KR102200521B1 - 차량의 횡슬립각 추정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 횡슬립각 추정장치에 관한 것으로, 차량에 장착된 각종 센서를 통해 차량정보를 검출하는 검출부, 상기 차량정보를 입력받으면 차량 모델을 이용하여 모델 횡슬립각, 모델 횡슬립각 미분치 및 모델 센서 오프셋을 연산하는 차량 모델 기반 추정부, 상기 차량정보를 이용하여 조향 인덱스를 추정하는 조향 인덱스 연산부, 상기 조향 인덱스에 근거하여 횡슬립각 가중치, 횡슬립각 미분치 가중치, 센서 오프셋 가중치를 결정하는 가중치 연산부, 상기 차량정보를 이용하여 횡슬립각 미분치를 연산하는 센서 신호 기반 추정부, 및 상기 모델 횡슬립각, 상기 모델 횡슬립각 미분치, 상기 모델 센서 오프셋, 상기 횡슬립각 가중치, 횡슬립각 미분치 가중치, 센서 오프셋 가중치 및 센서 횡슬립각 미분치를 이용하여 최종 횡슬립각, 최종 횡슬립각 미분치 및 최종 센서 오프셋을 추정하는 추정치 융합부를 포함한다.

Description

차량의 횡슬립각 추정장치{ESTIMATION DEVICE OF LATERAL SLIP FOR VEHICLE}
본 발명은 차량에 장착된 각종 센서를 통해 측정된 데이터를 이용하여 차량의 횡슬립각을 추정하는 차량의 횡슬립각 추정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전자식 주행 안정화 시스템(Electronic Stability Control, ESC)은 ABS(anti-lock brake system)와 TCS(traction control system) 계통을 통합 제어하여 위급한 상황에서 차량 자세를 안정적으로 유지하게 한다.
이러한 전자식 주행 안정화 시스템은 차량 센서를 통해 차량의 횡방향 속도를 측정함으로써 차량의 횡슬립각을 검출하거나, 요레이트(Yaw Rate) 센서 및 횡가속도 센서를 이용하여 차량의 횡방향 속도를 측정하여 적분함으로써 차량의 횡슬립각을 추정한다. 여기서, 요레이트 센서 및 횡가속도 센서를 이용하여 차량의 횡방향 속도를 측정하여 횡슬립각을 추정하는 경우, 센서의 오프셋(offset) 에러의 누적으로 인하여 횡슬립각 미분치가 발산하는 문제가 있다.
이를 해결하기 위하여, 종래에는 조향각 센서, 요레이트 센서 및 횡가속도 센서를 이용하여 차량의 주행상태(직진상태/정상상태/천이상태)를 판단하고, 판단된 주행상태에 따라 차량모델이 성립하는 경우 차량모델을 기초로 한 수식을 통해 차량의 횡슬립각을 추정하며, 차량모델이 성립하지 않은 경우에는 적분법에 의한 수식을 통해 차량의 횡슬립각을 추정한다.
그러나, 종래기술은 차량의 횡방향 속도 적분 시 발생하는 발산 문제를 해결하기 위해 차량상태를 확인하여 천이상태 시에만 적분을 하도록 하나, 천이상태가 장기화되는 경우 센서 오프셋으로 인한 발산문제는 계속 발생하게 된다.
또한, 종래기술은 순수 적분에 의한 발산문제 및 노면 횡경사각 주행 시 차량의 횡슬립각 오추정 문제가 발생한다.
또한, 종래기술은 주행상황에 따라 차량 모델 기반 추정 또는 센서 신호 기반 추정 중 어느 하나를 선택하여 차량의 횡슬립각을 추정하므로, 차량 모델 기반 추정 시 추정 성능이 다소 떨어진다.
KR 100235795 B1
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 차량모델과 센서 신호의 융합을 통해 센서의 등가 오프셋과 차량의 횡슬립각을 동시에 추정하며 주행상황을 조향 인덱스 기반으로 분류하고 각 상황별로 모델간의 가중치를 결정하여 차량의 횡슬립각을 추정하는 차량의 횡슬립각 추정장치를 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 차량의 횡슬립각 추정장치는 차량에 장착된 각종 센서를 통해 차량정보를 검출하는 검출부, 상기 차량정보를 입력받으면 차량 모델을 이용하여 모델 횡슬립각, 모델 횡슬립각 미분치 및 모델 센서 오프셋을 연산하는 차량 모델 기반 추정부, 상기 차량정보를 이용하여 조향 인덱스를 추정하는 조향 인덱스 연산부, 상기 조향 인덱스에 근거하여 횡슬립각 가중치, 횡슬립각 미분치 가중치, 센서 오프셋 가중치를 결정하는 가중치 연산부, 상기 차량정보를 이용하여 횡슬립각 미분치를 연산하는 센서 신호 기반 추정부, 및 상기 모델 횡슬립각, 상기 모델 횡슬립각 미분치, 상기 모델 센서 오프셋, 상기 횡슬립각 가중치, 횡슬립각 미분치 가중치, 센서 오프셋 가중치 및 센서 횡슬립각 미분치를 이용하여 최종 횡슬립각, 최종 횡슬립각 미분치 및 최종 센서 오프셋을 추정하는 추정치 융합부를 포함한다.
상기 검출부는 조향각 센서, 차속 센서, 조향각속도 센서, 횡가속도 센서 및 요레이트 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 모델 기반 추정부는 상기 차량정보로 조향각 및 차속을 입력받고, 상기 추정치 융합부로부터 이전 단계에서 추정된 최종 횡슬립각, 최종 횡슬립각 미분치 및 최종 센서 오프셋을 피드백받는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 모델은 횡슬립각과 횡슬립각 미분치를 출력하는 2 자유도 차량 모델인 것을 특징으로 한다.
상기 조향 인덱스 연산부는 상기 차량정보로 조향각, 조향각속도 및 차속을 이용하여 조향 인덱스를 연산하는 것을 특징으로 한다.
상기 조향 인덱스는 차량 요 거동 변화의 정도인 것을 특징으로 한다.
상기 센서 신호 기반 추정부는 상기 차량정보로 차속, 횡가속도 및 요레이트를 이용하여 횡슬립각 미분값을 연산하는 것을 특징으로 한다.
상기 추정치 융합부는 모델 횡슬립각, 횡슬립각 가중치, 모델 횡슬립각 미분치, 센서 횡슬립각 미분치 및 모델 센서 오프셋을 융합하여 최종 횡슬립각을 추정하는 횡슬립각 융합부, 모델 횡슬립각 미분치, 횡슬립각 미분치 가중치, 센서 횡슬립각 미분치 및 모델 센서 오프셋를 융합하여 최종 횡슬립각 미분치를 추정하는 횡슬립각 융합부 및 모델 센서 오프셋, 센서 오프셋 가중치, 모델 횡슬립각 미분치 및 센서 횡슬립각 미분치를 융합하여 최종 센서 오프셋을 추정하는 센서 오프셋 융합부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 센서 오프셋에 의한 추정치의 발산 문제 및 도로 횡경사각에 의한 추정 정확도 저하 문제를 근본적으로 해결하여 차량의 횡방향 거동에 중요 신호(횡슬립각)를 발산없이 정확히 추정할 수 있게 한다. 따라서, 차량의 현재 주행상황을 정확히 판단하고 그 주행상황에 최적의 차량 다이나믹(Dynamics) 제어를 수행하여 주행 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 차량 천이상태가 장기화되는 경우 추정치 발산으로 인한 오제어를 방지할 수 있으며, 횡경사각 노면에서의 오추정을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 횡슬립각 추정장치를 도시한 블록구성도.
도 2는 본 발명과 관련된 조향 인덱스에 따른 횡슬립각 가중치, 횡슬립각 미분치 가중치 및 센서 오프셋 가중치를 도시한 그래프.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 횡슬립각 추정 결과를 도시한 그래프.
본 명세서에 기재된 "포함하다", "구성하다", "가지다" 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일", "하나" 및 "그" 등의 관사는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 차량에 장착된 각종 센서에 의해 측정된 데이터를 이용하여 차량의 주행성능을 판단하는 주요 지표 중 하나인 횡슬립각을 추정하는 것으로, 횡경사각 및 센서의 오프셋(offset)과 같은 외란 요소의 영향을 최소화하여 차량의 횡슬립각을 추정한다.
횡슬립각은 차량의 진행(heading)방향과 실제 진행 방향의 차이로, 주행속도, 조향 및 노면 상태에 따라 결정된다. 횡슬립각은 차량의 주행 궤적(공전) 및 요겨동(자전)의 차이로 인해 발생된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 횡슬립각 추정장치를 도시한 블록구성도이고, 도 2는 본 발명과 관련된 조향 인덱스에 따른 횡슬립각 가중치, 횡슬립각 미분치 가중치 및 센서 오프셋 가중치를 도시한 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 차량의 횡슬립각 추정장치는 검출부(110), 차량 모델 기반 추정부(120), 조향 인덱스 연산부(130), 가중치 연산부(140), 센서 신호 기반 추정부(150), 추정치 융합부(160)를 포함한다.
검출부(110)는 차량에 장착된 각종 센서를 통해 차량정보를 검출한다. 차량정보는 조향각, 차속(차량속도), 조향각속도, 횡가속도 및 요레이트 등을 포함한다.
이러한 검출부(110)는 조향각 센서, 차속 센서, 조향각속도 센서, 횡가속도 센서 및 요레이트 센서 등의 센서들을 포함한다.
차량 모델 기반 추정부(120)는 차량 모델을 이용하여 모델 횡슬립각, 모델 횡슬립각 미분치, 모델 센서 오프셋 신호를 추정한다. 여기서, 차량 모델은 기존의 2 자유도 차량 모델을 횡슬립각과 횡슬립각 미분치를 출력하도록 변경된 모델이다.
차량 모델 기반 추정부(120)는 검출부(110)에 의해 측정된 조향각
Figure 112015102766417-pat00001
과 차속
Figure 112015102766417-pat00002
을 입력받는다. 그리고, 차량 모델 기반 추정부(120)는 추정치 융합부(160)로부터 이전 단계에서 추정된 횡슬립각
Figure 112015102766417-pat00003
, 횡슬립각 미분치
Figure 112015102766417-pat00004
및 센서 오프셋
Figure 112015102766417-pat00005
을 피드백 받는다.
차량 모델 기반 추정부(120)는 조향각
Figure 112015102766417-pat00006
및 차속
Figure 112015102766417-pat00007
과 피드백된 횡슬립각
Figure 112015102766417-pat00008
, 횡슬립각 미분치
Figure 112015102766417-pat00009
및 센서 오프셋
Figure 112015102766417-pat00010
을 입력으로 받아 수학적 차량 모델을 이용하여 모델 횡슬립각
Figure 112015102766417-pat00011
, 모델 횡슬립각 미분치
Figure 112015102766417-pat00012
및 모델 센서 오프셋 신호
Figure 112015102766417-pat00013
를 연산한다.
차량 모델 기반 추정부(120)는 [수학식 1]을 이용하여 모델 횡슬립각
Figure 112015102766417-pat00014
을 연산한다.
Figure 112015102766417-pat00015
여기서,
Figure 112015102766417-pat00016
는 샘플링 시간(sampling time)이다.
차량 모델 기반 추정부(120)는 [수학식 2]를 이용하여 모델 횡슬립각 미분치
Figure 112015102766417-pat00017
를 연산한다.
Figure 112015102766417-pat00018
여기서,
Figure 112015102766417-pat00019
,
Figure 112015102766417-pat00020
,
Figure 112015102766417-pat00021
및
Figure 112015102766417-pat00022
는 수학적 차량모델 파라미터이며, [수학식 3] 내지 [수학식 6]으로 각각 나타낼 수 있다.
Figure 112015102766417-pat00023
Figure 112015102766417-pat00024
Figure 112015102766417-pat00025
Figure 112015102766417-pat00026
여기서,
Figure 112015102766417-pat00027
는 차량의 무게 중심으로부터 전륜 타이어까지의 길이,
Figure 112015102766417-pat00028
은 차량의 무게 중심으로부터 후륜 타이어까지의 길이,
Figure 112015102766417-pat00029
는 전륜 코너링 강성,
Figure 112015102766417-pat00030
은 후륜 코너링 강성, m은 차량 질량,
Figure 112015102766417-pat00031
는 관성모멘트(Moment of Inertia),
Figure 112015102766417-pat00032
는 차속이다.
차량 모델 기반 추정부(120)는 [수학식 7]을 통해 모델 센서 오프셋
Figure 112015102766417-pat00033
을 연산한다. 본 발명에서는 센서에 오프셋이 있으면 추정장치에 오프셋이 발생하므로 센서 오프셋을 추정해야할 변수로 추가한다.
Figure 112015102766417-pat00034
조향 인덱스 연산부(130)는 검출부(110)로부터 입력받은 조향각
Figure 112015102766417-pat00035
, 조향각속도
Figure 112015102766417-pat00036
및 차속
Figure 112015102766417-pat00037
을 이용하여 조향 인덱스
Figure 112015102766417-pat00038
를 연산한다([수학식 8] 참조). 조향 인덱스는 차량의 요 거동이 변화하는 정도로, 조향각이 요레이트에 미치는 영향도이다. 예를 들어, |조향 인덱스| = 1이면 차량의 요 거동의 변화 정도가 1rad/sec이다.
Figure 112015102766417-pat00039
여기서,
Figure 112015102766417-pat00040
는 차량의 무게 중심으로부터 전륜 타이어까지의 길이,
Figure 112015102766417-pat00041
은 차량의 무게 중심으로부터 후륜 타이어까지의 길이,
Figure 112015102766417-pat00042
는 전륜 코너링 강성,
Figure 112015102766417-pat00043
는 후륜 코너링 강성,
Figure 112015102766417-pat00044
은 차량의 질량이다.
이와 같이, 조향 인덱스 연산부(130)는 조향각과 조향각속도를 이용하여 차량의 요 거동의 변화를 예측하여 미리 가중치를 부여해 줌으로써, 차량의 횡슬립각의 추정 성능을 향상시킬 수 있다.
가중치 연산부(140)는 조향 인덱스에 근거하여 횡슬립각 가중치
Figure 112015102766417-pat00045
, 횡슬립각 미분치 가중치
Figure 112015102766417-pat00046
, 센서 오프셋 가중치
Figure 112015102766417-pat00047
를 결정한다. 이렇게 결정된 가중치들은 추정치 융합부(160)에 사용되는 센서 신호 기반 추정값의 가중치로 사용된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 조향 인덱스가 작은 영역에서, 가중치 연산부(140)는 횡슬립각 추정보다 센서 오프셋 추정에 대한 가중치를 증가시켜 센서 오프셋을 빨리 추정하도록 한다. 한편, 조향 인덱스가 큰 영역에서, 가중치 연산부(140)는 횡슬립각과 횡슬립각속도에 대한 가중치를 증가시켜 횡슬립각에 대한 추정 성능을 향상시킨다.
센서 신호 기반 추정부(150)는 검출부(110)에 의해 검출된 차속
Figure 112015102766417-pat00048
, 횡가속도
Figure 112015102766417-pat00049
및 요레이트
Figure 112015102766417-pat00050
를 이용하여 센서 횡슬립각 미분치
Figure 112015102766417-pat00051
를 연산한다. 센서 횡슬립각 미분치
Figure 112015102766417-pat00052
는 [수학식 9]와 같이 나타낸다.
Figure 112015102766417-pat00053
추정치 융합부(160)는 차량 모델 기반 추정부(120)로부터 모델 횡슬립각, 모델 횡슬립각 미분치 및 모델 센서 오프셋을 제공받고, 가중치 연산부(140)로부터 횡슬립각 가중치, 횡슬립각 미분치 가중치 및 센서 오프셋 가중치를 수신하며, 센서 신호 기반 추정부(150)로부터 센서 횡슬립각 미분치를 입력받는다.
추정치 융합부(160)는 횡슬립각 융합부(161), 횡슬립각 미분치 융합부(163) 및 센서 오프셋 융합부(165)를 포함한다.
횡슬립각 융합부(161)는 [수학식 10]을 사용하여 최종 횡슬립각
Figure 112015102766417-pat00054
을 산출한다.
Figure 112015102766417-pat00055
횡슬립각 미분치 융합부(163)는 [수학식 11]을 이용하여 최종 횡슬립각 미분치
Figure 112015102766417-pat00056
를 연산한다.
Figure 112015102766417-pat00057
센서 오프셋 융합부(165)는 [수학식 12]을 이용하여 최종 센서 오프셋
Figure 112015102766417-pat00058
을 연산한다.
Figure 112015102766417-pat00059
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 횡슬립각 추정 결과를 도시한 그래프이다. 본 실시예에서는 차량이 90kph로 회전(slalom)하는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 센서 오프셋 보정 전 추정값과 센서 오프셋 보정 후 추정값 사이에 오차(센서 오프셋)가 발생한다. 따라서, 본 발명은 직진 구간에서 센서 오프셋을 확인하여 보정한다. 센서 등가 오프셋 추정으로 추정 횡슬립각이 직진 상태에서 '0'에 수렴한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 센서 오프셋을 보정하는 경우, 실제 측정값과 추정장치에 의해 추정된 최종 추정치가 매우 유사하다. 다만, 센서의 장착 오차로 인해 실제 측정값과 추정값 사이에 일부 오프셋이 존재한다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다.
110: 검출부
120: 차량 모델 기반 추정부
130: 조향 인덱스 연산부
140: 가중치 연산부
150: 센서 신호 기반 추정부
160: 추정치 융합부

Claims (8)

  1. 차량에 장착된 각종 센서를 통해 차량정보를 검출하는 검출부,
    상기 차량정보를 입력받으면 차량 모델을 이용하여 모델 횡슬립각, 모델 횡슬립각 미분치 및 모델 센서 오프셋을 연산하는 차량 모델 기반 추정부,
    상기 차량정보를 이용하여 조향 인덱스를 추정하는 조향 인덱스 연산부,
    상기 조향 인덱스에 근거하여 횡슬립각 가중치, 횡슬립각 미분치 가중치, 센서 오프셋 가중치를 결정하는 가중치 연산부,
    상기 차량정보를 이용하여 횡슬립각 미분치를 연산하는 센서 신호 기반 추정부, 및
    상기 모델 횡슬립각, 상기 모델 횡슬립각 미분치, 상기 모델 센서 오프셋, 상기 횡슬립각 가중치, 횡슬립각 미분치 가중치, 센서 오프셋 가중치 및 센서 횡슬립각 미분치를 이용하여 최종 횡슬립각, 최종 횡슬립각 미분치 및 최종 센서 오프셋을 추정하는 추정치 융합부를 포함하고,
    상기 차량 모델 기반 추정부는,
    상기 추정치 융합부로부터 이전 단계에서 추정된 최종 횡슬립각, 최종 횡슬립각 미분치 및 최종 센서 오프셋을 피드백 받는 것을 특징으로 하는 차량의 횡슬립각 추정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는,
    조향각 센서, 차속 센서, 조향각속도 센서, 횡가속도 센서 및 요레이트 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 횡슬립각 추정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차량 모델 기반 추정부는,
    상기 차량정보로 조향각 및 차속을 입력받는 것을 특징으로 하는 차량의 횡슬립각 추정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차량 모델은,
    횡슬립각과 횡슬립각 미분치를 출력하는 2 자유도 차량 모델인 것을 특징으로 하는 차량의 횡슬립각 추정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조향 인덱스 연산부는,
    상기 차량정보로 조향각, 조향각속도 및 차속을 이용하여 상기 조향 인덱스를 연산하는 것을 특징으로 하는 차량의 횡슬립각 추정장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 조향 인덱스는,
    차량 요 거동 변화의 정도인 것을 특징으로 하는 차량의 횡슬립각 추정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서 신호 기반 추정부는,
    상기 차량정보로 차속, 횡가속도 및 요레이트를 이용하여 상기 횡슬립각 미분치를 연산하는 것을 특징으로 하는 차량의 횡슬립각 추정장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 추정치 융합부는,
    상기 모델 횡슬립각, 상기 횡슬립각 가중치, 상기 모델 횡슬립각 미분치, 상기 센서 횡슬립각 미분치 및 상기 모델 센서 오프셋을 융합하여 상기 최종 횡슬립각을 추정하는 횡슬립각 융합부,
    상기 모델 횡슬립각 미분치, 상기 횡슬립각 미분치 가중치, 상기 센서 횡슬립각 미분치 및 상기 모델 센서 오프셋을 융합하여 상기 최종 횡슬립각 미분치를 추정하는 횡슬립각 융합부, 및
    상기 모델 센서 오프셋, 상기 센서 오프셋 가중치, 상기 모델 횡슬립각 미분치 및 상기 센서 횡슬립각 미분치를 융합하여 상기 최종 센서 오프셋을 추정하는 센서 오프셋 융합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 횡슬립각 추정장치.
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