KR20210073721A

KR20210073721A - 차륜별 독립 조향이 가능한 차량

Info

Publication number: KR20210073721A
Application number: KR1020190164242A
Authority: KR
Inventors: 유제훈
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-06-21

Abstract

본 발명은 차륜별 독립 조향이 가능한 차량에 관한 것으로서, 차량에서 차륜별로 구비되는 별도의 조향 액추에이터 없이도 차륜별 독립 구동과 독립 조향을 동시에 구현할 수 있는 차량을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 조향휠; 운전자의 조향휠 조작에 따른 조향 입력 정보를 검출하는 센서; 차륜별로 차체에 구비된 각 조향축을 중심으로 선회 가능하도록 설치되고, 각각 해당 차륜이 회전 가능하게 장착된 차륜지지축; 차량 구동을 위한 제어신호와 함께, 상기 센서에 의해 검출되는 조향 입력 정보에 기초하여 차량 조향을 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 차륜별로 각 차륜지지축과 조향축 사이에 설치되어, 상기 각 차륜지지축을 선회하지 못하도록 조향축에 록 시키거나, 상기 각 차륜지지축의 선회가 가능하도록 차륜 지지축과 조향축의 록을 해제하는 전자클러치; 및 상기 각 차륜지지축에서 차륜을 회전시키는 차륜별 구동모터를 포함하고, 상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 상기 전자클러치 및 구동모터의 작동이 제어됨으로써 차륜별 구동 및 조향이 수행되는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량이 개시된다.

Description

차륜별 독립 조향이 가능한 차량{Vehicle capable of independent steering for each wheel}

본 발명은 차륜별 독립 조향이 가능한 차량에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량에서 차륜별로 구비되는 별도의 조향 액추에이터 없이도 차륜별 독립 구동과 독립 조향을 동시에 구현할 수 있는 차량에 관한 것이다.

종래의 차량은 기계식 조향 방식으로 좌우 차륜을 종속 제어하므로 조향 장치의 작동에 문제가 발생할 경우 차량의 조향 제어가 불가능하게 되어 위험이 발생할 수 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 최근의 연구에서는 차륜별 독립 구동 및 독립 조향을 구현하는 방식이 소개되고 있다.

그 예로서, 차량의 주행 성능을 향상시키기 위해 인휠 시스템이 소개되어 있으며, 각각의 차륜을 독립적으로 제어할 수 있는 독립 차륜 제어형 다축 추진 차량에 대한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

인휠 시스템은 인휠모터(in-wheel motor)가 차량의 각 차륜 안에 장착되어 차량의 각 차륜이 상기 인휠모터에 의해 독립적으로 구동 및 제어될 수 있는 시스템이다.

통상의 인휠 시스템은 차륜 내부에 배치된 인휠모터에서 출력되는 동력이 차륜에 직접 전달될 수 있도록 구성되므로 구동계가 단순하고 공간 활용성이 우수한 이점을 가진다.

즉, 인휠모터를 적용할 경우, 엔진, 변속기, 기어 등의 구동장치 및 동력전달장치를 생략할 수 있고, 따라서 차량의 무게를 감소시킬 수 있으며, 동력 전달 과정에서의 에너지 손실을 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.

그리고, 인휠모터를 통해 각 차륜의 구동을 독립적으로 제어할 수 있으므로 각 차륜에 대한 개별 토크 제어가 가능하여 차량의 거동 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 차륜별 독립 구동 또는 독립 조향을 위해서는 차륜별로 구동모터(예, 인휠모터)를 구비하거나, 차륜별로 조향 액추에이터, 즉 조향모터 또는 조향기어 등을 구비해야 한다.

이와 관련된 선행기술문헌으로서, 공개특허 제10-2010-0032244호(2010.3.25.), 등록특허 제10-1432535호(2014.8.14.), 및 등록특허 제10-1409379호(2014.6.12.)에는 차륜별로 구동모터(20)와 조향 액추에이터를 구비한 차량이 개시되어 있다.

또한, 등록특허 제10-1186302호(2012.9.20.), 및 공개특허 제10-2018-0110790호(2018.10.11.)에는 차륜별 독립 조향을 위해 차륜별로 조향 액추에이터를 구비한 차량이 개시되어 있다.

차량에서 차륜별로 독립 조향장치를 구비할 경우 제자리 회전이나 평행 이동과 같은 다양한 차량 움직임을 구현할 수 있는 장점이 있다.

하지만, 상기한 선행기술문헌에 개시되어 있는 종래 기술에 따르면, 차륜별 독립 구동을 위해 인휠모터와 같은 차륜별 구동모터가 반드시 필요하고, 차륜별 독립 조향을 위해 차륜별 조향 액추에이터가 반드시 필요하다.

특히, 차륜별 독립 구동과 독립 조향을 위해서는 차륜별 구동모터와 함께 차륜별 조향 액추에이터가 반드시 함께 구비되어야 하고, 이는 차량 내 장치 구성을 매우 복잡할 뿐만 아니라 차량 원가를 크게 상승시킨다.

또한, 차륜별로 조향모터와 같은 조향 액추에이터 등을 구비하는 경우 이들을 구동시키기 위해 많은 전력을 소비해야 한다.

이에 차륜별 독립 구동과 독립 조향을 동시에 구현할 수 있는 장치 구성의 단순화가 요구되고 있다.

또한, 4륜 독립 조향을 위해 도 1에 나타낸 바와 같이 타이어 접지면과 차륜 회전축(조향축)을 일치시킨 구조에서는 서스펜션 성능이 부족할 수밖에 없고, 타이어 상단으로 불필요한 공간을 많이 차지한다는 단점이 있다.

또한, 기존 차량과 유사한 서스펜션 성능을 갖기 위해 도 2에 나타낸 바와 같이 더블위시본 구조에 조향모터(2)를 장착한 경우, 차륜(타이어, 바퀴) 회전축이 조향모터의 회전축과 일치하지 않아서, 차량 가감속시 타이어(1)의 선회력에 의해 조향모터(2)에 토크가 가해질 수 있다.

이에 차량 가감속시 자체가 받는 관성력을 보상하기 위해 조향모터(2)가 도 3에 나타낸 바와 같이 구동하여 타이어(1)의 방향을 계속해서 변경해야 하고, 결국 조향모터가 지속적으로 위치 제어를 위한 전력을 소모하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 차량에서 차륜별 독립 구동과 독립 조향을 동시에 구현할 수 있으면서도 장치 구성이 단순하고 원가를 낮출 수 있으며 전력 소모를 줄일 수 있는 독립 구동 및 독립 조향 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 차륜별로 각각 조향 액추에이터를 구비하지 않아도 차량의 차륜별 독립 조향을 구현할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 조향휠; 운전자의 조향휠 조작에 따른 조향 입력 정보를 검출하는 센서; 차륜별로 차체에 구비된 각 조향축을 중심으로 선회 가능하도록 설치되고, 각각 해당 차륜이 회전 가능하게 장착된 차륜지지축; 차량 구동을 위한 제어신호와 함께, 상기 센서에 의해 검출되는 조향 입력 정보에 기초하여 차량 조향을 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 차륜별로 각 차륜지지축과 조향축 사이에 설치되어, 상기 각 차륜지지축을 선회하지 못하도록 조향축에 록 시키거나, 상기 각 차륜지지축의 선회가 가능하도록 차륜 지지축과 조향축의 록을 해제하는 전자클러치; 및 상기 각 차륜지지축에서 차륜을 회전시키는 차륜별 구동모터를 포함하고, 상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 상기 전자클러치 및 구동모터의 작동이 제어됨으로써 차륜별 구동 및 조향이 수행되는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량을 제공한다.

이로써, 본 발명에 의하면, 차량에서 차륜별 독립 구동과 독립 조향을 동시에 구현할 수 있으면서도 장치 구성이 단순하고 원가를 낮출 수 있으며 전력 소모를 줄일 수 있는 독립 구동 및 독립 조향 시스템을 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면. 차륜별로 각각 조향 액추에이터를 구비하지 않아도 차량의 차륜별 독립 조향을 구현할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 3은 종래기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 차륜별 독립 조향을 구현하는 시스템 구성을 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 차륜별 독립 조향 시스템에서 전자클러치의 사용 예를 도시한 도면이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 차륜별 독립 조향 시스템의 작동상태를 예시한 도면이다.
도 8과 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 차륜별 독립 조향 시스템을 이용한 조향 제어 과정을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명에서 조향각, 조향각속도, 차륜 속도 증가량, 차륜 클러치 해제량, 그리고 차륜각을 예시한 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.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 차륜별 독립 조향을 구현하는 시스템 구성을 도시한 구성도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 차륜별 독립 조향 시스템에서 전자클러치의 사용 예를 도시한 도면이다.

또한, 도 6과 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 차륜별 독립 조향 시스템의 작동상태를 예시한 도면이다.

도 5 내지 7에서 도면부호 7은 차륜(타이어)를 나타내고, 도 4에서 'FL'은 전륜의 좌측륜을, 'FR'은 전륜의 우측륜을 나타내며, 'RL'은 후륜의 좌측륜을, 'RR'은 후륜의 우측륜을 나타낸다.

도 8과 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 차륜별 독립 조향 시스템을 이용한 조향 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 도 9는 도 8의 ①에서 이어지는 후속 과정의 순서도이다.

본 발명은 차륜별 독립 구동 및 독립 조향이 가능한 차량에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 차륜별 독립 구동과 독립 조향을 구현하는 통합 시스템, 즉 통합형 차륜별 독립 구동 및 독립 조향 시스템을 구비한 차량에 관한 것이다.

본 발명에 따른 차량에서는 차륜(FL,FR,RL,RR)별 독립 구동을 위해 각 차륜마다 구동모터(20)가 설치되고, 각 구동모터(20)는 차륜지지축(6)과 차륜(7) 사이에 설치되어 해당 차륜(7)을 회전시키는 모터로서, 제어기(13)의 제어신호에 따라 작동이 제어된다.

상기 각 차륜의 구동모터(20)는 제어기(13)의 제어신호에 따라 정회전 및 역회전될 수 있고, 구동모터(20)가 구동하면 해당 차륜(7)이 차륜지지축(6)을 중심으로 회전되며, 이때 차륜(7)은 지면을 구르는 회전, 즉 구름 회전을 하게 된다.

본 발명에서 각 차륜(7)의 구름 회전은 후술하는 바와 같이 선회나 제자리 회전을 위해 차륜을 정렬할 때와 차량이 이동 및 주행할 때 모두 실시된다.

그리고, 본 발명에서 제어기(13)는 각 차륜의 구동모터(20)를 구동 및 제어하기 위한 인버터(미도시됨)를 포함하는 구성이 될 수 있고, 여기서 인버터는 차량에 장착된 배터리(14)의 직류 전류를 3상 교류 전류로 변환하여 구동모터(20)에 인가한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 각 차륜의 구동모터(20)는 공지의 인휠모터가 될 수 있으며, 이에 각 차륜(7)을 독립적으로 구동하는 구동 시스템, 즉 각 차륜(FL,FR,RL,RR)마다 설치된 구동모터(20)를 포함하는 차륜별 독립 구동 시스템은 공지의 인휠 시스템이 될 수 있다.

본 발명에 따른 차량에서 제어기(13)는 전체 차륜의 구동모터(20) 중 선택된 구동모터(20) 또는 전체 구동모터(20)를 동시에 구동 및 제어할 수 있고, 구동모터(20)별로 회전방향 및 회전속도를 독립적으로 제어할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 차량은 통합된 차륜별 독립 구동 및 독립 조향 시스템을 가지는 것으로서, 차륜별 독립 조향 시스템이 상기 독립 구동 시스템의 차륜별 구동모터(20)를 포함한다.

이와 같이 본 발명에 따른 차량은 차륜별 독립 구동 시스템과 통합된 형태의 조향 시스템, 즉 각 차륜의 구동모터(20)를 이용하여 차륜별 독립 조향을 수행하는 차륜별 독립 조향 시스템을 가지지만, 상기 독립 조향 시스템이 별도의 조향 액추에이터를 구비하는 것은 아니다.

즉, 본 발명에서는 종래와 같이 차륜별로 구비되던 조향모터 등의 독립된 조향 액추에이터가 삭제되는 것이며, 다만 본 발명에서의 독립 조향 시스템은, 각 차륜(7)의 구름에 의해, 차륜(7)이 결합되어 있는 차륜지지축(6)이, 차체와의 선회중심축(차륜회전축)인 조향축(5)을 중심으로 회전 및 선회함으로써, 차륜(타이어)(7)의 조향이 이루어지도록 한 구성을 포함한다.

본 발명에 따른 차량에서는 각 차륜(7)이 장착 및 지지되고 있는 차륜지지축(6)이 각 차륜의 조향축(5)에 회전 및 선회 가능하도록 결합되고, 타이어(차륜)(7) 및 그것의 접지면이 상기 조향축(5)으로부터 측방으로 정해진 거리만큼 이격되어 위치된다.

본 발명에 따른 차량에서 조향축(5)은 차륜지지축(6)이 조향 및 차륜 정렬을 위해 회전할 때 회전중심이 된다.

요컨대, 차륜(7)이 지면을 구름 회전할 때 그 회전중심이 되는 축은 해당 구동모터(20)의 회전중심축이 되고, 차륜지지축(6)이 조향 및 차륜 정렬을 위해 회전할 때 그 회전중심이 되는 축은 조향축(5)이 된다.

그리고, 본 발명에서의 독립 조향 시스템은, 각 차륜의 조향축(5)과 차륜지지축(6) 사이에 설치되어, 외부에서 인가되는 전기적인 신호에 의해 각 차륜의 조향축(5)과 차륜지지축(6) 사이를 선택적으로 록(lock) 시키거나 록 해제(unlock)하는 전자클러치(30)를 포함한다.

즉, 본 발명에서 전자클러치(30)는 후술하는 바와 같이 제어기(13)가 출력하는 신호에 의해 록 및 록 해제 작동을 하도록 구비되는 것으로, 차륜(7)이 결합되어 있는 차륜지지축(6)이 조향축(5)에서 회전 및 선회하지 못하도록 차륜지지축(6)을 조향축(5)에 일체로 록(잠금) 시켜 고정하거나, 차륜지지축(6)이 조향축(5)을 중심으로 자유로이 회전 및 선회할 수 있도록 차륜지지축(6)과 조향축(5) 사이의 록을 해제한다.

또한, 본 발명에서 전자클러치(30)의 역할은 차륜(7)의 구름 회전이 이루어질 때 차륜지지축(6)의 선회 회전력 및 이에 결합된 차륜(7)의 구름 회전력을 제어하는 기능을 하며, 전자클러치(30)를 이용함에 따라 종래와 같은 조향 액추에이터 없이 차륜의 구름 회전방향 및 구름 속도 제어를 통해 목표로 하는 조향 제어가 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서는 차륜별로 전자클러치(30)를 포함하는 동일 구성의 장치를 구비하여, 각 차륜(7)의 구름 속도와 각 차륜 측에 구비된 전자클러치(30)의 구속력(마찰력)의 크기(클러치 해제량)를 제어함으로써, 복수 개의 차륜(7)이 독립적인 조향각을 갖도록 제어할 수 있다.

본 발명에서 차륜별 독립 조향을 위해 구비되는 전자클러치(30)는 전자기 클러치(30)(electromagnetic clutch)가 될 수 있다.

일례로서, 전자기 클러치(30)는 제어기(13)에 의해 제어된 전류를 인가받도록 연결된 코일(미도시)을 구비한 것이 될 수 있고, 바람직하게는 제어기(13)의 제어신호에 의해 코일에 인가되는 전류가 제어됨으로써 마찰부재(미도시) 간 마찰력 또는 구속력이 제어될 수 있는 것이 이용될 수 있다.

여기서, 마찰부재는 동력 전달 및 단속이 이루어지는 두 개의 회전체에 부착되어 클러치(30)의 작동시 상호간 접합(lock-up) 또는 해제(open)가 이루어질 수 있게 구비되는 것으로, 마찰부재의 접합시에는 두 개의 회전체 간 회전력 전달이 가능해지고(클러치 록), 마찰부재의 해제시에는 두 개의 회전체가 상호 회전력 전달이 불가하도록 단절된 상태가 된다(클러치 록 해제).

이때, 상기 두 개의 회전체 중 하나는 차량의 차체에 고정된 상기 조향축(5)이 되고, 나머지 하나는 차륜(7)이 결합되어 있는 차륜지지축(6)에서 상기 조향축(5)에 회전력 전달 가능하게 결합된 회전중심부가 된다.

본 발명에서 제어기(13)는 PWM 제어 방식으로 전자클러치(30)의 작동을 제어하도록 구비될 수 있고, 이를 위해 제어기(13)는 내부에서 생성되는 제어신호(PWM 신호)에 따라 PWM 제어 방식으로 제어된 전류 또는 전압을 코일에 인가하여 코일의 구동을 제어하는 코일구동부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.

이에 제어기(13)가 전자클러치(30)의 제어를 위해 듀티비가 조절된 PWM 신호를 코일구동부에 인가하면, 코일구동부에서 PWM 신호의 듀티비에 비례하여 코일에 인가되는 전압 또는 전류를 제어함으로써 전자클러치(30)에서의 마찰력 또는 구속력이 제어될 수 있게 된다.

이하, 외부에서 인가되는 전기적인 신호(즉, 제어신호)에 따라 두 개의 회전체에 대해 동력을 선택적으로 단속할 수 있도록 작동이 제어되는 상기와 같은 전자클러치의 구성에 대해서는, 전자클러치가 이미 산업상 널리 이용되고 있는 동력단속기구이므로, 본 명세서에서 더 이상의 상세하고 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명의 차량은 사용자가 조향모드를 선택하기 위해 조작하도록 구비되는 입력장치(10)를 포함하고, 상기 입력장치(10)는 차량에 구비되는 스위치(이하 '모드 선택 스위치'라 칭함)가 될 수 있다.

본 발명에서는 운전자가 모드 선택 스위치(10)를 조작하여 조향모드를 선택할 경우 선택된 조향모드로 차량의 조향 제어가 수행되며, 운전자에 의해 조향모드가 선택된 상태에서, 운전자 조타가 있게 되면, 즉 운전자가 조향휠(12)을 회전조작하게 되면, 제어기(13)가 차륜별로 구비되는 구동모터(20) 및 전자클러치(30)의 작동을 제어하게 된다.

한편, 도 6과 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 통합형 차륜별 독립 구동 및 조향 시스템의 작동상태를 예시한 도면이다.

본 발명에서는 전술한 바와 같이 제어기(13)에 의해 선택된 차륜의 전자클러치(30)의 록(잠금)이 해제되고, 이 상태에서 제어기(13)에 의해 구동모터(20)의 회전방향 및 회전속도가 제어됨으로써, 해당 구동모터(20)가 장착된 차륜(7)의 지면 구름(지면에서의 타이어 구름)이 제어되는바, 이렇게 선택된 차륜(7)의 지면 구름이 제어됨으로써 해당 차륜의 방향이 변경 및 설정되는 조향(즉, 차륜 정렬)이 이루어지게 된다.

본 발명에 따른 차량에서는 상기와 같이 차륜의 진행 방향 및 궤적을 결정하기 위한 선택된 차륜(7)의 조향(타이어의 방향 회전)이 수행되고 나면, 전자클러치(30)는 다시 록 상태로 제어되고, 이후 각 차륜의 구동모터(20)가 구동 제어됨으로써 차륜(타이어)(7)이 구름 회전하여 차량의 주행이 이루어질 수 있게 된다.

차량이 주행 중일 때, 운전자가 조향휠(12)을 우측으로(시계방향으로) 회전시킨다면, 차량 우회전 선회를 위해, 제어기(13)가 전륜의 전자클러치(30)를 록 해제한 후, 전륜의 좌측륜(FL)과 우측륜(FR)이 모두 정회전을 하고 있는 상태이므로, 도 6에 나타낸 바와 같이, 전륜의 구동모터(20)를 제어하여, 전륜의 좌측륜(FL) 차륜 속도(구름 회전 속도)는 점차 증가시키고, 전륜의 우측륜(FR) 차륜 속도(구름 회전 속도)는 점차 감소시킨다.

또는, 선회 모드시, 차량 주행 중인 경우, 상기 조향 입력 정보로부터 결정되는 선회 방향에 따라 전륜의 좌측륜(FL)과 우측륜(FR) 중 선택된 하나의 클러치 마찰력이 증가하고 다른 하나의 클러치 마찰력이 감소하도록 상기 좌측륜(FL)의 전자클러치(30)와 우측륜(FR)의 전자클러치를 각각 개별 제어한다.

하지만, 차량이 정차한 상태일 때, 운전자가 조향휠(12)을 우측으로(시계방향으로) 회전시킨다면, 우회전 선회를 위한 차륜 정렬을 위해, 제어기(13)가 전륜의 전자클러치(30)를 록 해제한 후, 전륜의 구동모터(20)를 제어하여, 전륜의 좌측륜(FL)은 정회전시키고, 전륜의 우측륜(FR)은 역회전시킴으로써, 전륜의 좌측륜 및 우측륜의 각 차륜지지축(6)이 각 차륜의 조향축(5)을 중심으로 도면상 시계방향으로 선회하도록 한다.

이 상태에서 전자클러치(30)가 다시 록 상태가 된 뒤, 각 차륜의 구동모터(20)가 구동하면, 각 차륜(바퀴, 타이어)(7)이 지면을 구름 이동하게 되면서 차량은 우측으로 선회하게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 차량에서는 전자클러치(30)의 록 해제 상태에서 운전자가 원하는 차량 진행 방향(센서 검출 정보인 조향각으로부터 결정됨)에 맞추어 차륜 정렬이 이루어지고 나면 전자클러치(30)가 다시 록 상태가 되고, 이어 구동모터(20)의 구동으로 차륜(7)이 지면에서 구름 회전하게 될 때 차륜의 정렬 상태에 따라 정해진 방향으로 차량이 진행할 수 있게 된다.

도 6은 차량이 선회할 수 있는 상태를 예시한 것으로, 선회 모드시의 차륜 정렬 상태를 예시한 것이며, 운전자가 모드 선택 스위치(10)를 조작하여 선회 모드를 선택한 경우 수행될 수 있는 차륜 정렬 상태를 나타내고 있다.

운전자에 의해 선회 모드가 선택 및 입력되고 나면, 제어기(13)는 센서(12)에 의해 검출되는 조향각 등 정보에 기초하여 차량의 진행 방향 및 차륜의 조향 방향을 결정하고, 선회를 위한 차륜 정렬 제어를 실시한다.

전술한 바와 같이, 제어기(13)는 선회를 위한 차륜 정렬 제어를 실시한 뒤, 실제 차량의 진행을 위해 각 차륜의 구동모터(20)를 구동하여 차륜의 구름 회전이 이루어지게 한다.

도 7은 차량이 제자리 회전할 수 있는 상태를 나타낸 것으로, 제자리 회전 모드시의 차륜 정렬 상태를 예시한 것이며, 차량의 제자리 회전은 운전자가 모드 선택 스위치(10)를 조작하여 제자리 회전 모드를 선택한 경우 제어기(13)의 제어하에 수행될 수 있다.

운전자에 의해 제자리 회전 모드가 선택되고 나면, 차량이 정차한 상태에서 제어기(13)는 각 차륜의 구동모터(20)와 전차클러치(30)의 작동을 제어하여 먼저 도 7과 같은 제자리 회전 모드의 상태가 되도록 각 차륜(7)을 정렬하게 된다.

즉, 도 7과 같은 차륜의 조향 상태를 만들어주기 위해 제어기(13)는 각 차륜마다 설치된 전자클러치(30)의 록을 해제한 뒤, 각 차륜의 구동모터(20)를 작동시켜 전체 차륜(타이어)(7)을 정해진 방향으로 구름 회전시키게 된다.

이때, 제어기(13)는 각 차륜의 구동모터(20)에 대해 회전방향을 제어하여, 전륜의 좌측륜(FL)과 전륜의 우측륜(FR)은 정회전되도록 하고, 후륜의 좌측륜(RL)과 후륜의 우측륜(RR)은 역회전되도록 한다.

이로써, 각 차륜(7)의 차륜지지축(6)이 조향축(5)을 줌심으로 도 7과 같이 선회하게 되며, 전륜의 차륜지지축(6)은 좌측륜(FL)과 우측륜(FR) 모두 차체 전방을 향해 선회하고, 이때 전륜의 좌측륜(FL)의 차륜지지축(6)은 조향축(5)을 중심으로 시계향으로, 전륜의 우측륜(FR)의 차륜지지축(6)은 조향축(5)을 중심으로 좌측륜과 반대방향인 반시계향으로 선회한다.

반면, 후륜의 차륜지지축(6)은 좌측륜(RL)과 우측륜(RR) 모두 차체 후방을 향해 선회하고, 이때 후륜의 좌측륜(RL)의 차륜지지축(6)은 조향축(5)을 중심으로 반시계방향으로, 후륜의 우측륜(RR)의 차륜지지축(6)은 조향축(5)을 중심으로 좌측륜과 반대방향인 시계방향으로 선회한다.

이어 차륜지지축(6)이 조향축(5)을 중심으로 45°의 각도만큼 선회한 상태가 되도록 정해진 구동위치 또는 구동량만큼 각 차륜의 구동모터(20)가 구동되고 나면, 제어기(13)는 구동모터(20)의 구동을 중지시키고, 이어 각 차륜의 전자클러치(30)를 다시 록 시키게 된다.

이로써, 상기와 같이 차량의 제자리 회전을 위한 차륜 정렬 제어가 완료되고 나면, 제어기(13)가 각 차륜의 구동모터(20)를 구동시켜 차륜지지축(6)을 중심으로 차륜(타이어)(7)를 구름 회전시킴으로써 차량이 실제 제자리 회전을 하도록 한다.

도 7과 같은 제자리 회전을 위한 차륜 정렬 상태에서, 전륜과 후륜의 각 우측륜(FR,RR)을 정회전시키고, 동시에 전륜과 후륜의 각 좌측륜(FL,RL)을 역회전시키면, 차량은 도면상에서 반시계방향으로 회전된다.

반면, 도 7과 같은 제자리 회전을 위한 차륜 정렬 상태에서, 전륜과 후륜의 각 좌측륜(FL,RL)을 정회전시키고, 동시에 전륜과 후륜의 각 우측륜(FR,RR)을 역회전시키면, 차량은 도면상에서 시계방향으로 회전된다.

상기와 같이 본 발명에 따른 차량에서 차륜의 정렬 및 그 제어는, 전자클러치(30)의 록을 해제한 상태에서, 선회나 직진, 제자리 회전을 위해 차륜지지축(6)을 조향축(5)을 중심으로 회전 및 선회시켜 차륜의 방향을 정렬 및 조향하고, 이후 다시 전자클러치(30)를 록 시키는 일련의 과정 및 제어라 할 수 있다.

물론, 전술한 바와 같이 차량 주행 중 선회시에는 전륜의 좌측륜 속도를 증가 또는 감소시키고 전륜의 우측륜 속도롤 좌측륜과 반대로 감소 또는 증가시키는 방법으로 차륜(7)의 정렬과 구름 회전이 구분 없이 실시될 수도 있다.

본 발명에 따른 차량에서 제어기(13)는 차륜지지축(6)의 선회각도를 구동모터(20)의 구동을 제어하기 위한 입력변수로서 이용할 수도 있으며, 이를 위해 각 조향축(5)에서 특정 각도를 기준으로 하는 차륜지지축(6)의 선회각도를 검출할 수 있는 각도센서가 각 차륜마다 구비될 수도 있다.

여기서, 특정 각도는 차륜지지축(6)의 기준위치를 각도로 정해놓은 것으로서, 0°로 정해질 수 있고, 예를 들어 도 7에서 차륜지지축(6)이 도면상 수평으로 위치해 있을 때의 차륜지지축(6) 각도를 0°로 설정하는 것이 가능하다.

이하의 설명에서, 도 7에 예시한 바와 같이 차륜지지축(6)의 각도가 음(-)의 값인 것은, 차륜지지축(6)이 수평 위치의 각도 0°를 기준으로 반시계방향으로 회전한 것을 의미하는 것일 수 있다(도 7 참조).

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 차량 및 그 차량에 구비되는 통합형 차륜별 독립 구동 및 독립 조향 시스템의 구성에 대해 설명하였는바, 이하에서는 차량의 조향 제어 방법에 대해 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.

도 8은 운전자에 의해 선회 모드가 선택되었을 때의 제어 과정을 나타내고, 도 9는 제자리 회전 모드가 선택되었을 때의 제어 과정을 나타낸다.

먼저, 도 8을 중심으로 선회 모드 시 제어 방법에 대해 설명하면, 운전자가 모드 선택 스위치(10)를 조작하여(S11) 선회 모드를 선택 및 입력한 경우, 제어기(13)는 운전자에 의해 선회 모드가 선택되었음을 확인하고(S12), 이어 선회를 위한 차륜 정렬 제어를 시작한다(S12).

차륜 정렬 제어가 시작되면, 제어기(13)는 센서(12)에 의해 검출되는 조향각 및 조향각속도의 실시간 정보를 이용하여 차륜 정렬 제어를 실시한다.

여기서, 조향각은 조향각 센서(12)에 의해 검출될 수 있고, 조향각속도는 조향각 센서(12)의 신호(조향각)를 시간에 대해 미분하여 얻어질 수 있다.

이러한 조향각과 조향각속도는 운전자의 조향휠(12) 조작 상태(운전자 조타 상태)를 나타내는 운전자 조향 입력 정보이다.

이어, 제어기(13)는 운전자 조타 상태에 따라 필요한 차륜의 클러치(30)를 해제하고(도 8에서 클러치 해제 단계를 특정 위치로 나타내지는 않았음), 필요한 차륜의 구동모터(20)를 구동하여 차량 선회를 위한 차륜 정렬을 실시한다.

보다 상세히는, S15 단계에서 제어기(13)는 조향각속도가 0이면 현재 운전자에 의한 조향휠(12)의 조작이 이루어지지 않고 있는 것으로 판단한다.

이때, 제어기(13)는 각도 오차를 보상하기 위한 차륜 속도 제어를 실시하며(S16), 이때 전륜(FL,FR)의 클러치(30)를 해제한 뒤, 조향각과 전륜의 차륜각이 같아지도록, 즉 각도 오차가 0이 되도록 전륜의 구동모터(20), 보다 구체적으로는 전륜의 좌측륜(FL)과 우측륜(FR)의 구동모터(20)를 구동 제어한다.

여기서, 각도 오차는 조향각 센서(12)에 의해 검출되는 조향각과 전륜의 차륜각의 차이로 정의될 수 있다.

이하의 설명에서 차륜각(타이어각)은 차량 전후방향 축선을 기준으로 하는 타이어(7)의 각도(도 5에서 'a'임)를 의미하고, 차륜각(a)은 차륜지지축(6)이 조향축(5)을 중심으로 회전한 각도에 따라 결정되며, 따라서 차륜각이 조향각과 일치하도록 구동모터(20)의 구동을 제어하여 차륜지지축(6)을 회전시킨다.

반면, 조향각속도가 0보다 크다면 운전자가 차량의 우회전을 위해 조향휠(12)을 시계방향으로 회전시키고 있는 것이며, 조향각속도가 0보다 작다면 운전자가 차량의 좌회전을 위해 조향휠(12)을 반시계방향으로 회전시키고 있는 것이다.

따라서, 조향각속도가 0보다 크다면, 제어기(13)는 센서(12)를 통해 실시간 정보로 취득되는 조향각 및 조향각속도 정보를 이용하여 차량의 우회전을 위한 차륜 정렬 상태가 되도록 전륜의 구동모터(20) 및 클러치(30)를 제어한다(S17,S18).

반대로, 조향각속도가 0보다 작다면, 제어기(13)는 센서(12)를 통해 실시간 정보로 취득되는 조향각 및 조향각속도 정보를 이용하여 차량의 좌회전을 위한 차륜 정렬 상태가 되도록 전륜의 구동모터(20) 및 클러치(30)를 제어한다(S19,S20).

상기와 같이 운전자의 조향휠(12) 조작 상태에 따라 결정된 방향으로 차량 선회를 위한 차륜 정렬 상태가 완료되고 나면, 각도 오차가 0인지를 다시 한번 확인한 뒤(S21), 클러치(30)를 록(잠금) 시키게 된다(S22).

S18 단계 및 S20 단계에서 후륜의 경우에도 구동모터를 구동하여 구름 회전을 하도록 하며, 결국 차량 주행 동안 차륜 정렬 제어기 시작되었다면 전륜(FL,FR)의 차륜지지축(6)이 선회하는 차륜 정렬과 동시에 차량의 선회가 동시에 이루어질 수 있다.

만약, 차량이 정차 상태에서 차륜 정렬 제어가 시작되었다면, S22 단계까지의 차륜 정렬 제어가 완료된 후, 제어기(13)가 전체 차륜의 구동모터(20)를 구동하여 전체 차륜(7)이 구름 회전되면서 차량이 선회 이동을 하게 되며, 이때 차량은 운전자의 조향휠(12) 조작에 따른 방향 및 각도로 선회 이동하게 된다.

본 발명의 실시예에서, 차량 선회를 위한 차륜 정렬 제어시에는, 제어기(13)가 목표로 하는 클러치 해제량(클러치 마찰력 또는 구속력을 의미함) 및 차륜 속도(차륜의 구름 회전 속도를 의미함) 증가량을 결정하고, 상기 결정된 목표 클러치 해제량과 목표 차륜 속도 증가량을 추종하도록 전륜의 클러치(30) 및 전륜의 구동모터(20)의 작동을 제어한다.

여기서, 목표로 하는 차륜 속도 증가량을 결정함에 있어 차량의 선회 방향, 즉 차량의 좌회전과 우회전을 구분하여 전륜의 좌측륜(FL)과 우측륜(FR)의 목포 차륜 속도 증가량이 각기 다른 값으로 결정될 수 있다.

하기 식들은 우회전 선회시 전륜의 좌측륜(FL) 차륜 속도 증가량과, 전륜의 우측륜(FR) 차륜 속도 증가량, 그리고 전륜의 좌측륜(FL) 클러치 해제량과 전륜의 우측륜(FR) 클러치 해제량을 계산할 수 있는 식들의 예를 나타낸다.

여기서, 각 부호의 설명은 아래와 같다.

위의 식들은 우회전 선회시 차륜 속도 증가량과 클러치 해제량을 계산하는 식들이나, 좌회전 선회시의 경우라면, 전륜의 좌측륜(FL) 차륜 속도 증가량을 계산하는 식에서 P_V _{_FL}의 앞에 '-'가 추가(-1을 곱함)되고, 대신 전륜의 우측륜(FR) 차륜 속도 증가량을 계산하는 식에서 P_V _{_FL}의 앞에 '-'가 삭제된다.

도 10은 본 발명에서 조향각, 조향각속도, 전륜의 좌측륜(FL) 차륜 속도 증가량, 전륜의 좌측륜 차륜 클러치 해제량, 그리고 전륜의 좌측륜 차륜각을 예시한 것이다.

한편, 운전자가 모드 선택 스위치(10)를 조작하여 제자리 회전 모드를 선택 및 입력한 경우, 도 9에 나타낸 바와 같이, 제어기(13)는 S12 단계에서 제자리 회전 모드가 선택된 것을 확인한 후, 차량의 정차 상태인지를 확인한다(S23).

이어 전륜과 후륜의 각 클러치(30)를 해제한 후(S24), 각 차륜의 구동모터(20)를 구동 제어하여 차륜각을 도 7과 같은 제자리 회전 모드의 각도로 변경하고, 이를 통해 제자리 회전 모드의 차륜 정렬 상태가 되도록 한다(S25).

이후 제어기(13)는 클러치(30)를 다시 록(잠금) 시키고(S26), 조향각 센서(12)에 의해 검출되는 조향각 정보를 이용하여 각 차륜의 구동모터(20)를 제어함으로써 차륜별 속도 제어를 실시한다.

이때, 제어기(13)는 운전자가 추가로 선택한 회전 제어모드를 확인한 후(S27), 선택된 회전 제어모드에 따라 구분된 제어 과정을 수행할 수 있다.

즉, 운전자가 위치 제어 기반의 회전 제어모드를 선택한 경우, 검출된 조향각에 비례하여 차륜별 속도 제어를 실시하고(S28,S29), 이어 차륜 궤적(도 5 참조)으로 차량 회전 각도를 계산한 후(S30), 운전자 조향휠(12) 조작 상태에 따른 조향각과 차량 회전 각도가 같아지는 경우(S31), 제자리 회전 모드 제어를 종료하여 차량의 제자리 회전을 중지한다.

예를 들어, 운전자가 조향휠(12)을 90°위치로 회전시킨다면, 차륜의 각 구동모터(20)를 동시에 구동하여 4륜이 모두 구름 회전하도록 하는데, 이때 제어기(13)가 차륜 궤적으로부터 차체 회전 각도가 90°가 됨을 판단하여 구동모터(20)의 구동을 중지한다.

반면, 운전자가 속도 제어 기반의 회전 제어모드를 선택한 경우, 검출된 조향각에 비례하여 차륜별 속도 제어를 실시하고(S32,S33), 조향각이 0이 되면(S34) 제자리 회전 모드 제어를 종료하여 차량의 제자리 회전을 중지한다.

예를 들어, 운전자가 조향휠(12)을 10°로 회전시키면 10rad/sec로 차체가 회전하도록 각 구동모터(20)를 제어하고, 20°로 회전시키면 20rad/sec로 차체가 회전하도록 각 구동모터(20)를 제어하며, 운전자가 조향휠(12)을 0°의 위치에 놓게 되면 제자리 회전 제어 모드 제어를 종료한다.

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.

5 : 조향축
6 : 차륜지지축
7 : 차륜(타이어)
10 : 입력장치(모드 선택 스위치)
11 : 조향휠
12 : 센서
13 : 제어기
14 : 배터리
20 : 구동모터
30 : 전자클러치

Claims

조향휠;
운전자의 조향휠 조작에 따른 조향 입력 정보를 검출하는 센서;
차륜별로 차체에 구비된 각 조향축을 중심으로 선회 가능하도록 설치되고, 각각 해당 차륜이 회전 가능하게 장착된 차륜지지축;
차량 구동을 위한 제어신호와 함께, 상기 센서에 의해 검출되는 조향 입력 정보에 기초하여 차량 조향을 위한 제어신호를 출력하는 제어기;
차륜별로 각 차륜지지축과 조향축 사이에 설치되어, 상기 각 차륜지지축을 선회하지 못하도록 조향축에 록 시키거나, 상기 각 차륜지지축의 선회가 가능하도록 차륜 지지축과 조향축의 록을 해제하는 전자클러치; 및
상기 각 차륜지지축에서 차륜을 회전시키는 차륜별 구동모터를 포함하고,
상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 상기 전자클러치 및 구동모터의 작동이 제어됨으로써 차륜별 구동 및 조향이 수행되는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 1에 있어서,
상기 차량 조향을 위해, 상기 제어기는,
방향을 변경하고자 하는 차륜측의 전자클러치에 대한 록을 해제하고,
상기 전자클러치의 록이 해제된 차륜측 구동모터를 구동 제어하며,
상기 록을 해제한 전자클러치를 다시 록 상태로 작동시키기 위한 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 1에 있어서,
상기 차량 조향을 위해, 상기 제어기는,
전체 차륜 중 선택된 차륜측의 전자클러치와 구동모터를 차륜별 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 센서는 조향각 센서이고,
상기 조향 입력 정보는,
상기 조향각 센서에 의해 검출되는 조향각; 및
상기 조향각을 시간에 대해 미분하여 얻어지는 조향각속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 1에 있어서,
운전자가 조향모드를 선택 및 입력하기 위한 입력장치를 더 포함하고,
상기 제어기는 입력장치를 통해 선택 및 입력된 조향모드에 따라 상기 검출되는 조향 입력 정보에 기초하여 전체 차륜 중 선택된 차륜측의 전자클러치 및 구동모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 5에 있어서,
상기 조향모드는 차량을 선회시키기 위한 선회 모드와, 차량을 제자리에서 회전시키기 위한 제자리 회전 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 6에 있어서,
상기 제어기는,
선회 모드시, 차량 주행 중인 경우,
상기 조향 입력 정보로부터 결정되는 선회 방향에 따라 전륜의 좌측륜과 우측륜 중 선택된 하나의 회전속도를 증가시키고 다른 하나의 회전속도를 감소시키도록 상기 좌측륜의 구동모터와 우측륜의 구동모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 7에 있어서,
상기 제어기는 좌측륜의 구동모터와 우측륜의 구동모터를 상기 조향 입력 정보로서 조향각 및 조향각속도를 이용하여 구동 제어하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 8에 있어서,
상기 제어기는 상기 조향각과 좌측륜의 차륜각 사이의 각도 오차, 및 상기 조향각과 우측륜의 차륜각 사이의 각도 오차를 더 이용하여 각 구동모터를 구동 제어하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 6에 있어서,
상기 제어기는.
선회 모드시, 차량 주행 중인 경우,
상기 조향 입력 정보로부터 결정되는 선회 방향에 따라 전륜의 좌측륜과 우측륜 중 선택된 하나의 클러치 마찰력이 증가하고 다른 하나의 클러치 마찰력이 감소하도록 상기 좌측륜의 전자클러치와 우측륜의 전자클러치를 제어하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 10에 있어서,
상기 제어기는 좌측륜의 전자클러치와 우측륜의 전자클러치를 상기 조향 입력 정보로서 조향각 및 조향각속도를 이용하여 제어하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 11에 있어서,
상기 제어기는 상기 조향각과 좌측륜의 차륜각 사이의 각도 오차, 및 상기 조향각과 우측륜의 차륜각 사이의 각도 오차를 더 이용하여 각 전자클러치를 제어하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 6에 있어서,
상기 제어기는,
제자리 회전 모드시,
차량 정차 상태를 확인하고,
차량 정차 상태이면, 각 차륜의 전자클러치를 모두 록 해제하며,
상기 각 차륜의 전자클러치를 모두 록 해제한 상태에서, 전륜의 차륜지지축은 좌측륜과 우측륜 모두 차체 전방을 향해 선회하도록, 그리고 후륜의 차륜지지축은 좌측륜과 우측륜 모두 차체 후방을 향해 선회하도록, 상기 각 차륜의 구동모터를 제어한 후,
상기 각 전자클러치를 모두 록 시키는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 13에 있어서,
상기 제어기는,
상기 전륜의 차륜지지축이 차체 전방을 향해 선회하도록 상기 전륜측의 구동모터를 동시에 정방향으로 회전시키고,
상기 후륜의 차륜지지축이 차체 후방을 향해 선회하도록 상기 후륜측의 구동모터를 동시에 역방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 13에 있어서,
상기 제어기는,
상기 각 전자클러치를 모두 록 시킨 후 상기 조향 입력 정보인 조향각에 비례하여 각 차륜의 속도가 제어되도록 구동모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 15에 있어서,
상기 제어기는,
상기 조향각에 비례하여 각 차륜의 속도가 제어되도록 구동모터의 구동을 제어하는 동안, 차륜 궤적으로 차량 회전 각도를 계산하고, 상기 계산된 차량 회전 각도가 상기 조향각과 같아지는 경우, 제자리 회전 모드 제어를 종료하여 차량의 제자리 회전을 중지하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.
청구항 15에 있어서,
상기 제어기는,
상기 조향각에 비례하여 각 차륜의 속도가 제어되도록 구동모터의 구동을 제어하는 동안, 검출되는 조향각이 0이 되면, 제자리 회전 모드 제어를 종료하여 차량의 제자리 회전을 중지하는 것을 특징으로 하는 차륜별 독립 조향이 가능한 차량.