수준의 제어만 있었지만, 실제로는 피치모션 외에 종방향 가속도와 울컥거림(jerk)의 영향도 크다.

따라서 본 발명자는 도로 요철면 통과시 발생하는 피치모션 뿐만 아니라 종방향 가속도와 울컥거림을 함께 저감하여 승차감을 개선하는 목적의 제어 방법과 장치를 고안하였다.

차량이 과속방지턱(bump)이나 웅덩이(dip)을 통과하면서 발생하는 피치의 변화(피치모션)를 줄여서 승차감을 개선하기 위해서는 피치모션을 0으로 유지할 것이 요구된다. 특히 전륜 구동 차량에서, 피치의 증가 또는 감소 방향과 반대로 구동토크를 발생시켜서 이를 실현한다.

이로써 피치모션의 제어와 함께, 차량의 종방향 가속도와 울컥거림의 정도를 적절히 조절함으로써 승차감을 조절, 개선한다. 예를 들어, 차량의 앞 코가 들리는 상황(bump에 진입 또는 dip에서 탈출)이라면 차량 진행 방향과 반대로 토크를 발생시켜서 차량의 앞 코를 내려주는 제어를 실시하고, 반대로, 차량의 앞 코가 내려가는 상황(bump에서 탈출 또는 dip에 진입)이라면 차량의 진행 방향으로 토크를 발생시켜서 차량의 앞 코를 올려주는 제어를 실시한다.

이러한 제어를 실시하기 위해, 최적제어에 기반하여 차량의 가속도값과 울컥거림 한계값을 이용해 피치모션 저감 목적함수, 종방향 가속도 저감 목적함수, 및 울컥거림 저감 목적함수를 계산하고, 이들 목적함수에 가중치를 반영하여 최종 구동토크를 계산해서 차량에 인가하여 피치모션, 종방향 가속도, 울컥거림을 저감하도록 한다.

본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

종래 기술로 제어시(예를 들어, 비례이득 제어(또는 P제어)) 피치모션 저감에 효과적인 제어는 수행할 수 있을지 모르나, 종방향 가속도와 울컥거림(jerk)의 크기가 오히려 커져서 승차감이 저해될 수 있다. 반면에 본 발명에 따르면 전반적인 승차감을 고려하는 제어를 수행할 수 있어, 도로 요철면 통과시의 피치모션 저감 뿐만 아니라 종방향 가속도와 울컥거림(jerk)을 모두 제어할 수 있다. 본 발명을 통해, 종래 기술에서는 고려하지 못했던 종방향 가속도와 울컥거림에 의한 승차감 악화 현상도 효과적으로 개선할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 승차감 제어의 개요 설명도
도 2는 본 발명에 따른 승차감 제어 방법의 로직 흐름도
도 3은 본 발명에 따른 승차감 제어 장치의 블록도
도 4는 도 2의 제어 로직의 변형 실시예의 제어 로직 흐름도
도 5는 SUV 및 세단 차량의 피치모션 시뮬레이션 결과도
도 6은 종래 제어기술 적용, 본 발명의 기술 적용, 및 제어 미적용에 따른 피치모션 시뮬레이션 결과도
도 7은 종래 제어기술 적용 및 본 발명의 기술 적용에 따른 종방향 가속도 시뮬레이션 결과도
도 8은 종래 제어기술 적용 및 본 발명의 기술 적용에 따른 울컥거림(jerk) 시뮬레이션 결과도
도 9는 종래 제어기술 적용 및 본 발명의 기술 적용에 따른 휠 입력 토크 시뮬레이션 결과도

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 이하 첨부된 도면과 함께 상세하게 기술된 바람직한 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에 기술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 실시예는 단지 본 발명을 완전하게 개시하며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 기재 내용에 의해 정의되는 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 실시예의 설명에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 승차감 제어의 개요에 대해 설명한다.

차량은 과속방지턱이나 웅덩이 등의 도로 요철면을 통과하면서 피치모션에 변화가 발생한다(squat 및 dive). 승차감 개선을 위해서는 피치모션을 0으로 유지하는 것이 요구된다. 본 발명에서는, 전륜 구동 차량에서, 피치모션의 증가 또는 감소 방향과 반대로 차량 토크를 발생시켜서 피치모션을 상쇄하고자 한다. 더불어, 피치모션 제어와 동시에 차량의 종방향 가속도와 울컥거림의 정도를 효과적으로 조절함으로써 승차감을 조절, 개선하고자 한다.

구체적으로, 차량의 앞 코가 들리는 상황(예를 들어 bump에 진입 또는 dip에서 탈출)이라면 차량 진행 방향과 반대로 구동토크(즉, 제동 토크)를 발생시켜서 차량의 앞 코를 내려주는 제어를 실시한다. 반대로 차량의 앞 코가 내려가는 상황(예를 들어 bump에서 탈출 또는 dip에 진입)이라면 차량의 진행 방향으로 구동토크(즉, 가속 토크)를 발생시켜서 차량의 앞 코를 올려주는 제어를 실시한다.

도 1에서 ①은 차량 앞 코가 들리게끔 차량의 진행 방향으로 전륜 구동 가속 토크를 발생시키는 제어상황으로, ③과 같은 bump 탈출 상황에서 이 제어가 필요하다. 또한 ②는 차량의 앞 코가 내려가게끔 차량의 진행 방향과 반대로 전륜 제동 토크를 발생시키는 제어상황으로, ④와 같은 bump 진입 상황에서 이 제어가 필요하다.

과속방지턱(bump)과 달리 웅덩이(dip)의 경우에는 위와 반대 방향으로 제어하면 된다. 따라서 이하의 설명에서는 과속방지턱(bump)에 대한 제어를 위주로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 승차감 제어 로직의 흐름도이다. 그리고 도 3은 본 발명에 따른 구동토크 결정에 의한 승차감 제어 장치의 블록도이다.

먼저, 이하의 설명에서 사용된 약어를 소개하면 아래와 같다.

: 추정 피치, 추정 피치모션(Estimated Pitch), : 추정 피치변화량(Estimated Pitch Rate)

: 종방향 속도, : 종방향 가속도, : 추정 종방향 가속도, : 종방향 가속도 목표 한계값

: 종방향 울컥거림 목표 한계값

: 휠 인가 구동토크 후보군, : 최종 구동토크

: 제어 입력, : 최적제어 입력

: 구동토크 계산을 위한 비례 게인 후보군

: 목적함수, 비용함수

: 목적함수의 피치모션 저감분, : 목적함수의 종방향 가속도 저감분, : 목적함수의 울컥거림 저감분. 이들은 각각 아래 식으로 계산될 수 있다.

,

,

, : 목적함수의 가중치 (각각 가속도 저감분, 울컥거림 저감분에 해당)

도 2와 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 승차감 향상을 위한 최적제어 방법 및 장치에 대해 설명한다. 도 2의 방법 프로세스의 설명을 위주로 서술하면서 도 3의 장치에 대한 설명을 곁들이기로 한다.

1. 차량의 피치변화량 추정값으로부터 구동토크 후보군을 생성

피치변화량 추정부(11)는 차량의 피치변화량 추정값의 계산은 공지된 다양한 방법을 이용하여 수행할 수 있다. 그리고 구동토크 후보군 생성부(12)는 피치변화량 추정부(11)에 의해 계산된 피치변화량 추정값으로부터 구동토크 후보군을 생성한다.

앞에서 언급한 것과 같이 본 발명의 목적은 최적제어를 통해서 비용함수를 최소화하는 가장 적절한 구동토크를 고르는 것이다. 이를 위해서 구동토크 후보군 생성부(12)는 차량에서 발생시킬 수 있는 구동토크의 후보들을 먼저 생성해 놓아야 한다. 가령, 피치모션을 저감하기 위해서 양(+)의 토크를 내줘야 하는 상황이라면 제어기에서 생성할 수 있는 토크들을 일정 간격으로 쪼개서 미리 정해둔다. 이 때, 피치모션을 저감하는 방향으로 제어를 해야 하므로 추정 피치변화량()에 일정 크기의 이득을 곱하여(비례이득 제어) 얻어지는 토크 후보군들()을 설정한다. 예를 들어, P제어 후보군()을 [0, 200, 400, 600, 800, 1000, …, 2000, 2200]의 벡터로 정의한다고 가정하면, 토크 후보군( )은 [0, 200, 400, 600, 800, 1000, …, 2000, 2200]*로 결정된다. 이 예에서, 비례 이득의 범위는 0에서 2200까지 200 간격으로 (총 12차원의 벡터로) 정의되었다. 후보군 선정의 최대 비례이득은 구동계의 한계 및 추정 피치변화량의 범위를 고려하여 설정하였으며(약 8000), 간격(벡터의 차원)은 데이터 양을 고려하여 선정하였다(약 20개).

2. 구동토크 후보들로부터 피치모션 저감에 유관한 목적함수 생정

피치저감 관련 목적함수 생성부(21)는 상기 구동토크 후보군 생성부(12)에서 생성돤 구동토크 후보들을 입력받아 피치모션(피치) 저감에 유관한 목적함수를 생성한다. 목적함수는 구동토크와 피치 저감의 비례 관계로 모델링된 함수이다. 이때 구동토크의 크기가 커짐에 따라 피치모션 저감이 유리해지므로, 이를 위한 목적함수()가 점차 작아지게끔 구동토크 후보군들의 크기와 반비례하게 목적함수를 결정한다.

좀더 구체적으로 설명하면, 피치모션 저감에 유관한 목적함수는 인바, 이 식은 앞의 약어 설명에서 제시한 것과 같다. 이 목적함수는 구동토크 후보군들의 제곱의 역수로 생성된다. 그 이유는, 구동토크값이 클수록 피치모션의 저감 효과가 크기 때문에 구동토크값이 커짐에 따라 를 작게 설정하기 위함이다. 또한 제곱을 한 이유는 양수 계산을 하기 위함이다. 가령 앞의 예시에서 구동토크 후보군( )이 [0, 200, 400, 600, 800, 1000, …, 2000, 2200]*이고 값이 0.05라면, 수식 계산에 의해 =0.0001*[infinite, 11.111, 2.7778, 1.2346, 0.6944, 0.4444, 0.3086, 0.2268, 0.1736, 0.1372, 0.1111, 0.0918]이 된다.

3. 추정 피치변화량으로부터 현재 피치값 추정

적분기(31)는 상기 피치변화량 추정부(11)에서 계산된 피치변화량 추정값(추정 피치변화량)을 적분하여 현재 피치값을 추정한다. 이때 본 발명에 따른 제어의 진입(활성화) 및 종료 여부를 판단하여(32) 진입시마다 피치값 추정 동작을 리셋(초기화)한다.

이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 종방향 가속도 추정을 위해 현재 피치모션의 값을 추정해야 하는데, 본 단계가 현재 피치값 추정 단계이다. 이를 위해, 추정 피치변화량(estimated pitch rate)을 적분기(31)에서 적분하여 피치값(피치모션값)을 추정한다. 그러나 본 발명에서 이러한 피치 추정은 항상 진행되는 것이 아니라 과속방지턱 통과시에 본 발명에 따른 제어 동작이 활성화(제어 진입)될 때에만 실시한다(또한 웅덩이의 경우에도 마찬가지임). 이후 과속방지턱을 모두 넘었다고 판단하여 제어가 종료되면 이상의 피치 추정도 종료된다. 따라서, 제어의 종료 후 진입시마다 피치 추정을 초기화(리셋)하여 초기 피치값(0)부터 적분을 시작해야 하는 것이다. 이는 평지 주행 및 등/강판 주행시 차량의 가감속에 따른 피치 추정 오차를 줄이기 위함이다.

4. 종방향 가속도 및 울컥거림의 목표 한계값(constraint) 결정

종방향 가속도 저감 관련 목적함수와 울컥거림 저감 관련 목적함수를 생성하기 전에 목표 한계값 결정부(41)는 종방향 가속도 및 울컥거림의 목표 한계값을 결정하는 단계이다.

구체적으로, 본 발명에 따른 제어 방법을 통해서 피치모션을 과도하게 줄이게 되면 큰 가속도가 발생하게 된다. 이를 막기 위해, 종방향 가속도가 너무 커지게 되는 제어를 하지 않도록 목표 한계값을 정한다. 즉, 구동토크의 크기가 커짐에 따라 차량 종방향 가속도 저감이 불리해지므로, 이에 관련된(종방향 가속도 관련) 목적함수()가 점차 커지게끔 구동토크 후보군들의 크기와 비례하게 목적함수를 생정하기 위해서 목표 한계값을 결정하는 것이다(울컥거림의 목표 한계값도 이와 마찬가지임). 설계 의도에 따른 가속도 한계값 이상에서는 최적제어 입력 후보에서 제외하기 위해 목적함수 크기를 의도적으로 증가시킨다.

가령, 2.943 m/s²보다 큰 가속도가 발생하면 운전자가 불편감을 크게 느낄 것이므로 이보다 큰 가속도가 발생하지 않게 제어하기 위해 종방향 가속도 목표 한계값 =2.943로 설정할 수 있다.

5. 가속도(종방향 가속도) 후보군 추정 및 종방향 가속도 저감 관련 목적함수 생성

구동토크 후보군 생성부(12)에서 생성된 구동토크 후보군들과 적분기(31)에서 추정된 피치모션값을 수신하여 종방향 가속도 저감 관련 목적함수 생성부(51)는 종방향 가속도 후보군을 추정하고 가속도에 유관한 목적함수를 생성한다. 이때 가속도의 추정은 차량 내 설치된 종방향 가속도 측정용 G 센서(52)와 함께 종방향 차량 동역학을 이용하여 수행한다. 목적함수를 생성하기 위하여 목표 한계값 결정부(41)에서 결정된 가속도 목표 한계값을 참조한다.

가속도 후보군은 구동토크 후보군들로부터 추정되는 종방향 가속도들이다. 가속도 후보군의 정의는 아래와 같다.

위 식에서 m은 차량의 질량, 은 휠의 동반경, 는 구름 저항 계수, 는 종방향 차량 속도, ρ는 공기 밀도, 는 공기저항 계수, 는 차량의 전면 면적이다.

또한 피치모션 저감에 유관한 목적함수는 아래와 같은데, 이 식은 앞의 약어 설명에서 이미 제시한 바 있다.

위 목적함수는 구동토크 후보군들이 생성하게 되는 추정 종방향 가속도()의 2제곱의 0.5제곱으로 생성하였다. 그 이유는, 구동토크값이 클수록 가속도의 크기가 커지기 때문에 구동토크값이 커짐에 따라 를 크게 설정하기 위함이다. 제곱을 한 이유는 양수 계산을 위한 것이고 다시 0.5제곱을 한 이유는 목적함수의 전체 크기를 조절하기 위한 것이다. 또한, 가속도의 한계치를 설정하여 일정 크기() 이상으로 가속도가 커지는 것을 막기 위해 가속도가 목표 가속도()보다 큰 경우에는 를 매우 큰 값(Penalty)으로 설정한다. 가령, 가 [0, 0.1, 0.25, 0.4, 0.55, 0.7, 0.9, 1.1, 1.4, 1.7, 2.1, 2.7]이고 가 1.962일 때, Penalty를 10^6으로 설정한다면 수식 계산에 의해 =[0, 0.1, 0.25, 0.4, 0.55, 0.7, 0.9, 1.1, 1.4, 1.7, 10^6, 10^6]이 된다.

6. 울컥거림 후보군 추정 및 울컥거림(jerk) 저감 관련 목적함수 생성

울컥거림(jerk) 저감 관련 목적함수 생성부(61)는 가속도 저감 관련 목적함수 생성부(51)에서 생성된 현재 가속도 후보군들로부터 울컥거림(jerk) 후보군을 추정하고 울컥거림(jerk)에 유관한 목적함수를 생성한다. 이때 울컥거림의 추정은 차량 내 설치된 휠 속도 센서(62)를 이용하여 수행한다. 그리고 목적함수를 생성하기 위하여 목표 한계값 결정부(41)에서 결정된 울컥거림 목표 한계값을 참조한다.

본 단계에서는, 구동토크의 크기가 커짐에 따라 울컥거림 저감이 불리해지므로, 이를 위한 목적함수()가 점차 커지게끔 구동토크 후보군들의 크기와 비례하게 목적함수를 결정한다. 그리고 설계 의도에 따른 울컥거림 한계값 이상에서는 최적제어 입력 후보에서 제외하기 위해 목적함수 크기를 의도적으로 증가시킨다.

이에 대해 구체적으로 설명한다. 울컥거림 후보군은 현재 차량의 상황에서 구동토크를 가했을 때 발생하게 될 울컥거림의 추정값들이다. 이러한 jerk 추정값들은 추정된 종방향 가속도 후보군들과 G센서로부터 얻어지는 현재 가속도의 차이를 Sampling Time(0.01초)으로 나누어 생성한다. 즉, 울컥거림(Jerk)의 추정값은 으로 계산된다. 여기서, 는 현재 상태의 가속도이고 T_s는 제어기의 Sampling Time으로, 0.01초이다. 더불어, 울컥거림 후보군의 정의는 아래와 같다.

본 발명의 제어를 실시함에 있어 울컥거림(jerk)이 크게 발생된다면 승차감이 저하될 것이다. 이를 목적함수로 고려하기 위해, 추정 울컥거림(jerk)의 2제곱의 0.5제곱을 목적함수로 설정하였다. 또한, 종방향 가속도와 마찬가지로, 승차감 악화를 막기 위해서 매우 큰 jerk가 발생하는 상황은 피해야 한다. 이를 위해 울컥거림 한계값() 이상으로 울컥거림이 발생할 때는 Penalty를 부여하여 목적함수()가 매우 커지게 설계하였다. 가령, 현재 가속도가 =0.1이고, 추정 종방향 가속도 벡터를 =[0, 0.1, 0.25, 0.4, 0.55, 0.7, 0.9, 1.1, 1.4, 1.7, 2.1, 2.7], =16, Penalty=10^6으로 설정한다면, 울컥거림 후보군은 =[-10, 0, 15, 30, 45, 60, 80, 100, 130, 160, 200, 260]이다. 또한, 울컥거림 목적함수는 =[10, 0, 15, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6]이다.

7. 최종 목적함수를 결정하는 단계

최종 목적함수 결정부(71)는 앞에서 생성된 세 가지 목적함수들의 선형 합으로 최종 목적함수를 계산한다. 최종 목적함수는 로 결정된다. 여기서 과 는 가중치인데, 최종 목적함수의 결정시에 을 증가시키면 종방향 가속도 증가를 억제할 수 있고 를 증가시키면 울컥거림 증가를 억제할 수 있다는 의미이다. , 의 상대적인 크기에 따라 종방향 가속도와 울컥거림의 제어에 대한 기여 효과를 다르게 적용할 수 있다. 가중치에 대한 상세한 내용은 해서는 이하에서 설명한다.

8. 제어 의도에 따른 가중치 결정

최종 목적함수 결정부(71)가 최종 목적함수를 결정하기 전에, 가중치 결정부(72)는 피치 저감, 종방향 가속도, 울컥거림의 목적함수들의 중요도를 고려하여 상수 혹은 변수의 가중치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 가속도 목적함수의 가중치 을 증가시키면 가속도 증가를 억제하겠다는 설계자의 의도가, 울컥거림 목적함수의 가중치 를 증가시키면 울컥거림 증가를 억제하겠다는 의도가 반영되는 것이다. 이들 가중치는 상수 또는 변수로 설정될 수 있다.

구체적으로 설명하면, 각 목적함수의 중요도는 제어기 설계자의 의도에 따라 결정된다. 예를 들어, 어떤 차종은 피치모션 저감에 중점을 둔 제어를 할 수 있지만 다른 차종은 피치모션은 많이 발생해도 좋으니 그 대신 종방향 가속도를 최소화하는 데 중점을 둘 수도 있다. 이렇듯 차종의 컨셉과 설계 의도에 맞게 피치모션, 종방향 가속도, 울컥거림의 제어를 조절하도록 하는 것이 가중치 결정부(72)의 역할이다.

여기서 사용된 '중요도'란 용어는 '차종/차량의 컨셉과 설계자의 의도에 부합하는 정도'의 의미이다. 예를 들어, 피치모션의 저감만 중요시한다면 가중치 및 를 0으로 설정할 수 있다. 그러면 가속도와 울컥거림이 많이 발생하더라도 피치모션 저감 성능을 보장할 수 있게 된다. 또, 설계자가 울컥거림은 고려하지 않아도 되니 피치모션 저감과 종방향 가속도 저감만을 중요시하는 경우라면, 가중치 만 증가시키고 를 0으로 설정하면 된다. 또한, 이 상황에서 피치모션 저감보다 종방향 가속도를 더 적극적으로 저감하고 싶다면, 처음 설정했던 가중치 의 값을 증가시키면 종방향 가속도가 억제된다(단, 그 대가로 피치모션의 성능은 다소 안 좋아질 것이다). 마지막으로 피치모션 저감, 종방향 가속도 저감, 울컥거림 저감을 모두 수행하고 싶다면 가중치 및 값을 모두 고려해야 한다.

여기서 가중치의 결정은 시뮬레이션 및 실험을 통한 적절한 튜닝으로 수행될 수 있다. 또한 가중치 , 는 상수 또는 변수로 결정될 수 있다.

9. 목적함수를 최소화하는 최종 구동토크 결정

최종적으로 자동차의 휠을 구동하기 위한 구동토크를 결정하는 단계이다. 여기서는 목적함수 최소화 알고리즘(73)을 이용하는데, 상기 결정된 최종 목적함수를 최소화하는 최종 구동토크값을 결정한다. 이를 위해, 먼저 상기 최종 목적함수가 가장 작게 되는 구동토크 후보들을 선정하고 이들로부터 최종 구동토크량을 결정할 수 있다.

구체적으로 설명한다. 먼저, 본 발명에서 활용한 '최적제어' 컨셉에 대해 대표적으로 선형 최적제어 이론의 공식을 통해 간단하게 설명한다.

최적제어(Optimal Control)란, 모든 상황을 동시에 개선할 수 없을 때 최선의 해결책을 도출할 수 있게 하는 제어 기법으로, 제어의 목표가 되는 비용함수(Cost Function, J )를 설정하여 전체 제어 주기 동안에 비용함수를 최소화하게끔 제어 입력(u)을 결정한다. 이에 대해 다음과 같은 최적제어 이론에서의 예를 소개한다.

위와 같이 최소화 대상이 되는 비용함수(cost function)(본 발명에서는 상술한 목적함수)을 정의하고 매 제어주기마다 비용함수가 가장 작아지는(최소화되는) 제어입력(본 발명에서는 휠 인가 구동토크)를 선정하는 것이다. 최적제어 이론에 따르면 비용함수가 작을수록 제어 의도에 부합하는 최적의 제어를 수행할 수 있게 된다. 본 발명은 이러한 컨셉을 과속방지턱과 웅덩이 등의 도로요철 통과 제어에 적용한 것이다.

이해를 돕기 위해, 어떠한 순간에서 본 발명에 따른 상술한 제어방법이 구동토크를 선정하는 과정을 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 아래의 설명은 앞에서 각 단계별로 예시한 것들을 종합적으로 정리한 것이다.

구동토크 후보군들( )이 [0, 200, 400, 600, 800, 1000, …, 2000, 2200]*이고 값이 0.05라면, =[0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110]이다. 수식 계산에 의해 =0.0001*[infinite, 11.111, 2.7778, 1.2346, 0.6944, 0.4444, 0.3086, 0.2268, 0.1736, 0.1372, 0.1111, 0.0918]이다. 또한, 가 [0, 0.1, 0.25, 0.4, 0.55, 0.7, 0.9, 1.1, 1.4, 1.7, 2.1, 2.7]이고 가 1.962이며, Penalty를 10^6으로 설정한다면 수식 계산에 의해 =[0, 0.1, 0.25, 0.4, 0.55, 0.7, 0.9, 1.1, 1.4, 1.7, 10^6, 10^6]이다. 또한, 현재 가속도가 =0.1이고, 추정 종방향 가속도 벡터를 =[0, 0.1, 0.25, 0.4, 0.55, 0.7, 0.9, 1.1, 1.4, 1.7, 2.1, 2.7], =16, Penalty=10^6으로 설정한다면, 울컥거림 후보군 =[-10, 0, 15, 30, 45, 60, 80, 100, 130, 160, 200, 260]이다. 또한, 울컥거림 목적함수 =[10, 0, 15, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6, 10^6]이다.

피치모션, 종방향 가속도, 울컥거림을 모두 고려하는 제어를 하기 위해 =5e-4, =2e-4의 가중치를 설정한다고 가정하면, 최종 목적함수는 로 계산되어 J =[infinite, 0.0012, 0.0034, 200.0003, 200.0004, 200.0005, 200.0006, 200.0007, 200.0008, 200.0009, 700, 70]이 된다.

는 제어 입력들(u, 구동토크 후보군) 중에서 J 를 최소로 하는 최적의 구동토크 입력(u*)을 구하는 것이므로, 0.0012를 최소로 갖는 두 번째 제어 입력으로 채택된다. 그러면 최적의 구동토크는 10으로 결정된다.

이와 같이 매 제어주기마다 목적함수를 구하고 최소값을 구해서 이 최소값에 해당하는 순서의 최적의 구동토크를 결정한다.

만약 Jerk 저감의 효과를 조금 덜 기대한다면 를 조금 더 감소시킬 수 있다. 이 경우에 예를 들어 =5e-4, =2e-5의 가중치로 제어한다면 최종 목적함수는 로 계산되어 J =[Infinite, 0.0012, 0.0007, 20.0003, 20.0003, 20.0004, 20.0005, 20.0006, 20.0007, 20.0009, 520, 520]이 얻어진다. 이 경우에 최적의 제어 입력은 에서 0.0007을 최소로 갖는 세 번째 제어 입력으로 채택된다. 따라서 최종 구동토크는 20으로 결정된다. 이와 같이 , 의 값에 따라 제어의 의도가 변하게 됨을 알 수 있다.

도 4는 도 2에 나탄탠 가중치 결정 로직(8)의 변형 실시예이다. 세단형 승용차는 SUV에 비해 차체가 낮고 무게 중심이 하부에 위치하기 때문에 피치모션이 더 크게 발생한다(도 5 참조). 특히, 큰 과속방지턱(또는 웅덩이)를 통과하고 난 후 평지를 주행하기 시작할 때에, 피치모션이 추가로 1-2회 더 발생한다. 도 5는 SUV 및 세단 차량이 30 km/h의 속도로, 긴 bump, 긴 dip, 짧은 bump를 순서대로 통과하는 시나리오에 대한 피치모션 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 승용차(세단)의 피치모션이 SUV의 피치모션보다 전반적으로 크게 발생하고 있고, 특히, 8초(sec) 이후의 구간에서 bump 탈출 후 평지에 도달했음에도 피치모션이 추가적으로 발생한 것을 확인할 수 있다.

이러한 승용차의 특성을 고려하여 본 발명을 적용하기 위해서 도 4와 같이 과속방지턱(또는 웅덩이)을 통과한 후의 추가 피치모션에 대응하여 가중치 결정부(72)의 가중치 결정 과정에서 추가적인 제어루틴을 실행하고자 한다. 도 2의 실시예에 따른 제어 흐름도의 단계 8(가중치 결정)에 81~83의 부단계(sub-step)를 추가하여 보완하도록 하였다.

먼저, 도 2의 단계 3에서 추정된 피치값과 제어 진입을 위해 계산되는 신호들을 합성하여, 현재 차량이 과속방지턱(또는 웅덩이)을 통과한 후 평지에 도달했는지 파악한다(81).

과속방지턱으로부터 탈출 후 제어를 실시할지 여부를 결정하는 인덱스를 계산하고 이를 통해 과속방지턱 탈출 후 제어(추가제어)를 실행할지 판단한다(82). 추가제어 실시 여부는 추정 피치변화량값 및 제어 진입/종료(ON/OFF) 신호와 제어 종료 시점을 합성하여 결정한다. 피치변화량 추정값의 크기가 일정 값을 초과한 후 일정 시간을 유지해야 하고, 과속방지턱 또는 웅덩이를 통과시의 제어가 모두 종료된 후에 실시한다. 구체적인 값 및 시간은 실험 및 시뮬레이션을 통해 튜닝한다.

추가제어가 결정되면 피치모션이 추가로 1~2회 발생하는 구간(과속방지턱 탈출 후)에서 종방향 가속도와 울컥거림의 억제보다 피치모션을 더 많이 억제하게끔 가중치를 조절한다(83). 가중치가 조절된 이후에는 도 2의 제어 방법의 단계 8을 수행한다. 가중치 조절은 도 2 및 도 3에서 설명한 것과 동일하다. 즉, 도 4 실시예의 단계 83은 도 2의 단계 8(제어 의도에 따른 가중치 결정)과 동일한 과정이다.

도 6~도 9는 종래의 기술에 대비한 본 발명에 따른 승차감 제어기술의 개선점을 보여주기 위한 시뮬레이션 결과도이다.

도 6은 SUV 차량으로 30 km/h의 속도로, 긴 과속방지턱(bump), 긴 웅덩이(dip), 짧은 과속방지턱(bump)을 순서대로 통과하는 시나리오에 대한 종래 제어기술 적용(Old Control), 본 발명의 기술 적용(New Control), 및 제어 미적용(No Control)에 따른 피치모션을 나타낸다.

도 7은 동일한 시나리오로, 종래 제어기술 적용 및 본 발명의 기술 적용에 따른 종방향 가속도를 나타낸다.

도 8은 동일한 시나리오로, 종래 제어기술 적용 및 본 발명의 기술 적용에 따른 울컥거림(jerk)을 나타낸다.

도 9는 동일한 시나리오로, 종래 제어기술 적용 및 본 발명의 기술 적용에 따른 휠 입력 토크를 나타낸다.

이상의 시뮬레이션을 통해, 종래 기술(비례 이득 제어)과 비교하였을 때, 본 발명 기술(최적제어)은 다음과 같은 특징을 갖는다.

본 발명에 따른 제어기술은 도 9에서와 같이 제어 입력 토크를 제한함으로써 도 7과 같이 일정 수준 이상으로 종방향 가속도가 증가하는 것을 방지한다. 또한 도 8과 같이 울컥거림이 급격하게 증가하는 것을 막음으로써 승차감 향상을 꾀할 수 있다. 그러나 도 6과 같이 피치모션 저감 성능은 다소 감소하는 것을 볼 수 있다.

이러한 결과는 피치모션 저감과, 종방향 가속도 및 울컥거림 저감 사이의 반비례 관계에 기인한 것이다. 즉, 종방향 가속도와 울컥거림의 정도를 크게 줄일수록 피치모션의 저감 성능은 많이 악화되고, 종방향 가속도와 울컥거림의 정도를 소폭 줄인다면 피치모션의 저감 성능은 덜 악화된다. 이러한 정도는 도 2 및 도 4의 제어 흐름도의 7번 단계에서 가중치를 변경하면서 조절할 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

이와 같이, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다. 또한 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

1) 피치변화량 추정값으로부터 토크 후보군을 계산하는 단계;
2) 상기 토크 후보군들로부터 피치모션 저감 목적함수를 생성하는 단계;
3) 단계 1에서 생성한 토크 후보군들에 각각 상응하는 차량 가속도 후보군을 추정하는 단계;
4) 설정된 가속도 한계값과 상기 추정된 차량 가속도 후보군들을 합성하여 종방향 가속도 저감 목적함수를 생성하는 단계;
5) 센서로부터 얻어진 현재 가속도 값을 단계 3에서 추정된 차량 가속도 후보군과 함께 계산하여 울컥거림 후보군을 추정하는 단계;
6) 설정된 울컥거림 한계값과 상기 울컥거림 후보군들을 합성하여 울컥거림 저감 목적함수를 생성하는 단계;
7) 상기 목적함수들 중에서 가장 작은 값을 갖는 후보를 선정하고 이에 상응하는 구동토크를 결정하는 단계를 포함하는, 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 2에서,
구동토크의 크기가 커짐에 따라 상기 피치모션 저감 목적함수가 점차 작아지도록 구동토크 후보군들의 크기와 반비례하게 상기 피치모션 저감 목적함수를 생성하는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 4에서,
구동토크의 크기가 커짐에 따라 상기 종방향 가속도 저감 목적함수가 점차 커지도록 구동토크 후보군들의 크기와 비례하게 상기 종방향 가속도 저감 목적함수를 생성하는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 4에서,
상기 가속도 한계값 이상에서 목적함수 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 6에서,
구동토크의 크기가 커짐에 따라 상기 울컥거림 저감 목적함수가 점차 커지도록 구동토크 후보군들의 크기와 비례하게 목적함수를 생성하는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 6에서,
상기 울컥거림 한계값 이상에서 목적함수 크기를 의도적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 7은
상기 단계 2, 단계 4, 단계 6에서 계산된 목적함수들에 가중치를 반영하는 단계를 추가로 포함하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 방법.

제7항에 있어서, 상기 가중치를 설정함에 있어 종방향 가속도에 관련된 제1가중치와 울컥거림에 관련된 제2가중치를 반영하는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 방법.

피치변화량 추정부로부터의 피치변화량 추정값으로부터 토크 후보군을 계산하는 구동토크 후보군 생성부;
상기 생성된 토크 후보군들로부터 피치모션 저감 목적함수를 생성하는 피치저감 관련 목적함수 생성부;
상기 구동토크 후보군 생성부에서 생성한 토크 후보군들에 각각 상응하는 차량 가속도 후보군을 추정하여, 사전 설정된 가속도 한계값과 상기 추정된 차량 가속도 후보군들을 합성하여 종방향 가속도 저감 목적함수를 생성하는 가속도 저감 목적함수 생성부;
종방향 가속도 센서로부터 얻어진 현재 가속도 값을 상기 추정된 차량 가속도 후보군과 함께 계산하여 울컥거림 후보군을 추정하여, 사전 설정된 울컥거림 한계값과 상기 울컥거림 후보군들을 합성하여 울컥거림 저감 목적함수를 생성하는 울컥거림 저감 목적함수 생성부; 및
상기 목적함수들 중에서 가장 작은 값을 갖는 후보를 선정하고 이에 상응하는 구동토크를 결정하는 최종 목적함수 결정부를 포함하는, 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 장치.

제9항에 있어서, 상기 피치모션 저감 목적함수 생성부는
구동토크의 크기가 커짐에 따라 상기 피치모션 저감 목적함수가 점차 작아지도록 구동토크 후보군들의 크기와 반비례하게 상기 피치모션 저감 목적함수를 생성하는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 장치.

제9항에 있어서, 상기 종방향 가속도 저감 목적함수 생성부는
구동토크의 크기가 커짐에 따라 상기 종방향 가속도 저감 목적함수가 점차 커지도록 구동토크 후보군들의 크기와 비례하게 상기 종방향 가속도 저감 목적함수를 생성하는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 장치.

제9항에 있어서, 상기 종방향 가속도 저감 목적함수 생성부는
상기 가속도 한계값 이상에서 목적함수 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 장치.

제9항에 있어서, 상기 울컥거림 저감 목적함수 생성부는
구동토크의 크기가 커짐에 따라 상기 울컥거림 저감 목적함수가 점차 커지도록 구동토크 후보군들의 크기와 비례하게 목적함수를 생성하는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 장치.

제9항에 있어서, 상기 울컥거림 저감 목적함수 생성부는
상기 울컥거림 한계값 이상에서 목적함수 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 장치.

제9항에 있어서,
상기 피치모션 저감 목적함수 생성부, 가속도 저감 목적함수 생성부, 울컥거림 저감 목적함수 생성부에서 계산된 목적함수들에 가중치를 반영하는 가중치 결정부를 추가로 포함하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 장치.

제15항에 있어서, 상기 가중치 결정부는 종방향 가속도에 관련된 제1가중치와 울컥거림에 관련된 제2가중치를 설정하여 반영하는 것을 특징으로 하는 도로 요철면 통과시 승차감 향상을 위한 구동토크 최적제어 장치.