KR20240055301A - 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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이동현
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국립금오공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템에 관한 것으로서, 이동체와, 상기 이동체의 전면 하부 양측에 각각 형성되어 회전과 조향각도 조절을 통해 상기 이동체를 이동시키는 전륜과, 상기 이동체의 후면 하부 양측에 각각 형성되어 회전과 조향각도 조절을 통해 상기 이동체를 이동시키는 후륜과, 상기 이동체에 형성되어 상기 전륜 또는 상기 후륜에 구동력을 제공하고 상기 전륜의 조향을 제어할 수 있도록 형성되는 구동부와, 상기 이동체에 형성되어 상기 전륜의 조향각도가 최대각도로 조향되면 상기 후륜의 조향각도를 상기 전륜의 조향각도와 동일하게 반대방향으로 변경시켜 상기 이동체의 회전 중심점을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법{Sequential steering system for front and rear wheels for stable rotation of a four-wheel steering moving body and method therefor}
본 발명은 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 4륜을 이용하여 이동이 가능한 이동체가 좌측 또는 우측으로 회전될 때 회전 반경 및 속도를 자동으로 제어하여 안정적으로 회전이 이루어질 수 있도록 하는 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 4륜 조향 이동체는 한 쌍의 전륜과 한 쌍의 후륜을 이용하여 주행 및 좌, 우 회전이 가능한 것을 의미하며, 사용자가 탑승한 차량, 원격으로 조작하여 움직이는 무인 로봇에서 사용되고 있다.
이러한 4륜 조향 이동체는 그 종류에 따라 스티어링 휠 또는 조이스틱을 이용해 이동체의 좌, 우 조향을 제어할 수 있도록 형성되어 있으며 기존의 2륜 조향 이동체의 경우 좌, 우로 조향할 때 전륜만 작동되어 방향을 제어하는 반면, 4륜 조향 이동체는 전륜과 후륜이 동시에 같은 회전각도로 움직일 수 있도록 형성된다.
이와 같이 4륜 조향 이동체는 전륜만 조향되는 2륜 조향 이동체에 비해 회전반경이 빠르게 변경될 수 있어 좁은 구역에서도 좌측 또는 우측으로 회전하여 이동할 수 있게 된다.
그러나 이러한 4륜 조향 이동체의 경우 회전반경이 빠르게 변경되기 때문에 차량을 운전하는 운전자나 로봇을 조종하는 운용자가 이동체의 진행 방향을 예측하기가 어렵다는 문제점이 있었다.
또한 종래와 같이 전륜과 후륜이 같은 각도로 동시에 조향되는 경우 고속 주행 시 미끄러짐 등으로 인해 회전의 안정성이 감소하게 되므로, 이동체가 빠른 속도로 이동 중이거나 무거운 화물을 적재 중 급격하게 좌, 우로 조작할 경우 회전반경도 급격하게 이루어지면서 전도사고가 발생될 수 있는 문제점이 있었다.
한국특허 공개번호 제10-2022-0055947호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 운용자가 스티어링 휠 또는 조이스틱을 이용하여 안정적이고 정밀하게 4륜 조향 이동체를 운용할 수 있는 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 운용자가 종래의 2륜 조향 이동체의 조향 감각을 기반으로 4륜 조향 이동체의 조향이 가능하여 진행 방향 예측과 제어가 수월한 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 고속에서의 회전 시 운용자의 별도 조작 없이 현재 속도가 감소해 안정적으로 회전되도록 유도할 수 있는 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템은 이동체와, 상기 이동체의 전면 하부 양측에 각각 형성되어 회전과 조향각도 조절을 통해 상기 이동체를 이동시키는 전륜과, 상기 이동체의 후면 하부 양측에 각각 형성되어 회전과 조향각도 조절을 통해 상기 이동체를 이동시키는 후륜과, 상기 이동체에 형성되어 상기 전륜 또는 상기 후륜에 구동력을 제공하고 상기 전륜의 조향을 제어할 수 있도록 형성되는 구동부와, 상기 이동체에 형성되어 상기 전륜의 조향각도가 최대각도로 조향되면 상기 후륜의 조향각도를 상기 전륜의 조향각도와 동일하게 반대방향으로 변경시켜 상기 이동체의 회전 중심점을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템의 상기 제어부는 상기 구동부에서 입력되는 명령속도가 설정된 임계속도보다 높을 경우 상기 후륜의 조향각도에 따라 속도보정 스케일러를 적용하여 입력되는 명령속도보다 낮은 보정된 명령속도를 출력하여 상기 이동체의 주행속도를 감속시키는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템의 상기 제어부는 상기 이동체가 회전되는 내측 방면에 위치한 상기 전륜과 상기 후륜의 조향각도를 기반으로 상기 이동체의 회전중심점을 산출하고, 상기 회전중심점을 중심으로 상기 이동체가 회전되는 외측 방면에 위치한 상기 전륜과 상기 후륜의 조향각도를 재산출 및 조정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템의 상기 제어부는 상기 전륜을 통해 2륜 조향 방식으로 주행하다가 상기 전륜의 조향각도가 최대각도로 전환되면 상기 후륜을 순차적으로 구동시켜 4륜 조향 방식으로 전환되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템의 상기 제어부는 상기 이동체가 4륜 조향 방식으로 변경된 상태에서 상기 후륜의 조향각도가 0도가 되면 2륜 조향 방식으로 전환되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법은 이동체의 주행방향을 제어하기 위해 구동부를 통해 한 쌍으로 된 전륜의 조향을 조작하기 위한 조향신호를 입력하는 조향조작단계와, 상기 조향조작단계를 통해 입력된 조향신호를 기반으로 상기 전륜의 조향각도를 제어하는 전륜조향단계와, 상기 전륜조향단계를 통해 상기 전륜의 조향각도가 최대각도로 조향되면 한 쌍으로 된 후륜의 조향각도를 상기 전륜의 조향각도와 동일하게 반대방향으로 변경시키는 후륜조향단계와, 상기 후륜조향단계 이후 상기 이동체가 회전되는 내측 방면에 위치한 상기 전륜과 상기 후륜의 조향각도를 기반으로 상기 이동체의 회전중심점을 산출하는 회전중심점 산출단계와, 상기 회전중심점 산출단계를 통해 산출된 상기 회전중심점을 중심으로 상기 이동체가 회전되는 외측 방면에 위치한 상기 전륜과 상기 후륜의 조향각도를 재산출 및 조정하는 외측 조향각도 산출단계와, 상기 외측 조향각도 산출단계 이후에 상기 후륜의 조향각도에 따라 상기 구동부에서 입력되는 명령속도가 설정된 임계속도보다 높을 경우 속도보정 스케일러를 적용하여 입력되는 명령속도보다 낮은 보정된 명령속도를 출력하여 상기 이동체의 주행속도를 감속시키는 주행속도 보정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법의 상기 회전중심점 산출단계에서 상기 회전중심점(Px, Py)은 아래의 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
(Px : 회전중심점의 x축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, θFi : 이동체의 회전방향 내측에 위치한 전륜 조향각도, θBi : 이동체의 회전방향 내측에 위치한 후륜 조향각도)
[수학식 2]
Figure pat00002
(Py : 회전중심점의 y축 좌표, θFi : 이동체의 회전방향 내측에 위치한 전륜 조향각도, Px : 회전중심점의 x축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, L : 전륜과 후륜 사이의 길이)
또한 본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법의 상기 외측 조향각도 산출단계에서 상기 조향각도는 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3]
Figure pat00003
(θFo : 이동체의 회전방향 외측에 위치한 전륜 조향각도, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, Py : 회전중심점의 y축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, Px : 회전중심점의 x축 좌표)
[수학식 4]
Figure pat00004
(θBo : 이동체의 회전방향 외측에 위치한 후륜 조향각도, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, Py : 회전중심점의 y축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, Px : 회전중심점의 x축 좌표)
또한 본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법의 상기 주행속도 보정단계에서 상기 후륜의 조향각도는 상기 이동체의 회전방향 내측에 위치한 후륜의 조향각도를 기준으로 주행속도가 보정되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법의 상기 주행속도 보정단계에서 상기 속도보정 스케일러는 아래의 수학식 5에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 5]
Figure pat00005
(S : 속도보정 스케일러, Smin : 속도보정 스케일러의 최소값, θmax : 기계적 최대 조향가능 각도, θB : 이동체의 회전방향의 내측에 위치한 후륜 조향각도, θBR : 우측 후륜 조향각도, θBL : 좌측 후륜 조향각도, θJ : 구동부에 입력된 목표 조향각도)
또한 본 발명의 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법의 상기 주행속도 보정단계에서 보정된 명령속도는 아래의 수학식 6에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 6]
Figure pat00006
(VC : 보정된 명령속도, VIN : 구동부에서 입력된 명령속도, Vt bwd : 후진 시의 속도 임계속도, Vt fwd : 전진 시의 임계속도, S : 속도보정 스케일러)
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에 의하면, 운용자가 스티어링 휠 또는 조이스틱을 이용하여 안정적이고 정밀하게 4륜 조향 이동체를 운용할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에 의하면, 운용자가 종래의 2륜 조향 이동체의 조향 감각을 기반으로 4륜 조향 이동체의 조향이 가능하여 진행 방향 예측과 제어가 수월한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에 의하면, 고속에서의 회전 시 운용자의 별도 조작 없이 현재 속도가 감소해 안정적으로 회전되도록 유도할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템의 구성을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법의 단계를 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 바퀴 위치를 2차원 좌표계에 표시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 우회전을 위해 전륜을 조향한 상태를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템이 우회전을 위해 후륜을 조향한 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 좌회전을 위해 전륜을 조향한 상태를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향시스템 및 방법에서 좌회전을 위해 후륜을 조향한 상태를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 후륜 조향에 따른 속도 보정 값의 변화를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 후륜 조향에 따라 속도가 감속되는 모습을 나타낸 그래프.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 4륜을 이용하여 이동이 가능한 이동체가 좌측 또는 우측으로 회전될 때 회전 반경 및 속도를 자동으로 제어하여 안정적으로 회전이 이루어질 수 있도록 하는 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템은 이동체(500)와, 이동체(500)의 전면 하부 양측에 각각 형성되어 회전과 조향각도 조절을 통해 이동체(500)를 이동시키는 전륜(100)과, 이동체(500)의 후면 하부 양측에 각각 형성되어 회전과 조향각도 조절을 통해 이동체(500)를 이동시키는 후륜(200)과, 이동체(500)에 형성되어 전륜(100) 또는 후륜(200)에 구동력을 제공하고 전륜(100)의 조향을 제어할 수 있도록 형성되는 구동부(300)와, 이동체(500)에 형성되어 전륜(100)의 조향각도가 최대각도로 조향되면 후륜(200)의 조향각도를 전륜(100)의 조향각도와 동일하게 반대방향으로 변경시켜 이동체(500)의 회전 중심점을 조절하는 제어부(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 제어부(400)는 전륜(100)을 통해 2륜 조향 방식으로 주행하다가 전륜(100)의 조향각도가 최대각도로 전환되면 후륜(200)을 순차적으로 구동시켜 4륜 조향 방식으로 전환되는 것을 특징으로 한다.
또한 제어부(400)는 이동체(500)가 4륜 조향 방식으로 변경된 상태에서 후륜(200)의 조향각도가 0도가 되면 2륜 조향 방식으로 전환되는 것을 특징으로 한다.
이동체(500)는 승용차, 개인형 이동수단, 무인로봇, 자동무인운반차, 중장비 차량 등으로 사용될 수 있는 것으로, 그 목적에 따라 기능 및 목적을 구현할 수 있도록 다양한 장치가 장착될 수 있도록 형성되어 있다.
이때 이동체(500)는 4개의 바퀴를 통해 자체적인 동력을 이용하여 주행이 가능한 형태로 이루어지는 것이 바람직하며, 차량과 같이 탑승한 상태로 조작하는 것과 무인로봇을 원격으로 조작하는 형태로 이루어질 수 있다.
전륜(100)은 이동체(500)의 전면 하부 양측에 한 쌍으로 형성되어 있으며, 좌측에는 좌측전륜(110)이 마련되고, 우측에는 우측전륜(120)이 마련되어 있다.
후륜(200)은 이동체(500)의 후면 하부 양측에 한 쌍으로 형성되어 있으며, 좌측에는 좌측후륜(210)이 마련되고, 우측에는 우측후륜(220)이 마련되어 있다.
이때 전륜(100)과 후륜(200)은 모두 조향각도가 조절될 수 있도록 형성되어 있으며, 보다 바람직하게는 좌측전륜(110), 우측전륜(120), 좌측후륜(210), 우측후륜(220)이 개별적으로 조향각도를 조절할 수 있으며, 이에 대한 설명은 후술하기로 한다.
구동부(300)는 이동체(500)의 종류에 따라 엔진 또는 모터를 이용하여 전륜(100) 또는 후륜(200)에 구동력을 제공하며, 가속페달 및 감속페달, 가속버튼 및 감속버튼을 포함하는 주행유닛(320)을 포함하고 있다.
구동부(300)의 주행유닛(320)을 통해 전륜(100) 또는 후륜(200)을 회전시켜 이동체(500)가 지면을 따라 주행할 수 있게 되며, 스티어링휠 또는 조이스틱을 이용한 조향유닛(310)을 이용하여 전륜(100)의 조향각도를 조절함으로써 이동체(500)의 주행 방향을 제어할 수도 있게 된다.
일반적인 상황에서는 구동부(300)의 조향유닛(310)과 주행유닛(320)을 기반으로 이동체(500)가 주행할 때 구동부(300)는 전륜(100)의 조향각도를 조절하는 2륜 조향으로 이동체(500)의 방향을 제어하도록 구성되어 있으며, 4륜 조향은 특정 조건에서 작동되도록 구성되어 있다.
제어부(400)는 이동체(500)에 형성되어 후륜(200)의 조향각도를 제어하기 위해 사용되며, 전륜(100)의 조향각도가 좌측 또는 우측 방향으로 최대각도로 조향되면 후륜(200)의 조향각도를 제어하여 4륜 조향으로 변경시키고 이동체(500)의 주행을 제어하기 위해 사용된다.
운용자가 구동부(300)에 형성된 조향유닛(310)을 이용하여 일반적인 상황에서는 2륜 조향을 기반으로 일반적인 차량 운행과 동일한 감각으로 주행할 수 있게 되는데, 이 경우 좌회전, 우회전, 유턴할 때 전륜(100)만 사용하는 경우 회전반경이 커지는 문제점이 있었다.
이와는 달리 4륜 조향의 경우 전륜(100)과 후륜(200)의 조향각도가 동시에 변화되므로 이동체(500)의 회전반경이 감소되어 좁은 구간에서도 쉽게 회전할 수 있는 장점이 있으나, 2륜 조향에 익숙한 사용자는 회전반경을 가늠하지 못해 사고가 발생되는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 제어부(400)가 사용 환경에 맞게 선택적으로 2륜 조향과 4륜 조향을 자동으로 변경하여 사용할 수 있게 되므로, 평상시에는 2륜 조향 방식으로 주행이 가능하고 특정상황에서만 4륜 조향 방식으로 변경하여 사용할 수 있게 된다.
이를 위해 제어부(400)는 조향유닛(310)의 스티어링 휠 또는 조이스틱을 이용하여 전륜(100)을 좌측 또는 우측 방향을 향해 최대각도로 조향되면 후륜(200)의 조향각도를 변경하여 4륜 조향으로 전환시킬 수 있게 된다.
이때 제어부(400)는 전륜(100)이 먼저 조향각도가 최대각도로 조향 된 후 후륜(200)이 조향되도록 제어하게 되며, 후륜(200)은 이동체(500)의 회전반경을 감소시키도록 전륜(100)의 반대방향으로 최대각도로 조향시키게 된다.
즉, 제어부(400)는 전륜(100)이 먼저 최대각도로 조향된 후 후륜(200)을 순차적으로 작동시켜 이동체(500)의 회전반경을 감소시킬 수 있게 되며, 구동부(300)의 조향유닛(310)을 통해 후륜(200)의 조향 각도도 제어할 수 있게 된다.
또한 후륜(200)의 조향각도가 좌우 중립상태인 0도에 도달하는 경우 제어부(400)는 후륜(200)이 0도 상태로 유지시켜 2륜 조향 방식으로 전환되도록 하며, 구동부(300)의 조향유닛(310)이 후륜(200)을 조향할 수 없도록 제어할 수 있게 된다.
즉, 전륜(100)이 최대각도로 전환되면 후륜(200)이 최대각도로 조향되면서 4륜 조향 방식으로 전환되고, 구동부(300)에 의해 좌회전, 우회전, 유턴이 완료되어 전륜(100)의 조향각도가 중립상태인 0도가 되면 후륜(200)도 함께 0도가 되면서 제어부(400)에 의해 잠금 상태로 유지되어 2륜 조향 방식으로 전환될 수 있게 된다.
또한 제어부(400)는 이동체(500)가 회전되는 내측 방면에 위치한 전륜(100)과 후륜(200)의 조향각도를 기반으로 이동체(500)의 회전중심점(10)을 산출하고, 회전중심점(10)을 중심으로 이동체(500)가 회전되는 외측 방면에 위치한 전륜(100)과 후륜(200)의 조향각도를 재산출 및 조정 조향하는 것을 특징으로 한다.
제어부(400)는 4륜 조향 방식으로 이동체(500)가 회전될 때 회전되는 방향의 내측 방향에 위치한 전륜(100)과 후륜(200)의 각도를 이용하여 회전중심점(10)을 계산할 수 있게 되는데, 이동체(500)가 우회전 하는 경우 우측전륜(120)과 우측후륜(220)의 조향각도, 좌회전하는 경우 좌측전륜(110)과 좌측후륜(210)의 조향각도를 기반으로 회전중심점(10)을 산출할 수 있게 된다.
회전중심점(10)이 산출되면 이동체(500)가 회전되는 외측 방면에 위치한 전륜(100)과 후륜(200)의 조향각도가 회전중심점(10)과 일치되도록 조향각도를 조절하여 전륜(100)과 후륜(200) 4개의 바퀴가 모두 회전중심점(10)을 기반으로 회전할 수 있도록 한다.
이때 이동체(500)가 우회전 하는 경우 좌측전륜(110)과 좌측후륜(210)의 조향각도, 좌회전하는 경우 우측전륜(120)과 우측후륜(220)의 조향각도를 회전중심점(10)과 일치되도록 제어부(400)가 제어하게 된다.
이러한 과정을 통해 전륜(100)과 후륜(200)의 4바퀴가 모두 회전중심점(10)과 일치되어 안정적으로 이동체(500)가 좌회전, 우회전, 유턴할 수 있게 된다.
또한 제어부(400)는 구동부(300)에서 입력되는 명령속도가 설정된 임계속도보다 높을 경우 후륜(200)의 조향각도에 따라 속도보정 스케일러를 적용하여 입력되는 명령속도보다 낮은 보정된 명령속도를 출력하여 이동체(500)의 주행속도를 감속시키는 것을 특징으로 한다.
4륜 조향으로 이동체(500)가 좌회전, 우회전, 유턴하는 경우 2륜 조향에 비해 회전반경이 감소되기 때문에 고속으로 주행하는 도중 후륜(200)이 급격히 회전할 경우 전도 또는 슬립의 가능성이 커지게 된다.
이를 방지하기 위해 제어부(400)에는 후륜(200)의 조향각도에 따라 속도를 감속할 수 있도록 속도보정 스케일러가 구비되어 있으며, 후륜(200)이 조향되어 이동체(500)가 회전될 때 운용자가 설정한 임계속도보다 구동부(300)에 의해 입력된 명령속도가 높은 경우 속도보정 스케일러를 적용하여 입력된 명령속도보다 낮은 속도로 주행하여 전도 또는 슬립이 발생되지 않도록 예방할 수 있게 된다.
이때 속도보정 스케일러의 보정 값은 운용자가 설정할 수 있으며, 후륜(200)의 조향각도가 최대각도일 때 속도보정 스케일러의 보정 값이 최대로 적용되고, 후륜(200)의 조향각도가 중립상태인 0도인 경우에는 구동부(300)에서 입력된 명령속도가 그대로 출력되도록 제어되는 것이 바람직하다.
또한 제어부(400)에는 전륜(100)과 후륜(200)의 조향각도를 측정하기 위한 전륜조향각센서(410)와 후륜조향각센서(420)가 구비되어 있는 것이 바람직하며, 이를 통해 조향유닛(310)을 통해 입력된 조향각도와 전륜(100)과 후륜(200)의 실제 조향각도를 비교할 수 있게 된다.
또한 전륜조향각센서(410)는 좌측전륜(110)과 우측전륜(120) 각각에 형성되어 있어 개별적으로 조향각도를 측정하고, 후륜조향각센서(420)는 좌측후륜(210)과 우측후륜(220)에 각각 형성되어 있어 개별적으로 조향각도를 측정할 수 있는 것이 바람직하다.
제어부(400)는 전륜(100)과 후륜(200)의 총 4개의 바퀴 각각의 조향각도를 파악할 수 있게 되며, 이를 통해 각각의 바퀴에 대한 조향각도를 제어부(400)가 개별적으로 제어하여 이동체(500)가 좌회전, 우회전, 유턴할 때 회전중심점(10)에 일치하도록 조향각도를 세밀하게 조절할 수 있게 된다.
또한 제어부(400)에는 주행속도센서(430)가 마련되어 있어 이동체(500)의 주행속도를 확인할 수 있게 되며, 이를 통해 구동부(300)에서 입력된 명령속도에 따른 현재 이동체(500)의 주행속도가 일치되는지 확인할 수 있게 된다.
이하 세부적인 내용은 첨부된 도면과 함께 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 방법의 단계를 나타낸 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 방법은 이동체(500)의 주행방향을 제어하기 위해 구동부(300)를 통해 한 쌍으로 된 전륜(100)의 조향을 조작하기 위한 조향신호를 입력하는 조향조작단계(S10)와, 조향조작단계(S10)를 통해 입력된 조향신호를 기반으로 전륜(100)의 조향각도를 제어하는 전륜조향단계(S20)와, 전륜조향단계(S20)를 통해 전륜(100)의 조향각도가 최대각도로 조향되면 한 쌍으로 된 후륜(200)의 조향각도를 전륜(100)의 조향각도와 동일하게 반대방향으로 변경시키는 후륜조향단계(S30)와, 후륜조향단계(S30) 이후 이동체(500)가 회전되는 내측 방면에 위치한 전륜(100)과 후륜(200)의 조향각도를 기반으로 이동체(500)의 회전중심점(10)을 산출하는 회전중심점 산출단계(S40)와, 회전중심점 산출단계(S40)를 통해 산출된 회전중심점(10)을 중심으로 이동체(500)가 회전되는 외측 방면에 위치한 전륜(100)과 후륜(200)의 조향각도를 산출 및 조향하는 외측 조향각도 산출단계(S50)와, 외측 조향각도 산출단계(S50) 이후에 후륜(200)의 조향각도에 따라 구동부(300)에서 입력되는 명령속도가 설정된 임계속도보다 높을 경우 속도보정 스케일러를 적용하여 입력되는 명령속도보다 낮은 보정된 명령속도를 출력하여 이동체(500)의 주행속도를 감속시키는 주행속도 보정단계(S60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
조향조작단계(S10)는 구동부(300)에 형성된 조향유닛(310)을 이용하여 전륜(100)의 조향각도를 제어하기 위한 단계이며, 한 쌍으로 된 전륜(100)은 동일한 각도로 조향되면서 이동체(500)의 주행방향을 제어할 수 있게 된다.
전륜조향단계(S20)는 제어부(400)가 조향유닛(310)의 스티어링 휠 또는 조이스틱을 통해 입력된 조향신호를 전송받아, 전륜(100)의 조향각도를 입력된 조향신호에 맞게 제어하는 단계이다.
이때 전륜(100)의 조향각도가 최대각도가 아닌 경우에는 2륜 조향 방식으로 주행되게 되며, 전륜(100)의 조향각도가 최대각도가 되는 경우 4륜 조향방식으로 전환될 수 있게 된다.
후륜조향단계(S30)는 조향조작단계(S10)에서 전륜(100)이 죄측 또는 우측 방향으로 최대각도로 조향되면 제어부(400)가 후륜(200)의 조향각도를 전륜(100)의 반대방향으로 최대각도로 변경하여 4륜 조향 방식으로 전환시키기 위한 단계이다.
제어부(400)는 4륜 조향 방식으로 변경되면 구동부(300)의 조향유닛(310)을 조작하면 전륜(100)과 후륜(200)의 조향각도를 동시에 제어할 수 있게 되며, 후륜(200)의 조향각도가 중립상태인 0도에 도달하면 제어부(400)는 2륜 조향 방식으로 변경되도록 하여 조향유닛(310)의 조작에 따라 전륜(100)만 제어되도록 변경하는 것이 바람직하다.
회전중심점 산출단계(S40)는 전륜(100)이 좌측 또는 우측 방향으로 최대각도로 조향되었을 때 후륜(200)의 조향각도가 전륜(100)의 반대방향으로 최대각도로 조향되도록 된 상태에서 이동체(500)의 회전반경을 산출하기 위한 단계이다.
여기서 회전중심점(10)은 이동체(500)가 회전되는 내측 방면에 위치한 전륜(100)과 후륜(200)의 조향각도를 기반으로 수직하게 연장되는 선이 겹쳐지는 부위를 의미하며, 회전중심점(10)을 통해 이동체(500)가 회전되는 회전중심점(10)을 좌표점을 파악할 수 있게 된다.
이때 제어부(400)는 회전중심점(10)을 산출할 때 이동체(500)가 좌회전하는 경우 좌측전륜(110)과 좌측후륜(210)을 이용하고, 우회전하는 경우 우측전륜(120)과 우측후륜(220)을 이용하게 된다.
즉, 이동체(500)가 회전되는 방향의 내측 방향에 위치된 전륜(100)과 후륜(200)을 이용하여 회전중심점(10)을 산출하게 된다.
외측 조향각도 산출단계(S50)는 제어부(400)가 이동체(500)가 회전되는 외측 방면에 위치한 전륜(100)과 후륜(200)의 조향각도를 회전중심점(10)을 기준으로 조향각도를 재산출하여, 개별적으로 조향각도를 조정하기 위한 단계로, 4개의 바퀴가 회전중심점(10)을 중심으로 동시에 회전될 수 있도록 정밀하게 제어할 수 있게 된다.
외측 조향각도 산출단계(S50)를 통해 4륜 조향 방식으로 이동체(500)가 회전될 때 회전중심점(10)을 기준으로 안정적으로 회전이 가능하므로 주행 중 발생되는 진동이나 울렁이는 증상없이 부드럽게 회전될 수 있게 된다.
주행속도 보정단계(S60)는 후륜(200)의 조향각도에 따라 구동부(300)에서 입력되는 명령속도를 감속시켜 이동체(500)가 전도 또는 슬립이 발생되지 않도록 방지하기 위해 사용되는 단계이다.
주행속도를 보정하기 위해 제어부(400)는 후륜(200)의 조향각도에 따라 속도를 감속시키기 위한 기준속도가 되는 임계속도를 설정할 수 있으며, 임계속도를 기반으로 주행유닛(320)을 통해 입력되는 명령속도가 높은 경우 제어부(400)가 입력속도에 속도보정 스케일러를 적용하여 입력되는 명령속도 대비 출력되는 속도를 감속시킬 수 있게 된다.
이때 속도보정 스케일러는 후륜(200)의 조향각도가 중립상태인 0도인 경우 입력되는 명령속도 그대로 출력되도록 하고, 조향각도가 가변될 때 후륜(200)의 조향각도에 맞춰 점짐적으로 속도보정 스케일러의 보정 값이 가변되면서 입력되는 명력속도 대비 출력되는 속도가 감소되도록 설정할 수 있게 된다.
운용자는 속도보정 스케일러가 후륜(200)의 조향각도가 최대일 때 적용되는 최소값과, 속도보정 스케일러가 적용되는 임계속도를 제어부(400)를 통해 직접 설정할 수 있는 것이 바람직하다.
이하 각 단계별로 세부적으로 회전중심점(10)을 산출하고, 외측 조향각도를 산출하며, 주행속도를 보정하는 내용을 첨부된 도면을 통해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 바퀴 위치를 2차원 좌표계에 표시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템 및 그 방법은 운용자가 스티어링 휠 또는 조이스틱으로 된 조향유닛(310)을 이용하여 조향을 할 경우 목표 조향값의 범위를 수학식 1과 같이 변환한다.
Figure pat00007
(θmax : 기계적 최대 조향가능 각도, θJ : 구동부에 입력된 목표 조향각도)
도 3과 같이 이동체(500)에 형성된 전륜(100) 또는 후륜(200)의 회전축 간 폭(W)과, 전륜(100)과 후륜(200) 사이의 길이(L)로 각각의 바퀴 위치를 2차원 평면 좌표에 원점을 중심으로 배치함으로써 2차원 평면 좌표에 배치된 각 바퀴는 고유 좌표를 가질 수 있게 된다.
이때 기계적 최대 조향각도는 스티어링 휠 또는 조이스틱을 좌측 또는 우측으로 조작했을 때 바퀴가 조향될 수 있는 최대 각도를 의미하며, 입력되는 조향의 방향의 좌측과 우측을 구분하기 위하 플러스와 마이너스로 표현한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 우회전을 위해 전륜(100)을 조향한 상태를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 우회전을 위해 후륜(200)을 조향한 상태를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템 및 그 방법의 회전중심점 산출단계(S40)에서 회전중심점(10)(Px, Py)은 아래의 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
이동체(500)가 우측으로 조향할 경우 수학식 2를 이용하여 우측전륜(120)과 우측후륜(220)의 조향각도가 계산될 수 있게 되며, 우측전륜(120)이 최대각도로 조향된 이후에 우측후륜(220)의 조향각도가 조향된다.
Figure pat00008
(θFR : 우측전륜 조향각도, θJ : 구동부에 입력된 목표 조향각도, θBR : 우측후륜 조향각도, θmax : 기계적 최대 조향가능 각도, θJ : 구동부에 입력된 목표 조향각도)
도 3에 기재된 각 바퀴의 회전축 좌표 값과, 우측전륜(120) 및 우측후륜(220) 조향각도를 이용해 4바퀴의 공통의 회전 중심점 좌표(Px, Py)를 수학식 3 및 수학식 4를 통해 구한다.
Figure pat00009
(Px : 회전중심점의 x축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, θFR : 우측전륜 조향각도, θBR : 우측후륜 조향각도)
Figure pat00010
(Py : 회전중심점의 y축 좌표, θFR : 우측전륜 조향각도, Px : 회전중심점의 x축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, L : 전륜과 후륜 사이의 길이)
여기서 우측전륜(120) 조향각도와 우측후륜(220) 조향각도는 이동체(500)가 우회전할 때 회전되는 회전반경의 내측에 위치되는 것이므로, 이동체(500)의 회전방향 내측에 위치한 전륜(100) 또는 후륜(200)의 조향각도로 명명할 수 있다.
또한 외측 조향각도 산출단계(S50)에서 조향각도는 수학식 5 및 수학식 6을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
좌측전륜(110)과 좌측후륜(210)은 각 바퀴의 좌표 값과, 4바퀴의 공통되는 회전중심점(10) 좌표 값을 이용해 각 바퀴가 공통의 점을 기준으로 회전하는 각도를 구해 출력한다.
Figure pat00011
(θFL : 좌측전륜 조향각도, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, Py : 회전중심점의 y축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, Px : 회전중심점의 x축 좌표)
Figure pat00012
(θBL : 좌측후륜 조향각도, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, Py : 회전중심점의 y축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, Px : 회전중심점의 x축 좌표)
여기서 좌측전륜(110) 조향각도와 좌측후륜(210) 조향각도는 이동체(500)가 우회전할 때 회전되는 회전반경의 외측에 위치되는 것이므로, 이동체(500)의 회전방향 외측에 위치한 전륜(100) 또는 후륜(200)의 조향각도로 적용해도 무방하다.
도 6은 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 좌회전을 위해 전륜(100)을 조향한 상태를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향시스템 및 방법에서 좌회전을 위해 후륜(200)을 조향한 상태를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 이동체(500)가 좌측으로 조향하는 경우 아래의 수학식 7과 같이 좌측전륜(110)과 좌측후륜(210)의 조향각도가 계산될 수 있게 되며, 좌측전륜(110)이 최대각도로 조향된 이후에 좌측후륜(210)의 조향각도가 조향된다.
Figure pat00013
(θFL : 좌측전륜 조향각도, θJ : 구동부에 입력된 목표 조향각도, θBL : 좌측후륜 조향각도, θmax : 기계적 최대 조향가능 각도, θJ : 구동부에 입력된 목표 조향각도)
도 3에 기재된 각 바퀴의 회전축 좌표 값과, 우측전륜(120) 및 우측후륜(220) 조향각도를 이용해 4바퀴의 공통의 회전 중심점 좌표(Px, Py)를 수학식 8 및 수학식 9를 통해 구한다.
Figure pat00014
(Px : 회전중심점(10)의 x축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, θFL : 좌측전륜 조향각도, θBL : 좌측후륜 조향각도)
Figure pat00015
(Py : 회전중심점의 y축 좌표, θFL : 좌측전륜 조향각도, Px : 회전중심점의 x축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, L : 전륜과 후륜 사이의 길이)
여기서 좌측전륜(110) 조향각도와 좌측후륜(210) 조향각도는 이동체(500)가 좌회전할 때 회전되는 회전반경의 내측에 위치되는 것이므로, 이동체(500)의 회전방향 내측에 위치한 전륜(100) 또는 후륜(200)의 조향각도로 명명할 수 있다.
좌측전륜(110)과 좌측후륜(210)은 각 바퀴의 좌표 값과, 4바퀴의 공통되는 회전중심점(10) 좌표 값을 이용해 각 바퀴가 공통의 점을 기준으로 회전하는 각도를 수학식 10 및 수학식 11을 통해 출력한다.
Figure pat00016
(θFR : 우측전륜 조향각도, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, Py : 회전중심점의 y축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, Px : 회전중심점의 x축 좌표)
Figure pat00017
(θBR : 우측후륜 조향각도, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, Py : 회전중심점의 y축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, Px : 회전중심점의 x축 좌표)
여기서 우측전륜(120) 조향각도와 우측후륜(220) 조향각도는 이동체(500)가 좌회전할 때 회전되는 회전반경의 외측에 위치되는 것이므로, 이동체(500)의 회전방향 외측에 위치한 전륜(100) 또는 후륜(200)의 조향각도로 적용해도 무방하다.
도 8은 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 후륜(200) 조향에 따른 속도 보정 값의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템 및 그 방법에서 후륜(200) 조향에 따라 속도가 감속되는 모습을 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체(500)의 안정적 회전을 위한 전륜(100)과 후륜(200)의 순차 조향 시스템 및 그 방법의 주행속도 보정단계(S60)에서 후륜(200)의 조향각도는 이동체(500)의 회전방향 내측에 위치한 후륜(200)의 조향각도를 기준으로 주행속도가 보정되는 것을 특징으로 한다.
또한 주행속도 보정단계(S60)에서 속도보정 스케일러는 아래의 수학식 12에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
4륜 조향 이동체(500)가 빠른 속도로 이동 중 후륜(200)이 급격히 회전할 경우 전도 또는 슬립 가능성이 커져 안정성이 낮아지게 되므로, 구동부(300)에 의해 입력되는 명령속도의 크기가 임계 속도 보다 높을 경우 후륜(200) 조향각도의 크기에 따라 속도보정 스케일러를 조절하여 명령 속도를 낮은 값으로 보정한다.
이때, 후륜(200) 조향각도는 우회전할 경우 우측후륜(220)의 조향각도를 사용하고, 좌회전할 경우 좌측후륜(210) 조향각도를 사용한다.
즉, 이동체(500)가 회전되는 회전방향의 내측에 위치한 후륜(200)의 조향각도를 이용한다.
Figure pat00018
(S : 속도보정 스케일러, Smin : 속도보정 스케일러의 최소값, θmax : 기계적 최대 조향가능 각도, θB : 이동체의 회전방향의 내측에 위치한 후륜 조향각도, θBR : 우측후륜 조향각도, θBL : 좌측후륜(210) 조향각도, θJ : 구동부에 입력된 목표 조향각도)
이때 속도보정 스케일러는 제어부(400)를 통해 최소값을 설정할 수 있도록 형성되어 있는데, 최소값은 후륜(200)이 최대각도로 조향되었을 때 주행속도가 최대로 감속시키기 위한 보정값을 의미한다.
또한 주행속도 보정단계(S60)에서 보정된 명령속도는 아래의 수학식 13에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00019
(VC : 보정된 명령속도, VIN : 구동부에서 입력된 명령속도, Vt bwd : 후진 시의 속도 임계속도, Vt fwd : 전진 시의 임계속도, S : 속도보정 스케일러)
이동체(500)는 주행 상황에 따라 전진 또는 후진할 수 있으며, 이로인해 4륜 조향 방식으로 전환되었을 때 전진과 후륜의 임계속도를 각각 설정할 필요가 있다.
이때 Vt fwd는 전진 시의 임계속도 값이므로 0보다 큰 양수이고, Vt bwd는 후진 시의 임계속도 값이므로 0보다 작은 음수로 설정된다.
수학식 13의 첫 번째 조건과 같이 구동부에서 입력된 명령속도가 전진 시의 임계속도보다 작고, 후진 시의 임계속도 보다 높은 경우 입력되는 명령속도 그대로 출력되도록 구동부를 제어하게 된다.
즉, 속도보정 스케일러를 사용하지 않고 입력된 명령속도를 보정된 명령속도로 사용하는 것이다.
수학식 13의 두 번째 조건과 같이, 이동체(500)가 전진하고 있을 때 입력된 명령속도가 전진 시의 임계속도 이상인 경우, 입력된 명령속도의 크기가 높은 것으로 간주하여 속도보정 스케일링을 적용하여 입력된 명령속도의 크기를 낮춘 보정된 명령속도를 출력하게 된다.
수학식 13의 세 번째 조건과 같이, 이동체(500)가 후진하고 있을 때 입력된 명령속도가 후진 시의 임계속도보다 이하인 경우, 입력되는 명령속도의 크기가 높은 것으로 간주하여 속도보정 스케일링을 적용하여 입력된 명령속도의 크기를 낮춘 보정된 명령속도를 출력하게 된다.
이를 정리하면 도 9와 같이 나타낼 수 있으며, 입력되는 명령속도의 범위는 -1~1이라 가정하고, 속도보정 스케일링(S)는 0.2, 후진 시의 임계속도(Vt bwd)는 -0.3, 전진 시의 임계속도(Vt fwd)는 0.5로 설정한 것을 일예로 나타내었다.
보정된 명령속도(VC)의 경우 0을 기준으로 양수면 전진, 음수면 후진을 의미하며, 후진의 경우 마이너스 값이 증가될수록 후진 속도가 증가되는 것을 의미한다.
도 9에서 B구간은 구동부(300)에서 입력되는 명령속도(VIN)가 후진 시의 임계속도(Vt bwd) 보다 크고, 전진 시의 임계속도(Vt fwd) 보다 낮은 상태이므로, 제어부(400)는 구동부(300)에서 입력되는 명령속도(VIN)의 보정없이 보정된 명령속도(VC)로 출력하게 된다.
A구간은 이동체(500)가 후진할 때 입력되는 명령속도(VIN)가 후진 시의 임계속도(Vt bwd) 이하인 상태이며, 이때 후진 시의 임계속도(Vt bwd)가 음수를 기준으로 하고 있으므로, 입력되는 명령속도(VIN)가 후진 시의 임계속도(Vt bwd) 이하라는 의미는 이동체(500)가 후진될 때 입력되는 명령속도(VIN)가 후진 시의 임계속도(Vt bwd)를 넘어서 고속으로 후진되고 있는 상태를 의미한다.
A구간에서 입력되는 명령속도(VIN)가 후진 시의 임계속도(Vt bwd) 이하인 경우 후진으로 고속주행을 하고 있는 상태이므로, 제어부(400)는 구동부(300)에서 입력되는 명령속도(VIN)에 보정속도 스케일러를 적용하여 출력되는 보정된 명령속도(VC)가 낮은 값을 가지도록 하여 이동체(500)의 후진 속도를 감속시킬 수 있게 된다.
즉, 운용자가 입력되는 명령속도(VIN)를 입력하더라도 보정속도 스케일러를 통해 입력되는 명령속도(VIN)보다 낮은 값의 감속된 상태의 보정된 명령속도(VC)가 출력될 수 있게 된다.
C구간은 이동체(500)가 전진할 때 입력되는 명령속도(VIN)가 전진 시의 임계속도(Vt fwd) 이상으로 전진 고속주행을 하고 있는 상태이며, 제어부(400)는 구동부(300)에서 입력되는 명령속도(VIN)에 보정속도 스케일러를 적용하여 출력되는 보정된 명령속도(VC)가 낮은 값을 가지도록 하여 이동체(500)의 전진 속도를 감속시킬 수 있게 된다.
즉, 운용자가 입력되는 명령속도(VIN)를 입력하더라도 보정속도 스케일러를 통해 입력되는 명령속도(VIN)보다 낮은 값의 감속된 상태의 보정된 명령속도(VC)가 출력될 수 있게 된다.
또한 속도보정 스케일러는 후륜(200)의 조향각도가 커질수록 점진적으로 가변되므로 후륜(200)의 조향각도가 증가될 수록 속도보정 스케일러의 보정 값도 함께 증가되면서 입력되는 명령속도 대비 보정되는 명령속도의 값이 더 낮아질 수 있게 된다.
이를 통해 4륜 조향 방식으로 이동체(500)가 고속으로 이동시키며 회전할 때 후륜(200) 조향각도에 따라 입력되는 명령속도가 낮은 값으로 스케일링 되어 이동체(500)가 안정적으로 회전할 수 있게 된다.
결과적으로 전륜(100)이 최대 각도로 조향 된 후 후륜(200)이 조향 되어 전륜(100) 조향에 익숙한 운용자가 이동체(500)의 진행 방향 예측과 제어가 수월하며, 후륜(200)이 급격하게 조향 되지 않아서 안정적인 주행이 가능하게 된다.
또한 전륜(100)을 우선으로 사용하기 때문에 후륜(200) 조향 장치나 타이어 등을 내구성이 더 낮거나 저렴함 제품을 이용하는 등으로 변경할 수 있고, 후륜(200) 조향각에 비례해 이동체(500)의 차속이 감소해 빠른 속도로 이동하거나 무거운 화물을 적재했을 때도 전도되지 않고 안정적인 회전이 가능하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템 및 그 방법에 의하면, 운용자가 스티어링 휠 또는 조이스틱을 이용하여 안정적이고 정밀하게 4륜 조향 이동체를 운용할 수 있고, 운용자가 종래의 2륜 조향 이동체의 조향 감각을 기반으로 4륜 조향 이동체의 조향이 가능하여 진행 방향 예측과 제어가 수월하며, 고속에서의 회전 시 운용자의 별도 조작 없이 현재 속도가 감소해 안정적으로 회전되도록 유도할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명은, 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.
10 : 회전중심점 100 : 전륜
110 : 좌측전륜 120 : 우측전륜
200 : 후륜 210 : 좌측후륜
220 : 우측후륜 300 : 구동부
310 : 조향유닛 320 : 주행유닛
400 : 제어부 410 : 전륜조향각센서
420 : 후륜조향각센서 430 : 주행속도센서
500 : 이동체
S10 : 조향조작단계 S20 : 전륜조향단계
S30 : 후륜조향단계 S40 : 회전중심점 산출단계
S50 : 외측 조향각도 산출단계 S60 : 주행속도 보정단계

Claims (11)

  1. 이동체와;
    상기 이동체의 전면 하부 양측에 각각 형성되어 회전과 조향각도 조절을 통해 상기 이동체를 이동시키는 전륜과;
    상기 이동체의 후면 하부 양측에 각각 형성되어 회전과 조향각도 조절을 통해 상기 이동체를 이동시키는 후륜과;
    상기 이동체에 형성되어 상기 전륜 또는 상기 후륜에 구동력을 제공하고 상기 전륜의 조향을 제어할 수 있도록 형성되는 구동부와;
    상기 이동체에 형성되어 상기 전륜의 조향각도가 최대각도로 조향되면 상기 후륜의 조향각도를 상기 전륜의 조향각도와 동일하게 반대방향으로 변경시켜 상기 이동체의 회전 중심점을 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 구동부에서 입력되는 명령속도가 설정된 임계속도보다 높을 경우 상기 후륜의 조향각도에 따라 속도보정 스케일러를 적용하여 입력되는 명령속도를 대비 상기 이동체의 주행속도를 감속시키는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 이동체가 회전되는 내측 방면에 위치한 상기 전륜과 상기 후륜의 조향각도를 기반으로 상기 이동체의 회전중심점을 산출하고,
    상기 회전중심점을 중심으로 상기 이동체가 회전되는 외측 방면에 위치한 상기 전륜과 상기 후륜의 조향각도를 재산출 및 조정하는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전륜을 통해 2륜 조향 방식으로 주행하다가 상기 전륜의 조향각도가 최대각도로 전환되면 상기 후륜을 순차적으로 구동시켜 4륜 조향 방식으로 전환되는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 이동체가 4륜 조향 방식으로 변경된 상태에서 상기 후륜의 조향각도가 0도가 되면 2륜 조향 방식으로 전환되는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 시스템.
  6. 이동체의 주행방향을 제어하기 위해 구동부를 통해 한 쌍으로 된 전륜의 조향을 조작하기 위한 조향신호를 입력하는 조향조작단계와;
    상기 조향조작단계를 통해 입력된 조향신호를 기반으로 상기 전륜의 조향각도를 제어하는 전륜조향단계와;
    상기 전륜조향단계를 통해 상기 전륜의 조향각도가 최대각도로 조향되면 한 쌍으로 된 후륜의 조향각도를 상기 전륜의 조향각도와 동일하게 반대방향으로 변경시키는 후륜조향단계와;
    상기 후륜조향단계 이후 상기 이동체가 회전되는 내측 방면에 위치한 상기 전륜과 상기 후륜의 조향각도를 기반으로 상기 이동체의 회전중심점을 산출하는 회전중심점 산출단계와;
    상기 회전중심점 산출단계를 통해 산출된 상기 회전중심점을 중심으로 상기 이동체가 회전되는 외측 방면에 위치한 상기 전륜과 상기 후륜의 조향각도를 재산출 및 조정하는 외측 조향각도 산출단계와;
    상기 외측 조향각도 산출단계 이후에 상기 후륜의 조향각도에 따라 상기 구동부에서 입력되는 명령속도가 설정된 임계속도보다 높을 경우 속도보정 스케일러를 적용하여 입력되는 명령속도 보다 낮은 보정된 명령속도를 출력하여 상기 이동체의 주행속도를 감속시키는 주행속도 보정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 회전중심점 산출단계에서
    상기 회전중심점(Px, Py)은 아래의 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법.

    [수학식 1]
    Figure pat00020

    (Px : 회전중심점의 x축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, θFi : 이동체의 회전방향 내측에 위치한 전륜 조향각도, θBi : 이동체의 회전방향 내측에 위치한 후륜 조향각도)

    [수학식 2]
    Figure pat00021

    (Py : 회전중심점의 y축 좌표, θFi : 이동체의 회전방향 내측에 위치한 전륜 조향각도, Px : 회전중심점의 x축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, L : 전륜과 후륜 사이의 길이)
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 외측 조향각도 산출단계에서
    상기 조향각도는 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법.

    [수학식 3]
    Figure pat00022

    (θFo : 이동체의 회전방향 외측에 위치한 전륜 조향각도, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, Py : 회전중심점의 y축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, Px : 회전중심점의 x축 좌표)

    [수학식 4]
    Figure pat00023

    (θBo : 이동체의 회전방향 외측에 위치한 후륜 조향각도, L : 전륜과 후륜 사이의 길이, Py : 회전중심점의 y축 좌표, W : 전륜 또는 후륜의 회전축 간 폭, Px : 회전중심점의 x축 좌표)
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 주행속도 보정단계에서
    상기 후륜의 조향각도는 상기 이동체의 회전방향 내측에 위치한 후륜의 조향각도를 기준으로 주행속도가 보정되는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 주행속도 보정단계에서
    상기 속도보정 스케일러는 아래의 수학식 5에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법.

    [수학식 5]
    Figure pat00024

    (S : 속도보정 스케일러, Smin : 속도보정 스케일러의 최소값, θmax : 기계적 최대 조향가능 각도, θB : 이동체의 회전방향의 내측에 위치한 후륜 조향각도, θBR : 우측 후륜 조향각도, θBL : 좌측 후륜 조향각도, θJ : 구동부에 입력된 목표 조향각도)
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 주행속도 보정단계에서
    상기 보정된 명령속도는 아래의 수학식 6에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는
    4륜 조향 이동체의 안정적 회전을 위한 전륜과 후륜의 순차 조향 방법.

    [수학식 6]
    Figure pat00025

    (VC : 보정된 명령속도, VIN : 구동부에서 입력된 명령속도, Vt bwd : 후진 시의 속도 임계속도, Vt fwd : 전진 시의 임계속도, S : 속도보정 스케일러)
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