KR20090019250A - 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 방법 - Google Patents

굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굴절 차량의 전 차륜에 대하여 조향 시스템을 적용함으로써 단순히 차량의 선회 반경을 줄이는 데에 그치지 않고, 기존의 4륜 조향 차량이 가지는 이점을 굴절 차량에 적용하여 굴절 차량의 일반적인 운전 특성을 추가적으로 개선할 수 있는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘에 관한 것이다.
본 발명은 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘에 있어서, 굴절 차량의 운전자의 조작에 의해 발생하는 1축의 조향각을 이용하여 2축의 조향각을 제어하고, 상기 운전자가 1축을 조향함에 따라 차체에 발생하는 굴절각을 이용하여 3축의 조향각을 제어하는 것을 특징으로 한다.
굴절 차량, 조향 제어, 알고리즘, 자전거모델, 굴절각

Description

굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘{All-Wheel steering control algorithm for articulated vehicles}
본 발명은 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굴절 차량의 전 차륜에 대하여 조향 시스템을 적용함으로써 단순히 차량의 선회 반경을 줄이는 데에 그치지 않고, 기존의 4륜 조향 차량이 가지는 이점을 굴절 차량에 적용하여 굴절 차량의 일반적인 운전 특성을 추가적으로 개선할 수 있는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘에 관한 것이다.
도시의 대표적인 대중교통수단으로 지하철과 시내버스를 들 수 있다. 지하철은 정시성과 수송량에 있어 많은 장점이 있음에도 불구하고 과다한 건설비와 운용비 때문에 경제적인 부담이 되고 있다. 시내버스의 경우 편리한 접근성, 시스템 구축의 경제성에 있어 많은 장점이 있지만 정시성에 있어서는 지하철에 비해 단점이 되고 있다.
이러한 지하철과 시내버스가 가지는 장점(수송량, 편의성, 정시성, 경제성) 을 갖춘 새로운 도시 교통 시스템으로 Bi-modal 저상 굴절궤도 차량이 검토되고 있다. 굴절차량은 각 차량사이를 손쉽게 회전할 수 있는 조인트로 연결한 차량으로 굴절궤도차량은 시내버스와 같은 외형에 지하철과 같은 운용시스템으로 구성된다.
즉, 굴절 시내버스와 같은 2량 1편성이고, 고무 타이어, 현가장치, 조향장치를 장착하고 있다. 특히, 차량의 조향장치는 차량의 진행방향을 바꾸는 역할을 하고, 주행 안전상 매우 중요한 역할을 하는 장치이다.
일반적으로 차량의 조향방식은 2륜조향(2WS;2-wheel steering), 4륜조향(4WS;4-wheel steering), 전 차륜 조향(AWS;all-wheel steering)으로 나눌 수 있다. 국내에서 운행되는 대부분의 승용, 상용 차량은 전륜 2WS 조향방식을 채택하고 있고, 일부 외국 차량에서 4WS 조향 방식이 적용되고 있다. 또한, AWS 방식은 긴 축거를 가진 다량 편성 차량에 일부 장착되어 있으며, 특히 시내 주행을 하는 굴절궤도 차량의 경우 안전한 차량의 선회를 위해 AWS가 사용되고 있다.
하지만, 기존에 개발된 전 차륜 조향 시스템은 대부분 4륜 조향 위주라고 할 수 있다. 4륜 조향 시스템은 주로 승용차량이나 일부 특수한 목적을 가지는 차량의 조향 성능 향상을 위하여 고안되었으며, 전체 차륜을 조향하는 방법은 링크 장치가 적용된 기계적인 방법에서부터 유압장치, 그리고 모터에 의해 전기, 전자적으로 조향되는 방법 등 그 종류가 다양하다.
또한, 이러한 다양한 조향방법을 제어하는 제어 알고리즘들이 존재하는데, 그 중 4륜 조향 외에도, 4륜 이상의 차륜을 조향하는 시스템들과 관련된 알고리즘이 소수 존재하지만, 본 발명에서와 같이 전체 차량이 복수의 차체가 연결되어 구 성된 굴절 차량에 전 차륜 조향시스템을 적용한 예는 전무한 실정이다.
한편, 굴절 차량에 관련된 조향 기술들은 대부분 트레일러의 일부 차륜을 조향하는 방식 또는 4륜 조향 시스템이 적용된 차량의 후미에 간단한 장치를 통해 트레일러가 연결된 방식에 머물러 있다. 일부 전체 차륜이 조향되는 굴절 차량의 경우에도 그 활용이 미미할 뿐더러 차량의 운전 상태에 따라 그 기능이 복합적으로 수행되거나 기능의 일부가 전자적으로 제어되는 조향 시스템은 전무하다고 할 수 있겠다.
또한, 국내에 운행되는 저상 굴절 버스는 선회 반경의 제약으로 인해 복잡한 도심에서의 운행이 어려워 주로 도로 폭이 큰 지역을 우선적으로 운행하고 있다. 또한 승객의 승, 하차를 위해 정거장에 정차할 경우, 차량 자체로도 정거장의 많은 부분을 할애함에도 일반 차량에 비해 출발시 차량이 빠져 나올 별도의 조향을 위해 더 넓은 공간이 필요하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 운전자가 1축을 조향함에 따라 발생하는 1축 조향각 및 차제의 굴절각을 이용하여 2축과 3축의 조향각을 간단히 계산할 수 있도록 하고, 상기 계산 결과와 굴절 차량의 속도에 따른 전 차륜의 조향 특성을 고려하여 각 축의 조향각을 제어할 수 있도록 하는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 굴절 차량의 전 차륜을 조향시킴으로써 굴절 차량의 회전반경을 최소화 할 수 있고, 굴절 차량의 조향시 불필요한 움직임을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 굴절 차량의 정거장 진입 시 정밀 정차를 실현할 수 있도록 하는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘을 제공함에 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘에 있어서, 굴절 차량의 운전자의 조작에 의해 발생하는 1축의 조향각을 이용하여 2축의 조향각을 제어하고, 상기 운전자가 1축을 조향함에 따라 차체에 발생하는 굴절각을 이용하여 3축의 조향각을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 2축 및 3축의 조향각은 자전거 모델을 이용하여 기하학적인 방법으로 유도되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 2축 조향각은
Figure 112007060046614-PAT00001
에 의해 얻어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 3축 조향각은
Figure 112007060046614-PAT00002
에 의해 얻어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 2축과 3축의 조향각은 각각 2축 조향 전자제어장치(ECU) 및 3축 조향 전자제어장치(ECU)에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 2축 조향 전자제어장치는 굴절 차량의 조향모드 정보와, 굴절 차량의 1축 조향각 및 굴절 차량의 속도를 기초로 하여 2축의 조향을 제어하고, 상기 3축 조향 전자제어장치는 굴절 차량의 조향모드 정보와, 굴절 차량의 굴절 부분에서 측정되는 굴절각 및 굴절 차량의 속도를 기초로 하여 3축의 조향을 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 굴절 차량의 조향모드 정보는, 2축 및 3축의 조향 방향이 1축의 조향 방향과 반대로 조향되는 역위상 모드와, 2축 및 3축의 조향 방향이 1축의 조향 방향과 같은 방향으로 조향되는 동위상 모드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 조향모드가 역위상 모드인 경우, 2축 및 3축 조향각에 의해 굴절 차량이 정상적으로 제어되는 속도와, 2축 및 3축 조향각이 의도한 대로 조향되 지 않는 임계속도 사이에는 상기 2축 및 3축 조향각을 선형적으로 감소시켜 적용하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치는 조향모드가 동위상 모드인 경우, 2축 및 3축의 조향각을 1축의 조향각과 같은 값으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치는 조향모드가 역위상 모드인 경우, 굴절 차량의 속도를 항상 측정하여 굴절 차량의 속도가 증가함에 따라 감소하는 조향계수(k)를 산출하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치는, 상기 조향계수(k)에 2축 및 3축의 최대 조향각을 곱하여 속도에 따른 최대 조향각을 계산하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치는, 1축 조향각 및 굴절각에 따라 계산된 2축 및 3축 조향각을 상기 속도에 따른 최대 조향각과 비교하여 상기 2축 및 3축 조향각이 속도에 따른 최대 조향각 보다 작을 경우, 2축 및 3축 조향각을 그대로 출력하여 유압실린더를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치는, 1축 조향각 및 굴절각에 따라 계산된 2축 및 3축 조향각을 상기 속도에 따른 최대 조향각과 비교하여 상기 2축 및 3축 조향각이 속도에 따른 최대 조향각 보다 클 경우, 속도에 따른 최대 조향각을 출력하여 유압실린더를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘에 의하면, 운전자가 1축을 조향함에 따라 발생하는 1축 조향각 및 차제의 굴절각을 이용하여 2축과 3축의 조향각을 간단히 계산할 수 있도록 함으로써, 전 차륜의 조향 특성을 고려하여 차량의 속도에 따라 2축과 3축의 조향각을 동시에 제어할 수 있어 굴절 차량의 안정성을 증가시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면 굴절 차량의 전체 차륜을 조향시킴으로써 굴절 차량의 회전 반경을 최소화하여 도시 내 주행 조건을 만족시킬 수 있도록 하고, 차체의 불필요한 움직임을 최소화할 수 있음과 동시에 굴절 차량의 정거장 진입 시 정밀 정차를 실현시킬 수 있으므로 정거장의 길이를 축소시킬 수 있는 효과를 추가로 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1의 a), b)는 본 발명이 적용되는 굴절 차량을 나타낸 측면도이고, 도 2는 굴절 차량의 굴절각을 이용하여 2축 조향각을 계산하기 위한 자전거 모델을 나타낸 도면이며, 도 3은 굴절 차량의 굴절각을 이용하여 3축 조향각을 계산하기 위한 자전거 모델을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘의 2축 제어 메커니즘을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명에 따 른 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘의 3축 제어 메커니즘을 나타낸 도면이고, 도 6의 a), b)는 도 4 및 도 5에 나타낸 조향모드 중 역위상 모드와, 동위상 모드를 나타낸 도면이며, 도 7은 역위상 모드인 경우 굴절 차량의 속도에 따라 2축 및 3축 조향각이 변화하는 모습을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘 중 2축 및 3축 전자제어장치의 내부 알고리즘을 나타낸 도면이다.
일반적으로, 도 1의 a), b)에 나타낸 바와 같이 굴절 차량(100)은 차륜의 축이 전두부로부터 1축(10), 2축(20), 3축(30)으로 구성되어 있고, 차량 전체에 걸쳐 축간 거리가 길어 일반 차량에 비해 안정성 측면에서 유리하다. 이러한 이점 때문에 굴절 차량(100)은 일반 차량이 안정성에 중점을 두어 조향을 제어하는 것과는 달리, 차량의 길이와 굴절 구조로 인해 증가하는 선회반경을 축소하는 데에 중점을 두어 조향 시스템을 설계한다. 도 1의 a)는 굴절 차량(100)의 한 종류인 Bi-modal 저상 굴절궤도 차량을 나타낸 것이고, 도 1의 b)는 굴절 차량(100)의 한 종류인 굴절 버스를 나타낸 것이다.
현재까지 대형 화물 차량이 주가 되는 굴절 차량(100)의 조향 시스템을 제어하는 다양한 조향 알고리즘이 제시되었으나, 이들은 대게 트레일러의 일부 차륜에 대해 조향하거나, 트랙터에서 전 차륜이 조향되는 상황에서 부가적으로 트레일러의 조향을 제어하는 조향 알고리즘이다.
이에 반해, 본 발명에서 제시하는 조향 알고리즘은 굴절 차량(100)의 전 차 륜에 대하여 조향 시스템을 적용함으로써 단순히 차량의 선회반경을 줄이는 데에 그치지 않고, 기존의 4륜 조향 차량이 가지는 이점을 굴절 차량(100)에 적용하여 굴절 차량(100)의 일반적인 운전 특성을 추가적으로 개선할 수 있도록 한 것으로, 보다 상세하게는 운전자가 1축(10)을 조향함에 따라 발생하는 1축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00003
)을 이용하여 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00004
)을 계산하고, 마찬가지로 운전자가 1축(10)을 조향함에 따라 굴절 차량(100)의 차체에 발생하는 굴절각(
Figure 112007060046614-PAT00005
)을 이용하여 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00006
)을 계산함으로써 2축과, 3축의 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00007
)을 동시에 제어할 수 있도록 한 것이다.
이때, 상기 2축 및 3축의 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00008
)은 굴절 차량(100)의 자전거 모델(Bicycle model)(40)에서 유도되는 기하학적 관계에 의해 결정되는데, 자전거 모델(40)은 각 축에 두 개씩 설치되어 있는 차륜을 자전거와 같이 하나의 차륜으로 가정한 것을 말한다.
일반적으로, 2륜 조향 장치에서 차량의 선회중심은 후륜축의 연장선 상에 존재하는 반면에 전 차륜 조향장치(AWS)가 장착된 굴절 차량(100)에서의 선회중심(Turn center)(50)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 조향되지 않는 임의의 가상 고정축(Virtual rigid axle)(42a,44a) 상에 존재하게 된다. 따라서, 굴절 차량(100)의 앞, 뒤 차체(42,44)에 각각 존재하는 가상 고정축(42a,44a)의 연장선의 중심이 선 회중심(50)으로 정의되는데, 상기 선회중심(50)은 앞, 뒤 차체(42,44) 간의 굴절각(
Figure 112007060046614-PAT00009
) 변화에 따라 크게 변하게 된다. 이상적인 전 차륜 조향장치는 각 차축이 동일한 선회중심(50)을 기준으로 선회하는 것으로, 각 차축과 선회중심(50)과의 거리차이가 아주 작고 선회중심(50)이 동일하다면 세 축의 궤적은 거의 동일한 원을 그릴 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 굴절 차량(100)의 전 차륜 조향을 위한 2축 및 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00010
)의 계산은 상기와 같은 이상적인 선회 개념으로부터 시작된다.
먼저, 도 2를 참고로 하여 운전자의 직접적인 조향에 의해 굴절 차량(100)의 1축(10)에 발생하는 1축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00011
)을 이용하여 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00012
)을 구하는 과정을 설명하기로 한다.
이상적으로, 굴절 차량(100)의 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00013
)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 굴절 차량(100) 전체의 선회중심(Turn center)(50)에 의해 정해진다. 즉, 직진하고 있던 굴절 차량(100)에 운전자가 1축(10) 조향을 하게 되면, 앞, 뒤 차체(42,44) 사이에 굴절각(
Figure 112007060046614-PAT00014
)이 발생하게 되고, 이로 인해 선회중심(Turn center)(50)이 나타나게 된다. 따라서, 상기 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00015
)은 식 (1)과 같이 선회중심(50)으로부터 앞 차체(42)까지의 거리 (
Figure 112007060046614-PAT00016
)와 가상 고정축(42a)과 2 축(20) 중심 사이의 거리(
Figure 112007060046614-PAT00017
)에 의해 결정되게 된다.
Figure 112007060046614-PAT00018
(1)
여기서,
Figure 112007060046614-PAT00019
값은 상수이므로,
Figure 112007060046614-PAT00020
값을 계산할 수 있으면 2축의 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00021
)을 알 수 있다.
한편, 운전자의 1축(10) 조향에 의해 발생하는 1축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00022
)은 도 2로부터 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007060046614-PAT00023
(2)
따라서, 상기 식 (2)를
Figure 112007060046614-PAT00024
에 대하여 정리하여 식 (1)에 대입하면 다음과 같이 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00025
)을 구할 수 있게 된다.
Figure 112007060046614-PAT00026
(3)
이때,
Figure 112007060046614-PAT00027
: 1축(10)과 앞 차체(42)의 가상 고정축(42a)과의 거리,
Figure 112007060046614-PAT00028
: 앞 차체(42)의 가상 고정축(42a)과 2축(20)과의 거리이므로 실제 측정하여 구하거나 굴절 차량(100)의 제원으로부터 얻을 수 있는 값이다.
다음, 도 3을 참고로 하여 굴절 차량(100)의 앞, 뒤 차체(42,44) 사이의 굴절각(
Figure 112007060046614-PAT00029
)을 이용하여 3축의 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00030
)을 구하는 과정을 설명하기로 한다.
전 차륜 조향(AWS)에서 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00031
) 역시 굴절 차량(100)의 선회중심(Turn center)(50)과 일치하는 조향각을 가지도록 요구된다. 따라서, 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00032
)은 식 (4)와 같이 선회중심(50)으로부터 뒤 차체(44)까지의 거리 (
Figure 112007060046614-PAT00033
)와 가상 고정축(44a)과 3축(30) 중심 사이의 거리(
Figure 112007060046614-PAT00034
)에 의해 결정되게 된다.
Figure 112007060046614-PAT00035
(4)
여기서,
Figure 112007060046614-PAT00036
값은 상수이므로, 선회중심(50)으로부터 뒤 차체(44)까지의 가상 고정축(44a)의 길이
Figure 112007060046614-PAT00037
값을 계산할 수 있으면 3축의 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00038
)을 구할 수 있게 된다.
한편, 뒤 차체(44)의 연장선과 앞 차체(42) 가상 고정축(42a)의 연장선의 교 점을 b점이라 할 때, 굴절점(46)과 b점 사이의 거리를
Figure 112007060046614-PAT00039
라 가정하면, 도 3으로부터 식 (5), (6)을 정의할 수 있게 된다.
Figure 112007060046614-PAT00040
(5)
Figure 112007060046614-PAT00041
(6)
이때,
Figure 112007060046614-PAT00042
: 2축(20)과 굴절점(46)과의 거리,
Figure 112007060046614-PAT00043
: 3축(30)과 굴절점(46)과의 거리,
Figure 112007060046614-PAT00044
: 차량 앞부분의 가상 고정축(42a)과 2축(20)과의 거리,
Figure 112007060046614-PAT00045
: 차량 뒷부분의 가상 고정축(44a)과 3축(30)과의 거리이고, 상기 값들은 실제 측정하여 구하거나 굴절 차량(100)의 제원으로부터 얻을 수 있는 값이다.
상기, 식 (6)에서
Figure 112007060046614-PAT00046
에 대해 식을 정리하여 식 (5)에 대입하면,
Figure 112007060046614-PAT00047
를 다음의 식 (7)과 같이 표현할 수 있게 된다.
Figure 112007060046614-PAT00048
(7)
다시, 상기 식 (7)을 식 (4)에 대입하면, 식 (8)과 같이 3축의 조향 각(
Figure 112007060046614-PAT00049
)을 구할 수 있게 된다.
Figure 112007060046614-PAT00050
(8)
따라서, 식 (3) 및 식 (8)에 각각 나타낸 바와 같이 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00051
)은 1축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00052
)에 관한 함수로, 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00053
)은 굴절각(
Figure 112007060046614-PAT00054
)에 관한 함수로 표현될 수 있으며, 상기 식에 나타난 변수들은 모두 상수이므로 상기 1축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00055
) 및 굴절각(
Figure 112007060046614-PAT00056
)으로부터 2축 및 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00057
)을 구할 수 있는 것이다.
한편, 상기와 같은 2축 및 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00058
)의 계산은 각각 2축 조향 전자제어장치(ECU: Electronic Control Unit)(70)와 3축 조향 전자제어장치(80)에서 수행되는데, 상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치(70,80)는 2축 및 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00059
)을 계산하고, 계산 결과를 판단하여 2축 및 3축의 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00060
)을 제어하는 역할을 한다.
즉, 굴절 차량(100)의 전 차륜 조향 시스템은 운전자가 직접 조향하는 1축(10)을 제외한 2축(20) 및 3축(30)의 조향을 제어하기 위해서 2축 조향 전자제어 장치(70)와 3축 조향 전자제어장치(80)가 사용되는데, 보다 상세하게는 상기 2축 조향 전자제어장치(70)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 굴절 차량(100)의 운전자에 의해 선택되는 조향모드(60) 정보와, 굴절 차량의 1축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00061
) 및 차속센서(62)에 의해 측정되는 차량의 속력을 입력받아서 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00062
)을 결정한 후, 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00063
)을 제어하도록 유압 실린더(64)에 출력신호를 보내는 역할을 한다.
또한, 상기 3축 조향 전자제어장치(80)는 도 5에 나타낸 바와 같이, 굴절 차량(100)의 운전자에 의해 선택되는 조향모드(60) 정보와, 굴절 차량(100)의 굴절 부분(46)에서 측정되는 굴절각(
Figure 112007060046614-PAT00064
) 및 차속센서(62)에 의해 측정되는 차량의 속력을 입력받아서 3축의 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00065
)을 결정한 후, 3축의 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00066
)을 제어하도록 유압 실린더(64)에 출력신호를 보내는 역할을 하는 것이다.
이때, 상기 굴절 차량(100)의 조향모드(60) 정보는 크게 중립 모드와, 역위상 모드 및 동위상 모드로 구성되는데, 상기 중립 모드는 2축(20)에 결합되는 중간륜(22)과, 3축(30)에 결합되는 후륜(32)의 방향이 직선 또는 중립을 유지하는 상태를 말하는 것으로 조향과는 직접적인 관계가 없으므로 상세한 설명을 생략하도록 하겠다.
다음, 상기 역위상 모드는 2축(20) 및 3축(30)의 조향 방향이 1축(10)의 조 향 방향과 반대로 조향되는 것으로, 도 6의 a)에 나타낸 바와 같이, 중간륜(22)과 후륜(32)이 전륜(12)의 방향과 반대로 돌아가도록 작동하여 굴절 차량(100)이 저속으로 운행되거나 주차시에 회전반경을 작게 하는 효과가 있다.
또한, 상기 동위상 모드는 2축(20) 및 3축(30)의 조향 방향이 1축(10)의 조향 방향과 같은 방향으로 조향되는 것으로, 도 6의 b)에 나타낸 바와 같이, 중간륜(22)과 후륜(32)의 방향이 전륜(12)과 같은 방향으로 돌아가도록 조향되어 굴절 차량(100)의 고속 주행시나 정류소 진입시에 주로 사용된다. 이러한 동위상 조향은 차선 변경시 전 차륜을 동시에 동위상으로 조향하기 때문에 코너링력 발생이 동시에 이루어지고 차체의 방향이 선회방향과 일치하기 때문에 조종 안정성 측면에서 안정된 선회가 가능한 것이다.
한편, 상기 조향모드(60)가 역위상 모드인 경우, 즉 2축(20)과 3축(30)이 역위상으로 운전될 경우, 특정 속도 이하에서는 2축 및 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00067
)에 의해 차량이 정상적으로 제어되지만, 임계 속도 이상에서는 의도한 대로 조향되지 않아 차량이 불안정한 상태에 놓이게 된다. 보다 상세하게는, 상기 굴절 차량(100)이 중, 고속으로 주향할 때 중간륜(22)과 후륜(32)이 역위상으로 조향되면 굴절 차량(100)은 과도한 오버 스티어(over-steer) 경향을 보이기 때문에 매우 위험한 상황에 놓이게 된다. 따라서, 상기 굴절 차량(100)은 중, 고속에서 중간륜(22) 및 후륜(32)을 조향시키지 않고, 일반적인 차량과 같이 전륜(12)에 의해서만 조향되도록 하는 것이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 중간륜(22) 및 후륜(32)이 모두 조향가능 한 2축 및 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00068
)이 적용되는 속도(A)와 조향이 되지 않는 속도(B) 사이에는 선형적으로 2축 및 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00069
)을 감소시켜 적용하는 것이 바람직하고, 또한, 조향이 되지 않는 속도(B) 이상의 속도에서는 중간륜(22) 및 후륜(32)은 조향되지 않고 전륜(12)에 의해서만 조향되도록 한다.
다음으로, 도 8을 참고로 하여 2축 및 3축 조향 전자제어장치(ECU)(70,80)의 내부에서 조향각을 제어하는 알고리즘을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 2축 조향 전자제어장치(70)는 입력 신호 중에 우선적으로 조향모드(60)를 감지한다. 이때, 상기 조향모드(60)가 동위상 모드인 경우 상기 2축 조향 전자제어장치(70)는 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00070
)을 1축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00071
)과 같은 값으로 출력하여 유압 실린더(64)를 통해 2축(20)에 결합된 중간륜(22)의 조향을 제어하게 된다.
한편, 상기 조향모드(60)가 역위상 모드인 경우에는 굴절 차량(100)의 1축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00072
) 정보를 이용하여 전술한 식 (3)를 이용하여 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00073
)을 계산한다. 동시에 상기 2축 조향 전자제어장치(70)는 차속 센서(62)를 이용하여 굴절 차량(100)의 속도를 항상 측정하고, 굴절 차량(100)의 속도가 증가함에 따라 선형적으로 감소하는 조향계수 k를 산출한다.
그 후, 상기 2축 조향 전자제어장치(70)는 상기 조향계수 k에 2축의 최대 조향각(실제로 조향 가능한 2축의 최대 각도)을 곱하여 굴절 차량(100)의 속도에 따 른 최대 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00074
)을 계산하고, 상기 식 (3)에서 계산된 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00075
)과 비교한다.
이때, 상기 식 (3)에서 계산된 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00076
)이 상기 굴절 차량(100)의 속도에 따른 최대 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00077
) 보다 작을 경우에는 상기 식 (3)에서 계산된 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00078
)이 그대로 출력되어 유압 실린더(64)를 통해 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00079
)을 제어하게 되고, 반대로 상기 식 (3)에서 계산된 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00080
)이 굴절 차량(100)의 속도에 따른 최대 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00081
) 보다 클 경우에는 상기 굴절 차량(100)의 속도에 따른 최대 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00082
)이 출력되어 유압 실린더(64)를 통해 2축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00083
)을 제어하게 되는 것이다.
한편, 상기 3축 조향 전자제어장치(80)는 상기 2축 조향 전자제어장치(70)의 역할과 동일한 역할을 수행하는데, 보다 상세하게 살펴보면, 상기 3축 조향 전자제어장치(80)는 입력 신호 중에 우선적으로 조향모드(60)를 감지한다. 이때, 상기 조향모드(60)가 동위상 모드인 경우 상기 3축 조향 전자제어장치(80)는 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00084
)을 1축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00085
)과 같은 값으로 출력하여 유압 실린더(64)를 통해 3 축(30)에 결합된 후륜(32)의 조향을 제어하게 된다.
한편, 상기 조향모드(60)가 역위상 모드인 경우에는 굴절 차량(100)의 굴절각(
Figure 112007060046614-PAT00086
) 정보를 이용하여 전술한 식 (8)을 이용하여 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00087
)을 계산한다. 동시에 상기 3축 조향 전자제어장치(80)는 차속 센서(62)를 이용하여 굴절 차량(100)의 속도를 항상 측정하고, 굴절 차량(100)의 속도가 증가함에 따라 선형적으로 감소하는 조향계수 k를 산출한다.
그 후, 상기 3축 조향 전자제어장치(80)는 상기 조향계수 k에 3축(30)의 최대 조향각(실제로 조향 가능한 3축의 최대 각도)을 곱하여 굴절 차량(100)의 속도에 따른 최대 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00088
)을 계산하고, 상기 식 (8)에서 계산된 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00089
)과 비교한다.
이때, 상기 식 (8)에서 계산된 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00090
)이 상기 굴절 차량(100)의 속도에 따른 최대 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00091
) 보다 작을 경우에는 상기 식 (8)에서 계산된 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00092
)이 그대로 출력되어 유압 실린더(64)를 통해 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00093
)을 제어하게 되고, 반대로 상기 식 (8)에서 계산된 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00094
)이 굴절 차량(100)의 속도에 따른 최대 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00095
) 보다 클 경우에는 상기 굴절 차 량(100)의 속도에 따른 최대 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00096
)이 출력되어 유압 실린더(64)를 통해 3축 조향각(
Figure 112007060046614-PAT00097
)을 제어하게 되는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘은 전 차륜 조향 시스템이 적용된 굴절 차량(100)의 일반 저속 주행시 선회반경을 작게 하게 하기 위하여 2축(20)과 3축(30)을 역위상으로 조향하고, 고속 주행이나 정거장 정차시에는 전 차륜을 동위상으로 조향하며, 역위상 조향의 경우 주행 속도에 따라 조향 성능이 변화하기 때문에 2축 및 3축 조향각()을 주행 속도를 고려하여 추가적으로 제어함으로써 굴절 차량(100)의 안정성 및 일반적인 운전 특성을 추가적으로 개선할 수 있도록 한 것이다.
상술한 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 대하여 설명한 것이지만, 본 발명은 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
본 발명은 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굴절 차량의 전 차륜에 대하여 조향 시스템을 적용함으로써 단순히 차량 의 선회 반경을 줄이는 데에 그치지 않고, 기존의 4륜 조향 차량이 가지는 이점을 굴절 차량에 적용하여 굴절 차량의 일반적인 운전 특성을 추가적으로 개선할 수 있는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘에 관한 것이다.
도 1의 a), b)는 본 발명이 적용되는 굴절 차량을 나타낸 측면도.
도 2는 굴절 차량의 굴절각을 이용하여 2축 조향각을 계산하기 위한 자전거 모델을 나타낸 도면.
도 3은 굴절 차량의 굴절각을 이용하여 3축 조향각을 계산하기 위한 자전거 모델을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘의 2축 제어 메커니즘을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘의 3축 제어 메커니즘을 나타낸 도면.
도 6의 a), b)는 도 4 및 도 5에 나타낸 조향모드 중 역위상 모드와, 동위상 모드를 나타낸 도면.
도 7은 역위상 모드인 경우 굴절 차량의 속도에 따라 2축 및 3축 조향각이 변화하는 모습을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘 중 2축 및 3축 전자제어장치의 내부 알고리즘을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
10 : 1축 12 : 전륜
20 : 2축 22 : 중간륜
30 : 3축 33 : 후륜
40 : 자전거 모델 42 : 앞 차체
42a : 가상 고정축(앞 차체) 44 : 뒤 차체
44a : 가상 고정축(뒤 차체) 46 : 굴절점(굴절부분)
50 : 선회중심 60 : 조향모드
62 : 차속센서 64 : 유압 실린더
70 : 2축 조향 전자제어장치 80 : 3축 조향 전자제어장치
100 : 굴절 차량
Figure 112007060046614-PAT00111
: 굴절각
Figure 112007060046614-PAT00112
: 1축 조향각
Figure 112007060046614-PAT00113
: 2축 조향각
Figure 112007060046614-PAT00114
: 3축 조향각 k : 조향계수

Claims (13)

  1. 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘에 있어서,
    굴절 차량의 운전자의 조작에 의해 발생하는 1축의 조향각을 이용하여 2축의 조향각을 제어하고, 상기 운전자가 1축을 조향함에 따라 차체에 발생하는 굴절각을 이용하여 3축의 조향각을 제어하는 것을 특징으로 하는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 2축 및 3축의 조향각은 자전거 모델을 이용하여 기하학적인 방법으로 유도되는 것을 특징으로 하는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 2축 조향각은
    Figure 112007060046614-PAT00099
    에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
    (이때,
    Figure 112007060046614-PAT00100
    : 2축의 조향각,
    Figure 112007060046614-PAT00101
    : 1축의 굴절각, : 1축과 차량 앞부분의 가상 고정축과의 거리,
    Figure 112007060046614-PAT00103
    : 차량 앞부분의 가상 고정축과 2축과의 거리)
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 3축 조향각은
    Figure 112007060046614-PAT00104
    에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
    (이때,
    Figure 112007060046614-PAT00105
    : 3축의 조향각,
    Figure 112007060046614-PAT00106
    : 차량의 굴절각,
    Figure 112007060046614-PAT00107
    : 2축과 굴절점과의 거리,
    Figure 112007060046614-PAT00108
    : 3축과 굴절점과의 거리,
    Figure 112007060046614-PAT00109
    : 차량 앞부분의 가상 고정축과 2축과의 거리,
    Figure 112007060046614-PAT00110
    : 차량 뒷부분의 가상 고정축과 3축과의 거리)
  5. 제 1항 내지 제 4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 2축과 3축의 조향각은 각각 2축 조향 전자제어장치(ECU) 및 3축 조향 전자제어장치(ECU)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 2축 조향 전자제어장치는 굴절 차량의 조향모드 정보와, 굴절 차량의 1축 조향각 및 굴절 차량의 속도를 기초로 하여 2축의 조향을 제어하고, 상기 3축 조향 전자제어장치는 굴절 차량의 조향모드 정보와, 굴절 차량의 굴절 부분에서 측정되는 굴절각 및 굴절 차량의 속도를 기초로 하여 3축의 조향을 제어하는 것을 특징으로 하는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 굴절 차량의 조향모드 정보는, 2축 및 3축의 조향 방향이 1축의 조향 방향과 반대로 조향되는 역위상 모드와, 2축 및 3축의 조향 방향이 1축의 조향 방향과 같은 방향으로 조향되는 동위상 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴절 차량용 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 조향모드가 역위상 모드인 경우, 2축 및 3축 조향각에 의해 굴절 차량 이 정상적으로 제어되는 속도와, 2축 및 3축 조향각이 의도한 대로 조향되지 않는 임계속도 사이에는 상기 2축 및 3축 조향각을 선형적으로 감소시켜 적용하는 것을 특징으로 하는 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치는 조향모드가 동위상 모드인 경우, 2축 및 3축의 조향각을 1축의 조향각과 같은 값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치는 조향모드가 역위상 모드인 경우, 굴절 차량의 속도를 항상 측정하여 굴절 차량의 속도가 증가함에 따라 감소하는 조향계수(k)를 산출하는 것을 특징으로 하는 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치는, 상기 조향계수(k)에 2축 및 3축의 최대 조향각을 곱하여 속도에 따른 최대 조향각을 계산하는 것을 특징으로 하는 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치는, 1축 조향각 및 굴절각에 따라 계산된 2축 및 3축 조향각을 상기 속도에 따른 최대 조향각과 비교하여 상기 2축 및 3축 조향각이 속도에 따른 최대 조향각 보다 작을 경우, 2축 및 3축 조향각을 그대로 출력하여 유압실린더를 제어하는 것을 특징으로 하는 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 2축 및 3축 조향 전자제어장치는, 1축 조향각 및 굴절각에 따라 계산된 2축 및 3축 조향각을 상기 속도에 따른 최대 조향각과 비교하여 상기 2축 및 3축 조향각이 속도에 따른 최대 조향각 보다 클 경우, 속도에 따른 최대 조향각을 출력하여 유압실린더를 제어하는 것을 특징으로 하는 전 차륜 조향 제어 알고리즘.
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