KR20070116284A - 조향 휠과 피조향 휠 사이에 기계식 연동기를 갖지 않는차량 조향 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면 모든 휠(1)이 조향되는 육상 자동차용 조향 제어 시스템이 제공되며, 이 조향 제어 시스템은 적어도 하나의 전방 피조향 휠의 조향각을 작용시키기 위한 적어도 하나의 액츄에이터(3_Av) 및 적어도 하나의 후방 피조향 휠의 조향각을 작용시키기 위한 적어도 하나의 액츄에이터(3_Ar)와, 조향을 위해 액츄에이터가 제어되는 기준인 각각의 제어각(α)을 각각의 액츄에이터에 대하여 결정하기 위해 적어도 자동차의 속력(V)과 상기 요청된 조향 신호(θ)를 입력 변수로서 사용하는 제어기(4)를 포함하며, 이 제어기는, 자동차의 속력(V)과 자동차의 동역학적 평형의 지배 특성과 자동차의 최대 횡방향 가속도 값(γ_{y max})의 선택으로부터 자동차의 순간 회전 중심의 종방향 좌표(x_R)를 결정하는 것을 가능하게 하는, 자동차의 조향 거동을 제어하는 모듈(5)과, 순간 회전 중심의 종방향 및 횡방향 좌표(x_R, y_R)로부터 각각의 피조향 휠의 제어각(α)을 결정하는 블록(433)을 포함한다.

조향 제어 시스템, 등가 바이시클 모델, 최대 조향각, 저단 변속 비율

Description

조향 휠과 피조향 휠 사이에 기계식 연동기를 갖지 않는 차량 조향 제어 시스템 {VEHICLE STEERING CONTROL SYSTEM COMPRISING NO MECHANICAL LINKAGE BETWEEN THE STEERING WHEEL AND THE STEERED WHEELS}

본 발명은 자동차 조향에 관한 것이며, 특히 피조향 휠(steered wheel)(들)과 [일반적으로는 조향 휠(steering wheel)인] 제어 부재 사이에 기계식 연결이 없는 조향 시스템에 관한 것이다. 이러한 조향 시스템 구조는 전자 제어식 조향의 경우에 특히 적합하다.

종래 기술에서, 승용차의 조향은 대부분 피조향 휠에 기계식으로 연결된 조향 휠에 의해 제어된다. 운전자는 자동차를 한 방향 또는 다른 방향으로 향하도록 조향 휠을 한 방향 또는 다른 방향으로 회전시킴으로써 작동시킨다. 이런 방식에서는, 운전자는 자동차를 요잉 운동하게 한다. 통상 조향은 보조되는데, 조향 휠과 피조향 휠 사이의 기계식 연결을 제거하지 않으면서 유압식 보조기가 전기식 조향 보조기로 대체되고 있다.

또한, 자동차의 모든 액츄에이터용 전자 제어 수단만이 더욱더 발전되고 있다. 조향의 경우, 이러한 기술은 잘 알려진 영어식 표현 "스티어 바이 와이어(steer by wire)"로 불려진다. 이것은 오늘날 피조향 휠과 조향 제어부(예를 들 어 조향 휠) 사이의 연결로서 일반적으로는 기계적이며 때때로 유압식인 연결을 전기적 연결로 대체하는 것으로 이루어진다. 피조향 휠은 언제든지 피조향 휠 상의 조향을 야기하고 제어할 수 있는 전기식 액츄에이터들 중 하나에 연결된다. 따라서, 회전 동안 피조향 휠과 조황 휠을 연결하는 기계적 연결이 없다. 자동차의 운전자에 의해 조향 휠 상에서 만들어진 명령은 전기 신호로 변환된다. 전기식 액츄에이터들은 자신이 전기 신호를 수신한다. 전기식 액츄에이터를 적합한 방식으로 제어할 수 있는 제어기에 의해 조향 시스템 전체가 관리된다.

이러한 기술의 장점은 이론적으로는 전자 공학의 발전에 따른다는 것인데, 전자 공학의 발전은 더욱 더 정교한 피드백 제어를 가능하게 하며, 휠의 조향이 자동차의 운전자에 의해 가해진 수동 제어의 지배하에 있게 할 뿐만 아니라 자동차의 실제 상황을 연속적으로 분석하고 자동차의 기능 작동의 안정성을 유지하기 위해 필요한 교정을 도입하는 안전 시스템의 지배하에 있게 할 수 있다는 것이다. 따라서, 예를 들어, 자동차의 운전자로부터의 명령 뿐만 아니라 예를 들어 언더스티어(understeer)를 경감시키거나 오버스티어(oversteer)를 방지하기 위해 자동차에서 관찰된 동적 파라미터를 고려한 조향각을 조향 휠에 부여하는 것이 가능하다.

또한, 순전히 전기적 방법에 의해 조향을 제어하는 시스템은 기계식 조향 칼럼의 위치 및 부피에 대한 구속이 더이상 존재하지 않는 덕분에 자동차의 구조에 대한 새로운 가능성을 부여한다. 이것은 예를 들어 때로는 오른쪽으로 운전하고 때로는 왼쪽으로 운전하기 위한 자동차를 더 쉽게 생산하는 것을 가능하게 한다. 또한, 조향 칼럼이 없어진다는 것은 운전자의 안전을 개선한다.

종래 기술에는 휠의 조향을 효율적으로 허용하기 위한 모든 필요한 요소들을 설치하기 위한 많은 제안들이 이미 알려져 있다. 미국 특허 제5,347,458호는 피조향 휠을 제어하고 조향 휠에서의 피드백의 실행을 위한 전기 장치를 제안하고 있다. 이 특허에서 제안된 요구 사항은 자동차의 횡방향 가속도와 요 가속도를 고려한다. 미국 특허 제5,348,111호는 그 제어가 자동차의 횡방향 가속도와 요 가속도 뿐만 아니라 자동차의 종방향 속력을 포함하는 조향 시스템을 제안하고 있다. 종래 기술에서 이미 알려진 것으로 전기식 조향 시스템에 의해 고려되는 파라미터는 횡방향 가속도, 요 가속도 그리고 자동차의 속력임을 알 수 있다.

신규한 또는 전기식 조향 시스템에 의해 용이하게 되는 자유로움 중에서, 자동차의 모든 휠이 조향되는 것을 더 쉽게 제공한다는 사실을 말할 수도 있다는 것이다. 설명을 위해, 미국 특허 제6,192,304호는 4개 휠이 조향되는 자동차용 전기적 조향 시스템을 제안한다. 마찬가지로, 미국 특허 제6,549,835호도 그 제어가 비젼 장치(vision device)를 사용하는 조향되는 4개 휠을 구비한 자동차용 전기적 조향 시스템을 제안한다.

자동차 조향 제어 시스템이 정교하더라도, 특히, 자동차가 통상적인 작동 경로를 이탈하는 것을 방지하기 위한 안전 시스템의 중재의 관점에서, 특히, 모든 휠이 조향되는 조향 시스템에 대해서는, 각각의 피조향 휠이 운전자로부터의 지시에 따라 회전되어야 할 각도를 계산하기 위한, 운전자에게 어렵지만 즐거움이 되는 제어의 문제를 항상 가지는데, 이러한 문제는 종래 기술에서 잘 해결되지 않았다.

특히, 과도하게 큰 크기의 운전자의 움직임이 자동차의 안정성에 미치는 잘 못된 영향으로부터 보호하는 것이 바람직하다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 모든 휠이 조향되며 적어도 하나의 전방 휠 및 하나의 후방 휠을 갖는 육상 자동차용 조향 제어 시스템을 제안하며, 이 조향 제어 시스템은, 진폭 및 방향으로 양을 나타낸 요청된 조향 신호를 전달하는, 자동차의 조향을 작용시키기 위해 운전자에게 이용 가능한 제어 부재와, 적어도 하나의 전방 피조향 휠의 조향각을 작용시키기 위한 적어도 하나의 액츄에이터 및 적어도 하나의 후방 피조향 휠의 조향각을 작용시키기 위한 적어도 하나의 액츄에이터와, 조향을 위해 액츄에이터가 제어되는 기준인 각각의 제어각을 각각의 액츄에이터에 대하여 결정하기 위해 적어도 자동차의 속력과 상기 요청된 조향 신호를 입력 변수로서 사용하는 제어기를 포함하고, 제어기는, 요청된 조향 신호에 따라 등가 바이시클 모델의 피조향 휠의 등가 조향각을 결정하고 이에 따라 자동차의 순간 회전 중심의 횡방향 좌표를 결정하는 최종 유닛과, 자동차의 속력과 자동차의 동역학적 평형의 지배 특성으로부터 자동차의 순간 회전 중심의 종방향 좌표를 결정하는 것을 가능하게 하는, 자동차의 조향 거동을 제어하는 모듈과, 순간 회전 중심의 종방향 및 횡방향 좌표로부터 각각의 피조향 휠의 제어각을 결정하는 블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 주 목적이 완전한 전자 제어의 따라서 피조향 휠의 액츄에이터가 결과적으로 전기식인 조향 시스템을 만드는 것이지만, 액츄에이터가 유압식인 조향 제어 시스템에 적합한 저단 변속 비율(gearing-down ratio)의 결정을 사용하여 위에서 설명한 수단을 적용하는 것을 생각해 볼 수 있다. 이러한 가능성은 본 명세서에서 재차 언급되지는 않을 것이다.

계속하기 전에, 본 발명은, 운전자에 의한 자동차의 조향 휠(또는 조이스틱 등의 등가 부재)에서의 느낌과는 관계되지 않으면서, 자동차의 각각의 피조향 휠의 실제 조향 제어에만 관여한다는 것이 강조되어야 한다. 이것은 피조향 휠과 자동차의 운전자에게 사용 가능한 조향 휠 사이에서의 기계적 독립성을 통해 어떤 경우에서든지 조향 휠에서 느껴지는 힘이 재구성되고 전용 수단에 의해 생성되기 때문이다. 여러 시스템이 상상될 수 있을 것이며, 이 명세서를 읽는 사람은 설명만에 의해 예를 들어 이러한 의문점을 다룬 미국 특허 제5,347,458호를 참조할 것이다. 어떠한 경우라도, 조향 휠에서의 확실한 지각을 보장하기 위하여, 이 기술 분야에서 숙련된 사람은 직선 운동 위치로 복귀하기 위한 간단한 스프링 등의 기계식 시스템 또는 자동차의 자세 및/또는 운전자로부터의 명령에 관하여 적절한 힘을 조향 휠에 전달하기 위해 적합한 방식으로 제어되는 예를 들어 전동기를 포함하는 더 정교한 시스템 중 하나를 설치할 필요가 있음을 이해한다.

따라서, 피조향 휠의 조향 제어와 운전자의 조향 휠(또는 등가 부재)에서의 움직임 사이에서의 기계적 독립성에 의해, 2개의 측면들이, 즉, 한편에서는 피조향 휠의 효율적인 조향 제어와 다른 한편에서는 조향 휠에 기계식으로 결합된 장치의 제어가 심지어 이들이 상호 작용하더라도 개별적으로 처리될 수 있다. 조향 휠에서의 확실한 느낌의 재구성의 측면을 처리하는 일 없이 피조향 휠 조향 제어 측면을 처리하는 것이 가능하다.

본 발명은 휠 조향 제어에만 관계되며, 조향 휠에서의 힘 재구성의 매우 다양한 원칙과 잠재적으로 호환가능하다.

특정 실시예에서, 선택된 자동차의 평형의 지배 특성(rule characteristic)은 자동차의 최대 횡방향 가속도 값(γ_{y max})의 선택을 포함한다. 특히, 이 파라미터는 조향 제어 시스템에서 자동차에 설치될 때의 일정한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 설계에 의해, 자동차에 적용된 최대 횡방향 가속도 값(γ_{y max})은 1 G(G는 중력 가속도 값이며 대략 9.81 m/s²이다)이다. 이러한 선택으로 종결하기까지에는, 1 G의 가속도가 통상의 부착성 건조 지면 상에서 표준 승용차에 대해 타이어가 종방향 및 횡방향 양 방향으로 수평힘을 지면에 전달할 수 있게 유지되는 최대값에 실질적으로 대응한다는 실험적으로 알려진 사실을 기초로 한다.

이 파라미터는 사실상 시험(testing) 및/또는 시물레이션에 의해 자동차 개발 단계에서 조절될 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 다른 이점은 이러한 전기식 조향을 구비하고자 하는 자동차들의 각각의 특이성에 따라 쉽게 개발될 수 있는 순전히 전기적 시스템을 위한 조향 제어를 설계하는 것을 가능하게 한다는 것이다. 예를 들어, 무게 중심이 매우 낮으며 타이어가 큰 드리프트 스러스트(drift thrust)를 발생시킬 수 있으며 매우 높은 부착성 수치로부터 이익을 얻는 스포츠적 특성을 갖는 자동차는 1 G를 초과하는 값의 횡방향 가속도 파라미터로 기능 작동할 수 있다. 또한, 무게 중심이 자동차의 트랙 폭에 비해 상당히 높은 가족용 특성을 갖는 자동차는 특히 다목적차량(MPV) 또는 레저용 자동차는 안전 상태 내에 유지하기 위하여 아마도 1 G 미만의 매우 낮은 최대 횡방향 가속도 값으로 기능 작동해야만 한다.

본 발명의 특정한 변형 실시예에서는, 자동차의 이동의 모든 속력에서 운전자가 조향 휠을 또는 다른 상당한 부재를 전 범위에 걸쳐 사용할 수 있도록, 즉 한쪽의 완전한 조향으로부터 다른 한쪽의 조향까지에 걸쳐 사용할 수 있도록 선택된다. 예를 들어, 운전자는 최대에서의 절반 회전만큼 왼쪽 및 오른쪽 양 방향으로 조향 휠을 회전시킬 수 있다. 이 특별한 변형에서, 조향 휠과 피조향 휠 사이에 존재하는 저단 변속은 언제든지 계산에 의해 자동차의 종방향 속력을 고려하여 얻어진다. 물론, 자동차의 속력이 느려질수록, 피조향 휠의 유효 조향각은 기계적 부품의 설계를 고려하여 영에 가까운 속력에서의 기계적으로 가능한 최대치까지 더 커질 수 있다. 그리고, 자동차의 속력이 빨라질수록, 심지어 조향 휠에서의 각의 최대 크기에 대해서도 제어기에 의해 허용되는 최대 조향각이 점점 작아지게 만들어질 것이다.

바람직하게는, 최대 횡방향 가속도가 자동차의 동작 동안 일정하게 유지되게 한번 정해져 계속되는 파라미터가 아니라 자동차의 사용의 상태에 따라 실시간으로 그 자체가 계산되는 파라미터라면, 본 발명이 실시될 수도 있다. 실례로서, 어떻게 타이어/도로 접촉에서 우세한 부착의 계수의 추정치를 실시간으로 얻는 것이 가능한지를 개시하고 있는 미국 특허 출원 제2002/0157746호를 참조로 한다. 특히, 이 특허 출원은 어떻게 임의의 시각에 사용 가능하게 남아있는 부착의 여유분을 추정할 수 있는지를 개시하고 있다. 이것을 기초로 하고 자동차의 기하학적 특성(트랙 폭, 휠베이스, 무게 중심의 높이)을 고려하여, 임의 시각에 최대 허용 횡방향 가속도를 계산하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명이 본질적으로 고도의 안전 및 즐거움 인자인 자동차의 이동 중 우세하는 실제 조건들을 고려하도록 잘 적용됨을 알 수 있다.

기재 내용을 단순화하기 위해, 본 발명에 의해 제안된 시스템에서 사용되는 최대 횡방향 가속도 값을 얻거나 선택하는 것이 가능한 방법은 이하에서 더 다뤄지지 않을 것이며, 또 조향 휠 상에서의 움직임에 의해 운전자에 의해 부과된 각도 또는 자동차의 종방향 속력을 얻는 것이 가능한 방법도 이하에서 더 다뤄지지 않을 것이다. 아래 설명은 4륜 자동차의 특수한 경우에서의 본 발명의 여러 적용을 설명한다. 피조향 액슬에서 휠 상의 조향을 제어하는 액츄에이터가 하나밖에 없는지 또는 반대로 각각의 피조향 휠이 자신의 액츄에이터를 갖고 있는지의 사실에 의해 구별되는 본 발명의 2개의 실시예가 제안된다.

본 발명은 이하 도면들의 도움으로 기술된 여러 실시예의 참조 덕분에 더욱 명확하게 이해될 것이다.

도1은 모든 휠이 조향되며 모든 휠이 자신의 액츄에이터를 구비한 4륜 자동차에서의 전기적 조향 시스템의 배치도,

도2는 본 발명에 따르는 제어기가 도1에 적용되는 것을 설명한 블록도,

도3은 모든 휠이 조향되며 각각의 액슬이 단일 액츄에이터에 의해 제어되는 4륜 자동차에서의 전기적 조향 시스템의 단순화된 배치도이다.

계속하기에 앞서, 여러 표기들에 대해 아래와 같이 약속한다.

● 도면 부호 "1"은 대체로 피조향 휠을 나타낸다.

● 도면 부호에 첨자 "_Ft"가 뒤에 붙으면, 이것은 도면 부호로 가리키는 대상이 자동차의 전방에 관계된 것임을 의미하며, 도면 부호에 첨자 "_Rr"가 뒤에 붙으면, 이것은 도면 부호로 가리키는 대상이 자동차의 후방에 관계된 것임을 의미한다.

● 도면 부호에 첨자 "_R"이 첨가되면, 이것은 도면 부호가 가리키는 대상이 자동차의 우측에 관계된 것임을 의미하며, 도면 부호에 첨자 "_L"이 첨가되면, 이것은 도면 부호가 가리키는 대상이 자동차의 좌측에 관계된 것임을 의미한다.

● "θ_max"는 자동차의 운전자가 자동차의 조향에 영향을 미치기 위해 제어 부재를 기동시킬 수 있는 최대 범위에 관한 것이다. 특히, 제안된 모든 실시예에서 소정의 각도(조이스틱 또는 슬라이더 등의 임의의 등가 장치가 조향 휠을 대체할 수 있기 때문에 각도의 개념은 제한적이지 않음) 범위를 벗어나 기동된 조향 휠의 경우이다. 조향 휠은 -θ_max로부터 +θ_max까지 기동되며, "θ"는 운전자가 부과한 명령을 진폭과 부호로 특성화한 임의의 특정 값을 나타낸다.

● 본 발명이 적용될 수 있는 모든 자동차들은 공지된 유형의 모델링인 등가 바이시클 모델(equivalent bicycle model)에 의해 모델링될 수 있음을 알 수 있 으며, 이 모델의 단일 휠이 조향되면 "β"는 피조향 휠의 조향각을 가리키며, "β_max"는 이 각도가 취할 수 있는 최대값이다.

도1은 모든 휠이 조향되는 4륜 자동차를 도식적으로 나타낸다. 휠은 좌측 전방 휠에 대해서 1_FtL으로, 우측 전방 휠에 대해서 1_FtR으로, 좌측 후방 휠에 대해 1_RrL으로, 우측 후방 휠에 대하여 1_RrR으로 나타내었다. 피조향 휠은 (도시하지 않은) 휠 캐리어 상에 장착되며 피봇 축(10)을 중심으로 회전한다. 조향을 제어하는 레버(11)는 휠 캐리어에 고정되도록 장착된다. 각각의 피조향 휠은 해당 휠의 조향각을 제어하기 위해 한쪽은 자동차의 몸체 또는 새시에 연결되고 다른 한쪽은 레버(11)에 연결되어 있는 전기적 액츄에이터(3_FtL, 3_FtR, 3_RrL, 3_RrR)에 의해 회전한다. 각각의 전기적 액츄에이터(3_FtL, 3_FtR, 3_RrL, 3_RrR)는 예를 들어 회전식 전동기에 의해 구동되는 (도시하지 않은) 나사 및 너트 장치를 포함한다. 나사 및 너트 장치의 나사는 조향 제어 레버(11)에 연결되어 있다. 바람직하게는, 각각의 액츄에이터는, 필요시 위치 센싱함으로써 전달된 측정치로부터 기하학적 구성 및 관련된 계산에 의해 해당 피조향 휠의 정확한 각위치를 알아내기 위해, 차례대로 위치 센서를 포함한다. 예로서, 미국 특허 제6,820,715호에 개시된 전기적 액츄에이터를 사용할 수 있다.

조향 휠에서의 각도(θ)를 측정하기 위한 장치(21)에 기계식으로 연결된 조 향 휠(2)도 볼 수 있다. 제어기(4)는 조향 휠의 조향을 제어한다. 제어기(4)는 자동차의 속력(V)과 운전자의 제어하에 있는 운전자의 움직임으로 인한 조향 신호(θ)로 이루어진 입력 변수를 사용한다. 또한, 제어기(4)는 운전자에게 유효한 제어를 특성화한 최대 진폭 파라미터(θ_max)와 자동차가 견딜 수 있는 횡방향 가속도(γ_{y max})를 사용한다.

도2는 제어기(4)의 배열을 더 상세하게 나타낸다. 제어기(4)에서 사용되는 파라미터들은 도2에서 작은 정사각형으로, 변수들은 점으로 표시되었다. 순간 종방향 속력값으로부터 그리고 최대 횡방향 가속도 파라미터(γ_{y max})를 고려하여, 제1 유닛(41)은 적어도 자동차의 속력에 따라 자동차의 등가 바이시클 모델의 단일 피조향 휠 상의 최대 조향각(β_max)을 결정한다.

이것 때문에, 유익하게도, 제어기(4)의 제1 유닛(41)의 제1 블록(411)은 자동차의 경로가 그 부근에서 적절할 수 있는 최소 반경(R_min)을 이하 수학적 연산을 하여 결정한다. 최소 반경(R_min)은 속력(V)의 제곱을 최대 횡방향 가속도(γ_{y max})로 나눈 것에 비례한다. 그 다음, 예를 들어, 제어기(4)의 제1 유닛(41)의 제2 블록(412)은 자동차의 휠베이스값(A)과 앞에서 계산된 최소 반경(R_min)에 기초하여 바이시클 모델링에 관련된 최대 액슬 조향각(β_max)을 결정한다.

도2에서, 제2 블록(412)이 (많은 경우에 있어서 모델링시 충분한 4륜 자동차에 등가인) 후방 휠이 조향되지 않으며 전방 휠이 조향되는 바이시클 자동차의 개 략적인 도시를 포함하고 있음을 볼 수 있다. 순간 회전 중심(CIR)의 종방향(x축)과 횡방향(y축) 좌표가 참조하여 결정될 기준 축(x 및 y)도 볼 수 있다. 이는 애커먼도(Ackerman's diagram)의 원칙에 부합되게 선택된다. 이것은 자동차의 순간 회전 중심의 위치가 후방 휠의 평면에 직교하며 자동차의 후방 휠의 중심을 통과하는 직선 상에 놓인다는 것을 의미한다. 극한 순간 회전 중심(CIR_lim)은 후방 휠의 평면으로부터 최소 반경값(R_min)의 상기 위치를 참조하여 얻어진다. 이에 따라, 극한 순간 회전 중심(CIR_lim)은 알려지며, 후방 휠의 접촉 영역의 중심과 상기 극한 순간 회전 중심은 직선 선분에 의해 연결되며, 뒤쪽의 직선 선분과 후방 액슬의 연장부 사이의 최대 전방 액슬 조향각(β_max)이 얻어진다.

제2 유닛(42)은 자동차의 운전자에게 이용 가능한 제어와 피조향 휠 또는 휠들 사이의 저단 변속 비율(RD)을 결정한다. 이러한 특성은 단순히 선택적인 것임을 알 수 있다. 비제한적으로는, 이러한 목적으로 속력(V)에서 저단 변속 비율(RD)이 조향 휠의 기동의 전 범위에 걸쳐 일정하다는 것으로 고려된다. 결정될 저단 변속 비율은 각도 파라미터(θ_max) 등의 자동차의 설계 특성과, 각도(β_max)를 결정하는 것을 가능하게 하는 최대 횡방향 가속도 파라미터 등의 자동차의 성능 특성에 좌우된다. 저단 변속 비율(RD)은 휠의 최대 각도가 조향 휠(2)의 최대 조향에서 얻어질 수 있다는 것을 보장함으로써 얻어진다. 저단 변속 비율(RD)은 제어 부재의 상기 최대 범위(θ_max)를 상기 최대 조향각(β_max)으로 나누어 얻어진다. 이 렇게 계산된 저단 변속 비율(RD)은, 운전자가 조향 휠을 완전히 회전하였을 때 자동차가 움직이는 속력으로 이동할 수 있는 최대 횡방향 가속도를 절대 초과하지 않는 것을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명은 자동차의 경로의 안정성 조건을 절대 초과하지 않는 것을 가능하게 한다.

마지막으로, 최종 유닛(43)은 상기 저단 변속 비율(RD)과 상기 요청된 조향 신호(θ)에 따라 모든 피조향 휠(1)의 조향각(α)을 결정한다. 최종 유닛(43)의 제1 블록(431)은 우선 등가의 바이시클 모델의 피조향 휠 상의 등가 조향각(β_E)을 결정한다. 이 등가 조향각(β_E)은 운전자에 의해 만들어진 명령으로부터의 결과로서의 상기 조향 신호(θ)를 저단 변속 비율(RD)로 나눔으로써 매우 간단히 얻어진다.

제2 블록(432)은 아래 동작으로 처리한다. 이 예에서, 전술한 바와 같이 애커먼도에 부합되도록 하기 위해 전방 액슬만이 조향되었으므로, 자동차의 순간 회전 중심의 위치는 자동차의 후방 액슬과 정렬된 직선이다. 바이시클 모델 상에서, 피조향 휠이 상기 등가 조향각(β_E)만큼 회전되고, 이에 따라 교차점이 바이시클 모델의 비-피조향 휠(non-steered wheel)의 평면에 직교하는 직선과 바이시클 모델의 피조향 휠의 평면에 직교하는 직선 사이에 위치되어 등가 조향각(β_E)만큼 회전된다. 이 교차점은 나머지 연산들을 위해 자동차의 순간 회전 중심의 횡방향 좌표(y_R)를 공급한다.

제3 블록(433)은 제2 블록(432)에서 이루어진 연산에 기초하여 그리고 자동차의 순간 회전 중심(CIR)의 종방향 좌표(x_R)의 동적인 연산(dynamic calculation)을 허용하는, 자동차의 조향 거동을 제어하는 모듈(5)에서 이루어진 연산에 기초하여 각각의 피조향 휠의 제어각(α)을 결정하는 것을 가능하게 한다.

이러한 목적으로, 예를 들어, 자동차의 조향 거동을 제어하는 모듈(5) 내에 위치되며 자동차(51)의 동역학적 거동(dynamics)을 관리하는 유닛은, 자동차의 동역학적 평형의 지배 특성의 요소로서, 자동차의 액슬에 평행한 직선(C2)에 접하는 영의 속력에서의 초기 회전 중심(CIR₀)과 천이 속력(V_t)에서의 천이 순간 회전 중심(x_t, y_t) 사이에서의 연결 곡선(C1)의 계산을 포함한다. 유익하게는, 연결 곡선이 타원이다.

상기 천이 속력에서의 순간 회전 중심의 횡방향 좌표(y_t)가 자동차의 동역학적 평형의 지배 특성에서 최대 횡방향 가속도 값(γ_{y max})을 입력 파라미터로서 선택하여 사용함으로써 결정되는 것은 상당한 이점이 된다. 모듈(5)에 위치된 베이스 유닛(52)은 자동차의 조향 거동을 제어하여, 예를 들어 제1 실시예에 설명된 것과 완전히 동일한 방식으로 이 최대 횡방향 가속도 파라미터(γ_{y max})의 이용을 제공한다. 최대 횡방향 가속도(γ_{y max})는 1회 조정을 위한 파라미터 및 자동차의 모든 거동에 대한 파라미터, 자동차의 동작 동안 일정하게 유지되는 파라미터, 실시간으로 자체 계산되는 파라미터 중 하나이다.

또한, 고속에서의 안정성을 증진시키기 위해서 속력이 빨라질수록, 순간 회전 중심(CIR)의 위치를 자동차의 후방 쪽으로 더 이동시키는데 있어서 이점이 있다는 것이 알려져 있다. 완전 반대로, 속력이 느려질수록, 자동차의 조정을 증진시키기 위해 자동차의 순간 회전 중심(CIR)의 위치를 후방 액슬의 앞 쪽으로 이동시키는 것이 바람직하다. 또한, 제어 모듈(5) 내에 프로그래밍된 다이어그램(50)으로 표현된 도2에서와 같이, 좌표(x_a)의 정밀한 선택은 예를 들어 실험적으로 조정되는데, 자동차의 속력(V)의 함수로서 x_a의 값을 직접 읽음으로써 부여한다. 이에 따라, 자동차의 순간 회전 중심의 종방향 좌표(x_R)는 천이 속력(V_t)을 넘어서는 자동차의 속력(V)의 함수인 종방향 좌표(x_a)와 같다.

자동차의 순간 회전 중심의 종방향 좌표(x_R)는 여전히 직선(C2) 상에 위치된 대응하는 종방향 좌표를 읽음으로써(x_A=x_R), 천이 속력(V_t) 미만의 자동차의 임의 속력(V)에 대하여 그리고 천이 속력(V_t) 초과의 자동차의 임의 속력(V)에 대하여 [요청된 조향(θ)에 따라] 자동차의 액슬에 평행한 상기 직선(C2)과 연결 곡선(C1)을 포함하는 다이어그램(51) 상의 횡방향 좌표(y_R)를 입력하여 결정되며, 이것은 한 위치 상에서의 종방향 좌표(x_R)를 읽을 수 있게 한다.

제3 블록(433)은 이하 방식에 따라 각각의 피조향 휠의 제어각(α)을 결정하는 것을 가능하게 한다. 순간 회전 중심(CIR)의 횡방향 좌표(y_R) 및 종방향 좌 표(x_R)로부터, 4개의 전기적 액츄에이터의 제어각(α_1FtL, α_1FtR, α_1RrL, α_1RrR)이 예를 들어 애커먼도의 원칙에 부합하게 얻어진다. 제어각(α_1FtL, α_1FtR, α_1RrL, α_1RrR)은 자동차의 횡방향(y 축)에 평행한 직선과, 한쪽은 휠(1_FtL, 1_FtR, 1_RrL, 1_RrR)의 각각의 접촉 영역의 중심을 관통하고 다른 한쪽은 각각의 시각에 좌표가 (x_R, y_R)인 순간 회전 중심을 관통하는 직선의 교차점에 의해 형성된다. 좌표(x_R)는 휠 베이스(A)의 중간부로부터 전달되며 좌표(y_R)는 자동차의 트랙 폭(B)의 중간부로부터 전달되고, 각각의 상기 피조향 휠의 상기 순간 회전 중심을 연결하는 선분들이 그려진다. 이에 따라 상기 선분들에 직교하도록 피조향 휠들을 지향시키기에 충분하며, 제어각(α_1FtL, α_1FtR, α_1RrL, α_1RrR)들이 삼각법적 및 기하학적 연산에 의해 4개의 전기적 액츄에이터에 대해 얻어진다.

마지막으로, 도3은 2개의 피조향 액슬이 각각 단일 조향 액츄에이터(3_Av, 3_Ar)의 제어하에 있는 다른 실시예를 도시한다. 각각의 피조향 휠이 자신의 조향 액츄에이터를 갖는 이전 실시예에서 제공된 정보로부터, 본 실시예의 특이성은 아래와 같다.

적합한 제어기가 위에서 설명된 바와 같이 순간 회전 중심(CIR)의 종방향 좌표(x_R)와 횡방향 좌표(y_R)를 결정한다. 그 다음, 4개의 제어각을 계산하는 대신, 이들 중 2개가 계산되고, 전방 액슬 액츄에이터(3_Av)의 제어각(α_Av)과 후방 액슬 액 츄에이터(3_Ar)의 제어각(α_Ar)이 자동차의 바이시클 모델에 적용되는 삼각법 계산에 의해 정해진다.

마지막으로, 전술한 예들 중 어느 하나에 따라 결정된 제어각(α)에서, 경로 제어기는 경로의 제어 기능에 의해 결정된 임의의 교정을 겹쳐놓고 요청된 조향 신호(θ)와 교정 성분으로부터의 결과인 성분을 포함하는 각각의 휠에 대한 교정된 조향각을 결정할 수 있다고 할 수 있을 것이다.

Claims (12)

1. 모든 휠(1)이 조향되며 적어도 하나의 전방 휠 및 하나의 후방 휠을 갖는 육상 자동차용 조향 제어 시스템이며,

   진폭 및 방향으로 양을 나타낸 요청된 조향 신호(θ)를 전달하는, 자동차의 조향을 작용시키기 위해 운전자에게 이용 가능한 제어 부재(2)와,

   적어도 하나의 전방 피조향 휠의 조향각을 작용시키기 위한 적어도 하나의 액츄에이터(3_Av) 및 적어도 하나의 후방 피조향 휠의 조향각을 작용시키기 위한 적어도 하나의 액츄에이터(3_Ar)와,

   조향을 위해 액츄에이터가 제어되는 기준인 각각의 제어각(α)을 각각의 액츄에이터에 대하여 결정하기 위해 적어도 자동차의 속력(V)과 상기 요청된 조향 신호(θ)를 입력 변수로서 사용하는 제어기(4)를 포함하는 조향 제어 시스템에 있어서,

   제어기는,

   요청된 조향 신호(θ)에 따라 등가 바이시클 모델의 피조향 휠의 등가 조향각(β_E)을 결정하고 이에 따라 자동차의 순간 회전 중심(CIR)의 횡방향 좌표(y_R)를 결정하는 최종 유닛(43)과,

   자동차의 속력(V)과 자동차의 동역학적 평형의 지배 특성으로부터 자동차의 순간 회전 중심의 종방향 좌표(x_R)를 결정하는 것을 가능하게 하는, 자동차의 조향 거동을 제어하는 모듈(5)과,

   순간 회전 중심(CIR)의 종방향 및 횡방향 좌표(x_R, y_R)로부터 각각의 피조향 휠의 제어각(α)을 결정하는 블록(433)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조향 제어 시스템.
2. 제1항에 있어서, 자동차의 동역학적 평형의 지배 특성은 영 속력에서의 초기 회전 중심(CIR_O)과 천이 속력(V_t)에서의 천이 순간 회전 중심(x_t, y_t) 사이의 연결 곡선(C1)의 연산을 포함하며, 연결 곡선은 자동차의 액슬에 평행한 직선(C2)에 접하며, 자동차의 순간 회전 중심의 종방향 좌표(x_R)는 연결 곡선과 천이 속력(V_t) 미만의 자동차의 임의 속력(V)에 대한 자동차의 액슬에 평행한 상기 직선을 포함하는 위치에서의 횡방향 좌표(y_R)를 읽음으로써 결정되며, 자동차의 순간 회전 중심의 종방향 좌표(x_R)는 천이 속력(V_t)을 넘어서는 자동차의 속력(V)의 함수인 종방향 좌표(x_a)와 동일한 조향 제어 시스템.
3. 제2항에 있어서, 연결 곡선(C1)은 타원인 조향 제어 시스템.
4. 제1항에 있어서, 자동차의 동역학적 평형의 지배 특성은 자동차의 최대 횡방향 가속도 값(γ_{y max})의 선택을 포함하는 조향 제어 시스템.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 천이 속력에서의 순간 회전 중심의 횡방향 좌표(y_t)는, 자동차의 동역학적 평형의 지배 특성에서, 상기 천이 속력(V_t) 및 자동차의 최대 횡방향 가속도 값(γ_{y max})의 선택을 이용하여 결정되는 조향 제어 시스템.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 최대 횡방향 가속도 파라미터(γ_{y max})는 상기 시스템의 조정 파라미터이며 상기 조향 시스템의 기능 작동 동안 고정된 값으로 유지되는 조향 제어 시스템.
7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 최대 횡방향 가속도 파라미터(γ_{y max})는 자동차의 사용 상태에 따라 실시간으로 계산되는 조향 제어 시스템.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 부재는 왼쪽 정지와 오른쪽 정지 사이의 최대 범위(θ_max) 내에서 기동 가능하며,

   제어기(4)는,

   적어도 자동차의 속력(V)에 따라, 자동차의 등가 바이시클 모델의 단일 피조향 휠에서의 최대 조향각(β_max)을 결정하는 제1 유닛(41)과,

   제어 부재의 상기 최대 범위(θ_max)와 상기 최대 조향각(β_max)에 따라 저단 변속 비율(RD)을 결정하는 제2 유닛(42)을 포함하며,

   최종 유닛(43)은 상기 저단 변속 비율(RD)에 따라 조향각 또는 조향각들을 결정하는 조향 제어 시스템.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 액슬 상에서의 조향의 관점에서 서로 기계식으로 연결된 모두 조향되는 4개 휠(1_FtL, 1_FtR, 1_RrL, 1_RrR)을 갖는 자동차에 대하여, 시스템은 액슬(3_Av, 3_Ar)마다 단일 액츄에이터를 포함하며, 블록(433)은 순간 회전 중심의 횡방향 및 종방향 좌표로부터 각각의 피조향 액슬의 제어각(α_Av, α_Ar)을 결정하여 각각의 피조향 휠의 제어각(α)을 결정하는 조향 제어 시스템.
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 휠(1_FtL, 1_FtR, 1_RrL, 1_RrR)이 조향되는 자동차에 대하여, 시스템은 피조향 휠(3_FtL, 3_FtR, 3_RrL, 3_RrR)마다 하나의 액츄에이터를 포함하며, 블록(433)은 순간 회전 중심의 횡방향 및 종방향 좌표로부터 각각의 피조향 휠의 제어각(α_1FtL, α_1FtR, α_1RrL, α_1RrR)을 결정하여 각각의 피조향 휠의 제어각(α)을 결정하는 조향 제어 시스템.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 조향 요청을 도입하기 위해 운전자에게 이용 가능한 상기 제어 부재는 요청된 전기적 조향 신호(θ)를 전달하며, 각각의 액츄에이터(3)는 전기식인 조향 제어 시스템.
12. 자동차의 경로를 제어하는 시스템이며, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따르는 조향 제어 시스템에 의해 결정된 제어각(α)에서, 경로 제어기가 경로의 제어 함수에 의해 결정된 임의의 교정을 겹쳐놓아서 각각의 휠에 대한 교정된 조향각을 결정하고, 상기 교정된 휠 조향각은 요청된 조향 신호(θ)와 교정 성분의 결과로서 얻은 성분을 포함하는 자동차 경로 제어 시스템.

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