KR20090030587A - 차량의 안정성 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 안정성 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로,

기존기술은 노면마찰계수, 횡방향 하중전이 등의 주행상황에 따라 크게 변하는 코너링 강성 값을 상수로 간주함에서 오는 심각한 추정 오차를 유발하며, 또한 횡G센서에 포함되는 차량 롤각 성분과 도로 횡경사각 성분을 고려하지 않았기 때문에 고속 코너링이나 횡경사가 존재하는 도로상에서는 적절한 차량 횡속도의 추정이 어렵게 되는 문제가 있었던 바,

차량의 횡방향 하중변화, 노면마찰계수 및 타이어 횡슬립에 의해 끊임없이 변화하는 전/후 코너링 강성(Cf, Cr) 변화를 추정하고, 차량 횡가속도를 계측하는 횡G센서에 오프셋으로 영향을 미치는 차량 롤모션과 도로 횡경사각을 적절히 보상하는 본 발명의 제어방법과; 횡G센서 출력과 차량 롤모션 모델을 통해 롤각을 추정하는 롤각 추정부; 횡가속도 검출부에서 검출한 차량 횡가속도와 요레이트 검출부에서 검출한 요레이트를 입력으로 하여 2자유도 차량모델을 통해 전후 타이어 횡력을 계산하는 전륜 횡력 추정부 및 후륜 횡력 추정부; 센서 기구학과 차량모델의 적절한 결합을 통해(β소거법) 적응 파라미터 추정기법을 통해 전후 코너링강성 추정하는 전륜 코너링 강성(Cf)추정부 및 후륜 코너링강성(Cr) 추정부; 전후륜 타이어 관계식과 요레이트 에러에 기반한 웨이팅함수를 사용하여 차량 횡속도를 추정하는 횡속도 추정부; 상기 횡속도 측정부에서 추정된 횡속도와 차량 횡가속도식을 사용하여 도로 횡경사각을 추정하는 도로 횡경사각 추정부;를 구비하는 본 발명의 제어 장치에 의하면 기존 기술이 적용되기 어려운 고속 코너링이나 횡경사가 존재하는 도로상에서 적절한 차량 횡속도 및 도로 횡경사각의 추정이 가능하게 되고, 언더스티어, 오버스티어 상황에서 보다 최적화된 차량 횡속도의 추정이 가능하게 되며, 거의 모든 샤시 제어시스템은 차량의 횡속도정보를 제어변수 내지는 핵심 상태변수로 간주하므로 독자 횡속(횡슬립각 beta) 추정 로직을 바탕으로 이를 이용한 많은 파생기술을 개발할 수 있게 된다.

롤각, 전후륜 횡력, 코너링 강성, 횡속도, 횡경사각

Description

차량의 안정성 제어장치 및 제어방법 {a stability control apparatus for a vehicle and the method thereof}

본 발명은 차량의 안정성 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 차량 안정성을 결정짓는 핵심 상태변수인 차량 횡속도(횡미끄럼각)와 핵심 외란인 횡경사각을 보다 정확하게 추정할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.

차량 횡속도(횡슬립각) 추정에 있어서 기존의 발명들은 한국 공개특허 제2006-16453호 및 미국 특허 제6,681,180호와 같이 부가적으로 GPS신호를 사용하거나 미국 특허 제6,745,112호, 한국 공개특허 제1999-11239호, 한국 공개특허 제2004-58623호, 한국 공개특허 제1997-40607호와 같이 고정된 차량 파라미터(예를 들면 Cf, Cr 전후 코너링강성)를 사용하고 차량 롤모션과 횡경사각효과가 보상되지 않은 차량 횡동역학모델을 사용하여 추정한다.

하지만 이러한 기존기술은 노면마찰계수, 횡방향 하중전이 등의 주행상황에 따라 크게 변하는 코너링 강성 값을 상수로 간주함에서 오는 심각한 추정 오차를 유발하며, 또한 횡G센서에 포함되는 차량 롤각 성분과 도로 횡경사각 성분을 고려하지 않았기 때문에 고속 코너링이나 횡경사가 존재하는 도로상에서는 적절한 차량 횡속도의 추정이 어려워지게 되는 문제가 있다.

즉, 상기 그림과 같이 횡경사가 존재하는 도로상에서 차량이 주행할 때에 실제의 차량 횡가속도는

이지만 계측되는 차량 횡방향 가속도는

가 되므로 보상이 필요하게 되며, 아래 그림과 같이 횡력변화에 따라 코너링 강성도 변화하게 되므로 이에 대한 고려가 필요하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 고속 코너링이나 횡경사가 존재하는 도로상에서 적절한 차량 횡속도 및 도로 횡경사각을 추정할 수 있도록 하는 차량의 안정성 제어장치 및 제어방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 차량의 횡방향 하중변화, 노면마찰계수 및 타이어 횡슬립에 의해 끊임없이 변화하는 전/후 코너링 강성(Cf, Cr) 변화를 추정하고, 차량 횡가속도를 계측하는 횡G센서에 오프셋으로 영향을 미치는 차 량 롤모션과 도로 횡경사각을 적절히 보상하는 것을 특징으로 한다.

아울러 본 발명은 전륜 횡력식, 후륜 횡력식에서 각각 2개의 차량횡속도가 추정이 되는데, 주행 상황에 따라 전륜이 미끄러지는 언더스티어인 경우에는 보다 정확한(선형관계를 유지하는) 후륜 횡력식에서 추정된 횡속도에 가중치를 주고, 반대로 후륜이 미끄러지는 오버스티어인 경우에는 전륜 횡력식에서 추정된 횡속도에 가중치를 주는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 차량의 안정성 제어장치는 롤각 추정부, 전/후륜 횡력 추정부, 전/후륜 코너링강성(Cf,Cr) 추정부, 횡속도 추정부, 도로 횡경사각 추정부로 구성된다.

즉, 본 발명의 차량의 안정성 제어장치는 횡G센서 출력과 차량 롤모션 모델을 통해 롤각을 추정하는 롤각 추정부; 횡가속도 검출부에서 검출한 차량 횡가속도와 요레이트 검출부에서 검출한 요레이트를 입력으로 하여 2자유도 차량모델을 통해 전후 타이어 횡력을 계산하는 전륜 횡력 추정부 및 후륜 횡력 추정부; 센서 기구학과 차량모델의 적절한 결합을 통해(β소거법) 적응 파라미터 추정기법을 통해 전후 코너링강성 추정하는 전륜 코너링 강성(Cf)추정부 및 후륜 코너링강성(Cr) 추정부; 전후륜 타이어 관계식과 요레이트 에러에 기반한 웨이팅함수를 사용하여 차량 횡속도를 추정하는 횡속도 추정부; 상기 횡속도 측정부에서 추정된 횡속도와 차량 횡가속도식을 사용하여 도로 횡경사각을 추정하는 도로 횡경사각 추정부;를 구비하여서 되는 것이다.

본 발명에 의하면 기존 기술이 적용되기 어려운 고속 코너링이나 횡경사가 존재하는 도로상에서 적절한 차량 횡속도 및 도로 횡경사각의 추정이 가능하게 된다.

또한 기존의 단일의 횡속값만 추정되는 추정 기술과 달리 전/후륜 타이어 횡력식에서 복수개의 횡속값이 추정되므로 ESP작동 시와 같은 언더스티어, 오버스티어 상황에서 보다 최적화된 차량 횡속도의 추정이 가능하게 되며, 거의 모든 샤시 제어시스템은 차량의 횡속도정보를 제어변수 내지는 핵심 상태변수로 간주하므로 독자 횡속(횡슬립각 beta) 추정 로직을 바탕으로 이를 이용한 많은 파생기술을 개발할 수 있게 된다.

이하 본 발명의 구체적인 기술내용을 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에는 본 발명의 차량 횡속도 추정 시스템의 구성 블록선도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 타이어 코너링 강성 (Cf, Cr) 추정 시스템 구성 블록선도가 도시되어 있다.

본 발명의 차량의 안정성 제어장치는 횡G센서 출력과 차량 롤모션 모델을 통해 롤각을 추정하는 롤각 추정부; 횡가속도 검출부에서 검출한 차량 횡가속도와 요레이트 검출부에서 검출한 요레이트를 입력으로 하여 2자유도 차량모델을 통해 전후 타이어 횡력을 계산하는 전륜 횡력 추정부 및 후륜 횡력 추정부; 센서 기구학과 차량모델의 적절한 결합을 통해(β소거법) 적응 파라미터 추정기법을 통해 전후 코너링강성 추정하는 전륜 코너링 강성(Cf)추정부 및 후륜 코너링강성(Cr) 추정부; 전후륜 타이어 관계식과 요레이트 에러에 기반한 웨이팅함수를 사용하여 차량 횡속도를 추정하는 횡속도 추정부; 상기 횡속도 측정부에서 추정된 횡속도와 차량 횡가속도식을 사용하여 도로 횡경사각을 추정하는 도로 횡경사각 추정부;를 구비하여서 되는 것이다.

본 발명은 기존 발명들의 단점을 극복하기 위해서 요레이트 에러를 줄이는 방향으로 전/후 코너링 강성을 업데이트 하는 실시간 추정기법을 사용하고, 차량 횡G센서 출력과 차량 롤 모델을 사용하여 롤각 추정기법을 사용하여 이를 보상한 차량 횡가속도 성분을 추출하며, 기 추정된 전/후 코너링 강성과 롤이 보상된 차량 횡가속도값 그리고 2자유도 차량 횡동역학 모델을 사용하여 차량 횡속도(횡슬립각)을 추정한다.

상기에서 추정된 횡속도는 노면마찰계수변화, 차량 롤모션, 도로 횡경사각에 대해 견실한 특징을 갖으며, 이것이 본 발명의 중대한 개선점이다.

또한 언더스티어 및 오버스티어 상황에서 보다 정확한 한쪽(언더인 경우 후륜, 오버인 경우 전륜)의 타이어 횡력식에서 근거한 횡속도에 가중치를 줌으로써 보다 정확한 횡속도 추정을 가능하게 한다.

추가적으로 추정된 횡속도와 횡가속도 기구학식을 사용하여 도로의 횡경사각까지 추정이 가능하다.

롤각 추정부에서는 횡G센서 출력과 차량 롤동역학 모델을 통해 롤각을 추정 하고, 롤성분이 제거된 차량 횡가속도량을 결정한다.

실제 차량 횡방향 가속도 :

계측 차량 횡방향 가속도 :

전/후륜 횡력 추정부에서는 롤성분이 제거된 차량 횡가속도와 요레이트를 입력으로 하여 2자유도 차량모델을 통해 전후 타이어 횡력을 계산한다.

전/후륜 강성 추정부에서는 센서 기구학과 차량모델의 적절한 결합을 통해(β소거법) 적응 파라미터 추정기법(요레이트에러가 줄어드는 방향으로 Cf, Cr를 적응)을 통해 전후 코너링강성을 추정한다.

즉, 타이어 횡력은 이론적으로 코너링 강성과 타이어 횡슬립각의 곱이므로 이를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

상기에서 직접 측정이 불가능한 횡슬립각을 소거(β소거법)하면 아래와 같은 식을 얻는다.

상기 코너링강성

,

을 적응규칙(adaptive law)을 이용하여 추정하기 위한 선형 파라미터 모델로 정리하면 다음과 같다.

: 센서 노이즈 제거를 위한 로우패스필터(Low-pass filter)

결국 이러한 적응규칙을 사용하면 코너링강성

,

의 추정치

,

은 다음과 같이 실시간으로 계산이 가능하게 된다.

,

> 0 : 적응 게인

횡속도 추정부에서는 전륜 횡력식과 후륜 횡력식에서 각각 차량 횡속도가 추정이 되는데 횡력식 자체가 선형관계식에 기반하므로 타이어 횡슬립각이 작은 영역에서 보다 정확한 특징을 갖는다.

전륜 횡력식 기반 횡속도 :

후륜 횡력식 기반 횡속도 :

따라서 언더스티어와 같이 전륜 타이어의 횡슬립각이 큰 경우에는 상대적으로 정확한 후륜 횡력식에서 추출한 차량 횡속도에 가중치를 주고, 반대로 오버스티어와 같이 후륜 타이어의 횡슬립각이 큰 경우에는 상대적으로 정확한 전륜 횡력식에서 추출한 차량 횡속도에 가중치를 준다.

횡경사각 추정부에서는 추정된 횡속도를 로우패스 필터링과 미분기를 통해 미분치를 구하고 차량 횡가속도식을 사용하여 도로 횡경사각을 추정한다.

도 3에는 본 발명에 의한 차량 롤각(Roll Angle) 추정 실험 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명에 의한 차량 횡경사각(Road Bank Angle) 추정 실험 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명에 의한 차량 횡속도 추정 실험 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있는 바, 도 3 내지 도 5까지와 같이 본 발명에 의한 차량 롤각 및 횡경사각, 횡속도의 추정치는 실측치와 거의 다름이 없음을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 차량 횡속도 추정 시스템의 구성 블록선도

도 2는 본 발명의 타이어 코너링 강성 (Cf, Cr) 추정 시스템 구성 블록선도

도 3은 본 발명에 의한 차량 롤각(Roll Angle) 추정 실험 결과를 나타낸 그래프

도 4는 본 발명에 의한 차량 횡경사각(Road Bank Angle) 추정 실험 결과를 나타낸 그래프

도 5는 본 발명에 의한 차량 횡속도 추정 실험 결과를 나타낸 그래프

Claims (4)

1. 횡G센서 출력과 차량 롤모션 모델을 통해 롤각을 추정하는 롤각 추정부; 횡가속도 검출부에서 검출한 차량 횡가속도와 요레이트 검출부에서 검출한 요레이트를 입력으로 하여 2자유도 차량모델을 통해 전후 타이어 횡력을 계산하는 전륜 횡력 추정부 및 후륜 횡력 추정부; 센서 기구학과 차량모델의 적절한 결합을 통해(β소거법) 적응 파라미터 추정기법을 통해 전후 코너링강성 추정하는 전륜 코너링 강성(Cf)추정부 및 후륜 코너링강성(Cr) 추정부; 전후륜 타이어 관계식과 요레이트 에러에 기반한 웨이팅함수를 사용하여 차량 횡속도를 추정하는 횡속도 추정부; 상기 횡속도 측정부에서 추정된 횡속도와 차량 횡가속도식을 사용하여 도로 횡경사각을 추정하는 도로 횡경사각 추정부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어장치.
2. 차량의 횡방향 하중변화, 노면마찰계수 및 타이어 횡슬립에 의해 끊임없이 변화하는 전/후 코너링 강성(Cf, Cr) 변화를 추정하고, 차량 횡가속도를 계측하는 횡G센서에 오프셋으로 영향을 미치는 차량 롤모션과 도로 횡경사각을 적절히 보상하는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어방법.
3. 제2항에 있어서, 요레이트 에러를 줄이는 방향으로 전/후 코너링 강성을 업데이트 하는 실시간 추정기법을 사용하고, 차량 횡G센서 출력과 차량 롤 모델을 사용하여 롤각 추정기법을 사용하여 이를 보상한 차량 횡가속도 성분을 추출하며, 기 추정된 전/후 코너링 강성과 롤이 보상된 차량 횡가속도값 그리고 2자유도 차량 횡동역학 모델을 사용하여 차량 횡속도를 추정하는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어방법.
4. 제2항에 있어서, 언더스티어 및 오버스티어 상황에서 보다 정확한 한쪽의 타이어 횡력식에서 근거한 횡속도에 가중치를 주는 것을 특징으로 하는 차량의 안정성 제어방법.

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