KR20120008530A - 차량 전자식 안정성 프로그램을 위한 레이저 다이오드 기반 자체 혼합 센서 - Google Patents

차량 전자식 안정성 프로그램을 위한 레이저 다이오드 기반 자체 혼합 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간소화된 차량 안정성 제어를 위한 레이저 다이오드 기반 자체 혼합 레이저 센서들과 관련이 있다. 차량의 옆 미끄럼 각, 앞 및 뒷 타이어 미끄럼 각들, 요 레이트 및 횡방향 가속도 레이트는 자체 혼합 레이저 센서들로부터 명백히 얻어진다. 언더스티어 또는 오버스티어의 발생을 검출하기 위해 요 레이트, 회전 반경 및 타이어 미끄럼 각 분석에 기초한 3개의 기준들이 채용될 수 있고, 이는 간소화된 차량 전자식 안정성 프로그램을 가능하게 한다.

Description

차량 전자식 안정성 프로그램을 위한 레이저 다이오드 기반 자체 혼합 센서{LASER DIODE BASED SELF-MIXING SENSOR FOR A VEHICLE ELECTRONIC STABILITY PROGRAM}
본 발명은 차량 역학(vehicle dynamics)의 측정에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 전자식 안정성 시스템(electronic stability system)을 위한 광학 센서에 관한 것이다.
차량 안정성은 타이어 견인력과 차량의 토크 모멘트 및 원심력 사이의 균형에 의해 결정된다. 차량 안정성 한계의 파괴는 차량의 횡방향 미끄럼(lateral slip)을 유발한다.
DE 3 25 639 A1은 자동차의 횡방향 이동(lateral drift) 또는 지면 위에서의 그것의 정확한 속도를 검출하기 위해 레이저 도플러 센서를 채용하는 자동차를 위한 미끄럼 방지 시스템(anti-skid system)을 개시하고 있다. 그러나, 차량 안정성에 대한 결정적인 조건들은 차체 옆 미끄럼 각(vehicle body side slip angle)뿐만 아니라 앞 타이어 및 뒷 타이어 미끄럼 각들이 특정한 임계값들을 초과할 때 발생할 수 있다. 이들 3개의 파라미터들 중 아무것도 아직까지는 현재의 전자식 안정성 프로그램(ESP : electronic stability program) 센서 클러스터들로부터 입수할 수 없다.
그러므로 본 발명의 목적은 전자식 안정성 제어 시스템들을 개선하는 것이다.
이 목적은 독립 청구항들의 내용에 의해 해결된다. 본 발명의 유리한 개량들은 종속 청구항들에서 정의된다.
차량의 옆 미끄럼 각, 앞 및 뒷 타이어 미끄럼 각들, 요 레이트(yaw rate) 및 횡방향 가속도 레이트는 본 발명의 장치의 자체 혼합 레이저 센서들로부터 명백히 얻어진다.
언더스티어 또는 오버스티어의 발생을 검출하기 위해 요 레이트, 회전 반경(turn radius) 및 타이어 미끄럼 각 분석에 기초한 3개의 기준들이 더 채용될 수 있고, 이는 간소화된 차량 전자식 안정성 프로그램을 가능하게 한다.
이 때문에, 차량 역학 조건들을 결정하기 위한 광학 센서 장치가 제공되고, 이것은,
- 레이저 광이 비스듬한 각도로 도로 표면에 부딪치도록 차량의 제1 위치에 설치된 적어도 하나의 레이저 다이오드를 갖는 제1 레이저 장치, 및
- 레이저 광이 비스듬한 각도로 도로 표면에 부딪치도록 차량의 제2 위치에 설치된 적어도 하나의 레이저 다이오드를 갖는 제2 레이저 장치를 포함하고, 상기 제1 및 제2 위치는 상기 도로 표면을 따라서 횡방향으로 이격되어 있다. 상기 광학 센서 장치는,
- 상기 레이저 다이오드들의 레이저 강도의 자체 혼합 진동들(self-mixing oscillations)을 검출하기 위한 적어도 하나의 검출기, 및
- 상기 레이저 다이오드들 각각의 자체 혼합 레이저 강도 진동들로부터 전진(forward), 횡방향(lateral) 및/또는 수직(vertical) 속도들을 계산하고,
다음 파라미터들:
- 차체 옆 미끄럼 각,
- 타이어 미끄럼 각,
- 차량의 요 레이트,
- 차량의 피치(pitch) 또는 롤 레이트(roll rate),
- 회전 반경, 및
- 오버스티어 또는 언더스티어 조건
중 적어도 하나를 결정하기 위한 데이터 처리 장치를 더 포함한다.
종래의 ESP는 적어도 4개의 유형의 센서들, 즉, 스티어링 각(steering angle) 센서, 횡방향 가속도 센서, 차량 요 레이트 센서 및 바퀴 회전 센서로부터의 입력들을 요구한다. 이 발명은 차체 미끄럼 각 및 타이어 미끄럼 각들을 명백히 측정할 수 있는 레이저 다이오드 기반, 바람직하게는 VCSEL 기반 자체 혼합 간섭 레이저 센서들과 관련이 있다. 이들 파라미터들은 현재의 ESP 센서들로는 명백히 측정될 수 없다.
바람직하게는, 각각의 레이저 장치는 세로(longitudinal) 또는 전진 속도 성분, 횡방향 속도 성분 및/또는 수직 속도 성분을 측정한다. 이 때문에, 각각의 레이저 장치는 적어도 2개의 레이저 다이오드들, 바람직하게는 VCSEL들을 포함한다. 레이저 다이오드들은 그 레이저 다이오드들의 빔들이 드라이빙 방향을 따라 및 드라이빙 방향에 수직으로 방향의 성분을 갖도록 상이한 방위각들로 상기 레이저 장치로부터 방출되도록 배치된다. 상이한 방위각들로 도로 표면에 부딪치는 적어도 2개의 빔들이 사용되기 때문에, 상기 데이터 처리 장치가 상기 레이저 장치들 각각에 대한 전진 및 횡방향 속도를 계산할 수 있도록 상기 레이저 다이오드들의 자체 혼합 진동들로부터 상기 검출기에 의해 전진 및 횡방향 속도 성분들이 추출될 수 있다.
외부 캐비티(external cavity)가 얻어지도록 레이저의 광학 경로 내에 외부 반사 표면이 배열된다면 레이저 자체 혼합이 발생한다. 외부 캐비티의 튜닝은 레이저 평형 조건들의 재조정으로 귀결되고 따라서 레이저 출력 파워의 검출 가능한 변화들로 귀결된다. 전형적으로 파동 또는 진동 형태의, 이들 변화들은 절반 레이저 파장의 거리에 대한 외부 반사 표면의 변위의 함수로서 반복성이다. 그에 의해 파동 주파수는 외부 반사기의 속도에 비례한다.
또한 제1 및 제2 레이저 장치들을 차량의 전진 방향을 따라서 이격되어 떨어진 상이한 위치들에 설치하는 것이 선호된다. 예를 들면, 하나의 레이저 장치는 차량의 앞부분(front) 또는 그것의 앞차축(front axis)에 설치될 수 있고 또 하나의 레이저 장치는 차량의 무게중심(center of gravity)에 또는 그 근처에 또는 일반적으로 차량의 앞차축과 뒷차축 사이에 설치된다. 요 레이트와 같은 특정한 파라미터들에 대한 배열의 감도는 거리에 따라 증가하기 때문에, 앞차축과 뒷차축 사이에 적어도 4분의 1의 거리에, 특히 적어도 3분의 1의 거리에 센서들을 설치하는 것이 선호된다.
또 하나의 개량에 따르면, 차량의 전진 방향을 따라서 이격되어 있는 3개의 레이저 장치들이 채용된다. 예를 들면, 하나의 센서는 차량의 앞부분 또는 앞차축에 또는 그 근처에 설치될 수 있고, 또 하나의 레이저 장치는 무게중심 근처에 또는 차축들 사이에 설치될 수 있고, 제3의 레이저 장치는 차량의 뒷부분 또는 그것의 뒷차축에 설치될 수 있다.
데이터 처리 장치에 의해 양쪽 레이저 장치들에 대한 횡방향 속도들이 계산될 수 있다면, 데이터 처리 장치는 횡방향 속도들의 차이로부터 요 레이트를 더 결정할 수 있다. 구체적으로, 앞차축 스티어링된 차량이 주어진 요 레이트로 선회하고 있다면(driving a turn), 앞 횡방향 속도(front lateral speed)는 뒷 횡방향 속도(rear lateral speed)보다 더 크다. 2개의 레이저 장치들이 전진 방향에 대해 가로로(transversally) 상이한 위치들에, 예를 들면, 차량의 좌측에 및 우측에 설치되는 경우에도 횡방향 속도들의 차이가 발생할 것이다.
본 발명의 또 하나의 개량에 따르면, 둘 또는 그 이상의 레이저 장치들 중 하나 및 그에 상응하여 그것의 레이저 빔의 방위가 앞바퀴 진행 방향에 연결된다. 이것은 그 레이저 장치를 앞바퀴 서스펜션에 설치하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이 배열은 스티어링 각 센서에 대한 필요 없이 앞 타이어 미끄럼 각의 직접 결정을 허용한다.
이에 관련하여, 2개의 레이저 다이오드들을 갖는 레이저 장치를 채용하고 그 레이저 다이오드들 중 하나는 앞바퀴 진행 방향을 따른 방향의 성분을 갖는 빔을 방출하고 그 레이저 다이오드들 중 다른 하나는 바퀴 진행 방향에 대해 가로의 성분을 갖는 빔을 방출하도록 하는 것이 유리하다. 그 후, 데이터 처리 장치는 양쪽 다이오드들의 레이저 강도의 도플러 유도된 자체 혼합 진동들(Doppler induced self-mixing oscillations)로부터 바퀴 진행 방향을 따른 속도 Vl 및 바퀴 진행 방향에 대해 가로의 속도 Vt를 결정할 수 있다. 그 후 앞 타이어 미끄럼 각
Figure pct00001
를 결정하기 위하여, 데이터 처리 장치에 의해 수학식
Figure pct00002
이 계산될 수 있다.
본 발명의 개량에 따르면, 상기 데이터 처리 장치는 차량의 횡방향 속도, 옆 미끄럼 각 및 요 레이트로부터 앞 타이어 미끄럼 각 또는 뒷 타이어 미끄럼 각을 결정하도록 설정된다. 그 계산은 아래에 더 상세히 설명된다. 상기 미끄럼 각들은 결정적인 차량의 역학 조건들을 결정하기 위한 중요한 파라미터들이다. 특히, 상기 미끄럼 각들은 언더스티어 또는 오버스티어 조건과 관련이 있다. 구체적으로, 차량의 뒷 타이어 미끄럼 각
Figure pct00003
은 데이터 처리 장치에 의해 다음의 관계식들
Figure pct00004
, 또는
Figure pct00005
에 따라서 계산될 수 있고, 여기서
Figure pct00006
는 차량의 전진 속도를 나타내고,
Figure pct00007
는 차량의 요 레이트를 나타내고,
Figure pct00008
는 차체 미끄럼 각을 나타낸다. 차체 미끄럼 각
Figure pct00009
는 데이터 처리 장치에 의해 다음 관계식
Figure pct00010
를 이용하여 계산될 수 있고, 여기서
Figure pct00011
및
Figure pct00012
는 각각 차량의 중심에서 및 차량의 뒷부분에서의 차량의 횡방향 또는 가로(tranversal) 속도를 나타낸다. 파라미터 b는 레이저 장치들 사이의 세로 거리를 나타낸다. 바람직하게는, 뒤에 설치된 레이저 장치 및 중심에 설치된 레이저 장치, 예를 들면, 무게중심에, 또는 더 일반적으로 세로 방향으로 앞차축과 뒷차축 사이에 있는 레이저 장치가 사용된다. 이 경우, 레이저 장치들로부터 중심 및 뒷 횡방향 속도들이 검출될 수 있다.
예를 들면, 별도의 스티어링 각 센서에 의해, 파라미터로서 스티어링 각이 데이터 처리 장치에 제공되면, 또한, 차량의 앞 타이어 미끄럼 각
Figure pct00013
가 데이터 처리 장치에 의해 다음 수학식들
Figure pct00014
, 또는
Figure pct00015
에 따라서 계산될 수 있고, 여기서
Figure pct00016
는 차량의 전진 속도를 나타내고,
Figure pct00017
는 차체 미끄럼 각을 나타낸다.
Figure pct00018
및
Figure pct00019
는 각각 중심 및 앞에 설치된 레이저 장치에 의해 검출된 차량의 횡방향 속도를 나타낸다. 중심에 설치된 레이저 장치는 일반적으로 차량의 앞차축과 뒷차축 사이에 설치된다. 바람직하게는, 중심에 설치된 레이저 장치는 무게중심에 또는 그 근처에(바람직하게는 무게중심 위치로부터 세로축 거리의 15 퍼센트 미만 벗어나는 세로 위치에) 또는 차축들 사이의 절반 세로 거리 근처에(바람직하게는 차축들 사이의 절반 거리로부터 세로축 거리의 15 퍼센트 미만 벗어나는 세로 위치에) 설치된다.
뒷 타이어 미끄럼 각의 계산을 위한 상기 수학식 내의 파라미터 b와 유사하게, 파라미터 a는 레이저 장치들 사이의 세로 거리를 나타낸다.
위에 논한 바와 같이, 차체 옆 미끄럼 각, 앞 및 뒷 타이어 미끄럼 각, 및 요 레이트는 검출기에 의해 검출된 자체 혼합 진동들의 검출로부터 명백히 얻어질 수 있다.
또한, 차량의 회전 반경은 데이터 처리 장치에 의해 차량의 요 레이트 및 세로 또는 전진 속도로부터 계산될 수 있다.
본 발명에 따른 센서 장치를 갖는 차량들에 대한 전자식 안정성 시스템을 위한 또 하나의 유용한 파라미터는 횡방향 가속도이다. 본 발명의 또 하나의 개량에 따르면, 차량의 무게중심에서의 횡방향 가속도 레이트는 데이터 처리 장치에 의해 세로 속도 또는 전방 속도와, 요 레이트와 옆 미끄럼 각의 변화율의 합계의 곱을 계산하는 것에 의해 결정될 수 있다.
요 레이트, 회전 반경 및 타이어 미끄럼 각 분석에 기초한 3개의 기준들은 언더스티어 또는 오버스티어의 발생을 검출하고 브레이크 간섭(brake intervention)이 필요한지를 결정하기 위해 채용될 수 있다. 이 때문에, 데이터 처리 장치는 오버스티어 또는 언더스티어의 크기를 임계값과 비교할 수 있다. 그 후 전자식 안정성 시스템의 제어는 상기 크기와 임계값의 비교에 기초하여 브레이크 또는 토크 간섭을 유도할 수 있다. 오버스티어 또는 언더스티어 조건을 나타내는 파라미터에 따라서, 그 파라미터가 임계값을 초과하거나 임계값 미만이면 브레이크 또는 토크 간섭이 유도될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 개량에 따른 차량을 위한 전자식 안정성 시스템은 다음과 같이 유리하게 작용할 수 있다: 데이터 처리 장치는 실제 차량의 요 레이트를 중립 스티어링의 요 레이트와 비교하고, 차량의 실제 회전 반경을 애커먼 회전 반경(Ackermann turn radius)과 비교하고 앞 타이어 미끄럼 각을 뒷 타이어 미끄럼 각과 비교한다. 실제 차량의 요 레이트가 상기 중립 스티어링의 요 레이트보다 작고, 차량의 실제 회전 반경이 애커먼 회전 반경보다 크고 앞 타이어 미끄럼 각이 상기 뒷 타이어 미끄럼 각보다 크면 데이터 처리 장치에 의해 언더스티어 조건이 검출된다. 한편, 데이터 처리 장치는, 실제 차량의 요 레이트가 상기 중립 스티어링의 요 레이트보다 크고, 차량의 실제 회전 반경이 상기 애커먼 회전 반경보다 작고 앞 타이어 미끄럼 각이 상기 뒷 타이어 미끄럼 각보다 작다면 오버스티어링 조건을 검출한다.
본 발명의 전술한 및 다른 목적들, 양태들 및 이점들은 도면들을 참조한 다음의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 차량의 역학 조건을 결정하기 위한 광학 센서 장치를 갖는 차량의 개략도를 보여준다.
도 2는 레이저 장치의 상세를 보여준다.
도 1은 다수의 레이저 장치들을 갖는 광학 센서 장치에 기초한 차량 안정성 제어 시스템(ESP)을 구비한 차량(2)의 개략도를 보여준다. 레이저 빔을 따라서 도로 표면으로부터 레이저 다이오드들의 각각의 캐비티 내로 다시 반사되거나 산란된 레이저 광은 자체 혼합 간섭에 의하여 지면 속도의 측정을 위해 사용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 장치들(1, 3, 5, 7)은 상이한 차량 위치들에 설치된다.
Figure pct00020
는 세로 차량 속도이다.
Figure pct00021
,
Figure pct00022
및
Figure pct00023
은 각각 중심, 앞 및 뒤에 설치된 레이저 장치들(3, 1 및 5)의 횡방향 속도이다.
Figure pct00024
는 차체 옆 미끄럼 각을 나타낸다.
Figure pct00025
및
Figure pct00026
은 각각 앞 및 뒷 미끄럼 각들이다.
단순화를 위해, 평행 스티어링 기하(parallel steering geometry)가 가정된다.
Figure pct00027
는 앞 타이어 스티어링 각을 나타낸다. a 및 b는 각각 중심에 설치된 레이저 장치(3)와 앞/뒤에 설치된 레이저 장치들(1 및 5) 사이의 거리들이다.
도 1은 4개의 레이저 장치들(1, 3, 5, 7)을 갖는 예를 보여준다. 그러나, 안정성 제어 시스템을 위한 차량의 역학 파라미터들의 결정은 또한 보다 적은 수의 레이저 장치들에 기초할 수 있다. 어떤 경우이든, 적어도 2개의 레이저 장치들이 사용된다.
예를 들면, 차량의 앞부분의 레이저 장치들(1 및 7) 중 하나가 결국 생략될 수 있다. 레이저 장치(1)의 감지 방향(대시 선)은 세로 속도
Figure pct00028
및 가로 속도
Figure pct00029
를 측정하기 위해 차량 세로축에 고정된다.
레이저 장치(7)의 감지 방향은
Figure pct00030
및
Figure pct00031
을 얻기 위해 앞차축 타이어(10)의 순간 타이어 지시(pointing) 방향에 고정된다.
Figure pct00032
은 타이어(10)의 바퀴 진행 방향이고
Figure pct00033
는 각각 타이어 지시 또는 바퀴 진행 방향에 관한 가로 속도이다.
바퀴(2)의 횡방향 미끄럼은 차체 미끄럼 각
Figure pct00034
및 타이어 미끄럼 각
Figure pct00035
에 의해 특징지어진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 앞 타이어 미끄럼 각
Figure pct00036
는 타이어 지시 방향과 실제 타이어 진행 방향 사이의 각으로서 정의된다.
Figure pct00037
여기서
Figure pct00038
는 세로 속도이고,
Figure pct00039
는 앞 및 뒤에 설치된 레이저 장치들(1, 5)의 횡방향 속도이다.
Figure pct00040
는 앞 타이어 스티어링 각을 나타낸다.
종래의 ESP 센서 클러스터들은 전형적으로 스티어링 각
Figure pct00041
를 측정하는 스티어링 각 센서들, 횡방향 가속도 레이트를 측정하는 가속도 센서들 및 차량의 요 레이트
Figure pct00042
를 검출하는 요 레이트 센서들을 포함한다.
그러나, 차체 옆 미끄럼 각 및 타이어 미끄럼 각이 차량 역학의 가장 결정적인 파라미터들 중 2개의 파라미터들이기는 하지만, 이들 파라미터들 중 아무것도 현재의 ESP 센서들로는 명백히 얻어질 수 없다.
이 문제는 본 발명에 따른 레이저 센서 장치로 극복된다. 이 때문에, 도 1에 예시된 바와 같이, 적어도 2개의 레이저 장치들이 각각 차량의 전진 방향, 또는 세로 방향을 따라 이격되어 떨어진 상이한 위치들에 설치된다. 예를 들면, 하나의 레이저 장치(3)는 차량의 무게중심에 가깝게 설치되고, 다른 레이저 장치는 앞 또는 뒷바퀴 베이스 근처에 설치된다(즉, 레이저 장치들(1 및 5)). 앞 및 뒤에 설치된 레이저 장치들(1, 5)과 중심에 설치된 레이저 장치(3) 사이의 거리들은 각각 a 및 b로 표시된다.
각각의 레이저 장치는 도플러 위상 시프트로 인한 자체 혼합 레이저 강도 진동들을 검출하는 적어도 하나의 검출기에 의하여 대응하는 설치 위치들에서 횡방향 및 세로 차량 속도 양쪽 모두를 측정한다. 예를 들면, 레이저 장치들 각각에 검출기가 통합될 수 있다.
데이터 처리 장치(6)가 레이저 장치들에 연결되고 검출된 자체 혼합 진동들 또는 그로부터 유래하는 속도들에 대응하는 데이터를 검색한다.
차체 옆 미끄럼 각
Figure pct00043
는,
예를 들면 중심에 설치된 레이저 장치(3)으로부터 측정된 전진 및 횡방향 속도들
Figure pct00044
,
Figure pct00045
를 구하는 것에 의해
Figure pct00046
에 의해 얻어진다.
차체 옆 미끄럼 각
Figure pct00047
, 차량의 횡방향 가속도 레이트
Figure pct00048
및 타이어 미끄럼 각
Figure pct00049
사이의 관계들은 다음에 의해 표현된다.
Figure pct00050
, 및
Figure pct00051
차량의 요 레이트는 데이터 처리 장치에 의해 횡방향 속도 기울기(lateral speed gradient)에 의하여 계산될 수 있다. 이 때문에, 데이터 처리 장치는 한 쌍의 레이저 장치들, 예를 들면, 장치들(1 및 3)에 대한 횡방향 속도 및 이들 횡방향 속도들의 차이로부터 요 레이트를 계산한다.
요 레이트
Figure pct00052
를 결정하기 위해, 레이저 장치(1)로부터 측정된 횡방향 속도
Figure pct00053
, 및 레이저 장치(3)로부터의 횡방향 속도 를 이용하여, 및/또는 레이저 장치(5)로부터 측정된 횡방향 속도
Figure pct00055
, 및 레이저 장치(3)로부터의 횡방향 속도
Figure pct00056
를 이용하여 데이터 처리 장치에 의해 다음의 관계들이 구해질 수 있다.
Figure pct00057
레이저 장치가 상이한 방위각들로 방출된 빔들을 생성하는 3개 이상의 레이저 장치들을 포함한다면, 대응하는 도플러 주파수 벡터로부터 전진 및 횡방향 속도들 외에 차량의 수직 속도가 얻어질 수 있다.
차량의 피치 레이트
Figure pct00058
를 결정하기 위하여, 레이저 장치들(1, 3, 5)로부터 각각 측정된 차량 수직 속도
Figure pct00059
,
Figure pct00060
, 및/또는
Figure pct00061
을 이용하여 데이터 처리 장치에 의해 다음의 관계들이 구해질 수 있다.
Figure pct00062
파라미터 a는 앞에 설치된 레이저 장치(1)와 중심에 설치된 레이저 장치(3) 사이의 거리를 나타낸다. 유사하게, 파라미터 b는 중심에 설치된 레이저 장치(3)와 뒤에 설치된 레이저 장치(5) 사이의 거리를 나타낸다.
유사하게, 차량의 가로 축을 따라 이격되어 떨어져 있는, 즉, 다른 레이저 장치들(1, 3, 5)에 관하여 레이저 장치(7)와 같은 세로 또는 전진 방향에 대해 가로로 이격되어 떨어져 있는 레이저 장치들에 의해 측정된 수직 차량 속도로부터 차량의 롤 레이트(roll rate)가 얻어질 수 있다.
일단 차량의 옆 미끄럼 각 및 요 레이트가 알려지면, 데이터 처리 장치에 의해 위에 이미 논의된 하기의 수학식들을 구하는 것에 의해 앞 및 뒷 타이어 미끄럼 각
Figure pct00063
및
Figure pct00064
가 결정될 수 있다:
Figure pct00065
, 및
Figure pct00066
.
또한, 횡방향으로 이격되어 있는 레이저 장치들의 대지 속도(speed over ground) 신호들을 이용하여, 횡방향 가속도 레이트가 결정될 수 있다. 차량의 무게중심에서의 횡방향 가속도 레이트
Figure pct00067
는 다음에 의해 계산될 수 있다:
Figure pct00068
따라서, 레이저 가속도 레이트를 결정하기 위해, 데이터 처리 장치는 위에 논의된 바와 같이 계산된 요 레이트 및 옆 미끄럼 각
Figure pct00069
의 변화율을 더하고 이 합계를 레이저 장치들(1, 3, 5) 중 임의의 것으로부터 획득된 세로 속도와 곱한다. 따라서, 횡방향 가속도는 별도의 가속도 센서에 대한 필요 없이 전적으로 광학 대지 속도 측정을 기초로 하여 데이터 처리 장치에 의해 결정될 수 있다.
또한, 요 레이트 및 전진 속도가 결정되면, 이들 파라미터들로부터 데이터 처리 장치에 의해 차량(2)의 회전 반경
Figure pct00070
이 결정될 수 있다. 구체적으로, 실제 회전 반경은 다음의 관계식에 따라 계산될 수 있다:
Figure pct00071
대안적으로 또는 추가로, 회전 반경은 또한 횡방향 가속도
Figure pct00072
및 전진 속도
Figure pct00073
로부터 다음 관계식에 따라 결정될 수 있다:
Figure pct00074
타이어 미끄럼을 수반하지 않은 이상적인 차량 회전은 애커먼 스티어링 조건들에 의해 기술되고, 대응하는 요 레이트 및 애커먼 회전 반경
Figure pct00075
는 스티어링 각
Figure pct00076
에 의해 결정된다.
Figure pct00077
, 및
Figure pct00078
그러나, 실제 회전은 앞 및 뒷 타이어 미끄럼 양쪽 모두를 수반한다. 앞 타이어 미끄럼 각이 뒷 타이어 미끄럼 각보다 더 클 때, 차량은 언더스티어라고 한다. 뒷 타이어 미끄럼 각이 앞 타이어 미끄럼 각보다 더 클 때, 차량은 오버스티어라고 부른다. 차량 안정성 제어의 주요 작업은 오버 스티어 상황과 언더스티어 상황을 구별하는 것이다. 대응하는 언더스티어 또는 오버스티어 크기를 감소시키기 위해 브레이크 또는 토크 간섭들이 취해질 것이다.
다수의 적어도 2개의 레이저 장치들을 갖는 광학 센서 장치는, 다음에 제시된 바와 같이, 요 레이트, 회전 반경 및 타이어 미끄럼 각 분석에 기초하여 언더스티어 또는 오버스티어의 발생을 정확히 검출할 수 있다. 첫째로, 차량의 실제 요 레이트가 중립 스티어링의 요 레이트와 비교된다. 둘째로, 차량의 회전 반경
Figure pct00079
이 애커먼 회전 반경
Figure pct00080
와 비교된다. 셋째로, 앞 타이어 미끄럼 각이 뒷 타이어 미끄럼 각과 비교된다. 따라서, 오버스티어 또는 언더스티어의 크기는 레이저 장치들로부터 명백히 얻어질 수 있다. 따라서, 하기의 조건들에 따라 전자식 안정성 시스템에 의해 언더스티어 또는 오버스티어가 검출될 수 있다:
a) 언더스티어는
Figure pct00081
, 및
Figure pct00082
의 조건들이 만족되면 검출된다.
b) 오버스티어는
Figure pct00083
, 및
Figure pct00084
의 조건들이 만족되면 검출된다.
오버스티어 또는 언더스티어의 크기는, 예를 들면, 애커먼 역학 파라미터들에 실제 역학 파라미터들의 편차들을 가중 가산(weighted adding)하는 것에 의해 계산된다. 따라서, 예를 들면 합계
Figure pct00085
가 계산될 수 있고, 여기서 d, e, f는 가중 계수들이다. 그 후 결과는 오버스티어 및 언더스티어에 대한 임계값들과 비교될 수 있다.
언더스티어 또는 오버스티어의 크기가 임계값을 초과하는 경우에는, 전자식 안정성 시스템은 차량을 계속 제어하기 위해 브레이크 간섭들을 시작할 것이다.
대안적으로 또는 레이저 장치(1)에 더하여, 순간 스티어링 각에 따라 동적으로 회전하는 레이저 장치(7)가 채용될 수 있다. 즉, 레이저 장치(7)의 방위는 앞차축 타이어들(10) 중 하나의 바퀴 진행 방향에 연결된다. 레이저 장치(7)의 감지 방향을 실제 타이어 지시 방향에 연결하기 위하여, 레이저 장치는 바퀴 서스펜션에 설치될 수 있다. 특히, 설상차(snow mobiles)의 경우에 이 실시예는, 레이저 센서가 눈(snow)에 가까운, 차량의 앞 스키(front ski)에 바로 놓일 수 있고, 거기서 그것은 그것의 레이저 빔들을 방해하는 눈송이들로부터 쉽게 보호될 수 있기 때문에, 유리할 수 있다.
이 경우, 다음 수학식에서 제시된 바와 같이, 앞 타이어 미끄럼 각
Figure pct00086
는 타이어 지시 방향에서의 세로 속도
Figure pct00087
및 가로 속도
Figure pct00088
에 의해 명백히 결정될 수 있다. 이런 식으로 설치된 레이저 장치는 또한 종래의 스티어링 각 센서를 대체할 수 있다.
레이저 장치(7)로부터 획득된 횡방향 및 세로 속도들을 이용하여, 앞 타이어 미끄럼 각
Figure pct00089
는 다음 수학식에 따라 간단히 계산될 수 있다.
Figure pct00090
스티어링 각은 다음과 같이 얻어질 수 있다.
Figure pct00091
이 레이저 장치(3)를 레이저 장치(7)와 연결하는 벡터를 나타내고, 그에 의해 3이 차체의 무게중심에 배치된다고 하자. 차체가 단단하다는 사실 때문에 레이저 장치(7)에 의해 측정된 속도 벡터
Figure pct00092
은 레이저 장치(3)에 의하여 무게중심에서 측정된 속도
Figure pct00093
와 동일한 성분을 벡터
Figure pct00094
의 방향에서 갖는다. 따라서 벡터들의 스칼라 곱은 다음을 산출한다.
Figure pct00095
이 수학식은 속도 벡터
Figure pct00096
과
Figure pct00097
사이의 각의 결정을 허용한다. 전진 드라이빙 방향과 벡터
Figure pct00098
사이의 알려진 및 일정한 각, 및 수학식 (17)로부터 뒤따르는 앞 타이어 미끄럼 각
Figure pct00099
로부터, 스티어링 각
Figure pct00100
가 쉽게 획득될 수 있다.
좌측 또는 우측 스티어링 각들을 구별하기 위하여, 센서 장치(3)에 관하여 회전하는 센서 장치(7)의 횡방향 속도
Figure pct00101
가 사용될 수 있다. 원심력은 바깥쪽으로 향해진다. 따라서
Figure pct00102
는 우측으로 향해지고, 스티어링 각은 좌측으로 향해지고, 반대로
Figure pct00103
는 좌측으로 향해지고, 스티어링 각은 우측으로 향해진다.
요컨대, 회전 센서의 전진 속도와 횡방향 속도 사이의 비율로부터, 앞 타이어 미끄럼이 결정된다. 뒷바퀴 축에 있는 센서의 횡방향 속도와 전진 속도 사이의 비율로부터, 뒷 타이어 미끄럼이 결정된다. 2개의 센서들 사이의 알려진 분리로부터 스티어링 휠 각이 결정된다. 이들 3개의 파라미터들로부터 자동차가 언더스티어인지 오버스티어인지를 결정하는 것이 가능하다. 차량의 속도 및 스티어링 각에 따라서, 임계값들이 초과되면, 언더스터어 또는 오버스티어 조건들에 따라서 적당한 브레이킹 액션들이 수행될 수 있다.
레이저 장치들의 위치에서 각각의 횡방향 및 세로 속도를 결정하기 위해, 채용되는 모든 레이저 장치들은 바람직하게는 상이한 방위각들로 빔들을 방출하는 적어도 2개의 레이저 다이오드들을 포함하고, 그에 의해 방위각들은 도로 표면들의 수직에 관한 회전을 나타낸다. 도 2는 레이저 장치(1)의 예를 보다 상세히 보여준다.
레이저 장치(1)는 칩 기판 위에 메사 구조들로서 형성된, 2개의 VCSEL들(17, 19)이 위에 있는 칩(15)을 포함한다. 따라서 VCSEL들은 칩 표면에 수직 방향으로 방출하고 있다. VCSEL들(15, 17) 각각은 통합된 모니터 포토다이오드를 포함한다.
예시적으로, 이 실시예에서, 자체 혼합 강도 진동들을 검출하기 위한 검출기가 레이저 장치(1)에 통합된다. 검출기는 포토다이오드들 및 라인들(23, 25) 및 공통 라인(27)을 통해 포토다이오드들에 연결된 검출기 회로(21)를 포함한다. 공통 라인(27)은 메사 구조들을 갖는 면의 반대편의 칩(15)의 기판의 이면에 연결된다. VCSEL들의 레이저 빔들(32, 24)이 VCSEL들(17, 19)의 광학 축들에 수직 방향의 성분을 갖도록 양쪽 빔들(32, 24)을 편향시키는 편향 구조가 제공된다. 예로서, 편향 소자로서 작용하는 렌즈(30)가 칩(15) 위에 설치된다. 렌즈(15)는 그것의 중심 축이 VCSEL들(17, 19)의 광학 축들에 관하여 중심을 벗어난(off-centered) 상태로 배치된다. 이러한 배치 때문에, 빔들은 칩 표면을 향하여 다소 편향된다. 도 2의 상면도에서 알 수 있는 바와 같이, 빔들(32, 34)의 수직 성분들이 비평행이도록 빔들이 편향된다. 즉, 빔들은 상이한 방위각들로 방출된다.
구체적으로, 도 2의 실시예에서, 빔들(32, 34)의 가로 성분들은 직각을 포함한다. 따라서, 레이저 장치가 VCSEL들(17, 19)이 도로 표면에 면하는 상태로 설치된다면, 장치는 하나의 레이저 빔, 예를 들면, 빔(34)이 전진 방향을 따라(즉,
Figure pct00104
를 따라) 그것의 가로 성분을 갖고 다른 빔은 전진 방향에 대해 횡방향으로(즉,
Figure pct00105
에 따라) 그것의 가로 성분을 갖도록 배향될 수 있다. 레이저 장치(7)의 경우에, 하나의 레이저 빔, 예를 들면, 빔(34)은 바퀴 진행 방향
Figure pct00106
을 따라 가로 성분을 갖고 다른 빔은
Figure pct00107
을 따라 성분을 갖는다.
또한, 개량으로서, 수직 속도 성분을 횡방향 및 세로 속도들과 구별할 수 있게 하는 추가 빔을 생성하는 제3 레이저 다이오드(18)가 칩(15)에 통합될 수 있다. 예를 들면, 추가 레이저 다이오드의 빔은 다른 빔들(32)에 관하여 상이한 방위각으로 방출된다. 대안적으로, 빔은 이 레이저 다이오드(18)로부터 얻어진 도플러 신호가 도로 표면에 관하여 차체의 수직 속도에 바로 대응하도록 도로 표면에 수직으로 방출될 수 있다. 전술한 바와 같이, 수직 속도는 피치 및/또는 롤 레이트를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
검출기 회로(21)는 데이터 처리 장치에 연결된다. 검출기 회로(21)에 의해 생성되고 데이터 처리 장치(6)에 전송된 데이터는 처리되고 증폭된 진동 신호일 수 있다. 대안적으로, 검출기 회로는 (예를 들면, 주파수 대 전압 변환기에 의해) 속도에 대응하는 신호를 처리하고 이 신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부 도면들에서 예시되었고 전술한 설명에서 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예들에 제한되지 않고 다음의 청구항들에서 제시된 발명의 범위에서 벗어나지 않고 다수의 수정들이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (14)

  1. 차량 역학 조건들을 결정하기 위한 광학 센서 장치로서,
    - 레이저 광이 비스듬한 각도로 도로 표면에 부딪치도록 차량의 제1 위치에 설치된 적어도 하나의 레이저 다이오드를 갖는 제1 레이저 장치, 및
    - 레이저 광이 비스듬한 각도로 도로 표면에 부딪치도록 차량의 제2 위치에 설치된 적어도 하나의 레이저 다이오드를 갖는 제2 레이저 장치를 포함하고, 상기 제1 및 제2 위치는 상기 도로 표면을 따라서 횡방향으로 이격되어 있고, 상기 광학 센서 장치는,
    - 상기 레이저 다이오드들의 레이저 강도의 자체 혼합 진동들(self-mixing oscillations)을 검출하기 위한 적어도 하나의 검출기, 및
    - 상기 레이저 다이오드들 각각의 자체 혼합 레이저 강도 진동들로부터 전진(forward), 횡방향(lateral) 및/또는 수직(vertical) 속도들을 계산하고,
    다음 파라미터들:
    - 차체 옆 미끄럼 각,
    - 타이어 미끄럼 각,
    - 상기 차량의 요 레이트,
    - 상기 차량의 피치(pitch) 또는 롤 레이트(roll rate),
    - 회전 반경, 및
    - 오버스티어 또는 언더스티어 조건
    중 적어도 하나를 결정하기 위한 데이터 처리 장치(6)를 더 포함하는 광학 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 레이저 장치는 적어도 2개의 레이저 다이오드들(17, 19)을 포함하고, 상기 레이저 다이오드들(17, 19)의 빔들은 상이한 방위각들로 상기 레이저 장치로부터 방출되고 드라이빙 방향을 따라 및 드라이빙 방향에 수직으로 방향의 성분을 갖고, 상기 데이터 처리 장치(6)는 상기 레이저 장치들 각각에 대해 전진, 횡방향, 및/또는 수직 속도를 계산하도록 설정되는 광학 센서 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 차량(2)의 전진 방향을 따라 이격되어 있는 2개 또는 3개의 레이저 장치들(1, 3, 5)을 포함하는 광학 센서 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 데이터 처리 장치(6)는 상기 레이저 장치들 각각에 대한 전진, 횡방향 및/또는 수직 속도를 계산하고 상기 횡방향 속도들의 차이로부터 요 레이트
    Figure pct00108
    및 상기 수직 속도들의 차이로부터 피치 또는 롤 레이트
    Figure pct00109
    중 적어도 하나를 다음의 수학식들
    Figure pct00110

    에 따라서 계산하고,
    Figure pct00111
    ,
    Figure pct00112
    및
    Figure pct00113
    는, 각각, 중심, 앞 및 뒤에 설치된 레이저 장치(3, 1, 5)에 의해 검출된 차량의 횡방향 속도를 나타내고,
    Figure pct00114
    ,
    Figure pct00115
    및
    Figure pct00116
    는, 각각, 상기 중심, 앞 및 뒤에 설치된 레이저 장치(3, 1, 5)에 의해 검출된 차량의 수직 속도를 나타내고, a는 상기 앞에 설치된 레이저 장치와 상기 중심에 설치된 레이저 장치 사이의 세로 거리를 나타내고, b는 상기 중심에 설치된 레이저 장치와 상기 뒤에 설치된 레이저 장치 사이의 세로 거리를 나타내는 광학 센서 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 데이터 처리 장치(6)는 상기 차량의 횡방향 속도, 옆 미끄럼 각 및 요 레이트로부터 앞 타이어 미끄럼 각 또는 뒷 타이어 미끄럼 각을 결정하는 광학 센서 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이저 장치들 중 하나는 레이저 빔 배향이 앞바퀴 진행 방향에 연결되도록 앞바퀴 서스펜션에 설치되는 광학 센서 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 장치는 앞바퀴 서스펜션에 설치되고 2개의 레이저 다이오드들(17, 19)을 포함하고, 상기 레이저 다이오드들 중 하나는 앞바퀴 진행 방향을 따른 방향의 성분을 갖는 빔을 방출하고 상기 레이저 다이오드들(17, 19) 중 다른 하나는 상기 바퀴 진행 방향에 대해 가로의 성분을 갖는 빔을 방출하고, 상기 데이터 처리 장치(6)는 상기 바퀴 진행 방향을 따른 속도
    Figure pct00117
    및 상기 바퀴 진행 방향에 대해 가로의 속도
    Figure pct00118
    를 결정하고 수학식
    Figure pct00119
    를 따라 앞 타이어 미끄럼 각
    Figure pct00120
    를 계산하는 광학 센서 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 데이터 처리 장치(6)는 수학식
    Figure pct00121
    에 따라서 차량의 뒷 타이어 미끄럼 각
    Figure pct00122
    를 계산하고,
    Figure pct00123
    는 차량의 전진 속도를 나타내고, b는 상기 제1 레이저 장치와 상기 제2 레이저 장치 사이의 세로 거리를 나타내고,
    Figure pct00124
    는 차체 미끄럼 각을 나타내고, 상기 차체 미끄럼 각은 데이터 처리 장치(6)에 의해 수학식
    Figure pct00125
    에 따라서 계산되고,
    Figure pct00126
    및
    Figure pct00127
    는, 각각, 중심 및 뒤에 설치된 레이저 장치에 의해 검출된 차량의 횡방향 속도를 나타내고,
    Figure pct00128
    는 차량의 요 레이트를 나타내는 광학 센서 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 차량의 앞 타이어 미끄럼 각
    Figure pct00129
    는 상기 데이터 처리 장치(6)에 의해 수학식
    Figure pct00130
    에 따라서 계산되고,
    Figure pct00131
    및
    Figure pct00132
    는, 각각, 중심 및 앞에 설치된 레이저 장치(3, 1)에 의해 검출된 차량의 횡방향 속도를 나타내고, a는 상기 중심에 설치된 레이저 장치(3)와 상기 앞에 설치된 레이저 장치(1) 사이의 세로 거리를 나타내고,
    Figure pct00133
    는 차체 미끄럼 각을 나타내고, 상기 차체 미끄럼 각은 상기 데이터 처리 장치(6)에 의해 수학식
    Figure pct00134
    에 따라서 계산되고,
    Figure pct00135
    는 차량의 횡방향 속도를 나타내고,
    Figure pct00136
    는 차량의 요 레이트를 나타내고,
    Figure pct00137
    는 스티어링 각을 나타내는 광학 센서 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 데이터 처리 장치는 상기 세로 속도 또는 전진 속도와, 상기 요 레이트 및 상기 옆 미끄럼 각의 변화율의 합계의 곱을 계산함으로써 상기 차량의 무게중심에서 횡방향 가속도 레이트를 결정하는 광학 센서 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 데이터 처리 장치(6)는 상기 차량의 요 레이트 및 그 전진 속도로부터 상기 차량의 회전 반경을 결정하는 광학 센서 장치.
  12. 제1항에 따른 센서 장치를 포함하는, 차량들(2)을 위한 전자식 안정성 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 데이터 처리 장치(6)는 오버스티어 또는 언더스티어의 크기를 임계값과 비교하고, 상기 전자식 안정성 시스템은 상기 크기와 상기 임계값의 비교를 기초로 하여 브레이크 또는 토크 간섭을 유도하는 제어를 포함하는 전자식 안정성 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 데이터 처리 장치(6)는 실제 차량의 요 레이트를 중립 스티어링의 요 레이트와 비교하고, 차량의 실제 회전 반경을 애커먼 회전 반경(Ackermann turn radius)과 비교하고, 앞 타이어 미끄럼 각을 뒷 타이어 미끄럼 각과 비교하고,
    - 상기 데이터 처리 장치(6)는 상기 실제 차량의 요 레이트가 상기 중립 스티어링의 요 레이트보다 작고, 상기 차량의 실제 회전 반경이 애커먼 회전 반경보다 크고, 상기 앞 타이어 미끄럼 각이 상기 뒷 타이어 미끄럼 각보다 크면 언더스티어 조건을 검출하고,
    - 상기 데이터 처리 장치(6)는 상기 실제 차량의 요 레이트가 상기 중립 스티어링의 요 레이트보다 크고, 상기 차량의 실제 회전 반경이 상기 애커먼 회전 반경보다 작고, 상기 앞 타이어 미끄럼 각이 상기 뒷 타이어 미끄럼 각보다 작다면 오버스티어링 조건을 검출하는 전자식 안정성 시스템.
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