KR20110053611A - 현가제어를 이용한 충돌회피 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 현가제어를 이용한 충돌회피 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 제어방법은, 자기차량의 조향각 및 차속으로부터 차체슬립각 및 요 율을 계산하는 단계; 전방차량의 상대속도 및 상대거리로부터 충돌예상시간을 계산하는 단계; 충돌예상시간 후의 차량의 궤적을 계산하는 단계; 및 계산된 궤적으로부터, 충돌이 예상되는 경우에 후륜측 현가계 강성을 강화하는 단계를 포함한다.

Description

현가제어를 이용한 충돌회피 장치 및 그 제어방법{APPARATUS FOR PREVENTING COLLISION BY USING PRESENT VALUE CONTROL AND METHOD FOR CONTROLLING IT}
본 발명은 현가제어를 이용한 충돌회피 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 충돌 회피 능력을 높이기 위한 현가제어를 이용한 충돌회피 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 충돌상황에서 작은 양의 조향이 더해졌다면 피했을 사고가 많이 존재한다. 이러한 상황은 충돌임박 상황에서 운전자의 조향량이 부족하여 발생하는 경우가 많은데, 이와 같이 차량의 전방에 위치한 차량이나 사람 등의 장애물과의 충돌을 회피하는 방법으로는, 조향장치를 이용하는 방법과 제동장치를 이용하는 방법이 있다.
조향장치를 이용하는 충돌회피 방법으로서, 대한민국 공개특허 제2008-99535호(조향 제어를 이용한 충돌제어방법 및 장치)가 개시되어 있다.
위 공개특허는, 차량과 장애물 간의 거리와 장애물에 대한 차량의 상대속도로부터 충돌위험이 존재하는지를 판단한 후, 충돌위험이 존재하면 경보음을 출력하여 운전자에게 알린 후 충돌을 회피하기 위해 필요한 요레이트를 산출하고, 산출된 요레이트와 운전자의 핸들 조작에 따른 조향 정보에 근거하여 추가적으로 요구되는 보상 조향각을 산출하여 조향 액츄에이터를 제어함으로써, 충돌의 위험이 있는 상황에서 운전자가 적절한 조향 조작을 하지 못하는 경우에 이를 보상하는 방법에 관한 것이다.
그러나, 위와 같은 조향장치를 이용한 충돌회피 장치의 경우에는, 차륜을 움직이기 위한 장치가 구비되어야 하며, 인위적 조향에 의한 토우 발생으로 충돌을 회피함으로써 오동작시 피해 정도가 막대하여 양산이 어려운 문제점이 있으며, 이에 따라 작동을 최소화하고 충돌 가능성을 매우 완벽하게 확인하여야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 충돌이 예상되는 경우 후륜측 현가계 강성을 높임으로써 차량의 과도조향을 유도하여 통상의 조향휠 조작에 비해 큰 조향을 얻어 충돌 회피 능력을 향상시키기 위한 현가제어를 이용한 충돌회피 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 충돌이 예상되는 경우 후륜측 현가계 강성을 높임으로써 차량의 과도조향을 유도하여 통상의 조향휠 조작에 비해 큰 조향을 얻어 충돌 회피 능력을 향상시키기 위한 현가제어를 이용한 충돌회피 장치의 제어방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 충돌회피 장치는, 전방차량의 상대속도 및 상대거리를 측정하기 위한 제1센서부; 자기차량의 조향각을 측정하기 위한 제2센서부; 자기차량의 차속을 측정하기 위한 제3센서부; 상기 제1 내지 제3센서부가 측정한 전방차량의 상대속도 및 상대거리와 자기차량의 조향각 및 차속으로부터 계산한 차체슬립각, 요 율 및 충돌예상시간으로부터 충돌예상여부를 판단하여, 차량의 후륜측 현가계 강성을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 현가계 강성 제어장치를 구동하기 위한 구동부를 포함한다. 이때, 상기 제어부는, 상기 제2센서부 및 상기 제3센서부가 측정한 자기차량의 조향각 및 차속으로부터 차체슬립각 및 요 율을 계산하기 위한 제1계산부; 상기 제1센서부가 측정한 전방차량의 상대속도 및 상대거리로부터 충돌예상시간을 계산하는 제2계산부; 충돌예상시간이 임박한 경우, 충돌예상시간 후의 차량의 궤적을 계산하여, 이로부터 충돌예상 여부를 판단하는 판단부; 및 상기 판단부가 충돌을 예상한 경우에, 자기차량의 후륜측 현가계의 강성을 강화하는 현가계 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 현가계 제어부는, 자기차량이 반대조향을 개시한 경우, 후륜측 현가계 강성 강화를 해제하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 제어방법은, 자기차량의 조향각 및 차속으로부터 차체슬립각 및 요 율을 계산하는 단계; 전방차량의 상대속도 및 상대거리로부터 충돌예상시간을 계산하는 단계; 충돌예상시간 후의 차량의 궤적을 계산하는 단계; 및 계산된 궤적으로부터, 충돌이 예상되는 경우에 후륜측 현가계 강성을 강화하는 단계를 포함하며, 반대조향이 개시된 경우에, 후륜측 현가계 강성의 강화를 해제하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 운전자의 조향휠 조작량에 대하여 충돌이 예상되면 후륜측 현가계 강성을 높임으로써 차량의 과도한 조향을 유도하여 통상의 경우보다 큰 조향을 부여함으로써 충돌회피 능력을 향상시키도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 충돌회피 후 차선을 유지하기 위한 운전자의 반대 조향이 개시되면 후륜측 현가계의 강성 강화를 해제하여 차량의 안정성을 향상시킴으로써 차량의 스핀을 방지하도록 하는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 현가제어를 이용한 충돌회피 제어방법의 원리를 개략적으로 설명하기 위한 일예시도로써, 차량속도를 점진적으로 증가시키면서 운전자가 조향조작을 통하여 일정한 원을 선회하도록 시험한 것이며, 현가계 제어에 따른 타이어 마찰한계 도달 시점의 변화를 나타낸 것이다. 도 1에서, 'A'는 비제어 차량을, 'B'는 전륜측 현가계 강성이 높게 제어한 차량을, 'C'는 후륜측 현가계 강성이 높게 제어한 차량을 도시한 것이다.
도면에서, 타이어의 마찰한계는 B, C→A 순으로 도달한다. B 차량의 경우, 전륜 외측 타이어가 먼저 마찰한계에 도달하면, 전륜의 횡력이 저하되고, 요 발란스(Yaw balabnce)가 부족조향(언더스티어) 경향을 보인다. 부족조향 상태에서 일반적인 운전자도 카운터 스티어가 가능하지만, 이미 전륜(조향륜) 타이어가 마찰한계에 이르렀기 때문에 카운터 스티어에 의하여 선회반경이 작아지지 않는다. C 차량의 경우, 후륜 외측 타이어가 먼저 마찰한계에 도달하면, 후륜의 횡력이 저하되고, 요발란스 과도조향(오버스티어) 경향을 보인다. 과도조향 상태에서는 일반적인 운전자의 경우 올바른 카운터 스티어가 매우 어려우며 차량이 스핀이 발생하기 쉽다.
이와 같이, 차량의 기울어짐(롤)은 현가계를 제어한 B, C 차량의 경우가 롤 발생은 적지만(차량 자세가 수평에 가까워서 운전자가 자세는 안정됨), 타이어 마찰한계 도달시점이 빨라져서 차량의 안정성(stability)가 나빠진다. 다만, 전후륜 강성을 동시에 높인 경우 전후륜 타이어 마찰 한계 도달시점에 따라서 다른 거동을 나타낸다.
따라서, 현가 장치의 강성을 높일수록 두 경우 모두 타이어의 마찰한계 시점을 비제어시보다 앞당기는 효과가 존재하며, 본 발명은 이와 같은 원리에서 출발하는 것이다. 물론, 타이어 마찰한계 시점 이전에서는 (언더스티어 경향을 높이려면 전륜측 강성 위주로 제어하며 오버스티어 경향을 높이려면 후륜측 강성 위주로 제어함으로써) 차량 안정성을 높이는 방향의 제어가 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 현가제어를 이용한 충돌회피 장치의 일실시예 구성도이며, 도 3은, 본 발명의 충돌회피 장치의 위치를 설명하기 위한 일예시도이다. 또한, 도 4는 도 2의 제어부의 일실시예 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 충돌회피 장치는, 전방차량 감지센서(10), 조향각 센서부(20), 차속 센서부(30), 제어부(40) 및 구동부(50)를 포함하여 구성되며, 상기 제어부(40)는, 차량상태 관측부(41), 충돌시간 계산부(42), 충돌위험도 판단부(43), 현가계 제어부(44)를 포함하여 구성된다.
전방차량 감지센서부(10)는 전방차량의 상대속도 및 상대거리를 측정하는 기능을 담당한다. 상기 전방차량 감지센서부(10)는 예를 들어 레이더 또는 카메라 등 일 수 있다. 조향각 센서부(20)는 해당 차량의 핸들에 부착되는 것으로서, 자기차량의 조향각을 측정하는 기능을 담당한다. 또한, 차속 센서부(30)는 자기차량의 차속을 측정하는 기능을 담당한다.
제어부(40)의 차량상태 관측부(41)는, 상기 차속 센서부(30) 및 조향각 센서 부(20)로부터 수신한 자기차량의 차속 및 조향각으로부터 바이시클 모델(Bicycle Model)을 이용하여, 차체슬립각(β) 및 요 율(yaw rate)(r)을 계산하는 기능을 담당한다. 차체슬립각이란, 코너링시 차량의 주행방향과 타이어의 중심선이 각을 이루는데 이 각을 말하는 것이다. 도 5는 도 4의 차량상태 관측부가 계산하는 차체슬립각을 설명하기 위한 일예시도이다. 차체슬립각(β) 및 요 율(r)은 각각 다음의 수학식1 및 수학식2와 같다.
Figure 112009070109156-PAT00001
Figure 112009070109156-PAT00002
여기서, M은 차량의 중량, IZ는 차량의 Z축 관성 모멘트, δ는 조향각, Fi x, Fi y, Fi z는 타이어의 각 방향의 힘을 말하며, tr, tf는 차륜답면(wheel tread), a, b는 타이어 중심선으로부터의 휠베이스(wheel base) 및 Ci는 각 휠에서의 코너링 강성을 말한다.
충돌시간 계산부(42)는, 상기 전방차량 감지센서부(10)로부터 계측된 전방차량의 상대속도(VREL) 및 상대거리(DREL)로부터 충돌예상시간(TTC)을 계산하는 기능을 담당한다. 충돌예상시간은 다음 수학식3과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112009070109156-PAT00003
충돌위험도 판단부(43)는, 충돌예상시간이 임박한 경우, 자기차량 정보(차속, 차체슬립각 및 요 율) 및 전방차량 정보(상대속도 및 상대거리)를 이용하여 충돌예상시간 후의 차량의 궤적을 계산하는 기능을 담당하며, 계산된 차량의 궤적으로부터 충돌예상 여부를 판단하는 기능을 담당한다. 현가계 제어부(44)는, 충돌위험도 판단부(43)가 충돌이 예상될 것으로 판단한 경우, 차량의 후륜측 현가계의 강성을 강화하고, 해당 차량이 반대조향을 개시한 경우 안정성 확보를 위하여 후륜측 현가계 강성 강화를 해제하는 기능을 담당한다. 이를 도 6을 이용하여 설명하기로 하자.
도 6a는 본 발명의 적용없이 전방차량에 자기차량이 충돌한 경우를 설명하기 위한 일예시도이며, 도 6b는 본 발명에 따라 자기차량이 전방차량에 충돌회피하는 경우를 설명하기 위한 일예시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 도 6a에서는 자기차량(E)이 전방차량(F)에 순차적으로 Ea, Eb 및 Ec의 궤적을 그리며 충돌하는 경우를 설명한다. 본 발명의 충돌회피 장치에 의하면, 현가계 제어부(44)는 Ee에서 후륜 현가계 강성을 강화하고, Eg에서 운전자의 반대조향이 개시되면 후륜 현가계 강 성의 강화를 해제한다. 이로써, 차량의 안정성(stability)을 향상시킴으로써 차량의 스핀을 방지한다.
도 2의 구동부(50)는 상기 제어부(40)의 제어에 따라 현가계 강성 제어장치를 구동하는 기능을 담당한다. 상기 현가계 강성 제어장치는, 바람직하게는 능동 스테빌라이저이며, 도 7을 참조로 설명하기로 하자.
도 7a는 본 발명에 적용되는 현가계 강성 제어장치를 설명하기 위한 일예시도로서, 바람직하게는 능동 스테빌라이저이며, 도 7b는 도 7a의 실제 모습을 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 현가계 강성 제어장치는, 스테빌라이저 바(프레임A)(61), 스테빌라이저 바(프레임B)(62), 댐퍼 하우징-차체 마운팅 브라켓(63), 스테빌라이저-차체연결 브라켓(64), MR 댐퍼(65), 토션스프링A(66) 및 토션스프링B(67)를 포함하며, 토션스프링A(66)는 한쪽 끝이 댐퍼하우징(도시되지 않음)에 고정되고 다른쪽 끝이 스테빌라이저 바(프레임A)(61)에 고정되고, 토션스프링B(67)는 한쪽 끝이 댐퍼하우징(도시되지 않음)에 고정되고 다른쪽 끝이 스테빌라이저 바(프레임B)(62)에 고정된다.
본 발명에 적용되는 스테빌라이저는, 두 개의 프레임(61, 62)으로 나누어지고, 스테빌라이저 바 A와 B(61, 62)를 자기유변유체를 이용한 MR 댐퍼(65)를 이용하여 연결하여, 두 개의 프레임(스테빌라이져 바 A,B)이 상대 운동이 가능하도록 한다. 본 발명의 일실시예에서 제안한 현가계 강성 제어장치는 위와 같이 설명할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 다양한 장치의 현가계 강성 제어장치 에 적용될 수 있을 것이다.
도 8은 본 발명의 현가제어를 이용한 충돌회피 장치의 제어방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어방법은, 차속 센서부(30) 및 조향각 센서부(20)로부터 수신한 차속 및 조향각으로부터 바이시클 모델(Bicycle Model)을 이용하여, 차체슬립각(β) 및 요 율(yaw rate)(r)을 계산한다(S11). 차체슬립각(β) 및 요 율(yaw rate)(r)의 계산은, 각각 위 수학식1 및 수학식2와 같다.
또한, 본 발명의 제어방법은, 전방차량 감지센서부(10)로부터 계측된 상대속도(VREL) 및 상대거리(DREL)로부터 충돌예상시간(TTC)을 계산한다(S13). TTC의 계산은 수학식3과 같다. 이렇게 계산된 TTC가 소정의 TTC 기준값보다 작은 경우에는(S15), TTC 후의 차량의 궤적을 계산한다(S17). 계산된 궤적으로부터 충돌이 예상되는 경우에는(S19), 후륜측 현가계 강성을 강화하고(S21), 이후 반대조향이 개시된 경우에는(S23), 후륜측 현가계 강성의 강화를 해제한다(S25).
본 발명에 따르면, 충돌이 예상되면 후륜 현가계 조향을 유도하여 타이어 마찰 한계 내에서 최대 조향력을 부여하고, 조향이 개시되면 후륜측 현가계의 차량의 안정성을 향상시켜 차량의 스핀을 방지할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 충돌회피 제어방법을 적용한 경우의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 일예시도로서, 동일 조향각으로 조향했을 경우, 도 9a는 본 발명의 제어방법을 적용한 것이고, 도 9b는 본 발명을 적용하지 않은 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명을 적용한 경우에는 콘을 회피하였고, 본 발명을 적용하지 않은 경우에는 콘과 충돌하였음을 알 수 있다.
또한, 도 10은 본 발명을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 궤도를 설명하기 위한 일예시도로서, 120km/h로 주행한 경우를 나타낸 것이다. 도면의 적색선은 본 발명의 제어방법을 적용한 경우이고, 도면의 흑색선은 본 발명의 제어방법을 적용하지 않은 경우이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어방법을 적용한 경우가 적용하지 않은 경우보다 약 2.7m 빨리 자동차가 조향하게 됨을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 현가제어를 이용한 충돌회피 제어방법의 원리를 개략적으로 설명하기 위한 일예시도,
도 2는 본 발명에 따른 현가제어를 이용한 충돌회피 장치의 일실시예 구성도,
도 3은 본 발명의 충돌회피 장치의 위치를 설명하기 위한 일예시도
도 4는 도 2의 제어부의 일실시예 상세 구성도,
도 5는 도 4의 차량상태 관측부가 계산하는 차체슬립각을 설명하기 위한 일예시도,
도 6a는 본 발명의 적용 없이 전방차량에 자기차량이 충돌한 경우를 설명하기 위한 일예시도,
도 6b는 본 발명에 따라 자기차량이 전방차량에 충돌회피하는 경우를 설명하기 위한 일예시도,
도 7a는 본 발명에 적용되는 현가계 강성 제어장치를 설명하기 위한 일예시도,
도 7b는 도 7a의 실제 모습을 설명하기 위한 일예시도,
도 8은 본 발명의 현가제어를 이용한 충돌회피 장치의 제어방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도,
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 충돌회피 제어방법을 적용한 경우의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 일예시도,
도 10은 본 발명을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 궤도를 설명하기 위한 일예시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 전방차량 감지센서부 20: 조향각 센서부
30: 차속 센서부 40: 제어부
50: 가동부 41: 차량상태 관측부
42: 충돌시간 계산부 43: 충돌위험도 판단부
44: 현가계 제어부

Claims (5)

  1. 전방차량의 상대속도 및 상대거리를 측정하기 위한 제1센서부;
    자기차량의 조향각을 측정하기 위한 제2센서부;
    자기차량의 차속을 측정하기 위한 제3센서부;
    상기 제1 내지 제3센서부가 측정한 전방차량의 상대속도 및 상대거리와 자기차량의 조향각 및 차속으로부터 계산한 차체슬립각, 요 율 및 충돌예상시간으로부터 충돌예상여부를 판단하여, 차량의 후륜측 현가계 강성을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어에 따라 현가계 강성 제어장치를 구동하기 위한 구동부를 포함하는 현가제어를 이용한 충돌회피 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제2센서부 및 상기 제3센서부가 측정한 자기차량의 조향각 및 차속으로부터 차체슬립각 및 요 율을 계산하기 위한 제1계산부;
    상기 제1센서부가 측정한 전방차량의 상대속도 및 상대거리로부터 충돌예상시간을 계산하는 제2계산부;
    충돌예상시간이 임박한 경우, 충돌예상시간 후의 차량의 궤적을 계산하여, 이로부터 충돌예상 여부를 판단하는 판단부; 및
    상기 판단부가 충돌을 예상한 경우에, 자기차량의 후륜측 현가계의 강성을 강화하는 현가계 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 현가제어를 이용한 충돌회 피 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 현가계 제어부는, 자기차량이 반대조향을 개시한 경우, 후륜측 현가계 강성 강화를 해제하는 것을 특징으로 하는 현가제어를 이용한 충돌회피 장치.
  4. 자기차량의 조향각 및 차속으로부터 차체슬립각 및 요 율을 계산하는 단계;
    전방차량의 상대속도 및 상대거리로부터 충돌예상시간을 계산하는 단계;
    충돌예상시간 후의 차량의 궤적을 계산하는 단계; 및
    계산된 궤적으로부터, 충돌이 예상되는 경우에 후륜측 현가계 강성을 강화하는 단계를 포함하는 충돌회피 장치의 제어방법.
  5. 제4항에 있어서, 반대조향이 개시된 경우에, 후륜측 현가계 강성의 강화를 해제하는 단계를 더 포함하는 충돌회피 장치의 제어방법.
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