KR101576395B1 - 좌우독립형 조향 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR101576395B1
KR101576395B1 KR1020140128375A KR20140128375A KR101576395B1 KR 101576395 B1 KR101576395 B1 KR 101576395B1 KR 1020140128375 A KR1020140128375 A KR 1020140128375A KR 20140128375 A KR20140128375 A KR 20140128375A KR 101576395 B1 KR101576395 B1 KR 101576395B1
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steered
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한동석
양인석
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 좌우독립형 조향 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 운전자로부터 입력된 조향각 정보, 차량 속도 정보 및 각 차륜이 실제 조향된 각도 정보에 기반하여 차륜의 조향 제어 모드를 선택하고, 선택되는 조향 제어 모드에 따라 차륜의 조향각을 제어함으로써 차량 상태 정보에 적응적으로 조향 제어 모드를 선택하여 각 차륜을 조향 제어하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 좌우독립형 조향 제어 방법 및 시스템은, 각 차륜이 실제 조향된 각도 정보에 기반하여 정상 조향 제어 모드 또는 고장 조향 제어 모드를 선택하고, 정상 조향 제어 모드일 때는 입력된 조향각 정보 및 차량 속도 정보에 기반하여 각 차륜의 조향각을 제어하고, 고장 조향 제어 모드일 때는 고장난 차륜의 현재 조향각 정보를 바탕으로 고장나지 않은 타측 차륜의 조향각을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

좌우독립형 조향 제어 방법 및 시스템{Left-Right Independent Steering Management Method and System}
본 발명은 좌우독립형 조향 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 운전자로부터 입력된 조향각 정보 뿐만 아니라 차량의 속도 정보를 추가적으로 고려하여 이상적인 차륜의 조향각을 산출함으로써 상기 산출량을 이용해 각 차륜의 조향각을 제어한다.
이때, 각 차륜이 실제 조향된 조향각과 이상적인 값으로 산출된 조향각 정보를 비교하여 특정 차륜의 조향 제어에 고장이 있는지를 판단하고, 고장 발생시 고장난 차륜의 현재 조향각 정보를 바탕으로 고장나지 않은 타측 차륜의 조향각을 제어하는 것을 특징으로 한다.
차량의 조향 제어 시스템과 관련하여 조향 휠에 가해진 조향 반작용 토크(또는 조향 반력)와 피조향 차륜에서의 조향각이 임의로 결정될 수 있는 다양한 Steer-By-Wire (이하, SBW) 차량 조향 시스템이 제안되고 있다. 이러한 자동차용 SBW 차량 조향 장치는 SBW 시스템의 고장에 의해 일어나는 백업 작동 모드(또는 페일 세이프 작동 모드) 중에 기계적 백업 시스템을 통해 조향 입력부 및 출력부를 상호 기계적으로 결합시키기 위한 컬럼 축의 중간에 기계적 백업 시스템을 일반적으로 사용하고 있다.
기계적 백업 시스템으로서 케이블 백업 시스템(가요성 토크 전달 수단)을 이용하는 것은 운전실(cockpit)의 레이아웃 설계 적용성의 향상, 노면으로부터 피조향 차륜을 통해 조향 휠로 입력된 진동 및 소음의 감소, 및 전방 충돌시 충격의 제거의 관점에서 아주 효과적이다.
특히, 상기와 같은 기계적 백업 시스템을 제시하고 있는 대한민국 등록특허 제 10-0745915호에서는 SBW 시스템에 고장이 발생하게 되면 조향 입력부(조향 휠)와 조향 출력부(가변 피치 이중 래크 배열체)가 클러치 장치에 의해 기계적으로 연결됨으로써 백업 작동 모드 중에도 가변 피치 이중 래크 배열체에 의해 최소 회전 반경의 효과적인 감소를 보장하는 기술 구성을 개시하고 있다.
다만, 상기와 같은 기계적 백업 시스템은 SBW 시스템 외에 별도의 기계적 구성을 필요로 하여 구성 단가가 높을 뿐만 아니라, 이로 인해 차량 전체의 무게가 무거워지는 문제점이 있다. 차량 전체 무게 증가는 연료 사용의 증가 및 비효율을 야기하는 문제점이 있다. 특히, 상기 기계적 백업 시스템은 차량이 정상적인 상태에서는 백업 모드로 있다가 고장 발생 후 동작하게 되므로, 정상적으로 동작하는 차량에 탑재하기에는 현실적인 어려움이 있으며, 매우 비효율적이다.
대한민국 등록특허 제 10-0745915호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 차량 상태 정보를 바탕으로 전륜의 각 차륜에 대한 조향각을 능동적으로 제어할 수 있는 좌우독립형 조향 제어 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
구체적으로, 고속 선회시에는 차량의 오버 스티어링(Over-Steering)을 방지하여 차량의 안전을 확보함과 동시에 주차와 같은 저속 운행시에는 운전자에 의한 조향 정도보다 각 차륜의 조향각을 크게 조절함으로써 운전자가 보다 용이하게 차량 주차를 수행할 수 있는 좌우독립형 조향 제어 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 좌우독립형 조향 제어 방법은 운전자로부터 조향각 정보를 획득하는 조향각 정보 획득 단계; 차량의 속도 정보를 획득하는 속도 정보 획득 단계; 상기 획득된 조향각 정보 및 속도 정보에 기반하여 각 차륜의 조향각을 산출하는 정상 조향각 산출 단계; 상기 산출된 조향각에 따라 각 차륜의 조향각을 제어하는 정상 조향각 제어 단계; 각 차륜의 실제 조향각 정보에 기반하여 특정 차륜에 대한 조향 고장 여부를 판단하는 고장 여부 판단 단계; 및 상기 고장 여부 판단 단계를 통해 특정 차륜의 조향에 고장이 발생하였다고 판단하는 경우, 상기 차륜이 현재 조향된 각도 정보에 기반하여 다른 차륜의 조향각을 제어하는 고장 조향각 제어 단계;를 포함하고,
상기 고장 여부 판단 단계는, 상기 정상 조향각 제어 단계를 통해 실제 조향된 각 차륜의 조향각이 상기 정상 조향각 산출 단계를 통해 산출된 각 차륜의 조향각 정보와 동일한지 여부를 비교하는 단계; 각 차륜이 현재 조향된 각도 정보에 기반하여 전륜의 좌륜 및 우륜의 법선이 후륜의 법선과 만나는 x축 좌표의 오차 정보를 획득하는 단계; 및 상기 오차 정보가 위험 경계치 이상일 경우 각 차륜 중 실제 조향된 조향각과 산출된 조향각 정보가 상이한 차륜에 대해 조향 고장이 발생했다고 판단하는 단계;를 포함한다.
상기 조향각 정보 획득 단계는, 별도의 조향부를 통해 운전자로부터 입력되는 조향각 정보를 획득하고,
상기 속도 정보 획득 단계는, 별도의 속도 센서로부터 차량의 속도 정보를 획득할 수 있다.
상기 오차 정보가 경고 경계치 이상일 경우에는 운전자에게 알람을 제공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 정상 조향각 제어 단계는, 하기의 수학식 1에 따라 각 차륜의 조향각을 제어할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015079559779-pat00024

Figure 112015079559779-pat00025

(여기서 w는 속도에 따른 조향각 보정 변수, v는 차량의 속도, δo는 운전자로부터 획득된 조향각 정보, af는 차량 중심으로부터 전륜의 중심까지의 거리, ar은 차량 중심으로부터 후륜의 중심까지의 거리, wf는 전륜간의 거리, xc는 선회중심의 x 좌표, yc는 선회중심의 y좌표, δl'은 조향되는 좌륜 조향각, δr'은 조향되는 우륜 조향각)
상기 고장 조향각 제어 단계는,
고장난 차륜의 현재 조향각 정보를 바탕으로 선회중심 정보를 획득하는 단계; 획득된 선회중심 정보를 이용하여 고장나지 않은 타측 차륜의 조향각을 산출하는 단계; 및 산출된 조향각에 따라 타측 차륜의 조향각을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 좌우독립형 조향 제어 시스템은 운전자로부터 입력되는 조향각 정보 및 차량의 속도 정보를 획득하는 정보 획득부; 상기 조향각 정보 및 차량의 속도 정보에 기반하여 각 차륜의 조향각을 산출하고, 산출된 조향각에 따라 각 차륜이 조향되도록 제어하는 정상 조향 제어 구동부; 각 차륜의 실제 조향각 정보에 기반하여 특정 차륜에 대한 조향 고장 여부를 판단하는 고장 여부 판단부; 및 상기 고장 여부 판단부를 통해 특정 차륜의 조향에 고장이 발생하였다고 판단하는 경우, 상기 차륜이 현재 조향된 각도 정보에 기반하여 다른 차륜의 조향각을 제어하는 고장 조향 제어 구동부;를 포함하고,
상기 고장 여부 판단부는, 상기 정상 조향 제어 구동부에 의해 산출된 조향각 정보와 실제 조향된 각 차륜의 조향각 정보가 동일한지 여부를 비교하고, 각 차륜이 현재 조향된 각도 정보에 기반하여 전륜의 좌륜 및 우륜의 법선이 후륜의 법선과 만나는 x축 좌표의 오차 정보를 획득하고, 상기 오차 정보가 위험 경계치 이상일 경우에는 각 차륜 중 실제 조향된 조향각과 산출된 조향각 정보가 상이한 차륜에 대해 조향 고장이 발생했다고 판단한다.
상기 정상 조향 제어 구동부는, 하기의 수학식 2에 따라 각 차륜의 조향각을 제어할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015079559779-pat00026

Figure 112015079559779-pat00027

(여기서 w는 속도에 따른 조향각 보정 변수, v는 차량의 속도, δo는 운전자로부터 획득된 조향각 정보, af는 차량 중심으로부터 전륜의 중심까지의 거리, ar은 차량 중심으로부터 후륜의 중심까지의 거리, wf는 전륜간의 거리, xc는 선회중심의 x 좌표, yc는 선회중심의 y좌표, δl'은 조향되는 좌륜 조향각, δr'은 조향되는 우륜 조향각)
상기 고장 조향 제어 구동부는, 상기 정상 조향 제어 구동부와 독립적으로 구성되고, 상기 정상 조향 제어 구동부보다 우선하여 각 차륜의 조향각을 제어할 수 있다.
상기 고장 조향 제어 구동부는, 고장난 차륜의 현재 조향각 정보를 바탕으로 선회중심 정보를 획득하고, 획득된 선회중심 정보를 이용하여 고장나지 않은 타측 차륜의 조향각을 산출하고, 산출된 조향각에 따라 타측 차륜의 조향각을 제어할 수 있다.
상기 고장 조향 제어 구동부는, 좌륜이 고장시에는 하기의 수학식 3에 따라 우륜의 조향각을 제어하고, 우륜이 고장시에는 하기의 수학식 4에 따라 좌륜의 조향각을 제어할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015079559779-pat00028

[수학식 4]
Figure 112015079559779-pat00029

(이때, af는 차량 중심으로부터 전륜의 중심까지의 거리, ar은 차량 중심으로부터 후륜의 중심까지의 거리, wf는 전륜간의 거리, xrec는 고장난 차륜(좌륜 또는 우륜)의 조향 상태에 따라 설정되는 선회 중심의 x 좌표)
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌우독립형 조향 제어 방법 및 시스템은 각 차륜의 조향 제어가 정상적으로 동작시에는 사용자로부터 입력된 조향각 정보 및 차량의 속도 정보에 기반하여 적응적으로 각 차륜의 조향각을 보완하고, 특정 차륜의 조향 제어에 고장 발생시에는 고장난 차륜의 현재 조향각 정보에 기반하여 타측 차륜의 조향각 정보를 능동적으로 제어함으로써 고속 운행시에는 차량의 오버 스티어링(Over-Steering)을 방지하며 주차와 같은 저속 운행시에는 운전자의 조향 대비 조향각을 크게 제어함으로써 주차를 용이하게 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 특정 차륜의 조향 제어에 고장 발생시에는 고장난 차륜의 조향각에 맞추어 타측 차륜의 조향각을 제어하여 차체의 안정성 유지를 도모할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 좌우독립형 조향 제어 방법을 나타낸 흐름도,
도 2는 본 발명에 따라 정상 동작시의 조향각 보완 방법을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따라 특정 차륜의 조향 제어에 고장 발생 여부를 판단하는 방법을 나타낸 도면, 및
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 좌우독립형 조향 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 좌우독립형 조향 제어 시스템의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 좌우독립형 조향 제어 방법은 크게 조향각 정보 획득 단계(S110), 차량 속도 정보 획득 단계(S120), 정상 조향각 산출 단계(S130), 정상 조향각 제어 단계(S140), 고장 여부 판단 단계(S150), 고장 조향각 제어 단계(S160)를 포함한다.
먼저, S110 단계에서는 운전자롤부터 입력되는 조향각 정보를 획득한다. 이를 위해, 스티어링 등과 같은 별도의 조향부가 활용될 수 있다.
또한, S120 단계에서는 운전자에 의해 구동되는 차량의 속도 정보를 획득한다. 이를 위해, 차량 내 구비된 별도의 속도 센서 등이 활용될 수 있다.
본 발명에 있어, 상기 S110 및 S120 단계는 서로 독립적으로 동작 가능하며, 바람직하게 상기 S110 및 S120 단계는 실시간적으로 차량의 핸들과 같은 별도의 조향부를 통해 조향각 정보를 획득하고, 차량 내 구비된 별도의 속도 센서를 통해 차량 속도 정보를 획득함으로써 서로 독립적으로 구현될 수 있다.
이하, 상세한 설명에서는 상기 S110 및 S120 단계는 실시간적으로 수행되는 것을 전제로 설명할 것이나, 전체 시스템의 간소화 또는 전체 시스템 동작의 효율성 측면에 있어 상기 S110 및 S120 단계는 본 발명에 따른 특정 시점에만 수행될 수도 있다.
S130 단계에서는 상기 S110 및 S120 단계를 통해 획득된 조향각 정보 및 차량의 속도 정보에 기반하여 각 차륜의 조향각 정보를 산출한다. 구체적으로, 상기 S130 단계에서는 상기 S110 단계를 통해 획득되는 조향각 정보 뿐만 아니라 상기 S120 단계를 통해 획득되는 차량의 속도 정보를 추가적으로 고려하여 이상적인 차륜의 조향각을 산출한다. 이때, 상기 S130 단계를 통해 산출되는 각 차륜의 조향각 정보는 서로 애커만 조건(Ackermann Condition)을 만족하도록 산출될 수 있다.
구체적으로, 상기 S130 단계에서는 하기의 수학식 1에 따라 각 차륜별 이상적인 조향각을 산출하고, S140 단계에서는 상기 S130 단계를 통해 산출된 조향각 정보에 기반하여 전륜의 각 차륜의 조향각을 제어한다.
Figure 112014091333008-pat00001
여기서, δo는 운전자로부터 인가된 조향입력 값이며, w는 속도에 따라 조향각을 보완하는 보완 파라미터이고, δ'는 이에 따라 보완된 조향각을 의미한다.
상기 S130 및 S140 단계에서는 상기 S110 단계를 통해 운전자로부터 획득되는 조향각 정보만을 활용하여 산출된 조향각 정보를 이용하여 각 차륜(전방 좌륜 및 우륜)의 조향각을 제어하는 것이 아니라, 상기 S120 단계를 통해 획득되는 현재 차량 속도 정보를 추가적으로 고려하여 조향각 정보 및 차량의 속도 정보를 모두 고려한 이상적인 조향각 정보를 산출하고, 산출된 조향각 정보에 기반하여 각 차륜의 조향각을 제어한다.
일반적으로 차량의 속도가 느릴 경우에는 언더 스티어링(Under steering, 운전자가 스티어링을 조향한 각도보다 차량의 회전반경가 커지는 현상)에 의해, 차량의 속도가 빠를 경우에는 오버 스티어링(Over steering, 운전자가 스티어링을 조향한 각도보다 차량의 회전반경이 작아지는 현상)에 의해 차량의 미끄러짐 현상이 발생할 수 있다.
이에, 본원 발명의 S130 단계에서는 S120 단계를 통해 획득된 차량의 현재 속도를 활용하여 S110 단계를 통해 획득된 조향각 정보를 보완한 이상적인 조향각 정보를 산출하고, S140 단계에서는 상기와 같은 방법을 통해 산출된 조향각 정보에 기반하여 차륜의 조향각을 제어함으로써 차량 속도에 따른 안전성을 향상시킬 수 잇는 조향각 제어 방법을 제공한다.
일 예로, 본 발명에 따른 S130 및 S140 단계에서는 도 2와 같은 실시예에 따라 운전자로부터 획득된 조향각 정보를 보완하여 이상적인 조향각 정보를 산출하고, 이에 기반하여 각 차륜의 조향각을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따라 정상 동작시의 조향각 보완 방법을 나타낸 도면이다.
도 2의 실시예에 따를 때, 차량의 속도 시속 60km를 기준으로 조향각 정보의 보완 동작이 작동하며, 인가되는 조향각의 크기가 인가된 조향각의 최대 30% 이내로 가정하면, 상기 수학식 1의 w는 하기의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112014091333008-pat00002
여기서, v는 차량의 속도를 의미한다.
상기 수학식 2에 의해 산출되는 선회 중심의 좌표(xc, yc)는 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014091333008-pat00003
이어, 상기 수학식 3을 통해 획득된 선회중심의 좌표 정보를 이용하여 애커만 조건을 만족하는 좌륜의 조향각(δl) 및 우륜의 조향각(δr)은 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014091333008-pat00004
정리하면, 상기 S130 및 S140 단계에서는 상기 수학식 1 내지 수학식 4를 통해 운전자로부터 입력된 조향각 정보 및 현재 차량의 속도 정보를 모두 고려하여 종래 대비 차량의 미끄러짐을 방지할 수 있도록 전방의 좌륜 및 우륜의 조향각을 제어할 수 있다.
다만, 상기 예는 상기와 같은 조향각의 보완 동작이 시속 60km를 기준으로 동작되며, 보완 동작에 의해 조정되는 조향각의 크기를 운전자에 의해 입력된 조향각의 최대 30%이내로 가정한 일 예에 불과하며, 상기 기준 속도 및 조정되는 조향각의 크기 범위는 설계자에 의해 달리 적용될 수도 있다.
S150 단계에서는 상기 S130 및 S140 단계를 통해 차량의 각 차륜이 실제 조향된 조향각 정보에 기반하여 특정 차륜에 대한 조향 제어에 고장이 발생하였는지 여부를 판단한다.
먼저, 상기 S130 단계를 통해 산출된 조향각 정보와 상기 S140 단계를 통해 각 차륜이 실제 조향된 각도 정보가 동일한지 여부를 비교한다. 보다 구체적으로, 상기 S130 단계를 통해 산출된 이상적인 조향각 정보가 상기 S140 단계의 제어 명령을 통해 실제 각 차륜이 조향된 각도 정보와 완전 동일한지 여부를 판단할 수도 있으며, 오차 범위가 일정 이내(예: 5% 이내)인지 여부를 판단하고 각도 정보가 오차 범위 이내일 경우에는 산출된 이상적 조향각 정보와 실제 조향된 각도 정보는 실질적으로 동일하다고 판단할 수도 있다. 이하, 상기 동일인지 여부를 판단하는 방법은 당업자라면 용이하게 채택 가능한 기술 구현 범위 내에서 다양하게 변형 적용될 수 있다.
이와 함께, 도 3에 도시된 방법과 같이 각 차륜이 현재 조향된 각도 정보에 기반하여 전륜의 좌륜 및 우륜이 후륜의 법선과 만나는 x축 좌표의 오차 정보를 획득할 수 있다. 이하, 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따라 특정 차륜의 조향 제어에 고장 발생 여부를 판단하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 3a의 경우와 같이, 차륜의 조향 동작이 정상적으로 동작하는 차량의 각 휠의 법선은 한 점(O)에서 만나게 된다. 즉, 조향 동작이 정상적으로 동작하는 차량의 각 휠은 애커만 조건(Ackermann Condition)에 따라 조향됨으로써 각 휠의 조향 방향에 대한 법선들은 선회 중심(O)인 한 점에서 만나게 된다.
위와 같은 상황에 대한 정보를 수식으로 정리하면 아래와 같다.
전방 좌륜의 법선과 후륜의 법선이 만나는 x축의 좌표는 아래의 수학식 5와 같이 산출할 수 있으며, 전방 우륜의 법선과 후륜의 법선이 만나는 x축의 좌표는 아래의 수학식 6과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112014091333008-pat00005
Figure 112014091333008-pat00006
이때, wf는 전륜간의 거리, af는 차량 중심으로부터 전륜의 중심까지의 거리, ar은 차량 중심으로부터 후륜의 중심까지의 거리, δl은 좌륜의 조향각, δr은 우륜의 조향각을 의미한다.
상기 수학식 5 및 수학식 6에 의해 획득되는 각각의 x축의 좌표간 오차값(e)은 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있으며, 이때 전방 좌륜 및 우륜의 조향각 정보는 애커만 조건을 만족하므로 오차 값은 0이 된다.
Figure 112014091333008-pat00007
반면에, 도 3b의 경우와 같이, 특정 차륜(도 2b에서는 전방 우륜)의 조향 시스템에 고장이 발생하게 되면, 상기 특정 차륜의 조향각은 다른 차륜(도 2b에서는 전방 좌륜)의 조향각과 애커만 조건을 만족하지 못하게 되어 도 2b와 같이 전방 좌륜 및 전방 우륜에 대한 법선이 후륜의 법선과 만나는 지점에 오차가 발생하게 된다.
즉, 도 3b와 같이 특정 차륜의 조향 시스템에 고장이 발생하여 상기 차륜의 조향각이 정상적으로 제어되지 않게 되면, 상기 수학식 7에 따라 산출되는 오차 값(e)은 0보다 커지게 된다.
이와 같은 방법을 통해, 산출되는 오차값(e)을 활용하여 현재 특정 차륜의 조향 제어에 문제가 발생하였는지를 판단할 수 있다. 구체적으로, 상기 S150 단계에서는 상기 수학식 7에 따라 산출되는 오차값(e)이 위험 경계치(dd)보다 큰지 여부를 판단하여 S140 단계 또는 S160 단계에 따른 조향각 제어를 선택적으로 수행할 수 있다.
본 발명에 적용가능한 바람직한 실시예에 있어, 상기 오차값(e)은 아래와 같이 다양한 실시예에 활용될 수도 있다.
e의 범위 차량 상태 판단 운전자 알람 고장대처 수행여부
e<dw 정상 X 미수행
dw≤≤e<dd 고장 O 미수행
dd≤e 고장 O 수행
여기서, dw와 dd는 각각 오차 경고(warning) 경계치 및 위험(danger) 경게치를 의미한다. dw와 dd의 크기는 설계자에 의해 기 설정되는 값으로, 상수 또는 속도 등에 따른 변수로 설정 가능하다.
본 특허에서 dw는 차량의 고장뿐만 아니라 노후화 또는 사용자에 의한 인위적 변경(튜닝 등)에 따라 발생하게 되는 조향 오차에 대하여 운전자에게 경고하기 위하여 설정된 경계값이다. 일 예로,
Figure 112014091333008-pat00008
이면, 본 특허에 따른 조향 시스템은 운전자에게 별도의 알람을 제공함으로써 현재 차량 상태에 문제가 있음을 알릴 수 있다. 다만, 이 경우 상기 오차 값은 조향시스템의 고장, 차량 노후화 또는 튜닝 등 다양한 원인에 의하여 발생할 수 있으며, 이와 같은 경우 조향 제어 모드를 고장 조향 제어 모드로 변경하는 것이 필수적인 것은 아니다.
다만, 또 다른 예로, 만약
Figure 112014091333008-pat00009
이면, 차량은 현재 상태에 문제가 있을 뿐만 아니라 현재 조향 상태를 유지하게 될 경우 차체에도 심각한 균열 등의 데미지를 줄 수 있으므로, 이에 대해 운전자에게 알람을 제공할 뿐만 아니라 S160 단계를 통해 고장 조향각 제어를 수행할 수 있다.
상기 S150 단계를 통해 특정 차륜에 대한 조향 제어가 고장이라고 판단되게 되면, S160 단계에서는 상기 고장난 특정 차륜의 현재 조향각 정보를 바탕으로 다른 차륜의 조향각 정보를 제어하는 고장 조향각 제어 동작을 수행한다.
구체적으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 좌우독립형 조향 제어 시스템에 고장이 발생하게 되면 좌륜 및 우륜은 애커만 조건을 만족하지 못하게 된다. 즉, 좌륜 또는 우륜 중 어느 하나에 대한 조향 제어 시스템에 고장이 발생하게 되면, 도 3b와 같이 두 개의 선회 중심이 생성되게 된다. 다시 말해, 정상적인 조향 제어에 따라 생성된 선회 중심(xc, yc)과 고장으로 인한 선회 중심(xrec, yrec)이 생성되게 된다.
이때, 상기 S160 단계에서는 고장으로 인한 선회 중심 정보에 기반하여 고장나지 않은 차륜의 조향각을 수정하여 전륜의 각 차륜이 애커만 조건을 만족하도록 제어한다.
구체적으로, 고장난 차륜의 현재 조향각 정보를 바탕으로 산출되는 선회중심 정보(xrec, yrec)를 상기 수학식 5 또는 수학식 6에 대입하게 되면, 하기의 수학식 8(전방 좌륜에 고장 발생시) 또는 수학식 9(전방 우륜에 고장 발생시)을 얻을 수 있다.
Figure 112014091333008-pat00010
Figure 112014091333008-pat00011
즉, 상기 수학식 8 또는 수학식 9를 통해, 고장으로 인한 선회 중심에 대한 x 좌표 정보를 획득하면 상기 획득된 x 좌표 정보를 이용하여 고장나지 않은 타측 차륜의 조향각을 산출할 수 있다. 구체적으로, 전방 좌륜에 고장이 발생한 경우에는 수학식 8를 통해 획득된 선회 중심 정보를 상기 수학식 6의 x 좌표로 대입합으로써 애커만 조건을 만족하는 우륜의 조향각을 산출할 수 있다(반대로, 전방 우륜에 고장이 발생한 경우에는 수학식 9 및 수학식 5를 활용하여 애커만 조건을 만족하는 좌륜의 조향각을 산출할 수 있다).
상기와 같은 방법을 통해 특정 차륜의 조향에 고장 발생시 타측 차륜의 조향각 정보는 하기의 표 2와 같이 획득할 수 있다.
좌륜 우륜
좌륜 고장
Figure 112014091333008-pat00012
우륜
Figure 112014091333008-pat00013
 고장
상기 표 2에 도시된 바와 같이, 상기 S160 단계에서는 산출된 타측 차륜의 조향각 정보를 이용하여 상기 타측 차륜의 조향각을 제어한다. 이를 통해, 특정 차륜의 조향 제어에 고장이 발생한다 하여도 다른 차륜의 조향각을 상기 고장난 차륜의 현재 조향각과 애커만 조건을 만족하도록 조정함으로써 차체 안정성을 높일 수 있다.
이하, 도 4에서는 상기와 같은 좌우독립형 조향 제어 방법이 동작되는 전체 시스템에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 좌우독립형 조향 제어 방법에 대한 상세한 설명을 통해 상술한 사항과 중복되는 사항에 대해서는 간략히 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 좌우독립형 조향 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 좌우 독립 조향 제어 시스템은 정보 획득부(410), 정상 조향 제어 구동부(420), 고장 여부 판단부(430), 고장 조향 제어 구동부(440)를 포함한다. 이때, 차량 내부에는 각 차륜의 조향각을 제어하는 조향 구동부(450)가 별도로 구비될 수 있다.
정보 획득부(410)는 운전자로부터 입력되는 조향각 정보 및 차량의 속도 정보를 획득한다. 일 예로, 상기 정보 획득부(410)는 운전자가 스티어링을 조향한 각도 정보를 산출하는 차량제어기(ECU, Electronic Control Unit)를 통해 운전자로부터 입력되는 조향각 정보를 획득할 수 있으며, 차량 내 구비된 별도의 속도 센서를 통해 현재 차량의 속도 정보를 획득할 수 있다.
정상 조향 제어 구동부(420)는 상기 정보 획득부(410)를 통해 획득된 조향각 정보 및 차량의 속도 정보에 기반하여 각 차륜의 이상적인 조향각을 산출하고, 산출된 조향각에 따라 각 차륜이 조향되도록 제어한다. 이를 위해, 상기 정상 조향 제어 구동부(420)는 별도로 구비된 조향 구동부(450)로 하여금 산출된 조향각에 따라 각 차륜의 조향각이 제어되도록 할 수 있다.
이에 대한 동작 방법에 대해서는 앞서 설명한 S130 및 S150 단계를 통해 상세히 설명한 바 이하 생략한다.
고장 여부 판단부(430)는 각 차륜의 실제 조향각 정보에 기반하여 특정 차륜에 대한 조향 고장 여부를 판단한다. 구체적으로, 상기 고장 여부 판단부(430)는 상기 정상 조향각 제어 구동부(420)에 의해 산출된 조향각 정보와 실제 조향된 각도 정보 등을 비교하여 특정 차륜에 대한 조향 제어에 고장이 발생하였는지를 판단할 수 있다. 이를 위해, 고장 여부 판단부(430)는 각 차륜에 구비된 조향각 센서를 통해 각 차륜이 실제 조향된 각도 정보를 획득할 수 있다.
고장 조향 제어 구동부(440)는 상기 고장 여부 판단부(430)를 통해 특정 차륜의 조향에 고장이 발생하였다고 판단하 경우, 상기 차륜이 현재 조향된 각도 정보에 기반하여 다른 차륜의 조향각을 제어한다.
본 발명에 적용가능한 바람직한 실시예에서 상기 고장 조향 제어 구동부(440)는 상기 정상 조향 제어 구동부(420)와 독립적으로 구성되고, 상기 정상 조향 제어 구동부(420)보다도 우선하여 각 차륜의 조향각을 제어할 수 있다
구체적으로, 본 발명에 대한 바람직한 실시예에서 상기 정상 조향 제어 구동부(420) 및 고장 조향 제어 구동부(440)는 도 4와 같이 서로 구분되는 독립적인 모듈로 구성될 수 있으며, 조향 구동부(450)로 상기 정상 조향 제어 구동부(420) 및 고장 조향 제어 구동부(440)의 제어 명령이 동시에 입력될 경우, 상기 조향 구동부는 우선적으로 상기 고장 조향 제어 구동부(440)의 제어 명령에 따라 차륜의 조향각을 제어할 수 있다.
이에 따라, 차량 조향에 고장이 발생하게 되면 이에 따라 안정적인 차량의 조향 제어를 우선적으로 수행함으로써 운전자의 안전성을 높일 수 있다는 특징이 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 좌우 독립형 조향 제어 시스템
410: 정보 획득부 420: 정상 조향 제어 구동부
430: 고장 여부 판단부 440: 고장 조향 제어 구동부
450: 조향 구동부

Claims (12)

  1. 운전자로부터 조향각 정보를 획득하는 조향각 정보 획득 단계;
    차량의 속도 정보를 획득하는 속도 정보 획득 단계;
    상기 획득된 조향각 정보 및 속도 정보에 기반하여 각 차륜의 조향각을 산출하는 정상 조향각 산출 단계;
    상기 산출된 조향각에 따라 각 차륜의 조향각을 제어하는 정상 조향각 제어 단계;
    각 차륜의 실제 조향각 정보에 기반하여 특정 차륜에 대한 조향 고장 여부를 판단하는 고장 여부 판단 단계; 및
    상기 고장 여부 판단 단계를 통해 특정 차륜의 조향에 고장이 발생하였다고 판단하는 경우, 상기 차륜이 현재 조향된 각도 정보에 기반하여 다른 차륜의 조향각을 제어하는 고장 조향각 제어 단계;를 포함하고,
    상기 고장 여부 판단 단계는,
    상기 정상 조향각 제어 단계를 통해 실제 조향된 각 차륜의 조향각이 상기 정상 조향각 산출 단계를 통해 산출된 각 차륜의 조향각 정보와 동일한지 여부를 비교하는 단계;
    각 차륜이 현재 조향된 각도 정보에 기반하여 전륜의 좌륜 및 우륜의 법선이 후륜의 법선과 만나는 x축 좌표의 오차 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 오차 정보가 위험 경계치 이상일 경우 각 차륜 중 실제 조향된 조향각과 산출된 조향각 정보가 상이한 차륜에 대해 조향 고장이 발생했다고 판단하는 단계;를 포함하는 좌우독립형 조향 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 조향각 정보 획득 단계는,
    별도의 조향부를 통해 운전자로부터 입력되는 조향각 정보를 획득하고,
    상기 속도 정보 획득 단계는,
    별도의 속도 센서로부터 차량의 속도 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 좌우독립형 조향 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 오차 정보가 경고 경계치 이상일 경우에는 운전자에게 알람을 제공하는 단계;를 더 포함하는 좌우독립형 조향 제어 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 정상 조향각 제어 단계는,
    하기의 수학식 1에 따라 각 차륜의 조향각을 제어하는 좌우독립형 조향 제어 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112014091333008-pat00014

    Figure 112014091333008-pat00015

    (여기서 w는 속도에 따른 조향각 보정 변수, v는 차량의 속도, δo는 운전자로부터 획득된 조향각 정보, af는 차량 중심으로부터 전륜의 중심까지의 거리, ar은 차량 중심으로부터 후륜의 중심까지의 거리, wf는 전륜간의 거리, xc는 선회중심의 x 좌표, yc는 선회중심의 y좌표, δl'은 조향되는 좌륜 조향각, δr'은 조향되는 우륜 조향각)
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 고장 조향각 제어 단계는,
    고장난 차륜의 현재 조향각 정보를 바탕으로 선회중심 정보를 획득하는 단계;
    획득된 선회중심 정보를 이용하여 고장나지 않은 타측 차륜의 조향각을 산출하는 단계; 및
    산출된 조향각에 따라 타측 차륜의 조향각을 제어하는 단계;를 포함하는 좌우독립형 조향 제어 방법.
  7. 운전자로부터 입력되는 조향각 정보 및 차량의 속도 정보를 획득하는 정보 획득부;
    상기 조향각 정보 및 차량의 속도 정보에 기반하여 각 차륜의 조향각을 산출하고, 산출된 조향각에 따라 각 차륜이 조향되도록 제어하는 정상 조향 제어 구동부;
    각 차륜의 실제 조향각 정보에 기반하여 특정 차륜에 대한 조향 고장 여부를 판단하는 고장 여부 판단부; 및
    상기 고장 여부 판단부를 통해 특정 차륜의 조향에 고장이 발생하였다고 판단하는 경우, 상기 차륜이 현재 조향된 각도 정보에 기반하여 다른 차륜의 조향각을 제어하는 고장 조향 제어 구동부;를 포함하고,
    상기 고장 여부 판단부는,
    상기 정상 조향 제어 구동부에 의해 산출된 조향각 정보와 실제 조향된 각 차륜의 조향각 정보가 동일한지 여부를 비교하고,
    각 차륜이 현재 조향된 각도 정보에 기반하여 전륜의 좌륜 및 우륜의 법선이 후륜의 법선과 만나는 x축 좌표의 오차 정보를 획득하고,
    상기 오차 정보가 위험 경계치 이상일 경우에는 각 차륜 중 실제 조향된 조향각과 산출된 조향각 정보가 상이한 차륜에 대해 조향 고장이 발생했다고 판단하는 좌우독립형 조향 제어 시스템.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 정상 조향 제어 구동부는,
    하기의 수학식 2에 따라 각 차륜의 조향각을 제어하는 좌우독립형 조향 제어 시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112014091333008-pat00016

    Figure 112014091333008-pat00017

    (여기서 w는 속도에 따른 조향각 보정 변수, v는 차량의 속도, δo는 운전자로부터 획득된 조향각 정보, af는 차량 중심으로부터 전륜의 중심까지의 거리, ar은 차량 중심으로부터 후륜의 중심까지의 거리, wf는 전륜간의 거리, xc는 선회중심의 x 좌표, yc는 선회중심의 y좌표, δl'은 조향되는 좌륜 조향각, δr'은 조향되는 우륜 조향각)
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 고장 조향 제어 구동부는,
    상기 정상 조향 제어 구동부와 독립적으로 구성되고,
    상기 정상 조향 제어 구동부보다 우선하여 각 차륜의 조향각을 제어하는 것을 특징으로 하는 좌우독립형 조향 제어 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 고장 조향 제어 구동부는,
    고장난 차륜의 현재 조향각 정보를 바탕으로 선회중심 정보를 획득하고,
    획득된 선회중심 정보를 이용하여 고장나지 않은 타측 차륜의 조향각을 산출하고,
    산출된 조향각에 따라 타측 차륜의 조향각을 제어하는 것을 특징으로 하는 좌우독립형 조향 제어 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 고장 조향 제어 구동부는,
    좌륜이 고장시에는 하기의 수학식 3에 따라 우륜의 조향각을 제어하고,
    우륜이 고장시에는 하기의 수학식 4에 따라 좌륜의 조향각을 제어하는 것을 특징으로 하는 좌우독립형 조향 제어 시스템.
    [수학식 3]
    Figure 112014091333008-pat00018

    [수학식 4]
    Figure 112014091333008-pat00019

    (이때, af는 차량 중심으로부터 전륜의 중심까지의 거리, ar은 차량 중심으로부터 후륜의 중심까지의 거리, wf는 전륜간의 거리, xrec는 고장난 차륜(좌륜 또는 우륜)의 조향 상태에 따라 설정되는 선회 중심의 x 좌표)
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