KR20240032073A - 자율 주행 차량의 테스트 주행에서 사용하기 위한 조향 시스템 및 연동 해제 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자율 주행 차량의 테스트 주행에서 사용하기 위한 조향 시스템에 관한 것이며, 상기 조향 시스템은 - 차량을 수동으로 조향하도록 구성된 수동 조향 수단; - 수동 조향 수단에 부착된 조향 차축(30); 및 - 조향 차축(30) 상의 토크에 제어 가능하게 영향을 미치는 직접 구동 모터(35)이되, 조향 차축(30)과 동축인 회전축(37)을 갖는 상기 직접 구동 모터(35);를 포함한다. 상기 조향 시스템은 - 조향 시스템이 상이한 주행 조건들을 특징짓는 적어도 2개의 기정의된 상태를 보유하되, 각각의 기정의된 상태는 적어도 하나의 기정의된 연동 해제 한계를 가지며, 그리고 - 조향 시스템이 제어 매개변수를 기반으로 작동될 수 있는 컨트롤러 어셈블리를 더 포함하되, 컨트롤러 어셈블리는 차량의 실제 기정의된 상태를 검출하도록 구성되며, 그리고 컨트롤러 어셈블리는, 제어 매개변수의 미리 정해진 값과 제어 매개변수의 실제 값 간의 차이 값을 기반으로 실제 기정의된 상태에 상응하는 적어도 하나의 기정의된 연동 해제 한계가 도달된다면, 직접 구동 모터(35)의 연동 해제를 개시하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 연동 해제 방법, 그리고 이 방법을 수행하는 데이터 처리 시스템, 컴퓨터 프로그램 제품 및 컴퓨터 판독 가능 매체에 관한 것이다.

Description

자율 주행 차량의 테스트 주행에서 사용하기 위한 조향 시스템 및 연동 해제 방법

본 발명은 자율주행 차량(autonomous vehicle)의 테스트 주행에서 사용하기 위한 조향 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 연동 해제 방법(disengagement method), 그리고 상기 방법을 구현하는 데이터 처리 시스템, 컴퓨터 프로그램 제품 및 컴퓨터 판독 가능 매체에 관한 것이다.

사람들은 더욱더 쉽고 더욱더 쾌적한 운전 경험을 추구하고 있다. 따라서, 당업계에는 차량을 조향하는 데 보조하기 위한 다양한 솔루션들이 공지되어 있다. 또한, 자율적인 자기 주행 기능들(autonomous, self-driving functions)을 구비한 차량들, 즉, 사용자 개입이 없거나, 또는 최소의 사용자 개입이 있는 상태에서 스스로 주행할 수 있는 차량들은 공지되어 있다.

US 2003/0221898 A1호는, 카운터 조향 작동 동안 조향 토크를 감소시키도록 적응되는 모터 구동식 조향 컨트롤러(motor-driven steering controller)를 개시하고 있다. EPS 모터는, 감속 기어와 래크 및 피니언을 통해 앞바퀴들을 조향하기 위해 제공되며, 그렇게 함으로써 운전대(steering wheel)에 대한 운용자(operator)의 조작력을 감소시키고, 그에 따라 운용자의 차량 운전을 보조한다. 모터는 운전대의 샤프트에 직접 부착되는 것이 아니라, 마모 및 고장이 쉽게 발생하는 추가 이동 부품들(moving components)을 요구하는 기어들을 통해 부착된다.

카운터 조향 보조를 위해 필요한 조향 토크는 계산되고 실행되지만, 그러나 운용자는 계산이 잘못된 경우 조향 작동을 오버라이드(override)할 수 있다. 상기 문헌은 안전한 오버라이드를 보장하기 위한 방식들을 개시하고 있지 않다.

US 2006/0015228 A1호는 농업용 차량과 같은 이동 기계(mobile machine)에서 불감대(dead band)를 조향하기 위한 방법 및 그 시스템을 개시하고 있다. 상기 방법은 운용자가 불감대의 값을 수동으로 측정하는 단계를 포함하며, 그리고 이런 불감대 값은 불감대를 보상하고 그 때문에 불감대와 관련된 바람직하지 않은 영향을 완화하기 위해 컨트롤러에서 사용된다. 상기 시스템은 가역적인 전기 모터를 포함하며, 그에 따라 상기 전기 모터는 운전대를 시계 방향으로 또는 시계 반대 방향으로 회전시킬 수 있다. 전기 모터의 전류는, 운전대가 사용자에 의한 오버라이드를 허용하는 과도한 토크를 생성하지 않으면서 회전되도록 보정된다. 모터는 다시 직접 구동 모터가 아니며, 그에 따라 모터의 토크를 운전대로 전달하기 위해 추가 기어들이 요구된다.

US 2006/0195238 A1호는 매개변수 기반 연동 해제(parameter-driven disengagement)를 이용한 자동 차량 제어를 구현하기 위한 방법 및 그 시스템을 개시하고 있되, 차량은 트랙터 또는 수확용 기계(harvester)와 같은 농업용 차량이다. 차량은 기정의된 루트(route)를 따라서 자동으로 안내되며, 그리고 기정의된 매개변수가 초과된다면, 자동 주행(automatic driving)을 위한 조향 명령어는, 신규 연동 신호(new engagement signal)가 수신될 때까지 연기된다. 시스템을 위한 기정의된 매개변수는 최소 차량 속도, 최대 차량 속도, 차량과 루트의 벡터 간 접근 각도(approach angle), 교차 트랙 오차 한계(cross-track error limit), 차량의 제동, 시트 스위치 또는 타임아웃 센서의 신호, 차량의 과도한 틸트(tilt) 또는 롤(roll), 과도한 가속도 등, 또는 사용자에 의한 수동 오버라이드일 수 있다. 차량은 바람직하게는 무기어식(non-geared) 전기 모터를 활용한다.

EP 1 972 482 A2호는 바람직하게는 산업용 트럭을 위한 조향 구동 시스템을 개시하고 있다. 조향 구동 시스템은, 활성화될 때 구동 샤프트를 통해 조정 휠을 구동하는 모터를 구비한 조향 구동 유닛을 포함한다. 상기 문헌은 스티어-바이-와이어(steer-by-wire) 솔루션을 개시하고 있되, 브러쉬리스 전기 모터가 조향 시스템에 연결되어 있다. 조정 휠이 모터에 의해 구동될 때, 운전자 또는 운용자는 조향 장치와 조정 휠 간의 직접적인 연결을 감지할 수 있다.

US 2012/0130596 A1호는 차량 안내 시스템(vehicle guidance system)을 개시하고 있되, 차량은 농업용 차량이며, 그리고 연료 또는 농업 재료의 효율적인 사용을 보장하기 위해 기결정된 경로를 따라서 안내된다. 차량은, 운전대 및 허브를 구비한 운전대 어셈블리(steering wheel assembly)이되, 허브는 조향 샤프트(steering shaft)에 연결되어 있는 것인, 운전대 어셈블리; 및 운전대 어셈블리를 직접 구동하기 위한 구동 어셈블리;를 포함한다. 구동 어셈블리의 축은 운전대 어셈블리에 대해 동축이다. 상기 문헌은 구동 어셈블리가 초과할 수 없는 토크 한계를 개시하고 있지 않으며, 따라서, 운전자가 예컨대 사고를 피하기 위해 필요한 것으로 보일 때면 언제든지 차량의 제어력을 인계받을 수 있는 점은 보장되지 않는다.

US 2014/0214275 A1호는 정밀 농업(precision farming)을 위한 조향 컨트롤러를 개시하고 있다. 조향 컨트롤러는 원하는 경로에서 차량을 직진시키기 위해 차량의 조향 샤프트를 회전시킬 수 있다. 허브는 차량의 조향 샤프트에 결합될 수 있으며, 그리고 모터는 허브를 회전시킴으로써 조향 샤프트를 회전시킬 수 있다. 차량은 바람직하게는 농업용 차량이며, 그리고 그 조향 시스템은 전형적으로 유압 기반 시스템이다. 운용자는 운전대를 회전시킴으로써 차량의 제어력을 인계받을 수 있다. 그러나 상기 문헌은 어떻게 제어력을 인계받을 수 있는지 그 방법을 개시하고 있지 않다.

US 2016/0334790 A1호는 자율 주행 차량 개장 시스템(autonomous vehicle retrofitting system)을 개시하고 있다. 조향 모터는 조향 칼럼에 토크를 인가하기 위해 사용되되, 조향 모터는 브러쉬 또는 브러쉬리스 모터와 같은 전기 모터일 수 있으며, 그리고 이는 풀리 또는 기어를 통해 조향 칼럼과 접속된다. 사용자 개입은 검출될 수 있으며, 그리고 사용자는 차량의 제어력을 인계받을 수 있다. 심지어 시스템은 사용자 인가 토크(user-applied torque)의 방향을 유도할 수 있다.

공지된 접근법들의 관점에서, 다양한 교통 상황들 및 주행 조건들에서 자율 주행 차량들을 테스트하기 위해 사용될 수 있으며, 그리고 테스트 중에 발생할 수도 있는 예상치 못하거나 또는 위험한 상황이 있는 경우 사용자 또는 운전자의 개입을 허용하는 조향 시스템이 필요하다. 또한, 특히 차량의 자율 조향(autnonomous steering)에 고장 또는 문제가 있는 경우, 테스트 동안 사용자에 의한 연동 해제 및 오버라이드를 허용하는 조향 시스템도 필요하다.

본 발명의 주된 목적은, 자율 주행 차량의 테스트 중에 사용하기 위한 조향 시스템에 있어서, 종래 기술의 접근법들의 단점들이 최대한 가능한 정도로 없는 상기 조향 시스템을 제공하는 것에 있다.

"자율 주행 차량(autonomous vehicle)"이란 용어는 인간 운전자(human driver)의 개입 없이 적어도 부분적으로 작동될 수 있는 모든 차량, 예를 들면 자기 주행차(self-driving car); 자기 주행 또는 자율 주행 기능을 갖는 반자동화 차량이되, 자기 주행 또는 자율 주행 기능은 특정한 도로 또는 환경 조건 또는 주행 상황들(예컨대 자동화 주차)로 제한될 수 있는 것인, 반자동화 차량; 또는 상기 차량의 자율 주행을 허용하기 위한 수단을 장착한 임의의 종래 차량들[예: 운전 로봇(driving robot)을 포함한 차량];을 나타낸다.

가까운 미래에, 운송(transportation)은 인간의 어떠한 개입 없이도 작동할 수 있는 자율 주행 차량의 사용을 통해 완전히 자동화될 것으로 예상된다. 그러나 이러한 차량들은, 사용자들, 탑승자들, 운송 상품들, 차량들 자체, 및 자율 주행 차량의 루트를 따른 임의의 다른 사람, 차량 또는 객체의 안전을 보장하기 위해 테스트되어야 한다. 예를 들면, 필요한 안전 요건을 충족하기 위해 중복(redundant) 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션이 요구된다. 차량의 자율 주행을 담당하는 소프트웨어는 안전해야 하며, 그리고 드물고 예상치 못한 이벤트들을 포함하여 가능한 모든 환경, 차량 및 교통 상황(traffic condition)에서 차량의 안전한 기동(safe maneuvering)을 대비해야 한다.

일부 차량은 반자동화 솔루션(semi-automated solution)을 보유하도록 설계되어 있되, 즉, 특정한 조건들에서, 차량은 스스로 자율적으로 주행할 수 있지만, 그러나 인간 운전자는 위험하거나 예상치 못한 상황의 경우에 개입할 필요가 있다.

안전한 작동 및 안전 규정의 준수를 보장하기 위해, 자율 주행 차량, 및 차량 운전을 담당하는 그 소프트웨어는 철저하게 테스트되어야 한다. 이러한 테스트는 차량을 실제로 사용하는 동안 발생할 수도 있는 다양한 주행 시나리오들을 포함해야 하며, 그에 따라 공공 도로에서 교통 상황에서의 주행도 포함한다.

본 발명의 목적은 교통 상황들 및 다양한 주행 상황들에서 자율 주행 차량의 안전한 테스트를 허용하며, 그리고 상이한 수준의 자동화에서 차량, 심지어는 완전 자동화 차량의 테스트도 허용하는 조향 시스템을 제공하는 것에 있다.

자기 주행 차량들(self-driving vehicles)과 관련한 주요 문제는, 자기 주행 특징들 대부분이 특정한 조건들(예컨대 고속도로, 도시 지역, 특정한 기상 상태, 어두운 곳 또는 야간 등)에서만 사용되도록 의도되고 그로 인해 "취약성(brittleness)"에 처하게 된다. 취약성은, 차량의 자동화 특징들이 사용되도록 의도된 조건들에서 잘 기능하지만, 시스템은, 소프트웨어가 처리하도록 설계되어 있지 않은 상황들을 처리하기 위해, 인간의 개입을 요구하는 현상을 나타낸다. 그러므로 그 결과 인간 운전자에게 문제가 발생하는데, 즉, 인간 운전자는 자동화가 정확하게 수행되지 않음을 인식해야 하고 자동화가 정확하게 수행되지 않는 이유를 이해해야 한다. 인적 요인(human factor)에 대한 연구에 따르면, 인간은 자동화와 관련한 문제를 감지하는 속도가 느리고 문제가 감지된 후에도 그 문제를 이해하는 속도 역시도 느린 것으로 확인되었다. 자동화와 관련한 고장이 발생할 때, 운전자로 하여금 차량의 수동 제어를 인계받거나 재개하도록 요구하는 예상치 못한 전환 사항이 갑자기 발생할 수 있고 운전자는 차량의 제어력을 인계받을 준비가 되어 있지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 추가 목적은 다양한 주행 상황들 및 교통 상황들에서도 안전한 연동 해제 및 오버라이드를 허용하는 조향 시스템을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 추가 목적은 운전자 또는 사용자로 하여금 차량의 제어력을 인계받도록 허용하는 연동 해제 방법을 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 본원 방법의 단계들을 수행하기 위한 수단을 포함하는 데이터 처리 시스템; 하나 이상의 컴퓨터에서 본 발명에 따른 방법의 단계들을 구현하기 위한 비일시적 컴퓨터 프로그램 제품(non-transitory computer program product); 및 하나 이상의 컴퓨터에서 본원 방법의 단계들을 수행하기 위한 명령어들을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체;를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 목적들은 청구항 제1항에 따른 조향 시스템에 의해 달성될 수 있다. 또한, 본 발명의 목적들은 청구항 제10항에 따른 방법에 의해, 청구항 제12항에 따른 데이터 처리 시스템에 의해, 청구항 제13항에 따른 비일시적 컴퓨터 프로그램 제품에 의해, 그리고 청구항 제14항에 따른 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 정의되어 있다.

종래 기술의 접근법들과 비교되는 본 발명에 따른 조향 시스템의 주요 장점은 다양한 주행 상황들에서 자동화의 상이한 레벨들에서도 자율 주행 차량의 테스트를 허용하며, 그리고 그에 따라 고장 및 사고가 덜 발생하는 보다 더 안전한 자율 주행 차량에 기여한다는 사실에서 기인한다.

본 발명에 따른 조향 시스템의 추가 장점은, 상기 조향 시스템이 숙련된 안전 운전자뿐만 아니라 모든 운전자에 의해서도 사용될 수 있다는 점에 있는데, 그 이유는 상기 조향 시스템이 임의의 종래 조향 시스템으로서 작동될 수 있고, 그에 따라 테스트 차량을 운전하기 위해 특별한 기술은 필요하지 않기 때문이다. 또한, 선택적으로, 본 발명에 따른 조향 시스템은 공공 도로에서, 또는 바람직하게는 테스트 동안 다른 차량들의 진입이 허용되지 않는 폐쇄된 구역에서 로봇 택시 회사의 차량들을 테스트하기 위해 운전자 없이 작동될 수 있었다.

그에 추가로, 본 발명에 따른 조향 시스템은 테스트 운전자들을 훈련시키기 위해 사용될 수 있다. 훈련은 본 발명에 따른 조향 시스템을 장착한 테스트 차량의 운전을 포함할 수 있거나, 또는 본 발명에 따른 조향 시스템은 테스트 벤치(test bench) 상에 장착될 수 있거나, 또는 안전한 보안 테스트 환경에서 테스트 운전자들을 위한 현실적인 훈련을 제공하는 임의의 다른 시뮬레이션 환경에 장착될 수 있다.

본 발명에 따른 조향 시스템은 운전대 또는 조이스틱과 같은 수동 조향 수단(means for manual steering)을 포함하지 않는 완전 자동화 차량들에서, 그리고 또한 수동 조향 수단을 보유한 차량들, 즉, 반자동화 차량들 또는 특정한 조건들에서 자기 주행 기능성들을 보유한 차량들에서 구현될 수 있다. 첫 번째 경우에, 수동 조향 수단의 추가는 안전한 방식으로 자율 주행 차량의 보다 더 복잡한 테스트를 허용하며, 즉, 인간 운전자는, 차량의 예상치 못하거나 잘못된 거동(behaviour)이 감지되는 경우 개입할 수 있으며, 그에 따라 차량은 폐쇄된 트랙에서뿐만 아니라, 일반 도로에서 실제 교통 상황에서도 테스트될 수 있다. 후자의 경우, 조향 시스템은 차량의 기존 조향 차축 상에 장착될 수 있다.

본 발명에 따른 조향 시스템은 자율 주행 차량의 품질, 또는 차량의 하나 이상의 자율 또는 자기 주행 기능 또는 특징을 전문적으로, 그리고 철저하게 테스트하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 조향 시스템은 자동화의 상이한 레벨들, 바람직하게는 자동화의 레벨 1 내지 레벨 5에서 기술들을 테스트하도록 설계되어 있다. 레벨 5 자동화는 인간 운전자를 요구하지 않지만, 그러나 자율 주행 소프트웨어의 개발 및 미세 조정 목적을 위해, 수동 조향을 위한 인터페이스, 예컨대 운전대, 조이스틱, 또는 테스트 중에 안전한 수동 운전 입력을 제공할 수 있는 임의의 메커니즘을 보유한 테스트 차량을 갖추는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 운전자의 수동 개입은, 자동화 주행을 담당하는 소프트웨어에 일부 결함이나 버그가 있거나, 또는 테스트 주행 동안 예상치 못한 상황이 발생하더라도, 차량 및 그 환경의 안전을 보장할 수 있다.

예를 들면, 레벨 1 자동화는, 운전자가 항상 손 및/또는 발(그러나 둘 다 필요하지 않음)로 차량을 물리적으로 작동할 것을 요구한다. 레벨 1 자동화의 예시는 운전자가 타인 차량들로부터 안전 거리를 유지하는 데 도움을 주는 적응형 크루즈 컨트롤(adaptive cruise control)이다. 레벨 2 자동화는 운전자가 도로를 모니터링하고 항상 바람직하게는 즉시 제어력을 인계받을 수 있도록 할 것을 요구한다. 레벨 2 자동화의 예시는 자기 주차(self-parking)이다. 레벨 3 자동화의 경우, 운전자는 가끔 제어할 수 있을 것으로 예상되지만, 그러나 전환 시간은 충분히 편안하다. 레벨 3 차량의 예시는, 임의의 운전자 개입 없이, 바람직하게는 진입로(on-ramps) 및 진출로(off-ramps) 주행을 포함하여 고속도로에서 운행(navigation)할 수 있는 차량이다. 레벨 4에서는, 운전자는 목적지 또는 내비게이션 입력을 제공해야 하지만, 그러나 운전자는 주행(trip) 중 언제든지 제어력을 인계받을 수 있을 것으로 예상되지는 않는다. 현재 시장에는 레벨 4 차량은 없지만, 그러나 레벨 4 차량은 임의의 운전자 입력 또는 개입 없이 출발지에서 목적지까지 전체 주행을 완료할 수 있어야 한다. 자동화 레벨 1 내지 4 모두는, 운전자가 자동화 차량이 예상대로 수행하는지를 확인하기 위해 자동화 차량을 모니터링하고 자동화 차량이 처리할 수 없는 상황들에는 개입할 것을 요구한다.

차량의 조향 차축 상에 직접적으로 구동 모터를 구현함으로써, 직접 구동 모터가 운전자에 의해 인식될 수 없을 정도로 매우 적은 관성만을 조향에 추가하기 때문에, 탁월한 동적 성능 및 편안한 운전 경험이 달성될 수 있는 것으로 인정되었으며, 그에 따라 평소의 운전 경험이 제공될 수 있다. 또한, 직접 구동 모터가 차량을 직접 구동할 수 있기 때문에, 조향의 위치 및 속도의 정확한 제어가 달성될 수 있으며, 그리고 추가 변속 시스템 또는 기어들, 풀리들, 기어장치 등도 필요하지 않게 된다. 추가 변속 시스템 또는 기어들이 없으므로, 백래시(backlash) 또는 마모가 예상되지 않으며, 이는 본 발명에 따른 조향 시스템의 신뢰성을 개선시키고, 그뿐만 아니라 조향 시스템 안쪽에서 이동 부품들의 개수를 감소시키며, 이는 또한 조향 시스템의 보다 더 신뢰성 있는 작동에 기여한다. 이동 부품들의 개수가 감소함에 따라, 중간 기계 부품들 내에서의 손실이 제거되기 때문에, 조향 시스템의 에너지 효율은 향상되며, 그리고 더 적은 부품수는 조향 칼럼에 더 적은 중량을 인가하고, 이는 보다 더 쉽고 정확한 주행을 허용한다. 이들 모두의 결과로, 조향 시스템의 생태학적 발자국(ecological footprint)은 보다 더 작아진다.

본 발명에 따른 조향 시스템의 추가 장점은, 테스트 목적을 위한 매우 다양한 차량 내에 조향 시스템의 장착을 허용하는 작은 축 방향 치수 및 큰 보어들을 갖는 조밀한 크기에 있다.

직접 구동 모터를 포함하는 본 발명에 따른 조향 시스템은 높은 토크 대 관성 비율 및 높은 토크 대 질량 비율, 낮은 토크 리플(torque ripple) 또는 코깅(cogging), 그리고 저속일 때에도 높은 토크를 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 조향 시스템은 조향 시스템의 직접 구동 및 보다 더 적은 부품 개수로 인해 낮은 음향 소음 및 낮은 수준의 자기 유도 진동(self-induced vibration)을 갖는다. 또한, 보다 더 적은 부품 개수는 유지보수의 필요성 및 그 빈도도 감소시킨다.

특정한 실시예들에서, 조향 시스템은, 조향 시스템의 부품들 간에 상대적으로 큰 공극을 갖도록 구현되며, 이는 냉각 요건을 감소시키고 그 결과 상대적으로 높은 내충격성 및 더러운 환경에서의 탄력성을 제공한다.

그러므로 본 발명에 따른 조향 시스템은 모든 자율 주행 차량의 테스트 중에 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예들은 하기에서 하기 도면들을 참조하여 예시를 통해 설명된다.
도 1은 전통적인 전동식 조향 구동 장치를 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 2는 직접 구동 모터를 보유하는 본 발명에 따른 바람직한 조향 시스템을 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 조향 시스템의 바람직한 실시예를 도시한 측면도이다.
도 4는 도 3에 따른 조향 시스템의 바람직한 실시예를 도시한 횡단면도이다.
도 5는 다른 차량 부품들에 대한 그 연결부와 함께 본 발명에 따른 바람직한 조향 시스템을 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 조향 시스템의 예시적인 아키텍처를 도시한 도면이다.
도 7은 시뮬레이션 환경에 포함되는 본 발명에 따른 조향 시스템의 예시적인 아키텍처를 도시한 도면이다.
도 8은 추정(estimation)을 기반으로 하는 연동 해제 이벤트를 나타낸 개략도이다.
도 9는 직접 구동 모터의 전류 신호를 기반으로 하는 가능한 연동 해제 이벤트들을 나타낸 그래프이다.
도 10은 상태들 간에 브리지 상태(bridge state)를 미포함한 상태들의 변화의 효과에 대한 실례를 나타낸 그래프이다.
도 11은 상태들 간에 브리지 상태를 포함한 상태들의 변화의 효과에 대한 실례를 나타낸 그래프이다.
도 12는 자신들 사이에 브리지 상태가 있는 2개의 상이한 기정의된 상태, 및 토크에 대하여 각각의 상태의 전형적인 연동 해제 한계들에 대한 실례를 나타낸 그래프이다.
도 13은 자신들 사이에 브리지 상태들이 있는 3개의 상이한 기정의된 상태, 및 토크에 대하여 각각의 상태의 전형적인 연동 해제 한계들에 대한 실례를 나타낸 그래프이다.
도 14는 자신들 사이에 브리지 상태들이 있는 4개의 상이한 기정의된 상태, 및 토크에 대하여 각각의 상태의 전형적인 연동 해제 한계들에 대한 실례를 나타낸 그래프이다.
도 15는 수직 가속도의 신호에 대한 과속방지턱의 영향의 실례를 도시한 도면이다.
도 16은 상이한 기정의된 상태들에 대해 직접 구동 모터의 토크와 EPAS 보조 토크 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명에 따른 조향 시스템의 다양한 용도들 및 이들 용도의 관계들에 대한 실례를 도시한 도면이다.

본 발명은 자율 주행 차량의 테스트 중에 사용하기 위한 조향 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 조향 시스템은 차량을 수동으로 조향하도록 구성된 수동 조향 수단을 포함하며, 그럼으로써 운전자 또는 사용자는, 사고 또는 위험한 상황들을 방지하기 위해, 그리고 테스트 중인 차량의 안전뿐만 아니라 다른 차량들, 객체들, 탑승자들 등을 포함한 그 환경의 안전도 보장하기 위해, 조향 시스템을 오버라이드할 수 있게 되거나, 또는 차량의 제어력을 인계받을 수 있게 된다. 수동 조향 수단은 바람직하게는 운전대, 조이스틱, 또는 차량을 수동으로 조향하기 위해 사용될 수 있는 임의의 다른 핸들이다.

또한, 본 발명에 따른 조향 시스템은 수동 조향 수단에 부착되는 조향 차축; 및 조향 차축 상의 토크에 제어 가능하게 영향을 미치는 직접 구동 모터;를 더 포함하되, 직접 구동 모터는 조향 차축과 동축인 회전축을 갖는다. 직접 구동 모터는 바람직하게는 브러쉬리스 DC 모터와 같은 영구자석 동기 모터이다.

본 발명에 따른 조향 시스템은 상이한 구동 조건들을 특징짓는 적어도 2개의 기정의된 상태를 갖되, 구동 조건들은 바람직하게는 주차 기동(parking maneuver), 교통 체증, 도시 주행, 교외 주행, 저속 주행, 고속 주행, 비상 기동, 및 폐쇄된 트랙 주행 중 적어도 하나를 포함한다. 바람직하게는, 기정의된 상태들은 적어도 하나의 상태 매개변수를 기반으로 결정되되, 적어도 하나의 상태 매개변수는 차량의 속도, 횡방향 가속도, 요레이트(yaw rate) 및/또는 종방향 가속도이다.

각각의 기정의된 상태는 적어도 하나의 기정의된 연동 해제 한계를 가지며, 그리고 기정의된 연동 해제 한계를 초과하면, 바람직하게는 직접 구동 모터의 연동 해제가 개시된다. 바람직하게는, 연동 해제의 경우, 차량의 운전자 또는 사용자는 차량의 제어력을 인계받도록 통지 및 요청을 받는다.

또한, 본 발명에 따른 조향 시스템은 제어 매개변수를 기반으로 작동될 수 있는 컨트롤러 어셈블리를 더 포함한다. 제어 매개변수는 바람직하게는 수동 조향 수단의 위치, 수동 조향 수단 상의 토크, 수동 조향 수단 상의 힘, 수동 조향 수단의 속도, 또는 직접 구동 모터 전류이다.

컨트롤러 어셈블리는 차량의 실제 기정의된 상태(actual predefined state)를 검출하도록 구성되며, 그리고 컨트롤러 어셈블리는 모션 컨트롤러, 모터 구동 유닛 및 피드백 장치를 포함한다. 모션 컨트롤러는 도달될 제어 매개변수의 미리 정해진 값을 포함한 명령어를 생성하도록 구성된다. 모터 구동 유닛은 모션 컨트롤러로부터 수신되는 명령어를 기반으로 직접 구동 모터에 전력을 공급하도록 구성되며, 그리고 피드백 장치는 제어 매개변수의 실제 값을 모니터링하고 명령어에 따른 제어 매개변수의 미리 정해진 값과 제어 매개변수의 실제 값 간의 차이 값을 결정하도록 구성된다. 피드백 장치는, 추가로, 차이 값을 기반으로 실제 기정의된 상태에 상응하는 적어도 하나의 기정의된 연동 해제 한계가 도달된다면, 직접 구동 모터의 연동 해제를 개시하도록 구성된다.

모션 컨트롤러는 바람직하게는 상위 컨트롤러(high-level controller) 및 하위 컨트롤러(low-level controller)를 포함하되, 상위 컨트롤러는 바람직하게는 직접 구동 모터를 위한 제어 매개변수의 미리 정해진 값들을 포함한 모션 프로파일을 생성하며, 그리고 하위 컨트롤러는 모션 프로파일을 수신하여 도달될 제어 매개변수의 미리 정해진 값을 포함한 명령어를 생성한다.

컨트롤러 어셈블리는, 바람직하게는, 상위 컨트롤러에 의해 생성된 모션 프로파일을 하위 컨트롤러에 의해 수신 가능한 신호로 변환하기 위해, 상위 컨트롤러와 하위 컨트롤러 사이에 배치되는 드라이브 바이 와이어 유닛(drive-by-wire unit)을 더 포함한다.

본 발명에 따른 조향 시스템은, 바람직하게는 2개의 기정의된 상태 사이에, 2개의 기정의된 상태의 연동 해제 한계들 간의 부드러운 전환을 제공하는 중간 브리지 상태를 갖는다.

본 발명에 따른 조향 시스템의 바람직한 실시예들은 하기에서 도 1 내지 17과 관련하여 보다 더 상세하게 설명된다.

도 1은 모터(15)에 의해 구동되는 조향 차축(10)을 포함하는 전통적인 전동식 조향 구동 장치의 개략적 횡단면도이되, 모터(15)는 구동 기어(12) 및 감속 기어박스(14)를 통해 조향 차축(10)에 부착된다. 조향 차축(10)의 둘레에는 바람직하게는 적어도 하나의 베어링(11)이 배치된다. 조향 차축(10)은 제1 축(17)을 중심으로 회전될 수 있고, 모터(15)는 제2 축(18)을 중심으로 회전될 수 있다. 도 1에서와 같은 전통적인 모터 구동 장치에서, 제1 축(17)과 제2 축(18)은 서로 일치하지 않을뿐더러 동축도 아니며, 그에 따라 구동 기어(12)에 대한 필요성이 발생한다. 바람직하게는, 각도 센서(13)는 모터(15)의 회전을 측정하기 위해 모터(15)에 부착되어, 수동 조향 수단으로서 조향 차축(10)에 부착된 운전대의 위치를 표시하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 각도 센서(13)는 전형적으로 제2 축(18)을 중심으로 회전한다. 모터(15)가 브러쉬리스 DC 모터(BLDC 모터)인 경우, 상기 모터에는, 바람직하게는 브러쉬리스 DC 모터를 정류하기 위한 정류 신호를 생성하기 위해 정류 인코더(16)(commutation encoder)가 장착된다. 또한, 정류 인코더(16)는 바람직하게는 제2 축(18), 즉 모터(15)의 축을 중심으로 회전하도록 배치된다.

도 1과 반대로, 도 2에는, 제1 축(27)을 중심으로 회전 가능한 조향 차축(20)과, 이 조향 차축(20)의 제1 축(27)을 중심으로 회전될 수 있는 직접 구동 모터(25)를 포함하는 본 발명에 따른 조향 시스템의 횡단면도가 도시되어 있다. 조향 시스템은 바람직하게는 조향 차축(20)의 둘레에 적어도 하나의 베어링(21)을 더 포함한다. 조향 시스템은 바람직하게는 기어들(22)을 통해 조향 차축(20)에 부착되는 각도 센서(23)를 더 포함하며, 그리고 각도 센서(23)는 바람직하게는 조향 차축(20) 및 직접 구동 모터(25)의 제1 축(27)에 대해 평행하게 배치되는 제2 축(28)을 중심으로 회전될 수 있다.

하기에서는, 본 발명에 따른 조향 시스템의 구현에 대한 예시가 제공된다. 예시에 따른 조향 시스템은 하기 하드웨어 구성요소들을 포함한다.

- 패시브 냉각 및 알루미늄 합금 하우징을 구비한 직접 구동 모터(25)로서의 브러쉬리스 DC 모터(BLDC 모터)이되, 알루미늄 합금은 바람직하게는 7075 알루미늄 합금(AA7075)인 것인, 브러쉬리스 DC 모터;

- 360°를 초과하는 위치에 대해서도 정확한 위치 측정을 수행할 수 있는 각도 센서(23)로서 광학 스캐닝 기능을 갖는 절대 멀티턴 인코더(absolute multiturn encoder);

- 바람직하게는 18A의 연속 RMS 전류 및 36A의 피크 RMS 전류를 갖는 고성능 서보 드라이브;

- 권선들의 온도를 모니터링하는, 직접 드라이브(25)의 로터의 권선들을 위한 온도 센서;

- 직접 구동 모터(25)를 위한 전력을 공급하기 위한 (바람직하게는 12V/48V 및 50A의 사양을 갖는) 부스트 컨버터; 및

- 바람직하게는 테스트할 차량의 정품(OEM) 조향 칼럼인 조향 차축(20).

도 3 및 도 4에는, 본 발명에 따른 조향 시스템의 바람직한 실시예가 도시되어 있되, 도 3은 조향 시스템의 측면도이고, 도 4는 조향 시스템의 횡단면도이다.

도 3 및 4에 따른 조향 시스템은 스테이터(35a), 로터(35b) 및 모터 샤프트(35c)를 구비한 직접 구동 모터(35)를 포함하되, 직접 구동 모터(35)는 축(37)을 중심으로 회전될 수 있다. 모터 샤프트(35c)는, 모터 샤프트(35c)의 축(37)이 조향 차축(30)의 축에 동축이 되도록, 즉, 조향 차축(30) 및 모터 샤프트(35c) 모두가 축(37)을 중심으로 회전될 수 있도록, 조향 차축(30)의 둘레에 배치된다. 바람직하게는, 조향 차축(30)은 테스트 주행을 위해 사용할 차량의 정품 조향 칼럼이다.

직접 구동 모터(35)는 바람직하게는 모터 하우징(36) 내에 배치된다. 직접 구동 모터(35)의 스테이터(35a)와 모터 하우징(36) 간에 충분히 견고한 접촉을 제공하기 위해, 바람직하게는 특수 접착제의 형태로 접합 방법(bonding method)이 사용된다. 동일한 접합 방법은 로터(35b)와 모터 샤프트(35c) 사이에 적용될 수 있다. 직접 구동 모터(35)의 모터 하우징(36)은 바람직하게는 조향 차축(30)에 모터 하우징(36)을 고정하기 위해 조향 차축(30)의 정품 볼트 구멍들(original bolts holes)을 사용한다.

바람직하게는, 하나 이상의 제1 베어링(31)은 모터 샤프트(35c)의 둘레에 배치되며, 도 3 및 4에 따른 바람직한 실시예에서는, 직접 구동 모터(35)는 각각의 베어링 하우징들(38, 48) 내에 배치되는 2개의 제1 베어링(31)을 포함한다.

직접 구동 모터(35)는 자체 조밀한 크기로 인해 낮은 관성을 가지며, 그러므로, 직접 구동 모터를 제어하는 컨트롤러 어셈블리가 미세 조정되었거나 보정되었다면, 상기 직접 구동 모터는 조향 차축(30)에 부착된 운전대를 요청되는 위치로 정확하게 회전시킬 수 있다. 추가 장점으로서, 조밀한 크기의 직접 구동 모터(35)는 조향 차축(30) 상에 과도한 추가 중량을 가하지 않는다. 그 결과로, 본 발명에 따른 조향 시스템은 반응성이 매우 좋고 충분히 강력한 상태로 유지된다. 바람직하게는, 온도 센서는 로터(35b)의 권선 온도를 모니터링하기 위해 조향 시스템 내에 배치된다.

조향 시스템은 바람직하게는 48V DC 전류를 사용하며, 따라서, 모터 구동 유닛이 직접 구동 모터(35)에 전력을 공급해야 한다. 모터 구동 유닛은 바람직하게는 차량 내에, 예를 들면 차량의 트렁크 내에 통합되어 있으며, 그리고 모터 구동 유닛은 배터리 및/또는 부스트 컨버터(boost converter)를 포함할 수 있다.

모터 샤프트(35c)는 바람직하게는 클러치(40)를 통해 조향 차축(30)에 연결되며, 그리고 클러치(40)는 바람직하게는 제1 브래킷(41)을 통해 모터 샤프트(35c)에 연결된다.

조향 차축(30)의 연장부(extension)로서, 본 발명에 따른 조향 시스템은 상호 간에, 그리고 조향 차축(30)의 축(37)에 대해 동축으로 배치되는 내부 칼럼(32) 및 외부 칼럼(34)을 포함할 수 있다. 내부 칼럼(32)과 외부 칼럼(34) 사이에는 제2 베어링(49a)이 배치될 수 있다. 조향 차축(30)의 둘레에는 추가 베어링들, 예컨대 제3 베어링(49b)이 배치될 수 있다.

각도 센서(33), 바람직하게는 절대 회전 인코더는 조향 차축(30) 상에 직접적으로 장착된다. 이러한 바람직한 실시예에 따른 각도 센서(33)에 의해, 본 발명에 따른 조향 시스템은, 각도 센서(33)의 설계 능력 덕분에 전력 손실 후에도 실제 조향 각도 위치를 얻을 수 있다. 진단상의 이유로, 조향 차축(30)과 로터(35b) 사이의 차이를 측정하기 위해 2개의 각도 센서(33)를 추가할 수 있다. 직접 구동 모터(35)를 위해 이중 권선을 사용함으로써, 본 발명에 따른 조향 시스템의 중복성(redundancy)도 증가될 수 있다.

도 3 및 4의 바람직한 실시예에 따라서, 조향 차축(30)과 각도 센서(33)는 풀리들(42, 44) 및 타이밍 벨트(43)를 통해 연결되어 있다.

또한, 조향 시스템은 조향 시스템의 부품들을 상호 간에, 또는 차량의 구조 구성요소들에 고정하기 위한 수단들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 커플링(39)은 직접 구동 모터(35)에 대하여 외부 칼럼(34)의 위치를 고정하기 위해 사용될 수 있다. 제2 브래킷(45)은 조향 차축(30)에 대하여 직접 구동 모터(35)의 모터 하우징(36)의 위치를 고정하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 제3 브래킷(46)은 차량에, 즉, 차량의 섀시에 직접 구동 모터(35)를 연결하기 위해 사용될 수 있다. 제4 브래킷(47)은 차량의 섀시에 조향 시스템을 전체로서 장착하기 위해 사용될 수 있다.

도 5에는, 본 발명에 따른 바람직한 조향 시스템의 개략도가 도시되어 있되, 다른 차량 부품들에 대한 연결부를 포함한 조향 시스템이 도시되어 있다. 도 5에 따른 조향 시스템의 바람직한 실시예는 인간 운전자(54)에 의한 차량의 수동 운전을 허용하기 위한 운전대(52)에 부착되는 조향 차축(50)을 포함한다. 직접 구동 모터(55)는 기어들 없이 조향 차축(50) 상에 배치되되, 직접 구동 모터(55)의 회전축은 조향 차축(50)의 회전축에 동축이다. 또한, 도 5에 따른 조향 시스템은 운전대(52)의 정확한 위치를 측정하기 위한 각도 센서(53)를 더 포함한다.

직접 구동 모터(55)와 각도 센서(53) 모두는 각도 센서(53)로부터 피드백 위치 신호를 수신하고 차량을 조향하기 위해 직접 구동 모터(55)에 명령어를 제공하는 컨트롤러 어셈블리(56)에 연결되며, 바람직하게는 명령어는 도달될 직접 구동 모터(55)의 목표 전류 값을 포함한다. 컨트롤러 어셈블리(56)는 차량의 조향과 관련한 추가 정보를 수신하기 위해 인터넷, 클라우드 또는 데이터베이스와 같은 외부 네트워크(57)에 연결될 수 있다.

차량을 조향하기 위해, 조향 차축(50)은 차량의 휠(60)과 연결되어야 한다. 도 5에 따르면, 조향 차축(50)과 휠들(60)은 토크 센서(59)를 구비한 중간 샤프트(51)를 통해 연결된다. 토크 센서(59)는 예를 들면 토션바(torsion bar)로서 구현될 수 있다. 휠들(60)과 토크 센서(59)는 바람직하게는 조향 차축(50)에 인가된 조향 토크를 휠들(60)로 전달하는 래크 및 피니언(61)에 부착된다.

더욱이, 전력 보조 조향(EPAS: means for electric power assisted steering) 수단(63)은 또한 휠들(60)의 조향을 추가로 보조하기 위해 기어들(62)을 통해 래크 및 피니언(61)에 연결될 수 있다. 전력 보조 조향 수단(63)은 바람직하게는 전자 제어 유닛(ECU: electric control unit)(58)으로부터 신호들을 수신한다.

도 6에는, 본 발명에 따른 조향 시스템의 바람직한 아키텍처(600)가 도시되어 있다. 파선 경계선들을 갖는 상자들은 차량 안쪽의 다양한 위치들을 나타내되, 이들 위치에는 조향 시스템의 부품들 및 조향 시스템과 관련된 부품들이 위치되어 있다. 가능한 위치들은 차량의 운전자 시트(610), 차량의 탑승자 시트(620), 차량의 트렁크(630), 차량의 중앙 콘솔(640) 및 차량의 조향 칼럼(650)이다.

운전자 시트(610)에는, 차량의 수동 조향 수단, 바람직하게는 조향 차축(601)에 연결된 운전대(611)가 배치된다. 운전대(611)는 차량을 조향하기 위해 조향 차축(601) 상에 토크를 인가할 수 있다.

탑승자 시트(620)에는, 바람직하게는 탑승자 시트(620)의 아래에는 조향 칼럼(650)의 부재들과 연결되어 있는 컨트롤러 어셈블리가 배치되며, 전원공급장치(632)는 바람직하게는 차량의 트렁크(630) 내에 배치된다. 다시 말해, 메인 배터리(631)가 차량의 트렁크(630) 내에 배치된다. 바람직하게는, 메인 배터리(631)와 전원공급장치(632) 모두는, 바람직하게는 용이한 접근을 위해 중앙 콘솔(640) 내에 배치된 버튼의 형태로 구현되어 있는 비상 정지 수단(641)에 연결되어 있다.

조향 칼럼(650)에는, 클러치(651), 바람직하게는 넌슬립 클러치(non-slip clutch)를 통해 조향 차축(601)에 연결되어 있는 직접 구동 모터(655)가 배치된다. 이러한 배치에서, 직접 구동 모터(655)는 차량을 조향하기 위해 조향 차축(601) 상에 토크를 인가할 수 있다. 직접 구동 모터(655)는 바람직하게는 온도 센서(652)에 열적으로 결합되어 있다. 또한, 조향 칼럼(650)은, 조향 차축(601)과 기계적으로 접촉하는 조향 각도 센서(653)도 포함한다.

직접 구동 모터(655)는 바람직하게는 제어 신호를 수신하기 위해 컨트롤러 어셈블리(621)와 연결되어 있으며, 그리고 컨트롤러 어셈블리(621)는 추가로 직접 구동 모터(655)의 온도를 모니터링하기 위해 온도 센서(652)에 연결되고, 조향 차축(601)의 회전 위치에 대한 정보를 수신하기 위해 조향 각도 센서(653)에 연결된다.

조향 차축(601)은 추가로 차량의 서보모터(602)에, 바람직하게는 차량의 정품 서보모터(602)에 연결될 수 있다. 또한, 서보모터(602)는 직접 구동 모터(655) 및 운전대(611)와 마찬가지로 조향 차축(601) 상에 토크를 인가할 수도 있다.

도 7에는, 자율 주행 차량의 테스트가 반드시 도로 테스트로 제한되지 않기 때문에, 시뮬레이션 환경에 포함되는 본 발명에 따른 조향 시스템의 예시적인 아키텍처가 도시되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 조향 시스템은 시뮬레이션 테스트를 위해 사용될 수 있으며, 이러한 과정에서 조향 시스템은 테스트 벤치 상에 장착되며, 바람직하게는 HIL(루프 내 하드웨어) 테스트 벤치 상에 장착되며, 그리고 운전자들은 테스트 주행 동안과 유사한 방식으로 조향 시스템과 상호작용할 수 있다.

테스트 벤치, 특히 HIL 테스트 벤치는 하기 테스트들을 허용할 수 있다.

- 조향 시스템의 컨트롤러 어셈블리의 견고성(robustness)의 테스트;

- 직접 구동 모터(75)의 기계적 구조의 견고성의 테스트;

- 운전대(71)와 같은 수동 조향 수단 및 페달(76)과 같은 액추에이터들을 사용한 오버라이드 기능성 및 가능한 운전자 개입의 테스트;

- 완전한 조향 시스템을 실제 차량 내에 내장하기 전에 상기 완전한 조향 시스템의 테스트; 및

- 계획된 업데이트 전에 신규 펌웨어, 즉 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들의 테스트.

상기 목록에서 알 수 있는 것처럼, 테스트 벤치들은, 차량 내에 조향 시스템을 내장하기 전에 하드웨어 구성요소들의 신뢰성 및 내구성의 테스트를 포함하여, 본 발명에 따른 조향 시스템의 하드웨어 구성요소들의 테스트 및 미세 조정을 허용한다. 또한, 조향 시스템을 장착한 테스트 벤치는 서브 시스템 또는 전체 조향 시스템의 테스트 및 유효성 확인(validation)을 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 조향 시스템을 장착한 테스트 벤치는, 테스트 운전자들이 현실 세계의 차량 테스트에 참여하기 전에, 상기 테스트 운전자들을 훈련시키기 위해 사용될 수 있다. 루프 테스트(loop testing) 역시도 다양한 주행 시나리오들의 시뮬레이션을 허용한다.

운전자 또는 사용자는, 운전대(71) 또는 임의의 다른 수동 조향 수단과 같은 인터페이스들; 및 페달(76)과 같은 하나 이상의 액추에이터;와 상호 작용할 수 있다. 운전대(71)는 직접 구동 모터(75)를 장착한 조향 차축(70)에 연결된다. 직접 구동 모터(75)는 드라이브 바이 와이어 유닛(74)을 포함한 컨트롤러 어셈블리에 의해 제어된다. 드라이브 바이 와이어 유닛(74)은 바람직하게는 페달들(76)과 연결되어 있다.

현실적인 조건들을 제공하기 위해, 차량 ECU(전자 제어 유닛) 에뮬레이터(77)와 EPAS(전력 보조 조향) 에뮬레이터(73)는 테스트 아키텍처(testing architecture) 내에 포함된다. EPAS 에뮬레이터(73)는 조향 차축(70)에 대한 에뮬레이션된 보조 조향(72)을 생성하기 위해 사용된다.

컨트롤러 어셈블리에 대한 입력 매개변수들을 생성하기 위해, 시뮬레이션 소프트웨어(79a) 및 가상 센서들(79b)을 포함하는 시뮬레이션 컴퓨터(78)가 사용된다. 시뮬레이션 컴퓨터(78)는 바람직하게는 컨트롤러 어셈블리로 가상 센서 데이터, 교통 시나리오들 및 차량 모델을 공급한다. 컨트롤러 어셈블리는 이러한 시뮬레이션된 환경에서 실행될 수 있으며, 그리고 시뮬레이션 컴퓨터(78) 및 차량 ECU 에뮬레이터(77)로부터 신호들과 데이터를 수신할 수 있으며, 그리고 직접 구동 모터(75) 및 페달들(76)에 명령어들을 제공할 수 있다. 명령어들은 직접 구동 모터(75)를 위해, 그리고 페달들(76)을 위해 바람직하게는 드라이브 바이 와이어 유닛(74)에 의해 번역된다. 또한, EPAS 에뮬레이터(73)는 바람직하게는 시뮬레이션 컴퓨터(78)에서의 시뮬레이션 데이터 및 입력값들도 사용한다.

하기에서는, 연동 해제의 특성들이 보다 더 상세하게 논의된다.

이미 상기에서 논의한 것처럼, 본 발명에 따른 조향 시스템은, 주차, 도시 주행 등과 같은 상이한 주행 상황들을 특징짓는 적어도 2개의 기정의된 상태를 갖는다. 각각의 기정의된 상태는 테스트받는 차량의 안전한 작동을 유지하기 위해 적어도 하나의 기정의된 연동 해제 한계를 갖는다.

연동 해제(disengagement)는, 자율 주행이 중지되어야 하고 차량의 수동 오버라이드는 안전을 이유로 필요한 것인 조치를 나타낸다. 기결정된 연동 해제 한계는, 차량의 거동이 불안정해지고 있거나, 또는 자율 주행이 예컨대 오류로 인해 위험해지고 있음을 나타낼 수 있는 하드웨어 한계들(hardware limit) 또는 다른 기정의된 임계값들일 수 있다.

연동 해제 한계가 도달되거나 초과될 때, 테스트 직원, 테스트되는 차량의 탑승자들, 차량 자체, 그리고 테스트 차량의 계획된 루트를 따른 임의의 다른 사람, 차량 또는 객체의 안전을 보장하기 위해, 자율 주행의 수동 오버라이드가 선호된다.

상이한 주행 상황들은, 안전한 테스트를 보장하기 위해, 그리고 또한 불필요한 수동 개입에 대한 가능성을 감소시키기 위해, 상이한 연동 해제 한계들을 요구하는 것으로 인정되었다. 상이한 주행 상황들은 기정의된 상태들에 대한 근거의 역할을 한다.

기정의된 상태들은 바람직하게는 차량의 속도(하기 항목 a) 참조), 횡방향 가속도, 요레이트 및/또는 종방향 가속도와 같은 적어도 하나의 상태 매개변수를 기반으로 결정된다. 상태 매개변수들 외에, 하기에서 항목들 b)~f)에 열거된 매개변수들도, 어떠한 기정의된 상태가 정해진 시점에 차량을 특징짓는지, 즉, 무엇이 차량의 실제 기정의된 상태인지를 결정하기 위한 근거의 역할을 할 수 있다.

a) 차량의 속도. 차량의 속도는 연동 해제 조치의 필요성을 특징짓는 데 중요한 요인(important factor)인 것으로 확인되었으며, 따라서 차량의 속도는 바람직하게는 모니터링되어야 한다. 또한, 차량 속도의 모니터링은 차량의 속도를 기반으로 조향 제어(즉, 속도 의존 차량 제어)를 허용한다. 차량의 속도는 ABS 블록에서 기인하고 CAN 버스를 통해 전송되어 표시되는 차량 속도에 의해 유도될 수 있다. 또한, 차량의 휠들에 부착되어 휠 틱(wheel tick)에 상응하는 센서들의 아날로그 신호들을 수신하는 홀 효과 센서(Hall-effect sensor)의 태핑(tapping)과 같은 다른 방법들 역시도 차량의 속도를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 차량의 속도를 측정하기 위해 보조 속도계들도 공지되어 있으며, 그리고 시장에서 구입될 수 있다. 속도 신호의 안전 레벨은 바람직하게는 최상의 가능한 안전을 달성하기 위해 ASIL-D 레벨에 상응하며, 따라서, 중복 속도 신호 인식(redundant speed signal perception)이 의도된다.

b) 기준 위치 또는 토크(reference position or torque). 상위 컨트롤러 및 하위 컨트롤러를 포함한 조향 시스템에서, 상위 컨트롤러는, 도달될 목표 위치 또는 목표 토크와 같은 제어 매개변수의 미리 정해진 값들을 포함하는 하위 컨트롤러로 모션 프로파일, 즉 기준 신호를 송신한다. 상위 컨트롤러는 목표 값들에 도달하기 위해 필요한 가속도를 계산하며, 그리고 계산된 가속도가 차량 또는 자율 주행 소프트웨어의 예상치 못하거나 잘못된 거동을 나타내는 안전 한계를 초과하는 경우, 운전자에게 자율 주행 시스템으로부터 제어력을 인계받을 것을 경고한다. 경고는 시각 및/또는 청각 신호(sign)의 형태로 송신될 수 있다. 이러한 경고의 경우, 하위 컨트롤러는 바람직하게는 차량의 안전을 보장하는 하위 제한기(low-level limiter) 이내에서 계속 차량을 제어한다. 이런 방식으로 목표 값들의 너무 빠른 증가는 방지될 수 있다.

c) 운전대 또는 조향 차축의 속도. 운전대 또는 조향 차축의 속도는 바람직하게는 차량의 조향 위치 센서 또는 직접 구동 모터의 위치 센서를 사용하여 계산될 수 있다. 차량의 조향 위치 센서 또는 직접 구동 모터의 위치 센서는 바람직하게는 각도 센서이다. 안전성 및 중복성(redundancy)을 위해, 조향 위치 센서와 직접 구동 모터의 위치 센서 모두를 사용할 수 있다. 운전대의 최대 속도는 바람직하게는 초과될 수 없는 연동 해제 한계를 정의한다. 그렇지 않으면, 하위 컨트롤러는 즉시 운전자에게 경고하고 자동화 조향 기능을 연동 해제한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 조향 각도 센서는 조향 차축에 부착되어 있다. 보다 더 바람직하게는, 적어도 2개의 조향 각도 센서가 조향 차축에 부착되되, 하나는 직접 구동 모터에 부착되고, 다른 하나는 원래 차량 내에 장착되어 있다(내장 운전대 위치 센서). 상기에서 논의한 것처럼, 안전을 이유로, 중복 신호들의 사용이 선호된다.

d) 운전대 또는 조향 차축의 목표 위치. 바람직하게는 운전대 또는 조향 차축의 목표 위치는, 일차적으로 바람직하게는 고정밀도(±0.05~0.1°)를 갖는 직접 구동 모터의 위치 센서에 의해 모니터링된다. 이차적으로, 내장 운전대 위치 센서도, 또한, 일반적으로 정밀도가 보다 더 낮기는 하지만, 운전대의 목표 위치를 모니터링하기 위해서도 사용될 수 있으며, 따라서, 내장 운전대 위치 센서의 사용은 바람직하게는 대체 옵션(fall-back option)일 뿐이다.

e) 조향 가능성의 추정. 자율 주행 소프트웨어는 바람직하게는 목표 위치 또는 목표 토크 값을 계산하여, 바람직하게는 상위 및 하위 컨트롤러를 통해 직접 구동 모터로 송신한다. 연동 해제 한계를 초과하는 것으로 추정되는 위치 또는 토크의 목표 값에 도달했기 때문에, 상위 컨트롤러의 요청이 하위 컨트롤러에 의해 무시되는 경우, 본 발명에 따른 조향 시스템은 바람직하게는 연동 해제가 일어나기 전에 운전자에게 통지하며, 따라서 운전자가 필요한 안전 조치를 수행할 수 있는 시간을 허용한다. 도 8에는, 연동 해제 한계가 곡선에서 초과될 것으로 예상되는 것인 예시가 도시되어 있다.

f) 직접 구동 모터의 전류. 하위 컨트롤러는 직접 구동 모터의 출력 전류를 토크로 변환한다. 직접 구동 모터의 전류와 관련되어, 하나보다 많은 연동 해제 한계가 정의될 수 있다. 예를 들면, 하드웨어 한계들은 초과될 수 없는데, 그 이유는 초과가 발생할 때 연동 해제를 야기하기 때문이다. 하드 한계들(hard-limits)(즉, 초과될 수 없는 한계들) 외에, 소프트 한계들(soft-limits)은 연동 해제 한계들로서 정의될 수 있다. 소프트 한계들은 바람직하게는 예컨대 정해진 시간 동안 초과될 수 있다. 소프트 한계들의 경우, 연동 해제는, 한계가 초과되었을 때 시간이 한계를 초과하는 경우에만, 또는 매개변수의 누적값이 한계를 초과하는 경우에만 발생한다. 도 9에는, 직접 구동 모터의 전류와 관련한 상이한 연동 해제 한계들에 도달하고, 그리고/또는 이들을 초과하는 경우의 예시적인 효과가 도시되어 있다.

상기한 매개변수들 중 하나 이상은 정해진 시점에 차량이 어떠한 기정의된 상태에 속하는지를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 차량의 속도는 단독으로 결정적인 요인일 수 있지만, 다른 경우에는 다른 매개변수들의 조합이 또한 사용될 수 있다.

상기에서 언급한 것처럼, 도 8에는, 조향 가능성의 추정을 기반으로 하는, 즉, 안전한 조향이 미리 정해진 목표 매개변수들로 가능하거나, 또는 향후 연동 해제가 예상되는 경우 연동 해제 조치가 도시되어 있다.

차량(80)의 자율 주행 소프트웨어는 일반적으로 루트 계획 유닛(route planning unit)을 포함하되, 루트 계획 유닛은 인식 거리(perception distance) 이내의 도로 모델(84)을 갖는다. 도로 모델(84)을 기반으로, 도로(85)에 커브가 있을 때에도, 도로(85) 상에서 차량(80)을 유지하기 위해 요구될 절대 조향 토크(83)가 계산될 수 있다. 차량(80)이 커브(86)에 접근함에 따라, 도로(85)를 따라 차량(80)을 운전하기 위해 요구되는 토크는 증가된다. 예상되는 향후 토크는 추정 유닛(81)에 의해, 바람직하게는 조향 가능성 추정기(steering possibility estimator)에 의해 계산되어, 조향 토크와 관련된 연동 해제 한계(82)와 비교될 수 있다. 토크의 추정 결과, 연동 해제 한계(82)가 추후 시점에, 즉 차량(80)이 커브(86)에 있을 때 초과될 것으로 예상된다면, 경고(87)는 차량(80)의 운전자에게 송신될 수 있고, 그에 따라 운전자는 커브(86)에 진입하기 전에 수동 제어를 재개할 수 있다. 운전대에 작용하는 토크 외에, 다른 매개변수들도 또한 자신들의 기결정된 연동 해제 한계들과 관련하여 계산될 수 있다.

도 9는 직접 구동 모터의 전류 신호(90)를 기반으로 하는 연동 해제 이벤트들을 나타낸 그래프이다. 전류 신호(90)는 직접 구동 모터의 출력 전류 값을 구성하고 시간의 함수로서 표시된다. 하위 컨트롤러에서, 직접 구동 모터의 출력 전류는 조향 차축에 작용하는 토크로 변환된다. 도 8과 관련하여 논의한 것과 같은 토크와 유사하게, 기결정된 연동 해제 한계는 또한 직접 구동 모터의 출력 전류와 관련될 수 있다. 출력 전류의 경우, 기결정된 연동 해제 한계는 하드웨어 한계(91)(초과될 수 없는 하드 한계), 및/또는 전류 임계값(92)(특정한 조건에서 초과될 수 있는 소프트 한계)일 수 있다. 하드웨어 한계(91)는 바람직하게는 직접 구동 모터의 하드웨어에 의해 정의되며, 그리고 하드웨어 한계(91)는 하드 한계이기 때문에, 하드웨어 한계(91)가 도달될 때, 연동 해제가 일어난다[도 9에서 연동 해제점(93) 참조]. 도 9의 예시에 따라서, 출력 전류의 하드웨어 한계(91)는 30A로 설정되며, 따라서 출력 전류의 실제 값이 연동 해제점(93)에서 30A의 하드웨어 한계(91)에 도달하자마자, 연동 해제가 일어난다. 출력 전류가 기결정된 연동 해제 한계들 미만으로, 즉 하드웨어 한계(91) 미만으로, 그리고 또한 전류 임계값(92) 미만으로 돌아갈 때, 자율 주행이 재활성화될 수 있다[재활성화점(94) 참조].

전류 임계값(92)은 소프트 한계이며, 따라서, 예컨대 기정의된 시간 간격 동안 전류 임계값은 초과될 수 있다. 전류 신호(90)가 전류 임계값(92)을 초과한다면, 바람직하게는 타이머가 작동 시작하며, 그리고 전류 신호(90)가 전류 임계값(92)을 초과하자마자 작동된다. 타이머에 의해 측정되는 시간 간격이 기정의된 시간 간격보다 더 짧다면, 연동 해제는 일어나지 않는다[연동 해제를 포함하지 않은 지점(95) 참조]. 또한, 도 9에는, 전류 신호(90)가 보다 더 긴 시간 간격 동안 전류 임계값(92)을 초과하고, 그에 따라 연동 해제가 연동 해제점(96)에서 일어나는 경우도 도시되어 있다.

소프트 한계의 경우, 그 대안으로, 누적 초과 신호가 타이머에 의해 측정되는 시간 간격 및 전류 임계값(92)을 초과하는 출력 전류 값들을 기반으로 측정될 수 있다. 누적 초과 신호는 전류 임계값(92), 즉, 줄무늬로 표시된 영역들을 초과하는 전류 신호(90)의 적분 값으로서 계산될 수 있다. 적분 대신, 표시된 영역들에 근사하는 다른 방법들도 사용될 수 있다. 예를 들면, 출력 전류 값들의 합은 타이머에 의해 측정된 시간 간격으로 곱해질 수 있다.

예컨대 초과된 연동 해제 한계 또는 임계의 복구 불능 오류로 인해 연동 해제 조치가 개시될 때, 신호가 인간 운전자에게 송신되어 차량의 제어력을 인계받도록 하며, 그리고 운전자 인수 시간대(driver handover window)가 시작된다. 운전자 인수 시간대 동안, 조향 시스템과 자율 주행 소프트웨어는, 인간 운전자가 차량의 제어력을 인계받을 때까지, 또는 운전자 인수 시간대가 일시적으로 중단(time-out)될 때까지 계속 차량을 운전한다. 인간 운전자는 차량을 수동으로 조향함으로써, 또는 활성화 레버, 또는 운전자 오버라이드를 나타내는 임의의 다른 수단을 사용함으로써 제어력을 인계받을 수 있다. 인간 운전자가 차량의 제어력을 인계받지 않으면서 운전자 인수 시간대가 일시적으로 중단된다면, 안전 기동(safety maneuver)이 시작된다.

임계의 오류가 있고 조향 시스템과 자율 주행 소프트웨어가 차량을 더 이상 신뢰성 있게 제어할 수 없다면, 운전자 인수 시간대를 개시하지 않으면서 안전 기동이 즉시 시작된다. 이러한 경우에도, 신호가 인간 운전자에게 송신되어 가능한 한 즉시 차량의 제어력을 인계받도록 한다. 이러한 경우 신호는 바람직하게는 보다 더 공격적이고 보다 더 뚜렷한 신호이다.

안전 기동은 바람직하게는 하위 안전 기능으로서 드라이브 바이 와이어 컨트롤러 상에서 구현된다. 안전 기동 동안, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS: advanced driver-assistance system)에 의해 조향이 연동된 경우라면, 마지막으로 수신된 조향 요청은 보류되고, 가속 요청은 수용되지 않는다. 그러나 오류 발생 시간에 제동 요청이 활성 상태였다면, 제동 요청은 유지된다. 그러나 오류 발생 시간에 제동이 작동되지 않았지만, 그러나 ADAS가 브레이크를 제어하고 있었다면, 안전 기동 동안 차량을 감속하기 위해 약간의 감속이 요청된다.

인간 운전자가 운전자 오버라이드를 개시하거나, 또는 활성화 레버를 밀 때면 언제든지, 안전 기동은 중지되고 인간 운전자는 차량에 대한 수동 제어력을 받게 된다.

예시로서, 안전 기동이 시작될 때, 최종 조향 각도 위치가 유지되며, 그리고 차량이 정지할 때까지, 차량의 종방향 속도가 감소된다.

추가 예시에서, 안전 기동이 시작될 때, 차량은 주차 위치를 찾고 감속하여 차량을 정지하도록 요청받는다. 바람직하게는 차량의 위험 표시등(hazard light)이 활성화된다.

기정의된 상태들은, 차량을 운전하는 동안 일어나는 상이한 작동 환경들을 기반으로 할 수 있다. 이러한 기정의된 상태들은, 예를 들면 고속도로 주행, 도시 주행, 교외 주행, 주차, 폐쇄된 트랙 주행 등일 수 있다. 상이한 기정의된 상태들은 각각의 주행 상황의 특성들에 따른 상이한 연동 해제 한계들을 설정할 것을 요구할 수 있다. 차량의 실제 기정의된 상태를 결정하기 위한 의사결정(decision)은 상기한 매개변수들 a)~f) 중 하나 이상을 기반으로 이루어질 수 있다. 상기 의사결정은 오로지 차량의 속도와 같은 하나의 매개변수에 대해서만 이루어질 수 있거나, 또는 상기한 매개변수들의 조합을 기반으로 이루어질 수 있다.

예를 들면, 차량의 실제 기정의된 상태에 대한 의사결정은 의사결정 유닛(decision-making unit)에 의해 이루어질 수 있되, 의사결정 유닛은 바람직하게는 차량 속도와 같은 입력 값들, 차량의 횡방향 가속도, 요레이트 및/또는 종방향 가속도와 같은 외부 관성 측정 유닛(IMU)에서의 정보를 보유한다.

바람직하게는, 의사결정 유닛은, 바람직하게는 차량의 고정밀 위치 데이터[예: 실시간 이동 측위(RTK: real-time kinematic positioning) 또는 GPS 데이터] 및/또는 시각 데이터와 융합되어 있는 차량의 환경의 지도 데이터(예: SD 또는 HD 지도 데이터)를 수신한다. 시각 데이터는 바람직하게는 카메라에서 유래하며, 그리고 교통 표지판들(예: 속도 제한)을 기반으로 하는 정보를 포함할 수 있으며, 그리고 의사결정의 신뢰성을 개선할 수 있다. 의사결정 유닛은, 차량의 실제 상태를 결정하도록 훈련된 특정 신경망(neural network) 또는 임의의 다른 기계 학습 알고리즘을 구현할 수 있으며, 따라서, 차량의 상태 변화도 검출될 수 있다.

의사결정의 정밀도 및 신뢰도는 의사결정에 추가 매개변수들을 포함시킴으로써 개선될 수 있으며, 그에 따라 차량의 기결정된 상태의 잘못된 분류 가능성을 감소시킨다. 선택적으로, 하기 매개변수들 및 측정치들이 의사결정에 더 포함될 수 있으며, 그리고 연동 해제 한계들을 결정하는 근거의 역할을 할 수 있다.

대부분의 차량은, 차량의 토크를 측정하는, 토션바와 같은 토크 센서들(TSU 센서들)을 장착하고 있다. 토크 센서의 신호를 모니터링함으로써, 의사결정 유닛은 인간 운전자에 의해 인가된 토크로부터 피드백을 받는다. 테스트 주행 동안, 인간 운전자 및 직접 구동 모터 모두는 조향 차축 상에 토크를 인가할 수 있지만, 완전 자율 주행 중에는, 인간 운전자가 운전대 또는 임의의 다른 수동 조향 수단에 어떠한 힘도 인가하지 않았다고 하더라도, 차량은 일반적으로 직접 구동 모터에 의해 인가된 토크를 운전자 입력으로서 검출한다. 가능한 연동 해제의 경우, 인간 운전자, 직접 구동 모터, 또는 이 둘 모두가 조향 차축 상에 토크를 인가했는지 여부를 아는 것이 바람직하다. 추가 논리 계층(logic layer)은, 인간 운전자, 직접 구동 모터 또는 이 둘 모두가 조향 차축 상에 토크를 인가했는지 여부를 결정하기 위해 추가될 수 있다. 추가 논리 계층은 의사결정과 관련하여 도움을 주기 위해 토크 센서로부터 입력 값을 얻을 수 있다.

차량의 서보 드라이브에 의해 유도되는 조향 차축의 속도[래크 스피드 속도(rackspeed velocity)로서도 공지됨]에 대한 정보는 의사결정 유닛의 견고성을 증가시킬 수 있다. 또한, 서보 드라이브의 최대 허용 속도 한계는 연동 해제 한계일 수 있되, 이 경우, 컨트롤러는 인간 운전자에게 경고하고 조향 시스템으로부터 직접 구동 모터를 연동 해제한다.

모든 종류의 기계적, 음향 및/또는 광학 센서(즉, 스트레인 센서)는 운전대에, 또는 운전대의 주변에 부착될 수 있다. 스트레인 센서의 신호를 기반으로, 연동 해제가 개시될 수 있다. 예를 들면, 특정한 데시벨 한계를 초과하면, 큰 고함 소리[예: "정지(STOP)"]가 조향 시스템에 의해 검출될 수 있고, 이는 횡방향 제어의 즉각적인 연동 해제로 이어진다. 이는, 예컨대 차량의 비상 제동 및 안전한 정지를 개시함으로써, 차량의 탑승자의 안전을 허용할 수 있으며, 그리고 운전대 또는 다른 수동 운전 수단을 포함하지 않은 완전 자율 주행 차량에서 사용될 수 있다.

바람직하게는, 각각의 테스트 차량은 자기 주행(self-drive)을 가능하게 하기 위한 외부 IMU 센서를 장착하고 있다. IMU 센서들은 차량의 피치, 롤(roll) 및/또는 요(yaw)를 모니터링할 수 있고, 따라서, 이들은, 한편으로 직접 구동 모터에서 필요한 토크를 순간적으로 증가시키지만, 그러나 다른 한편으로 어떠한 위험도 초래하지 않는 외부 소음, 과속방지턱, 바위를 결정하는 데 유용할 수 있다. 바위 또는 과속방지턱의 타격과 같은 이벤트들은 연동 해제에 대한 이유가 되어서는 안 되며, 따라서, 의사결정 유닛 내로 하나 이상의 IMU 센서의 신호들의 입력이 불필요한 연동 해제의 위험을 감소시킬 수 있다. 토크 신호에 대한 과속 방지턱의 영향은 도 15에 도시되어 있다.

본 발명에 따른 조향 시스템은 적어도 2개의 상이한 기정의된 상태를 갖는다. 하기에서는, 전형적인 기정의된 상태들의 소수의 예시가 보다 더 상세하게 설명된다. 또한, 도 12, 13 및 14에도, 각각 2개, 3개 및 4개의 기정의된 상태를 갖는 조향 시스템의 바람직한 실시예들이 도시되어 있다.

자율 주행 차량을 위한 가능한 주행 시나리오는 폐쇄된 트랙에서의 주행이다. 폐쇄된 트랙들은, 이들 폐쇄된 트랙 상에 대중교통이 존재하지 않으므로, 일반적으로 자율 주행 차량들을 테스트하는 데 사용되며, 따라서, 테스트는 안전한 보안 환경에서 수행될 수 있다. 폐쇄된 트랙 주행의 상태에서는, 모든 연동 해제 한계들을 끄고 차량의 순수 자기 주행 능력을 테스트할 수 있다. 이러한 테스트는 차량 내부에 인간 운전자가 탑승하지 않은 상태에서도 수행될 수 있다. 연동 해제 한계들이 꺼져 있거나, 또는 도달될 수 없는 값으로 설정되어 있는 경우에도, 인간 운전자는 차량 내에 탑승해 있을 수 있고, 예상치 못한 소프트웨어 오류가 있는 경우에는 차량 자체를 안전하게 유지하기 위해, 본 발명에 따른 조향 시스템의 수동 조향 수단(예: 운전대)을 통해 차량의 자율 주행 작동을 오버라이드할 수 있다.

폐쇄된 트랙 주행의 상태에서, 차량 제조업체 또는 차량 테스터들(vehicle testers)은 자신들의 테스트 차량들에, 심지어는 완전 자동화된 무인 차량에도 테스트하는 날들 동안 본 발명에 따른 조향 시스템을 장착할 수 있다. 이러한 방식으로, 차선 유지 보조, 비상 추월, 사고 방지와 같은 특징들 및 기타 자동화 주행 특징들이 테스트될 수 있다. 인간 운전자는 차량의 내부에서부터 테스트를 감독하고 비상 상황의 경우에 개입하여 사고 및 가능한 차량 손상을 방지할 수 있다.

다른 기정의된 상태는 주차장에서의 주행을 포함할 수 있는 주차의 상태일 수 있다. 주차의 경우에, 또는 차량이 주차장에서 작동될 때, 차량의 속도는 상대적으로 낮으며, 전형적으로 0~15km/h의 범위이지만, 그러나 차량을 운행하기 위해 더 높은 토크가 필요할 수 있다. 이러한 상태에서, 위험 레벨은 부분적으로 더 낮은 속도로 인해 상대적으로 낮으며, 그리고 인간 운전자는 조향 시스템을 용이하게 오버라이드하고 차량을 수동으로 조향해야 한다. 피크 토크는 ±10Nm의 범위일 수 있고, 바람직하게는 ±8Nm 또는 ±6Nm의 범위일 수 있다. 피크 토크는 종방향 힘, 횡방향 힘, 선형 감쇠, 관성 효과, 전방 리프트, 마찰 등과 같은 다양한 요인들에 따라 달라질 수 있다. 직접 구동 모터에서 필요한 평균 토크는 전형적으로 4Nm보다 더 높다.

추가 기정의된 상태는 교통 체증 중 주행도 포함할 수 있는 도시 주행의 상태일 수 있다. 도심 및 소도시에서와 같은 도시 지역에서, 최대 속도는 전형적으로 50km/h로 제한되지만, 그러나 정확한 제한 속도는 국가 법률 및 규정에 의해 규정된다. 따라서, 도시 지역에서의 주행은 적당한 속도의 이동에 상응하지만, 그러나 보행자들로 인해 예상치 못한 상황들이 주차 시보다 더 자주 발생할 수 있다. 또한, 도시 환경들은 가파른 도로, 로터리, 급회전 구간(sharp turns)이나 커브가 있는 도로와 같은 다양한 도로 조건들과 루트들을 포함할 수 있다. 도시 환경에서도, 비상 제동이 가능해야 하며, 따라서, 도시 주행의 상태의 속도 범위는 0km/h와 50km/h 사이이어야 한다. 차량은 도시 환경에서 적당한 속도로 이동하기 때문에, 동력 보조장치(power assist)는 원활한 작동을 위해 직접 구동 모터를 위한 충분한 토크를 공급할 수 있다. 인간 운전자, 특히 훈련된 테스트 운전자의 반응 시간은 차선 이탈 없이 작동을 오버라이드하기에 충분히 적합하다. 실습 작동(hands-on operation)은 필요한 사용 사례는 아니지만 권장된다. AEB(자동 비상 제동: automatic emergency braking) 활성화 동안, 자기 주행 소프트웨어는 그 차선에서 차량을 유지해야 하는 반면, 조향 시스템은 교차로 및 로터리에서의 상황들을 처리해야 한다.

추가적인 상태 역시도 교외 지역에서의 이동을 위해 정의될 수 있다. 교외 지역에서, 제한 속도는 보통 도시 지역에서보다 더 높은 속도를 허용하며, 따라서, 교외 지역에서 차량의 속도는 전형적으로 대략 50~70km/h의 범위이다. 50~70km/h의 속도 범위에서, 기존 조향 보조장치는 일반적으로 최고 성능을 가지며, 즉, 제한이 적용되지 않는다면, 운전대는 최대 가능한 속도로 회전할 수 있다. 이러한 속도 범위에서, 이처럼 운전대의 빠른 이동은 차선 이탈을 야기하며, 따라서, 차량을 제어하기 위해 높은 수준의 주의 및 빠른 개입 능력이 인간 운전자로부터 예상된다. 따라서, 조향 시스템에서 제한이 적용되지 않는다면, 인간 운전자는 언제든지 차량의 제어력을 인계받을 준비가 되어 있어야 한다. 이러한 이유에서, 인간 운전자는 운전대 또는 임의의 다른 수동 조향 수단을 계속해서 손으로 잡고 있을 것으로 예상된다. 실습 주행(hands-on driving)의 경우, 인간 운전자의 반응 속도는 유의적으로 감소된다.

도로에 하나보다 더 많은 차선이 있고 차량은 50~70km/h의 속도로 주행중인 교외 지역에서, 인간 운전자는 성공적인 오버라이드를 수행하는 데 더 많은 시간을 가지거나, 또는 연동 해제의 경우에는 인간 운전자는 차량의 제어력을 인계받는 데 더 많은 시간을 갖는다. 교외 주행의 상태에서, 테스트 동안 직접 구동 모터에서 필요한 평균 토크는 약 ±3~6Nm의 범위이다.

또한, 고속도로에서의 주행은 기정의된 상태에 대한 근거의 역할을 한다. 전술한 기정의된 상태들과 반대로, 고속도로에서 차량들은 다른 종류의 도로에서보다 더 높은 속도로 이동하도록 허용되며, 그리고 최대 허용 속도는 일반적으로 국가 교통 규정에 따라 달라진다. 전형적인 최대 속도는 130km/h이지만, 그러나 독일에서처럼 속도 무제한 고속도로도 존재하는 국가들도 있다. 이러한 이유에서, 차량은, 다른 차량들도 고속으로 이동하고 있는 환경에서 고속으로 주행될 것으로 예상된다. 주행 가능한 속도 범위는 0km/h와 130km/h 사이이다. 고속도로에서의 주행을 위한 속도 범위는 더 낮은 속도도 포함해야 하며, 극단적인 경우에는 0km/h의 속도도 포함해야 하는데, 그 이유는 자동화 차량이 고속도로에서 AEB(자동 비상 제동)도 수행할 수 있어야 하기 때문이다. 이는, 조향 시스템이 활성 상태이어야 하며, 그리고 테스트 차량 전방의 차량이 완전히 정지될 때 반응할 수 있어야 하는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 조향 시스템은 예컨대 분기점(interchange) 또는 교차로(junction)에서 급커브(sharp curve)를 처리할 수 있다. 또한, 조향 시스템은 고속도로에서 경사진 커브에서도 차량을 안내할 수 있다.

정상적인 작동 중에, 차량은, 비상 제동 상황이 발생하더라도, 고속도로에서 자체 차선을 유지하기로 되어 있다. 인공 지능을 기반으로, 또는 예컨대 레이더, 비전 센서(vision sensor), 라이다 등에서의 센서 데이터를 기반으로, 그리고 예측 모델들을 사용함으로써, 테스트 차량은 사고를 방지하기 위해 비상 상황에서도 차선 변경을 수행할 수 있다. 차선 변경은 자율적으로, 또는 인간 운전자로부터의 오버라이드로 수행될 수 있다. 차선 변경 기동을 수행하기 전에, 목표 차선은 센서들 및 운전자에 의해서도 확인되어야 한다.

테스트가 차량의 차선 유지 능력을 분석하기 위해 수행되는 경우라면, 단일 차선 변경의 경우, 차량의 인간 운전자 및 탑승자들의 최상의 편안함을 달성하기 위해, 빠르고 정확한 포지셔닝과 함께 좌측 또는 우측으로 약간의 조향(약 ±15°)만이 필요하다. 이중 차선 변경을 위해서는 보다 더 동적인 이동이 요구된다.

고속도로 주행의 상태에서, 조향 시스템의 직접 구동 모터의 피크 토크는 너무 높지 않으며, 보통은 약 7Nm이다. 이러한 토크의 저항성은 인간 운전자에 의해 쉽게 극복될 수 있다. 인간 운전자가 고속도로 주행의 상태에서 테스트 차량의 제어력을 인계받기를 원한다면, 다른 차선에 진입하는 것을 피하기 위해 운전대는 매우 조심스럽고 부드럽게 회전되어야 한다. 고속도로에서 발생하는 높은 속도로 인해, 임의의 원하지 않는 차선 변경을 방지하기 위해 운전대에 과도한 힘이나 토크를 인가하지 않도록 각별히 주의해야 한다.

조향 시스템이 적절하게 작동하지 않으면서도 인간 운전자로 하여금 차량을 조향하는 것을 원하지 않는 경우, 인간 운전자는 조향 시스템의 토크를 극복해야 한다. 운전자가 조향 시스템을 오버라이드하고 연동 해제를 수행하기 위해 10Nm보다 더 높은 토크를 사용해야 한다면, 테스트 차량은 그 과정에서 차선 변경을 수행할 수 있다.

직접 구동 모터는 차선 유지를 위해, 그리고 단일 차선 변경을 위해 최대 2~3Nm의 평균 토크를 사용할 수 있다. 이러한 경우에, 불충분한 토크, 예컨대 1.1Nm 미만의 토크는 차량을 회전시키지 못한다. 이런 점 및 조향 시스템 내에서의 마찰은 각도 및 측면 오류들을 야기할 수 있되, 이들 오류는 평균 토크 값을 초과하는 토크를 제공함으로써 방지될 수 있다. 이러한 현상은 다른 기정의된 상태들에도 영향을 미칠 수 있다.

고속도로 주행의 예시적인 상태에서, 하기 한계들이 적용된다. 차량의 속도가 100ms보다 긴 시간 동안 25m/s와 37.5m/s 사이라면, 차량은 고속도로 주행의 상태에 있는 것으로 예상된다. 고속도로 주행의 상태와 관련된 연동 해제 한계들은 하기와 같을 수 있다.

- 차량의 요레이트는 100ms보다 긴 시간 동안 ±0.11rad/s를 초과하지 않아야 하고,

- 차량의 횡방향 가속도는 100ms보다 긴 시간 동안 ±4.2m/s²를 초과하지 않아야 하고,

- 운전대 위치는 100ms보다 긴 시간 동안 ±0.262rad를 초과하지 않아야 하고,

- 운전대 토크는 100ms보다 긴 시간 동안 ±5Nm을 초과하지 않아야 하며, 그리고

- 운전대에 수동으로 인가되는 운전대 토크는 100ms보다 긴 시간 동안 ±2.5Nm을 초과하지 않아야 한다.

상기한 한계들 중 어느 하나라도 초과하면 연동 해제가 이루어지며, 그리고 인간 운전자는 차량의 제어력을 인계받아야 한다.

가능한 추가 기정의된 상태는 비상 기동(emergency maneuver)의 상태일 수 있다. 이러한 상태는 0km/h에서부터 전형적으로 고속도로에서 허용 가능한 최고 가능한 속도, 예를 들면 130km/h 또는 200km/h까지의 속도 범위를 포괄해야 한다. 비상 상태는, 즉, 사고를 방지하기 위해 차량의 고속 및 급회전이 예상되는 비상 상황에 상응한다. 조향 시스템의 직접 구동 모터에 의해 인가된 토크는 ±10Nm의 범위일 수 있다.

상이한 기정의된 상태들은 전형적으로 상이한 연동 해제 한계들을 가지며, 따라서, 차량의 상태가 변하는 경우, 연동 해제 한계들도 급격히 변경될 수 있으며, 이는 신규 상태의 연동 해제 한계를 능가하는 것으로 인해 불안정한 차량 작동 또는 갑작스런 연동 해제 조치를 초래한다.

상태들의 변화와 관련한 문제들을 방지하기 위해, 중간 브리지 상태들이 상이한 기정의된 상태들 사이에 도입될 수 있으며, 이는 기정의된 상태들 간에 연동 해제 한계들의 원활한 전환을 허용한다.

컨트롤러 어셈블리는, 가용한 데이터, 예컨대 제어 매개변수의 실제 값들을 기반으로 차량의 적절한 실제 기정의된 단계를 검출하고 결정하기 위해 의사결정 유닛, 예컨대 신경망을 사용할 수 있다. 실제 기정의된 단계의 변화가 검출되는 경우, 기정의된 상태들 간에 연동 해제 한계들의 원활한 전환을 허용하도록 브리지 기능(bridge function)을 적용하기 위해 브리지 명령어(bridge command)가 생성될 수 있다. 차량의 제어가 실패하거나, 또는 브리지 명령어가 특정 시간 이내에 전달될 수 없다면, 조향 시스템은 바람직하게는 인간 운전자에게 경고하고 제어력을 돌려준다.

조향 시스템의 의사결정 유닛은 가능한 기정의된 상태들 및 이들의 변화들을 식별해야 하며, 그리고 기정의된 상태들 사이에 중간 브리지 상태들을 적용해야 한다. 바람직하게는, 의사결정 유닛은 고속도로 상의 교통 체증과 같은 상황들을 인식할 수 있어야 한다. 의사결정 유닛이 비상과 같은 상황을 정의한다면, 의사결정 유닛은 고속도로 주행의 기정의된 단계에서 교통 체증을 포함한 도시 주행의 상태로 즉시 전환할 수 있다. 이러한 상황들에서, 바람직하게는 최대 가능한 제한 속도들이 컨트롤러 어셈블리의 차량 조향을 위해 이용될 수 있다.

예를 들면, 브리지 상태들은 주차의 상태와 도시 주행의 상태 사이에, 도시 주행의 상태와 교외 주행의 상태 사이에, 그리고 교외 주행의 상태와 고속도로 주행의 상태 사이에 적용될 수 있다. 도 10 및 도 11에는, 브리지 상태들을 각각 포함하고 포함하지 않는 차량의 상태 변화의 영향들에 대한 실례가 도시되어 있다.

도 10에는, 조향 시스템에서 브리지 상태들이 사용되지 않는 것인 예시가 제공되어 있다. 예시에 따라서, 처음에는, 차량이 보다 더 높은 인가된 토크(100)를 허용하는 보다 더 낮은 속도, 예컨대 도시 또는 교외 속도[예컨대 제1 도로 표지판(108)에 표시된 것과 같은 40km/h]로 주행하고, 그런 다음 차량은 커브(107)를 따라 보다 더 높은 제한 속도[예컨대 제2 도로 표지판(109)에 표시된 것과 같은 110km/h]를 갖는 도로로 진입한다. 차량의 속도의 변경으로 인해, 차량의 실제 기정의된 상태는, 예컨대 t₁에서, 도로 또는 교외 주행에 상응하는 제1 상태에서 고속도로 주행에 상응하는 제2 상태로 변화된다. 실제 기정의된 상태의 변화와 함께, 적용 가능한 연동 해제 한계들도 또한 변화되며, 즉 제1 상태에 상응하는 제1 연동 해제 한계(101)에서 제2 상태에 상응하는 제2 연동 해제 한계(102)로 변화된다. 도 12에 도시된 예시에 따라서, 제1 상태의 제1 연동 해제 한계(101)는 제2 상태의 제2 연동 해제 한계(102)보다 더 높은데, 그 이유는 고속도로에서 인가된 큰 토크가 원치 않는 차선 변경으로 이어질 수 있고 그에 따라 이는 방지되어야 하는 것으로 증명되었기 때문이다. 도 10에서 볼 수 있는 것처럼, 상태의 변화는 커브(107) 후에 일어나며, 그에 따라 조향 시스템 상에 인가된 토크(100)는 이미 두 연동 해제 한계(101, 102) 미만의 수준으로 감소된다. 따라서, 이러한 경우, 브리지 상태를 포함하거나 포함하지 않는 지점들(103, 104)에서 연동 해제는 일어나지 않는다.

그와 반대로, 도 11에는, 차량이 커브(117)에서 이동하고 상태의 변경은 커브(117) 동안(t₃에서) 발생하는 것인 예시가 제공되어 있다. 이러한 예시에서, 커브(117)의 제1 부분에서 제한 속도[예컨대 제1 도로 표지판(118)에 표시된 것과 같은 40km/h]는 커브(117)의 제2 부분[예컨대 제2 도로 표지판(119)에 표시된 것과 같은 90km/h]에서보다 더 낮다. 이러한 경우, 조향 시스템 상에 인가된 토크(110)는, 차량이 제2 상태에 들어갈 때의 시점에서 제2 상태의 제2 연동 해제 한계(112)보다 더 높다. 이는, 커브(117)의 중간에서, 즉, 인간 운전자가 차량의 제어력을 인계받도록 즉각적인 조치를 취하지 않으면 위험해질 수 있는 연동 해제점(114)에서 즉각적인 연동 해제로 이어질 수도 있다. 이러한 상황은 심지어 도로 또는 차선으로부터의 일탈(deviation)을 초래할 수도 있다. 이처럼 갑작스런 연동 해제는, 연동 해제 한계들의 원활한 전환을 허용하는 브리지 상태들에 의해 방지될 수 있다. 브리지 상태는, 바람직하게는 브리지 함수(115)로 브리지 종료점(116)과 브리지 시작점(113)을 연결함으로써, 상태들의 연동 해제 한계들(111, 112) 간의 전환을 정의하는 브리지 함수(115)를 포함한다. 여기서 알 수 있는 것처럼, 브리지 함수(115)는, 전환 시간을 확장함으로써 제1 연동 해제 한계(111)와 제2 연동 해제 한계(112) 간의 원활한 전환을 정의한다. 따라서, 토크(110)는 브리지 함수(115) 미만에서 유지될 수 있고 그에 따라 연동 해제는 일어나지 않는다.

브리지 함수는 상태들의 연동 해제 한계들(111, 112)을 연결하는 임의의 단조 함수(monotonous function)일 수 있으며, 예를 들면 브리지 함수(115)는 선형 또는 비선형 함수일 수 있다.

도 12에는, 상이한 주행 상황들에 상응하는 2개의 기정의된 상태를 갖는 본 발명에 따른 조향 시스템의 예시가 제공되어 있다. 도 12에 따른 주행 상황들은, 바람직하게는 도시 환경에서 주차 상황 및 주행을 포함하는 저속 주행에 상응하는 제1 상태(120)를 포함한다. 차량의 전형적인 속도는 도시 지역에서 50km/h의 일반적인 제한 속도로 인해 약 0~50km/h의 범위이다. 조향 차축 상에 인가될 토크는 일반적으로 ±8~10Nm의 범위인데, 그 이유는 특히 주차의 경우, 저속이 전형적이긴 하지만, 그러나 차량은 심지어 조향 차축 상에 보다 더 높은 토크를 요구하는 급회전을 수행할 것으로 예상되기 때문이다. 인가된 토크와 관련한 연동 해제 한계는 바람직하게는 ±10Nm으로 설정될 수 있다. 본 발명에 따른 조향 시스템의 다른 실시예들에서, 제1 상태(120)는, 추가 상태들로, 즉, 도 14에서처럼 한편으로 주차에 상응하고 다른 한편으로는 도시 주행에 상응하는 분리된 상태들로 분할될 수 있다.

도 12의 제2 상태(122)는, 약 50~70km/h의 전형적인 주행 속도를 갖는 교외 지역에서의 주행, 약 70~90km/h의 전형적인 주행 속도를 갖는 주요 도로에서의 주행, 및 전형적인 주행 속도가 약 90~200km/h의 범위인 곳인 고속도로(highway, motorway)에서의 주행의 시나리오들을 포괄하는 고속 주행과 같은 다른 주행 상황에 상응한다. 바람직하게는, 제2 상태(122)에서, 차량들은 전형적으로 약 50~200km/h 범위의 속도로 이동한다. 본 발명에 따른 조향 시스템의 다른 실시예들에서, 제2 상태(122)는 도 13 및 14에서처럼 추가 상태들로 분할될 수 있다.

제2 상태(122)에서, 차량의 속도는 상대적으로 높으며, 그리고 제1 상태(120)와 비교하여 더 낮은 토크가 조향 차축에 인가될 것으로 예상된다. 고속에서 너무 높은 토크는 차선들의 고의가 아닌 변경을 초래할 수 있으며, 그에 따라 방지되어야 한다. 제2 상태(122)에서, ±3~6Nm 범위의 토크가 예상된다. 따라서, 연동 해제 한계는 바람직하게는 ±4Nm 또는 ±6Nm으로 설정될 수 있다.

도 11과 관련하여 논의한 것처럼, 브리지 상태(121)는 상태들(120, 122) 간에 연동 해제 한계들의 전환을 원활하게 하기 위해 도입될 수 있다. 도 12에 따라서, 브리지 상태(121)는 제1 상태(120)와 제2 상태(122) 사이에 도입된다.

또한, 바람직하게는, 도 12에 따른 조향 시스템은 비상 상황들을 처리하기 위한 비상 상태(미도시)를 포함한다. 비상 상태는 바람직하게는 0~200km/h의 속도 범위를 포괄하며, 그리고 제1 상태(120)에 필적하는, 바람직하게는 ±10Nm의 연동 해제 한계를 포함하는 토크 범위를 갖는다.

도 13에는, 상이한 주행 상황들에 상응하는 3개의 기정의된 상태를 갖는 본 발명에 따른 조향 시스템의 예시가 제공되어 있다. 도 13에 따른 주행 상황들은 주차 상황에 상응하는 제1 상태(130)(주차 상태)를 포함하되, 차량의 전형적인 속도는 약 0~5km/h의 범위이며, 그리고 조향 차축 상에 인가될 토크는 일반적으로 ±10Nm 이내의 범위인데, 그 이유는 주차의 경우에 저속이 전형적이지만, 그러나 차량은 조향 차축 상에서 보다 더 높은 토크를 요구하는 급회전을 수행할 것으로 예상되기 때문이다. 인가되는 토크와 관련한 연동 해제 한계는 바람직하게는 ±10Nm으로 설정될 수 있다.

도 13의 제2 상태(132)는 도시 환경에서의 주행(도시 주행의 상태)과 같은 또 다른 주행 상황에 상응한다. 도시 환경에서, 차량들은 전형적으로 약 5~50km/h 범위의 속도로 이동하는데, 그 이유는 도시 지역의 일반적인 제한 속도가 약 50km/h이기 때문이다. 도시 주행의 상태에서는, 주차의 상태와 비교하여 더 낮은 토크가 조향 차축 상에 인가될 것으로 예상되지만, 그러나 급회전 역시도 예상될 수 있으며, 따라서, 도시 주행의 상태에서는 ±8Nm의 토크 범위가 예상된다. 따라서, 연동 해제 한계는 ±8Nm으로 설정될 수 있다.

도 13에 도시된 제3 상태(134)는 약 50~70km/h의 전형적인 주행 속도를 갖는 교외 지역에서의 주행, 약 70~90km/h의 전형적인 주행 속도를 갖는 주요 도로에서의 주행, 및 전형적인 주행 속도가 약 90~200km/h의 범위인 곳인 고속도로에서의 주행과 같은 고속 주행에 상응한다. 본 발명에 따른 조향 시스템의 다른 실시예들에서, 제3 상태(134)는 도 14에서처럼 추가 상태들로 분할될 수 있다.

국가별 교통 규정을 고려하면, 제3 상태(134)에 대해 상이한 제한 속도들이 적용될 수 있다. 예를 들면, 독일에서와 같은 일부 국가에서는, 속도 무제한 고속도로도 존재한다. 바람직하게는, 고속 주행의 상태의 제한 속도 상한은 특정 국가에서 도로 차량의 최고 허용 속도 또는 가능한 최고 속도에 상응한다. 고속 주행의 경우에는, 고속도로가 보다 더 적은 커브 및 보다 더 적은 급회전 구간을 갖는 경향이 있으므로, 정상적인 작동 중에 보다 더 낮은 토크가 예상된다. 이러한 이유로, 토크와 관련한 고속 주행의 상태의 연동 해제 한계들은 도시 주행 상태 또는 주차 상태의 것들보다 더 낮다. 예시로서, 제3 상태(134)에서 연동 해제 한계들은 ±4Nm으로 설정될 수 있다.

도 11과 관련하여 논의한 것처럼, 브리지 상태들(131, 133)은 이웃 상태들(130, 132, 134) 간에 연동 해제 한계들의 전환을 원활하게 하기 위해 도입될 수 있다. 도 13에 따라서, 제1 브리지 상태(131)는 제1 상태(130)와 제2 상태(132) 사이에 도입되고, 제2 브리지 상태(133)는 제2 상태(132)와 제3 상태(134) 사이에 도입된다.

바람직하게는, 도 13에 따른 조향 시스템은 또한 비상 상황들을 처리하기 위한 비상 상태(미도시)를 포함한다. 비상 상태는 바람직하게는 0~200km/h의 속도 범위를 포괄하며, 그리고 ±10Nm의 유사한 연동 해제 한계를 갖는 제1 상태(130)(즉, 주차 상태)에 필적하는 토크 범위를 갖는다.

도 14에는, 도 12 및 13의 조향 시스템보다 더 많은 기정의된 상태를 갖는 조향 시스템의 예시가 제공되어 있다. 도 14에는, 자신들 사이에 3개의 브리지 상태(141, 143, 145)를 포함하는 4개의 상이한 기정의된 상태[상태(140, 142, 144, 146)]가 도시되어 있다.

도 14에 따른 조향 시스템은 제1 상태(140)로서 주차를 위한 상태를 포함하되, 제1 상태(140)의 특성들은 약 ±9~10Nm의 연동 해제 한계를 갖는 도 13의 제1 상태(130)의 특성들과 유사하다.

도 14의 제2 상태(142)는 바람직하게는 도시 주행 상태와 유사하되, 속도 범위는 약 5~50km/h이다. 도 14의 제2 상태(142)의 특성들은 약 ±7~8Nm의 연동 해제 한계를 갖는 도 13의 제2 상태(132)의 특성들에 상응한다.

50km/h를 초과한 경우, 도 14에 따른 조향 시스템은 2개의 더 많은 기정의된 상태를 포함하되, 제3 상태(144)는 교외 주행에 상응하고, 제4 상태(146)는 고속도로에서의 주행에 상응한다. 제3 상태(144)(교외 주행 상태)는 바람직하게는 50~70km/h의 속도 범위를 포괄하며, 그리고 최대 허용 토크는 바람직하게는 3~6Nm의 범위이며, 따라서, 제3 상태(144)는 약 ±6Nm의 연동 해제 한계를 갖는다.

제4 상태(146)(고속도로 주행 상태)는 바람직하게는 약 70~200km/h의 속도 범위에 상응한다. 고속도로 상에서의 주행을 위한 제한 속도가 200km/h보다 더 높은 경우, 제4 상태(146)는 바람직하게는 보다 더 높은 상기 속도 범위 역시도 포괄한다. 그러나 안전을 이유로, 차량의 최대 가능한 속도를 제한하는 것이 바람직할 수 있으며, 즉, 차량이 기설정된 최고 제한 속도보다 더 빠르게 주행하려고 한다면, 연동 해제를 수행한다. 상기에서 논의한 것처럼, 고속 주행의 경우, 조향 차축 상에 인가된 상대적으로 낮은 토크라도, 차선 이탈을 포함하여 위험한 상황들을 초래할 수 있다. 이러한 이유에서, 최대 허용 토크는 바람직하게는 2~4Nm의 범위이며, 따라서 제4 상태(146)는 바람직하게는 약 ±4Nm의 연동 해제 한계를 갖는다.

상이한 기정의된 상태들(140, 142, 144, 146) 사이에는 3개의 브리지 상태(141, 143, 145)가 배치되되, 각각의 브리지 상태(141, 143, 145)는 상이한 기정의된 상태들(140, 142, 144, 146)의 연동 해제 한계 값들 간의 원활한 단조 전환(monotonous transition)을 정의하는 브리지 함수를 갖는다. 브리지 함수는 선형 함수이거나 또는 임의의 다른 단조함수일 수 있으며, 그리고 상이한 브리지 상태들은 상이한 브리지 함수들을 가질 수 있다. 기정의된 상태들(140, 142, 144, 146)의 연동 해제 한계들 간의 차이가 보다 더 큰 경우, 브리지 함수들은 바람직하게는 보다 더 긴 시간 기간에 상응하되, 이는 보다 더 길고 보다 덜 급격한 전환을 허용하며, 그에 따라 연동 해제 이벤트의 발생 가능성을 감소시킨다.

바람직하게는, 도 14에 따른 조향 시스템은 또한 비상 상황들을 처리하기 위한 비상 상태(미도시)를 포함한다. 비상 상태는 바람직하게는 0~200km/h의 속도 범위(즉, 전체 허용 속도 범위)를 포괄하며, 그리고 유사한 연동 해제 한계, 요컨대 ±9~10Nm의 연동 해제 한계를 갖는 제1 상태(140)(즉, 주차 상태)에 필적하는 토크 범위를 갖는다.

본 발명에 따른 조향 시스템의 다른 바람직한 실시예들에서, 제3 상태(144)와 제4 상태(146)는 상이한 속도 범위들에 상응할 수 있다. 예를 들어, 제3 상태(144)는 바람직하게는 약 ±5~6Nm의 연동 해제 한계를 갖는 약 50~90km/h의 속도 범위에 상응할 수 있되, 제4 상태(146)는 바람직하게는 약 ±3~4Nm의 연동 해제 한계를 갖는 약 90~200km/h의 속도 범위에 상응할 수 있다.

도 15에는, 과속방지턱을 넘어 주행하는 차량의 영향에 대한 실례가 제공되어 있다. 과속방지턱(151)은, 그 높이로 인해, 차량의 수직 가속도(150)(Z 가속도)의 변화를 야기하며, 도 15에 따라서는 Z 축의 방향에서의 가속도가 변화한다. 과속방지턱(151)은, 도 15의 그래프에 도시된 것처럼, 수직 가속도(150)의 신호의 특성 변화를 야기한다. 의사결정 유닛이 수직 가속도(150)의 신호들을 수신한다면, 의사결정 유닛은, 수직 가속도(150)의 변화가 과속방지턱(150)의 결과인 점을 쉽게 식별할 수 있다. 과속방지턱(151)에 걸친 횡단이 또한 토크 증가를 초래한다고 하더라도, 이는 연동 해제를 개시할 이유가 되어서는 안 된다.

도 16에는, 상이한 주행 상황들에서 본 발명에 따른 조향 시스템의 직접 구동 모터와 EPAS 보조 토크 간의 전형적인 토크 분포의 그래프가 도시되어 있되, X 축은 조향 차축 상에 직접 구동 모터에 의해 인가된 토크를 나타내고, Y 축은 EPAS에 의해 인가된 토크를 나타낸다. 주행 상황들은 주차에 상응하는 제1 상태(161), 도시 또는 교외 주행에 상응하는 제2 상태(162), 고속도로 주행에 상응하는 제3 상태(163), 도시 또는 교외 주행에 상응하는 제4 상태(164) 및 주차에 상응하는 제5 상태(165)를 포함한다.

고속도로 주행에 상응하는 제3 상태(163)에서는, EPAS 측에서 거의 토크가 요구되지 않지만, 그러나 직접 구동 모터가 고속도로에서 주행을 위해 요구되는 필요한 토크를 모두 제공할 수 있되, 직접 구동 모터에 의해 인가되는 토크는 또한 제한되며, 즉, ±5Nm의 범위인 점을 확인할 수 있다. 그와 반대로, 주차 상황들[상태들(161, 165) 참조]에서는, 직접 구동 모터 및 EPAS 모두에 의해 보다 더 높은 수준의 토크(최대 ±10Nm)가 요구된다.

도 17은 본 발명에 따른 조향 시스템의 다양한 용도들[즉, 용도들(181, 182, 183, 184, 185)]의 실례이다. 공공 도로에서 차량이 완전 자동화된 자율 주행을 수행할 수 있도록 하기 위해, 바람직하게는 차량, 그 탑승자들, 운송 상품, 그리고 자율 주행 차량의 루트를 따라 임의의 다른 차량, 사람 및 객체의 안전을 보장하기 위해 하기 단계들이 취해져야 한다.

제1 단계(171)로서, 운전자들은 자율 주행 차량들을 테스트하기 위해 훈련받을 수 있으며, 그럼으로써 운전자들은 해당 과제에 익숙해질 수 있게 된다. 이러한 제1 단계(171)는 임의의 훈련 및/또는 시뮬레이션 환경을 사용하여 수행될 수 있으며, 바람직하게는 본 발명에 따른 조향 시스템은 운전자와 자율 주행 소프트웨어 간의 인터페이스로서 사용될 수 있되, 조향 시스템은 바람직하게는 테스트 벤치에 부착된다. 따라서, 본 발명에 따른 조향 시스템의 제1 용도(181)는 운전자 훈련일 수 있다. 제1 단계의 제1 목표(191)는 차량들 및 조향 시스템에 익숙하고, 그에 따라 일반 운전자들보다 더 안전한 방식으로 테스트 주행을 수행할 수 있는 훈련된 운전자들을 제공하는 것에 있다.

테스트의 제2 단계(172)로서, 차량들은 본 발명에 따른 조향 시스템을 구비할 수 있으며, 그에 따라 제2 용도(182)로서, 본 발명에 따른 조향 시스템은, 임의의 자율 주행 소프트웨어 없이, 조향 시스템 및 그 구성요소들의 평가를 위해 사용될 수 있다. 제2 단계(172)는 보통 자율 주행 소프트웨어에 의해 도입되는 제한기 없이 조향 시스템의 테스트를 허용하며, 그에 따라, 하드웨어 한계들이 테스트되고 추정될 수 있으며, 그리고 조향 시스템은 가변 입력 값들로 작동될 수 있다. 따라서, 제2 단계(172)와 관련된 제2 목표(192)는 본 발명에 따른 조향 시스템의 하드웨어 한계들을 결정하는 것에 있다.

테스트의 제3 단계(173)로서, 테스트는 자율 시뮬레이션 소프트웨어로 수행될 수 있으며, 그에 따라 제3 용도(183)로서, 본 발명에 따른 조향 시스템은 시뮬레이션된 주행 환경에서 사용될 수 있다(도 7 참조). 시뮬레이션 환경에서, 조향 시스템의 자율 주행 소프트웨어 및 하드웨어의 견고성이 테스트될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 조향 시스템의 도움으로, 운전자 오버라이드의 영향 또한 테스트할 수 있다. 제3 단계(173)는 또한 테스트 운전자들의 추가 훈련을 위해 사용될 수 있는데, 그 이유는 시뮬레이션 환경 주행 제한 사항에 연동 해제 한계들이 또한 포함되어 시뮬레이션될 수 있고, 그뿐만 아니라 결함들도 또한 시뮬레이션에 추가될 수 있고, 이렇게 테스트 운전자들이 이러한 상황들에서 반응하는 방법을 학습할 수 있기 때문이다. 따라서, 제3 단계(173)와 관련된 제3 목표(193)는, 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 견고성을 테스트하고; 실제 상황들에서 테스트 운전자의 훈련을 계속하며; 그리고 운전자 오버라이드의 철저한 테스트를 허용하는; 것에 있다.

테스트의 제4 단계(174)는, 바람직하게는 폐쇄된 트랙 주행을 통한 조향 시스템의 미세 조정일 수 있다. 따라서, 제4 용도(184)로서, 본 발명에 따른 조향 시스템은 폐쇄된 트랙 주행에서, 그리고 조향 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어의 미세 조정을 위해 사용될 수 있다. 테스트의 제4 단계(174)와 관련된 제4 목표(194)는 각각의 기정의된 상태에 대한 연동 해제 한계들을 정의하는 것에 있다.

테스트의 제5 단계(175)는 공공 도로에서의 테스트일 수 있되, 본 발명에 따른 조향 시스템은, 바람직하게는 임의의 제조업체에 의해 공급되고, 본 발명에 따른 조향 시스템의 제5 용도(185)의 역할을 하는 테스트 차량 내에 내장된다. 제5 단계(175)와 관련된 제5 목표(195)는 차량의 완전 자율 작동을 테스트하는 것에 있다. 이러한 경우, 인간 운전자는 바람직하게는 차량에 탑승하여 주의하면서 필요한 경우 제어력을 인계받을 준비를 한다. 테스트의 제5 단계(175)의 초점은 자율 주행 소프트웨어일 수 있지만, 그러나 본 발명에 따른 조향 시스템은 비상 상황에서 인간 운전자가 개입하여 임의의 가능한 사고를 방지하도록 보장한다.

또한, 본 발명은 수동 조향 수단으로부터 본 발명에 따른 조향 시스템의 직접 구동 모터를 연동 해제하는 방법에도 관한 것이다. 본원 방법은 제어 매개변수의 미리 정해진 값을 달성하기 위해 조향 시스템의 직접 구동 모터에 명령하는 명령 단계를 포함하되, 제어 매개변수는 바람직하게는 수동 조향 수단의 위치, 수동 조향 수단 상의 토크, 수동 조향 수단의 힘, 수동 조향 수단의 속도 또는 구동 모터의 전류이다.

본원 방법은 제어 매개변수의 실제 값을 모니터링하는 모니터링 단계 및 제어 매개변수의 미리 정해진 값과 제어 매개변수의 실제 값 간의 차이 값을 생성하는 생성 단계를 더 포함한다.

또한, 본원 방법은, 차이 값을 기반으로 실제 기정의된 상태에 상응하는 적어도 하나의 기정의된 연동 해제 한계가 도달된다면, 연동 해제를 개시하는 연동 해제 개시 단계도 포함한다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법의 단계들을 수행하기 위한 수단을 포함하는 데이터 처리 시스템에도 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 프로그램이 컴퓨터에 의해 실행될 때 컴퓨터로 하여금 본 발명에 따른 방법의 실시예를 수행하게끔 하는 명령어들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.

컴퓨터 프로그램 제품은 하나 이상의 컴퓨터에 의해 실행될 수 있다.

또한, 본 발명은, 컴퓨터에 실행될 때 컴퓨터로 하여금 본 발명에 따른 방법의 실시예를 수행하게끔 하는 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체에 관한 것이다.

컴퓨터 판독 가능 매체는 단독 매체일 수 있거나, 또는 더 많은 별도의 피스(separate piece)를 포함할 수 있다.

물론, 본 발명은 상기에서 상세하게 설명된 바람직한 실시예들로 제한되지 않으며, 오히려 청구범위에 의해 결정된 보호의 범위 이내에서 추가 변형, 변경 및 개발이 가능하다. 또한, 어느 임의의 종속 청구항 조합에 의해 정의될 수 있는 모든 실시예도 본 발명에 속한다.

10: 조향 차축
11: 베어링
12: 구동 기어
13: 각도 센서
14: 감속 기어박스
15: 모터
16: 정류 인코더
17: 제1 축
18: 제2 축
20: 조향 차축
21: 베어링
22: 기어
23: 각도 센서
25: 직접 구동 모터
27: 제1 축
28: 제2 축
30: 조향 차축
31: 베어링
32: 내부 칼럼
33: 각도 센서
34: 외부 칼럼
35: 직접 구동 모터
35a: 스테이터
35b: 로터
35c: 모터 샤프트
36: 모터 하우징
37: 축
38: 베어링 하우징
39: 커플링
40: 클러치
41: 제1 브래킷
42: 풀리
43: 타이밍 벨트
44: 풀리
45: 제2 브래킷
46: 제3 브래킷
47: 제4 브래킷
48: 베어링 하우징
49a: 제2 베어링
49b: 제3 베어링
50: 조향 차축
51: 중간 샤프트
52: 운전대
53: 각도 센서
54: 인간 운전자
55: 직접 구동 모터
56: 컨트롤러 어셈블리
57: 외부 네트워크
58: 전자 제어 유닛(ECU)
59: 토크 센서
60: 휠
61: 래크 및 피니언
62: 기어
63: 전력 보조 조향(EPAS) 수단
600: 아키텍처
601: 조향 차축
602: 서보모터
610: 운전자 시트
611: 운전대
620: 탑승자 시트
621: 컨트롤러 어셈블리
630: 트렁크
631: 메인 배터리
632: 전원공급장치
640: 중앙 콘솔
641: 비상 정지 수단
650: 조향 칼럼
651: 클러치
652: 온도 센서
653: 조향 각도 센서
655: 직접 구동 모터
70: 조향 차축
71: 운전대
72: 에뮬레이션된 보조 조향
73: EPAS(전력 보조 조향) 에뮬레이터
74: 드라이브 바이 와이어 유닛
75: 직접 구동 모터
76: 페달
77: ECU(전자 제어 유닛) 에뮬레이터
78: 시뮬레이션 컴퓨터
79a: 시뮬레이션 소프트웨어
79b: 가상 센서
80: 차량
81: 추정 유닛
82: 연동 해제 한계
83: 절대 조향 토크
84: 도로 모델
85: 도로
86: 커브
87: 경고
90: 전류 신호
91: 하드웨어 한계
92: 전류 임계값
93: 연동 해제점
94: 재활성화점
95: 지점
96: 연동 해제점
100: 토크
101: 제1 연동 해제 한계
102: 제2 연동 해제 한계
103: 지점
104: 지점
107: 커브
108: 제1 도로 표지판
109: 제2 도로 표지판
110: 토크
111: 제1 연동 해제 한계
112: 제2 연동 해제 한계
113: 브리지 시작점
114: 연동 해제점
115: 브리지 함수
116: 브리지 종료점
117: 커브
118: 제1 도로 표지판
119: 제2 도로 표지판
120: 제1 상태
121: 제1 브리지 상태
122: 제2 상태
130: 제1 상태
131: 제1 브리지 상태
132: 제2 상태
133: 제2 브리지 상태
134: 제3 상태
140: 제1 상태
141: 제1 브리지 상태
142: 제2 상태
143: 제2 브리지 상태
144: 제3 상태
145: 제3 브리지 상태
146: 제4 상태
150: 수직 가속도
151: 과속방지턱
160: 토크
161: 제1 상태
162: 제2 상태
163: 제3 상태
164: 제4 상태
165: 제5 상태
171: 제1 단계
172: 제2 단계
173: 제3 단계
174: 제4 단계
175: 제5 단계
181: 제1 용도
182: 제2 용도
183: 제3 용도
184: 제4 용도
185: 제5 용도
191: 제1 목표
192: 제2 목표
193: 제3 목표
194: 제4 목표
195: 제5 목표

Claims (14)

1. 자율 주행 차량의 테스트 주행에서 사용하기 위한 조향 시스템으로서,
   - 차량을 수동으로 조향하도록 구성된 수동 조향 수단;
   - 수동 조향 수단에 부착된 조향 차축(20, 30, 50, 601, 70); 및
   - 조향 차축(20, 30, 50, 601, 70) 상의 토크에 제어 가능하게 영향을 미치는 직접 구동 모터(25, 35, 55, 655, 75)이되, 조향 차축(20, 30, 50, 601, 70)과 동축인 회전축(27, 37)을 갖는 상기 직접 구동 모터(25, 35, 55, 655, 75);를 포함하는 상기 조향 시스템에 있어서,
   - 상기 조향 시스템은 상이한 주행 조건들을 특징짓는 적어도 2개의 기정의된 상태를 보유하되, 각각의 기정의된 상태는 적어도 하나의 기정의된 연동 해제 한계(82, 101, 102, 111, 112)를 가지며, 그리고
   - 상기 조향 시스템은 제어 매개변수를 기반으로 작동될 수 있는 컨트롤러 어셈블리(56)를 더 포함하되, 상기 컨트롤러 어셈블리(56)는 차량의 실제 기정의된 상태를 검출하도록 구성되며, 그리고 상기 컨트롤러 어셈블리(56)는
   - 도달될 제어 매개변수의 미리 정해진 값을 포함하는 명령어를 생성하는 모션 컨트롤러,
   - 상기 모션 컨트롤러로부터 수신되는 명령어를 기반으로 상기 직접 구동 모터(25, 35, 55, 655, 75)에 전력을 공급하기 위한 모터 구동 유닛, 및
   - 제어 매개변수의 실제 값을 모니터링하고, 제어 매개변수의 미리 정해진 값과 제어 매개변수의 실제 값 간의 차이 값을 결정하며, 그리고 차이 값을 기반으로 실제 기정의된 상태에 상응하는 적어도 하나의 기정의된 연동 해제 한계(82, 101, 102, 111, 112)가 도달되면, 상기 직접 구동 모터(25, 35, 55, 655, 75)의 연동 해제를 개시하기 위한 피드백 장치를 포함하는
   것을 특징으로 하는 조향 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 기정의된 상태들은 적어도 하나의 상태 매개변수를 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하는 조향 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 상태 매개변수는 차량의 속도, 횡방향 가속도, 요레이트 및/또는 종방향 가속도인 것을 특징으로 하는 조향 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기정의된 상태들은 추가로 주차 기동, 교통 체증, 도시 주행, 교외 주행, 저속 주행, 고속 주행, 비상 기동 및 폐쇄된 트랙 주행 중 적어도 하나를 포함하는 주행 상황을 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하는 조향 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조향 시스템은, 2개의 기정의된 상태 사이에, 상기 2개의 기정의된 상태의 연동 해제 한계들(82, 101, 102, 111, 112) 간의 원활한 전환을 제공하는 중간 브리지 상태(121, 131, 133, 141, 143, 145)를 보유하는 것을 특징으로 하는 조향 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 매개변수는, 상기 수동 조향 수단의 위치, 상기 수동 조향 수단 상의 토크, 상기 수동 조향 수단 상의 힘, 상기 수동 조향 수단의 속도, 또는 상기 직접 구동 모터(25, 35, 55, 655, 75)의 전류인 것을 특징으로 하는 조향 시스템.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모션 컨트롤러는
   - 상기 직접 구동 모터(25, 35, 55, 655, 75)를 위한 제어 매개변수의 미리 정해진 값들을 포함하는 모션 프로파일을 생성하는 상위 컨트롤러, 및
   - 상기 모션 프로파일을 수신하여, 도달될 제어 매개변수의 미리 정해진 값을 포함한 명령어를 생성하기 위한 하위 컨트롤러를 포함하는
   것을 특징으로 하는 조향 시스템.
8. 제7항에 있어서, 컨트롤러 어셈블리는, 상기 상위 컨트롤러에 의해 생성된 모션 프로파일을 상기 하위 컨트롤러에 의해 수신 가능한 신호로 변환하기 위해, 상기 상위 컨트롤러와 상기 하위 컨트롤러 사이에 배치되는 드라이브 바이 와이어 유닛(74)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조향 시스템.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직접 구동 모터(25, 35, 55, 655, 75)는 영구자석 동기 모터인 것을 특징으로 하는 조향 시스템.
10. 수동 조향 수단으로부터 제1항에 따른 조향 시스템의 직접 구동 모터(25, 35, 55, 655, 75)를 연동 해제하기 위한 연동 해제 방법에 있어서, 상기 연동 해제 방법은
    - 제어 매개변수의 미리 정해진 값들 달성하기 위해 상기 조향 시스템의 직접 구동 모터(25, 35, 55, 655, 75)에 명령하는 명령 단계;
    - 상기 제어 매개변수의 실제 값을 모니터링하는 모니터링 단계;
    - 상기 제어 매개변수의 미리 정해진 값과 상기 제어 매개변수의 실제 값 간의 차이 값을 생성하는 생성 단계; 및
    - 상기 차이 값을 기반으로 실제 기정의된 상태에 상응하는 적어도 하나의 기정의된 연동 해제 한계(82, 101, 102, 111, 112)가 도달된다면, 연동 해제를 개시하는 연동 해제 개시 단계;를 포함하는 것인, 연동 해제 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 제어 매개변수는, 상기 수동 조향 수단의 위치, 상기 수동 조향 수단 상의 토크, 상기 수동 조향 수단 상의 힘, 상기 수동 조향 수단의 속도, 또는 상기 직접 구동 모터(25, 35, 55, 655, 75)의 전류인 것을 특징으로 하는 연동 해제 방법.
12. 제10항 또는 제11항에 따른 방법의 단계들을 수행하기 위한 수단을 포함하는 데이터 처리 시스템.
13. 프로그램이 컴퓨터에 의해 실행될 때, 컴퓨터로 하여금 제10항 또는 제11항의 방법을 수행하게끔 하는 명령어들을 포함하는 비일시적 컴퓨터 프로그램 제품.
14. 컴퓨터에 의해 실행될 때, 컴퓨터로 하여금 제10항 또는 제11항의 방법을 수행하게끔 하는 명령어들을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.