KR20030093579A - Ａｂｓ시뮬레이션용 ｈｉｌｓ 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ABS 시제를 포함한 하드웨어부재의 구동에 따라 상기 하드웨어부재와 인터페이스부로 연결된 소프트웨어부재에 MATLAB을 구현함으로써 가상 실차를 시뮬레이션 하면서 실차의 개발 기간을 단축시키고 도로 주행 실험에 따른 위험성을 없앤 ABS 시뮬레이션용 HILS 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 ABS 시뮬레이션용 HILS 시스템은 바퀴속도감지센서, ECU, ABS 엑츄에이터 및 경고등이 구비된 ABS 시제를 구동시키면서 컴퓨터 모니터에서 가상 실차를 실시간으로 시뮬레이션 되도록 하고 상기 컴퓨터 모니터와 연결된 컴퓨터 본체에서 MATLAB 프로그램을 구동하여 작동 추이를 데이터화하는 소프트웨어부재와, 상기 컴퓨터 본체에서 구동되는 상기 MATLAB 프로그램에 매개변수를 연속적으로 부여할 수 있도록 상기 ABS 시제와 연결되어 시뮬레이션 되는 상기 가상 실차를 감속시키기 위한 제동부, 상기 가상 실차를 가속 또는 방향 전환시킬 수 있는 운전부, 상기 가상 실차의 시뮬레이션을 확인하기 위한 영상부로 이루어진 하드웨어부재로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

ＡＢＳ시뮬레이션용 ＨＩＬＳ 시스템{a HILS system for ABS simulation}
본 발명은 ABS 시뮬레이션용 HILS 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ABS(Anti-lock Brake System) 시제의 작동상태를 가상 차량의 반복적이고 실시간(real-time)으로 시뮬레이션(simulation)할 수 있도록 HILS(Hardware In The Loop Simulation) 시스템에 MATLAB(MATrix LABoratory) 프로그램을 공급하여 계산할 수 있는 ABS 시뮬레이션용 HILS 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차에 장착되는 자동차 메카트로닉스 부품의 개발과정은 설계 및 제작, 제작된 시제품의 성능시험, 시험결과의 피드백(feed-back)을 통한 재설계로 이루어진다.
종래 자동차의 메카트로닉스 부품의 성능시험은 많은 시간과 경비가 소요되는 실차의 주행시험을 통하여 이루어진다.
이와 같은 환경 하에서, 자동차에 탑재되는 여러 메카트로닉스 부품들과 마찬가지로 제동장치 중 ABS의 동작여부는 ABS를 자동차에 장착 후 직접 주행을 하던가 컴퓨터로 시뮬레이션 하게 된다.
그런데, ABS는 타이어의 잠김현상을 미연에 방지하고 운전자의 조향 안전성 확보를 위해 설치된 장치중의 하나이다.
특히, 차량 구동 제어 시스템 개발에 있어서 제어 로직(Control logic)을 개발하고 검증하는 데에는 실제로 존재할 만한 모든 주행조건을 다 갖춘 실차 시험을해야 한다.
그러나, 상기 ABS시제가 차량동력학의 복잡성과 비선형적 요소들 때문에 실시간으로 정확한 데이터를 얻기 어려운 단점이 있다.
또한, 상기 ABS시제가 탑재된 차량의 주행시험이 여건상 1년에 4개월 밖에 할 수 없어 연속적인 시험 후 수정하는 반복 작업이 어렵고 실시간으로 시험할 수 없는 단점도 있다.
그리고, 상기 ABS시제가 탑재된 차량의 운전 주행으로 사고가 발생될 문제점이 있을 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 본 발명에 따른 ABS 시뮬레이션용 HILS 시스템은 ABS 시제를 MATLAB 프로그램으로 시뮬레이션 함으로써 실시간으로 실차의 동적 거동을 확인할 수 있어 실차의 개발 기간을 단축할 수 있으며, 주행시험에 따른 위험성을 없애고자 하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 일반적인 ABS 시제의 구성을 나타낸 개략도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 원리를 나타낸 HILS 시스템의 블럭도.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명을 이용하여 나타난 시뮬레이션 결과 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: 소프트웨어부재 110: ABS 시제
112: 바퀴속도감지센서 116: ABS 엑츄에이터
118: 경고등 120: 바퀴
130: 호스트 컴퓨터 132: 컴퓨터 모니터
134: 컴퓨터 본체 150: DSP 보드
200: 하드웨어부재 210: 가상 실차
220: 제동부 222: 제동페달
230: 운전부 232: 가속페달
234: 조향 휠 240: 영상부
250: 차량모델 계산부 252: 타켓 컴퓨터
260: 인터페이스부
상술한 본 발명의 목적은 바퀴속도감지센서(wheel speed sensor), ECU(Electronic Control Unit), ABS 엑츄에이터 및 경고등을 포함하여 이루어진 ABS(Anti-lock Brake System) 시제를 구동시키면서 컴퓨터 모니터에서 가상 실차를 실시간으로 시뮬레이션 되도록 하고 상기 컴퓨터 모니터와 연결된 컴퓨터 본체에서MATLAB(MATrix LABoratory) 프로그램을 구동하는 소프트웨어부재와, 상기 컴퓨터 본체에서 구동되는 상기 MATLAB 프로그램에 매개변수를 연속적으로 부여할 수 있도록 상기 ABS 시제와 연결되어 시뮬레이션 되는 상기 가상 실차를 감속시키기 위한 제동부, 상기 가상 실차를 가속 또는 방향 전환시킬 수 있는 운전부, 상기 가상 실차의 시뮬레이션을 확인하기 위한 영상부로 이루어진 하드웨어부재로 구성되는 ABS 시뮬레이션용 HILS(Hardware In The Loop Simulation) 시스템에 의해 달성된다.
이하, 본 발명의 구성을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 ABS 시제의 구성을 나타낸 개략도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 원리를 나타낸 HILS 시스템의 블록도이며, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명을 이용하여 나타난 시뮬레이션 결과 그래프를 나타낸 것이다.
종래의 기술과 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ABS 시뮬레이션용 HILS 시스템은 바퀴속도감지센서(112), ECU(도시하지 않음), ABS 엑츄에이터(116) 및 경고등(118)을 포함하여 이루어진 ABS 시제(110)를 구동시키면서 컴퓨터 모니터(132)에서 가상 실차(210)를 실시간으로 시뮬레이션 되도록 하고 상기 컴퓨터 모니터(132)와 연결된 컴퓨터 본체(134)에서 MATLAB 프로그램을 구동할 수 있는 소프트웨어부재(100)와, 상기 컴퓨터 본체(134)에서 구동되는 상기 MATLAB 프로그램에 매개변수를 연속적으로 부여할 수 있도록 상기 ABS 시제(110)와 연결되어 시뮬레이션 되는 상기 가상 실차(210)를 감속시키기 위한 제동부(220), 상기 가상실차(210)를 가속 또는 방향 전환시킬 수 있는 운전부(230), 상기 가상 실차(210)의 시뮬레이션을 확인하기 위한 영상부(240)로 이루어진 하드웨어부재(200)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 ABS 시제(110)는 HILS 시스템에서 수식적으로 표현된 모델과 입·출력 변수들에 의해 최종적으로 DSP(Digital Signal Processor) Code화까지 자동적으로 이루어지기 때문에 시스템을 모델링하여 실시간으로 해석할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 ABS 시제(110)는 일반적으로 바퀴속도감지센서(112), ECU(전자제어유닛), ABS 엑츄에이터(116) 및 경고등(118)으로 크게 구성된다.
상기 ECU는 가상 실차(210)에 설치된 두 쌍의 바퀴(120)의 가감속도를 연산하여 바퀴(120)의 슬립(slip) 상태를 판단하여 제어신호를 출력한다.
상기 바퀴속도감지센서(112)는 바퀴(120)의 속도를 감지하여 ECU에 전달한다.
그리고, 상기 ABS 엑츄에이터(116)는 바퀴(120)의 회전상태를 제어하며 상기 경고등(118)은 운전자에게 ABS 시제(110)의 이상을 알려줌과 동시에 ABS 시제(110)의 작동됨을 알려준다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 하드웨어부재(200)는 제동부(220), 운전부(230) 및 영상부(240)로 이루어져 있다.
즉, 상기 운전부(230)는 조향 휠(234)과 가속페달(232) 등으로 구성되어 가상 실차(210)의 속도를 증가시키거나 방향을 전환하게 된다.
그리고, 상기 제동부(220)는 제동페달(222) 등으로 구성되어 운전부(230)에 의해 호스트 컴퓨터(130)의 컴퓨터 모니터(132)에서 시뮬레이션 되는 가상 실차(210)의 제동을 하게 된다.
또한, 상기 영상부(240)는 호스트 컴퓨터(130)에서 컴퓨터 본체(134)와 연결된 컴퓨터 모니터(132)에서 상기 운전부(230)와 제동부(220)의 작동으로 시뮬레이션 되는 가상 실차(210)를 눈으로 확인할 수 있도록 한다.
한편, 상기 하드웨어부재(200)에는 상기 컴퓨터 본체(134)에 기억된 다수의 차량모델 중 제동부(220) 및 운전부(230)의 구동으로 시뮬레이션 되는 상기 가상 실차(210)에 부합되는 어느 하나의 차량모델을 선택하는 차량모델 계산부(250)와, 상기 제동부(220)·운전부(230)·영상부(240) 및 차량모델 계산부(250)의 동작을 동기화 시켜 상기 호스트 컴퓨터(130)에 전기적 신호로 입력하기 위한 인터페이스부(260)가 부가 형성되어 있다.
상기 차량모델 계산부(250)는 타켓 컴퓨터(252)에 포함되어 시뮬레이션 되는 가상 실차(210)의 조건에 부합하는 차량모델을 선택하도록 구성되어 있다.
즉, 상기 운전부(230)에서 가속페달(232) 및 조향 휠(234)을 작동시키거나 상기 제동부(220)에서 제동페달(222)을 작동시킬 때 ECU(도시하지 않음)에서는 원하는 샘플링 시간마다 각 바퀴(120)의 속력을 보내야 하므로 차량모델을 계산하는 타켓 컴퓨터(252)로 실시간 환경에서 모델을 계산하게 되는 것이다.
그리고, 상기 타켓 컴퓨터(252)는 제공된 실시간 커널(Real Time Kernel)에 의해 차량모델을 계산하게 된다.
상기 인터페이스부(260)는 상기 제동부(220), 운전부(230), 영상부(240) 및 차량모델 계산부(250) 각각의 전기적 신호를 동기화 시켜 상호 정보의 입출력을 가능하도록 되는 것이다.
그러므로, 상기 ABS 시제(110)의 작동여부는 설치되는 제동부(220), 운전부(230) 및 영상부(240)를 포함하는 HILS 시스템을 구동시키면서 연속된 매개변수를 MATLAB을 이용하여 호스트 컴퓨터(130)에서 가상 실차(210)를 시뮬레이션 하도록 구성한다.
이하, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작동 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 사용자는 상기 제동부(220)와 운전부(230)를 작동하게 되면 작동 신호는 인터페이스부(160)의 구성 요소인 IO 포트(port)에 입력된다.
그리고, 상기 IO 포트에 입력된 신호는 타켓 컴퓨터(252) 내부의 DSP(Digital Signal Processor) 보드(150)에서 실시간으로 제어된다.
이때, 상기 타켓 컴퓨터(252)의 차량모델 계산부(250)에서는 제공된 실시간 커넬에 의해 전송된 신호에 부합된 가상 실차(210)의 모델을 선택하게 된다.
또한, 상기 DSP 보드(150)에서 제어된 신호는 호스트 컴퓨터(130)로 전송되어 호스트 컴퓨터(130) 중 컴퓨터 본체(134)에서 상기 신호들을 매개변수로 하는 MATLAB 프로그램을 구동하게 된다.
그리고, 상기 영상부(240)에 포함되는 상기 호스트 컴퓨터(130)의 컴퓨터 모니터(132)에서 상기 MATLAB 프로그램을 구동으로 가상 실차(210)의 시뮬레이션이 이루어진다.
이때, 상기 가상 실차(210)는 상기 컴퓨터 모니터(132)에서 시뮬레이션 되면서 바퀴(120)의 캠버각· 캐스터각 및 토우각, 동적 거동에 따른 하중에 의해 상·하·좌·우 및 전·후 유동되는 현가력, 제동시의 종방향 힘에 의한 종방향 미끄러짐율(Ft/Fn) 및 횡방향 힘에 의한 횡방향 미끄럼율(Fs/Fn), 구동시의 가속페달(232)에 가해지는 구동력 및 제동시의 제동페달(222)에 가해지는 제동력이 상기 컴퓨터 본체(134)에서 연속적인 데이터로 구현 및 출력된다.
특히, 본 발명에서 상기 가상 실차(210)를 시뮬레이션 시키는 데에는 상기 하드웨어부재(200)와 가상 실차(210)를 실시간으로 작동하고, 상기 가상 실차(210)에 조향 휠(234)의 작동으로 조향 기능이 있도록 하며, 다양한 노면에서 제동할 수 있다는 조건이 전제된다.
한편, 상기 가상 실차(210)는 Newton-Euler 운동방정식으로 표현된다.
즉,
여기서, M은 질량, I는 질량중심에 대한 관성모멘트, F는 실차의 질량중심에 가해지는 결과력, n은 실차의 질량중심에 가해지는 모멘트, w는 실차의 각속도 그리고 g는 중력가속도이다.
그래서, 최종적으로 운동방정식을 시뮬레이션 하기 위하여 미분방정식으로 구성된 식에 MATLAB의 Euler 알고리즘이 사용된다.
즉,
한편, 상기 가상 실차(210)는 상술한 식에 의해 시뮬레이션 되면서 여러 데이터가 산출되게 되는데 상기 가상 실차(210)에서 바퀴(120)의 캠버각· 캐스터각 및 토우각이 데이터화된다.
상기 캠버각은 실차의 앞에서나 뒤에서 보았을 때 수직선에 대해서 바퀴의 상부가 안쪽으로나 바깥쪽으로 기울어짐으로서 이루는 각도를 말하고, 상기 캐스터각은 실차의 측면에서 보았을 때 수직선에 대해서 타이어가 조향될 때 조향의 축이이루는 각을 말한다.
그리고, 상기 토우각은 실차의 위에서 보았을 때 수직선에 대해서 바퀴의 앞쪽이 좁거나 넓어진 각을 말한다.
도 4a는 상기 가상 실차(210)의 전륜에 있어 차륜 변위에 대한 캠버각에 있어 핸들 각도가 0°와 180°일 때의 함수의 결과치를 곡선으로 나타내었다.
또한, 상기 가상 실차(210)는 시뮬레이션 되면서 현가력이 데이터로 산출되게 된다.
상기 현가력은 가상 실차(210)가 시뮬레이션 되면서 세 방향 즉, 상·하·전·후 및 좌·우 움직이게 되고 이에 따른 현가의 변위를 나타내게 되는데 도 4b는 종방향에 대한 전륜 현가력과 후륜 현가력의 변화율이 함수로 나타낸 것이다.
그리고, 상기 미끄러짐율은 타이어에 있어서 종방향힘 대 종방향 미끄러짐율의 그래프와 횡방향 힘 대 횡방향 미끄러짐율을 그래프로 표현할 수 있다.
도 4c는 상기 가상 실차(210)가 시뮬레이션 될 때 종방향힘에 대한 종방향 미끄러짐율을 나타내었고, 도 4d는 상기 가상 실차(210)가 시뮬레이션 될 때 횡방향힘에 대한 횡방향 미끄러짐율을 나타낸 것이다.
한편, 상기 구동력은 가속페달(232)을 누를 때 가해지는 힘을 데이터화 한 것이고, 상기 제동력은 제동페달(222)을 누를 때 가해지는 힘을 데이터화 한 것으로 모두 함수로 나타날 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 ABS 시뮬레이션용 HILS 시스템은 ABS 시제의 개발 가간을 단축시킬 수 있고 경비를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 가상 실차를 통한 ABS 시제의 반복 시험은 시험자가 위험에 노출되는 것을 방지할 수 있는 효과도 있다.

Claims (3)

  1. 바퀴속도감지센서, ECU, ABS 엑츄에이터 및 경고등을 포함하여 이루어진 ABS 시제를 작동시키면서 컴퓨터 모니터에서 가상 실차가 실시간으로 시뮬레이션 되도록 상기 컴퓨터 모니터와 연결된 컴퓨터 본체에서 MATLAB 프로그램을 구동하는 소프트웨어부재와;
    상기 컴퓨터 본체에서 구동되는 상기 MATLAB 프로그램에 임의의 매개변수를 연속적으로 부여할 수 있도록 시뮬레이션 되는 상기 가상 실차를 감속시키기 위한 제동부, 상기 가상 실차를 가속 또는 방향 전환시킬 수 있는 운전부, 상기 가상 실차의 시뮬레이션을 확인하기 위한 영상부로 이루어진 하드웨어부재로 구성된 것을 특징으로 하는 ABS 시뮬레이션용 HILS 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가상 실차는 외부에 설치된 상기 제동부 및 운전부의 작동으로 상기 컴퓨터 모니터 내부에서 시뮬레이션 되면서 바퀴의 캠버각· 캐스터각 및 토우각, 상·하·전·후 및 좌·우로 작용되는 현가력, 제동시의 바퀴에 작용되는 종방향힘에 대한 종방향 미끄러짐율 또는 횡방향힘에 대한 횡방향 미끄러짐율, 구동시의 가속페달에 가해지는 구동력 및 제동시의 제동페달에 가해지는 제동력이 상기 컴퓨터 본체에서 연속적인 데이터로 출력되는 것을 특징으로 하는 ABS 시뮬레이션용 HILS시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하드웨어부재에는 상기 컴퓨터 본체에 기억된 다수의 차량모델 중 상기 제동부 및 운전부의 구동으로 시뮬레이션 되는 상기 가상 실차에 부합되는 어느 하나의 차량모델을 선택하는 차량모델 계산부와;
    상기 제동부, 운전부, 영상부 및 차량모델 계산부의 동작을 동기화 시켜 상기 컴퓨터 본체에 전기적 신호로 입력하기 위한 인터페이스부가 부가 형성된 것을 특징으로 하는 ABS 시뮬레이션용 HILS 시스템.
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