KR100402783B1 - A Method for Determining Torque Applied to Vehicle Dynamic Analysis - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차량 동력학 해석에 적용되는 조향 토크결정방법에 관한 것으로, 종래에 차량의 조종 안정성 해석을 위한 동력학 해석에서 있어서, 조향 시스템에 조향입력을 직접적으로 작용시키는 종래의 방법은 차선 변경과 같은 급격한 천이 구간에서 주어진 경로를 따라 차량을 주행시킨다는 것이 실제로 곤란하고 그 오류의 보정이 매우 어렵다는 문제점이 있었다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a steering torque determination method applied to vehicle dynamics analysis. In the conventional dynamics analysis for steering stability analysis of a vehicle, a conventional method of directly applying a steering input to a steering system is a sudden change such as lane change. There is a problem in that it is actually difficult to drive the vehicle along a given path in the transition section and correction of the error is very difficult.
이에 본 발명은 비례-적분-미분제어기를 통해 차량진행의 목표좌표로부터 조향 토크를 결정하여 차량 주행시 이탈오차를 최소화하기 위한 조향 토크를 결정한 것으로, 동력학 해석수단의 입력요소인 명령궤적과 오차연산 기준점(X,Y)으로부터 이 오차연산 기준점의 오차비교좌표(Y)를 증폭기(10)에서 증폭하여 횡방좌표(X)와 합으로 이에 의한 제1조향토크를 결정하는 1단계: 이 제1조향토크로부터 비례증폭기(P)를 거처 설정된 게인량에 의해 1차 제2조향토크를 결정하고, 적분기(14)와 적분증폭기(I)를 거쳐 설정된 게인량에 의해 2차 제2조향토크를 결정함과 더불어, 임의의 샘플속도에 의한 지연요소(16)에 따라 미분증폭기(D)를 거쳐 설정된 게인량에 의해 3차 제2조향토크를 결정하여, 이 1,2,3차 제2조향토크의 합산으로 조향구동조건으로 적용되는 제3차 조향토크를 결정하는 2단계로 이루어진 것이다.Accordingly, the present invention is to determine the steering torque for minimizing the deviation error when driving the vehicle by determining the steering torque from the target coordinates of the vehicle progress through the proportional-integral-differential controller, the command trace and error calculation reference point which are input elements of the dynamic analysis means Step 1: amplifying the error comparison coordinate (Y) of this error calculation reference point from (X, Y) by the amplifier 10 and determining the first steering torque by adding it to the abscissa (X): this first steering torque From the proportional amplifier (P) to determine the primary second steering torque by the gain set, and through the integrator 14 and the integral amplifier (I) to determine the secondary second steering torque and In addition, the 3rd second steering torque is determined by the gain amount set through the differential amplifier D according to the delay element 16 by the arbitrary sample rate, and the 1, 2, 3rd second steering torque is summed. Third adjustment applied under steering driving conditions It is composed of two steps to determine the scent torque.
Description
본 발명은 차량 동력학 해석에 적용되는 조향 토크결정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비례-적분-미분제어기를 통해 차량진행의 목표좌표로부터 조향 토크를 결정하여 차량 주행시 이탈오차를 최소화하기 위한 차선변경 시뮬레이션이 수행되도록 하는 차량 동력학 해석에 적용되는 조향 토크결정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a steering torque determination method applied to vehicle dynamics analysis, and more particularly, a lane change for minimizing a deviation error when driving a vehicle by determining steering torque from a target coordinate of vehicle progress through a proportional-integral-differential controller. A steering torque determination method applied to vehicle dynamics analysis in which a simulation is performed.
일반적으로 차량의 성능은 기계집합체로서의 차량의 각종 기능을 의미하며, 동력성능과 제동성능, 그리고 조종 안정성능과 승차성능으로 구분된다.In general, the performance of the vehicle means various functions of the vehicle as a mechanical assembly, and is classified into power performance, braking performance, steering stability performance and riding performance.
이중 조종 안정성능은 조정안정성과 거동시의 운동성, 선회성능 등이 관찰대상인데, 이 조종 안정성의 대상이 되는 운동은 조향에 의해 발생되고, 반대로 조향에 의해 운동이 제어된다.The dual steering stability performances are observed in terms of coordination stability, movement motility and turning performance. The movements that are the targets of the steering stability are generated by steering, and the motion is controlled by steering.
이러한 조종 안정성의 연구는 차량 동력학 해석을 통해 수행되는게 대부분이며, 차량 동력학 해석을 통한 조종 안정성의 연구 목적 중의 하나는 제어하기 쉬운 차량을 설계하는 데 있다.Most of these studies of steering stability are carried out through vehicle dynamics analysis, and one of the objectives of the study of steering stability through vehicle dynamics analysis is to design a vehicle that is easy to control.
즉, 일반적으로 차량의 동특성에 연양을 끼치는 변수들은 무수히 많으므로, 이 변수들에 의한 차량 동력학 해석을 통해 최적의 동특성을 얻기 위한 각 부품의 설계와 배치가 진행되고 있다.In other words, in general, there are a lot of variables that affect the dynamic characteristics of the vehicle, and thus, the design and arrangement of each component is progressing to obtain the optimum dynamic characteristics through the vehicle dynamics analysis by these variables.
따라서, 차량의 동력학해석을 통해 시행착오의 오류를 최소화하면서, 최단시간에 차량개발을 꾀할수 있는 것이다.Therefore, the vehicle development can be made in the shortest time while minimizing the error of trial and error through the dynamic analysis of the vehicle.
여기서, 조종 안정성의 해석시 사람에 제어되는 차량의 제어 용이성에 대해서는 차량 자체의 고유한 응답 파라미터들과 제어자 자신의 주관적 평가관계에 대한 기술적인 수단들이 적용된다.Here, for the controllability of the vehicle controlled by a person in the analysis of the steering stability, technical means for the inherent response parameters of the vehicle itself and the subjective evaluation relationship of the controller itself are applied.
그런데, 종래의 조정 안정성 해석은 데이타에서 정보화까지에 있어, 오류와 시행착오가 무수히 발생하고 있다는 문제점이 있었다.By the way, the conventional adjustment stability analysis has a problem that countless errors and trial and error occur from data to informatization.
이것은 조향 시스템에 조향입력을 직접적으로 작용시키는 기존의 방법으로는 차선 변경과 같은 급격한 천이 구간에서 주어진 경로를 따라 차량을 주행시킨다는 것이 실제로 곤란하고 그 오류의 보정이 매우 어려운 일이기 때문이다.This is because the existing method of directly applying the steering input to the steering system is actually difficult to drive the vehicle along a given path in a sudden transition section such as a lane change, and it is very difficult to correct the error.
좀더 상세히 설명하면, 차량의 조향 시스템은 주지된 바와 같이 랙-피니언 방식과 볼-너트 방식으로 구분되어지며, J-선회 및 차선변경 해석을 수행하기 위하여는 조향 시스템에 따라 각각 상대변위와 각도를 입력하게 된다.In more detail, the steering system of the vehicle is divided into a rack-pinion method and a ball-nut method, as is well known. In order to perform J-turning and lane change analysis, the relative displacement and angle are respectively determined according to the steering system. Will be entered.
즉, 예시도면 도 1 에서와 같이 기존에는 J-선회 및 차선 변경과 같은 차량 동력학 해석의 경우 각 차량별로 실차 시험과 동일한 주행경로를 따를 것으로 판단되는 정현파 조향 입력을 조향휠의 회전조건으로 하는 시뮬레이션을 수행하여 차선 이행성을 검토한 후 만족, 불만족 여부에 따라 반복 수행하는 방법을 채택하고 있는 것이다.That is, as shown in FIG. 1, in the conventional case of the vehicle dynamics analysis such as J-turning and lane change, a simulation is performed using the sinusoidal steering input, which is determined to follow the same driving path as the actual vehicle test, for each vehicle as the rotation condition of the steering wheel. After reviewing the subcommittee's performance, the method is repeated according to the satisfaction or dissatisfaction.
그러나, 조향 시스템에 조향 입력을 직접적으로 작용시키는 기존의 방법으로 차선 변경과 같은 급격한 천이구간에서 주어진 경로를 따라 차량을 주행시킨다는 것은 매우 어려운 일이 아닐 수 없다.However, it is very difficult to drive a vehicle along a given path in a sudden transition section such as a lane change by the conventional method of directly applying a steering input to a steering system.
그 이유는 노면과 타이어 사이에서 마찰에 의한 미끄럼이 발생함을 무시할 수 없고, 이에 의해 미끄럼이 발생하여 주어진 경로를 이탈하였을 때 이탈 오차를 보상해야 하기 때문이다.The reason is that the slippage caused by friction between the road surface and the tire cannot be ignored, and thus the slippage error must be compensated for when the slippage occurs and leaves the given path.
따라서, 현재의 조향 입력방식에 의한 J-선회 및 차선 변경해석은 다수의 문제점을 내포하고 있는 것이다.Therefore, the J-turn and lane change analysis by the current steering input method has a number of problems.
먼저, 차량 주행시험시 과도한 인력과 시간이 소요되며, 정확한 차선 변경이어렵고, 해석시 조향 휠 회전 입력의 오류가능성이 높으며, 해석시 차선 변경을 위한 튜닝시간이 증가되었다.First, excessive manpower and time are required in the vehicle driving test, it is difficult to accurately change lanes, the error probability of steering wheel rotation input is high during analysis, and the tuning time for lane change during analysis is increased.
또한, 시험과 해석결과의 상관관계 파악이 난이하며, 해석결과 분석및 민감도 분석이 어려웠던 것이다.In addition, it was difficult to find the correlation between the test and the analysis result, and the analysis result and the sensitivity analysis were difficult.
이에 본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 비례-적분-미분제어기를 통해 차량진행의 목표좌표로부터 조향 토크를 결정하여 차량 주행시 이탈오차를 최소화하기 위한 차선변경 시뮬레이션이 수행되도록 하는 차량 동력학 해석에 적용되는 조향 토크결정방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the vehicle dynamics to determine the steering torque from the target coordinates of the vehicle progress through the proportional-integral-differential controller to minimize the deviation error during driving of the vehicle The purpose is to provide a steering torque determination method applied to the analysis.
도 1 은 종래 조향 토크결정방법을 나타낸 개념도,1 is a conceptual diagram showing a conventional steering torque determination method,
도 2 는 본 발명에 따른 조향 토크결정방법을 설명하기 위한 차량 거동상태의 개념도,2 is a conceptual diagram of a vehicle behavior state for explaining a steering torque determination method according to the present invention;
도 3 은 본 발명에 따른 조향 토크결정방법을 나타낸 비례-적분-미분 제어기의 개념도이다.3 is a conceptual diagram of a proportional-integral-derivative controller showing a steering torque determination method according to the present invention.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 --Explanation of symbols for the main parts of the drawings-
10 - 증폭기, 12,18,20 - 합산기,10-amplifier, 12,18,20-summer,
14 - 적분기, 16 - 지연요소,14-integrator, 16-delay factor,
I - 적분증폭기, P - 비례증폭기,I-integral amplifier, P-proportional amplifier,
D - 미분증폭기.D-differential amplifier.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. . Other objects, features, and operational advantages, including the purpose, working effects, and the like of the present invention will become more apparent from the description of the preferred embodiment.
참고로 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.For reference, the embodiments disclosed herein are only presented by selecting the most preferred examples to help those skilled in the art from the various possible examples, the technical spirit of the present invention is not necessarily limited or limited only by this embodiment, Various changes and modifications are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention, as well as other equivalent embodiments will be found.
예시도면 도 2 는 본 발명을 설명하기 위한 개념도이고, 예시도면 도 3 은 본 발명에 따른 차량 동력학 해석에 적용되는 조향 토크결정방법을 나타낸 설명도이다.Exemplary Drawing FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the present invention, and FIG. 3 is an explanatory diagram showing a steering torque determination method applied to vehicle dynamics analysis according to the present invention.
본 발명은 동력학 해석수단의 입력요소인 명령궤적과 오차연산 기준점(X,Y)으로부터 이 오차연산 기준점의 오차비교 좌표(Y)를 증폭기(10)에서 증폭하여 횡방좌표(X)와 합으로 이에 의한 제1조향토크를 결정하는 1단계:The present invention amplifies the error comparison coordinates (Y) of the error calculation reference point from the command trajectory and the error calculation reference point (X, Y), which are input elements of the dynamic analysis means, and adds them to the horizontal coordinate (X). Step 1 to determine the first steering torque by:
이 제1조향 토크로부터 비례증폭기(P)를 거처 설정된 게인량에 의해 1차 제2조향 토크를 결정하고, 적분기(14)와 적분증폭기(I)를 거쳐 설정된 게인량에 의해 2차 제2조향 토크를 결정함과 더불어, 임의의 샘플속도에 의한 지연요소(16)에 따라 미분증폭기(D)를 거쳐 설정된 게인량에 의해 3차 제2조향 토크를 결정하여, 이 1,2,3차 제2조향 토크의 합산으로 조향구동조건으로 적용되는 제3차 조향토크를 결정하는하는 2단계로 이루어진 차량 동력학 해석에 적용되는 조향토크 결정방법이다.From the first steering torque, the primary second steering torque is determined by the gain amount set through the proportional amplifier P, and the secondary second steering is determined by the gain amount set through the integrator 14 and the integral amplifier I. In addition to determining the torque, the third and second third steering torques are determined by the gain amount set through the differential amplifier D according to the delay element 16 at an arbitrary sample rate. Steering torque determination method applied to vehicle dynamics analysis consisting of two stages to determine the third steering torque applied to steering driving condition by adding two steering torques.
상술된 바와 같이 본 발명은 비례-적분-미분 제어기를 통해 이탈오차를 최소화하기 위한 조향토크를 결정하는 방법을 제공한다.As described above, the present invention provides a method for determining steering torque for minimizing deviation error through a proportional-integral-derived controller.
이를 위해, 본 발명은 조향계와 차량의 진행시 명령궤적을 주요인수로 포함하는 동력학 해석수단으로부터 목표좌표에 따라 산출된 조향토크를 비례-적분-미분제어기를 통해 최종적으로 산출하게 된다.To this end, the present invention finally calculates the steering torque calculated according to the target coordinates from the dynamic analysis means including the command trace as the main argument of the steering system and the vehicle through the proportional-integral-differential controller.
예시도면 도 2 와 같은 대형버스를 예로 들면, 우선 다물체 동력학 모델링의 경우 범용의 동력학 해석수단인 DADS(Dynamic Analysis and Design System)를 이용하여 조향계, 전후륜 현가계와 차체로 이루어진 차량모델을 결정한다.For example, in the case of a large-scale bus such as FIG. 2, first, in the case of multi-body dynamics modeling, a vehicle model composed of a steering system, front and rear suspension systems, and a vehicle body using a dynamic analysis and design system (DADS), which is a general-purpose dynamic analysis means, is used. Decide
즉, 다물체 동력학 모델링의 일례로 공기스프링 장착 4링크식 차축 현가장치가 탑재된 대형버스를 적용 대상차량으로 선정하면, 대형버스의 전후륜 현가장치는 제동력과 구동력을 담당하는 2개의 로어링크 및 1개의 어퍼링크, 횡방향 하중을 담당하기 위한 팬하드로드, 롤운동을 제어하기 위한 안티롤바, 그리고 공차에서 적차까지의 하중 변화에 따른 일정 차량 자세유지 및 승차감 향상을 위한 공기스프링으로 이루어져 있다.That is, as an example of multi-body dynamics modeling, if a large bus equipped with an air spring-equipped four-link axle suspension is selected as the applicable vehicle, the front and rear wheel suspensions of the large bus will be provided with two lower links that are responsible for braking and driving forces. It consists of one upper link, fan hard rod for lateral load, anti-roll bar for controlling roll movement, and air spring for maintaining constant vehicle posture and riding comfort according to load change from tolerance to loading. .
또한, 조향계는 스티어링 상부와 하부칼럼, 기어박스, 피트먼암, 전후의 드래그 링크, 그리고 아이들어 아암으로 이루어져 있으며 기어비는 20.5:1로 선정되었다.The steering system also consists of a steering top and bottom columns, a gearbox, a Pitman arm, front and rear drag links, and an idler arm with a gear ratio of 20.5: 1.
결과적으로는 상기와 같은 대형버스의 전체차량 모델은 총 44개의 강체, 7개의 원통 조인트, 9개의 회전조인트, 3개의 구면조인트, 7개의 만능조인트, 39개의 부싱, 6개의 스프링 및 댐퍼이고, 초기 속도조건 26 개, 조향 구동 조건 1개, 상대 회전 조건 1개로 이루어지며, 전체 자유도 수는 126개이다.As a result, the total vehicle model of such a large bus is a total of 44 rigid bodies, seven cylindrical joints, nine rotary joints, three spherical joints, seven universal joints, 39 bushings, six springs and a damper. It consists of 26 speed conditions, 1 steering drive condition and 1 relative rotation condition, and the total number of degrees of freedom is 126.
한편, 차량이 주어진 경로인 명령궤적을 따르도록 하기 위한 위치 제어는 일반적으로 차량의 무게중심(CG)에서 일정 거리 떨어진 위치(A)에서 수행되며, 이 위치가 오차연산기준점(X,Y)가 된다.On the other hand, the position control for causing the vehicle to follow the command trajectory, which is a given path, is generally performed at a position A away from the center of gravity CG of the vehicle, and this position is the error calculation reference point (X, Y). do.
이는 마치 운전자가 전방을 주시하면서 차량을 어떻게 운전할 것인지 미리 정보를 얻는 것과 비슷하다.It's like getting a driver to look ahead and get information on how to drive the vehicle.
즉, 오차연산기준점(X,Y)의 오차비교좌표(Y), 횡방좌표(X), 롤레이트와 요레이트 그리고 차량의 속도를 고려하여 이탈 오차를 최소화하기 위한 설계방안 중 중요한 요소인 조향토크를 비례-적분-미분제어기를 통해 얻을 수 있는 것이다.That is, steering torque, which is an important factor among design methods for minimizing the deviation error in consideration of the error comparison coordinate (Y), the abscissa (X), the roll rate and yaw rate, and the speed of the vehicle Can be obtained through the proportional-integral-derivative controller.
따라서, 오차연산기준점(X,Y)은 비례-적분-미분 제어기의 주요 입력함수가 되며, 이 초기 입력함수로부터 시작되는 비례-적분-미분 제어기의 흐름을 설명하면, 오차비교좌표(Y)는 증폭기(10)를 거쳐 그 게인량 만큼 증폭된 다음 횡방좌표(X)와 합산기(12)에서 합산된다.Therefore, the error operation reference point (X, Y) becomes the main input function of the proportional-integral-derivative controller, and when explaining the flow of the proportional-integral-differential controller starting from this initial input function, the error comparison coordinate (Y) is It is amplified by the gain amount via the amplifier 10 and then summed in the abscissa X and the summer 12.
여기에서, 제1조향토크가 결정되며, 이것은 비례증폭기(P)의 게인량 만큼 증폭되어 1차 제2조향토크로 변환된다.Here, the first steering torque is determined, which is amplified by the gain amount of the proportional amplifier P and converted into the primary second steering torque.
이와 더불어, 상기 제1조향토크는 적분기(14)와 적분증폭기(I) 및 지연요소(16)와 미분증폭기(D)를 거친다.In addition, the first steering torque passes through the integrator 14, the integral amplifier I, the delay element 16, and the differential amplifier D.
즉, 제1조향토크는 적분기(14)를 거쳐 적분증폭기(I)의 게인량 만큼 증폭되어 2차 제2조향토크로 변환되며, 다른 한편으로 임의의 샘플속도만큼의 지연요소(16)를 거친 결과치와 합산기(18)에서 합산된 후 미분증폭기(D)의 게인량 만큼 증폭되어 3차 제2조향토크로 변환되는 것이다.That is, the first steering torque is amplified by the gain amount of the integral amplifier I through the integrator 14 and converted into the second secondary steering torque, and on the other hand, passes through the delay element 16 at an arbitrary sample rate. The resultant is summed in the summer 18 and then amplified by the gain of the differential amplifier D and converted into third order steering torque.
마지막으로, 상기 1,2,3차 제2조향토크는 합산기(20)에서 합산되어 제3조향토크가 결정되고, 이것이 스티어링 상부컬럼과 차체 사이의 회전조인트에 조향 구동조건으로 적용되는 것이다.Finally, the first and second third and second steering torques are summed in the summer 20 to determine the third steering torque, which is applied to the steering joint between the steering upper column and the vehicle body as steering driving conditions.
따라서, 차선 변경 또는 J-선회시 주어진 경로가 결정되고 상기 비례-적분-미분 제어기가 전체 차량 모델에 적용되면 비례 게인, 적분 게인, 미분 게인, 샘플 속도, 그리고 목표좌표를 조정하여 급격한 천이구간에서 차량의 동특성이 쉽고 정확하게 파악되는 것이다.Therefore, if a given path is determined during lane change or J-turn and the proportional-integral-derivative controller is applied to the entire vehicle model, the proportional gain, integral gain, derivative gain, sample rate, and target coordinates are adjusted in a sharp transition period. The dynamics of the vehicle can be identified easily and accurately.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 비례-적분-미분 제어기를 통해 차량모델의 조종 안정성 해석시 조향 입력에 있어 비례-적분-미분의 게인값의 변경으로 해석이 용이하다.According to the present invention as described above, it is easy to analyze by changing the gain value of the proportional-integral- derivative in the steering input when analyzing the steering stability of the vehicle model through the proportional-integral-derivative controller.
또한, 전체 차량 모델의 조종 안정성 해석시 조향입력을 위해서는 시험을 통한 조향 입력 데이터 확보가 필수적이지만 비례-적분-미분 제어기를 이용하면 인력과 시간의 절감된다.In addition, it is essential to secure steering input data through the test for steering input in the steering stability analysis of all vehicle models. However, the proportional-integral-differential controller saves manpower and time.
이와 더불어, 샤시부 부품의 위치 및 특성 변경에 따른 사전 검토가 가능하므로 재료원가절감에 이바지 되는 효과가 있다.In addition, since the preliminary examination is possible in accordance with the change of the position and the characteristics of the chassis parts, the material cost is reduced.
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