KR20190076239A - 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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장영진
강형석
노성한
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현대자동차주식회사
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Abstract

차량 회전 시 발생하는 슬립에 의해 차량의 설정 곡률반경과 실제 곡률반경의 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있는 차량 회전 제어 장치 및 방법이 개시된다. 상기 차량 회전 제어 장치는, 차량 회전 시 상기 차량의 회전의 목표곡률반경을 설정하는 곡률반경 설정부; 상기 차량의 전방 속도 및 측면 가속도를 기반으로 주행 중인 차량의 실제 곡률반경을 추정하는 곡률반경 연산부; 및 상기 곡률반경 설정부에서 설정된 목표곡률반경과 상기 곡률반경 연산부에서 추정된 추정곡률반경 사이의 차에 기반하여 상기 차량의 요(yaw)방향 회전모멘트를 조정함으로써 상기 차량의 회전의 곡률반경을 조정하는 곡률반경 조정부를 포함한다.

Description

슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ROTATION OF VEHICLE CONSIDERING SLIP}
본 발명은 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량이 감속 또는 가속하면서 회전함에 따라 언더 스티어링이나 오버 스티어링과 같이 차량의 슬립이 발생하는 경우, 차량의 스티어링 휠의 조작에 따라 결정되는 목표곡률반경과 실제 운행중인 차량의 곡률반경에 차이가 발생하여 차량 운행의 안정성을 저하시키고 사고의 위험을 증대시키는 것을 방지할 수 있는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량이 곡선 도로를 주행하거나 운전자의 조향 동작이 발생하는 경우 차량의 안정적인 주행을 위해 차량에 대한 곡률반경을 결정하고 그에 맞게 차량 주행이 제어되어야 하는 경우가 발생한다.
예를 들어, 차량이 정속 주행하는 경우 스티어링 휠의 조향각에 따라 결정된 목표곡률반경을 유지하면서 운행되는 중립 스티어링이 이루어질 수 있다. 그러나 차량의 속도가 감소하는 과정에 조향을 하게 되면 차량에 요(yaw)가 발생함과 동시에 스티어링 휠의 조작에 의해 설정된 목표곡률반경보다 작은 곡률반경으로 차량의 슬립이 발생하는 오버 스티어링 현상이 나타난다. 반대로, 차량의 속도가 증가되면서 회전하는 경우 스티어링 휠의 조향각에 의해 설정된 목표곡률반경보다 큰 곡률반경으로 차량의 슬립이 발생하는 언더 스티어링 현상이 나타난다.
이와 같이, 오버 스티어링이나 언더 스티어링에 의해 슬립이 발생한 상태에서 차량이 회전하는 경우 실제 스티어링 휠의 조향각에 의해 차량의 요가 발생한 것보다 더 작은 각도 또는 더 큰 각도로 회전하게 되어, 스티어링 휠의 조향각에 의해 설정된 목표곡률반경과 실제 회전하는 차량의 곡률반경에 차이가 발생하는 문제가 발생한다.
더하여, 스티어링 휠의 조향각에 의해 설정된 목표곡률반경과 실제 회전하는 차량의 곡률반경에 차이가 발생하는 경우 차량의 주행 안정성이 저하되고 운전자가 차량 슬립에 따라 위험을 느끼는 경우도 발생할 수 있다.
KR 10-2008-0032288 A KR 10-2001-0059067 A
이에 본 발명은, 차량이 감속 또는 가속하면서 회전함에 따라 언더 스티어링이나 오버 스티어링과 같이 차량의 슬립이 발생하는 경우, 차량의 스티어링 휠의 조작에 따라 결정되는 목표곡률반경과 실제 운행중인 차량의 곡률반경에 차이가 발생하여 차량 운행의 안정성을 저하시키고 사고의 위험을 증대시키는 것을 방지할 수 있는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
차량 회전 시 상기 차량의 회전의 목표곡률반경을 설정하는 곡률반경 설정부;
상기 차량의 전방 속도 및 측면 가속도를 기반으로 주행 중인 차량의 실제 곡률반경을 추정하는 곡률반경 연산부; 및
상기 곡률반경 설정부에서 설정된 목표곡률반경과 상기 곡률반경 연산부에서 추정된 추정곡률반경 사이의 차에 기반하여 상기 차량의 요(yaw)방향 회전모멘트를 조정함으로써 상기 차량의 회전의 곡률반경을 조정하는 곡률반경 조정부;
를 포함하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 곡률반경 연산부는, 상기 전방 속도 및 상기 측면 가속도를 기반으로 식
Figure pat00001
와 같이 곡률반경을 추정할 수 있다(ρ: 추정곡률반경, Vx: 상기 전방 속도, Ay: 상기 측면 가속도).
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전방 속도는 상기 차량에 구비된 속도계에 의해 검출되며, 상기 측면 가속도는 상기 차량에 구비된 자이로 센서에 의해 검출될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 곡률반경 설정부는, 상기 차량의 스티어링 휠의 조작에 의한 조향각에 기반하여 상기 목표곡률반경을 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 곡률반경 설정부는, 식
Figure pat00002
에 의해 상기 목표곡률반경을 설정할 수 있다(
Figure pat00003
: 상기 목표곡률반경,
Figure pat00004
: 상기 차량의 회전 개시 시점의 전방 속도,
Figure pat00005
: 상기 차량의 회전 개시 시점의 요속도).
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 곡률반경 조정부는, 상기 목표곡률반경과 상기 추정곡률반경 사이의 차가 0이 되도록 상기 차량의 요(yaw)방향 회전모멘트의 목표치를 결정하는 비례적분 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 곡률반경 조정부는, 상기 차량의 토크 지령값의 범위 내에서 상기 목표치에 대응되는 상기 차량의 요방향 회전모멘트를 생성하도록 상기 차량의 좌우 구동모터의 토크를 분배할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 곡률반경 조정부는, 상기 목표치에 대응되는 상기 차량의 요방향 회전모멘트를 생성하도록 상기 차량의 스티어링용 모터의 회전 방향 및 회전 크기를 조정할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
차량 회전 시 상기 차량의 회전의 목표곡률반경을 설정하는 단계;
상기 차량의 전방 속도 및 측면 가속도를 기반으로 주행 중인 차량의 실제 곡률반경을 추정하는 단계; 및
상기 목표곡률반경과 상기 추정하는 단계에서 추정된 추정곡률반경 사이의 차 및 상기 차량의 토크 지령값에 기반하여 상기 차량의 요(yaw)방향 회전모멘트를 조정함으로써 상기 차량의 회전의 곡률반경을 조정하는 단계;
를 포함하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 추정하는 단계는, 상기 전방 속도 및 상기 측면 가속도를 기반으로 식
Figure pat00006
와 같이 곡률반경을 추정할 수 있다(ρ: 추정곡률반경, Vx: 상기 전방 속도, Ay: 상기 측면 가속도).
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 목표곡률반경을 설정하는 단계는, 상기 차량의 스티어링 휠의 조작에 의한 조향각에 기반하여 상기 목표곡률반경을 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 목표곡률반경을 설정하는 단계는, 식
Figure pat00007
에 의해 상기 목표곡률반경을 설정할 수 있다(
Figure pat00008
: 상기 목표곡률반경,
Figure pat00009
: 상기 차량의 회전 개시 시점의 전방 속도,
Figure pat00010
: 상기 차량의 회전 개시 시점의 요속도).
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 곡률반경을 조정하는 단계는, 비례적분 제어를 통해 상기 목표곡률반경과 상기 추정곡률반경 사이의 차가 0이 되게 하는 상기 차량의 요(yaw)방향 회전모멘트의 목표치를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 곡률반경을 조정하는 단계는, 상기 목표치에 대응되는 상기 차량의 요방향 회전모멘트를 생성하도록 상기 차량의 토크 지령값의 범위 내에서 상기 차량의 좌우 구동모터의 토크를 분배할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 곡률반경 조정부는, 상기 목표치에 대응되는 상기 차량의 요방향 회전모멘트를 생성하도록 상기 차량의 스티어링용 모터의 회전 방향 및 회전 크기를 조정할 수 있다.
상기 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법에 따르면, 차량 회전 시 운전자의 스티어링 휠 조작에 의해 설정되는 목표곡률반경과 실제 회전하는 차량의 전방 속도 및 측면 가속도를 기반으로 실제 곡률반경의 차를 제거하도록 차량의 요방향 회전모멘트 목표값을 설정하고, 이 목표값을 구현하도록 차량의 양측 구동 휠의 토크를 제어하거나 스티어링 휠의 모터 회전을 제어함으로써, 차량 회전 시 슬립에 의한 영향을 제거하고 실제 회전하는 차량의 곡률반경이 차량의 스티어링 휠 조작에 의해 설정되는 목표곡률반경을 추종하게 할 수 있다.
이를 통해, 상기 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법은, 차량 운행의 안정성을 향상시키고 차량 회전 시 운전자에게 안락한 주행감을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법을 설명하기 위해, 곡선 경로를 이동하는 차량에 슬립이 발생한 경우를 도시한 예시도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치는, 차량 회전 시 상기 차량의 회전의 목표곡률반경을 설정하는 곡률반경 설정부(11)와, 차량의 전방 속도 및 측면 가속도를 기반으로 주행 중인 차량의 실제 곡률반경을 추정하는 곡률반경 연산부(12) 및 곡률반경 설정부(11)에서 설정된 목표곡률반경과 곡률반경 연산부(12)에서 추정된 추정곡률반경 사이의 차에 기반하여 차량의 요(yaw)방향 회전 모멘트를 조정함으로써 차량의 회전의 곡률반경을 조정하는 곡률반경 조정부(14)를 포함하여 구성될 수 있다.
곡률반경 설정부(11)는 차량 운전자가 조작하는 스티어링 휠에 의한 조향각을 기반으로 설정되는 차량의 목표곡률반경을 도출하거나, 후술하는 수학식에 의해 차량의 목표곡률반경을 도출하는 요소이다.
운전자가 스티어링 휠을 회전시키면 스티어링 휠의 회전량에 따라 차량의 조향각이 결정되어 차량의 전륜이 회전하고 그에 의해 주행 중인 차량은 회전하게 된다. 곡률반경 설정부(11)에 의해 도출되는 설정 곡률반경은 차량의 조향각에 의해 결정되는 값으로 차량 주행시 발생할 수 있는 슬립을 고려하지 않고 운전자가 스티어링 휠이 조작에 의해 원하는 크기의 차량 곡률반경에 해당할 수 있다.
차량의 조향각과 차량 곡률반경에 대응관계는 사전에 설정되어 데이터 맵의 형태로 곡률반경 설정부(11)에 저장될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서는, 다음의 식 1에 의해 목표곡률반경을 설정할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00011
위 식 1에서,
Figure pat00012
는 목표곡률반경이고,
Figure pat00013
는 차량의 회전 개시 시점의 전방 속도이며,
Figure pat00014
는 차량 회전 개시 시점의 차량의 요(yaw)속도이다.
식 1은 후술하는 차량의 슬립과 곡률반경의 관계식에서 도출되는 것으로, 차량 스티어링 휠의 조작에 의한 조향각 변화가 발생한 직 후, 즉 차량 회전 개시 시점에서 차량에 설치된 속도계(15) 및 자이로 센서(16)에 의해 각각 검출되는 전방속도와 요속도를 이용하여 목표곡률반경을 결정하기 위한 식이다. 이에 대한 더욱 상세한 내용은 후술하기로 한다.
곡률반경 연산부(12)는 주행 중인 차량의 실제 곡률반경을 추정한다.
운행 중인 차량의 실제 곡률반경을 추정하는 방식으로는 다양한 방식이 공지되어 있으나 공지된 대부분의 곡률반경 추정 방식은 차량의 요속도(yaw rate)를 기반으로 곡률반경을 추정하고 있다. 요속도를 기반으로 한 곡률반경 기법은 요속도가 차량의 슬립까지 반영하지 못하므로 추정된 곡률반경에 차량의 슬립이 고려되지 못하는 단점이 있다.
도 2는 곡선 경로를 이동하는 차량에 슬립이 발생한 경우를 도시한 예시도이다.
도 3에서 참조부호 'P'는 차량(100)의 이동 경로이며, x축은 차량의 전방 방향 y축은 차량의 측면 방향을 나타내는 축이며, 화살표는 차량의 순간 이동 방향 즉, 이동 경로'P'상의 일지점의 접선 방향을 나타낸다. 슬립이 발생하지 않고 경로 'P'를 따라 이동하여야 하는 경우 x축과 화살표는 동일한 방향의 직선이어야 하지만, 도 3과 같이 차량의 슬립이 발생한 경우에 각도 β 만큼의 슬립에 의한 각도 차이가 발생한다.
다시 설명하면, 차량에 구비된 요센서에 의해 측정된 요속도는 차량(100)이 x축까지 요잉된 요속도(γ)를 도출하지만 실제 차량은 화살표를 따라 이동하므로, 요속도를 기반으로 차량의 곡률반경을 측정하면 슬립에 의한 각도(β)를 반영하지 못하게 되는 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 적용되는 곡률반경 연산부(12)는 이러한 요속도에서 반영되지 못하는 차량 곡률반경의 변동을 감안하여 차량의 전방 속도와 측면 가속도를 기반으로 곡률반경을 추정한다.
곡률반경 연산부(12)는 다음의 식 1와 같이 곡률반경(ρ )를 결정할 수 있다.
[식 2]
Figure pat00015
상기 식 2에서 가운데 항은 기 공지된 곡률반경을 도출하기 위한 식으로 슬립에 의한 각도(β)의 변화율까지 고려하여야 곡률반경을 측정 가능함을 나타낸다.
그러나, 본 발명에서는 물리적 관계식을 활용하여 상기 식 2의 최우측 항과 같이 측면 가속도를 감안하여 쉽게 곡률반경을 추정하고자 한다.
도 2에 나타난 것과 같은 슬립 발생 시의 운동 관계에서, Y축 방향(측면방향)의 가속도 ay는 다음의 식 3와 같이 표현될 수 있다.
[식 3]
Figure pat00016
이러한 식 3을 활용하여 Y축 방향(측면 방향)의 측정 가속도(Ay)는 다음 식 4과 같이 결정될 수 있고, 식 4를 식 5와 같이 변형하여 상기 식 1의 가운데 항에 대입하면 식 1의 최우측 항이 도출될 수 있다.
[식 4]
Figure pat00017
[식 5]
Figure pat00018
상기 식 2와 같이, 곡률반경 연산부(12)는 차량의 측면 가속도(Ay)와 차량의 전방 속도(Vx)에 의해 결정될 수 있다. 여기서 차량의 측면 가속도(Ay)와 차량의 속도(Vx)는 각각 차량에 설치된 가속도 센서(자이로 센서)와 속도 센서에 의해 쉽게 도출될 수 있다. 도 1에서 참조부호 '15'은 차량의 전방 속도(Vx)를 검출하여 출력하는 요소로 차량의 속도 센서이고, 참조부호 '16'은 차량의 측면 가속도(Ay)를 검출하여 출력하는 요소로 차량의 자이로 센서이다.
이와 같이, 곡률반경 연산부(12)는 차량의 슬립을 고려한 곡률반경을 연산하기 위해 추가의 다른 하드웨어를 필요로 하지 않으며, 다른 용도로 이미 차량에 설치되어 있는 차량의 속도 센서(15)와 자이로 센서(16)를 통해 검출된 정보를 이용하여 차량의 슬립을 감안한 차량의 실제 곡률반경을 도출할 수 있다.
곡률반경 설정부(11)에서 출력되는 목표곡률반경과 곡률반경 연산부(12)에서 출력되는 추정곡률반경은 감산기(13)에 의해 그 오차가 연산되어 곡률반경 조정부(14)로 입력될 수 있다.
한편, 전술한 식 1은 식 2에서 도출될 수 있다. 차량의 회전이 개시되는 시점에서는 차량 슬립 발생이 없으므로 식 2의 가운데 항에서
Figure pat00019
를 0으로 가정할 수 있다. 즉, 식 2에서
Figure pat00020
를 0으로 가정할 때 도출되는 곡률반경을 목표곡률반경으로 설정할 수 있으며, 이 경우 도출되는 식이 상기 식 1에 해당한다.
곡률반경 조정부(14)는 목표곡률반경과 추정곡률반경 사이의 차이를 제거할 수 있는 차량의 요방향 회전 모멘트를 결정하고, 이 회전 모멘트가 발생할 수 있도록 차량을 제어할 수 있다.
곡률반경 조정부(14)는 비례적분 제어기(141)를 포함하고, 비례적분 제어기(141)의 비례적분 제어를 목표곡률반경과 추정곡률반경 사이의 오차를 제거하기 위한 차량의 요방향 회전 모멘트의 목표값을 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 이 회전 모멘트의 목표값을 발현할 수 있도록 차량을 제어하기 위해, 곡률반경 조정부(14)는 요방향 회전 모멘트의 목표값이 차량에서 구현될 수 있도록 차량의 좌우측 구동모터의 토크를 제어할 수 있다. 이러한 제어는, 모터 토크 결정부(142)와 차량의 좌우 구동휠에 마련된 좌우측 구동모터(142, 144)에 의해 구현될 수 있다.
모터 토크 결정부(142)는 요방향 회전모멘트의 목표값과 차량 토크 지령값을 입력받고, 토크 지령값의 범위 내에서 회전모멘트 목표값을 구현할 수 있는 좌우 구동모터(143, 144)의 토크를 분배할 수 있다.
기본적으로, 모터 토크 결정부(142)는 운전자가 차량의 액셀러레이터를 밟는 량('액셀 개도'라고 함)에 따라 차량의 구동휠에 동력을 제공하는 모터('구동 모터'라고 함)의 토크를 결정하여 제어하는 기능을 수행한다. 본 발명의 일 실시형태에서는 차량의 좌우측 구동휠을 각각 별개의 구동 모터(143, 144)로 구동할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 모터 토크 결정부(142)는 액셀 개도에 의해 결정되는 토크 지령값과 비례적분 제어기(141)에 의해 출력되는 요방향 회전모멘트의 목표값에 기반하여 각각의 구동 모터를 제어할 수 있다.
예를 들어, 모터 토크 결정부(142)로 입력되는 토크 지령값은 좌측 구동모터(15)와 우측 구동모터(16)의 합 토크에 대응되는 토크 지령값이고, 모터 토크 결정부(14)는 이 토크 지령값의 범위 내에서 토크 지령값을 분배하여 양 구동모터(143, 144)의 토크를 결정할 수 있다. 모터 토크 결정부(142)의 토크 분배는 요방향 회전모멘트의 목표값에 기반하여 이루어질 수 있다.
등속조건에서 이상적으로 차량이 스티어링 휠에 의해 결정되는 조향각에 따라 제어된다고 가정할 때, 곡률반경 설정부(11)에서 설정된 목표곡률반경과 곡률반경 연산부(12)에서 추정된 추정곡률반경 사이의 차이는 차량의 슬립에 의해 발생하는 각도차에 기인한 것으로 간주될 수 있다.
따라서, 모터 토크 결정부(142)는 토크 지령값의 범위 내에서 좌우측 구동모터(143, 144)의 토크를 서로 달리 설정함에 의해 이 슬립에 의해 발생하는 각도차를 제거하고 운전자의 스티어링 휠 조작에 따른 슬립 없는 차량의 회전이 이루어질 수 있게 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 곡률반경 조정부(14)는 차량의 조향장치(MDPS: Motor Driven Power Steering)에 구비된 스티어링용 모터(145)의 회전 방향 및 회전 크기를 조정하여 요방향 회전모멘트의 목표값을 구현하도록 차량을 제어할 수 있다.
이러한 제어에 따르면, 차량이 주행하는 동안 지속적으로 차량의 전면 속도와 측면 가속도가 검출되고 이를 이용하여 곡률반경 연산부가 추정곡률반경을 연산하여 피드백함으로써, 최종적으로 차량의 회전시 슬립에 의한 영향이 제거되고 스티어링 휠에 의해 설정되는 조향각을 추종하는 차량 회전이 이루어질 수 있게 되는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 방법을 도시한 흐름도이다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 방법은, 전술한 도 1의 차량 회전 제어 장치의 작동에 의해 구현될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 방법은, 먼저 곡률반경 설정부(11)에서 차량의 회전 시 차량 회전의 목표곡률반경을 설정하는 단계(S11)로부터 시작될 수 있다.
이어, 곡률반경 연산부(12)에서 차량의 전방 속도 및 측면 가속도를 기반으로 상기 식 2를 이용하여 주행 중인 차량의 실제 곡률반경을 추정하여 추정곡률반경을 생성하는 단계(S12)가 수행될 수 있다.
이어, 곡률반경 조정부(14)에서, 설정하는 단계(S11)에서 설정된 목표곡률반경과 추정하는 단계(S12)에서 추정된 추정곡률반경 사이의 차에 기반하여 차량의 요방향 회전모멘트를 조정하기 위한 목표치를 결정하고(S13), 곡률반경 조정부(14)에서 차량의 좌우 구동휠에 구비된 좌우 구동모터(143, 144)의 토크를 제어하거나 차량의 조향장치에 구비된 스티어링용 모터(145)의 회전 방향 및 회전 크기를 조정하여 요방향 회전모멘트의 목표값을 구현하도록 차량을 제어할 수 있다(S14).
이하에서는, 차량의 요방향 회전모멘트를 이용하여 차량의 회전 곡률반경을 제어하는 원리에 대해 간략하게 설명하기로 한다.
차량 제어에 관련된 문헌인 Vehicle Dynamics and Control(Rajamani, Rajesh 저)에 의하면, 차량 시스템의 상태 방정식을 다음의 식 6과 같이 결정할 수 있다.
[식 6]
Figure pat00021
상기 식 6에서, δ는 차량 스티어링 휠의 각도이고, β는 차량의 슬립 각도, γ는 요속도, Vx는 차량의 전방속도, Ay는 차량의 측면 가속도, Cr 및 Cf는 강성(Stiffness) 상수, Mz는 Z축, 즉 요방향 회전 모멘트, lr 및 lf : 무게중심에서 차량 뒷바퀴, 앞바퀴까지의 X축 방향 거리를 나타낸다. 여기서, x축은 차량의 전후방향으로 설정된 축이고, y축은 차량의 좌우 방향으로 설정된 축이며, z축은 차량의 상하방향으로 설정된 축이다(도 2 참조).
상기 식 6을 통해, 외부 입력변수인 δ와 Mz를 통해서 차량의 β와 γ를 조절할 수 있음을 확인할 수 있다. 더욱 상세하게는, δ의 조정을 통해 차량의 β와 γ를 조절할 수 있으며, Mz의 조정을 통해 γ를 조절할 수는 있으나 차량의 β는 조정할 수 없다는 것을 확인할 수 있다.
상기 식 2를 참고하면, 곡률반경은 차량의 β의 변화율과 γ의 합을 통해 제어할 수 있으며, β와 γ는 서로 독립적인 변수로 서로의 상태에 영향을 주지 않는다. 조정 가능한 Mz는 γ를 변화시킬 수 있으며, 결과적으로 요속도의 변화로 인해 Vx와 β는 영향을 받지 않기 때문에, Mz를 조정함으로써 곡률반경의 제어가 가능하다고 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법은, 차량의 회전 시 슬립에 의한 영향을 검출하기 위해 차량의 스티어링 휠의 조작으로 결정되는 조향각에 의한 목표곡률반경과 실제 주행하는 차량의 전면 속도와 측면 가속도를 이용하여 검출되는 추정곡률반경의 차를 도출한다. 추정곡률반경은 차량의 슬립에 의한 각도까지 감안된 곡률반경이므로 목표곡률반경과 추정곡률반경의 차는 차량의 슬립의 영향에 의해 발생한 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법은, 이러한 차량의 회전 시 슬립에 의한 영향(목표곡률반경과 추정곡률반경의 차)을 제거하도록 비례적분 제어를 이용하여 차량이 요방향 회전모멘트의 목표값을 생성하고 이 목표값을 구현하도록 차량을 제어한다.
이러한 제어 과정을 통해 본 발명의 여러 실시형태에 따른 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치 및 방법은, 차량 회전 시 슬립에 의한 영향을 제거하고 실제 회전하는 차량의 곡률반경이 차량의 스티어링 휠 조작에 의해 설정되는 목표곡률반경을 추종하게 되는 것이다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
11: 곡률반경 설정부 12: 곡률반경 연산부
13: 감산기 14: 곡률반경 조정부
141: 비례적분 제어기 142: 모터 토크 결정부
143, 144: 좌우측 구동모터
145: 스티어링 장치 구동모터
15: 속도계 16: 자이로 센서

Claims (15)

  1. 차량 회전 시 상기 차량의 회전의 목표곡률반경을 설정하는 곡률반경 설정부;
    상기 차량의 전방 속도 및 측면 가속도를 기반으로 주행 중인 차량의 실제 곡률반경을 추정하는 곡률반경 연산부; 및
    상기 곡률반경 설정부에서 설정된 목표곡률반경과 상기 곡률반경 연산부에서 추정된 추정곡률반경 사이의 차에 기반하여 상기 차량의 요(yaw)방향 회전모멘트를 조정함으로써 상기 차량의 회전의 곡률반경을 조정하는 곡률반경 조정부;
    를 포함하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 곡률반경 연산부는, 상기 전방 속도 및 상기 측면 가속도를 기반으로 식
    Figure pat00022
    와 같이 곡률반경을 추정하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치(ρ: 추정곡률반경, Vx: 상기 전방 속도, Ay: 상기 측면 가속도).
  3. 청구항 3에 있어서,
    상기 전방 속도는 상기 차량에 구비된 속도계에 의해 검출되며, 상기 측면 가속도는 상기 차량에 구비된 자이로 센서에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 곡률반경 설정부는, 상기 차량의 스티어링 휠의 조작에 의한 조향각에 기반하여 상기 목표곡률반경을 설정하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 곡률반경 설정부는, 식
    Figure pat00023
    에 의해 상기 목표곡률반경을 설정하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치(
    Figure pat00024
    : 상기 목표곡률반경,
    Figure pat00025
    : 상기 차량의 회전 개시 시점의 전방 속도,
    Figure pat00026
    : 상기 차량의 회전 개시 시점의 요속도).
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 곡률반경 조정부는, 상기 목표곡률반경과 상기 추정곡률반경 사이의 차가 0이 되도록 상기 차량의 요(yaw)방향 회전모멘트의 목표치를 결정하는 비례적분 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 곡률반경 조정부는, 상기 차량의 토크 지령값의 범위 내에서 상기 목표치에 대응되는 상기 차량의 요방향 회전모멘트를 생성하도록 상기 차량의 좌우 구동모터의 토크를 분배하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 곡률반경 조정부는, 상기 목표치에 대응되는 상기 차량의 요방향 회전모멘트를 생성하도록 상기 차량의 스티어링용 모터의 회전 방향 및 회전 크기를 조정하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치.
  9. 차량 회전 시 상기 차량의 회전의 목표곡률반경을 설정하는 단계;
    상기 차량의 전방 속도 및 측면 가속도를 기반으로 주행 중인 차량의 실제 곡률반경을 추정하는 단계; 및
    상기 목표곡률반경과 상기 추정하는 단계에서 추정된 추정곡률반경 사이의 차 및 상기 차량의 토크 지령값에 기반하여 상기 차량의 요(yaw)방향 회전모멘트를 조정함으로써 상기 차량의 회전의 곡률반경을 조정하는 단계;
    를 포함하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 추정하는 단계는, 상기 전방 속도 및 상기 측면 가속도를 기반으로 식
    Figure pat00027
    와 같이 곡률반경을 추정하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 방법(ρ: 추정곡률반경, Vx: 상기 전방 속도, Ay: 상기 측면 가속도).
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 목표곡률반경을 설정하는 단계는, 상기 차량의 스티어링 휠의 조작에 의한 조향각에 기반하여 상기 목표곡률반경을 설정하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 목표곡률반경을 설정하는 단계는, 식
    Figure pat00028
    에 의해 상기 목표곡률반경을 설정하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 방법(
    Figure pat00029
    : 상기 목표곡률반경,
    Figure pat00030
    : 상기 차량의 회전 개시 시점의 전방 속도,
    Figure pat00031
    : 상기 차량의 회전 개시 시점의 요속도).
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 곡률반경을 조정하는 단계는, 비례적분 제어를 통해 상기 목표곡률반경과 상기 추정곡률반경 사이의 차가 0이 되게 하는 상기 차량의 요(yaw)방향 회전모멘트의 목표치를 결정하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 곡률반경을 조정하는 단계는, 상기 목표치에 대응되는 상기 차량의 요방향 회전모멘트를 생성하도록 상기 차량의 토크 지령값의 범위 내에서 상기 차량의 좌우 구동모터의 토크를 분배하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 곡률반경 조정부는, 상기 목표치에 대응되는 상기 차량의 요방향 회전모멘트를 생성하도록 상기 차량의 스티어링용 모터의 회전 방향 및 회전 크기를 조정하는 것을 특징으로 하는 슬립을 고려한 차량 회전 제어 장치.
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