KR20210016350A - 다중 모드 극한 이동 서스펜션 접지면 감지 및 제어기를 갖는 자동차 - Google Patents

다중 모드 극한 이동 서스펜션 접지면 감지 및 제어기를 갖는 자동차 Download PDF

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KR20210016350A
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크리스토퍼 엠. 모건
존 에드워드 어스틱
귀도 프란세스코 리텔리
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프랫 앤 밀러 엔지니어링 앤드 페브리케이션, 인코포레이티드
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Abstract

자동차 용지면 감지 시스템 및 프레임 구조, 한 쌍의 전방 도로 접합 휠, 한 쌍의 후방 도로 접합 휠을 포함하는 유형의 기동성 특성이 강화된 자동차. 감지 시스템은 GPS 신호 및 관성 항법 시스템 신호 중 적어도 하나를 수신하는 것을 포함하여 지상 표면을 결정하도록 구성된 차체 제어기를 포함한다. 차체 제어기는 지상 평면에 대해 롤 및 피치 신호를 제공하도록 추가로 구성된다. 차체 제어기는 상기 신호를 전방 및 후방 도로 접합 휠의 변위를 감지하는 하나 이상의 센서로부터의 입력과 조합한다. 차체 제어기는 또한 지상 평면에 대한 지형 평면 기준을 결정하고 차량이 지구 레벨 방향 모드 또는 지형 추종 모드를 수행하도록 제어 신호를 제공하도록 구성된다.

Description

다중 모드 극한 이동 서스펜션 접지면 감지 및 제어기를 갖는 자동차
[00001] 본 출원은 35 U.S.C.§119에 따라 2018년 4월 20일에 출원된 미국 가출원 번호 62/660,430에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
[00002] 본 발명은 DARPA에 의해 수여된 계약 번호 D16PC00029에 따라 정부의 지원을 받아 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 가지고 있다.
[00003] 본 발명은 다른 혁신적인 특징과 함께 다중 모드 극한 이동 서스펜션을 갖는, 특히 오프로드(off-road) 및 군사용으로 적합한 자동차에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 그러한 차량에 다양한 이동 모드를 제공하는 차량 서스펜션 제어 시스템에 관한 것이다.
[00004] 고도의 기동성, 속도, 민첩성, 장애물 회피를 필요로 하고, 더욱이 극한 지형 기동(maneuvering) 능력을 추가로 갖는 오프로드 차량의 용도가 있다. 이러한 능력을 갖춘 차량은 특정 군사, 상업 및 레크리에이션 용도에 적합할 수 있다. 본 발명은 전술한 능력을 갖는 그러한 차량에 관한 것이다.
[00005] 특히 매우 변하기 쉬운 지형에서 기동할 때, 그러한 차량의 작동을 위해, 접지면을 감지하기 위한 시스템이 요구된다. 이러한 특정 응용 분야에서는, 극한 지형을 교섭하는(negotiating) 동안 차량으로 하여금 차체를 거의 수평 상태, 즉 중력("지구 레벨")에 일치시키는 상태로 유지하는 것이 바람직하다. 이러한 모드에서, 서스펜션 유닛과 접지면 접합 휠의 관절(articulation)에도 불구하고, 차량은 중력에 대해 거의 수평으로 차체를 유지한다. 물론 이러한 방향을 유지하는 능력에는 서스펜션 시스템의 이동 및 제어 한계와 관련된 특정 제약이 있다. 군사 용도의 경우, 센서 또는 감지 구성요소를 가장 잘 작동하기 위해서는, 지구 레벨의 방향이 바람직할 수 있으며, 운전자의 편의성 관점에서도 바람직할 수 있다. 또한, 그러한 지구 레벨의 배향은 무기 및/또는 감지 시스템의 조준 또는 위치 지정에 바람직할 수 있다. 차량의 일측이 타측(측면 언덕)보다 상당히 높거나 낮은 경우, 또는 차량이 가파른 오르막 또는 내리막 길을 교섭하는 경우(또는 혼합 지형지물을 주행하는 경우), 주행 중에 차량의 섀시를 지형조건의 윤곽에 접근시키는 것이 보다 바람직한 다른 작동 조건이 있을 수 있다. 주행 중에 차량을 지형과 정렬 상태로 유지("지형 추종")함으로써, 쾌적성이 향상되고, 서스펜션 시스템 구성요소의 이동 한계가 문제로 되는, 기복이 많은 지형을 차량이 교섭할 수 있게 된다. 그러한 이중 모드 기능을 갖는 차량의 경우, 운전자가 그러한 동작 모드 사이에서 차량의 자세를 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.
[00006] 능동 서스펜션 시스템을 갖춘 지상 차량은 일반적으로 각 휠 스테이션에서 휠 변위의 측정 값에 기초하여 스프링 위(sprung) 질량, 롤 및 피치 각도를 제어하도록 구성된다. 이러한 방식으로 차량은 작동하는 지형의 롤과 피치를 따른다. 일반적으로 12 인치 이하의 서스펜션 이동 거리를 갖는 기존 차량의 서스펜션 시스템이 장착된 차량의 경우, 이에 의해 차량이 주행 시에 국지적 지형 교란을 흡수할 수 있는 충분한 휠 변위를 보장한다. 그러나 위에서 제안한 바와 같이, 매우 높은 이동 능동 서스펜션 시스템을 갖춘 차량의 경우, 지표면을 기준으로 지형을 따라 가기보다는 중력에 대해 롤 각도, 피치 각도 또는 둘 모두를 수평으로 유지하는 것이 유리할 수 있다.
발명의 개요
[00007] 본 발명에 따르면, 다중 모드 극한 이동 서스펜션 시스템을 갖는 자동차가 기술된다. 본 발명은 접지면을 감지하기 위한 메커니즘을 포함하는 시스템에 관한 것이다. 접지면을 감지하는 것 외에도, 본 발명의 실시형태에 따른 시스템은 지구 레벨 모드 및 지형 추적 모드를 포함하는 두 가지 모드 중 적어도 하나에서 차량이 이들 조건 간에 더욱 변하도록 기동할 수 있게 한다.
[00008] 본 발명의 실시형태는 다음과 같은 접근법을 포함한다:
첫째, 접지면 법선은 측정된 서스펜션 변위를 중력에 대한 측정 또는 추정 된 차체 롤 및 피치 각도와 조합함으로써 추정되는 방식;
둘째, 차량 운전자는 차량이 어느 접근 방식에 적응하려고 시도해야 하는 정도를 지정하는 접근 방식; 및
셋째, 운전자 입력을 기반으로 차량 자세를 제어하는 접근 방식.
[00009] 도 1은 본 발명에 따른 특징을 이용할 수 있는 기본 차량의 전방 등각 투영도를 제공하며, 외부 차체 패널이 제거된 상태로 도시되어 있다.
[00010] 도 2는 본 발명에 따른 특징을 이용할 수 있는 기본 차량의 후방 등각 투영도를 제공하며, 외부 차체 패널이 제거 된 상태로 도시되어있다.
[00011] 도 3a 및 3b는 각각 기본 차량의 측면 및 후면도를 제공한다.
[00012] 도 4는 길이 방향 중앙 절단 섹션의 전방 차량 레이아웃을 도시한다.
[00013] 도 5는 제어 하드웨어 시스템의 개략 다이어그램이다.
[00014] 도 6은 센서 입력 및 로직 아키텍처(architecture)를 보여주는 차체 제어 시스템의 보다 상세한 설명을 제공한다.
[00015] 도 7은 차량용 접지면을 설정하기 위한 이론적 요인의 예시를 제공한다.
[XXXXX] 도 1 내지 도 5를 참조하면, 차량(10)의 기본 특징이 도시되어 있다. 차량(10)은 본 발명의 서스펜션 시스템 및 특징을 구현할 수 있는 차량 유형의 일 실시예일뿐이다. 외부 튜브형 프레임 구조(12)는 차량(10)의 주요 구성요소를 구조적으로 지지한다. 운전자실(14)은 차량의 전방 섹션에 배치된다. 주요 유압 및 전기 제어 시스템은 중앙 섹션(16) 내에 배치되고 후방 구획(18)은 엔진(20)을 수용한다. 지면 접합 휠(22,24)은 전방 및 후방에 각 1쌍씩 제공된다.
[00016] 차량(10)의 4개 서스펜션 코너 각각은 전방 및 후방 휠 세트(22,24) 사이의 서스펜션 구성요소 치수가 상이한 것을 제외하고는 일반적으로 유사한 배열을 갖는다. 다시 도 1 내지 도 5를 참조하여 전방 좌측 코너 유닛에 대해 설명한다. 긴 서스펜션 아암(26)은 차량 중앙 섹션(16)의 하부에 위치한 베어링(28)을 중심으로 피벗된다. 휠 단부 유닛(30)은 긴 서스펜션 아암(26)의 단부에 장착된다. 휠 단부 유닛(30)은 스트럿(strut)(32) 형태의 선형 서스펜션 요소를 포함하고, 이 스트럿은 코일 오버 충격식 배열로 나타내진다. 본 발명의 일 실시형태에서, 스트럿(32)은 압축 및 반발 운동 방향으로 조정될 수 있는 내부 스프링 속도 및 댐핑 특성을 갖는 수동 서스펜션 요소이다. 스트럿(32)은 또한 가변 댐핑 특성을 갖는 능동형 또는 반 능동형으로 제공될 수 있다. 구동 허브(34)는 긴 서스펜션 아암(26)의 중공 내부 공동 내에 수용되고 휠 구동 허브(34)에 기어 연결된 프로펠러 샤프트(도시되지 않음)를 통해 동력을 전달하기 위해 각각의 휠 코너에 제공된다. 유압 실린더(36)는 각 휠 단부 유닛(30)에 대한 극한의 이동 범위를 가능하게 하는 긴 스트로크 능력을 제공한다. 유압 실린더(36)는 본 발명의 바람직한 서스펜션 특성을 제공하는 유압 회로에 의해 제어된다. 본 발명의 예시적인 실시형태로서, 차량(10)에 제공되는 높은 이동 서스펜션은 공칭 정적 상태로부터 30 인치의 반발(하향) 이동으로 42 인치 정도 튀어 오르는(상향) 변위가 가능하다. 서스펜션 스트럿(32)은 예를 들어 ±4 인치의 추가 이동 범위에서 변위를 제공할 수 있다. 스티어링 링크 아암(38)은 차량의 4개 휠 각각의 스티어링 관절을 제어하기 위해 제공된다.
[00017] 도 5는 본 발명에 따라 서스펜션 시스템 모션을 제어하기 위해 구현되는 특정 전자 제어 하드웨어 구성요소의 개략도를 제공한다. 도시된 바와 같이, 차체 제어기(40)는 차량 역학에 유용한 정보를 제공하는 다른 센서와 함께 잠재적으로 GPS 및 관성 센서 입력뿐만 아니라 신호 및 사용자 입력을 수신한다. 차체 제어기(40)는 섀시 역학 상태에 기초하여 각 휠 단부 유닛(32)에 대한 원하는 코너 힘을 결정한다. 이러한 코너 힘은 각 휠 위치에서 지면 접촉 패치에 대해 지면 결합 휠(22,24)에 의해 가해지는 힘이다. 차체 제어기(40)로부터의 신호는 차체 제어기로부터의 명령을 차량 서스펜션 시스템을 제어하기 위한 제어 신호로 변환하는 코너 힘 제어기(42)로 공급된다. 코너 힘 제어기(42)는 유압 및 서스펜션 시스템 한계 내에서 원하는 힘을 달성하려고 시도한다. 이들 신호는 이어서 비례 스풀(spool) 밸브와 같은 유압 회로 요소에 명령하여 서스펜션 구성요소가 원하는 변위를 겪게 할 수 있는 솔레노이드 전류 제어기(44)를 통해 솔레노이드 전류 제어 신호를 생성하는 데 사용된다. 코너 힘 제어기(42)는 차량 질량, 구성, 현상 및 동적 요인에 기초한 변위와 관련된 코너 힘을 기반으로 하는 제어를 나타낸다는 점에 유의한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 차체 제어기(40)는 지구 레벨 모드, 지형 추종 모드, 또는 이들 모드의 혼합을 포함하는 원하는 차체 제어 모드에 관한 운전자 입력을 수신한다.
[00018] 차체 제어기(40)는 또한 차량(10)이 작동되는 접지면의 방향을 추정하기 위해 하드웨어 구성요소와 조합하는 알고리즘 및 제어 기술을 가능하게 한다. 차체 제어기(40)는 다른 입력들 중에서도 지구 레벨 방향에 대한 롤 및 피치 상태 신호를 제공하는 GPS 및/또는 관성 항법 시스템(INS) 입력을 수신한다.
[00019] 도 6은 차체 제어기(40)에 대한 논리 아키텍처의 예시도를 제공한다. 지시된 바와 같이, 제어기(40)는 차량 구성요소 상태 및 관성 파라미터와 관련된 수 많은 센서로부터 입력을 수신한다. 이 시스템은 차량 서스펜션 구성요소에 대한 히브(heave)/피치/롤 힘 및 모멘트 목표를 결정하기 위한 전체 상태 피드백을 제공한다. 기하학적 관계는 차량(10)의 트랙 폭 및 휠 베이스에 기초하여 이용되며 섀시 힘/모멘트 목표를 각 휠 단부 유닛(32)의 코너 힘 목표로 변환한다. 이러한 명령은 코너 힘 제어기(42)를 통해 실행된다. 코너 힘 파라미터는 차량 프레임에 대한 휠 단부 유닛(32)의 변위와 직접적으로 관련되며 본 명세서에서 설명되는 다양한 작동 모드의 제어를 가능하게 한다.
[00020] 도 7은 측면 각도 θground-roll(롤 축에서 이 구성요소를 지정함)를 정의하는 고도의 측 경사면을 갖는 지형을 교섭하는 차량(10)을 개략적으로 도시한다. 물론 이것은 매우 이상적인 구성이고, 지형은 평면 구성을 나타내지만, 실제 차량 작동에서는 확실히 그렇지 않다. 그러나 측면 각도 θground-roll 는 차량이 커버하는 영역의 특정 작동 지점에서 지형 표면의 근사치로 간주될 수 있다. 차량(10)의 측면도는 중력 법선에 대한 경사도 또는 피치 각도 θground-pitch 를 나타내지만 또 다른 직교하는 도이다. 예시된 바와 같이, 측면 각도 θground-roll 는 또한 지면 수직선(50)에 의해 나타내지는 지면 레벌 법선과 측면 각도 θground-roll 와의 사이의 각도 분리를 정의한다. 도식적으로 예시된 바와 같이, 전방 및 후방 휠(22,24)은 이 예에서 글로벌 롤 각도 θroll 를 생성하여 기준선(52)에 의해 지정된 특정 방향으로 차량 섀시를 위치 시키도록 굴절된다. θroll 가 측면 각도 θground-roll 와 같으면, 이는 방향을 따르는 지형을 나타내고, 또는 각도 θroll 가 0에 가까워지면 지형을 따르는 것을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 피치 축에서 차량(10)에 대해 유사한 표현이 이루어질 수 있다(요(yaw) 축은 스티어링 관절과 관련됨).
[00021] 모든 작동 모드에서 시스템은 지구에 고정된 수직 방향 또는 중력 평면(축 50 참조)을 결정한다. 이러한 신호는 알려진 또는 파생된 코너 서스펜션 변위와 조합되어 지표면 법선의 추정치를 구성할 수 있다. 차체 제어기(40)는 목표 롤 각도 및/또는 피치 각도를 접지 고정 레벨 또는 추정된 접지면에 평행하거나 또는 그 사이 어딘가에서 제어하도록 구성될 수 있다. 원하는 작동 모드에 대한 입력은 인적 요인의 고려 사항 또는 이전에 개략적으로 설명된 기타 작동 또는 구성요소의 특징을 기반으로 할 수 있다. 지구 레벨과 지형 추종 방향 사이의 선택에 추가하여, 하이브리드 제어 배열도 제공될 수도 있다. 예를 들어, 차량의 롤 축에 대해 지형 평면을 근사하는(approximate) 것이 바람직할 수 있지만, 피치 축은 예를 들어 지구에 고정된 레벨 조건에 기초하여 다르게 제어될 수 있다. 또 다른 하이브리드 배열은 피치 축이 지형 추종이 되고, 롤 축이 지구 고정 레벨로 되거나 또는 그 역으로도 마찬가지이다. 이러한 변형은 이전에 언급한 변형에 대한 기회를 제안한다.
[00022] 거친 지형에서 차량(10)의 실제 작동에서, 지구 레벨 및 지형 추종 모드에서 이론적으로 정확한 방향을 유지할 수 없다는 점에 유의해야 한다. 수동 또는 반 능동 서스펜션 스트럿(32)의 존재와 결합된 지형 특징 변화의 동적 특성 및 빈도는 시스템에 어느 정도의 순응(compliance) 및 지연이 있음을 의미한다. 그러나 작동 중에 시스템은 차량을 원하는 자세와 작동 모드로 향하도록 모색한다.
[00023] 상기 설명이 본 발명의 바람직한 실시형태를 구성하지만, 본 발명은 첨부된 청구범위의 적절한 범위 및 공정한 의미를 벗어나지 않고 수정, 변경 및 변동될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 프레임 구조, 한 쌍의 전방 도로 접합 휠, 한 쌍의 후방 도로 접합 휠을 포함하는 유형의 기동성 특성이 강화된 자동차용 접지면 감지 시스템으로서, 감지 시스템은,
    GPS 신호 및 관성 항법 시스템 신호 중 적어도 하나를 수신하는 것을 포함하여 접지면을 결정하도록 구성되고, 접지면에 대한 롤 및 피치 신호를 제공하도록 구성되고, 신호를 전방 및 후방 도로 접합 휠의 변위를 감지하는 하나 이상의 센서로부터의 입력과 조합하는 차체 제어기를 포함하고,
    상기 차체 제어기는 접지면에 대한 지형 면 기준을 결정하고 차량이 지구 레벨 방향 모드 또는 지형 추종 방향 모드를 선택적으로 수행하게 하는 제어 신호를 제공하도록 추가로 구성되는 자동차용 접지면 감지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    지구 레벨 방향 모드 또는 지형 추종 방향 모드 중 어느 하나를 수행하도록 차량에 명령하는 차량의 운전자로부터 입력을 수신하도록 구성된 차체 제어기를 더 포함하는 자동차용 접지면 감지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    차량이 지형 표면을 기준으로 주행할 때 차량 프레임 구조가 접지면에 대해 평행한 방향을 유지하도록 모색하는 지구 레벨 방향 모드를 더 포함하는 자동차용 접지면 감지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    차량이 지형 표면을 기준으로 주행할 때 차량 프레임 구조가 지형 평면에 대해 평행한 방향을 유지하도록 모색하는 지형 추종 방향 모드를 더 포함하는 자동차용 접지면 감지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    지구 레벨 방향 모드 및 지형 추종 방향 모드와 관련된 위치들 사이에 차량을 위치시키 위해, 접지면 및 지형 평면에 대한 차량 방향의 적어도 하나의 추가 모드를 제공하도록 추가로 구성된 차체 제어기를 더 포함하는 자동차용 접지면 감지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    적어도 한 쌍의 도로 접합 휠을 갖고, 각 쌍의 도로 접합 휠과 결합된 서스펜션 액추에이터를 갖는 차량용 능동 서스펜션 시스템을 추가로 포함하는 차량을 더 포함하는 자동차용 접지면 감지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    차량의 프레임 구조에 피벗 가능하게 연결되고 휠 단부 유닛에 결합된 고 이동 서스펜션 아암을 더 포함하고, 액추에이터와 같은 서스펜션 액추에이터와 결합된 서스펜션 아암이 프레임 구조에 대해 서스펜션 아암의 위치를 제어하는 자동차용 접지면 감지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    적어도 4개의 고 이동 서스펜션 아암 및 액추에이터를 갖는 차량을 더 포함하는 자동차용 접지면 감지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    4개의 고 이동 서스펜션 아암 및 액추에이터는 전방 및 후방 도로 접합 휠 쌍과 관련되는 자동차용 접지면 감지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    차체 제어기는 롤 및 피치 축 중 하나에 대해서만 지구 레벨 방향 모드 및 지형 추적 모드 중 하나를 수행하도록 구성되며, 다른 하나는 또 다른 롤 및 피치 축에 대해 지형 추종 모드에서 지구 레벨 방향 모드를 수행하는 자동차용 접지면 감지 시스템.
  11. 제 1 항에 따른 지면 감지 시스템을 포함하는 자동차.
  12. 프레임 구조, 한 쌍의 전방 도로 접합 휠, 한 쌍의 후방 도로 접합 휠, 및 차체 제어기를 갖는 감지 시스템을 포함하는, 기동성이 향상된 특징을 갖는 자동차로서,
    차체 제어기가 GPS 신호 및 관성 항법 시스템 신호 중 적어도 하나를 수신하는 것을 포함하여 접지면을 결정하도록 구성되고, 접지면에 대한 롤 및 피치 신호를 제공하도록 구성되며; 그리고
    차체 제어기가 신호를 전방 및 후방 도로 접합 휠의 변위를 감지하는 하나 이상의 센서로부터의 입력과 조합하고,
    차체 제어기가 접지면에 대한 지형면 기준을 결정하고 차량이 지구 레벨 방향 모드 또는 지형 추종 방향 모드 중 하나를 선택적으로 수행하도록 제어 신호를 제공하도록 구성되며,
    차체 제어기가 지구 레벨 방향 모드 또는 지형 추종 방향 모드 중 어느 하나를 수행하도록 차량에 명령하는 차량 운전자로부터의 입력을 수신하도록 구성되는 자동차.
  13. 제 12 항에 있어서,
    차량이 지형 표면에 대해 주행할 때 차량 프레임 구조물이 접지면에 대해 평행한 방향을 유지하도록 모색하는 지구 레벨 방향 모드를 더 포함하는 자동차.
  14. 제 12 항에 있어서,
    차량이 지형 표면에 대해 주행할 때 차량 프레임 구조물이 지형 평면에 대해 평행한 방향을 유지하도록 모색하는 지형 추종 방향 모드를 더 포함하는 자동차.
  15. 제 12 항에 있어서,
    지구 레벨 방향 모드 및 지형 추종 방향 모드와 관련된 위치들 사이에 차량을 위치시키기 위해, 접지면 및 지형 평면에 대한 차량 방향의 적어도 하나의 추가 모드를 제공하도록 추가로 구성된 차체 제어기를 더 포함하는 자동차.
  16. 제 12 항에 있어서,
    적어도 한 쌍의 도로 접합 휠을 갖고, 각 쌍의 도로 접합 휠과 결합된 서스펜션 액추에이터를 갖는 차량용 능동 서스펜션 시스템을 추가로 포함하는 차량을 더 포함하는 자동차.
  17. 제 16 항에 있어서,
    차량의 프레임 구조물에 피벗 가능하게 연결되고 휠 단부 유닛에 결합된 고 이동 서스펜션 아암을 더 포함하고, 액추에이터와 같은 서스펜션 액추에이터와 결합된 서스펜션 아암이 프레임 구조물에 대한 서스펜션 아암의 위치를 제어하는 자동차.
  18. 제 17 항에 있어서,
    적어도 4개의 고 이동 서스펜션 아암 및 액추에이터를 갖는 차량을 더 포함하는 자동차.
  19. 제 18 항에 있어서,
    4개의 고 이동 서스펜션 아암 및 액추에이터가 전방 및 후방 도로 접합 휠의 쌍과 관련되어 있는 자동차.
  20. 제 12 항에 있어서,
    차체 제어기는 롤 및 피치 축 중 하나에 대해서만 지구 레벨 방향 모드 및 지형 추적 모드 중 하나를 수행하도록 구성되며, 다른 하나는 또 다른 롤 및 피치 축에 대해 지형 추종 모드에서 지구 레벨 방향 모드를 수행하는 자동차.
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