KR20180026927A - 도로 구배 추정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도로 구배 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 차량의 가속도를 계산하는 과정에서 미분 이용으로 인한 노이즈 및 신호 왜곡 발생 등의 문제점을 개선할 수 있고, 기울기 제한 및 저역 통과 필터의 이용 없이 구배를 예측할 수 있는 도로 구배 추정 장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 차량이 주행 중인 도로의 구배를 추정하는 도로 구배 추정 장치에 있어서, 차량의 가속도를 검출하는 가속도센서; 차량의 속도를 검출하는 차속센서; 상기 가속도센서의 출력신호와 상기 차속센서의 출력신호를 입력으로 하여 차량의 가속도를 추정 및 산출하는 가속도 관측기; 및 상기 가속도센서에 의해 검출된 실제 차량 가속도와 상기 가속도 관측기의 출력값인 추정 가속도의 차이값으로부터 도로 구배를 산출하는 구배 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 도로 구배 추정 장치, 및 그 방법이 개시된다.

Description

도로 구배 추정 장치 및 방법{Apparatus and method of road slope estimating}

본 발명은 도로 구배 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 가속도를 계산하는 과정에서 미분 이용으로 인한 노이즈 및 신호 왜곡 발생 등의 문제점을 개선할 수 있고, 기울기 제한 및 저역 통과 필터의 이용 없이 구배를 예측할 수 있는 도로 구배 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

주행하는 차량에서 구배는 도로 사정 등에 의해 다양하게 변화하며, 변화하는 구배는 차량의 운동성능 및 연비에 큰 영향을 미친다.

또한, 차량의 구배는 그 차량이 주행하고 있는 도로의 구배를 의미한다.

따라서, 최적의 운동성능 및 연비를 확보하기 위해 차량의 제어기들은 차량이 주행하고 있는 현재의 도로 구배를 추정하고, 추정된 구배에 맞게 대응할 필요가 있다.

이를 위해 차량에서는 수집되는 다양한 정보를 활용하여 주행하고 있는 도로의 구배를 추정하고, 추정된 구배 정보를 각종 차량 제어를 위한 변수로 활용하고 있다.

일반적으로 이용되고 있는 구배 추정 방법은 차속센서에 의해 취득되는 차량의 속도 정보를 미분하여 가속도를 구하고, 이를 예측되는 가속도와 비교하여 차량의 구배(도로의 구배)를 예측한다.

그러나, 상기와 같이 가속도만 비교하는 방법은 차량의 무게가 변화하는 경우를 구분할 수 없는 단점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 가속도센서(G 센서)를 이용하여 구배를 추정하는 방법이 알려져 있다.

이 경우 차량의 무게에 영향을 받지 않고 구배를 예측할 수 있는 장점이 있으나, 차량 속도를 미분(속도 신호를 미분)하는 것을 피할 수 없다.

도 1은 가속도센서와 차속센서의 신호를 이용하여 구배를 계산하는 방법을 나타내는 도면으로, 가속도센서의 가속도 신호와 차속센서의 차속 신호를 미분한 가속도 신호를 이용하여 구배를 계산하는 방법을 보여주고 있다.

도시된 바와 같이, 구배 계산에 있어서 미분을 이용하는 방법의 경우, 미분 시 발생하는 노이즈 등의 왜곡을 제거하기 위하여 신호 상승의 속도를 제한하거나(Rate Limit), 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF)를 이용해야 한다.

그러나, 이 경우에도 신호 지연 등의 왜곡을 피할 수 없으며, 신호 상승의 기울기 제한 및 저역 통과 필터의 게인을 상황에 따라 적절하게 이용해야 하므로 계산량 및 개발 공수가 커지는 단점이 있다.

도 2는 종래기술의 문제점을 설명하기 위한 도면으로, 가속도센서의 신호, 차속센서의 신호를 미분한 가속도 신호, 기울기 제한(Rate Limit) 및 저역 통과 필터(LPF) 등을 이용하여 구배(θ)를 예측할 경우 과도 구간에서 왜곡이 크게 발생함을 보여주고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 차량의 가속도를 계산하는 과정에서 미분을 이용하는 방법의 문제점, 즉 노이즈 및 신호 왜곡 발생 등의 문제점을 개선하고, 기울기 제한 및 저역 통과 필터의 이용 없이 구배를 예측할 수 있는 도로 구배 추정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 차량이 주행 중인 도로의 구배를 추정하는 도로 구배 추정 장치에 있어서, 차량의 가속도를 검출하는 가속도센서; 차량의 속도를 검출하는 차속센서; 상기 가속도센서의 출력신호와 상기 차속센서의 출력신호를 입력으로 하여 차량의 가속도를 추정 및 산출하는 가속도 관측기; 및 상기 가속도센서에 의해 검출된 실제 차량 가속도와 상기 가속도 관측기의 출력값인 추정 가속도의 차이값으로부터 도로 구배를 산출하는 구배 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 도로 구배 추정 장치를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 가속도 관측기는, 상기 차속센서에 의해 검출된 실제 차속과 차속 추정부에서 출력된 추정 차속의 차속 편차를 연산하는 차속 편차 연산부; 상기 차속 편차 연산부에서 출력된 차속 편차와 설정된 게인(K)을 이용하여 피드백 보상값을 연산하는 피드백 보상 연산부; 및 상기 가속도센서에 의해 검출된 실제 차량 가속도에 대해 상기 피드백 보상 연산부에서 출력된 피드백 보상값을 보상하여 추정 가속도를 연산하는 가속도 보상 연산부를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 차속 추정부는 상기 가속도 보상 연산부에서 출력된 추정 가속도를 적분하여 추정 차속을 연산하여 출력하도록 구성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 가속도센서와 차속센서에 의해 차량의 실제 가속도와 실제 차속이 검출되는 단계; 상기 가속도센서와 차속센서에 의해 검출된 차량의 실제 가속도와 실제 차속을 입력으로 하여 가속도 관측기에서 가속도가 추정되는 단계; 및 구배 연산부가 상기 가속도센서에 의해 검출된 차량의 실제 가속도와, 상기 가속도 관측기에 의해 추정된 추정 가속도의 차이값으로부터 도로 구배를 산출하는 단계를 포함하는 도로 구배 추정 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 가속도 관측기는, 차속 편차 연산부가 차속센서에 의해 검출된 실제 차속과 차속 추정부에서 출력된 추정 차속의 차속 편차를 연산하고, 피드백 보상 연산부가 상기 차속 편차 연산부에 의해 연산된 차속 편차와 설정된 게인(K)을 이용하여 피드백 보상값을 연산하며, 가속도 보상 연산부가 가속도센서에 의해 검출된 실제 차량 가속도에 대해 상기 피드백 보상 연산부에 의해 연산된 피드백 보상값을 보상하여 추정 가속도를 연산하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 추정 차속은 차속 추정부에서 상기 가속도 보상 연산부에 의해 연산된 추정 가속도를 적분하여 산출될 수 있다.

이로써, 본 발명에 따른 도로 구배 추정 장치 및 방법에 의하면, 차량의 가속도를 계산 및 추정하는 과정에서 미분 이용 없이 가속도센서와 차속센서의 출력값으로부터 가속도를 추정하는 가속도 관측기를 이용함으로써 종래의 노이즈 및 왜곡 발생과 같은 문제점이 최소화될 수 있게 된다.

또한, 가속도센서의 값을 이용함에도 구배 추정을 위해 종래의 기울기 제한이나 저역 통과 필터 등을 이용하지 않고 가속도 관측기의 출력값을 조합하여 가속도센서의 노이즈가 자연스럽게 상쇄될 수 있는바, 구배 추정의 정확도가 향상될 수 있게 된다.

또한, 종래에는 왜곡으로 인한 문제점을 줄이기 위해 많은 수의 튜닝 변수가 필요하고, 계산 로직을 복잡하게 구성해야 하며, 많은 변수를 최적화해야 하므로 개발에 필요한 공수가 많이 필요하였으나, 본 발명에서는 두 종류의 센서를 사용하는 가속도 관측기를 이용하여 비교적 간단한 제어 구성을 가지면서도 과도 상황에서 발생할 수 있는 신호 왜곡을 최소화할 수 있게 된다.

도 1은 가속도센서와 차속센서의 신호를 이용하여 구배를 계산하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래기술의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도로 구배 추정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

실시예의 설명에 앞서, 참고로, 주행하는 차량에서 도로의 기울기를 의미하는 구배는 도로 환경에 따라 다양하게 변화하며, 구배에 의해 발생하는 힘은 차량의 진행방향에 도움을 주거나 저항으로 작용할 수 있다.

이로 인해 구배는 차량의 운동성능과 연비에 많은 영향을 미치며, 따라서 차량이 주행하고 있는 도로의 구배를 정확히 추정한 뒤 추정된 구배를 기반으로 하여 엔진과 변속기 등의 차량 내 장치를 적절히 제어하는 것이 필요하다.

종래의 구배 추정 방법으로는, 가속도센서가 없는 차량에서 가속도센서를 이용하지 않는 방법과, 가속도센서를 구비한 차량에서 가속도센서를 이용하는 방법이 알려져 있다.

가속도센서가 없는 경우 차량 속도를 미분하여 차량 가속도를 구한 후, 엔진 토크 정보를 이용한 예측 가속도와 상기 구해진 차량 가속도의 차이를 이용하여 구배를 계산한다.

이 경우 차량 질량이나 주행 저항이 변화하는 것을 감지할 수 없는 단점이 있다.

또한, 차량에 가속도센서가 있는 경우 가속도센서의 출력값에 속도를 미분하여 구해진 차량 가속도를 빼서 도로의 구배를 추정한다.

그러나, 상기 두 방법 모두 차량 가속도를 구하기 위해 차속센서의 출력값, 즉 차량 휠에 설치된 휠속센서의 출력값을 미분하여 가속도를 얻는 방법을 이용하고 있다.

이와 같이 속도센서의 값을 미분하는 경우 미분에 의한 노이즈 발생을 피할 수 없고, 이를 해결하기 위해 신호의 기울기를 제한(Rate Limit)하고 저역 통과 필터(LPF)를 이용하여 노이즈를 제거해야 한다.

또한, 가속도센서의 노이즈도 있으므로, 이 또한 제거하기 위해 가속도센서의 신호에 대한 기울기 제한 및 저역 통과 필터의 이용이 필수적이다.

이와 방법에서는 노이즈만을 제거하지 못하므로 실제 신호의 지연 등과 같은 왜곡이 발생할 수밖에 없고, 이러한 왜곡으로 인해 계산되는 구배에도 왜곡이 발생하여 추정의 정확도가 떨어진다.

특히, 차량이 가속하거나 감속하는 경우에는 노이즈 제어에 사용되는 필터 등에 의해 왜곡이 더욱 심해지므로, 이를 보완하기 위해 많은 수의 튜닝 변수가 필요하고, 계산 로직을 복잡하게 구성해야 하며, 많은 변수를 최적화해야 하므로 개발에 필요한 공수가 많이 필요하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 두 종류의 센서를 사용하는 가속도 관측기를 이용하여 비교적 간단한 제어 구성을 가지면서도 과도 상황에서 발생할 수 있는 신호 왜곡을 최소화할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상술하기로 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도로 구배 추정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

본 발명의 실시예에 따른 도로 구배 추정 장치는 제어기(30) 내에서 가속도센서(10)와 차속센서(20)의 출력값을 입력으로 하여 차량의 가속도를 계산 및 추정하는 가속도 관측기(31)를 포함하며, 가속도센서(10)의 출력값, 즉 가속도센서(10)에 의해 검출된 실제 차량 가속도와, 상기 가속도 관측기(31)의 출력값인 추정 가속도의 차이로부터 구배를 연산하도록 구성된다.

보다 상세하게 설명하면, 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 도로 구배 추정 장치는, 차량 구배, 즉 차량이 주행하는 도로의 구배를 추정하는 장치로서, 차량의 가속도를 검출하는 가속도센서(10), 차량의 속도를 검출하는 차속센서(20), 상기 가속도센서(10)의 출력신호와 차속센서(20)의 출력신호를 입력받아 추정 가속도를 산출하는 가속도 관측기(31), 그리고 상기 가속도센서(10)에 의해 검출된 실제 차량 가속도와 상기 가속도 관측기(31)의 출력값인 추정 가속도의 차이값으로부터 도로 구배를 산출하는 구배 연산부(40)를 포함하여 구성된다.

여기서, 가속도 관측기(31)는 가속도센서(10)의 출력신호(실제 차량 가속도)와 차속센서(20)의 출력신호(실제 차속)를 입력으로 하여 가속도센서(10)에 의해 검출된 차량의 실제 가속도와 차속센서(20)에 의해 검출된 실제 차속으로부터 가속도를 추정하여 출력하게 된다.

이에 따라 실시예에 따른 도로 구배 추정 장치에서는 가속도센서(10)의 출력신호와 가속도 관측기(31)의 출력신호, 즉 가속도센서(10)에 의해 검출된 실제 차량 가속도와 가속도 관측기(31)에 의해 연산된 추정 가속도의 차이값으로 도로의 구배를 계산하게 된다.

종래의 경우 가속도센서(10)의 출력값인 실제 차량 가속도와, 속도를 미분하여 구한 차량 가속도의 차이값으로 도로의 구배를 추정하는 반면, 본 발명에서는 가속도센서(10)의 출력값인 실제 차량 가속도와, 가속도 관측기(31)에서 가속도센서(10) 및 차속센서(20)의 출력값을 이용하여 추정한 추정 가속도의 차이값으로 도로의 구배가 구해진다.

바람직한 실시예에서, 가속도 관측기(31)는 차속센서(20)에 의해 검출된 실제 차속과 추정 차속의 차속 편차를 연산하는 차속 편차 연산부(32), 상기 차속 편차 연산부(32)에서 출력된 차속 편차와 설정된 게인(K)을 이용하여 피드백 보상값을 연산하는 피드백 보상 연산부(33), 가속도센서(10)에 의해 검출된 실제 차량 가속도에 대해 상기 피드백 보상 연산부(33)에서 출력된 피드백 보상값을 보상하여 추정 가속도를 연산하는 가속도 보상 연산부(34), 그리고 상기 가속도 보상 연산부(34)에서 출력된 추정 가속도를 적분하여 상기 추정 차속을 연산하여 출력하는 차속 추정부(35)를 포함한다.

도 4를 참조하면, 상기 차속 추정부(35)는 가속도 관측기(31)에서 연산되어 출력되는 추정 가속도를 적분하여 추정 차속을 출력하는 적분기를 포함하고 있으며, 차속 편차 연산부(32)에서 출력되는 차속 편차를 게인(K) 값에 따라 증폭하여 피드백 보상값으로 출력하는 피드백 보상 연산부(33)가 도시되어 있다.

본 발명에서 상기와 같이 가속도센서(10)와 차속센서(20)의 값을 이용하여 가속도를 추정하도록 구성된 가속도 관측기(31)에 따르면, 가속도 추정을 위한 미분 과정이 필요 없고, 미분 시 발생하는 노이즈 등의 왜곡으로 인한 문제점이 개선될 수 있으며, 센서 신호의 상승 기울기 제한 및 노이즈 제거를 위한 저역 통과 필터 없이도 가속도를 계산하는 것이 가능하다.

따라서, 본 발명에 따르면, 기울기 제한 및 저역 통과 필터의 이용으로 인해 나타나던 여러 문제점이 해소될 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 도로 구배 추정 방법은, 가속도센서(10)와 차속센서(20)에 의해 차량의 실제 가속도와 실제 차속이 검출되는 단계, 상기 가속도센서(10)와 차속센서(20)에 의해 검출된 차량의 실제 가속도와 실제 차속을 입력으로 하여 가속도 관측기(31)에서 가속도가 추정되는 단계, 및 구배 연산부(40)가 상기 가속도센서(10)에 의해 검출된 차량의 실제 가속도와 상기 가속도 관측기(31)에 의해 추정된 추정 가속도의 차이값으로부터 도로 구배를 산출하는 단계를 포함한다.

이때, 가속도 관측기(31)에서는 차속 편차 연산부(32)가 차속센서(20)에 의해 검출된 실제 차속과 추정 차속의 차속 편차를 연산하고, 피드백 보상 연산부(33)가 상기 차속 편차 연산부(32)에 의해 연산된 차속 편차와 설정된 게인(K)을 이용하여 피드백 보상값을 연산하며, 가속도 보상 연산부(34)가 가속도센서(10)에 의해 검출된 실제 차량 가속도에 대해 상기 피드백 보상 연산부(33)에 의해 연산된 상기 피드백 보상값을 보상하여 추정 가속도를 연산하게 된다.

여기서, 상기 추정 차속은 차속 추정부(35)가 가속도 보상 연산부(34)에 의해 연산된 추정 가속도를 적분함으로써 연산되고, 이에 차속 추정부(35)가 연산하여 출력하는 추정 차속을 입력으로 하여 차속 편차 연산부(32)에서 차속 편차가 연산된다.

결국, 상기와 같은 본 발명의 도로 구배 추정 장치 및 방법에 의하면, 차량의 가속도를 계산 및 추정하는 과정에서 미분 이용 없이 가속도센서(10)와 차속센서(20)의 출력값으로부터 가속도를 추정하는 가속도 관측기(31)를 이용함으로써 종래의 노이즈 및 왜곡 발생과 같은 문제점이 최소화될 수 있게 된다.

본 발명에서는 가속도센서의 값을 이용함에도 구배 추정을 위해 종래의 기울기 제한이나 저역 통과 필터 등을 이용하지 않고 가속도 관측기(31)의 출력값을 조합하여 가속도센서의 노이즈가 자연스럽게 상쇄될 수 있도록 되어 있다.

도 5는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 도면으로서, 이는 가속도센서의 출력값(실제 차량 가속도)과 가속도 관측기의 출력값(추정 가속도)을 이용하여 도로의 구배(θ)를 추정함으로써 과도 구간의 왜곡이 크게 감소될 수 있음을 나타내고 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 가속도센서
20 : 차속센서
30 : 제어기
31 : 가속도 관측기
32 : 차속 편차 연산부
33 : 피드백 보상 연산부
34 : 가속도 보상 연산부
35 : 차속 추정부
40 : 구배 연산부

Claims (6)

1. 차량이 주행 중인 도로의 구배를 추정하는 도로 구배 추정 장치에 있어서,
   차량의 가속도를 검출하는 가속도센서;
   차량의 속도를 검출하는 차속센서;
   상기 가속도센서의 출력신호와 상기 차속센서의 출력신호를 입력으로 하여 차량의 가속도를 추정 및 산출하는 가속도 관측기; 및
   상기 가속도센서에 의해 검출된 실제 차량 가속도와 상기 가속도 관측기의 출력값인 추정 가속도의 차이값으로부터 도로 구배를 산출하는 구배 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 도로 구배 추정 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가속도 관측기는,
   상기 차속센서에 의해 검출된 실제 차속과 차속 추정부에서 출력된 추정 차속의 차속 편차를 연산하는 차속 편차 연산부;
   상기 차속 편차 연산부에서 출력된 차속 편차와 설정된 게인(K)을 이용하여 피드백 보상값을 연산하는 피드백 보상 연산부; 및
   상기 가속도센서에 의해 검출된 실제 차량 가속도에 대해 상기 피드백 보상 연산부에서 출력된 피드백 보상값을 보상하여 추정 가속도를 연산하는 가속도 보상 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 도로 구배 추정 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 차속 추정부는 상기 가속도 보상 연산부에서 출력된 추정 가속도를 적분하여 추정 차속을 연산하여 출력하도록 된 것을 특징으로 하는 도로 구배 추정 장치.
   
4. 가속도센서와 차속센서에 의해 차량의 실제 가속도와 실제 차속이 검출되는 단계;
   상기 가속도센서와 차속센서에 의해 검출된 차량의 실제 가속도와 실제 차속을 입력으로 하여 가속도 관측기에서 가속도가 추정되는 단계; 및
   구배 연산부가 상기 가속도센서에 의해 검출된 차량의 실제 가속도와, 상기 가속도 관측기에 의해 추정된 추정 가속도의 차이값으로부터 도로 구배를 산출하는 단계를 포함하는 도로 구배 추정 방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 가속도 관측기는,
   차속 편차 연산부가 차속센서에 의해 검출된 실제 차속과 차속 추정부에서 출력된 추정 차속의 차속 편차를 연산하고,
   피드백 보상 연산부가 상기 차속 편차 연산부에 의해 연산된 차속 편차와 설정된 게인(K)을 이용하여 피드백 보상값을 연산하며,
   가속도 보상 연산부가 가속도센서에 의해 검출된 실제 차량 가속도에 대해 상기 피드백 보상 연산부에 의해 연산된 피드백 보상값을 보상하여 추정 가속도를 연산하는 것을 특징으로 하는 도로 구배 추정 방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 추정 차속은 차속 추정부에서 상기 가속도 보상 연산부에 의해 연산된 추정 가속도를 적분하여 산출되는 것을 특징으로 하는 도로 구배 추정 방법.

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