KR20220108155A

KR20220108155A - 온보드 노면 마찰 추산

Info

Publication number: KR20220108155A
Application number: KR1020227023119A
Authority: KR
Inventors: 요나손 마츠; 레인 레오; 헨더슨 레온
Original assignee: 볼보 트럭 코퍼레이션
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2022-08-02
Also published as: US20220402498A1; CN114787014A; EP4072918A1; WO2021115561A1; JP7493598B2; JP2023509317A

Abstract

차량의 노면 마찰 계수는, 차량의 스티어드 액슬에 대한 스티어링 각, 측 방향 가속도, 요 가속도, 얼라인먼트 토크 및 스티어드 액슬 상의 차축 하중에 관련된 실질적으로 동시 값들을 얻고(610), 스티어링 각, 측 방향 가속도 및 요 가속도에 기반하여 측 방향 타이어 포스를 추산하고(620), 얼라인먼트 토크 및 추산된 측 방향 타이어 포스로부터 뉴매틱 트레일을 얻고(630), 측 방향 타이어 포스 , 차축 하중 및 뉴매틱 트레일로부터 노면 마찰 계수를 추산함(640)으로써 추산된다. 실시예들에서, 노면 마찰 계수를 얻는 것은 뉴매틱 트레일의 비선형 함수를 평가하는 것을 포함한다.

Description

온보드 노면 마찰 추산

본 개시물은 머신-보조 주행, 특히 완전 자동 주행의 분야에 관한 것이다.인간 오퍼레이터가 주행 환경의 이러한 측면을 모니터링할 필요를 감소시키거나 제거할 수 있는 노면 마찰의 온-보드 추산을 위한 방법 및 시스템을 제공한다.

미끄러운 도로 상에서 파워 스티어링 없이 자동차를 주행하는 사람은 조기 경보를 받을 수 있다: 노면 마찰이 저하될 때, 운전자는 휠을 바람직한 각도로 유지하기 위하여 더 작은 토크가 필요하다는 것을 인지할 것이다. 이는 휠들의 셀프-얼라이닝 토크가 노면 마찰에 종속되기 때문이다. 수동 조향 자동차들의 대부분의 운전자들은 도로 컨디션의 작은 악화마저 인지할 것이고, 그때 감속하거나 다른 안전 조치들을 취할 수 있다.

파워 스티어링 시스템들은 스티어링 기구에 제어된 에너지를 부가하여, 운전자는 작은 힘으로 스티어드 휠들을 회전시킬 수 있다. 파워 스티어링은 스티어드 휠들에 작용되는 힘들의 어떠한 인공 피드백을 제공하도록 설계될 수 있다. 파워 스티어링 시스템을 통하여 더 주의 깊고 경험 있는 운전자들이 그들에 도달하는 스티어링 휠 피드백에 기반하여 빙판길을 인지하도록 하면서, 안티-브레이킹, 안티-스핀 및 다양한 안정성 제어 시스템들이 보조하는 현대 자동차들에서 전체적인 안전성은 더욱 높다. 차량에서, 적어도 이론적으로 이용 가능한 도로 응답 데이터를 어떤 식으로든 이용함으로써 그 안정성 레벨을 더 향상시키는 것이 바람직하다. 이 추론은, 자동 모니터링이 실패할 때 동반인의 리액션들이 대비책으로서 신뢰할 수 없는, 자동 또는 자율 주행 차량들에 대하여 모두 더욱 유효하다.

US20180106714A1은 노면과 차량의 타이어 사이의 마찰 추산치를 알아내는 방법을 개시한다. 차량의 조향 가능한 휠 상에 타이어가 배치되는데, 차량은 조향 가능한 휠에 연결된 링키지 암에 피봇 가능하게 부착된 액슬 랙을 가지고, 액슬 랙의 병진 운동이 킹핀을 중심으로 링키지 암이 회전되도록 하고, 이에 의하여 링키지 암이 조향 가능한 휠을 선회하게 한다. 상기 방법은 복수의 랙 포스 값들을 획득하는 것과, 복수의 측 방향 휠 포스 값들을 획득하는 것과, 복수의 랙 포스 값들과 측 방향 휠 포스 값들 사이의 관계를 모델에 매핑하는 것과, 상기 매핑에 기반하여 측 방향 마찰 추산치를 알아내는 것을 포함한다. 상기 모델은 측 방향 휠 포스와 랙 포스 사이의 선형 관계를 추정하고; 상기 모델은 직선 회귀(linear regression)에 의하여 미리-획득된 실증 데이터에 피팅된다.

노면 마찰 추산에서 수학적 모델링을 향상시키고, 궁극적으로 더 신뢰할만한 추산치들을 제공하는 것이 바람직하다.

차량에 탑승한 상태에서 노면 마찰을 추산하는, 연산에 효과적이고 물리적으로 정확한 방법 및 장치를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다. 이 목적은 독립 청구항에 따른 방법 및 장치들에 의하여 달성된다.

제1 측면에서, 차량의 노면 마찰 계수를 추산하는 방법이 제공된다.

제 2측면에서, 차량의 타이어들과 도로 사이의 마찰 계수를 추산하기 위한 센서들 및 처리 회로를 갖는 차량을 제공한다.

제3 측면에서, 차량의 노면 마찰을 추산하기 위한 컴퓨터 프로그램을 제공한다. 컴퓨터 프로그램은, 컴퓨터에 의하여 실행될 때, 컴퓨터가 상기 제1 측면의 방법들을 수행하도록 하는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함한다.

일 실시예에서, 노면 마찰 계수를 얻는 것은, 뉴매틱 트레일의 기설정된 비선형 함수를 평가하는 것을 포함한다.이는 최신 기술에 따른 평가 방법들과 비교하여 정확도를 향상시킨다.

일 실시예에서, 비선형 함수는 다음 중 어느 하나와 동일하다

또는 이들의 스케일드 버전,

여기서 g는 중력 가속도, 2a는 타이어 접촉 길이, Fy는 측 방향 타이어 포스 및 tp는 뉴매틱 트레일이다.

이들 함수들은 연산에 효과적이면서도 정확한 마찰 추산을 가능하게 한다. 예컨대, 함수들은 잘 수렴되는 멱 급수(power series)와 대략적으로 동일할 수 있다.

일 실시예에서, 뉴매틱 트레일을 얻는 것은 추가적으로 차량의 캐스터 트레일 (tc)을 수정하는 것을 포함한다. 캐스터 트레일은 설계 단계에서 결정되고, 차량에 기저장될 수 있는 기하학적 성질이다. 캐스터 트레일의 수정은 노면 마찰 추산의 정확도를 향상시킨다.

일 실시예에서, 노면 마찰 계수에 관련된 허용 오차의 연산을 더 나아가 포함한다. 허용 오차 범위의 지식에 대한 접근은 추산된 마찰 계수 값이 안전하고 통계적으로 견실한 방식으로 사용될 수 있도록 하고, 이는 궁극적으로 자율 주행 차량에서 주행 제어 시스템의 안전성 및/또는 전통적인 차량에서 운전자 보조 시스템을 향상시킬 수 있다.

일 실시예에서, 측 방향 타이어 포스 및 얼라인먼트 토크에 대한 쓰레숄드 값들에 관련한 측 방향 타이어 포스 및 얼라인먼트 토크의 평가가 추가적으로 제공된다. 이는 물리적 법칙들의 인클루디드 어프록시메이션들(included approximations)이 정당화되는 조건에서만 추산이 수행되는 것을 보장하는 것을 도울 수 있다. 특히, 평가는 추산된 노면 마찰 계수의 신뢰성 평가를 반환할 수 있다.

일 실시예에서, 추산된 노면 마찰 계수는 차량을 제어하기 위한 기초로 사용된다. 선행 기술 방법들에 의한 노면 마찰 계수의 추산에 기반하는 차량 제어 기술들과 비교하여, 이 실시예는 차량의 더욱 정확하고 및/또는 신뢰 가능한 제어를 가능하게 한다. 특히, 차량 제어는 추산된 노면 마찰 계수의 평가에 대응하여 차량의 안전-관련 액션을 취하는 것을 포함할 수 있다. 이는 차량의 오퍼레이션 및 무브먼트들의 안전성을 향상시킬 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 제1 측면에 따른 방법은 차량, 자율 주행에 이용 가능한 차량, 자율 주행 차량 및/또는 차량으로부터 데이터를 수신하는 프로세싱 유닛에서 구현된다. 프로세싱 유닛이 차량으로부터 수신한 (입력) 데이터에 대하여 상기 방법을 부분적으로 또는 전적으로 실행하는 경우에, 전형적으로 유한 에너지 소스로부터 파워를 공급 받는 차량의 프로세서들에 대한 연산 부하를 없앨 수 있다. 프로세싱 유닛은, 추산된 노면 마찰 계수를 포함한, (출력) 데이터를 응답으로서 차량에 전송할 수 있다.일 실시예에서, 제2 측면에 따른 차량은 스티어링 액츄에이터를 제어하는 제어 신호로부터 얼라인먼트 토크를 얻도록 구성되는 뉴매틱 트레일 추산기를 포함한다. 이는, 후술하는 바와 같이, 물리적으로도 정당화되는, 얼라인먼트 토크를 얻는 간단한 방법을 구성한다.

일반적으로, 특허 청구범위에 사용된 모든 용어들은, 여기에서 명백히 다르게 정의되지 않는 한, 기술 분야에서 그들의 통상의 의미에 따라 해석되어여 한다. 엘리먼트, 장치, 콤포넌트, 수단, 단계 등은, 명백히 달리 기술되지 않는 한, 엘리먼트, 장치, 콤포넌트, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 예를 언급하는 것으로 개방되게 해석되어야 한다. 여기에서 개시된 어떠한 방법의 단계들은, 명백히 언급되지 않는 한, 기술된 정확한 순서에 따라 수행되어야 하는 것은 아니다.

이하 첨부 도면을 참조하여, 예시로서 본 발명의 실시예들을 설명한다:
도 1은 전기 파워 스티어링 시스템의 개략도이다;
도 2는 노면 마찰 추산에 관련된 량들을 도시한 타이어의 측면도이다;
도 3은 노면 마찰 계수의 두 개의 서로 다른 값들에 대한 뉴매틱 트레일(pneumatic trail)의 위치를 도시한다;
도 4는 본 발명이 구현될 수 있는 예시 차량들을 도시한다;
도 5는 차량의 처리 회로 및 센서들의 기능 블록 다이어그램이다; 및
도 6은 본 발명의 두 개의 실시예들에 따른 방법들을 도시하는 플로우차트이다.

다양한 타입의 파워 스티어링 시스템들의 구조 및 특성들이 먼저 서술될 것이다.

도 1은 차량의 스티어드 액슬 (steered axle) 상에 작동하는 전기적으로 작동되는 파워 스티어링 시스템(100)의 일부를 보여준다. 상기 스티어링의 기본적인 구조는 매뉴얼 토크(manual torque)가 적용되는 스티어링 휠(101, 102)이다. 스티어링 휠은 링키지(linkage)(103, 104) 및 랙 및 피니언 기구(105)을 통하여 선형적으로 위치 변화 가능한 스티어링 랙(109)에 연결된다. 랙 및 피니언 기구(105(는 원형 기어(111)및 선형 기어(112)를 포함할 수 있다. 타이 로드들(tie rods)(106)을 통하여, 스티어링 랙(109)의 위치 변화는 각각의 스티어드 휠들(108)이 휠 서스펜션(107)의 기하학에 따른 각도들

만큼 회전되게끔 한다. 타이 로드들(108)에 의하여 가해지는 스티어링 토크는, 휠들(108)의 접촉 표면 상의 종방향 및 측방향 도로 포스들(road forces)로 인하여, 각 휠 허브의 중심에 작용하는 (도 2에 도시된) 얼라인먼트 토크 (또는 셀프 얼라이닝 토크) Mz와 균형을 이루게 된다. 얼라인먼트 토크는 대략적으로 랙 포스에 비례한다:

Mz = K1

(랙 포스). (1)

도 1의 예시에 따르면, 파워 스티어링 오버레이(overlay)(120)는, 매뉴얼 토크를 센싱하기 위한 토크 센서(121) 및 출력 토크가 벨트(140) 및 기어(150)를 통하여 스티어링 랙(109)에 전달되는 전기 모터(130)를 포함한다. 전기 모터(130)는 전기 파워 스티어링 시스템(100)의 액츄에이터이다. 전자 제어 유닛(123)은, 기구성된 기능에 따라, 스티어링 휠(101)에 인가되는 매뉴얼 토크에 따라 모터(130)의 출력 토크

를 제어한다. 예컨대, 상기 기능은 일정하거나 스피드-종속되는(speed-dependent) 게인과 선형 관계를 가질 수 있다. 일 예로, 랙 포스와 전기 모터 토크 간에 선형 관계가 있다.

(랙 포스) =

. (2)

(1) 및 (2)에 의하여, 전기 모터 토크( 액츄에이터 세팅) 및 얼라인먼트 토크 간에 선형 관계를 따른다.

. (3)

자율 주행 차량에서, 드라이버가 스티어링 휠에 가하는 매뉴얼 토크는 자동차 주행을 맡는 제어 시스템의 대응 액션에 대응된다. 예컨대, 스티어링 무브먼트들은 모터(130)에 제공되는 제어 시그널의 결과로 수행될 수 있다. 랙 포스와 전기 모터 토크 사이의 선형 관계 (2)는 자율 주행 차량에 유효하다.

전형적인 유압 파워 스티어링 시스템에서, 현재 액츄에이터 세팅은 액츄에이터 밸브에 의하여 허용되는 유압 오일의 압력에 대응된다. 스티어링 랙은, 랙 포스가 오일 압력에 비례하도록 작동될 수 있다.

(랙 포스) =

(오일 압력). (4)

일반적으로 적용되는 식 (1)로부터, 얼라인먼트 토크와, 식 (3)에 유사한 선형 관계를 따른다.

Mz = K₅

(오일 압력) (5)

전기 및 유압 액츄에이션 모두를 갖는 파워 스티어링 시스템의 매뉴얼-드라이빙 모드에서, 다음을 가질 수 있다:

(랙 포스) = K₅

(오일 압력)

K₆

(토션 바 토크) + K₇

(다이내믹 스티어링 토크). (6)

이 파워 스티어링 시스템의 자동-드라이빙 모드에서, 다음 관계를 갖는다:

(랙 포스) = K9

(오일 압력)

K10

(다이내믹 스티어링 토크). (7).

본 출원인에 의하여 제작된 어떠한 차량들은 이러한 타입의 파워 스티어링 시스템들을 구비한다.

고려하는 모든 타입의 파워 스티어링 시스템들에 공통으로, 식 (1)에 따른 근사가 유효하다. 따라서, 액츄에이터 세팅과 랙 포스 사이에 선형 또는 근사 선형 관계를 갖는다. 자율 주행 차량들은 일반적으로 이러한 점에서 종래의 자동차와 다르다.

도로-휠 인터랙션의 모델링은 이하에서, 노면 마찰 추산과 관련된 양들을 실증하는 이상화된 타이어의 측면도인, 도 2와 관련하여 기술될 것이다. 도 2에서, Mz는 얼라인먼트 토크를, Fy는 측방향 타이어 포스를, Fz는 수직 방향 (또는 법선 방향) 타이어 포스를, 2a는 타이어 접촉 길이를, tp는 뉴매틱 트레일을 나타낸다. 파라볼릭 법선 하중 분포를 갖는 "브러쉬 모델"에 따르면 (H. B. Pacejka, Tyre and Vehicle Dynamics, Society of Automotive Engineers, 2002 참조), 다음 관계를 갖는다:

, (8)

, (9)

, (10)

여기서,

및

이고,

는 타이어 측방향 슬립 (또는 사이드 슬립) 각도 그리고 C는 타이어 코너링 스티프니스(tyre cornering stiffness) (단위 1 N/rad).

타이어 측방향 슬립 각도

가 도 3에 도시되는데, 여기서 O는 수평 평면에서 휠 중심을 나타내고, OA는 주행 방향이다. 도 3의 좌측 및 우측 절반들은, 퓨어 어드히션(pure adhesion)에 대응되는 상대적으로 높은 노면 마찰 계수

(좌측)의 경우와, 상대적으로 낮은 마찰 계수

(우측)의 경우를 보여준다. 낮은 마찰의 경우 (우측)에, 타이어의 중앙 부위는, 국부 마찰력이 포화 강도(saturated magnitude)를 갖는 것을 나타내는, 동일한 길이를 갖는 수평 파선 화살표에 의하여 나타내어지는 바와 같이 슬라이딩된다. 휠 중심 O에 대한 측방향 타이어 합력 Fy의 변위를 나타내는, 뉴매틱 트레일 tp는, 따라서 마찰 계수의 두 값들

에 대하여 서로 다르다. 이는 본 발명의 근본을 이루는 물리 원칙들 중 하나이다.

비록 "브러쉬 모델"이 많은 응용들에서 높은 신뢰성을 갖는 것으로 알려져 있지만, 그 많은 비선형 특징들이, 일반적으로 실시간으로 수행되는, 컴퓨터 연산을 요구하고 따라서 온-보드 노면 마찰 추산에 덜 적합하도록 만드는 것을 본 발명자는 깨달았다. 본 발명의 실시예들은 대신, EP3309024A1에서 최초로 제시되고 확인된 단순화된 모델을 사용할 수 있다. 단순화된 모델은, 차량의 프론트 및 리어 휠 액슬 토크, 종방향 가속도 및 피치 레이트(pitch rate)에 기반하여, 노면 마찰을 추산하는 맥락에서 개시되었다. 상기 단순화된 모델에 따르면, 측방향 포스는 대략적으로:

, (8.1)

여기서, tanh는 하이퍼볼릭 탄젠트 함수이다. 커브-피팅 참작들(curve-fitting considerations)에 기반하여, 상기 단순화된 모델은 측방향 포스의 아래의 대체 근사들 또는 그 것의 스케일드 버전들(scaled versions)을 포함하는 것으로 일반화될 수 있다.

, (8.2)

, (8.3)

여기서 arctanh는 인버스 하이퍼볼릭 탄젠트 함수이다. 스케일링은 스케일링 계수 c를 입력 변수 (예컨대, f(cx)) 또는 출력 변수 (예컨대, cf(x))에 적용하는 것을 포함할 수 있다.

작은

에 대하여, 식 (10)에 따른 뉴매틱 트레일은 매클로린 전개(Maclaurin expansion)에 의하여 근사화될 수 있다.

, (10.1)

여기서, '대문자 O' 표기는 간략을 위하여 사용된다. 상기 전개는

의 밖에서는 완전히 정확하지는 않을 수 있다. 이 범위 내에서 그리고 고차항들

을 무시하면, 식 (10.1)은 다음과 동등하다

. (11)

동등식 (11)을 식 (8.1)에 적용하고

를 구하면, 뉴매틱 트레일, 측 방향 및 수직 방향 포스들의 함수로 마찰 계수를 얻는다:

. (12.1)

만약 대신 식 (8.2) 또는 (8.3)이 마지막 단계에서 사용되면, 각각 다음을 얻는다

(12.2)

및

. (12.3)

선택적으로, 수치 평가의 안정을 향상시키기 위하여, 식 (12.1), (12.2) 및 (12.3)에 따른 함수들은, 특이점(singularity)을 피하기 위하여, tp-독립 세그먼트로 패치될(patched) 수 있다. 예컨대, 식 (12.1)은 다음과 같이 대체될 수 있다

, 여기서

. (13.1)

예컨대,

가 1로 설정되면, 모든 곳에서

이다. 유사한 패치가 식들 (12.2) 및 (12.3)에 적용될 수 있다.

마찰 계수

의 전술한 근사들에서 보여지는 측방향 Fy는 차량의 무게 중심의 측방향 가속도

및 차량의 요 가속도

로부터 추산될 수 있다. 이 양들의 하나 또는 둘 모두의 값들은 가속도계, 포지션 센서, 세계 항행 위성 시스템 (GNSS) 리시버, 실시간 키네마틱 (RTK) 인스트루먼트, 자이로스코프 장치, 관성 센서, 관성 측정 유닛(IMU) 또는 차량에 배치되는 어떠한 동등한 인스트루먼트로부터 얻어질 수 있다. 차량의 포지션 및/또는 오리엔테이션을 알아낼 수 있는 인스트루먼트는 여기에서 일반적으로 포지션 및 오리엔테이션 센서로 호칭될 것이다. 요 가속도 (yaw acceleration)

는 직접적으로 인스트루먼트로부터 얻을 수 있고; 대안으로 센서가 요 레이트

를 제공하고, 그 타임 도함수(derivative)가 수치적으로 연산된다. 차량의 측방향 가속도 및 요 가속도를 얻는 것은 일반적으로 알려져 있고, 따라서 여기에서는 더 상세하게 기술하지는 않을 것이다. 상기 측방향 가속도 및 요 가속도의 값들에 기초하여, 측방향 포스는 다음과 같이 주어진다

, (14)

여기서,

는 스티어드 액슬에 인가되는 차축 하중을 나타내고,

는 무게 중심으로부터 스티어드 액슬까지의 거리를 나타내고,

는 스티어링 각도를 나타낸다. 스티어드 액슬은 차량의 프론트 액슬 또는 기타 액슬일 수 있다.

마찰 계수

의 전술한 근사들에 나타나는 뉴매틱 트레일

는, 거리

처럼 차량을 정의하는 상수인, 캐스터 트레일

및 스티어링 액츄에이터 세팅의 현재 값으로부터 추산될 수 있다. 캐스터 트레일은 센티미터의 체계의 것일 수 있다. 얼라인먼트 토크, 측방향 포스, 캐스터 트레일 및 뉴매틱 트레일에 관련된 식

에 기반하여, 한편으로 다음을 얻는다:

. (15)

다른 한편으로, 여기에서 M_act로 표시되는 스티어링 액츄에이터 세팅 및 얼라인먼트 토크 사이에 선형 관계

(16)

를 상정할 수 있음은, 전술한 바로부터 상기된다.

스티어링 액츄에이터 세팅은 차량의 스티어링 액츄에이터를 제어하는 제어 신호에 대응될 수 있다. 상수 k는 기어비, 전기 게인, 시스템 오일 압력 등에 종속될 수 있다. 식 (15) 및 (16)을 조합하면, 다음을 얻는다

. (17)

식들 (14), (17) 및 차축 하중

는 식들 (12.1), (12.2), (12.3) 및 수정 식 (13.1)의 각각을 평가하는데 충분한 정보를 제공한다.

도 5는 여기에서 기술하는 노면 마찰 계수를 추산하도록 된 처리 회로 및 센서들의 기능 블록 다이어그램이다. 도 5는 측방향 타이어 포스 추산기(54)에 스티어링 각도를 제공하도록 구성된 스티어링 각도 센서(51)를 보여준다. 측방향 타이어 포스 추산기(54)는 더 나아가 포지션 및 오리엔테이션 센서(52)로부터 차량의 측방향 가속도 및 요 가속도를 얻는다. 스티어링 액츄에이터(53)를 제어하는 제어 신호 Mact는 뉴매틱 트레일 추산기(55)에 (예컨대 병렬로) 제공된다. 차축 하중 추산기(56)는 처리 회로의 다른 파트들에 차축 하중 및/또는 수직 방향 포스를 제공한다. 노면 마찰 추산기(57)는 측방향 타이어 포스 추산기(54), 뉴매틱 트레일 추산기(55) 및 차축 하중 추산기(56)의 출력을 수신하고, 그에 기반하여 노면 마찰 계수를 추산한다. 도 5에 시사된 바와 같이, 노면 마찰 추산기(는 식 (13.1)을 평가하도록 구성되고, 식들 (12.1), (12.2), (12.3) 또는 그들의 리스케일드 및/또는 패치 버전들(rescaled and/or patched versions)은 유용한 동등물들이다.

제1 후-처리 유닛(58)은 현재 주행 상황의 스크리닝을 수행하고, 이에 기반하여 추산된 노면 마찰 계수의 신뢰성을 알아내도록 구성된다. 예컨대, 중간 정도의 또는 큰 측 방향 타이어 포스 및 얼라인먼트 토크에 대하여 정확도가 더 좋을 수 있다. 반대로, 측 방향 포스들이 전형적으로 작고 정확하게 측정하기 힘들 수 있는, 차량의 직진 주행 시, 추산 접근은 열악하게 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 후-처리 유닛(58)은, 도 3의 우측 절반 (

)에 도시된 바와 같이, 타이어 접촉이 부분적으로 슬라이딩되도록 하는 스피드 및 요 가속도로 차량이 주행할 때 추산의 신뢰성이 허용되는 정도임을 나타내도록 구성된다. 대안으로, 제1 후-처리 유닛(58)은 측 방향 토크 및 얼라인먼트 토크가 기설정된 쓰레숄드 값들

을 초과할 때 허용 신뢰성을 나타내도록 구성될 수 있다.

제1 후-처리 유닛(58)은 더 나아가, 안전 주행을 표시하는, 쓰레숄드 마찰 값에 대하여 추산된 노면 마찰 계수

를 평가하도록 구성될 수 있다. 상기 평가는 차량의 계획된 연속 궤적을 고려할 수 있다. 상기 평가가 주행이 안전하지 않거나 또는 안전하지 않게 될 수 있다고 시사하면, 안전-지향 조치가 지시될 수 있다.

대안으로 또는 추가적으로, 제2 후-처리 유닛(59)이 작동되고, 이는 노면 마찰 계수의 허용 오차를 얻도록 구성된다. 허용 오차는, 기설정된 신뢰도 레벨에서 노면 마찰 계수의 참 값(true value)이 위치하는, 허용 오차 인터벌

로 표시될 수 있다. 허용 오차는 다소 다른 상수의 값들로 추산을 반복함으로써 연산될 수 있다. 예컨대, 식 (10.1)의 코너링 스티프니스 C는, 차량의 타이어들에 적용되는 것으로 믿어지는 참 값의 위 및 아래에서 변화될 수 있다. 상기 코너링 스티프니스의 약간 더 큰 값

는 뉴매틱 트레일의 대체 근사

를 제공할 수 있고, 이에 의하여 노면 마찰 계수의 상한

을 얻는다. 제2 후-처리 유닛(59)은 유사하게 노면 마찰 계수의 하한을 찾도록 구성될 수 있다. 상기 근사들의 알려진 불확실성들을 파악함으로써 허용 오차를 연산하는 것이 또한 가능하다. 예컨대, 식 (10.1)이

이 커감에 따라 점차 뉴매틱 트레일을 과소 평가하는 것으로 알려지면, 노면 마찰 계수의 상한

을 얻도록, 식 (13.1) (또는 그 동등물들)을 재평가하는 것을 고려할 수 있고, 이에 의하여 안전 마진으로 증가된 뉴매틱 트레일의 대체 근사

를 얻어진다. 안전 마진은 스케일링 팩터 또는 추가된 상수일 수 있다. 또 다른 대안으로, 통계적 접근들이 선택될 수 있다.

측 방향 타이어 포스 추산기(54), 뉴매틱 트레일 추산기(55), 노면 마찰 추산기(57) 및 선택적 후-처리 유닛(58, 59)을 포함하는 처리 회로를 나타내는 도 5의 기능 블록들은, 공통 컴퓨터 프로그램의 소프트웨어로서, 협동 서브-프로그램들로서, 특정 용도 또는 프로그래머블 아날로그 또는 디지털 신호 처리 회로 및 동등 솔루션들로서 구현될 수 있다. 본 발명의 범위 내의 구현들은 도 5에 도시된 예시적인 기능 구조 또는 다른 구조를 가질 수 있다. 처리 회로는, 노면 마찰 계수가 추산되는 차량에 위치되거나, 네트워크 처리 리소스들을 참조할 수 있다.

도 6은, 본 발명의 두 개의 실시예들에 따른, 도로와 차량의 타이어 사이의 마찰을 추산하는 것의 방법들(600a, 600b)을 도시하는 플로우차트이다. 처음 네 단계들(610, 620, 630, 640)은 두 방법들에 공통된다.

첫 번째 단계(610)에서, 차량의 스티어드 액슬에 대한 스티어링 각도

, 측 방향 가속도

, 요 가속도

, 얼라인먼트 토크 Mz 및 스티어드 액슬 상의 차축 하중

에 관련된 실질적으로 동시 값들이 얻어진다. 상기 값들은 차량에 배치된 센서들 및 인스트루먼트들로부터 얻어질 수 있다. 대안으로, 상기 값들의 어떠한 것들은 외부 센서들, 예컨대 차량의 포지션 및/또는 오리엔테이션을 알아내는 카메라 또는 차축 하중을 알아내는 저울에 의하여 포착될 수 있고, 오퍼레이터에 의하여 입력될 수 있다. 얻어진 값들은, 그 값들이 이들의 측정치들 또는 근사치들이라는 점에서 각각의 량들에 관련되고; 얻어진 값들이 상기 량들에 정확하게 일치하는 것이 본 발명에 필수적이지는 않다.

두 번째 단계(620)에서, 측 방향 타이어 포스 Fy는 스티어링 각도, 측 방향 가속도 및 요 가속도에 기반하여 추산된다. 이 추산은 식 (8.1), (8.2) 및 (8.3) 중 하나를 평가하는 것을 포함할 수 있다.

세 번재 단계(630)에서, 뉴매틱 트레일

는 두 번재 단계 (620)에서 추산된 측 방향 타이어 포스 및 얼라인먼트 토크로부터 얻는다. 상기 얻는 것은, 가능하면 고-차 항들을 무시하면서 식 (10.1)을 평가하는 것을 포함할 수 있다.

네 번째 단계(640)에서, 노면 마찰 계수

는 세 번째 단계(630)에서 얻어진 추산된 측 방향 타이어 포스, 차축 하중 및 뉴매틱 트레일에 기반하여 추산된다. 네 번재 단계(640)의 실행은, 식들 (12.1), (12.2), (12.3) 또는 (13.1) 중 어느 것을 평가하는 것을 포함할 수 있다.

두 번째, 세 번째 및 네 번째 단계들(620, 630, 640)에서의 연산들은 차량에 배치된 처리 회로, 차량으로부터 데이터를 수신하는 처리 회로, 네트워크를 통하여 이용 가능한 처리 설비들 (클라우드 컴퓨팅)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 방법들(600a, 600b)은 전적으로 또는 부분적으로 차량에서 구현될 수 있다. 차량은 도 4의 트럭(41), 버스(42) 및 중장비(43)에 의하여 예시된 바와 같이, 적어도 하나의 스티어드 액슬 및 총 둘 이상의 차축들을 가질 수 있다. 추산은, 드라이버 리액션을 신뢰할 수 없는, 자동 또는 자율 차량의 노면 마찰의 악화를 감지하는데 특히 이로울 수 있다.

방법들(600a, 600b)은, 본 발명의 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램의 명령들을 실행하는, 컴퓨터 또는 복수의 컴퓨터들에 의하여 수행될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터-읽기 가능한 매체 상에 저장될 수 있다. 컴퓨터-읽기 가능한 매체는, 옵티컬 디스크, 마그네틱 매체, 솔리드-스테이트 메모리, 전기 메모리 및 더 정확하게는, 랜덤 억세스 메모리, 리드-온리 메모리, 플래시 메모리, 메모리 스틱일 수 있다. 각각의 타입의 컴퓨터-읽기 가능한 매체는 휘발성 또는 비휘발성일 수 있다. 더 나아가, 컴퓨터 프로그램은 변조 반송파(modulated carrier wave)와 같은 트랜지토리 컴퓨터-읽기 가능한 매체를 이용하여 프로세서에 배포되거나 로딩될 수 있다. 저장된 컴퓨터 프로그램을 갖는 컴퓨터-읽기 가능한 매체는 컴퓨터 프로그램 프로덕트를 구성한다.

일 실시예에서, 상기 방법(600a)은 노면 마찰 계수와 관련된 허용 오차 범위

를 얻는 선택적인 다섯 번째 단계(650)에 의하여 확장된다. 이 얻는 것들과 관련하여, 전술한 제2 후-처리 유닛(59)의 설명을 참고한다. 이 얻는 것은, 노면 마찰 계수의 참 값이 허용 오차 범위 내에 있는 보장된 확률 (신뢰도 레벨)을 갖도록 하는 것일 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 방법(600b)은 추산된 노면 마찰 계수의 신뢰성을 알아내는 선택적인 단계 (660)에 의하여 확장된다. 선택적인 단계(660)에서, 측 방향 포스 및 얼라인먼트 토크는 쓰레숄드 값들

에 대하여 평가된다. 측 방향 포스 및/또는 얼라인먼트 토크가 너무 작은 것으로 밝혀지면, 추산된 노면 마찰 계수는 신뢰성이 없는 것으로 거부될 수 있다. 전술한 제1 후-처리 유닛(58)의 설명을 참고한다. 차량을 제어하기 위한 그리고 유사한 목적을 위한 추산치의 사용이 억제될 수 있다. 더 나아가 선택적으로, 단계(660)에서 평가에 후속하여, 추산된 노면 마찰 계수의 값에 대응하여 차량의 안전-관련 액션을 취하는 추가적인 단계(670)가 뒤따를 수 있다. 추가적인 단계(670)의 실행은, 평가 단계(660)에서의 포지티브 파인딩(positive finding), 즉 추산치가 신뢰 가능한 것인 것을 조건으로 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 전술한 첫 번째, 두 번째, 세 번째 및 네 번째 단계들(610, 620, 630, 640)을 포함하는 차량을 제어하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 추산된 노면 마찰 계수에 기반하여 차량을 제어하는 후속 단계를 포함한다. 상기 제어는, 현재 또는 예측되는 주행 컨디션들에 대한 노면 마찰 계수의 평가 또는 추산된 노면 마찰 계수의 값들에 대응하여 차량의 안전-관련 액션을 취하는 것을 포함할 수 있고; 이 단계는 전술한 추가적인 단계(670)에 유사할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 방법의 일부들, 특히 두 번째, 세 번째 및 네 번재 단계들(620, 630, 640)은 차량의 외부에서 구현될 수 있다.

본 발명의 측면들은 적은 수의 실시예들을 참조하여 주로 기술되었다. 그러나, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가지는 자가 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 전술한 것들 이외의 실시예들이 첨부 특허 청구범위에 기재된 바와 같이, 본 발명의 범위 내에서 동일하게 가능하다.

Claims

차량(41, 42, 43)의 노면 마찰을 추산하는 방법(600)으로서, 상기 방법은,차량의 스티어드 액슬(steered axle)에 대한 스티어링 각 (
), 측 방향 가속도 (
), 요 가속도(yaw acceleration) (
), 얼라인먼트 토크 (
), 및 상기 스티어드 액슬 상의 차축 하중 (
)과 관련된 실질적으로 동시 값들(substantially contemporaneous values)을 얻는 것(610)과;
상기 스티어링 각, 측 방향 가속도 및 요 가속도에 기반하여 측 방향 타이어 포스(Fy)를 추산하는 것(620)과;
상기 얼라인먼트 토크 및 추산된 측 방향 타이어 포스(Fy)로부터 뉴매틱 트레일(
)을 얻는 것(630)과;
상기 측 방향 타이어 포스, 상기 차축 하중 및 상기 뉴매틱 트레일로부터 노면 마찰 계수(
)을 추산하는 것(640)을 포함하는,
방법.
제1 항에 있어서, 상기 노면 마찰 계수를 얻는 것은 상기 뉴매틱 트레일의 기설정된 비선형 함수를 평가하는 것을 포함하는,
방법.
제2 항에 있어서,
상기 비선형 함수는,

,
또는 이 것의 스케일드 버전들(scaled versions)
중 어느 하나와 적어도 낱낱으로 동일하고, 여기서
는 중력 가속도,
는 타이어 접촉 길이, Fy는 측 방향 타이어 포스,
는 뉴매틱 트레일인,
방법.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 뉴매틱 트레일을 얻는 것은, 상기 차량의 캐스터 트레일(
)을 수정하는 것을 포함하는,
방법.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 노면 마찰 계수와 관련된 허용 오차 범위(
)를 얻는 것(650)을 추가적으로 포함하는,
방법.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
선택적으로 상기 차량의 주행 상황의 평가, 분류 또는 스크리닝에 기반하여, 상기 측 방향 타이어 포스 및 상기 얼라인먼트 토크에 대한 쓰레숄드 값들(
)과 관련하여 상기 측 방향 타이어 포스 및 얼라인먼트 토크를 평가하는 것(660)을 추가적으로 포함하는,
방법.
제6 항에 있어서,
상기 평가(660)는 상기 추산된 노면 마찰 계수의 신뢰성 평가를 제공하는,
방법.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 추산된 노면 마찰 계수에 기반하여 상기 차량을 제어하는 것을 추가적으로 포함하는,
방법.
제8 항에 있어서,
상기 제어하는 것은 추가적으로, 상기 추산된 노면 마찰 계수의 평가에 대응하여, 상기 차량의 안전-관련 액션(670)을 취하는 것을 포함하는,
방법.
제1 항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
차량, 자율 주행 가능한 차량, 자율 주행 차량, 차량으로부터 데이터를 수신하는 프로세싱 유닛 중 하나 이상에서 구현되는,
방법.
스티어링 각 센서(51), 포지션 및 오리엔테이션 센서(52), 스티어링 액츄에이터(53) 및 차축 하중 추산기(56)를 포함하는 센서들과;
상기 포지션 및 오리엔테이션 센서로부터 측 방향 가속도 및 요 가속도 뿐 아니라 상기 스티어링 각 센서로부터 스티어링 각을 수신하고, 그에 기반하여 측 방향 타이어 포스를 추산하도록 구성되는 측 방향 타이어 포스 추산기(54)와,
상기 추산된 측 방향 타이어 포스뿐 아니라, 상기 스티어링 액츄에이터를 제어하는 제어 신호를 수신하고, 그에 기반하여 뉴매틱 트레일을 추산하도록 구성되는 뉴매틱 트레일 추산기(55)와,
상기 추산된 측 방향 타이어 포스 및 뉴매틱 트레일 뿐 아니라 상기 차축 하중 추산기로부터 차축 하중을 수신하고, 그에 기반하여 노면 마찰 계수를 추산하도록 구성되는 노면 마찰 추산기(57)
을 포함하는 처리 회로를 포함하는,
차량(41, 42, 43)
제11 항에 있어서,
상기 포지션 및 오리엔테이션 센서는 관성 센서를 포함하는,
차량.
제11 항 또는 제12 항에 있어서,
상기 뉴매틱 트레일 추산기는 상기 스티어링 액츄에이터를 제어하는 상기 제어 신호로부터 얼라인먼트 토크를 얻도록 구성되는,
차량.
제11 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있엇,
상기 처리 회로는,
상기 노면 마찰 계수의 허용 오차를 얻고, 및/또는
상기 측 방향 타이어 포스 및 상기 얼라인먼트 토크에 대한 쓰레숄드 값들(
)에 관련하여 현재 측 방향 타이어 포스 및 얼라인먼트 토크를 평가
하도록 구성되는, 적어도 하나의 후-처리 유닛(58, 59)을 추가적으로 포함하는,
차량.
컴퓨터에 의하여 실행될 때, 상기 컴퓨터가 제1 항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 상기 방법을 수행하게 하는 명령들을 포함하는,
컴퓨터 프로그램 .