KR20230135225A - 전동화 차량의 사운드 발생 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량 선회 시 타이어 슬립 사운드를 발생시키는 전동화 차량의 사운드 발생 장치 및 방법에 관한 것으로, 차량의 상태 정보를 검출하는 검출부, 가상 사운드를 재생하여 출력하는 사운드 출력부, 및 상기 검출부 및 상기 사운드 출력부와 연결되는 처리부를 포함하고, 상기 처리부는, 상기 차량의 상태 정보에 기반하여 상기 차량의 코너링 상태를 감지하고, 상기 코너링 상태에 따른 종방향 힘, 횡방향 힘, 타이어 슬립비 및 타이어 슬립각을 분석하여 코너링 포스를 계산하고, 빅데이터 기반 타이어 접지면과 노면 프로파일을 기반으로 접촉력을 계산하고, 상기 코너링 포스와 상기 접촉력에 기반하여 타이어 슬립 사운드를 생성하고, 상기 타이어 슬립 사운드를 재생하도록 상기 사운드 출력부를 제어할 수 있다.

Description

전동화 차량의 사운드 발생 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING SOUND OF ELECTRIFICATION VEHICLE}
본 발명은 차량 선회 시 타이어 슬립 사운드를 발생시키는 전동화 차량의 사운드 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.
전동화 차량(예: 전기차, 수소전기차 등)은 전기 모터로 주행하기에 엔진음이 없어 보행자가 차량 접근을 인지하기 어려운 상황이 발생한다. 이를 해결하기 위하여 가상의 엔진음을 발생시켜 보행자에게 인지시키는 가상 엔진 사운드 시스템이 개발되었고, 전동화 차량에 의무적으로 장착되고 있다.
가상 엔진 사운드 시스템에서 구동기(Electronic Sound Generator, ESG)를 이용하여 엔진음을 구현한다. 구동기는 차량의 카울 탑 판넬에 장착되고, 엔진음 발생 시 차체 진동을 이용하여 부가음(구조진동음향)을 발생시킨다. 그러나, 구동기가 장착된 차체 카울 브라켓의 용접부와 카울 탑 커버에 이음이 발생하며 구조 보강 및 진동 절연을 위한 품질 비용이 과다하게 발생한다.
KR 102131390 B1 KR 101856935 B1 KR 101744716 B1
본 발명은 차량 선회 시 차량의 지면 슬립이 발생하는 경우 타이어 슬립 사운드를 발생시키는 전동화 차량의 사운드 발생 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 전동화 차량의 사운드 발생 장치는 차량의 상태 정보를 검출하는 검출부, 가상 사운드를 재생하여 출력하는 사운드 출력부, 및 상기 검출부 및 상기 사운드 출력부와 연결되는 처리부를 포함하고, 상기 처리부는, 상기 차량의 상태 정보에 기반하여 상기 차량의 코너링 상태를 감지하고, 상기 코너링 상태에 따른 종방향 힘, 횡방향 힘, 타이어 슬립비 및 타이어 슬립각을 분석하여 코너링 포스를 계산하고, 빅데이터 기반 타이어 접지면과 노면 프로파일을 기반으로 접촉력을 계산하고, 상기 코너링 포스와 상기 접촉력에 기반하여 타이어 슬립 사운드를 생성하고, 상기 타이어 슬립 사운드를 재생하도록 상기 사운드 출력부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 검출부로부터 입력되는 운전자 조타각과 타이어 조타각에 기반하여 차량 주행 상태가 코너링 상태인지를 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 종방향 힘, 상기 횡방향 힘 및 상기 운전자 조타각을 기반으로 차체 변위를 측정하여 진동 신호를 검출하고, 상기 타이어 슬립비, 상기 타이어 슬립각 및 상기 타이어 조타각을 기반으로 타이어들의 공기압 및 온도 편차를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 코너링 포스에 기반하여 상기 타이어 슬립 사운드의 초기 음원을 생성하고, 상기 타이어 조타각에 기반하여 상기 차량의 슬립비와 슬립각을 예측하고, 예측된 상기 차량의 슬립비와 슬립각에 따라 상기 타이어 슬립 사운드의 음량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 종방향 힘 및 상기 횡방향 힘에 기반하여 상기 타이어 슬립 사운드의 발생 시점을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 횡방향 힘에 의한 슬립각 및 타이어 접지면에서의 마찰에 의한 전단 접촉력을 계산하고, 상기 전단 접촉력과 상기 타이어 슬립 사운드의 상관성을 반영하여 상기 타이어 슬립 사운드를 디자인하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 전동화 차량의 사운드 발생 방법은, 처리부가 검출부에 의해 검출되는 차량의 상태 정보에 기반하여 상기 차량의 코너링 상태를 감지하는 단계, 상기 처리부가 상기 차량의 코너링 상태에 따른 종방향 힘, 횡방향 힘, 타이어 슬립비 및 타이어 슬립각을 분석하여 코너링 포스를 계산하는 단계, 상기 처리부가 빅데이터 기반 타이어 접지면과 노면 프로파일을 기반으로 접촉력을 계산하는 단계, 상기 처리부가 상기 코너링 포스와 상기 접촉력에 기반하여 타이어 슬립 사운드를 생성하는 단계, 및 상기 처리부가 상기 타이어 슬립 사운드를 재생하도록 사운드 출력부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 차량의 코너링 상태를 감지하는 단계는, 상기 검출부로부터 입력되는 운전자 조타각과 타이어 조타각에 기반하여 차량 주행 상태가 코너링 상태인지를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 코너링 포스를 계산하는 단계는, 상기 종방향 힘, 상기 횡방향 힘 및 상기 운전자 조타각을 기반으로 차체 변위를 측정하여 진동 신호를 검출하는 단계, 및 상기 타이어 슬립비, 상기 타이어 슬립각 및 상기 타이어 조타각을 기반으로 타이어들의 공기압 및 온도 편차를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 타이어 슬립 사운드를 생성하는 단계는, 상기 코너링 포스에 기반하여 상기 타이어 슬립 사운드의 초기 음원을 생성하는 단계, 상기 타이어 조타각에 기반하여 상기 차량의 슬립비와 슬립각을 예측하는 단계, 및 상기 예측된 상기 차량의 슬립비와 슬립각에 따라 상기 타이어 슬립 사운드의 음량을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 사운드 출력부를 제어하는 단계는, 상기 종방향 힘 및 상기 횡방향 힘에 기반하여 상기 타이어 슬립 사운드의 발생 시점을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 타이어 슬립 사운드를 생성하는 단계는, 상기 횡방향 힘에 의한 슬립각 및 타이어 접지면에서의 마찰에 의한 전단 접촉력을 계산하는 단계, 및 상기 전단 접촉력과 상기 타이어 슬립 사운드의 상관성을 반영하여 상기 타이어 슬립 사운드를 디자인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 차량 선회 시 차량의 지면 슬립이 발생하는 경우 타이어 슬립 사운드를 발생시키므로, 운전자에게 재미 및 감성 만족을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 전동화 차량의 사운드 발생 장치를 도시한 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 전동화 차량의 사운드 발생 장치의 처리부의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 타이어 슬립 사운드 생성을 위한 파라미터 도출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예들에 따른 파라미터 간 상관관계를 도시한 분석도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 가상 환경 사운드 튜닝 시뮬레이터를 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른 전동화 차량의 사운드 발생 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 전동화 차량의 사운드 발생 장치를 도시한 블록구성도이다.
전동화 차량은 전기차(Electric Vehicle, EV), 플러그인 하이브리드 자동차 (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 및/또는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 등과 같이 전기 모터를 이용하여 주행하는 차량일 수 있다. 전동화 차량의 사운드 발생 장치(100)는 사용자의 청각 경험을 기반으로 가상 사운드를 디자인할 수 있으며, 음색 조절 및 가속 페달 반응도 조절을 통해 개인화할 수 있다.
도 1을 참조하면, 사운드 발생 장치(100)는 통신부(110), 검출부(120), 저장부(130), 사운드 출력부(140) 및 처리부(150)를 포함할 수 있다.
통신부(110)는 사운드 발생 장치(100)가 전동화 차량(이하, 차량)에 장착된 전자제어장치(Electronic Control Unit, ECU)들과 통신을 수행하도록 지원할 수 있다. 통신부(110)는 CAN(Controller Area Network) 프로토콜을 사용하여 CAN 메시지를 송수신하는 송수신기(transceiver)를 포함할 수 있다. 통신부(110)는 사운드 발생 장치(100)가 외부 전자 장치(예: 단말 및 서버 등)와 통신을 수행하도록 지원할 수도 있다. 통신부(110)는 무선 통신 회로 및/또는 유선 통신 회로 등을 포함할 수 있다.
검출부(120)는 주행 정보, 및/또는 환경 정보(즉, 차량 내부 환경 정보 및/또는 차량 외부 환경 정보)를 검출할 수 있다. 검출부(120)는 차량에 장착된 센서들 및/또는 ECU들을 이용하여 운전자 조타각(스티어링 휠 조향각), 타이어 조타각(타이 로드(tie rod)), 차량 속도, 모터 RPM(Revolutions Per Minute), 모터 토크 및/또는 가속페달 개도량 등의 주행 정보를 검출할 수 있다. 센서에는 APS(Accelerator pedal Position Sensor), 조향각 센서, 마이크, 이미지 센서, 거리 센서, 휠속 센서, ADAS(Advanced Driver Assistance System) 센서, 3축 가속도계, 및/또는 IMU(Inertial Measurement Unit) 등이 사용될 수 있다. ECU에는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU) 및/또는 차량 제어기(Vehicle Control Unit, VCU) 등이 있을 수 있다.
저장부(130)는 타이어 슬립 사운드, 경고음, 주행 사운드, 가속 사운드 및/또는 코너링 사운드 등과 같은 가상 사운드의 음원을 저장할 수 있다. 저장부(130)는 감성 인식 모델, 사운드 디자인 알고리즘, 음량 설정 알고리즘, 음량 제어 로직 및/또는 사운드 이퀄라이저(sound equalizer) 로직 등을 저장할 수 있다. 감성 인식 모델은 사운드 기반 감성 인자 및 동특성 기반 감성 인자에 기반하여 구현될 수 있다. 사운드 기반 감성 인자는 저단 변속(downshift) 감성의 가속과 감속, 드리프트(drift) 감성의 슬립(slip)과 페달 반응도, 및/또는 박력 및 레스폰스(response) 감성의 타이어 슬립과 배기음 등을 포함할 수 있다. 동특성 기반 감성 인자는 사운드 피드백 감성의 진동, 승차감 감성의 차체 강성감, 및/또는 조종성 감성의 샤시 밸런스(chassis balance) 등을 포함할 수 있다. 사운드 기반 감성 인자 및 동특성 기반 감성 인자는 사전에 차량 운동 성능과 주행 감성의 상관 관계에 대한 평가에 의해 도출될 수 있다. 일 예로, 시간에 따른 차량 속도 및 모터 RPM의 변화를 통해 정지 가속 시 슬립, 변속 시 충격량(jerk), 급가속 WOT(Wide Open Throttle) 감성 인자 연관성을 평가할 수 있다. 시간에 따른 요레이트(yaw rate) 및 사이드 슬립각(side slip angle)의 변화를 통해 코너링 시 조종성 외 동특성 감성인자 상관성을 분석할 수 있다. 사운드 디자인 알고리즘은 타겟 프로파일(target profile) 및 엔진 정보(예: RPM, 스로틀 개도량, 토크 등)을 통하여, 기존의 액티브 사운드 디자인(Active Sound Design, ASD) 기능에 엔진 사운드를 고려한 엔진 사운드 이퀄라이저(Engine Sound Equalizer, ESE) 로직이 추가된 고성능 사운드 이퀄라이저 로직을 포함할 수 있다.
저장부(130)는 처리부(150)에 의해 실행되는 명령어들(instructions)을 저장하는 저장매체(non-transitory storage medium)일 수 있다. 저장부(130)는 RAM(Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), EPROM(Erasable and Programmable ROM), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive, HDD), 솔리드 스테이트 디스크(Solid State Disk, SSD), eMMC(embedded multimedia card), UFS(universal flash storage) 및/또는 웹 스토리지(web storage) 등의 저장매체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
사운드 출력부(140)는 가상 사운드를 재생하여 차량에 장착된 스피커들로 출력할 수 있다. 사운드 출력부(140)는 기저장된 또는 실시간으로 스트리밍되는 음원을 재생하여 출력할 수 있다. 사운드 출력부(140)는 앰프(amplifier) 및 사운드 재생 장치 등을 포함할 수 있다. 사운드 재생 장치는 처리부(150)의 지시에 따라 사운드의 음량, 음색(음질) 및 음상 등을 조절하여 재생할 수 있다. 사운드 재생 장치는 DSP(Digital Signal Processor) 및/또는 마이크로프로세서(microprocessors) 등을 포함할 수 있다. 앰프는 사운드 재생 장치에서 재생되는 사운드의 전기 신호를 증폭할 수 있다.
처리부(150)는 각 구성 요소들(110 내지 140)과 전기적으로 연결될 수 있다. 처리부(150)는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), DSP(Digital Signal Processor), PLD(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), CPU(Central Processing unit), 마이크로컨트롤러(microcontrollers) 및/또는 마이크로프로세서(microprocessors) 등과 같은 처리장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
처리부(150)는 차량 주행 중 검출부(120)를 통해 운전자 조작 정보, 차량 내부 환경 정보 및 차량 외부 환경 정보 등을 검출(획득)할 수 있다. 여기서, 운전자 조작 정보는 운전자 조타각 및/또는 타이어 조타각 등을 포함할 수 있다. 차량 내부 환경 정보는 내기 온도, 페달 개도량, 휠속 기반 차량 속도 및/또는 스로틀 개도량 등과 같은 정보를 포함할 수 있고, 차량 외부 환경 정보는 외기 온도 및/또는 GPS 기반 차량 속도 등을 포함할 수 있다. 처리부(150)는 운전자 조작 정보, 차량 내부 환경 정보 및/또는 차량 외부환경 정보 등을 기반으로 가상 사운드를 디자인하고 가상 사운드의 음색 및 음량 등을 조절할 수 있다.
처리부(150)는 차량 주행 중 검출부(120)를 이용하여 운전자의 조작을 감지할 수 있다. 다시 말해서, 처리부(150)는 운전자의 스티어링 휠 조작에 따른 운전자 조타각 및 타이어 조타각을 감지할 수 있다. 처리부(150)는 운전자 조타각 및/또는 타이어 조타각에 근거하여 차량 주행 상태를 판단할 수 있다. 여기서, 차량 주행 상태는 정속 상태, 가속 상태 및 코너링 상태로 분류할 수 있다.
처리부(150)는 운전자 조타각 및 타이어 조타각에 기반하여 종방향 힘(종력), 횡방향 힘(횡력), 타이어 슬립비 및 타이어 슬립각을 분석하여 코너링 포스(cornering force)를 계산할 수 있다. 처리부(150)는 차량 관련 파라미터 즉, 종력, 횡력 및 운전자 조타각을 통해 차체의 전방, 중심 및 후방 변위를 측정하여 하중 전달에 의한 진동 신호를 검출할 수 있다. 처리부(150)는 타이어 관련 파라미터 즉, 타이어 슬립비, 타이어 슬립각 및 타이어 조타각을 이용하여 전륜(front wheels) 및 후륜(rear wheels)의 공기압과 온도에 대한 편차를 수치로 제공할 수 있다.
처리부(150)는 차량 및 타이어와 관련한 파라미터 변화에 따른 적어도 하나의 사운드를 시간 도메인(time domain)으로 재생을 하여 초기 음원을 생성할 수 있다. 처리부(150)는 코너링 포스에 의한 가상 사운드를 생성하여 시간축으로 재생할 수 있다. 처리부(150)는 게인 제어를 통해 가상 사운드의 음색을 변경하고 저항을 조절하여 가상 사운드(예: 타이어 슬립 사운드)를 디자인할 수 있다. 이때, 처리부(150)는 타이어 슬립 사운드 생성 알고리즘을 활용하여 가상 사운드를 디자인할 수 있다.
또한, 처리부(150)는 빅데이터를 기반으로 타이어 접지면과 노면 프로파일을 이용하여 접촉력(contact force)을 계산할 수 있다. 이때, 타이어 및 노면에 의한 시스템 해석 모델(타이어와 노면 프로파일 조건)을 활용하여 횡력 대비 슬립각 정보와 타이어 접지면에서 슬립에 의한 전단 접촉력(shear contact force)을 계산할 수 있다. 다시 말해서, 처리부(150)는 차량의 횡력에 의한 슬립각과 타이어 접지면에서의 마찰(마찰계수)을 고려하여 전단 접촉력을 계산할 수 있다. 계산된 전단 접촉력은 레이싱 트랙에서의 고성능차 운전자의 주행 감성을 반영한 타이어 슬립 사운드 디자인에 활용될 수 있다.
처리부(150)는 정차(Ground Loading) 및 주행 조건(Tire Rolling Effect)에 대한 타이어 해석을 통하여 빅데이터 기반 타이어 접지면과 노면 프로파일에 의한 해석 결과물을 데이터베이스(DB)에 축적할 수 있다. 타이어 해석 시 타이어 회전 효과는 Gyroscopic effect 및/또는 Doppler effect의 이론적 배경을 토대로 구현될 수 있다. 해석 결과물은 수직 접촉력(Normal Contact Force) 및 전단 접촉력 등을 포함할 수 있다. 여기서, 수직 접촉력(Normal Contact Force)은 자중에 의한 상하방향 접촉력을 의미하며, 전단 접촉력은 슬립에 의한 전단방향 접촉력을 의미한다. 해석 결과물 DB(빅데이터)는 횡력에 의한 슬립각과 마찰에 기인한 전단 접촉력을 추정에 활용될 수 있다.
처리부(150)는 전단 접촉력과 타이어 슬립 사운드의 상관성을 반영하여 가상 사운드(즉, 타이어 슬립 사운드)를 디자인할 수 있다. 처리부(150)는 차량의 상태 즉, 차량의 슬립비(slip ratio)를 실시간으로 모니터링하고 차량의 현재 슬립비를 참조하여 가상 사운드의 음량을 조절할 수 있다.
처리부(150)는 계산된 코너링 포스에 기반하여 가상 사운드의 음색 및 음량을 조절할 수 있다. 처리부(150)는 가상 사운드에 대해 피치(pitch) 컨트롤, 게인(gain) 컨트롤, APS 컨트롤, 주파수 필터, 세퍼드 레이어 컨트롤(Shepard layer control), 및/또는 음량(볼륨) 조절 등을 수행할 수 있다. 피치 컨트롤은 음의 높낮이를 조절하는 것이고, 게인 컨트롤은 음색을 변경하고 저항을 조절하는 것이다. APS 컨트롤은 APS 저항 즉, 가속 페달 가압에 따른 반응 정도(반응도)를 조절하는 것이고, 주파수 필터는 사운드의 재생 주파수 대역을 조절하는 것이다. 셰퍼드 레이어 컨트롤은 2번째 음원을 생성하고 해당 음원의 조절 영역을 조절하는 것이다.
처리부(150)는 사운드 디자인 알고리즘을 이용하여 차량 환경, 주행 환경 및/또는 타이어 접지면 정보를 반영하여 가상 사운드를 재생하도록 사운드 출력부(140)를 제어할 수 있다. 타이어 슬립 사운드는 차량 선회 시 하중 전달 메커니즘을 고려하여 횡가속도 기반 차체 및 타이어 슬립을 감성 사운드 디자인을 하게 된다. 사운드 출력부(140)는 타이어 슬립 사운드에 대한 컨셉을 반영하고 앰프를 통하여 리얼한 레이싱 트랙 감성을 반영하기 위하여 사운드가 최종 재생하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 전동화 차량의 사운드 발생 장치의 처리부의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
처리부(150)는 검출부(120)에 의해 획득되는 차량 상태 정보 예컨대, RPM, 토크, 조타각 등을 통해 차량 주행 상태를 판단할 수 있다. 여기서, 차량 주행 상태는 정속 상태, 가속 상태 및 코너링 상태로 분류할 수 있다.
처리부(150)는 CAN 알고리즘, 사운드 디자인 및 재생 장치 제어를 거쳐 사운드 출력부(140)로 가상 사운드 즉, 가속 사운드 및/또는 코너링 사운드 등을 출력할 수 있다.
처리부(150)는 CAN 알고리즘을 통해 크루즈 컨트롤 및 구동계 온도 등의 정보에 근거하여 주행 성향을 판단할 수 있다. 처리부(150)는 CAN 알고리즘을 기반으로 GPS 정보 및 외부와 실내 소음차 등의 정보에 근거하여 도로 환경을 판단할 수 있다. 처리부(150)는 판단된 주행 성향 및 도로 환경에 기반하여 가상 사운드를 디자인할 수 있다. 처리부(150)는 피치, 게인, 토크 및 속도 등을 기반으로 가속 사운드를 디자인할 수 있다. 처리부(150)는 APS 및 타이어 슬립 등을 기반으로 코너링 사운드를 디자인할 수 있다.
처리부(150)는 재생 장치를 제어하여 디자인된 가상 사운드를 재생할 수 있다. 재생 장치는 처리부(150)의 지시에 따라 재생되는 가상 사운드의 음질 및 음량 등을 조절할 수 있다. 처리부(150)는 재생 장치에 의해 재생되는 가상 사운드를 출력하도록 스피커 및 배기계를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 타이어 슬립 사운드 생성을 위한 파라미터 도출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
사운드 발생 장치(100)는 타이어 횡력에 따른 타이어 슬립 사운드를 재생할 수 있다. 사운드 발생 장치(100)의 처리부(150)는 검출부(120)를 이용하여 차량 관련 파라미터 및 타이어 관련 파라미터를 검출할 수 있다.
사운드 발생 장치(100)의 처리부(150)는 검출부(120)를 통해 종방향 힘과 횡방향 힘을 검출할 수 있다(S110). 처리부(150)는 검출부(120)를 이용하여 운전자 조타각 즉, 스티어링 휠의 조향각을 검출할 수 있다(S120). 처리부(150)는 차량 관련 파라미터인 종방향 힘, 횡방향 힘 및 운전자 조타각을 기반으로 차체의 변위를 측정하여 진동 신호를 검출할 수 있다(S130).
처리부(150)는 검출부(120)를 이용하여 타이어 슬립비 및 타이어 슬립각을 검출할 수 있다(S140). 처리부(150)는 검출부(120)를 통해 타이어 조타각을 검출할 수 있다(S150). 처리부(150)는 타이어 관련 파라미터인 타이어 슬립비, 타이어 슬립각 및 타이어 조타각을 이용하여 전륜 및 후륜(4개의 타이어)의 공기압과 온도에 대한 편차를 수치로 제공할 수 있다(S160).
가상 사운드인 타이어 슬립 사운드는 이벤트성 사운드이므로, 종방향 힘 및횡방향 힘이 기정해진 임계치 이상으로 발생하는 시점에 사운드를 재생할 수 있다. 처리부(150)는 운전자의 스티어링 휠 조작에 따른 조타각(운전자 조타각)에 기반하여 사운드 발생 시점을 예측할 수 있다. 처리부(150)는 실제 차량의 변위가 과도하게 발생하여 차량의 미끄러짐이 발생할 수 있는 변위 즉, 종방향 힘 및횡방향 힘이 기정해진 임계치 이상으로 검출될 때 타이어 슬립 사운드를 재생할 수 있다.
또한, 처리부(150)는 타이어 슬립 사운드 재생 시 실제 타이어 조타각을 모니터링하여 차량의 슬립비와 슬립각을 예측하고 예측된 슬립비와 슬립각을 기반으로 최종적인 사운드를 디자인할 수 있다. 차량의 선회 중심으로부터 4개 타이어의 슬립각이 서로 다르기 때문에 슬립비 또한 다르게 나타나며 각 타이어의 위치와 가까운 재생장치(예: 스피커, 진동자 등)에 발생하는 사운드 크기는 서로 다르게 함으로써, 타이어 슬립 사운드의 감성 품질을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예들에 따른 파라미터 간 상관관계를 도시한 분석도이다.
타이어 슬립 사운드를 생성할 때 감성 품질을 극대화하기 위해서는 차량 조타 시 발생하는 횡력을 참조해야 하나, CAN 신호를 직접적으로 모터니링하여 획득할 수 없다. 이에, 사운드 발생 장치(100)는 횡력을 추정할 수 있는 인자(파라미터)들을 조합하여 선도(diagram)를 생성하고 그 선도를 참조하여 슬립 사운드를 디자인할 수 있다.
횡력을 예측(추정)할 수 있는 선도로는 슬립비(Slip Ratio)과 슬립각(Slip Angle)이 있다. 이 선도들은 승차감과 조종 안전성(ride and handling, R&H) 성능 개발에도 활용되고 있어 상당 수준 검증된 데이터이다.
사운드 발생 장치(100)는 차량의 슬립비 및 슬립각 선도들을 활용하여 타이어 슬립 사운드 음원의 음량을 조절할 수 있다. 사운드 발생 장치(100)는 도 4에 도시된 각 선도의 '0' 값을 중심으로 멀어질수록 음량을 증가시키고 가까워질수록 음량을 감소시킬 수 있다. '0' 값과 실제 차량의 슬립비 및 슬립각의 차이는 타이어 슬립 사운드의 음량 변화로 나타나고, 선도 간격에 따른 음량 차이는 사운드 디자인 요소로 사용될 수 있다.
또한, 고성능차에서 사용되는 접지력이 우수한 타이어를 사용하는 차량일수록 Fx=4000[N]의 선도와 유사한 음량 선도를 사용하고 일반적인 차량에 사용되는 접지력이 상대적으로 떨어지는 차량에서는 Fx=1000[N]에 가까운 선도를 사용하여 타이어 슬립 사운드의 음량을 실제 차량의 거동에 맞게 사운드를 디자인할 수 있다.
이와 같이, 사운드 발생 장치(100)는 차량의 슬립비와 슬립각 선도들을 활용하여 사운드 디자인을 수행하므로, 차량의 동적 움직임과의 이질감을 최소화하여 가상 사운드의 감성 품질을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 가상 환경 사운드 튜닝 시뮬레이터를 도시한 구성도이다.
가상 환경 사운드 튜닝 시뮬레이터(200)는 ASD HiLS(hardware in loop simulation)을 활용하여 가상 환경 사운드 튜닝을 수행할 수 있다. 가상 환경 사운드 튜닝 시뮬레이터(200)는 CAN 인터페이스(210), AMP(220), 사운드 튜닝 프로그램(230) 및 컨트롤러(240)를 포함할 수 있다.
CAN 인터페이스(210)는 각 장치간의 실차 운행 정보를 녹음, 재생, 생성, 송수신을 수행할 수 있다. 다시 말해서, CAN 인터페이스(210)는 실차에서 수집한 CAN 신호를 AMP(220)과 컨트롤러(240)에 송수신하는 CAN 신호 송수신기(CAN Signal Transmitter)의 역할을 할 수 있다. CAN 인터페이스(210)는 가상 환경 사운드 튜닝 시뮬레이터(200)에서 계산된 파라미터를 포함하는 CAN 신호를 생성하여 AMP(220)로 전송할 수 있다.
CAN 인터페이스(210)는 차량에서 취득한 CAN 신호를 활용하여 차량과 동일한 신호를 재생하거나 취득한 신호를 조작할 수 있으며 AMP(220)과 컨트롤러(240) 간의 CAN 신호 송수신을 수행하는 CANoe(211) 및 CAN Player(212)를 포함할 수 있다.
AMP(220)는 사운드 튜닝 프로그램(230)의 튜닝 파라미터를 수신할 수 있다. AMP(220)는 튜닝 파라미터와 CAN 신호에 따른 출력값을 계산할 수 있다.
컨트롤러(240)는 가상 환경 사운드 튜닝 시뮬레이터(200)의 전반적 운용, 실차의 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 사운드를 녹음하여 생성한 기본 실내음 데이터를 저장 및 관리하고 실차 내 사운드 소스(예, 스피커)로부터 사람의 귀 위치까지의 음장 특성 정보(Binaural Vehicle Impulse Response, BVIR)를 저장 및 관리하며 차량의 동작 상태를 확인할 수 있는 CAN 신호를 생성, 수집, 처리 할 수 있다.
컨트롤러(240)는 AMP(220)에서 계산된 출력값(출력 신호)에 기반하여 ASD 사운드를 재생할 수 있다. 컨트롤러(240)는 실차에서 녹음된 사운드(예: background noise)와 재생되는 ASD 사운드를 실시간으로 합성하여 합성음을 생성할 수 있다. 또한, 컨트롤러(240)는 생성된 합성음에 실차 사운드 공간 특성 즉, BVIR 정보를 반영하여 최종 합성음을 생성할 수 있다.
컨트롤러(240)는 사운드 재생 컨트롤러를 포함할 수 있다. 사운드 재생 컨트롤러는 최종 합성음을 출력할 수 있다. 즉, 사운드 재생 컨트롤러는 가상 환경에서 최종 합성음에 대한 사운드 튜닝을 수행할 수 있다.
컨트롤러(240)는 튜닝된 사운드를 가상 주행 환경을 모사하는 VR 시뮬레이터를 이용하여 사용자에게 튜닝된 사운드를 들려주고 그에 대한 청각 경험 피드백을 통한 검증 절차를 수행할 수 있다. 컨트롤러(240)는 튜닝된 사운드에 대한 검증과 검증 결과에 기반한 사운드 튜닝을 반복적으로 수행하여 실차 수준의 청각 경험을 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른 전동화 차량의 사운드 발생 방법을 도시한 흐름도이다.
사운드 발생 장치(100)의 처리부(150)는 운전자 조타각 및 타이어 조타각을 검출할 수 있다(S200). 처리부(150)는 차량 주행 중 검출부(120)를 이용하여 운전자의 스티어링 휠 조작에 따른 운전자 조타각 및 타이어 조타각을 검출할 수 있다. 처리부(150)는 운전자 조타각 및 타이어 조타각에 기반하여 차량 주행 상태가 코너링 상태인지를 판단할 수 있다.
처리부(150)는 운전자 조타각 및 타이어 조타각을 기반으로 종력, 횡력, 타이어 슬립비 및 타이어 슬립각을 분석하여 코너링 포스를 계산할 수 있다(S210). 처리부(150)는 차량 관련 파라미터 즉, 종력, 횡력 및 운전자 조타각을 통해 차체의 전방, 중심 및 후방 변위를 측정하여 하중 전달에 의한 진동 신호를 검출할 수 있다. 처리부(150)는 타이어 관련 파라미터 즉, 타이어 슬립비, 타이어 슬립각 및 타이어 조타각을 이용하여 전륜과 후륜 즉, 4개의 타이어들의 공기압과 온도에 대한 편차를 수치로 제공할 수 있다.
처리부(150)는 계산된 코너링 포스에 기반하여 음원을 생성하고 생성된 음원의 음색 및 음량을 조절할 수 있다(S220). 처리부(150)는 차량 및 타이어와 관련한 파라미터 변화에 따른 적어도 하나의 사운드를 시간 도메인으로 재생을 하여 초기 음원을 생성할 수 있다. 처리부(150)는 코너링 포스에 의한 가상 사운드를 생성하여 시간 도메인(시간축)으로 재생할 수 있다. 처리부(150)는 게인 제어를 통해 가상 사운드의 음색을 변경하고 저항을 조절하여 가상 사운드(예: 타이어 슬립 사운드)를 디자인할 수 있다. 이때, 처리부(150)는 타이어 슬립 사운드 생성 알고리즘을 활용하여 가상 사운드를 디자인할 수 있다.
처리부(150)는 빅데이터 기반 타이어 접지면과 노면 프로파일을 이용하여 접촉력을 계산할 수 있다(S230). 이때, 타이어 및 노면에 의한 시스템 해석 모델(타이어와 노면 프로파일 조건)을 활용하여 횡력 대비 슬립각 정보와 타이어 접지면에서 슬립에 의한 전단 접촉력(shear contact force)을 계산할 수 있다. 계산된 전단 접촉력은 레이싱 트랙에서의 고성능차 운전자의 주행 감성을 반영한 타이어 슬립 사운드 디자인에 활용될 수 있다.
처리부(150)는 계산된 접촉력에 기반하여 전단 접촉력과 타이어 슬립 사운드의 상관성을 반영하여 타이어 슬립 사운드를 디자인할 수 있다(S240).
처리부(150)는 사운드 출력부(140)를 이용하여 디자인된 가상 사운드 즉, 타이어 슬립 사운드를 재생하여 출력할 수 있다(S250). 처리부(150)는 운전자 조타각 및 타이어 조타각에 기반하여 타이어 슬립 사운드의 발생 시점(즉, 재생 시점)을 결정할 수 있다. 예를 들어, 처리부(150)는 운전자 조타각 및 타이어 조타각이 기정해진 임계치 이상인 시점에 타이어 슬립 사운드를 재생하도록 사운드 출력부에 지시할 수 있다. 처리부(150)는 차량의 상태 즉, 차량의 슬립비를 실시간으로 모니터링하고 차량의 현재 슬립비를 참조하여 가상 사운드의 음량을 조절할 수 있다. 처리부(150)는 타이어 조타각을 모니터링하여 차량의 슬립비와 슬립각을 예측하고, 차량의 슬립비와 슬립각 선도를 참조하여 예측된 차량의 슬립비와 슬립각에 매칭되는 사운드를 최종적으로 디자인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 차량의 상태 정보를 검출하는 검출부;
    가상 사운드를 재생하여 출력하는 사운드 출력부; 및
    상기 검출부 및 상기 사운드 출력부와 연결되는 처리부를 포함하고,
    상기 처리부는,
    상기 차량의 상태 정보에 기반하여 상기 차량의 코너링 상태를 감지하고,
    상기 코너링 상태에 따른 종방향 힘, 횡방향 힘, 타이어 슬립비 및 타이어 슬립각을 분석하여 코너링 포스를 계산하고,
    빅데이터 기반 타이어 접지면과 노면 프로파일을 기반으로 접촉력을 계산하고,
    상기 코너링 포스와 상기 접촉력에 기반하여 타이어 슬립 사운드를 생성하고,
    상기 타이어 슬립 사운드를 재생하도록 상기 사운드 출력부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 검출부로부터 입력되는 운전자 조타각과 타이어 조타각에 기반하여 차량 주행 상태가 코너링 상태인지를 판단하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 종방향 힘, 상기 횡방향 힘 및 상기 운전자 조타각을 기반으로 차체 변위를 측정하여 진동 신호를 검출하고,
    상기 타이어 슬립비, 상기 타이어 슬립각 및 상기 타이어 조타각을 기반으로 타이어들의 공기압 및 온도 편차를 검출하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 코너링 포스에 기반하여 상기 타이어 슬립 사운드의 초기 음원을 생성하고,
    상기 타이어 조타각에 기반하여 상기 차량의 슬립비와 슬립각을 예측하고, 예측된 상기 차량의 슬립비와 슬립각에 따라 상기 타이어 슬립 사운드의 음량을 조절하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 종방향 힘 및 상기 횡방향 힘에 기반하여 상기 타이어 슬립 사운드의 발생 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 횡방향 힘에 의한 슬립각 및 타이어 접지면에서의 마찰에 의한 전단 접촉력을 계산하고,
    상기 전단 접촉력과 상기 타이어 슬립 사운드의 상관성을 반영하여 상기 타이어 슬립 사운드를 디자인하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 장치.
  7. 처리부가 검출부에 의해 검출되는 차량의 상태 정보에 기반하여 상기 차량의 코너링 상태를 감지하는 단계;
    상기 처리부가 상기 차량의 코너링 상태에 따른 종방향 힘, 횡방향 힘, 타이어 슬립비 및 타이어 슬립각을 분석하여 코너링 포스를 계산하는 단계;
    상기 처리부가 빅데이터 기반 타이어 접지면과 노면 프로파일을 기반으로 접촉력을 계산하는 단계;
    상기 처리부가 상기 코너링 포스와 상기 접촉력에 기반하여 타이어 슬립 사운드를 생성하는 단계; 및
    상기 처리부가 상기 타이어 슬립 사운드를 재생하도록 사운드 출력부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 차량의 코너링 상태를 감지하는 단계는,
    상기 검출부로부터 입력되는 운전자 조타각과 타이어 조타각에 기반하여 차량 주행 상태가 코너링 상태인지를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 코너링 포스를 계산하는 단계는,
    상기 종방향 힘, 상기 횡방향 힘 및 상기 운전자 조타각을 기반으로 차체 변위를 측정하여 진동 신호를 검출하는 단계; 및
    상기 타이어 슬립비, 상기 타이어 슬립각 및 상기 타이어 조타각을 기반으로 타이어들의 공기압 및 온도 편차를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 타이어 슬립 사운드를 생성하는 단계는,
    상기 코너링 포스에 기반하여 상기 타이어 슬립 사운드의 초기 음원을 생성하는 단계;
    상기 타이어 조타각에 기반하여 상기 차량의 슬립비와 슬립각을 예측하는 단계; 및
    상기 예측된 상기 차량의 슬립비와 슬립각에 따라 상기 타이어 슬립 사운드의 음량을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 사운드 출력부를 제어하는 단계는,
    상기 종방향 힘 및 상기 횡방향 힘에 기반하여 상기 타이어 슬립 사운드의 발생 시점을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 타이어 슬립 사운드를 생성하는 단계는,
    상기 횡방향 힘에 의한 슬립각 및 타이어 접지면에서의 마찰에 의한 전단 접촉력을 계산하는 단계; 및
    상기 전단 접촉력과 상기 타이어 슬립 사운드의 상관성을 반영하여 상기 타이어 슬립 사운드를 디자인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동화 차량의 사운드 발생 방법.
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