KR101786323B1 - 차량용 노면상태 감지시스템 및 감지방법 - Google Patents

차량용 노면상태 감지시스템 및 감지방법 Download PDF

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박재형
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현대자동차주식회사
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Abstract

차량의 가속도 신호로부터 동적 타이어 접지력을 추정하는 접지력 추정단계; 접지력 추정단계에서 추정된 동적 타이어 접지력을 바탕으로 비교값을 계산하는 비교값 계산단계; 차량의 자이로 센서로부터 피치각속도(Pitch rate) 값 계산하는 피치각속도 계산단계; 및 제어부가 비교값, 피치각속도 값 및 비교기준값을 비교하여 노면상태를 판단하는 노면상태 판단단계;를 포함하는 차량용 노면상태 감지방법이 소개된다.

Description

차량용 노면상태 감지시스템 및 감지방법 {ROAD CONDITION SENSING APPARATUS FOR VEHICLE AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 차량의 진동을 저감시켜 승차감을 향상시키기 위한 전자제어 현가장치의 제어방법에 대한 것으로써 구체적으로는 다양한 노면의 상태를 파악하기 위한 방법에 관한 것이다.
차량의 현가장치는 차체의 주행시 노면에서 전달되는 진동을 흡수하여 승객실 내부로의 전달을 차단하고, 노면의 상황에 따라 안정적인 차체의 자세를 유지할 수 있도록 하여 주행안정성을 향상시키는 역할을 수행한다.
최근에는 전자적으로 노면의 상황에 따라 현가장치를 제어하여 보다 편안하고 정숙한 주행환경을 조성하고 보다 안정적인 주행성능을 발휘하는 단계에 이르렀다.
기존의 전자제어 현가장치는 차체의 운동에 대해서 적절한 제어력을 계산하여 이를 가변댐퍼를 통해서 현가장치의 강성을 변형시킴으로써 구현한다. 차체의 자세변화인 바운스/롤/피치 등의 자세변화에 대해서는 댐퍼를 HARD하게 제어하는 것이 유리하며, 그 이상의 고주파수 영역에서는 SOFT하게 제어하는 것이 승차감 차원에서 유리하다. 하지만 댐퍼의 강성을 실시간으로 다양한 노면 및 주행상황에서 제어하는 것은 상충되게 제어해야하는 특성상 매우 어렵다. 따라서 노면의 다양한 상태를 세밀하게 판단하여 노면상태의 판단오차에 따른 무의미안 현가장치 강성변화를 줄여 최적으로 제어하는 것이 필요하다
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2013-0053701 A
본 발명은 주행도로의 노면상태를 파악함에 있어 단순 요철도로, 험로, 양로, 과속방지턱 등을 정밀하게 인식할 수 있는 차량용 노면상태 감지시스템 및 감지방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 노면상태 감지시스템 및 감지방법은 차량의 가속도 신호로부터 동적 타이어 접지력을 추정하는 접지력 추정단계; 접지력 추정단계에서 추정된 동적 타이어 접지력을 바탕으로 비교값을 계산하는 비교값 계산단계; 차량의 자이로 센서로부터 피치각속도(Pitch rate) 값 계산하는 피치각속도 계산단계; 및 제어부가 비교값, 피치각속도 값 및 비교기준값을 비교하여 노면상태를 판단하는 노면상태 판단단계;를 포함한다.
접지력 추정단계의 동적 타이어 접지력은 아래의 식을 통해 도출될 수 있다.
Figure 112016035473351-pat00001
Figure 112016035473351-pat00002
비교값 계산단계의 비교값은 아래의 식을 통해 도출될 수 있다.
Figure 112016035473351-pat00003
노면상태 판단단계의 비교기준값은 제1비교기준값, 제2비교기준값, 제3비교기준값으로 구성되고, 제어부는 피치각속도값이 제1비교기준값보다 작고, 비교값이 제2비교기준값보다 큰 경우 현재 노면상태를 과속방지턱을 통과하는 것으로 판단할 수 있다.
노면상태 판단단계의 비교기준값은 제1비교기준값, 제2비교기준값, 제3비교기준값으로 구성되고, 제어부는 현재 노면상태가 과속방지턱을 통과하지 않는 것으로 판단되고, 비교값이 제3비교기준값보다 큰 경우 험로를 통과하는 것으로 판단할 수 있다.
노면상태 판단단계의 비교기준값은 제1비교기준값, 제2비교기준값, 제3비교기준값으로 구성되고, 제어부는 현재 노면상태가 과속방지턱을 통과하지 않는 것으로 판단되고, 비교값이 제3비교기준값보다 작거나 같은 경우 양로를 통과하는 것으로 판단할 수 있다.
노면상태 판단단계의 제3비교기준값은 복수개의 값으로 세분화되고, 제어부는 세분화된 제3비교기준값을 바탕으로 제3비교기준값의 개수에 대응하도록 험로의 정도를 세분화하여 감지할 수 있다.
차체의 가속도를 측정하는 차체 가속도 센서; 휠의 가속도를 측정하는 휠 가속도 센서; 차체의 피치각속도를 측정하는 자이로 센서; 및 가속도 센서, 휠 가속도 센서 및 자이로 센서로부터 얻어진 정보를 바탕으로 차량의 노면상태를 감지하는 제어부;를 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 차량용 노면상태 감지시스템 및 감지방법에 따르면, 노면의 거칠기 상태를 비교기준값을 세분화하여 판단함으로써 정밀하게 파악하고 이를 바탕으로 현가장치의 강성을 제어하여 차체의 안정적인 자세제어를 통한 주행성능의 확보와 안락한 승차감을 제공할 수 있게된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 노면상태 감지시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 노면상태 감지방법의 순서도
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 노면상태 감지시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 노면상태 감지방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 차량용 노면상태 감지방법은 도 2에 도시된 바와 같이 차량의 가속도 신호로부터 동적 타이어 접지력을 추정하는 접지력 추정단계(S100); 접지력 추정단계(S100)에서 추정된 동적 타이어 접지력을 바탕으로 비교값을 계산하는 비교값 계산단계(S200); 차량의 자이로 센서(105)로부터 피치각속도(Pitch rate) 값 계산하는 피치각속도 계산단계(S300); 및 제어부(200)가 비교값, 피치각속도 값 및 비교기준값을 비교하여 노면상태를 판단하는 노면상태 판단단계(S400);를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 차량용 노면상태 감시지스템은 차체의 가속도를 측정하는 차체 가속도 센서(103); 휠의 가속도를 측정하는 휠 가속도 센서(101); 차체의 피치각속도를 측정하는 자이로 센서(105); 및 차체 가속도 센서(103), 휠 가속도 센서(101) 및 자이로 센서(105)로부터 얻어진 정보를 바탕으로 차량의 노면상태를 감지하는 제어부(200);를 포함한다.
접지력 추정단계(S100)의 동적타이어 접지력은 차체와 휠의 가속도 값을 바탕으로 추정한다. 구체적으로 접지력 추정단계(S100)의 동적 타이어 접지력은 아래의 식을 통해 도출될 수 있다.
Figure 112016035473351-pat00004
Figure 112016035473351-pat00005
Sprung 질량값은 차체의 상하진동과 롤링(Rolling), 피칭(Pitching)운동에 주로 관여되는 질량값으로 현가장치의 스프링이 지지하는 질량값 즉, 차체의 질량값을 의미한다. Unsprung 질량값은 차체의 전후진동과 요잉(yawing)운동에 주로 관여하는 질량값으로 현가장치의 스프링을 지지하는 질량값 즉, 휠과 타이어 및 현가징치의 부품 등의 질량을 의미한다. Sprung mass의 가속도 값 및 Unsprung mass의 가속도 값은 지면에 대해서 상하방향의 변위에 대한 2계 미분값으로 가속도 값을 의미한다. 차량이 험로를 달리거나 과속방지턱 등의 도로의 지형지물을 지나가게 되면 상하방향으로의 가속도값이 발생하게 되고 이에 따라 수직항력의 변화가 발생하여 타이어의 접지력에 변화가 생기는 것이다. 기본적으로 이것을 통하여 노면의 상태의 변화를 감지하고자 한다.
비교값 계산단계(S200)의 비교값은 아래의 식을 통해 도출될 수 있다.
Figure 112016035473351-pat00006
RMS값이란 실효값을 의미하는 것으로 T1과 T2의 시간은 다양한 반복적 실험결과에 의해 도출된 값으로써 T1시간이 T2시간보다 짧게 형성되며, 구체적 수치로는 T1은 약 1.5초 내외의 값 T2는 약 3초 내외의 값이 바람직하다. 이는 일정 시점을 기준으로 1.5초 동안의 동적타이어 접지력의 실효값과 3초 동안의 동적타이어 접지력의 실효값을 의미하는 것이다.
갑작스러운 노면 상태의 변화가 발생하는 경우, T1시간 동안의 동적타이어 접지력의 실효값은 큰 변화를 보일 것이나, T2시간 동안의 동적타이어 접지력의 실효값은 상대적으로 작은 변화를 보일 것이다. 이 때 양 실효값의 차이를 구함으로써 해당 시간동안의 타이어 동적 접지력의 변화를 통해 갑작스러운 노면상태의 변화여부를 측정할 수 있게 된다.
구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 노면상태 판단단계(S400)의 비교기준값은 제1비교기준값, 제2비교기준값, 제3비교기준값으로 구성되고, 제어부(200)는 피치각속도값이 제1비교기준값보다 작고, 비교값이 제2비교기준값보다 큰 경우 현재 노면상태를 과속방지턱을 통과하는 것으로 판단할 수 있다.
제1비교기준값은 피치각속도 값과의 비교를 통해 노면상태의 변화를 판단하기 위한 것이며 미리 정해진 값으로써 그 성질은 피치각속도 값과 동일하다. 제2비교기준값 및 제3비교기준값은 비교값과의 비교를 통해 노면상태의 변화를 판단하기 위한 것이며 미리 정해진 값으로써 그 성질은 비교값과 동일하다.
노면상태 판단단계(S400)는 피치각속도와 제1비교기준값을 비교하고 비교값과 제2비교기준값을 비교하는 단계(S401)와 비교값을 제3비교기준값과 비교하는 단계(S403)로 구성된다.
과속방지턱을 통과하는 차량의 거동을 살펴보면, 먼저 전륜이 과속방지턱에 진입함에따라 차체의 전방이 들렸다 내려가고 후에 후륜이 과속방지턱을 통과하면서 다시 차체의 후방이 들렸다 내려가게 된다. 이 과정에서 차체의 피칭운동이 발생하게 된다. 하지만 반드시 과속방지턱을 통과할 때만 피칭운동이 일어나는 것이 아니기 때문에 이를 구분할 수 있는 기준이 필요하다. 다만 과속방지턱의 경우 일정범위의 표준화된 규격이 존재하므로 피칭운동의 정도를 예측할 수 있다. 이것이 제1비교기준값에 해당한다.
또한, 과속방지턱의 경우 평평한 양로 도중에 위치하는 만큼 갑작스러운 동적 타이어 마찰력의 변화를 보이게 되고, 이 또한 일정범위의 표준화된 규격의 과속방지턱의 경우 예측할 수 있게 되므로 이 값을 제2비교기준값으로 하여 과속방지턱의 통과여부를 판단할 수 있게 된다.
이 두가지 조건을 모두 만족하여야 과속방지턱의 통과로 판단하기 때문에 도로 상의 일시적인 요철이나 장애물은 과속방지턱의 통과로 판단하지 않게된다.
노면상태 판단단계(S400)의 비교기준값은 제1비교기준값, 제2비교기준값, 제3비교기준값으로 구성되고, 제어부(200)는 현재 노면상태가 과속방지턱을 통과하지 않는 것으로 판단되고, 비교값이 제3비교기준값보다 큰 경우 험로를 통과하는 것으로 판단할 수 있다.
노면상태 판단단계(S400)의 비교기준값은 제1비교기준값, 제2비교기준값, 제3비교기준값으로 구성되고, 제어부(200)는 현재 노면상태가 과속방지턱을 통과하지 않는 것으로 판단되고, 비교값이 제3비교기준값보다 작거나 같은 경우 양로를 통과하는 것으로 판단할 수 있다.
노면상태 판단단계(S400)의 제3비교기준값은 복수개의 값으로 세분화되고, 제어부(200)는 세분화된 제3비교기준값을 바탕으로 제3비교기준값의 개수에 대응하도록 험로의 정도를 세분화하여 감지할 수 있다.
과속방지턱의 통과가 아닌 것으로 판단된 경우는 요철이 있는 험로를 주행하는 경우나 평평한 양로를 달리는 경우가 있을 수 있다. 양로의 경우에는 상하방향의 차체운동이 적으므로 동적 타이어 접지력의 변화가 적을 것인바, 비교값이 0이거나 매우 작은 값으로 측정될 것이다. 이를 통해서 양로의 주행 여부를 판단할 수 있다.
다만, 험로를 주행하는 경우에는 비교값이 다양하게 나타날 것이나, 험로의 정도에 따라 비교값의 크기가 달라질 것이므로, 이를 판단하기 위한 기준값이 제3비교기준값이다. 제2비교기준값과 비교하였을때 제3비교기준값이 크 수치를 갖도록 설정된다. 본 발명에서는 예시적으로 험로를 판단하기 위한 기준으로 제3비교기준값 하나만을 제시하고 있으나, 그 기준값을 세분화하여 다양하게 마련하는 경우 험로를 좀 더 정밀하게 판단할 수 있게 된다.
이 값을 바탕으로 전자제어 현가장치의 강성을 조절하게 되면, 보다 안정적이고 정숙한 승차감을 확보할 수 있게된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
101 : 휠 가속도 센서 103 : 차체 가속도 센서
105 : 자이로 센서 200 : 제어부
S100 : 접지력 추정단계 S200 : 비교값 계산단계
S300 : 피치각속도 계산단계 S400 : 노면상태 판단단계

Claims (8)

  1. 차량의 가속도 신호로부터 동적 타이어 접지력을 추정하는 접지력 추정단계;
    접지력 추정단계에서 추정된 동적 타이어 접지력을 바탕으로 비교값을 계산하는 비교값 계산단계;
    차량의 자이로 센서로부터 피치각속도(Pitch rate) 값 계산하는 피치각속도 계산단계; 및
    제어부가 비교값, 피치각속도 값 및 비교기준값을 비교하여 노면상태를 판단하는 노면상태 판단단계;를 포함하는 차량용 노면상태 감지방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    접지력 추정단계의 동적 타이어 접지력은 아래의 식을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 차량용 노면상태 감지방법.
    Figure 112016035473351-pat00007

    Figure 112016035473351-pat00008
  3. 청구항 1에 있어서,
    비교값 계산단계의 비교값은 아래의 식을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 차량용 노면상태 감지방법.
    Figure 112016035473351-pat00009
  4. 청구항 3에 있어서,
    노면상태 판단단계의 비교기준값은 제1비교기준값, 제2비교기준값, 제3비교기준값으로 구성되고,
    제어부는 피치각속도값이 제1비교기준값보다 작고, 비교값이 제2비교기준값보다 큰 경우 현재 노면상태를 과속방지턱을 통과하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 노면상태 감지방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    노면상태 판단단계의 비교기준값은 제1비교기준값, 제2비교기준값, 제3비교기준값으로 구성되고,
    제어부는 현재 노면상태가 과속방지턱을 통과하지 않는 것으로 판단되고, 비교값이 제3비교기준값보다 큰 경우 험로를 통과하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 노면상태 감지방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    노면상태 판단단계의 비교기준값은 제1비교기준값, 제2비교기준값, 제3비교기준값으로 구성되고,
    제어부는 현재 노면상태가 과속방지턱을 통과하지 않는 것으로 판단되고, 비교값이 제3비교기준값보다 작거나 같은 경우 양로를 통과하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 노면상태 감지방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    노면상태 판단단계의 제3비교기준값은 복수개의 값으로 세분화되고, 제어부는 세분화된 제3비교기준값을 바탕으로 제3비교기준값의 개수에 대응하도록 험로의 정도를 세분화하여 감지하는 것을 특징으로 하는 차량용 노면상태 감지방법.
  8. 차체의 가속도를 측정하는 차체 가속도 센서;
    휠의 가속도를 측정하는 휠 가속도 센서;
    차체의 피치각속도를 측정하는 자이로 센서; 및
    가속도 센서, 휠 가속도 센서 및 자이로 센서로부터 얻어진 정보를 바탕으로 차량의 노면상태를 감지하는 제어부;를 포함하는 차량용 노면상태 감지시스템.
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