KR20220028401A - Mr클러치를 이용한 sbw시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MR클러치를 이용한 SBW시스템에 관한 것으로, MR클러치(10)에 수용된 MR유체(11)의 히스테리시스 특성을 이용하여 차량의 반력을 구현하는 MR반력장치(100)와; 상기 MR반력장치(100)에 의해 구현된 반력과 차량 동역학 모델을 통한 알고리즘을 실시간으로 연산하여 햅틱을 제어하는 시스템을 포함하여 차량의 주행중 운전자에게 이질감 없이 반력을 추종할 수 있도록 상기 MR반력장치(100)는 MR유체(11)를 수용하여 동력 전달을 단속하는 MR클러치(10)와; MR유체(11)의 히스테리시스를 불확실성으로 고려하여 외란에 강건하게 반력을 추종하는 슬라이딩모드제어기(110)를 포함하여 구성되며, 상기 시스템은 MR반력장치(100)를 포함하는 하드웨어(H/W)의 정보를 측정하는 DAQ장비(210)와; 차량동역학을 포함하는 소프트웨어와; 신호의 입출력을 담당하는 인터페이스와; DAQ장비(210)를 통해 측정된 하드웨어(H/W)의 정보들이 소프트웨어에 전달되어 실시간으로 연산하여 반력을 구현하기 위한 제어로직을 통해 목표반력값을 추정하고 MR반력장치(100)를 통해 햅틱제어를 수행하는 구성으로 운전자에게 노면 상태를 전달하여 운전자가 노면의 상태를 인지하고 조향을 조절할 수 있도록 차량의 핸들을 조향할 때 운전자에게 이질감 없는 반력을 제공할 수 있는 MR클러치를 이용한 SBW시스템에 관한 것이다.

Description

MR클러치를 이용한 SBW시스템{SBW system using MR clutch}

본 발명은 MR클러치를 이용한 SBW시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 운전자에게 노면 상태를 전달하여 운전자가 노면의 상태를 인지하고 조향을 조절할 수 있도록 차량의 핸들을 조향할 때 운전자에게 이질감 없는 반력을 제공할 수 있는 MR클러치를 이용한 SBW시스템에 관한 것이다.

현재까지 자율주행 자동차에 대한 연구는 수년간 활발히 진행되고 있으며, 최근에는 자동차 산업분야 외에 융합산업분야로 전세계 글로벌기업들의 신사업 동력으로 각광받고 있다.

이러한 자율주행 자동차는 기존에 EPS(Electric Power Steering; 자동 조향 제어)시스템이 아닌 새로운 형태의 조향제어시스템이 필요하다.

따라서, 무인주행과 같은 완전자율주행 기술이 개발이 되기 전까지는 조향휠의 제어권을 차량제어시스템과 운전자가 상황에 따라 각각 가지게 된다.

여기서, EPS시스템은 운전자의 조향휠 조작이 기계적인 연결을 통해 랙/피니언 기어 시스템에 전달되기에 자율주행을 위해 차량제어시스템의 제어권을 운전자로부터 가져오려고 할 때 제어권의 이양이 쉽지 않다.

하지만, 도 1과 같은 SBW(Steer-by-wire)시스템은 조향휠과 랙/피니언 기어 사이의 연결을 제거함으로써, 제어권의 이양과 같은 문제점을 해결할 뿐만 아니라 전기신호로 동작하기에 기존 EPS시스템의 느린 제어 응답속도를 개선할 수 있어 자율주행 차량용 조향제어시스템 개발에 큰 장점을 가지고 있다.

이외에도 EPS시스템의 불필요한 기계부품을 줄임으로써 경량화와 설계공간 확보가 용이해지는 장점이 있기 때문에 SBW시스템의 차세대 조향제어시스템으로 활발한 연구가 이루어지고 있다.

그리고, 전기적인 신호에 의해 조향제어가 용이한 SBW시스템에 경우 기계적인 연결 구조 없이 빠른 응답성과 자율주행시 제어권의 이양문제를 해결할 수 있다.

그러나, 노면에 의한 반력이 조향휠을 거쳐 운전자에게 직접 전달되지 않기 때문에 이질감이나 눈길주행과 같은 노면상황 판단에 어려움이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 반력구현과 같은 햅틱 인터페이스 기술이 필요하다.

햅틱 인터페이스 기술의 목표는 실제 환경의 물리적인 특성을 사용자가 MR반력장치를 통해 똑같이 느끼는 것이다.

따라서, SBW시스템용 햅틱 인터페이스 구축 연구는 외국의 연구개발도 아직 초기 단계이므로, 본 연구와 같이, 지능재료를 이용함으로써 기존의 연구가 갖는 한계성을 뛰어넘는 연구결과가 필요하다.

완성된 기술 개발 및 상용화를 위해 본 과제의 목표인 MR반력장치 개발에 끝내지 않고 통합 SBW 제어 시스템 구축을 목표로 삼는다. 이를 통해 보다 실차 조건에 가까운 환경에서 제안된 시스템을 평가한다. 또한 상용화를 위해서는 시스템의 Fail시에 대한 대비책 마련이 시급한데, 대표적인 시스템의 Fail 상황으로는 모터나 ECU등이 전자기적인 오류로 인한 동작불능이 있다. 이를 위해서 닛산 Q50의 SBW시스템은 이중 구조시스템을 도입하여 모터나 ECU의 Fail을 대비하였다. 하지만 이러한 이중 구조 시스템은 장비의 중복으로 인한 설계의 어려움과 제작단가의 상승을 초래한다. 이에 대한 해결책으로 클러치 메커니즘에 착안하여 MR반력장치의 동력이 조향휠 뿐만 아니라 랙/피니언 기어로 비상상황시 전달될 수 있도록 한다. 랙/피니언 기어의 조향 모터가 Fail시에도 MR반력장치의 동력을 통해 차량의 조향제어가 가능토록 한다.

기존에 SBW시스템에서 반력을 구현하고자 할 때, 사용되는 모터는 코깅 및 리플 현상, 마찰 및 빠른 회전 시 관성의 영향으로 인해 연속적이며 부드러운 출력토크를 얻기 어렵고, 토크 증폭을 위해 감속기를 사용하면 낮은 토크대역에서는 정밀한 제어성능을 얻기 어려우며 작동기 효율 또한 좋지 않다.

KR 10-2028616 B1 KR 10-1209717 B1

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 타이어를 통하여 전달되는 노면 반력의 크기에 비례하여 조향 반력 보정량을 산출하고, 이를 조향 반력에 부가함으로써, 운전자에게 노면 상태를 전달하여 운전자가 노면의 상태를 인지하고 조향을 조절할 수 있도록 차량의 핸들을 조향할 때 운전자에게 이질감 없는 반력을 제공할 수 있는 MR클러치를 이용한 SBW시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 MR클러치에 수용된 MR유체의 히스테리시스 특성을 이용하여 차량의 반력을 구현하는 MR반력장치와; 상기 MR반력장치에 의해 구현된 반력과 차량 동역학 모델을 통한 알고리즘을 실시간으로 연산하여 햅틱을 제어하는 차량의 주행중 운전자에게 이질감 없이 반력을 추종하는 것을 특징으로 하는 MR클러치를 이용한 SBW시스템을 제공한다.

상기 MR반력장치는 MR유체를 수용하여 동력 전달을 단속하는 MR클러치와; MR유체의 히스테리시스를 불확실성으로 고려하여 외란에 강건하게 반력을 추종하는 슬라이딩모드제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 시스템은 MR반력장치를 포함하는 하드웨어의 정보를 측정하는 DAQ장비와; 차량동역학을 포함하는 소프트웨어와; 신호의 입출력을 담당하는 인터페이스와; DAQ장비를 통해 측정된 하드웨어의 정보들이 소프트웨어에 전달되어 실시간으로 연산하여 반력을 구현하기 위한 제어로직을 통해 목표반력값을 추정하고 MR반력장치를 통해 햅틱제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 운전자에게 노면 상태를 전달하여 운전자가 노면의 상태를 인지하고 조향을 조절할 수 있도록 차량의 핸들을 조향할 때 운전자에게 이질감 없는 반력을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 클러치 시스템을 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 MR클러치를 이용한 SBW시스템에 적용되는 MR클러치의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 MR클러치를 이용한 SBW시스템에 포함되는 하드웨어를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 MR클러치를 이용한 SBW시스템에 차량 동역학 모델을 고려한 Carsim프로그램을 나타내는 구성도이다.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 MR클러치를 이용한 SBW시스템은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, MR클러치(10)에 수용된 MR유체(11)의 히스테리시스 특성을 이용하여 차량의 반력을 구현하는 MR반력장치(100)와; 상기 MR반력장치(100)에 의해 구현된 반력과 차량 동역학 모델을 통한 알고리즘을 실시간으로 연산하여 햅틱을 제어하는 시스템을 포함하여 차량의 주행중 운전자에게 이질감 없이 반력을 추종할 수 있다.

여기서, MR반력장치(100)는 MR유체(11)를 수용하여 동력 전달을 단속하는 MR클러치(10)와; MR유체(11)의 히스테리시스를 불확실성으로 고려하여 외란에 강건하게 반력을 추종하는 슬라이딩모드제어기(110)를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 시스템은 MR반력장치(100)를 포함하는 하드웨어(H/W)의 정보를 측정하는 DAQ장비(210)와; 차량동역학을 포함하는 소프트웨어와; 신호의 입출력을 담당하는 인터페이스와; DAQ장비(210)를 통해 측정된 하드웨어(H/W)의 정보들이 소프트웨어에 전달되어 실시간으로 연산하여 반력을 구현하기 위한 제어로직을 통해 목표반력값을 추정하고 MR반력장치(100)를 통해 햅틱제어를 수행할 수 있다.

자율주행용 SBW시스템의 MR반력장치(100)를 구축하기 위해서는 MR클러치(10)와 클러치(이하, MR클러치)를 이용한 MR반력장치(100)를 개발하였다. MR클러치(10)는 MR유체(11), 회전자(12), 고정자(13), 다이아프램을 포함하는 통상적인 구성요소를 제공한다.

회전자(12)가 운동하게 되면 간극 사이에는 전단운동이 발생되며, MR유체(11)에 자기장을 인가하면 전단저항력(

)이 식 1과 같이 발생한다.

식1

여기서,

는 MR유체(11)의 점성계수,

는 전단속도,

는 자기장세기(

)에 따른 항복응력을 뜻한다.

즉, 매우 간단한 구조로 저항력을 연속적으로 제어할 수 있으며, 반대로 응용하면 능동적인 반력의 구현도 가능하다.

이때, 모터와 같이 상시 작동하는 동력원이 필요하며, MR유체(11)의 전단저항력을 이용하여 조향휠(120)에 모터의 동력을 전달하는 것이 MR클러치(10)의 기본 원리이다.

도 2에 도시된 바와 같이, MR유체(11)의 유변학적 거동에 따라 MR클러치(10)를 설계하였으며, MR클러치(10)에서 발생하는 토크에 대한 연산식은 아래 식2로 알 수 있다.

식2

여기서,

와

는 MR클러치(10)에서 각각 내측로터의 반경과 외측로터의 반경을 의미한다.

와

는 각각 덕트의 두께와 로터의 회전속도이고,

는 덕트의 길이이며, MR 양방향 클러치에 대한 토크식은 아래 식3과 같고,

는 모터의 회전속도를 의미한다.

식3

설계된 MR클러치가 목표 토크인 2.5Nm을 낼 수 있도록 설계 파라미터값 결정은 유한해석프로그램을 이용하여 자기장이 해석될 수 있다.

본 발명의 SBW시스템은 기존에 조향시스템과 달리 노면에 의한 반력이 조향휠(120)에 전달되지 않기에 노면과 하체 간의 반력을 추정한 후 이를 조향휠(120)에서 구현할 수 있다.

따라서, 조향시스템에서 랙-피니언과 타이어로 단순화하면 랙에 걸리는 힘(

)은 식4로 정의할 수 있다.

식4

여기서

와

는 타이어에 작용하는 힘이고, 차량 수직동역학 모델과 2자유도 Bicycle 모델을 통해 산출하여 랙의 반력이 조향토션바를 걸쳐 조향휠(120)로 전달될 때의 반력을 추정할 수 있다.

MR클러치(10)의 회전관성과 모터의 토크리플로 인한 이질감을 최대한 줄일 수 있도록 반력을 구현하기 위한 제어로직을 통해 연속적이고 부드러운 반력을 조향휠(120)에서 구현할 수 있다.

차량의 속도에 따라 Hard 반력 또는 Soft 반력 조향휠(120)의 회전 한계를 두기 위해 회전각도에 따라 도 4와 같이 반력을 구현하기 위한 제어로직이 제공된다.

차량의 경우 무수히 많은 부품들로 이루어지고 그 부품들 간의 비선형선적인 관계를 고려하여 Carsim프로그램을 사용할 수 있으며, Carsim프로그램은 공기역학, 제동, 조향, 엔진, 변속기, 현가장치 등 차량의 전반적인 부품 및 도로 상황을 사실적으로 제공할 수 있고, 조향/제동/변속 입력과 실제로 제작한 부품들의 정보를 실시간으로 받아 차량동역학 모델을 연산할 수 있다.

도 4와 같이, MR유체(11)에 대하여 MR반력장치(100)의 반력을 DAQ장비(210)를 이용하여 계측하고 Carsim프로그램과 연동하기 위한 로직을 결정할 수 있다.

측정된 반력과 Carsim프로그램의 상태정보를 슬라이딩모드제어기에 입력하게 되면 목표반력값(Desired Repulsive Torque)이 결정되고 DAQ장비(210)를 통해 MR반력장치(100)의 반력을 실시간으로 조절할 수 있다.

전체적인 제어루프의 Sampling time은 0.001초로 하여 빠른 응답성을 가질 수 있으며, DAQ장비(210)의 Analog input은 MR반력장치의 토크값(Actual Torque)과 회전속도값(Rotational Speed)으로 제공할 수 있다.

또한, MR유체(11)를 사용할 경우 자기장의 크기만으로 출력토크의 크기를 연속적으로 제어하는 것이 가능하기 때문에 모터를 사용할 때 생기는 여러 문제점이 발생하지 않는다.

운전자에게 반력구현은 조향을 하면서 생기는 여러 이질감이 없도록 하는 것이 대단히 중요하며, 모터를 사용한 반력장치는 태생적으로 여러 가지 문제가 있는 반면, MR유체(11)를 이용한 클러치 시스템을 통한 반력구현이 매우 효과적이다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 운전자에게 노면 상태를 전달하여 운전자가 노면의 상태를 인지하고 조향을 조절할 수 있도록 차량의 핸들을 조향할 때 운전자에게 이질감 없는 반력을 제공할 수 있는 효과가 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

10 : MR클러치
11 : MR유체
12 : 회전자
13 : 고정자
100 : MR반력장치
110 : 슬라이딩모드제어기
120 : 조향휠
210 : DAQ장비
H/W : 하드웨어

Claims (3)

1. MR클러치에 수용된 MR유체(11)의 히스테리시스 특성을 이용하여 차량의 반력을 구현하는 MR반력장치와;
   상기 MR반력장치에 의해 구현된 반력과 차량 동역학 모델을 통한 알고리즘을 실시간으로 연산하여 햅틱을 제어하는 시스템을 포함하여 차량의 주행중 운전자에게 이질감 없이 반력을 추종하는 것을 특징으로 하는 MR클러치를 이용한 SBW시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 MR반력장치는,
   MR유체(11)를 수용하여 동력 전달을 단속하는 MR클러치와;
   MR유체(11)의 히스테리시스를 불확실성으로 고려하여 외란에 강건하게 반력을 추종하는 슬라이딩모드제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 MR클러치를 이용한 SBW시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 시스템은,
   MR반력장치를 포함하는 하드웨어의 정보를 측정하는 DAQ장비(210)와;
   차량동역학을 포함하는 소프트웨어와;
   신호의 입출력을 담당하는 인터페이스와;
   DAQ장비(210)를 통해 측정된 하드웨어의 정보들이 소프트웨어에 전달되어 실시간으로 연산하여 반력을 구현하기 위한 제어로직을 통해 목표반력값을 추정하고 MR반력장치를 통해 햅틱제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 MR클러치를 이용한 SBW시스템.

Images