KR20210082155A - 핸들각 제어 장치 - Google Patents

Abstract

차량의 차륜에 편각을 부여하여 차량의 조타계에 회전 각도인 핸들각을 입력하는 입력축을 구동하는 모터와, 입력축의 핸들각을 측정 각도로서 검출하는 각도 센서를 구비하는 조타 구동 장치에 대해, 측정 각도가 목표 각도에 추종하도록 모터를 제어하는 핸들각 제어 장치(23)에 있어서, 각도 센서에 의해 검출된 측정 각도를 취득하는 측정 각도 취득부(232); 목표 각도와 측정 각도의 편차 각도가, 목표 각도에 대해 입력축의 변위 방향으로부터 역방향으로 소정 각도를 갖는 감쇠 임계값 이하로 목표 각도에 근접하고 있는지 여부를 판정하는 제1 판정부(233a); 편차 각도가 감쇠 임계값 이하로 근접하고 있는 경우, 편차 각도에 비례하여 각속도를 감쇠시키는 감쇠 제어칙을 기초로 모터의 각속도를 제어하는 각속도 제어부(234);를 구비했다.

Description

핸들각 제어 장치

본 발명의 실시 형태는 차량의 핸들각을 제어하는 기술에 관한 것이다.

종래, 농작업의 효율화를 목적으로 트랙터나 벼 이앙기 등의 농작업용 차량을 지정된 주행 경로에 추종시키는 자동 조타 기술이 알려져 있다. 이러한 자동 조타가 이루어지는 대상 차량에는, 자동 조타에 대응한 기구가 설비된 것과, 자동 조타에 대응하지 않고 수동으로 핸들 조작을 수행하는 기구만이 설비된 수동용 차량이 있다.

수동용 차량은 조타계에 조타 토크로서의 회전력을 입력하는 입력축을 회전시켜 수동 조타하기 위한 스티어링 핸들이 입력축으로부터 분해 가능하도록 되어 있다. 이에, 입력축과 스티어링 핸들의 사이에 입력축을 소정 핸들각으로 회전 구동시키는 조타 구동 장치를 짜 넣고, 이 조타 구동 장치를 제어함으로써 수동용 차량을 자동 조타에 대응시키는 것이 가능해진다.

이러한 수동용 차량을 조타 구동 장치에 의해 제어하는 기술로서, 위치 지시 신호를 수신하는 수신기, 위치 지시 신호를 기초로 조타 제어 신호를 생성하는 조타 제어 장치, 스티어링 샤프트 및 이를 회전시키는 스티어링 휠과 동축인 구동축 주위에 토크를 생성하고, 조타 제어 신호에 응답하여 조타 어셈블리를 직접 구동하는 구동 어셈블리를 포함하는 차량 안내 시스템이 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).

국제공개 제2010/139013호

상술한 바와 같은 작업 차량의 자동 조타는 목표로 하는 주행 경로 위에 작업 차량을 위치시키도록 작업 차량의 조타각을 제어하는 조타각 제어와, 이 조타각을 기초로 하는 핸들각이 입력축에 전달되도록 조타 구동 장치를 제어하는 핸들각 제어를 포함한다. 이 핸들각 제어에서는, 측정된 핸들각과 목표값으로서의 핸들각을 일치시키도록 핸들각의 각속도가 사다리꼴 제어된다.

그러나, 단순히 핸들각의 각속도를 사다리꼴 제어한 경우, 핸들각의 오버 슛이나 언더 슛이 빈번히 발생하여, 이들을 수정하기 위한 제어가 발생하게 된다는 문제가 있다. 이러한 제어가 발생하면, 작업 차량의 자동 조타에서 작업 차량의 사행(蛇行)이 생겨 주행 경로에 대한 추종성이 저하된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 핸들각의 오버 슛이나 언더 슛을 수정하는 제어의 발생을 저감할 수 있는 핸들각 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해, 본 실시 형태의 핸들각 제어 장치는 차량의 차륜에 편각을 부여하여 상기 차량의 조타계에 회전 각도인 핸들각을 입력하는 입력축을 구동하는 모터와, 상기 입력축의 핸들각을 측정 각도로서 검출하는 각도 센서를 구비하는 조타 구동 장치에 대해, 상기 측정 각도가 목표 각도에 추종하도록 상기 모터를 제어하는 핸들각 제어 장치에 있어서, 상기 각도 센서에 의해 검출된 상기 측정 각도를 취득하는 측정 각도 취득부; 상기 목표 각도와 상기 측정 각도의 편차 각도가, 상기 목표 각도에 대해 상기 입력축의 변위 방향으로부터 역방향으로 소정 각도를 갖는 감쇠 임계값 이상 이하로 상기 목표 각도에 근접하고 있는지 여부를 판정하는 제1 판정부; 상기 편차 각도가 상기 감쇠 임계값 이하로 근접하고 있는 경우, 상기 편차 각도에 비례하여 각속도를 감쇠시키는 감쇠 제어칙을 기초로 상기 모터의 각속도를 제어하는 각속도 제어부;를 구비한다.

본 발명에 의하면, 핸들각의 오버 슛이나 언더 슛을 수정하는 제어의 발생을 저감할 수 있다.

도 1은 실시 형태에 따른 농업용 트랙터의 구성을 나타내는 개략 측면도이다.
도 2는 실시 형태에 따른 자동 조타 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 핸들각 제어 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 핸들각 제어 장치의 기능 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는 핸들각 제어 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 핸들각 제어에서의 각속도 및 측정 각도를 나타내는 그래프이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.

(대상 차량 및 자동 조타 시스템의 구성)

우선, 본 실시 형태에 따른 자동 조타 시스템과, 이 자동 조타 시스템에 의해 자동 조타되는 대상 차량에 대해 설명한다. 도 1은 실시 형태에 따른 농업용 트랙터의 구성을 나타내는 개략 측면도이다. 도 2는 실시 형태에 따른 자동 조타 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블럭도이다.

본 실시 형태에 따른 자동 조타 시스템의 조타 대상으로서의 차량은 작업차이며, 구체적으로는 도 1에 나타내는 바와 같은 농업용 트랙터(1)로 한다. 이 트랙터(1)는 차체(10)와, 2개의 전륜(11)과 2개의 후륜(12)을 구비하는 4륜 차량으로 하지만, 조타 가능한 차량이라면 어떠한 차량이어도 무방하다. 또한, 트랙터(1)는 운전자가 앉기 위한 좌석(13), 도시하지 않는 작업기를 연결 접속하는 링크 기구(14), 스티어링 칼럼(15), 스티어링 핸들(16), 조타 구동 장치(17), 액셀레이터, 브레이크 등을 포함하는 페달류(18), 지붕부(19)를 구비한다.

스티어링 칼럼(15) 내에는 전륜(11)에 조타각으로서의 편각을 부여하여 트랙터(1)를 조타하는 조타계가 구비되며, 스티어링 핸들(16) 또는 조타 구동 장치(17)에 의한 핸들각을 조타계에 입력하기 위한 입력축(151)이 내장되어, 이 입력축(151)의 회전을 기초로 하는 조타각이 전륜(11)에 부여된다. 조타 구동 장치(17)는 자동 조타 제어를 하기 위한 구성이 구비되어 있지 않은 수동 조타를 전제로 한 트랙터(1)를 자동 조타하기 위해 덧붙여지는 장치이며, 상방에서는 스티어링 핸들(16)이 장착되는 동시에, 하방에서 조타계의 입력축(151)의 상단부가 감합된다. 지붕부(19)는 차체(10)에서 전후 좌우로 상이한 위치에 마련된 4개의 지지 프레임 위에 재치되는 전체적으로 대략 평판상의 부재이다.

지붕부(19)의 상면에는 적어도 GNSS(Global Navigation Satellite System)와 자이로 센서를 포함하는 센서류(21)가 마련된다. 이 센서류(21)는 적어도 차량의 위치와 주행면 위의 차량의 방위를 검출하는 것이면 어떠한 센서를 포함하는 것이어도 무방하다. 또한, 지붕부(19)를 지지하는 지지 프레임 중, 전방에 위치하는 하나의 지지 프레임에는 트랙터(1)의 자동 조타를 제어하는 자동 조타 제어 장치(22)가 마련된다.

자동 조타 시스템은 도 2에 나타내는 바와 같이, 조타계에서의 입력축(151)을 구동하는 조타 구동 장치(17), 센서류(21), 자동 조타 제어 장치(22), 도 1에 도시되지 않는 핸들각 제어 장치(23)로 구성된다.

조타 구동 장치(17)는 입력축(151)에 구동력을 전달하는 전달축(171), 전달축(171)을 구동하는 스테핑 모터인 모터(172), 전달축(171)의 회전 각도, 즉 입력축(151)의 회전 각도를 핸들각으로서 검지하는 로터리 인코더인 각도 센서(173)를 구비한다. 아울러, 모터(172)는 입력축(151)을 회전시키기에 충분한 토크를 출력 가능한 모터이면 어떠한 종류의 모터여도 무방하다. 또한, 본 실시 형태에서, 각도 센서(173)의 분해능에 따른 각도 센서(173)의 최소 측정 단위는 1°로 한다.

자동 조타 제어 장치(22)는 센서류(21)에 의한 검출값을 기초로 조타각을 출력하고, 핸들각 제어 장치(23)는 자동 조타 제어 장치(22)에 의해 지시된 조타각을 기초로 조타 구동 장치(17)를 피드백 제어한다. 여기서, 조타 구동 장치(17)는 각도 센서(173)에 의해 검지된 회전 위치가 원하는 회전 위치가 되는 핸들각을 목표 각도로 한 모터(172)의 제어에 의해 전달축(171)을 구동시킨다.

이와 같이, 트랙터(1)에 대해 조타 구동 장치(17), 센서류(21), 자동 조타 제어 장치(22) 및 핸들각 제어 장치(23)를 덧붙여 설치함으로써, 수동 조타되도록 구성된 트랙터(1)에서 자동 조타를 실현하는 것이 가능해진다.

(핸들각 제어 장치의 구성)

핸들각 제어 장치의 하드웨어 구성 및 기능 구성에 대해 설명한다. 도 3, 도 4는 각각 핸들각 제어 장치의 하드웨어 구성, 기능 구성을 나타내는 블럭도이다.

핸들각 제어 장치(22)는 하드웨어로서, 도 3에 나타내는 바와 같이 CPU(Central Processing Unit, 31), RAM(Random Access Memory, 32), 기억 장치(33), 외부 I/F(Interface, 34)를 구비한다.

CPU(31) 및 RAM(32)은 협동하여 후술하는 각종 기능을 실행하며, 기억 장치(33)는 각종 기능에 의해 실행되는 처리에 이용되는 각종 데이터를 기억한다. 외부 I/F(34)는 외부 장치로서의 자동 조타 제어 장치(22), 모터(172), 각도 센서(173)와의 데이터 입출력을 수행한다.

또한, 핸들각 제어 장치(23)는 기능으로서, 도 4에 나타내는 바와 같이 목표 각도 산출부(231), 측정 각도 취득부(232), 측정 각도 판정부(233), 각속도 제어부(234)를 구비한다.

목표 각도 산출부(231)는 자동 조타 제어 장치(22)에 의해 출력된 조타각을 기초로 목표 각도로서의 핸들각을 산출한다. 측정 각도 취득부(232)는 각도 센서(173)에 의해 측정된 핸들각을 측정 각도로서 취득한다. 측정 각도 판정부(233)는 제1 판정부(233a) 및 제2 판정부(233b)를 가지며, 측정 각도 취득부(232)에 의해 취득된 측정 각도와, 목표 각도 산출부(231)에 의해 산출된 목표 각도의 편차인 편차 각도에 대해, 미리 설정된 값과의 비교를 통한 판정을 수행한다. 각속도 제어부(234)는 편차 각도가 저감되도록 모터(172)에 대해 각속도를 지시한다.

(핸들각 제어 장치의 동작)

핸들각 제어 장치의 동작에 대해 설명한다. 도 5는 핸들각 제어 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다. 도 6은 핸들각 제어에서의 각속도 및 측정 각도를 나타내는 그래프이다. 아울러, 도 5에 나타내는 흐름도에서는 90°의 목표 각도가 미리 산출되어 있는 것으로 한다. 또한, 도 5에 나타내는 동작은 소정 주기마다 실행되는 것으로 한다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 우선, 각속도 제어부(234)는 가속 제어칙을 기초로 하는 각속도를 지시함으로써 모터(172)를 제어한다(S101). 이 가속 제어칙을 기초로 하는 제어는 전달축(171)의 회전 시작 시, 회전 방향의 반전 시와 같이, 목표 각도가 갱신되는 상황에서 최초로 실행되는 제어이며, 즉 목표 각도의 갱신 직후에 실행되는 제어이다.

가속 제어칙은 도 6에 나타내는 바와 같이, 목표 각도의 갱신 직후의 구간 A에서, 하한 각속도부터 상한 각속도까지 일정한 각가속도로 각속도를 상승시키는 제어칙이다. 하한 각속도, 상한 각속도는 각각 전달축(171)의 회전에 걸리는 부하에 대한 토크 부족이 발생하지 않고, 전달축(171)을 회전 가능한 각속도의 범위의 하한, 상한으로 설정된다.

다음으로, 각속도 제어부(234)는 현행 각속도가 상한 각속도에 도달했는지 여부를 판정한다(S102).

현행 각속도가 상한 각속도에 도달한 경우(S102, YES), 각속도 제어부(234)는 유지 제어칙에 의한 각속도로 모터(172)를 제어한다(S103). 이 유지 제어칙은 도 6에 나타내는 바와 같이, 가속 제어칙을 기초로 하는 제어가 이루어지는 구간 A의 직후에 있는 구간 B에서, 각속도를 상한 각속도로 유지하는 제어칙이다.

다음으로, 제1 판정부(233a)는 편차 각도가 감쇠 임계값 이하인지 여부를 판정한다(S104). 도 6에 나타내는 바와 같이, 감쇠 임계값은 미리 설정된 목표 각도와의 이격 각도이며, 목표 각도에 대해 전달축(171)(입력축(151))의 변위 방향과는 반대측으로 소정 각도만큼 이격되는 각도로 설정된다. 여기서, 제1 판정부(233a)는 유지 제어칙에 의한 제어 중이면서, 측정 각도가 목표 각도에 대해 도달 또는 통과하지 않는 상태에서, 현행 편차 각도의 절대값이 양의 값으로 설정된 감쇠 임계값 이하인지를 판정한다.

편차 각도가 감쇠 임계값 이하인 경우(S104, YES), 제2 판정부(233b)는 편차 각도가 허용 편차 범위 내인지 여부를 판정한다(S105). 도 6에 나타내는 바와 같이, 허용 편차 범위는 목표 각도에 대해, 변위 방향 및 그 역방향으로 동등 각도만큼 이격되는 2개의 이격 각도인 제1 임계값 및 제2 임계값에 의해 설정되며, 이들 제1 임계값 및 제2 임계값의 절대값은 감쇠 임계값의 절대값보다 작은 값으로 설정된다. 또한, 허용 편차 범위에서의 2개의 편차 각도는 각각, 각도 센서(173)의 분해능에 따른 최소 측정 단위를 기초로 1°로 설정된다. 이러한 허용 편차 범위에 의한 판정에 있어서, 제2 판정부(233b)는 현행 편차 각도가 목표 각도에 대해 변위 방향측에 설정된 제1 임계값 이하로 목표 각도에 근접하는 경우, 또는 목표 각도에 대해 변위 방향과는 반대측에 설정된 제2 임계값 이하로 목표 각도에 근접하는 경우에, 편차 각도가 허용 편차 범위 내라고 판정한다.

편차 각도가 허용 편차 범위 내가 아닌 경우(S105, NO), 각속도 제어부(234)는 감쇠 제어칙을 기초로 하는 각속도를 지시함으로써 모터(172)를 제어한다(S106). 감쇠 제어칙은 도 6에 나타내는 바와 같이, 유지 제어칙을 기초로 하는 제어가 이루어지는 구간 B의 직후에 있는 구간 C에서, ω를 각속도, θ를 편차 각도, k를 예를 들어 10[1/s]로 설정되는 감쇠 계수로 하여, ω=-k·θ의 식을 기초로 하는 각속도ω에 의해 모터(172)를 제어한다.

한편, 편차 각도가 허용 편차 범위 내인 경우(S105, YES), 각속도 제어부(234)는 각속도를 제로로 하고(S107), 현행 목표 각도에 대한 모터(172)의 제어를 종료한다.

또한, 단계 S104에서, 편차 각도가 감쇠 임계값 이하가 아닌 경우(S104, NO), 각속도 제어부(234)는 유지 제어칙에 의한 각속도로 모터(172)를 제어한다(S103).

또한, 단계 S102에서, 현행 각속도가 상한 각속도에 도달하지 않은 경우(S102, NO), 각속도 제어부(234)는 가속 제어칙을 기초로 하는 각속도를 지시함으로써 모터(172)를 제어한다(S101).

상술한 모터(172)의 제어에 있어서, 가속 제어칙에 의한 제어에 의하면, 전달축(171)을 확실하게 회전시킬 수 있는 하한 각속도부터 상한 각속도까지 소정 각가속도에 의해 각속도가 가속됨으로써, 각속도의 불연속적인 급등을 억제할 수 있다.

또한, 감쇠 제어칙에 의해 각속도를 감쇠시킴으로써, 오버 슛이나 언더 슛을 수정하는 수정 제어의 발생을 저감할 수 있다. 또한, 편차 각도가 허용 편차 범위 내에 있으면, 편차 각도가 제로가 아니어도 목표 각도에 도달했다고 간주하여 현행 목표 각도에 대한 모터(172)의 제어를 정지함으로써, 오버 슛이나 언더 슛을 수정하는 수정 제어의 발생을 보다 확실히 저감할 수 있다. 또한, 수정 제어 발생의 저감에 의해, 핸들각의 제어에 관한 소비 전력을 저감할 수 있으며, 부품 마모를 억제하여 핸들각 제어 장치(23)의 수명을 늘릴 수 있고, 또한 스테핑 모터인 모터(172)의 탈조(脫調)를 억제할 수 있다.

아울러, 본 실시 형태에서는 핸들각 제어 장치(23)가 작업 차량(1)에 덧붙여진 조타 구동 장치(17)를 제어함으로써 전달축(171)을 통해 입력축(151)의 회전을 제어하는 것으로 했으나, 조타 구동 장치(17)는 입력축(151)을 직접 구동하는 것일 수도 있다.

본 발명의 실시 형태는 예로서 제시한 것으로, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이 신규한 실시 형태는 그 외 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 수행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함되는 동시에, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등 범위에 포함된다.

23: 핸들각 제어 장치
232: 측정 각도 취득부
233a: 제1 판정부
233b: 제2 판정부
234: 각속도 제어부

Claims (7)

1. 차량의 차륜에 편각을 부여하여 상기 차량의 조타계에 회전 각도인 핸들각을 입력하는 입력축을 구동하는 모터와, 상기 입력축의 핸들각을 측정 각도로서 검출하는 각도 센서를 구비하는 조타 구동 장치에 대해, 상기 측정 각도가 목표 각도에 추종하도록 상기 모터를 제어하는 핸들각 제어 장치에 있어서,
   상기 각도 센서에 의해 검출된 상기 측정 각도를 취득하는 측정 각도 취득부;
   상기 목표 각도와 상기 측정 각도의 편차 각도가, 상기 목표 각도에 대해 상기 입력축의 변위 방향으로부터 역방향으로 소정 각도를 갖는 감쇠 임계값 이하로 상기 목표 각도에 근접하고 있는지 여부를 판정하는 제1 판정부;
   상기 편차 각도가 상기 감쇠 임계값 이하로 근접하고 있는 경우, 상기 편차 각도에 비례하여 각속도를 감쇠시키는 감쇠 제어칙을 기초로 상기 모터의 각속도를 제어하는 각속도 제어부;
   를 구비하는 핸들각 제어 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 편차 각도가, 2개의 임계값에 의해 설정되어 상기 목표 각도를 포함하는 허용 편차 범위이며 상기 2개의 임계값 각각이 상기 감쇠 임계값보다 상기 목표 각도에 근접하는 상기 허용 편차 범위 내에 있는지 여부를 판정하는 제2 판정부;를 더 구비하고,
   상기 각속도 제어부는 상기 편차 각도가 상기 허용 편차 범위 내에 있다고 판정된 경우, 상기 모터의 각속도를 제로로 저감시키는 것을 특징으로 하는 핸들각 제어 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 2개의 임계값 각각의 상기 목표 각도로부터의 이격 각도는 상기 각도 센서의 측정 각도의 검출에 관한 분해능에서의 최소 단위인 것을 특징으로 하는 핸들각 제어 장치.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 각속도 제어부는 상기 목표 각도의 갱신 직후에, 하한값으로서 미리 설정된 하한 각속도부터 상한값으로서 미리 설정된 상한 각속도까지, 일정한 각가속도에 의해 각속도를 가속시키는 가속 제어칙을 기초로 상기 모터의 각속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 핸들각 제어 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 하한 각속도 및 상기 상한 각속도는 상기 입력축을 구동 가능한 토크를 상기 모터가 출력 가능한 각속도로 설정되는 것을 특징으로 하는 핸들각 제어 장치.
   
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 각속도 제어부는 상기 가속 제어칙에 의해 각속도가 상기 상한 각속도에 이른 후, 상기 상한 각속도로 각속도를 유지하는 유지 제어칙을 기초로 상기 모터의 각속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 핸들각 제어 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 판정부는 상기 유지 제어칙을 기초로 상기 모터의 각속도의 제어가 이루어지고 있는 상태에서, 상기 편차 각도가 상기 감쇠 임계값 이하로 상기 목표 각도에 근접하고 있는지 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 핸들각 제어 장치.
   

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