KR20220086734A - 최대 노면 마찰계수 추정방법 - Google Patents

최대 노면 마찰계수 추정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 최대 노면 마찰계수 추정방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 차량이 주행 중인 노면의 최대 마찰계수를 향상된 감도로 추정하도록 인위적인 제동 또는 구동 관련 제어를 실시하고 타이어의 슬립이 보상된 전륜 및 후륜 휠속 차이에 기반하는 최대 노면 마찰계수 추정방법에 관한 것이다.

Description

최대 노면 마찰계수 추정방법{METHOD FOR ESTIMATING MAXIMUM TIRE-ROAD SURFACE COEFFICIENT OF FRICTION}
본 발명의 최대 노면 마찰계수 추정방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 차량이 주행 중인 노면의 최대 마찰계수를 향상된 감도로 추정하도록 인위적인 제동 또는 구동 관련 제어를 실시하고 타이어의 슬립이 보상된 전륜 및 후륜 휠속 차이에 기반하는 최대 노면 마찰계수 추정방법에 관한 것이다.
노면 마찰계수는 종횡방향 운동에서 가속 또는 감속의 최대치를 결정하므로 노면 마찰계수의 파악은 차량의 안정성 제어 측면에서 매우 중요하다. 즉, 타이어-노면 간의 최대 마찰계수가 알려지면 차량이 최대로 발휘할 수 있는 종횡력을 미리 정할 수 있다. 따라서, 최대 노면 마찰계수의 추정이 가능하다면 첨단 운전자 지원시스템(Advanced Driver Assistance System, ADAS) 등 차량 제어 시스템은 성능이 보다 향상될 수 있다.
최대 노면 마찰계수를 추정하기 위한 많은 연구들이 있었지만 다양한 상황에 신뢰도 높은 추정 값을 도출하는 데는 어려움과 제한점이 많아 이 분야의 연구는 여전히 활발히 이루어지고 있다.
Jin-Oh Hahn, R. Rajamani and L. Alexander, "GPS-based real-time identification of tire-road friction coefficient," in　IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 10, no. 3, pp. 331-343, May 2002, doi: 10.1109/87.998016. V. V. Viikari, T. Varpula and M. Kantanen, "Road-Condition Recognition Using 24-GHz Automotive Radar," in IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 10, no. 4, pp. 639-648, Dec. 2009, doi: 10.1109/TITS.2009.2026307. M. Kutila, P. Pyykφnen, K. Kauvo and P. Eloranta, "In-vehicle sensor data fusion for road friction monitoring," 2011 IEEE 7th International Conference on Intelligent Computer Communication and Processing, Cluj-Napoca, 2011, pp. 349-352, doi: 10.1109/ICCP.2011.6047895. Acosta, M.; Kanarachos, S.; Blundell, M. Road Friction Virtual Sensing: A Review of Estimation Techniques with Emphasis on Low Excitation Approaches. Appl. Sci. 2017, 7, 1230.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
신뢰도 높은 최대 노면 마찰계수를 제공하는 최대 노면 마찰계수 추정방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따르면, 최대 노면 마찰계수 추정방법은, 차량의 작동정보를 수집하는 단계; 차량의 구동요구 범위 내에서 전륜 및 후륜의 구동토크를 차등 제어하는 단계; 각 휠의 타이어 힘에 의한 슬립이 보상된 각 휠의 속도를 산출하는 단계; 상기 보상된 각 휠의 속도에 기초하여 전륜 및 후륜의 휠속차 비를 산출하는 단계; 및 상기 휠속차 비 및 각 휠의 현재 노면 마찰계수에 기초하여 최대 노면 마찰계수를 추정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 신뢰도 높은 최대 노면 마찰계수를 제공하는 최대 노면 마찰계수 추정방법이 제공된다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 타이어의 마찰 서클을 도시하고,
도 2는 차량 제어 시스템이 탑재된 차량을 도시하고,
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 최대 노면 마찰계수 추정방법의 흐름도를 도시하고,
도 4는 본 발명에 따른 추정방법의 실행여부에 관한 흐름도를 도시하고,
도 5a는 일반적 토크 분배 모드의 흐름도를 도시하고,
도 5b는 액티브 토크 분배 모드의 흐름도를 도시하고,
도 6a는 휠속-차속 관계식 도출을 위한 개략적인 차량을 도시하고,
도 6b는 도 6a 차량의 좌측 전륜을, 도 6c는 도 6a 차량의 우측 전륜을, 도 6d는 도 6a 차량의 좌측 후륜을, 도 6e는 도 6a 차량의 우측 후륜을 도시하고,
도 7은 전륜 및 후륜 사이의 휠속차에 대한 추가 마찰계수 인자의 변화를 도시하고,
도 8은 추가 마찰계수 인자와 신뢰도 지수의 연관성을 도시한다.
발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명은, 주행 중인 차량에 인위적인 제동 또는 구동 관련 제어를 수행하고, 타이어 힘에 의한 슬립을 보상한 전륜 및 후륜 휠속도 차이에 기초하여 최대 노면 마찰계수를 추정하는, 최대 노면 마찰계수 추정방법에 관한 것이다.
본 발명은 차량의 센서만을 활용하여 우수한 추정 성능을 구현할 수 있고, 특히, 인휠 또는 바이-와이어(by-wire)가 적용된 차량의 개별 휠 토크 제어를 활용할 수 있다.
본 발명은 레이더, 변형 센서(strain sensor), 마이크 등의 추가적인 센서의 탑재가 필요 없으므로 원가 절감 측면에서 유리하다.
본 발명에서 추정대상인 최대 노면 마찰계수는 현재 노면 마찰계수(
Figure pat00001
)와는 구별된다. 현재 노면 마찰계수(
Figure pat00002
)는 수학식 1을 통해 계산된다.
[수학식 1]
Figure pat00003
여기에서 ac는 현재 가속도이고, g는 중력가속도이다.
도 1에는 타이어의 마찰 원(friction circle)이 도시되어 있다. P1은 현재 노면 마찰계수(
Figure pat00004
)를 의미하고, P2는 노면과 타이어 간 최대 또는 한계 노면 마찰계수(
Figure pat00005
)를 가리킨다. 본 발명에서 추정하고자 하는 마찰계수는 후자를 말한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 2에는 ADAS 제어 등의 차량 제어 시스템(100)을 갖는 차량(1)이 도시되어 있다. 차량(1)은 전륜 및 후륜을 포함하고, 전륜은 좌측 전륜(FL) 및 우측 전륜(FR)을 포함하고 후륜은 좌측 후륜(RL) 및 우측 후륜(RR)을 포함한다. 또한, 차량(1)은 센서부(20) 및 처리부(40)를 포함한다.
차량(1)에는 차량(1)의 제어를 위한 차량(1)의 작동정보를 수집하는 센서부(20)가 마련된다. 센서부(20)는 각 휠의 속도를 측정하는 휠속 센서, 차량(1)의 요 레이트를 측정하는 요 레이트 센서, 차량(1)의 조향각을 측정하는 조향각 센서, 종가속도 및 횡가속도를 측정하는 종가속도센서 및 횡가속도센서, 각 휠의 토크를 측정하는 토크 센서를 포함한다. 센서부(20)는, 또한, 차량(1)의 전자식 주행 안정 장치(Electronic Stability Control, ESC), 잠김 방지 브레이크 시스템(Anti-lock Brake System, ABS) 또는 트랙션 컨트롤 시스템(Traction Control System, TCS)의 제어신호를 감지한다.
도 3은 본 발명에 따른 최대 노면 마찰계수 추정방법의 알고리듬을 도시한다.
단계 S10에서, 최대 노면 마찰계수의 추정이 시작된다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 추정방법을 위한 액티브 토크 분배를 할지 여부에 대한 판단이 선수행될 수 있다. 차량의 주행이 시작되면(S1), 먼저 일반적인 토크 분배가 수행된다(S2). 처리부(40)는 차량의 안정성과 효율을 고려하여 전륜 또는 후륜에 토크를 분배한다. 이어 처리부(40)는 최대 노면 마찰계수의 추정을 위하여 본 발명에 따른 추정방법의 액티브 토크 분배가 가능한 평상 주행 상황인지 판단한다. 액티브 토크 분배가 가능한 평상 주행 상황인 경우, 처리부(40)는 최대 노면 마찰계수 추정을 위한 액티브 토크 분배를 시작한다(S10). 액티브 토크 분배 모드 중 과도한 슬립 발생과 같이 휠 안정성이 유지되지 않으면 액티브 토크 분배 모드는 종료된다(S4, S5).
또한, 차량(1)의 처리부(40)는 센서부(20)로부터 차량(1)의 작동정보를 수집한다(S20). 특히, 센서부(20)로부터 처리부(40)는 운전자가 감속 중인지, 가속 중인지 또는 정속 중인지 여부에 대한 정보를 입력받는다.
다음, 본 발명에 따른 추정방법은 최대 노면 마찰계수의 추정을 위한 액티브 토크 분배 모드로 진입한다(S30). 도 5a에 도시된 바와 같이, 최대 노면 마찰계수 추정을 위한 액티브 토크 분배가 이루어지지 않는 일반적 토크 분배 모드에서는 통상적으로 운전자가 가속 또는 제동 입력(S200)을 하면, 처리부(40)는 목표 전체토크를 도출하고(S220), 4륜으로 구동 또는 제동토크를 분배한다(S240). 즉, 이 경우는 도 4의 일반적 토크 분배 모드에 해당한다. 이때 토크의 분배는 에너지 효율 및 휠 안정성을 고려하여 수행된다. 제동상황을 예로 들어, 전방 모터가 효율이 좋은 경우 효율을 고려하여 전방 모터로 100% 제동토크를 분배할 수 있다. 또는, 안정성을 고려하여 전방과 후방에 2:1의 비율로 토크가 분배될 수 있다.
반면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 운전자의 가속 또는 제동 입력(S200)에 따라 목표 전체토크를 도출(S220)하는 것은 동일하다. 다만, 최대 노면 마찰계수의 식별이 쉽도록 액티브 토크 분배 모드로 진입하여 구동 또는 제동토크를 집중 분배할 수 있다(S260). 즉, 본 발명에 따르면, 최대 노면 마찰계수의 추정을 위하여 액티브 토크 분배가 수행되도록 구성된다. 비제한적인 예로서, 제동상황에서 후륜에 100% 제동을 실시하여 인위적으로 후륜 슬립을 유도함으로써 최대 노면 마찰계수를 식별한다. 또는, 전륜 구동을 30% 및 후륜 제동을 130% 실시하여 인위적 후륜 슬립을 유도함으로써 최대 노면 마찰계수를 식별한다.
구체적으로, 액티브 토크 분배 모드에서 차량(1)이 감속 중인 경우, 처리부(40)는 운전자에 의해 입력된 제동 요구의 범위 내에서 전륜 및 후륜의 제동력에 차등을 두어 다르게 제어하는 액티브 토크 분배를 수행한다. 즉, 전체 요구되는 제동력은 유지하면서 인위적 또는 일시적으로 제동을 분배한다. 비제한적인 예로서, 전륜 및 후륜 제동력이 차등하여 분배될 수 있다. 예를 들어, 전륜에만 100% 제동이 적용되고 후륜에는 0% 제동이 적용될 수 있다. 또 다른 예로, 좌측 전륜(FL) 및 우측 후륜(RR), 좌측 전륜(FR) 및 우측 후륜(RR)의 대각선 제동이 가능할 수 있다.
운전자가 가속 중인 경우, 처리부(40)는 운전자에 의해 입력되는 구동 요구의 범위 내에서 전륜 및 후륜의 토크에 차등을 두어 다르게 제어한다. 비제한적인 예로서, 전륜 및 후륜 구동토크가 차등 분배될 수 있다. 예를 들어, 전륜에만 100% 구동토크가 배분되고 후륜에는 0% 구동토크가 가해질 수 있다. 또 다른 예로, 주 구동륜에 구동토크를 100% 가하거나 주 구동륜에 50%를 가하는 동시에 보조 구동륜에 50%를 분배하여 적용할 수도 있다.
차량(1)이 정속 중인 경우, 처리부(40)는 운전자에 의해 입력되는 정속 요구의 범위 내에서 전륜 및 후륜의 제동력과 토크에 차등을 두어 다르게 제어한다. 즉, 일정한 속도를 유지하기 위하여 요구되는 기준 토크를 유지하면서 전륜 및 후륜 사이에 토크 배분이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전방 및 후방 독립모터의 경우 전륜은 구동시키고 후륜은 회생제동되도록 제어할 수 있다. 또는 전륜은 회생제동되도록 하고 후륜은 구동시키도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제동력 또는 구동력의 차등 제어는 일시적 또는 인위적으로 이루어진다. 다시 말하면, 운전자의 제동 요구, 구동 요구 또는 정속 요구의 범위 내에서 전륜과 후륜의 제동력 또는 구동력을 다르게 제어함으로써 전륜 및 후륜 중 어느 하나의 인위적인 슬립을 유도한다. 이로 인하여 특정 휠의 슬립 발생으로 4륜 휠속간 차이가 발생한다.
이때, 처리부(40)는 타이어 힘을 추정한다(S40). 현재 타이어 힘(Ftire)은 아래의 수학식 2a를 통해 결정될 수 있다.
[수학식 2a]
Figure pat00006
여기에서 Fz는 타이어의 수직방향 힘을 가리킨다.
각 휠의 타이어 힘은 아래 수학식 2b 내지 2e에 기초하여 추정될 수 있다.
Figure pat00007
은, 각각, 좌측 전륜(FL)의 수직방향 힘, 우측 전륜(FR)의 수직방향 힘, 좌측 후륜(RL)의 수직방향 힘, 우측 후륜(RR)의 수직방향 힘을 나타낸다.
[수학식 2b]
Figure pat00008
[수학식 2c]
Figure pat00009
[수학식 2d]
Figure pat00010
[수학식 2e]
Figure pat00011
여기에서
Figure pat00012
,
Figure pat00013
,
Figure pat00014
Figure pat00015
는, 각각, 각 휠의 공칭 힘이고, ax 및 ay는 각각 종가속도 및 횡가속도이고, k1 및 k2는 임의의 계수이다.
단계 S50에서, 처리부(40)는 추정된 타이어 힘에 기초하여 타이어 힘에 의한 슬립을 보상한다(S50). 전륜과 후륜 사이의 단순 토크 차이에 의한 휠속차 요소를 배제하고 4륜 불균형에 의한 휠속차만 추출하여 최대 노면 마찰계수의 결정에 반영한다. 이로 인하여 튜닝 변수를 최소화하고, 최대 노면 마찰계수를 조기에 산출할 수 있다. 전륜 및 후륜간 휠속차를 산출할 때 전후 종방향 타이어 힘의 차이로 인한 슬립 차이를 보상하지 않으면 노면 마찰계수의 정확한 추정이 어렵다. 즉, 전륜 및 후륜간 휠속차가 노면 마찰계수 차이에 의한 것인지 타이어 힘 차이로 인한 것인지 구별하기 어려워 정확한 노면 마찰계수의 추정이 불가능 해진다.
전후 휠속차 산출에 반영되는 타이어 슬립의 보상 예시에 대하여 큰 노면 마찰계수(high mu)를 가진 도로에서 차속이 시속 80km인 경우를 상정하여 설명하기로 한다. 전륜에는 +1,000N 그리고 후륜에는 -1,000N의 타이어 힘을 가정하고 전륜 슬립율이 5%, 후륜 슬립율이 -5%인 경우, 전륜 속도는 시속 84km이고 후륜 속도는 시속 76km이며, 실제 휠속차는 시속 8km이다. 본 발명에 따르면, 타이어 힘의 절대값 크기에 대한 오차를 보상하여, 보상 후 전륜 속도는 시속 80km, 후륜 속도는 80km로 보상된 휠속차는 0이 된다.
또 다른 예시로서, 작은 노면 마찰계수(low mu)의 도로에서 상기 동일한 타이어 힘 하에서 보다 큰 10%의 슬립이 발생하여, 전륜 속도는 시속 88km이고 후륜 속도는 시속 72km이다. 이때 high mu를 기준으로 타이어 슬립 특성을 보상하면 전륜 속도는 시속 84km이고 후륜 속도는 시속 76km이며 보상된 휠속차는 시속 8km가 된다. 이 경우에는 low mu로 판단될 수 있다.
본 발명에 따르면, high mu를 가정하고 타이어 슬립 특성을 보상하도록 구성될 수 있다. 노면이 high mu, 중간 노면 마찰계수(mid mu) 또는 low mu 상태인지 알려지지 않은 상태에서 high mu를 기준으로 타이어 슬립 특성을 보상하면, 동일한 수직방향 힘(Fz) 및 종방향 힘(Fx)의 입력 조건 하에서 실제로 high mu의 노면이라면 전륜과 후륜 사이의 휠속차가 없고, 실제로 mid mu 또는 low mu 상태라면 휠속차가 더 커지게 된다. 즉, mid mu에서 low mu 측으로 갈수록 전륜과 후륜 사이의 휠속차가 점점 증가하게 된다. 본 발명은 이와 같은 특징에 기초하여 high mu를 기준으로 다른 노면 상태의 최대 노면 마찰계수를 추정할 수 있다. 본 발명에 따르면, 종방향 힘(Fx) 및 수직방향 힘(Fz)에 대한 슬립율 관계를 나타내는 역타이어 3차원 맵을 도출하여 전륜 및 후륜간 휠속차를 산출하도록 구성된다.
단계 S60에서, 처리부(40)는 high mu 기준으로 타이어 슬립이 보상된 전륜 및 후륜 휠 속도에 대해 전륜 및 후륜 사이의 휠속차 비(α)를 산출한다. 요레이트 조향각, 횡속도 및 종방향 힘이 보상된 속도차를 산출하여 휠속차 비율을 연산한다(S62). 본 발명의 구현예에 따르면, 전륜 및 후륜 사이의 휠속차 비(α)는 수학식 3을 통해 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00016
여기에서
Figure pat00017
는 보상된 좌측 전륜(FL) 속도,
Figure pat00018
는 보상된 우측 전륜(FR) 속도,
Figure pat00019
는 보상된 좌측 후륜(RL) 속도,
Figure pat00020
는 보상된 우측 후륜(RR) 속도이고,
Figure pat00021
는 차량의 종방향 차속()이다. 특히,
Figure pat00022
,
Figure pat00023
,
Figure pat00024
및
Figure pat00025
는 각 륜의 계측 휠 속도에서 각각 타이어 힘에 의한 슬립을 보상하고, 차량의 무게 중심(CG)점을 기준으로 횡속도, 조향각, 요레이트 등을 보상하여 환산된 각 륜의 휠속을 의미한다.
도 6a 내지 6e를 참조하여 조향각, 횡속도, 요레이트가 보상된 휠속 산출과정에 대하여 설명한다(S62).
수학식 4 내지 15는 휠 슬립이 없는 상태에서의 휠속-차속 관계식이고, 수학식 16 내지 20b는 종방향 휠 슬립이 반영된 관계식이다.
도 6a에서,
Figure pat00026
는 전방 조향각,
Figure pat00027
는 후방 조향각,
Figure pat00028
는 차량(1)의 무게 중심으로부터 전방 거리,
Figure pat00029
는 차량(1)의 무게 중심으로부터 후방 거리,
Figure pat00030
는 트레드,
Figure pat00031
는 요 레이트,
Figure pat00032
는 횡방향 차속이다.
도 6b를 참조하면, 좌측 전륜(FL) 계측 휠속도(
Figure pat00033
)는 수학식 4에 의해 결정된다.
[수학식 4]
Figure pat00034
수학식 4의 양변을
Figure pat00035
로 나누어 아래 수학식 5가 도출된다.
[수학식 5]
Figure pat00036
만일
Figure pat00037
이라면, 수학식 6이 획득될 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00038
도 6c를 참조하면, 우측 전륜(FR) 계측 휠속도(
Figure pat00039
)는 수학식 7에 의해 결정된다.
[수학식 7]
Figure pat00040
수학식 5와 같은 방식으로 수학식 8이 도출된다.
[수학식 8]
Figure pat00041
만일
Figure pat00042
이라면, 수학식 9가 획득된다.
[수학식 9]
Figure pat00043
도 6d를 참조하면, 좌측 후륜(RL) 계측 휠속도(
Figure pat00044
)는 수학식 10에 의해 획득되고, 만일
Figure pat00045
이라면, 수학식 12가 결정된다.
[수학식 10]
Figure pat00046
[수학식 11]
Figure pat00047
[수학식 12]
Figure pat00048
도 6e를 참조하면, 우측 후륜(RR) 계측 휠속도(
Figure pat00049
))는 수학식 13에 의해 획득되고, 만일
Figure pat00050
이라면, 수학식 15가 획득된다.
[수학식 13]
Figure pat00051
[수학식 14]
Figure pat00052
[수학식 15]
Figure pat00053
한편, 종방향 휠 슬립이 있는 경우, 계측 휠속도와 각 휠의 위치차속과의 관계는 아래와 같이 도출될 수 있다. 좌측 전륜(FL)을 예로 들어 설명하기로 한다.
구동 시 각 휠의 계측 휠속도는 각 휠의 위치차속보다 슬립율(λ)만큼 더 빠르다.
직진 구동 시 슬립율(λ)이 10%이고 좌측 전륜 계측 휠속도가 시속 70km이고 좌측 전륜 위치차속이 시속 63km인 경우, 좌측 전륜 위치차속은 좌측 전륜 계측 휠속도와 (1-0.1)의 곱으로 계산될 수 있다.
반면, 제동 시 각 휠의 계측 휠속도는 각 휠의 위치차속보다 슬립율(λ)만큼 더 느려진다. 위 구동시와 같은 조건에서. 즉, 좌측 전륜 위치차속은 좌측 전륜 계측 휠속도를 (1-0.1)로 나누어 계산될 수 있다.
즉, 구동 시와 제동 시를 나누어 각 륜에 대한 보상된 휠속도는 아래 수학식 18a 내지 21b에 의해 결정될 수 있다. 아래 수학식 18a 내지 21b에서 k는 슬립율의 반영율로서 임의의 계수이고, λ는 슬립율이다.
[수학식 18a](구동 시)
Figure pat00054
[수학식 18b](제동 시)
Figure pat00055
[수학식 19a](구동 시)
Figure pat00056
[수학식 19b](제동 시)
Figure pat00057
[수학식 20a](구동 시)
Figure pat00058
[수학식 20b](제동 시)
Figure pat00059
[수학식 21a](구동 시)
Figure pat00060
[수학식 21b](제동 시)
Figure pat00061
이와 같이 휠 슬립이 없는 경우와 있는 경우에 따라
Figure pat00062
,
Figure pat00063
,
Figure pat00064
및
Figure pat00065
을 수학식 3에 입력하여 휠속차 비(α)가 산출될 수 있다.
각 휠의 현재 노면 마찰계수 중 최대값에서의 현재 가속도가 산출되고(S70), 처리부(40)는, 휠속차 비(α) 및 각 휠의 현재 노면 마찰계수에 기초하여 최대 노면 마찰계수를 추정한다(S80).
처리부(40)는 현재 차량(1)의 종방향 주행 상태가 정속 주행, 일정한 가속 및 감속과 같은 정상상태인지 또는 가감속 변화가 빈번한 과도상태인지 판단한다(S82). 최대 노면 마찰계수의 산출을 위해 정상상태에서는 수학식 22가 적용될 수 있는 상황이고, 과도상태는 휠속차의 미분치가 큰 상황으로 수학식 23을 적용하여 산출된다.
정상상태인 경우에는, 최대 노면 마찰계수는 현재 사용되고 있는 마찰력(계수)에 해당하는 현재 가속도, 보다 상세히 설명하면 네 개의 휠 중 각 휠의 현재 노면 마찰계수 중 최대인 값(
Figure pat00066
)에, 추가적으로 발생 가능한 마찰력에 해당하는 미리 설정된 추가 마찰계수 인자(
Figure pat00067
)를 가산하여 산출된다.
[수학식 22]
Figure pat00068
여기에서 추가 마찰계수 인자(
Figure pat00069
)는 슬립율이 보상된 전륜과 후륜 간 휠속차 비(α)에 기반하여 결정되며, 도 7과 같이 해당 휠속차 내지는 휠속차 비가 크면 추가 마찰계수가 작음을 의미하고 해당 휠속차가 작으면 추가 마찰계수가 큼을 의미한다.
Figure pat00070
는 전륜 및 후륜 사이의 휠속차에 기초하여 룩업 테이블 형태로 제공될 수 있다.
반면, 과도상태에서 최대 노면 마찰계수는 아래 수학식 23과 같이 현재 가속도에서 네 개의 휠 중 각 휠의 현재 노면 마찰계수 중 최대인 값으로 추정된다.
[수학식 23]
Figure pat00071
추가 마찰계수 인자(
Figure pat00072
)는 추정된 최대 노면 마찰계수의 신뢰도 신호와 연관성을 가진다. 도 8에 도시된 바와 같이, 추정된 최대 노면 마찰계수의 신뢰도 신호와 추가 마찰계수 인자(
Figure pat00073
)는 반비례 관계에 놓일 수 있다. 즉, 추가 마찰계수 인자(
Figure pat00074
)가 크면 추정된 최대 노면 마찰계수의 신뢰도가 낮은 반면, 추가 마찰계수 인자(
Figure pat00075
)가 작으면 추정된 최대 노면 마찰계수의 신뢰도가 높다는 것을 의미한다.
비제한적인 예로서, 종방향 정상상태는 아래 네 가지 조건을 만족하는 경우 활성화될 수 있다.
(조건 1) 종방향 저크(jerk)의 절대값 < 0.045g/초
(조건 2) ESC, ABS, TCS 비활성화
(조건 3) 종속도 > 초속 4m
(조건 4) 요레이트 < 20°/초
비제한적인 예로서, 종방향 과도상태의 트리거 조건은 조건 5 및 6이 만족된 상태를 가리키고, 추가적으로 ABS, ESC, TCS의 활성화 조건 만족이 반영될 수 있다.
(조건 5) 전륜 및 후륜 사이 휠속차비 변화율 > 0.3/초
(조건 6) 종속도 > 초속 4m
(조건 7) ESC, ABS, TCS 활성화
이와 같이 정상상태 및 과도상태의 최대 노면 마찰계수(
Figure pat00076
) 및 최대 노면 마찰계수의 추정 신뢰도 지수(σ)가 연산될 수 있다.
추정된 최대 노면 마찰계수는 ADAS 시스템 등 차량 제어 시스템에 전달되고, 추정된 최대 노면 마찰계수에 기초하여 차량 제어 시스템이 차량(1)을 제어한다. 비제한적인 예로서, 안정성 제어장치의 경우 최대 노면 마찰계수에 기초하여 목표 차량 거동, 휠슬립율 등을 재산출한다. 또 다른 비제한적인 예로서, 충돌 안전 제어장치는 추정된 최대 노면 마찰계수에 기초하여 감속 시점 또는 회피 조향 시점을 재산출한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 종방향 정상상태에서 추가 마찰계수 인자(
Figure pat00077
)가 1이면 최대 노면 마찰계수의 추정 신뢰도 지수(σ)는 0.2이고, 추가 마찰계수 인자(
Figure pat00078
)가 0이면 최대 노면 마찰계수의 추정 신뢰도 지수(σ)는 1이다. 비제한적인 예로서, 정상상태에서는 1/
Figure pat00079
값을 0.2 내지 1로 정규화하여 사용될 수 있다.
종방향 과도상태에 최대 노면 마찰계수가 결정되는 경우에는 추정 신뢰도 지수(σ)는 1이고 종과도상태가 해제된 경우에서는 과도 상태 조건에서 산출된 최대 노면 마찰계수의 추정 신뢰도 지수(σ)는 0이다. 추가 마찰계수 인자(
Figure pat00080
)가 작다는 것은 노면 한계에 근접했다는 것을 의미하고 노면 한계가 근접했다는 것은 추정된 최대 노면 마찰계수를 더 믿을 수 있다는 것이다.
본 발명에 따르면, 신뢰도 있는 최대 노면 마찰계수 추정을 통해 노면 미끄러운 도로로 판단되면 기존 대비 충돌 회피를 위한 제동 시작 시점을 이른 시점으로 변경하거나 조향 회피 개입 시점을 보다 이른 시점으로 변경할 수 있다. 선행 주행차량의 급제동 시 추가적인 제동거리의 확보가 필요하므로 선행 주행차량과의 스마트 크루즈 컨트롤(Smart Cruise Control) 시 차간 거리를 보다 더 길게 설정함으로써 충돌을 회피할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 샤시제어에 효과적이다. 신뢰도 있는 최대 노면 마찰계수 추정을 통해 미끄러운 도로로 판단되면 사전에 구동력, 제동력 또는 선회력을 4륜에 적절히 분배함으로써 안정성 확보가 가능하다. 또한, ABS, TCS 또는 ESC의 조기 개입을 통해 제동, 구동, 선회 성능과 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 차량 센서를 활용하여 우수한 최대 노면 마찰계수 추정 성능을 제공한다.
본 발명에 따르면, 인휠 또는 바이-와이어(by-wire)가 적용된 차량의 특성에 기초하여 개별 휠 토크 제어를 연계한 최대 노면 마찰계수 추정 로직이 제공된다.
본 발명에 따르면, 신뢰도 높은 최대 노면 마찰계수 추정을 통한 샤시 제어 성능을 향상시킨다. 특히, ABS, TCS, ESC 측면에서는 제어 초기 성능을 개선할 수 있다.
본 발명에 따르면, 신뢰도 높은 최대 노면 마찰계수 추정을 통한 SCC, AEB, LKAS 등 ADAS 제어 성능을 개선할 수 있다. 예를 들어, 최대 노면 마찰계수를 반영한 차간 거리를 설정하거나 AEB 동작 시점을 설정하는데 활용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 신뢰도 높은 최대 노면 마찰계수 추정을 통한 자율주행차량의 안정성 확보 및 한계 성능을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
1: 차량 20: 센서부
40: 처리부 100: 제어시스템

Claims (17)

  1. 차량의 작동정보를 수집하는 단계;
    최대 노면 마찰계수 추정을 목적으로 차량의 구동요구, 제동요구 또는 정속 유지 요구 범위 내에서 전륜 및 후륜의 구동토크 및 제동토크 중 적어도 하나를 차등 제어하는 단계;
    전륜 및 후륜에 타이어 힘에 의한 슬립을 보상하는 단계; 상기 타이어 힘에 의한 슬립이 보상된 전륜 및 후륜의 속도에 기초하여 상기 전륜 및 후륜의 휠속차 비를 산출하는 단계; 및
    상기 휠속차 비 및 각 휠의 현재 노면 마찰계수에 기초하여 최대 노면 마찰계수를 추정하는 단계;
    를 포함하는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 작동정보는 차량의 요레이트, 조향각, 종가속도, 횡가속도 및 각 휠의 휠속과 토크를 포함하는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 각 휠의 타이어 힘에 의한 슬립을 보상하기 전, 각 휠의 타이어의 힘을 추정하는 단계;
    를 더 포함하는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 각 휠의 타이어의 힘은 차량의 종가속도, 횡가속도 및 각 휠의 공칭 힘에 기반하여 산출되는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 타이어 힘에 의한 슬립은 차량의 주행 노면이 고 마찰계수(high mu)인 것을 가정하여 보상되는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 전륜 및 후륜의 휠속차 비를 산출하는 단계에서 각 휠의 속도는 차량의 조향각, 요레이트 및 횡속도가 보상된 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 전륜 및 후륜의 휠속차 비()는 하기 식에 기초하여 연산되는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
    Figure pat00081

    여기에서,
    Figure pat00082
    Figure pat00083
    ,
    Figure pat00084
    Figure pat00085
    는, 각각, 타이어 힘에 의한 슬립 및 횡속도, 조향각, 요레이트가 보상된 좌측 전륜 속도, 우측 전륜 속도, 좌측 후륜 속도, 우측 후륜 속도이고,
    Figure pat00086
    는 차량의 종방향 차속임.
  8. 청구항 7에 있어서, 종방향 휠 슬립이 없는 경우, 하기 식들에 의해 상기 타이어 힘에 의한 슬립 및 횡속도, 조향각, 요레이트가 차량의 무게 중심을 기준으로 보상된 좌측 전륜 속도, 우측 전륜 속도, 좌측 후륜 속도, 우측 후륜 속도가 연산되는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
    Figure pat00087

    Figure pat00088

    Figure pat00089

    Figure pat00090

    여기에서
    Figure pat00091
    ,
    Figure pat00092
    ,
    Figure pat00093
    및
    Figure pat00094
    은, 각각, 좌측 전륜, 우측 전륜, 좌측 후륜 및 우측 후륜의 계측 휠속도이고,
    Figure pat00095
    는 전방 조향각,
    Figure pat00096
    는 후방 조향각,
    Figure pat00097
    는 차량의 무게 중심으로부터 전방 거리,
    Figure pat00098
    는 차량의 무게 중심으로부터 후방 거리,
    Figure pat00099
    는 트레드,
    Figure pat00100
    는 요 레이트 및
    Figure pat00101
    는 횡방향 차속임.
  9. 청구항 7에 있어서, 종방향 슬립이 있고 구동토크 인가의 경우, 하기 식들에 의해 상기 타이어 힘에 의한 슬립 및 횡속도, 조향각, 요레이트가 차량의 무게 중심을 기준으로 보상된 좌측 전륜 속도, 우측 전륜 속도, 좌측 후륜 속도, 우측 후륜 속도가 연산되는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
    Figure pat00102

    Figure pat00103

    Figure pat00104

    Figure pat00105

    여기에서
    Figure pat00106
    ,
    Figure pat00107
    ,
    Figure pat00108
    및
    Figure pat00109
    은, 각각, 좌측 전륜, 우측 전륜, 좌측 후륜 및 우측 후륜의 계측 휠속도이고,
    Figure pat00110
    는 전방 조향각,
    Figure pat00111
    는 후방 조향각,
    Figure pat00112
    는 차량의 무게 중심으로부터 전방 거리,
    Figure pat00113
    는 차량의 무게 중심으로부터 후방 거리,
    Figure pat00114
    는 트레드,
    Figure pat00115
    는 요 레이트,
    Figure pat00116
    는 횡방향 차속, λ는 슬립율, k는 슬립율 반영율인 임의의 계수임.
  10. 청구항 7에 있어서, 종방향 슬립이 있고 제동토크 인가의 경우, 하기 식들에 의해 상기 타이어 힘에 의한 슬립 및 횡속도, 조향각, 요레이트가 차량의 무게 중심을 기준으로 보상된 좌측 전륜 속도, 우측 전륜 속도, 좌측 후륜 속도, 우측 후륜 속도가 연산되는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
    Figure pat00117

    Figure pat00118

    Figure pat00119

    Figure pat00120

    여기에서
    Figure pat00121
    ,
    Figure pat00122
    ,
    Figure pat00123
    및
    Figure pat00124
    은, 각각, 좌측 전륜, 우측 전륜, 좌측 후륜 및 우측 후륜의 계측 휠속도이고,
    Figure pat00125
    는 전방 조향각,
    Figure pat00126
    는 후방 조향각,
    Figure pat00127
    는 차량의 무게 중심으로부터 전방 거리,
    Figure pat00128
    는 차량의 무게 중심으로부터 후방 거리,
    Figure pat00129
    는 트레드,
    Figure pat00130
    는 요 레이트,
    Figure pat00131
    는 횡방향 차속, λ는 슬립율, k는 슬립율 반영율인 임의의 계수임.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 최대 노면 마찰계수를 산출하는 단계는,
    상기 휠속차 비에 기반하여 결정되는 추가 마찰계수 인자에 각 휠의 현재 노면 마찰계수 중 최대인 값을 가산하여 상기 최대 노면 마찰계수를 산출하는 단계를 포함하는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 휠속차 비의 변화율이 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우 과도 상태로 판정되고, 상기 과도 상태 하에서 최대 노면 마찰계수의 산출은 각 휠의 현재 노면 마찰계수 중 최대인 값으로 결정되는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 휠속차 비의 변화율이 미리 설정된 임계값 이하인 경우 정상 상태로 판정되고, 상기 정상 상태 하에서 최대 노면 마찰계수의 산출은 상기 휠속차 비에 기반하여 결정되는 추가 마찰계수 인자에 각 휠의 현재 노면 마찰계수 중 최대인 값을 가산하여 결정되는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    추정된 최대 노면 마찰계수의 신뢰도 지수를 판단하는 단계;를 더 포함하는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 신뢰도 지수를 판단하는 단계는, 상기 휠속차 비 및 상기 휠속차 비의 변화율에 기초하여 차량의 주행 상태를 정상 상태 및 과도 상태로 분류하여 각 상태별로 추정 신뢰도 지수를 결정하는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 정상 상태는, 종방향 저크의 절대값, 종속도, 요레이트 및 ESC, ABS 또는 TCS의 활성화 여부에 기초하여 판단되는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 과도 상태는 전륜 및 후륜 사이의 휠속차 비의 변화율 및 종속도에 기초하여 결정되는 것인 최대 노면 마찰계수 추정방법.
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