KR101103528B1 - 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법 - Google Patents

차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 안정성 제어시스템에서 차량 안정성 판단기준인 선회속도(Yaw rate)를 제한하기 위한 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법에 관한 것으로, 차량의 센서를 통해 얻어진 차량운동량과 추정을 통해 얻어진 노면상태 등을 이용하여 차륜을 제어함으로서 차량의 선회속도를 안정되게 제한하는데 그 목적이 있다.
이를 위해 본 발명은, 차량 안정성 제어시스템에서 선회속도를 제한하기 위한 방법에 있어서, 차량의 센서로부터 측정된 조향각과 차속으로부터 운전자가 원하는 선회속도의 안정 기준값을 설정하고, 측정된 횡가속도의 크기에 따라 노면조건을 판단하고, 설정된 안정 기준값과 노면조건에 따라 선회속도의 제한시기와 제한크기를 결정하고, 결정된 선회속도 제한시기와 제한크기에 따라 구동력 또는 제동력을 제어하여 차량 안정성을 확보하는 것이다.

Description

차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법{Method for controlling Yaw rate of Electronic Stability Program}
도 1은 차량의 선회주행 시 오버스티어 상황을 도시한 개념도,
도 2는 차량의 선회주행 시 언더스티어 상황을 도시한 개념도,
도 3은 차량의 선회주행 시 오버스티어와 언더스티어 거동이 복합적으로 나타나는 상황을 도시한 개념도,
도 4는 본 발명에 의한 차량 안정성 제어시스템의 구성 블록도,
도 5는 본 발명에 의한 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법의 동작 흐름도,
도 6은 본 발명에 의한 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제한 진입조건을 나타낸 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 조향각센서 20 : 차속센서
30 : 선회속도센서 40 : 횡가속도센서
60 : ESP 제어기 61 : 기준운동량 설정부
62 : 차량운동량 측정부 63 : 운동량오차 산출부
64 : 노면판단부 65 : 언더스티어/오버스티어 결정부
66 : 언더스티어/오버스티어 제어부 70 : 브레이크 제어부
80 : 엔진 제어부
본 발명은 차량 안정성 제어시스템에서 차량 안정성 판단기준인 선회속도(Yaw rate)를 제한하기 위한 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 전자제어시스템은 차량의 슬립현상을 효율적으로 방지하여 강력하고 안정된 제동력을 얻기 위한 것으로, 제동 시 휠의 미끄러짐을 방지하는 안티록 브레이크 시스템(Anti-Lock Brake System;이하, ABS라 한다)과, 차량의 급발진 또는 급가속시 구동 휠의 슬립을 방지하는 트랙션 제어시스템(Traction Control System;이하, TCS라 한다)과, ABS와 TCS를 조합하여 브레이크 액압을 제어함으로써 차량의 주행 안정성을 향상시켜주는 차량 안정성 제어시스템(Electronic Stability Program) 등이 개시되어 있다.
이중에서, 차량 안정성 제어시스템은 기본적으로 차량의 요 거동을 제어하기 위한 것으로, 차량의 선회주행 시 타이어의 접촉한계에 이르는 위험한 운전상황에서 브레이크와 엔진을 제어하여 운전자가 원하는 궤적으로 선회가 가능하도록 유도해주는 장치이다.
보통, 차량이 선회 주행하는 경우 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 차량이 안정된 선회궤적을 기준으로 안쪽으로 말려드는 스핀 아웃(Spin out)인 오버스티어(Over steer)나, 이와 반대로 바깥쪽으로 밀려나가는 드리프트 아웃(Drift out)인 언더스티어가 발생하여 차량의 안정성을 해치게 된다.
이를 방지하기 위해 차량 안정성 제어시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 차량의 회전반경이 급격히 작아지면서 운전자가 원하는 궤적에 비해 차량이 안쪽으로 말려들어 스핀되는 오버스티어 시 전륜 외측 휠에 제동력을 가하여 차량의 바깥쪽으로 작용하는 보상 모멘트를 생성시킴으로서 차량이 주행궤적에서 안쪽으로 치우치는 것을 방지하며, 이와 반대로 도 2에 도시한 바와 같이, 차량의 회전반경이 커지면서 차량이 운전자가 원하는 궤적의 바깥쪽으로 밀려나가는 언더스티어 시 후륜 내측 휠에 제동력을 가하여 차량의 안쪽으로 작용하는 보상 모멘트를 생성시킴으로써 차량이 원하는 궤적에서 바깥쪽으로 밀려나가는 것을 방지하여 차량의 궤적을 안정한 상태로 유지시켜 준다.
이와 같이, 차량 안정성 제어시스템은 선회하는 차량의 안정성을 확보하기 위하여 현재 주행 중인 차량이 안정된 궤적을 그리고 있는지 또는 오버스티어인지 언더스티어인지를 판단하는 것이 매우 중요하다.
따라서 종래에는 운전자의 조향입력과 차량의 주행속도를 입력값으로 하는 기준 차량모델(Yaw Rate)을 만들어 차량모델로부터 얻어진 값을 선회속도센서로부터 측정되는 선회속도 값과 비교하여 오버스티어와 언더스티어 상황을 판단하고 있다.
그런데, 이러한 종래 차량 안정성 제어방법은 고마찰 노면의 경우 차량모델 을 이용하여 이러한 상황을 판단하는 것이 비교적 용이하지만, 저마찰 노면의 경우에는 노면 한계 마진이 고마찰 노면 대비 매우 작아지기 때문에 도 3에 도시한 바와 같이 오버스티어 거동과 언더스티어 거동이 복합적으로 나타나게 되어 기존 선회속도 모델만으로는 차량의 상황을 정확히 판단하기 어려워 적절한 제어가 불가능하게 된다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 센서를 통해 얻어진 차량운동량과 추정을 통해 얻어진 노면상태 등을 이용하여 차륜을 제어함으로서 차량의 선회속도를 안정되게 제한하는 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 저마찰 노면의 경우 차량모델 외에 차체 미끄럼각 정보를 이용하여 차량 상황을 보다 정확히 판단함으로서 노면 조건과 운전자 의지에 따라 선회속도를 차별적으로 적용하는 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 차량 안정성 제어시스템에서 선회속도를 제어하는 방법에 있어서, 차량의 움직임 정보를 감지하는 다수의 센서로부터 측정값을 읽어 들여 실제 차량운동량을 측정하는 단계; 차량의 센서로부터 측정된 조향각과 차속으로부터 운전자가 원하는 안정 기준값을 설정하는 단계; 측정된 차량운동량과 설정된 안정 기준값을 비교하여 상기 차량운동량이 안정 기준값보다 큰 경우 측정된 횡가속도의 크기에 따라 노면마찰계수와 미끄럼각을 판단하는 단계; 및 판단된 노면마찰계수와 미끄럼각에 따라 선회속도 제한시기와 제한크기를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 안정 기준값은 조향각과 차속으로부터 결정되는 선회속도인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 선회속도 제한시기와 제한크기를 결정하는 단계는, 상기 안정 기준값과 노면마찰계수와 미끄럼각에 따라 선회속도의 제한시기와 제한크기를 다르게 적용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은 차량 안정성 제어시스템에서 선회속도를 제한하기 위한 방법에 있어서, 차량의 센서로부터 측정된 조향각과 차속으로부터 운전자가 원하는 선회속도의 안정 기준값을 설정하고, 측정된 횡가속도의 크기에 따라 노면마찰계수와 미끄럼각을 판단하고, 설정된 안정 기준값과 노면마찰계수와 미끄럼각에 따라 선회속도의 제한시기와 제한크기를 결정하고, 결정된 선회속도 제한시기와 제한크기에 따라 구동력 또는 제동력을 제어하여 차량 안정성을 확보하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 의한 차량 안정성 제어시스템의 구성 블록도로서, 조향각센서(10), 차속센서(20), 선회속도센서(30), 횡가속도센서(40), 브레이크압력센서(50), ESP 제어기(60), 브레이크 제어부(70) 및 엔진 제어부(80)를 포함하여 구성된다.
상기 조향각센서(10)는 조향 시 조향핸들의 조향각 크기를 검출하고, 차속센 서(20)는 다수(예를 들어, 4개)의 휠에 각각 설치되어 차량속도를 검출한다.
상기 선회속도센서(30)는 차량의 선회속도(Yaw rate)를 검출하고, 횡가속도센서(40)는 차량의 횡가속도(Ax)를 검출하며, 브레이크압력센서(50)는 마스터 압력을 검출한다.
상기 ESP 제어기(60)는 조향각센서(10), 차속센서(20), 선회속도센서(30), 횡가속도센서(40) 및 브레이크압력센서(50)로부터 검출된 신호를 입력받아 차량의 상황이 오버스티어인지 언더스티어인지를 판단하고, 각 휠의 제동압력과 엔진토크를 제어하기 위한 브레이크 제어부(70)와 엔진 제어부(80)를 제어하는 것으로, 기준운동량 설정부(61), 차량운동량 측정부(62), 운동량오차 산출부(63), 노면판단부(64), 언더스티어/오버스티어 결정부(65) 및 언더스티어/오버스티어 제어부(66)를 포함한다.
상기 기준운동량 설정부(61)는 상기 조향각센서(10)와 차속센서(20)로부터 검출된 조향각과 차량속도를 이용하여 차량모델로부터 운전자가 원하는 차량의 궤적을 나타내는 안정 기준값을 설정하는 것으로, 운전자가 원하는 차량의 궤적을 나타내는 안정 기준값은 선회속도로 나타낼 수 있으며 이는 기본 차량동역학에 기초하여 조향각과 차량속도로부터 결정된다.
상기 차량운동량 측정부(62)는 조향각센서(10), 차속센서(20), 선회속도센서(30), 횡가속도센서(40) 및 브레이크압력센서(50)로부터 검출된 값을 통해 실제 차량운동량을 측정하고, 운동량오차 산출부(63)는 기준운동량 설정부(61)에서 설정된 안정 기준값과 차량운동량 측정부(62)에서 측정된 실제 차량운동량을 비교하여 차량운동량과 안정 기준값의 차이 즉, 운동량오차를 산출한다.
상기 노면판단부(64)는 횡가속도센서(40)로부터 검출된 횡가속도의 크기를 이용하여 차량이 주행하는 노면의 상태 즉, 타이어와 노면 사이의 마찰계수와 차체 미끄럼각(Side slip angle)을 판단한다.
상기 언더스티어/오버스티어 결정부(65)는 상기 운동량오차 산출부(63)에서 산출된 운동량 차이값과 상기 노면판단부(64)에서 판단된 노면마찰계수를 이용하여 차량의 상태가 언더스티어인지 또는 오버스티어인지를 결정한다.
상기 언더스티어/오버스티어 제어부(66)는 상기 결정된 언더스티어 또는 오버스티어에 따라 브레이크 제어부(70), 엔진토크 제어부(80) 단독 또는 ABS 제어블록(71) 및 TCS 제어블록(81)과 협조 제어하여 차량의 안정성을 확보하기 위한 제동력 또는 엔진의 구동력을 제어하는 것으로, 차량 안정성 제어시스템에서 차량 안정성 판단 기준인 선회속도를 제한하기 위해 차량의 센서(10,20)로부터 추정된 선회속도와 횡가속도의 크기에 따라 노면을 판단하여 선회속도량 제한시기와 제한크기를 결정한다.
또한, 상기 언더스티어/오버스티어 제어부(66)는 언더스티어/오버스티어 결정부(65)의 결정에 따라 후륜에서 먼저 타이어와 노면의 접착한계에 도달하여 오버스티어 현상이 나타날 경우 전륜의 제동장치를 제어하여 전륜에 의해 발생하는 선회모멘트를 줄여준다. 반대로 전륜에서 먼저 타이어와 노면의 접착한계에 도달하여 언더스티어 현상이 나타날 경우 후륜을 제어하여 차량이 원하는 궤적으로 운동하도록 제어한다. 노면마찰계수 변화 시에는 더욱 더 심한 오버스티어 현상이 나타날 수 있는데 여기서는 차량운동량과 안정 기준값의 차이가 규정된 값 이상의 변화율로 증가할 때 전륜 외측 휠 이외에 후륜 외측 휠도 제어함으로서 차량 안정성을 확보한다.
또한, 상기 언더스티어/오버스티어 제어부(66)는 최적의 안정성과 승차감을 위해 제동력만으로 불충분한 경우에는 엔진에 의한 구동력을 감소시킴으로서 지나친 제동력에 의한 차량의 흔들임(Rocking) 현상을 최소화한다. 요구되는 구동력 감소량은 엔진 ECU와의 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해서 이루어진다.
상기 브레이크 제어부(70)는 ESP 제어기(60)로부터 출력되는 제동신호에 따라 휠 실린더에 공급되는 브레이크 액압을 제어하여 차량의 안정성을 최대한 확보하도록 ABS 제어블록(71)과 협조 제어하여 제동압력을 발생하고, 엔진 제어부(80)는 ESP 제어기(60)로부터 출력되는 엔진제어신호에 따라 엔진토크를 제어하여 차량의 안정성을 최대한 확보하도록 TCS 제어블록(81)과 협조 제어하여 엔진의 구동력을 제어한다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법의 동작과정 및 작용효과를 설명한다.
도 5는 본 발명에 의한 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법의 동작 흐름도이다.
도 5에서, 주행 중인 차량의 조향각, 차속, 선회속도, 횡가속도 및 마스터 압력을 조향각센서(10), 차속센서(20), 선회속도센서(30), 횡가속도센서(40) 및 브레이크압력센서(50)에서 각각 읽어 들인다(S100).
각 센서(10~50)에서 읽어 들인 차량의 조향각, 차속, 선회속도, 횡가속도 및 마스터 압력 등의 측정값을 ESP 제어기(60)의 차량운동량 측정부(62)에서 입력받아 차량의 실제 운동량 즉, 차량운동량을 측정한다(S110).
이때, ESP 제어기(60)의 기준운동량 설정부(61)에서는 기본 차량동역학에 의해서 운전자가 원하는 차량의 궤적을 나타내는 안정 기준값(Stability Criterion)을 설정하는데, 안정 기준값은 읽어 들인 차량의 조향각과 차속으로부터 결정되는 선회속도(Yaw rate)로 나타낼 수 있으며(S120), 안정 기준값을 설정하는 방법은 이후에 설명하기로 한다.
그리고, ESP 제어기(60)의 운동량오차 산출부(63)는 차량운동량 측정부(62)에서 측정된 실제 차량운동량과 기준운동량 설정부(61)에서 설정된 운전자가 원하는 차량운동량 즉, 선회속도의 안정 기준값을 비교하여 두 운동량의 차이값 즉, 운동량오차를 산출한다.
따라서 ESP 제어기(60)의 언더스티어/오버스티어 결정부(65)는 산출된 운동량오차의 비교결과에 따라 차량이 언더스티어인지 오버스티어인지를 결정하고, 상기 차량운동량이 안정 기준값보다 큰가를 판단한다(S130).
상기 차량운동량이 안정 기준값보다 크지 않은 경우, 종래와 마찬가지로 언더스티어/오버스티어 결정부(65)에서 결정된 언더스티어 또는 오버스티어에 따라 언더스티어/오버스티어 제어부(66)에서 브레이크 제어부(70), 엔진 제어부(80) 단독 또는 ABS 제어블록(71) 및 TCS 제어블록(81)과 협조 제어하여 차량의 안정성을 확보하도록 제동력 또는 엔진의 구동력을 제어한다(S131).
한편, 상기 차량운동량이 안정 기준값보다 큰 경우 ESP 제어기(60)의 노면판단부(64)는 읽어 들인 횡가속도의 크기에 따라 노면의 조건을 판단하고(S140), ESP 제어기(60)의 언더스티어/오버스티어 제어부(66)는 차속 또는 노면조건에 따라 선회속도를 제한한다(S150).
즉, 언더스티어/오버스티어 제어부(66)는 언더스티어/오버스티어 결정부(65)의 결정에 따라 후륜에서 먼저 타이어와 노면의 접착한계에 도달하여 오버스티어 현상이 나타날 경우 전륜의 제동장치를 제어하여 전륜에 의해 발생하는 선회모멘트를 줄여준다. 반대로 전륜에서 먼저 타이어와 노면의 접착한계에 도달하여 언더스티어 현상이 나타날 경우 후륜을 제어하여 차량이 원하는 궤적으로 운동하도록 제어한다. 노면마찰계수 변화 시에는 더욱 더 심한 오버스티어 현상이 나타날 수 있는데 여기서는 차량운동량과 안정 기준값의 차이가 규정된 값 이상의 변화율로 증가할 때 전륜 외측 휠 이외에 후륜 외측 휠도 제어함으로서 차량 안정성을 확보한다.
또한, 언더스티어/오버스티어 제어부(66)는 최적의 안정성과 승차감을 위해 제동력만으로 불충분한 경우에는 엔진에 의한 구동력을 감소시킴으로서 지나친 제동력에 의한 차량의 흔들림(Rocking) 현상을 최소화한다. 요구되는 구동력 감소량은 엔진 ECU와의 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해서 이루어진다.
다음에는, 안정 기준값을 설정하여 선회속도를 제한하는 방법에 대하여 설명한다.
안정 기준값은 차량을 2자 유도(Degree of Freedom) 시스템으로부터 모델링 함으로서 조향각, 차속과 운전자가 원하는 선회속도와의 관계를 구하여 설정하게 된다.
아래의 [식 1]은 차량의 선회속도(r)와 차체 미끄럼각(β)에 대한 차량운동 방정식을 나타낸다.
[식 1]
Figure 112006064794381-pat00001
뉴튼 제2법칙과 Derivation개념을 이용하여 유도된 이 식을 정리하면 아래의 [식 2]와 같이 조향각(δ sw )에 대한 선회속도량(r no )은 차속의 함수(V x )로 결정할 수 있다.
[식 2]
Figure 112006064794381-pat00002
이와 같이, 결정된 선회속도량으로부터 목표 선회속도량(r desired )은 아래의 [식 3]과 같이 차속(V x )과 [식 2]의 선회속도량(r no )으로 결정된 필터로부터 결정된다.
[식 3]
Figure 112006064794381-pat00003
노면마찰계수가 작을 경우 위에서 계산한 목표 선회속도량(r desired ) 값을 이용하여 제어를 하면 차량의 방향은 운전자가 원하는 쪽으로 될 수 있지만, 차체 미끄럼각이 커지게 되어 안정성을 잃게 되어 도 3의 저마찰 노면에서 선회속도의 제한이 없는 경우의 결과와 같이 차량은 불안정 상태로 제어된다.
따라서, 이와 같은 경우에는 목표 선회속도량(r desired )을 제한함으로서 차량 안정성과 원하는 방향으로의 운동을 동시에 확보할 수 있게 된다.
제한된 선회속도의 최대치(r limited, max ) 값은 도 6에 도시한 바와 같이, 기본적인 차량운동의 동역학적 제한조건에서 결정될 수 있다. 여기서 차량 횡가속도(a y ) 값은 노면마찰계수(μ), 차속(V) 등으로부터 결정된다.
[식 4]
Figure 112006064794381-pat00004
이와 같이, 차량의 운동조건 또는 노면조건의 다양성으로 인하여 동역학적인 제한조건에서 결정된 선회속도의 최대치(r limited, max )는 실제적인 차량제어에는 기본적인 아이디어만을 제공한다.
선회속도 제한의 진입조건인 차량모델에서 계산된 횡가속도와 측정된 횡가속도 크기는 차량에서 측정되는 차체 미끄럼각을 이용해 결정된다. 차량이 불안정한 상태를 차체 미끄럼각으로 판단하고, 발생되는 차체 미끄럼각의 크기와 노면 조건 에 해당하는 측정된 횡가속도에 따라 진입조건인 계산된 횡가속도와 측정된 횡가속도의 차이를 결정한다.
상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법에 의하면, 차량의 센서를 통해 얻어진 차량운동량과 추정을 통해 얻어진 노면상태 등을 이용하여 차륜을 제어함으로서 차량의 선회속도를 안정되게 제한하여 차량 안정성을 확보할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 저마찰 노면의 경우 차량모델 외에 차량 미끄럼각 정보를 이용하여 차량 상황을 보다 정확히 판단함으로서 노면 조건과 운전자 의지에 따라 선회속도를 차별적으로 제한하여 차량 안정성 제어시스템의 신뢰도를 높일 수 있다는 효과가 있다.
상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (4)

  1. 차량 안정성 제어시스템에서 선회속도를 제어하는 방법에 있어서,
    차량의 움직임 정보를 감지하는 다수의 센서로부터 측정값을 읽어 들여 실제 차량운동량을 측정하는 단계;
    차량의 센서로부터 측정된 조향각과 차속으로부터 운전자가 원하는 안정 기준값을 설정하는 단계;
    측정된 차량운동량과 설정된 안정 기준값을 비교하여 상기 차량운동량이 안정 기준값보다 큰 경우 측정된 횡가속도의 크기에 따라 노면마찰계수와 미끄럼각을 판단하는 단계; 및
    판단된 노면마찰계수와 미끄럼각에 따라 선회속도 제한시기와 제한크기를 결정하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 안정 기준값은 조향각과 차속으로부터 결정되는 선회속도인 것을 특징으로 하는 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 선회속도 제한시기와 제한크기를 결정하는 단계는,
    상기 안정 기준값과 노면마찰계수와 미끄럼각에 따라 선회속도의 제한시기와 제한크기를 다르게 적용하는 것을 특징으로 하는 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법.
  4. 차량 안정성 제어시스템에서 선회속도를 제한하기 위한 방법에 있어서,
    차량의 센서로부터 측정된 조향각과 차속으로부터 운전자가 원하는 선회속도의 안정 기준값을 설정하고,
    측정된 횡가속도의 크기에 따라 노면마찰계수와 미끄럼각을 판단하고,
    설정된 안정 기준값과 노면마찰계수와 미끄럼각에 따라 선회속도의 제한시기와 제한크기를 결정하고,
    결정된 선회속도 제한시기와 제한크기에 따라 구동력 또는 제동력을 제어하여 차량 안정성을 확보하는 것을 특징으로 하는 차량 안정성 제어시스템의 선회속도 제어방법.
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