KR101499881B1 - 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법은, 차륜의 회전 속도로부터 공진 주파수를 산출하는 단계, 상기 공진 주파수를 누적하여 평균한 공진 주파수 전체 누적 평균을 산출하는 단계, 상기 공진 주파수 전체 누적 평균과 타이어의 공기압의 상관 관계 분석을 수행하여 1차 회귀식을 산출하는 단계, 및 상기 1차 회귀식을 적용하여 타이어의 공기압을 추정하는 단계를 포함하고, 상기 1차 회귀식은 상기 차륜의 회전 속도에 따라 달라질 수 있다.

Description

타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법 및 장치{Method and apparatus for detecting decrease in tire air pressure}
본 발명은 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
타이어의 공기압은 자동차가 안전하게 주행할 수 있게 하는 요소 중 하나이다. 타이어의 공기압이 저하되면 연비 저하, 타이어 마멸과 같은 기능 상 문제가 발생할 뿐 아니라, 심하면 운전 불능 상태나 타이어 파열에 의한 사고 발생 등 차량과 인명 피해가 발생할 가능성이 있다.
하지만 운전자 대부분은 운전 중 타이어 공기압의 변화를 인지하지 못하기 때문에 타이어의 압력 변화를 실시간으로 운전자에게 알려주는 타이어 압력 감시 장치인 TPMS(Tire Pressure Monitoring System)가 개발되어 보급되기 시작하였다.
타이어의 공기압 변화를 감지하여 이를 운전자에게 알려주는 TPMS는 크게 직접 방식과 간접 방식으로 분류할 수 있다.
직접 방식 TPMS는 타이어에 부착된 압력 센서가 타이어의 공기압 변화를 운전자에게 알려준다. 간접 방식 TPMS는 공기압이 저하되었을 때 생기는 타이어의 응답 특성(예를 들면 회전 속도나 회전 속도의 주파수 특성) 변화를 통해 타이어의 공기압 변화를 간접적으로 추정하고 이를 운전자에게 알려준다.
간접 방식 TPMS는, 동하중 반경(Dynamic Loaded Radius, DLR) 분석 방식과 공진 주파수(Resonance Frequency Method, RFM) 분석 방식으로 더 분류할 수 있다. 이를 각각 반경 분석 및 주파수 분석으로 약칭하기로 한다.
주파수 분석은, 타이어의 공기압이 저하되면 차륜의 회전 속도 신호의 주파수 특성이 변화하는 것을 이용하여 공기압이 정상인 타이어와의 차이를 검출하는 방식이다. 주파수 분석에서는, 차륜의 회전 속도 신호의 주파수 해석에 의해 구할 수 있는 공진 주파수에 주목해, 초기화 시에 추정한 기준 주파수보다 당해 공진 주파수가 낮게 산출되면 타이어의 공기압이 저하된 것으로 판단한다.
반경 분석은, 공기압이 저하된 타이어가 주행 시에 동하중 반경이 작아지고, 그 결과 공기압이 정상인 타이어보다 빠르게 회전하는 현상을 이용해, 4개의 타이어의 회전 속도를 비교함으로써 공기압 저하를 검출하는 방식이다(일본공개특허 제1988-305011호 참조).
직접 방식 TPMS는 타이어의 공기압을 정확하게 감지하지만, 배터리의 수명에 한계가 있고 타이어를 교체할 때마다 다시 설치해야 하는 단점이 있다. 압력 센서를 부착하므로 타이어의 불균형이 발생할 수 있고, 무선 주파수 간섭 등 문제가 발생할 수도 있다.
간접 방식 TPMS는 알고리즘만으로 TPMS를 구현할 수 있어 추가적인 하드웨어가 불필요하여 비용이 많이 안 든다. 유지 및 보수 비용도 거의 들지 않는다. 다만, 간접 방식 TPMS의 경우 추정한 타이어의 공기압 변화가 실제와 다른 경우 운전자에게 오경보(false alarm)를 보낼 수도 있어 문제이다.
본 발명은 추정의 정확도를 높인 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법은, 차륜의 회전 속도로부터 공진 주파수를 산출하는 단계, 상기 공진 주파수를 누적하여 평균한 공진 주파수 전체 누적 평균을 산출하는 단계, 상기 공진 주파수 전체 누적 평균과 타이어의 공기압의 상관 관계 분석을 수행하여 1차 회귀식을 산출하는 단계, 및 상기 1차 회귀식을 적용하여 타이어의 공기압을 추정하는 단계를 포함하고, 상기 1차 회귀식은 상기 차륜의 회전 속도에 따라 달라질 수 있다.
한편, 상기 1차 회귀식은 하기 수학식(1)로 표현되고, 상기 차륜의 회전 속도에 따라 기울기와 y 절편이 달라질 수 있다.
Y = a*X+b (1)
(Y: 타이어의 공기압, X: 공진 주파수 전체 누적 평균, a: 기울기, b: y 절편)
한편, 상기 1차 회귀식에서, 상기 차륜의 회전 속도에 따른 속도 구간 별로 상기 기울기와 상기 y 절편의 값이 정해질 수 있다.
한편, 상기 공진 주파수를 산출하는 단계는, 상기 차륜의 회전 속도를 보정하고 밴드 패스 필터를 통과시켜 전처리하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 공기압 저하를 가지하는 장치는, 차륜의 회전 속도를 검출하는 속도 검출부, 및 상기 차륜의 회전 속도를 이용하여 타이어의 공기압 저하 여부를 판단하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 차륜의 회전 속도로부터 산출된 공진 주파수를 누적하여 평균한 공진 주파수 전체 누적 평균과 타이어의 공기압의 상관 관계 분석으로부터 산출된 1차 회귀식을 적용하여 타이어의 공기압을 추정하며, 상기 1차 회귀식은 상기 차륜의 회전 속도에 따라 달라질 수 있다.
한편, 상기 1차 회귀식은 하기 수학식(1)로 표현되고, 상기 차륜의 회전 속도에 따라 기울기와 y 절편이 달라질 수 있다.
Y = a*X+b (1)
(Y: 타이어의 공기압, X: 공진 주파수 전체 누적 평균, a: 기울기, b: y 절편)
한편, 상기 1차 회귀식에서, 상기 차륜의 회전 속도에 따른 속도 구간 별로 상기 기울기와 상기 y 절편의 값이 정해질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법 및 장치에 따르면, 차륜의 회전 속도에 따라 1차 회귀식을 달리 적용하여 타이어의 공기압 저하를 정확히 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 공기압 저하를 감지하는 장치를 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법을 나타내는 순서도,
도 3은 차륜의 회전 속도가 40km/h일 때 측정한 타이어의 공기압과 공진 주파수 전체 누적 평균의 상관 관계 분석 결과를 나타내는 그래프,
도 4는 차륜의 회전 속도에 따라 달라지는 1차 회귀식의 궤적을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함될 수 있다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 공기압 저하를 감지하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 공기압 저하를 감지하는 장치는 속도 검출부(1), 제어부(2), 표시부(3) 및 신호 발생부(5)를 포함한다.
속도 검출부(1)는 전방 좌측 차륜(FL), 전방 우측 차륜(FR), 후방 좌측 차륜(RL) 및 후방 우측 차륜(RR)의 회전 속도를 검출한다. 속도 검출부(1)는 전자기 픽업 등을 이용하여 회전 펄스를 발생시키고, 펄스 수로부터 회전각 속도 및 차륜 속도를 측정하는 차륜 속도 센서일 수 있다. 한편, 속도 검출부(1)는 각속도 센서일 수도 있다. 속도 검출부(1)가 검출한 차륜의 회전 속도에 관한 정보는 제어부(2)에 전달된다.
제어부(2)는 각종 신호를 전달 받거나 전달함으로써 TPMS를 제어하는 장치로서 CPU 등 연산 장치를 포함할 수 있다.
특히, 제어부(2)는 검출된 차륜의 회전 속도에 따라 1차 회귀식을 달리 적용하여 타이어의 공기압 저하 여부를 판단한다. 즉, 제어부(2)는, 차륜의 회전 속도로부터 산출된 공진 주파수를 누적하여 평균한 공진 주파수 전체 누적 평균과 타이어의 공기압의 상관 관계 분석으로부터 산출된 1차 회귀식(first order regression equation)을 적용하여 타이어의 공기압을 추정하되, 1차 회귀식은 차륜의 회전 속도에 따라 달라진다. 이에 대해서는 아래에서 구체적으로 설명하기로 한다.
한편, 공기압 저하가 실제로 발생했다고 판단한 경우 제어부(2)는 표시부(3)에 이를 표시하거나 신호 발생부(5)를 통해 운전자에게 경고 신호를 보낼 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법을 나타내는 순서도이다.
우선, 차륜의 회전 속도로부터 공진 주파수를 산출한다(S100). 이 단계(S100)는 차륜의 회전 속도를 보정하고 밴드 패스 필터(band pass filter)를 통과시켜 전처리하는 단계를 포함할 수 있다. 이 단계(S100)에서는, 전처리된 차륜의 회전 속도를 이용하여 공진 주파수를 산출하는데, 공진 주파수를 이용하면 타이이의 공기압과 관련이 있는 탄성 계수를 간접적으로 추정할 수 있다.
한편, 공진 주파수를 산출하는 방법은, 타이어 모델과 적응형 필터(adaptive filter)를 사용하는 방법일 수도 있고, 고속 푸리에 변환(FFT, fast Fourier transform)일 수도 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 차륜의 회전 속도로부터 공진 주파수를 산출할 수 있는 한 다양한 방법이 활용될 수 있다.
다음으로, 산출한 공진 주파수를 누적하여 평균한 공진 주파수 전체 누적 평균을 산출한다(S200).
다음으로, 산출한 공진 주파수 전체 누적 평균과 타이어의 공기압의 상관 관계 분석(correlation analysis)을 수행하여 1차 회귀식을 산출한다(S300). 즉, 도 3에 예시된 바와 같이, 타이어의 공기압을 실제로 측정한 값(Direct_Pressure)과 공진 주파수 전체 누적 평균(FreqCumAvg)을 비교한 결과에 선형 근사함으로써 하기 수학식(1)과 같은 1차 회귀식을 산출한다.
Y = a*X+b (1)
(Y: 타이어의 공기압, X: 공진 주파수 전체 누적 평균, a: 기울기, b: y 절편)
여기서, 기울기(a)와 y 절편(b)은 차륜의 회전 속도에 따라 달라지는 값으로서 실험적으로 구해진다. 따라서 차륜의 회전 속도를 다양한 범위로 설정하고 그 범위에서 타이어의 공기압을 측정함으로써 1차 회귀식의 정확도를 높일 수 있다. 즉, 차륜의 회전 속도에 따른 1차 회귀식을 도출한다(S400).
본 실시예에서는, 차륜의 회전 속도 범위를 40km/h 이상 100km/h 이하로 하고 타이어의 정상/비정상 공기압 범위를 21psi 이상 35psi 이하로 하여 데이터를 수집하였다. 수집한 데이터를 기반으로 상관 관계 분석을 수행하고 차륜의 회전 속도에 따른 1차 회귀식을 도출하였다. 그 결과는 표 1 및 도 4와 같이 나타났다.
차륜의 회전 속도
40km/h 60km/h 80km/h 100km/h
상관 관계 분석 상관 계수 0.971 0.982 0.906 0.902
P-값 0 0 0 0
1차 회귀식 기울기(a) 3.33 3.984 4.008 8.833
y절편(b) -106.8 -131.5 -135 -332.3
R-제곱(수정)(%) 94.3 96.5 82.1 81.3
표 1 및 도 4를 함께 참조하면, 상관 계수는 0.902 내지 0.971로서 1에 가깝게 나타났고 P-값은 0으로 나타났다. 즉, 타이어의 공기압을 측정한 값과 공진 주파수 전체 누적 평균 사이에는 강한 상관 관계가 있음을 알 수 있다.
또한, 도출된 1차 회귀식의 R-제곱(수정)이 65% 이상이면 상당한 유의미성을 인정할 수 있는데, 본 실시예에서는 81.3% 내지 94.3%로 나타나 매우 높은 유의미성을 인정할 수 있다.
한편, 차륜의 회전 속도에 따라 1차 회귀식의 기울기(a)와 y 절편(b)이 달라짐을 알 수 있다. 구체적으로, 차륜의 회전 속도가 증가함에 따라 기울기(a)가 증가하고 y 절편(b)은 감소하였다. 따라서 1차 회귀식을 적용하여 타이어의 공기압을 추정할 때, 차륜의 회전 속도에 따라 기울기(a)와 y 절편(b)을 달리 적용함으로써 추정의 정확도를 높일 수 있다. 나아가, 차륜의 회전 속도 또는 속도 구간에 따른 기울기(a)와 y 절편(b)에 관한 데이터를 룩업 테이블(lookup table)로 구현할 수 있다.
다음으로, 위 단계(S400)에서 구한 1차 회귀식을 적용하여 타이어의 공기압을 추정한다(S500). 여기서, 1차 회귀식의 기울기(a)와 y 절편(b)이 차륜의 회전 속도에 따라 달라짐은 위에서 설명한 바와 같다. 또한, 위에서 설명한 바와 같이 룩업 테이블로 구현된 데이터를 활용하여 타이어의 공기압을 추정할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 차륜의 회전 속도에 따라 1차 회귀식을 달리 적용하여 타이어의 공기압을 추정함으로써 추정의 정확도를 높일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 속도 검출부 2: 제어부
3: 표시부 5: 신호 발생부

Claims (7)

  1. 차륜의 회전 속도로부터 공진 주파수를 산출하는 단계,
    상기 공진 주파수를 누적하여 평균한 공진 주파수 전체 누적 평균을 산출하는 단계,
    상기 공진 주파수 전체 누적 평균과 타이어의 공기압의 상관 관계 분석을 수행하여 1차 회귀식을 산출하는 단계, 및
    상기 1차 회귀식을 적용하여 타이어의 공기압을 추정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 1차 회귀식은 하기 수학식(1)로 표현되고, 상기 1차 회귀식은 상기 차륜의 회전 속도에 따른 속도 구간 별로 기울기와 y절편 값이 정해지는 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법.
    Y = a*X+b (1)
    (Y: 타이어의 공기압, X: 공진 주파수 전체 누적 평균, a: 기울기, b: y 절편)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에서,
    상기 공진 주파수를 산출하는 단계는,
    상기 차륜의 회전 속도를 보정하고 밴드 패스 필터를 통과시켜 전처리하는 단계를 포함하는 타이어의 공기압 저하를 감지하는 방법.
  5. 차륜의 회전 속도를 검출하는 속도 검출부, 및
    상기 차륜의 회전 속도를 이용하여 타이어의 공기압 저하 여부를 판단하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    차륜의 회전 속도로부터 산출된 공진 주파수를 누적하여 평균한 공진 주파수 전체 누적 평균과 타이어의 공기압의 상관 관계 분석으로부터 산출된 1차 회귀식을 적용하여 타이어의 공기압을 추정하며,
    상기 1차 회귀식은 하기 수학식(1)로 표현되고, 상기 1차 회귀식은 상기 차륜의 회전 속도에 따른 속도 구간 별로 기울기와 y절편 값이 정해지는 타이어의 공기압 저하를 감지하는 장치.
    Y = a*X+b (1)
    (Y: 타이어의 공기압, X: 공진 주파수 전체 누적 평균, a: 기울기, b: y 절편)
  6. 삭제
  7. 삭제
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Citations (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5982279A (en) * 1996-09-26 1999-11-09 Denso Corporation Tire air pressure detecting device
JP2008007098A (ja) * 2006-05-31 2008-01-17 Sumitomo Rubber Ind Ltd タイヤ空気圧低下警報方法

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