KR20050053126A - 구동력을 이용한 차량 자세 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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박병진
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Abstract

본 발명은 차량이 커브길을 선회하여 주행할 때 코스를 이탈할 경우에 전륜 구동기 또는 후륜 구동기의 구동력을 증가시킴으로써, 타이어의 횡방향 그립포스(Grip Force)를 떨어뜨려, 차량의 선회에 필요한 모멘트를 발생시켜서 원하는 코스로 주행하도록 제어하는 구동력을 이용한 차량 자세 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서,
조향각 센서 및 요율 센서로부터 센싱 신호를 수신하고, 이 센싱 신호를 근거로 조향 스티어링을 판단하여, 오버 스티어링인 경우 에어 마스터를 통해 전륜 구동기를 제어하여 전륜 구동력을 증대시키고, 언더 스티어링인 경우 에어 슬레이브를 통해 후륜 구동기를 제어하여 후륜 구동력을 증대시키며,
본 발명에 의하면, 차량이 커브길을 선회할 때 운전자가 브레이크 페달을 밟지 않아도 되고, 그에 따라 진동이나 소음을 유발되지 않는다. 또한, 차량에 동적 거동 제어(VDC) 장치의 장착을 위해 ABS 장치를 따로 장착할 필요가 없다. 그리고, 커브길을 선회하여 주행할 때 자동으로 차량의 자세를 안정되게 함으로 에너지 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

구동력을 이용한 차량 자세 제어 시스템 및 방법{Balancing Control System and Method Using by Traction Torque}
본 발명은 구동력을 이용한 차량 자세 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량이 커브길을 선회하여 주행할 때 코스를 이탈할 경우에 전륜 구동기(FRT) 또는 후륜 구동기(RR)의 구동력을 증가시킴으로써, 타이어의 횡방향 그립포스(Grip Force)를 떨어뜨려, 차량의 선회에 필요한 모멘트를 발생시켜서 원하는 코스로 주행하도록 제어하는 구동력을 이용한 차량 자세 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고속으로 커브길을 주행하는 경우에는 차량의 구동력 보다 원심력이 커지면서 타이어의 접지력이 떨어져 스핀이 발생되거나 심한 경우에는 전복사고까지 발생된다. 이에 따라 커브길 주행시에는 가속 페달에서 발을 떼고 제동을 하여 차량의 속도를 낮춘 다음 커브길을 천천히 진입하고, 커브를 돌은 다음에는 다시 가속하는 슬로우 인 패스트 아웃(Slow In Fast Out)이라는 운전 기법을 이용하여 운전을 행하게 된다.
그러나, 전술한 바와 같은 운전 기법은 고숙련 운전자만이 유연하게 할 수 있으며, 초보자의 경우에는 커브길을 주행할 때 어느 정도의 속도가 적정한 판단하기 어렵고, 숙련의 운전자라 할지라도 초행길 등에서는 최상의 차량 자세를 유지하면서 커브길을 안전하게 운전한다는 것이 어려워 전복 사고를 일으키게 되며, 또한 실제로도 주위에서 고속 주행으로 인한 커브길에서의 사고를 종종 경험하게 된다.
따라서, 차량의 제동시 각 차륜의 록킹을 방지하여 조향의 불안전성을 해소시키면서 이에 따른 제동 성능을 향상시키도록 된 ABS(Antilock Brake System) 장치가 이용되고 있다. ABS 장치는 제동시 각 차륜의 슬립(Slip)률을 일정 범위에서 유지시키도록 휠실린더로 공급되는 제동압을 적절하게 조절하여 차륜의 제동력을 증가, 유지 또는 감소시키도록 함으로써, 차륜의 고착(Locking) 발생을 방지하고 제동 능력을 향상시키게 된다.
근래에 들어 주행 중 차량이 안정 한계에 도달했을 때 자동적으로 각 차륜에 제동압을 가하여 차량의 자세, 특히 요모멘트(Yaw Moment)를 제어하여 스핀이나 드리프트-아웃 등의 위험한 차량 거동을 회피함은 물론 한계 상황의 일보 직전에서 차속을 감속하여 한계 진입을 회피하면서 기존의 ABS 장치와 구동력 제어 장치(TCS: Traction Control System)를 협조하여 차량의 자세를 안정되게 제어하도록 된 동적 거동 제어 장치(VDC: Vehicle Dynamics Control)가 이용되고 있다. 이 동적 거동 제어 장치는 전자식 안정화 프로그램(ESP: Electronic Stability Program)이라 불리기도 한다.
그러나, 차량의 자세를 제어하기 위해 전자식 안정화 프로그램(ESP)을 이용하게 될 경우 운전자가 브레이크 페달을 밟음으로써 진동이나 소음을 유발하게 되는 단점이 있고, 또한 차량에 ABS 장치를 장착해야만 전술한 동적 거동 제어(VDC) 장치를 장착할 수 있다는 단점이 있다. 그리고, 커브길을 선회하여 주행할 때 ABS 장치를 이용하여 차량 속도를 저하시키면서 동적 거동 제어(VDC) 장치를 통해 차량의 자세를 안정되게 할 경우에 에너지 손실이 발생한다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 차량이 커브길을 선회하여 주행할 때 코스를 이탈할 경우에 전륜 구동기(FRT) 또는 후륜 구동기(RR)의 구동력을 증가시킴으로써, 타이어의 횡방향 그립포스(Grip Force)를 떨어뜨려, 차량의 선회에 필요한 모멘트를 발생시켜서 원하는 코스로 주행하도록 제어하는 구동력을 이용한 차량 자세 제어 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차량이 커브길을 선회하여 주행할 때 차량의 선회에 필요한 모멘트를 발생시켜서 원하는 코스로 주행하도록 제어하는 차량 자세 제어 시스템으로서, 핸들의 조향각을 감지하여 조향 센싱 신호로 송출하는 조향각 센서; 4개 휠의 모멘트에 의해 결정되는 차량의 요모멘트를 감지하여 요 센싱 신호로 송출하는 요율 센서; 제동력에 사용하기 위한 공기를 압축하여 대기시키는 에어 탱크; 압축된 공기로 전륜 브레이크 오일의 압력을 배력시키는 에어 마스터; 압축된 공기로 후륜 브레이크 오일의 압력을 배력시키는 에어 슬레이브; 배력된 오일을 받아 전륜 브레이크 라이닝을 작동시키는 전륜 구동기; 배력된 오일로 후륜 브레이크 라이닝을 작동시키는 후륜 구동기; 및 상기 조향 센싱 신호 및 상기 요 센싱 신호를 근거로 오버 스티어링 또는 언더 스티어링을 판단하여, 상기 에어 마스터 또는 상기 에어 슬레이브를 제어해 상기 전륜 구동기 또는 상기 후륜 구동기를 작동시키는 전자 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 목적에 의하면, 차량이 커브길을 선회하여 주행할 때 차량의 선회에 필요한 모멘트를 발생시켜서 원하는 코스로 주행하도록 제어하는 차량 자세 제어 방법으로서, 조향각 센서 및 요율 센서로부터 센싱 신호를 수신하는 제1 단계; 상기 센싱 신호를 근거로 조향 스티어링을 판단하는 제2 단계; 및 상기 조향 스티어링이 오버 스티어링인 경우, 에어 마스터를 통해 전륜 구동기를 제어하여 전륜 구동력을 증대시키고, 언더 스티어링인 경우 에어 슬레이브를 통해 후륜 구동기를 제어하여 후륜 구동력을 증대시키는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
자동차는 엔진의 구동력과 타이어와 노면의 마찰력에 의해 주행하게 되는 바, 고속 주행시 차량의 안정성이 매우 중요하게 된다. 즉, 차량 주행시에는 롤링, 요잉, 피칭 등의 동작이 연속 발생되기 때문에 이를 제어하여 보다 안정된 자세에서 주행할 수 있도록 하여야 한다.
특히, 차량의 커브길 주행시에는 차량의 특성상 오버 스티어링(Over Steering) 또는 언더 스티어링(Under Steering) 현상에 의해 조향에 따라 차량의 궤적이 동일하지 않게 됨과 아울러 관성력이 작용되기 때문에 주의가 필요하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 VDC 시스템을 응용하여 운전자의 수동적인 브레이크 온/오프 동작에 관계없이 차량의 위치, 즉 핸들의 위치 변화에 따른 조향각(Steering Angle)을 조향각 센서(Steering Angle Sensor)로부터 검출하고, 검출된 조향각에 따라 언더/오버(Under/Over) 조향각을 판단하여 그에 따라 전륜 브레이크 또는 후륜 브레이크의 동작을 자동으로 제어하도록 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량 자세 제어 시스템(100)의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 차량 자세 제어 시스템(100)은 전자 제어 조향 시스템(Electronic Power Steering : EPS) 및 전자 제어 4륜 조향 시스템(4 Wheel Steering : 4WS)이 적용된다. 전자 제어 조향 시스템(EPS)은 차속 센서, 조향각 센서, 트로틀 포지션 센서(TPS)를 사용하여 차량의 조향력을 제어하여 운전자에게 최적의 조향 상태를 제공한다. 또한, 전자 제어 4륜 조향 시스템(4WS)은 차속 센서, 조향각 센서, 리어각 센서(Rear Angle Sensor), 요율 센서(Yaw Rate Sensor), 제동 스위치, 파킹 스위치를 이용하여 네 개 차륜의 조향 상태를 제어한다.
본 발명에 따른 차량 자세 제어 시스템(100)은 전자 제어부(ECU: Electronic Control Unit)(110), 조향각 센서(Steering Angle Sensor)(112), 요율 센서(114), 에어 탱크(Air Tank)(120), 릴레이 밸브(122), 에어 마스터(Air Master)(130), 에어 슬레이브(Air Slave)(140), 전륜 구동기(FRT)(150), 후륜 구동기(RR)(160) 등을 포함한 구성을 갖는다.
전자 제어부(110)는 조향각 센서(112)와 요율 센서(114)로부터 인가된 센싱 신호를 근거로 오버 스티어링 또는 언더 스티어링을 판단하여, 에어 마스터(130)나 에어 슬레이브(140)를 제어해 전륜 구동기(150) 또는 휴륜 구동기(160)를 작동시키는 기능을 한다.
조향각 센서(112)는 운전자 조향 핸들의 다기능 스위치 구성에 장착되어, 광센서 방식 즉, 얇은 디스크 판 양쪽에 발광부와 수광부를 설치하여 디스크에 설치된 홈을 통하여 빛의 통과를 감지하여 차량의 조향각을 출력한다. 조향각 센서(112)는 전자 제어부(110)에 연결되어 구성되며, 조향각의 센싱 신호를 전자 제어부(110)로 전달한다. 이에 대하여, 전자 제어부(110)는 조향각 센서(112)로부터 전달된 센싱 신호를 수신하고 연산해서 조향각을 검출한다.
요율 센서(114)는 4 개 휠(Wheel)의 모멘트에 의해 결정되는 차량의 요모멘트를 감지하는 장치로서, 감지한 요율의 센싱 신호를 전자 제어부(110)로 전달한다.
에어 탱크(120)는 제동력에 사용하기 위한 공기를 압축하여 대기시키고, 에어 마스터(130) 및 에어 슬레이브(140)는 브레이크 오일(Breake Oil)이 휠 실린더에 도달되도록 오일의 압력을 배력시키는 기능을 한다.
릴레이 밸브(122)는 압축된 공기를 에어 마스터(130) 또는 에어 슬레이브(140)로 분배시키는 기능을 한다.
전륜 구동기(150) 및 후륜 구동기(160)는 배력된 오일을 받아 전륜 브레이크 라이닝 또는 후륜 브레이크 라이닝을 작동시켜 제동하는 동작을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동력을 이용한 차량 자세 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 차량이 커브길을 진입하려는 순간이라고 가정하고, 이때 운전자는 운전대를 회전시키는 조작을 하게 된다.
운전자가 운전대를 조작하게 되면, 휠 센서(미도시)를 통해 조향각 및 조향 각속도를 체크되고, 조향각 센서(112)는 운전대의 조작에 따른 조향각을 감지하게 된다. 차량의 조향에 따라 요율도 가변하게 된다. 각각의 조향각 센서(112) 및 요율 센서(114)는 감지한 센싱 신호를 전자 제어부(110)로 전달한다. 전자 제어부(110)는 조향각 센서(112)와 요율 센서(114)로부터 센싱 신호를 수신한다(S202).
전자 제어부(110)는 수신한 조향각 및 요율에 대한 센싱 신호를 근거로 조향 스티어링을 판단한다(S204).
도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 운전자가 커브길에 진입하는 순간에 운전대를 원심의 안쪽 방향으로 많이 돌리는 경우, 전륜의 각도가 일정 각도 이상으로 가변되며, 후륜이 선회 커브의 바깥쪽으로 미끄러져서 요율이 커지게 된다. 이때, 조향각 센서(112)는 일정 각도 이상의 값을 갖는 센싱 신호를 전자 제어부(110)로 전달한다.
한편, 도 3의 (B)와 같이, 차량이 커브길을 진입한 이후 어느 정도 주행하여, 운전자가 돌렸던 운전대를 풀면서 전륜의 각도가 일정 각도 이하로 가변되면, 후륜이 선회 커브의 바깥쪽으로 미끄러져 요율이 작아지게 된다. 이때, 조향각 센서(112)는 일정 각도 이하의 값을 갖는 센싱 신호를 전자 제어부(110)로 전달한다.
센싱 신호를 근거로 조향 스티어링을 판단하여, 오버 스티어링으로 판단되면(S206), 전자 제어부(110)는 에어 마스터(130)를 작동시킨다(S208). 따라서, 에어 탱크(120)로부터 대기되어 있는 압축 공기가 에어 마스터(130)에 의해 동작되어 오일의 압력이 배력된다. 배력된 오일은 휠 실린더의 전륜 구동기(150)로 인가되어 전륜 구동기(150)를 작동시킨다. 즉, 도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, FRT 구동력을 증대시키면 FRT 그립포스(Grip Force)가 저하되고, 이에 따라 요모멘트(Yau Moment)를 바깥쪽으로 발생시켜 차량의 자세를 안정화시키게 된다.
한편, 센싱 신호를 근거로 조향 스티어링을 판단하여, 오버 스티어링이 아닌 언더 스티어링으로 판단되면, 전자 제어부(110)는 에어 슬레이브(130)를 통해 후륜 구동기(160)를 제어하여 RR 구동력을 증대시킨다(S210).
즉, 에어 탱크(120)로부터 대기되어 있는 압축 공기가 에어 슬레이브(140)에 의해 동작되어 오일의 압력이 배력된다. 배력된 오일은 휠 실린더의 후륜 구동기(160)로 인가되어 후륜 구동기(160)를 작동시킨다. 후륜 구동기(160)가 작동됨에 따라 RR 구동력이 증대되고, 도 3의 (B)에 도시된 바와 같이, RR 구동력을 증대시키면 RR 그립포스(Grip Force)가 저하되고, 이에 따라 요모멘트(Yau Moment)를 안쪽으로 발생시켜 차량의 자세를 안정화시키게 된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 차량이 커브길을 선회하여 주행할 때 코스를 이탈할 경우에 전륜 구동기 또는 후륜 구동기의 구동력을 증가시킴으로써, 타이어의 횡방향 그립포스(Grip Force)를 떨어뜨려, 차량의 선회에 필요한 모멘트를 발생시켜서 원하는 코스로 주행하도록 제어하는 구동력을 이용한 차량 자세 제어 시스템 및 방법을 실현할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 차량이 커브길을 선회할 때 운전자가 브레이크 페달을 밟지 않아도 되고, 그에 따라 진동이나 소음을 유발되지 않는다. 또한, 차량에 동적 거동 제어(VDC) 장치의 장착을 위해 ABS 장치를 따로 장착할 필요가 없다. 그리고, 커브길을 선회하여 주행할 때 자동으로 차량의 자세를 안정되게 함으로 에너지 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량 자세 제어 시스템(100)의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동력을 이용한 차량 자세 제어 방법을 나타낸 순서도,
도 3은 선회 주행의 조향각에 따른 오버 스티어링과 언더 스티어링을 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 차량 자세 제어 시스템 110 : 전자 제어부(ECU)
112 : 조향각 센서 114 : 요율 센서
120 : 에어 탱크 122 : 릴레이 밸브
130 : 에어 마스터 140 : 에어 슬레이브
150 : 전륜 구동기(FRT) 160 : 후륜 구동기(RR)

Claims (9)

  1. 차량이 커브길을 선회하여 주행할 때 차량의 선회에 필요한 모멘트를 발생시켜서 원하는 코스로 주행하도록 제어하는 차량 자세 제어 시스템으로서,
    핸들의 조향각을 감지하여 조향 센싱 신호로 송출하는 조향각 센서;
    4 개 휠(Wheel)의 모멘트에 의해 결정되는 차량의 요모멘트(Yaw Moment)를 감지하여 요 센싱 신호로 송출하는 요율 센서;
    제동력에 사용하기 위한 공기를 압축하여 대기시키는 에어 탱크;
    압축된 공기로 전륜 브레이크 오일(Breake Oil)의 압력을 배력시키는 에어 마스터;
    압축된 공기로 후륜 브레이크 오일의 압력을 배력시키는 에어 슬레이브;
    배력된 오일을 받아 전륜 브레이크 라이닝을 작동시키는 전륜 구동기;
    배력된 오일로 후륜 브레이크 라이닝을 작동시키는 후륜 구동기; 및
    상기 조향 센싱 신호 및 상기 요 센싱 신호를 근거로 오버 스티어링(Over Steering) 또는 언더 스티어링(Under Steering)을 판단하여, 상기 에어 마스터 또는 상기 에어 슬레이브를 제어해 상기 전륜 구동기 또는 상기 후륜 구동기를 작동시키는 전자 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어 탱그에 압축된 공기는 릴레이 밸브를 통해 상기 에어 마스터 또는 상기 에어 슬레이브로 분배되는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 제어부는, 센싱 신호를 근거로 언더 스티어링으로 판단되면, 상기 에어 슬레이브를 통해 상기 후륜 구동기를 제어하여 후륜(RR) 구동력을 증대시키는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 제어부는, 센싱 신호를 근거로 오버 스티어링으로 판단되면, 상기 에어 슬레이브를 통해 상기 전륜 구동기를 제어하여 전륜(FRT) 구동력을 증대시키는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 후륜(RR) 구동력이 증대됨에 따라 후륜(RR) 그립포스(Grip Force)가 저하되고, 요모멘트(Yau Moment)를 안쪽으로 발생시켜 차량의 자세를 안정화시키는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전륜(FRT) 구동력이 증대됨에 따라 전륜(FRT) 그립포스(Grip Force)가 저하되고, 요모멘트(Yau Moment)를 바깥쪽으로 발생시켜 차량의 자세를 안정화시키는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 시스템.
  7. 차량이 커브길을 선회하여 주행할 때 차량의 선회에 필요한 모멘트를 발생시켜서 원하는 코스로 주행하도록 제어하는 차량 자세 제어 방법으로서,
    조향각 센서(Steering Angle Sensor) 및 요율 센서(Yaw Rate Sensor)로부터 센싱 신호를 수신하는 제1 단계;
    상기 센싱 신호를 근거로 조향 스티어링을 판단하는 제2 단계; 및
    상기 조향 스티어링이 오버 스티어링인 경우, 에어 마스터를 통해 전륜 구동기를 제어하여 전륜 구동력을 증대시키고, 언더 스티어링인 경우 에어 슬레이브를 통해 후륜 구동기를 제어하여 후륜 구동력을 증대시키는 제3 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 전륜(FRT) 구동력이 증대됨에 따라 전륜(FRT) 그립포스(Grip Force)가 저하되고, 요모멘트(Yau Moment)를 차량의 바깥쪽으로 발생시켜 차량의 자세를 안정화시키는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 후륜(RR) 구동력이 증대됨에 따라 후륜(RR) 그립포스(Grip Force)가 저하되고, 요모멘트(Yau Moment)를 차량의 안쪽으로 발생시켜 차량의 자세를 안정화시키는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 방법.
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