KR20180015016A - 충돌 시뮬레이션 환경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충돌 시뮬레이션 환경에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일반화된 충돌 모델과 충돌 이후 상태를 추정하기 위한 차량 모델을 이용하여, 충돌 직후의 상태를 정의하고, 실물 차량 모델이 이를 추종하게 하기 위한 충격 입력을 만들어내어 차량이 정상주행 하는 도중 충돌이 일어나는 상황의 시뮬레이션이 가능한 환경을 개발하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 충돌 시뮬레이션 환경은 차량의 충돌 전 상태 변수, 반발 계수 및 충돌 위치를 입력하면 충돌 후 상태 변수를 출력하는 충돌 모델; 상기 충돌 모델에서 출력된 충돌 후 상태 변수를 초기 조건으로 충돌 이후의 차량 거동을 추정하는 차량 모델; 상기 충돌 모델과 상기 차량 모델에 의해 실제 거동이 모사되는 실물 차량 모델; 및 상기 실물 차량 모델에 충돌 시 차량에 작용한 충격을 종방향 힘과 요모멘트로 모사하여 제공하는 충격 발생기; 을 포함한다.

Description

충돌 시뮬레이션 환경{CRASH SIMULATION ENVIRONMENT}

본 발명은 충돌 시뮬레이션 환경에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일반화된 충돌 모델과 충돌 이후 상태를 추정하기 위한 차량 모델을 이용하여, 충돌 직후의 상태를 정의하고, 실물 차량 모델이 이를 추종하게 하기 위한 충격 입력을 만들어내어 차량이 정상주행 하는 도중 충돌이 일어나는 상황의 시뮬레이션이 가능한 환경을 개발하는 기술에 관한 것이다.

최근 수행된 국토교통부 통계자료에 따르면 최근 발생한 교통사고 (2011~2013년)치사율은 61.3%로 일반 교통사고의 치사율보다 약 6배 이상 높은 것으로 조사되었다. 또한 도로교통공단에 따르면 2008년부터 2011년까지 2차 사고로 사망한 사망자는 전체 교통사고 사망자의 약 14%로 조사되었다.

이와 같이 2차 충돌에 의한 피해가 큰 이유는 1차 사고 이후 운전자의 인지 및 제어능력 상실에 따른 도로 이탈 등으로 연쇄 피해를 일으킬 확률이 매우 높기 때문이다. 이에 따라, 2차 충돌에 따른 교통사고 사망자를 감소시키기 위한 노력의 일환으로 2000년도 초반부터 2차 충돌 회피 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 자동차 OEM에서는 2012년부터 제동시스템을 적용한 2차 충돌 회피 시스템을 양산 적용하는 단계에 이르렀다.

이러한 2차 충돌 회피 시스템에서는 기술 개발단계에서 충돌에 의한 차량 거동을 시뮬레이션하여 예측하는 것이 중요하며 이에 따라 충돌을 회피하기 위한 제어 시스템이 개발된다.

충돌을 시뮬레이션하기 위한 방법은 차량의 초기 상태 조건을 이용하여 충돌을 모사하고 충돌이 일어난 이후의 상태를 도출하는 것이 일반적이나, 대부분의 연구에서 시뮬레이션의 시작과 동시에 충돌 이후의 거동이 모사되는 형태로 충돌이 일어나기 이전의 차량 정보를 확인하거나 반영하는 것은 불가능하였다.

미국등록특허 제8583358호 미국등록특허 제9108582호

이에 본 발명은 일반화된 충돌 모델과 충돌 이후 상태를 추정하기 위한 차량 모델을 이용하여, 충돌 직후의 상태를 정의하고, 실물 차량 모델이 이를 추종하게 하기 위한 충격 입력을 만들어내어 차량이 정상주행 하는 도중 충돌이 일어나는 상황의 시뮬레이션이 가능한 충돌 시뮬레이션 환경을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 충돌 시뮬레이션 환경은 차량의 충돌 전 상태 변수, 반발 계수 및 충돌 위치를 입력하면 충돌 후 상태 변수를 출력하는 충돌 모델; 상기 충돌 모델에서 출력된 충돌 후 상태 변수를 초기 조건으로 충돌 이후의 차량 거동을 추정하는 차량 모델; 상기 충돌 모델과 상기 차량 모델에 의해 실제 거동이 모사되는 실물 차량 모델; 및 상기 실물 차량 모델에 충돌 시 차량에 작용한 충격을 종방향 힘과 요모멘트로 모사하여 제공하는 충격 발생기; 을 포함한다.

본 발명에서 상기 충돌 모델은 Branch의 3자유도 충돌 모델이다.

본 발명에서 상기 차량 모델은 차량의 종방향 속도

, 횡방향 속도

, 요레이트

에 대해 각각 아래 수식과 같이 나타내며, 아래 수식에서

은 차량의 중량,

는 전륜 종방향력,

는 후륜 종방향력,

는 전륜 횡방향력,

는 후륜 횡방향력,

는 요모멘트 관성,

는 무게중심에서 앞차축까지의 거리,

는 무게중심에서 뒷차축까지의 거리이다.

본 발명에서 상기 전륜 횡방향력 및 상기 후륜 횡방향력은 비선형 특성을 가진다.

본 발명에 따르면 시뮬레이션 상에서 실제와 유사한 충돌을 모사 하는 것이 가능하기 때문에 실제 차량 시험 이전에 충돌과 유사한 환경에서 충돌 회피 시스템을 평가할 수 있는 이점이 있다.

뿐만 아니라. 충돌 안전성 시험 등을 시뮬레이션을 통해 수행함으로써 시험 비용을 줄이는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충돌 시뮬레이션 환경의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 적용된 실물 차량 모델을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 시뮬레이션 환경 구성 모듈의 동작 과정을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 시뮬레이션의 실제 상황 검증을 위한 시험 조건을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 시뮬레이션의 실제 상황 검증 결과를 나타낸 도이다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충돌 시뮬레이션 환경의 개략 구성도이다.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 충돌 시뮬레이션은 크게 4개의 모듈로 구성되어 있다. 각각 충돌 모델(110), 차량 모델(120), 충격 발생기(130) 및 실물 차량 모델(130)로 구성된다.

먼저, 충돌 모델(110)은 사고해석분야에 많이 적용되고 있는 Branch의 3자 유도 모델을 적용하였다.

Branch의 3자 유도 모델은 충돌 전 상태와 반발 계수 그리고 충돌 위치 등을 입력하면, 충돌 후 상태를 추정할 수 있도록 하며 이렇게 충돌 모델(110)에 의해 산출된 충돌 후 상태는 차량 모델(120)에서 충돌을 모사하기 위한 초기 조건으로 사용된다.

반발 계수는 충돌 전과 후의 상대속도에 대한 비율이다.

차량 모델(120)은 충돌 모델(110)에서 추정된 충돌 직후의 상태변수를 초기 조건으로 하여 충돌 후의 차량 상태를 시뮬레이션 하는 모듈이다.

차량 모델(120)은 종방향 속도

, 횡방향 속도

, 요레이트

에 대해 각각 아래 수식과 같이 나타낼 수 있다.

위의 수식에서

은 차량의 중량,

는 전륜 종방향력,

는 후륜 종방향력,

는 전륜 횡방향력,

는 후륜 횡방향력,

는 요모멘트 관성,

는 무게중심에서 앞차축까지의 거리,

는 무게중심에서 뒷차축까지의 거리를 나타낸다.

충돌 상황에서 타이어는 비선형 특성을 가지기 쉬우며 이에 따라 상기 후륜관련 변수들은 아래 수식과 같이 비선형 특성을 가지도록 모델링되는 것이 바람직하다.

먼저 전륜의 미끄러짐각은 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

위의 수식에서

는 차량의 종방향 속도,

는 차량의 횡방향 속도,

전면 조향각을 나타낸다.

다음으로 후륜의 미끄러짐각은 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

이렇게 구해진 전류과 후륜의 미끄러짐각을 이용하여 전륜 횡방향력

과 후륜 횡방향력

을 아래 수식과 같이 나타낼 수 있다.

위의 수식에서

는 도로 마찰 계수,

는 타이어 특성 계수,

는 전륜 코너링 강성,

는 후륜 코너링 강성을 나타낸다.

이렇게 추정된 비선형 차량 모델을 이용하여 실제 차량의 제원을 이용하여 모델링된 실물 차량 모델(140)이 상기 비선형 차량 모델을 추정하도록 충돌을 모사해주는것이 충격 발생기(130)이다.

충격 발생기(130)는 차량의 무게중심에 대해 종방향으로 가해지는 힘과 요모멘트를 아주 짧은 시간동안 인가한다.

사실 상기 충돌 모델(110)과 차량 모델(120)을 이용하면 충돌 전과 충돌 후의 상태를 도출할 수 있으므로 충돌 시뮬레이션을 수행했다고 할 수 있지만 충돌 전부터 충돌 후까지의 시간플로우에 따른 과정은 확인 할 수 없고 단순히 충돌 전후의 상태만을 확인할 수 있을 뿐이다.

따라서 상기 충돌 모델(110)과 차량 모델(120)을 통해 추정된 비선형 차량 모델을 실물 차량 모델(140)이 추정하도록 충격을 인가하여 충돌이 일어나는 과정까지 시뮬레이션을 통해 확인 할 수 있도록 한다.

본 발명에서 충격 발생기(130)는 일 실시예로 0.1초간의 짧은 시간 동안 차량의 무게중심에 횡방향 힘과 요모멘트를 가하는 것으로 충격을 모사하였다. 이때 횡방향 힘과 요모멘트의 적정값은 시뮬레이션 시나리오에 따라 결정될 수 있다.

마지막으로 실물 차량 모델(140)은 실제 2차 충돌 회피 시스템이 적용되는 차량에 대한 모델이며, 본 발명에서는 일 실시예로 제어기를 설계하는데 적당한 자유도인 27자유도의 차량모델을 제공하는 소프트웨어를 사용하였다.

도 2에 본 발명의 일 실시예에 적용된 실물 차량 모델을 나타내었다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실물 차량 모델(140)의 현가 상질량은 6자유도를 가지는 3D고체로 처리된다.

4개의 바퀴는 각각 2자유도를 가지고 있으며 스핀 및 수직 동역학특성을 가지고 있고, 각 타이어의 힘은 종방향 및 횡방향에 대해 2자유도를 가진다.

각 바퀴의 제동압력은 1자유도를 가지고 있으며, 파워 트레인 역시 1자유도를 가진다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 시뮬레이션 환경의 구성 모듈의 동작 과정을 나타낸 도이다.

먼저 충돌 모델(110)에 충돌 전 상태가 입력되면 충돌 후 상태가 추정되고 추정된 충돌 후 상태가 차량 모델(120)에 초기값으로 입력되어 충돌에 따른 차량의 상태가 추정된다.

이렇게 추정된 차량의 상태를 이용하여 충격 발생기(130)에서 충돌 시 차량에 가해지는 충격을 모사하고 이렇게 모사된 충돌 충격을 실물 차량 모델(140)에 입력하여 충돌에 따른 차량의 거동을 시뮬레이션 한다.

이때 실물 차량 모델(140)에서 도출되는 차량의 상태를 다시 차량 모델(120)에 피드백하여 차량 모델(120)의 차량 추정 정확도를 높일 수 있다.

이러한 과정으로 이루어지는 충돌 시뮬레이션은 실제 충돌과 얼마나 유사한지 확인하여 그 시뮬레이션 성능을 검증할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌 시뮬레이션의 실제 상황 검증을 위한 시험 조건을 나타낸 도이다.

도 4를 참조하면 충돌 시뮬레이션의 실제 상황 검증을 위해 대상 차량과 충돌 차량 총 2대의 차량을 준비하였으며, 충돌 차량이 정지된 상태의 대상 차량에 38Km/h의 속도로, 60%의 중첩량을 가지고 30°각도로 충돌하는 상황을 가정하여 시험하였다.

실제 시험에 사용된 차량은 대차의 형태이며 도 5에 실제 상황 검증결과와 본 발명의 충돌 시뮬레이션 환경(100)을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과를 함께 표시하였다.

도 5를 참조하면, 검은색 차량은 충돌 시뮬레이션 환경에서 시뮬레이션을 실시한 대상 차량의 결과이며, 녹색 차량은 실제 상황 검증을 통해 나타난 대상 차량의 결과이다.

그래프를 확인하면 알 수 있듯이, 차량의 궤적에서 X축 및 Y축의 위치상으로는 실제 상황과 충돌 시뮬레이션 결과에 각각 1M 미만의 누적 오차가 발생하였지만, 차량의 헤딩각은 오차가 거의 없는 것을 알 수 있다.

이러한 결과를 통해 본 발명의 충돌 시뮬레이션 환경(100)은 충돌을 완벽하게 모사하는 것은 아니지만 2차 충돌 회피 시스템의 제어기를 개발하기 위한 시뮬레이션 환경으로는 적합한 환경이라는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 충돌 시뮬레이션 환경 110 : 충돌 모델
120 : 차량 모델 130 : 충격 발생기
140 : 실물 차량 모델

Claims (4)

1. 차량의 충돌 전 상태 변수, 반발 계수 및 충돌 위치를 입력하면 충돌 후 상태 변수를 출력하는 충돌 모델;
   상기 충돌 모델에서 출력된 충돌 후 상태 변수를 초기 조건으로 충돌 이후의 차량 거동을 추정하는 차량 모델;
   상기 충돌 모델과 상기 차량 모델에 의해 실제 거동이 모사되는 실물 차량 모델; 및
   상기 실물 차량 모델에 충돌 시 차량에 작용한 충격을 종방향 힘과 요모멘트로 모사하여 제공하는 충격 발생기; 를 포함하는 충돌 시뮬레이션 환경.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 충돌 모델은 Branch의 3자유도 충돌 모델인 충돌 시뮬레이션 환경.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 차량 모델은 차량의 종방향 속도

   

   , 횡방향 속도

   

   , 요레이트

   

   에 대해 각각 아래 수식과 같이 나타내며, 아래 수식에서

   

   은 차량의 중량,

   

   는 전륜 종방향력,

   

   는 후륜 종방향력,

   

   는 전륜 횡방향력,

   

   는 후륜 횡방향력,

   

   는 요모멘트 관성,

   

   는 무게중심에서 앞차축까지의 거리,

   

   는 무게중심에서 뒷차축까지의 거리인 충돌 시뮬레이션 환경.
   

   

   
   

   

   
   

   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 전륜 횡방향력 및 상기 후륜 횡방향력은 비선형 특성을 가지는 충돌 시뮬레이션 환경.

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