KR20020086863A - 거의 수평인 회전축을 중심으로 회전하는 물체의 회전절대각을 결정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

거의 수평인 회전축을 중심으로 회전하는 물체의 회전절대각을 결정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 종축을 중심으로 회전하는 자동차의 회전 절대각이 결정된다. 이를 위해, 회전각 변화(△α)는 회전율 검출 센서의 출력 신호를 적분함으로써 검출된다. 가속 검출 센서는 자동차의 수직축 방향으로 작용하는 가속 성분(A)을 검출하는데 사용되고, 회전각 변화(△α)에 따른 가속 성분의 변화(△az)가 검출된다. 또한 연산 장치는 회전각 변화(△α) 및 상기 회전각 변화(△α)에 따른 가속 성분의 변화(△az)로부터 자동차의 절대각(α)을 산출한다.

Description

거의 수평인 회전축을 중심으로 회전하는 물체의 회전 절대각을 결정하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE ABSOLUTE ANGLE OF ROTATION OF AN OBJECT THAT IS ROTATING AROUND AN APPROXIMATELY HORIZONTAL ROTATIONAL AXIS}
오늘날의 자동차용 탑승자 보호 기술 시스템에서는 종축을 중심으로 롤오버(rollover)가 발생할 경우에, 제지 시스템 또는 다른 보호 수단이 점화될 시기를 적시에 결정할 수 있도록 하기 위해 자동차의 회전 절대각을 결정해야만 하는 과제가 주어진다.
본 발명의 범주에 속하는 EP 0 430 813 B1호에는 4개의 센서로 작동되는 자동차용 안전 시스템이 공지되어 있다. 회전율 검출 센서는 종축을 중심으로 회전하는 자동차의 회전 각속도를 검출한다. 3개의 가속 검출 센서는 종방향 가속도, 횡방향 가속도 및 자동차의 수직 가속도를 검출한다. 회전율 검출 센서의 출력 신호는 적분되고 한계값을 넘어설 경우에는 OR 요소로 공급됨으로써, 불꽃 점화 장치가 작동된다. 회전율 검출 센서의 출력 신호의 적분은 계속해서 이루어지는 것이 아니라, 가속 검출 센서로부터 나온 출력 신호에 의해 결정된 시간창이 실행되는 동안에만 이루어진다.
본 발명은 거의 수평인 회전축을 중심으로 회전하는 물체, 특히 종축을 중심으로 회전하는 자동차의 회전 절대각을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 센서가 설치되어 있는 자동차를 도시한 것이고,
도 2는 회전율 검출 센서의 물리적인 기본 원리를 도시한 것이며,
도 3은 물체의 수직축 방향으로 작용하며 물체의 회전 절대각의 함수인 가속 성분을 검출하기 위한 가속 검출 센서의 물리적인 기본 원리를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 장치의 블록 다이아그램이며,
도 5는 회전 절대각의 계산을 설명하기 위한 곡선이고,
도 6은 본 발명에 따라 실행된 계산의 정확도를 설명하기 위한 곡선이다.
본 발명의 목적은 거의 수평인 회전축을 중심으로 회전하는 물체, 특히 종축을 중심으로 회전하는 자동차의 회전 절대각을 결정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있으며, 상기 방법 및 장치에 의해 회전 절대각이 간단한 실행력과 단순한 구조에 관련하여 신속하고 정확하게 결정될 수 있다.
본 발명의 목적에서 방법에 관련된 부분은 청구항 1항의 특징부에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면 중력에 의해 야기되는, 자동차의 수직축 방향으로 달성되는 가속도의 변화 및 종축을 중심으로 회전하는 자동차의 회전 각도의 변화는 시간 간격 내에서 결정된다. 두 항목의 정보가 자동차의 회전 절대각, 즉 자동차의 절대적인 회전 위치를 계산하는데 사용될 수 있다. 신호의 차이 만이 고려되기 때문에 절대 센서값은 결정적 요인이 아니므로, 비싼 고안정 가속 검출 센서가 사용될 필요는 없다- 그 대신 단순한 디자인의 센서가 사용될 수 있다.
청구항 2항은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 관한 것이다.
청구항 3항은 본 발명의 목적에 관련된 부분을 달성하기 위한 장치의 기본 구조의 특징을 제시한다.
청구항 4항 및 5항의 특징부에 의해 간단한 방식으로 센서의 영점 변위가 보정될 수 있다.
청구항 6항은 연산 장치의 함수 관계의 바람직한 예를 제시한다.
청구항 7항은 연산 장치에서 실행된 계산의 바람직한 순서에 관한 것이다.
본 발명은 중력 방향에 대해 기울어진 회전축의 둘레에 작용하는 중력장에서 회전하는 물체의 절대각 위치를 결정하려는 목적이 있는 곳에는 언제든지 적용될 수 있다. 본 발명에서, 중력 성분이나 가속 성분이 사인 곡선 함수나 코사인 곡선 함수와 일치하여, 물체에 고정되고 회전시 중력 방향에 대해 상대적으로 회전하는 축의 방향으로 변화됨으로써, 이러한 중력 성분 변화 및 물체의 회전각 변화로부터 고정된 좌표계에서 상기 물체의 회전 절대각 및 회전 위치를 추론해낼 수 있다는 사실이 이용된다. 본 발명은 특히 자동차에서 롤오버의 결과로부터 보호하는 안전 장치를 적시에 작동시키려는 목적으로 사용되기에 적합하다.
본 발명은 하기 도면에서 개략적으로 도시된 실시예에 의해 더욱 세부적으로 설명된다.
도 1에 따르면 제어 장치(6)에 연결된 회전율 검출 센서(2) 및 가속 검출 센서(4)가 자동차 내에 설치되며, 상기 제어 장치(6)는 예컨대 벨트 프리텐셔너(belt pretensioner), 헤드 에어백, 또는 특히 컨버터블의 경우 시트 프레임(seat frame)이나 차체부로부터 잡아당겨질 수 있는 롤오버 바(rollover bar)와 같은 탑승객 보호 장치(8)에 연결된다. 이러한 시스템의 효율성은 자동차가 종축(x)을 중심으로 회전하게 되는 롤오버의 경우 하에서 설명된다. 자동차의 수직축의 위치(z)(수평면에서 자동차의 정상 위치)에서 자동차의 수직축(z)은 고정된 수직선과 일치한다. 종축을 중심으로 각(α) 만큼 회전한 후에 자동차의 수직축(z')은 고정된 수직 방향으로 하기에서는 회전 절대각으로 표기되는 각(α)을 형성한다.
도 2는 회전율 검출 센서의 물리적인 기본 원리를 제시한다: 하우징(10)의 내부에 관성 부재(12), 예컨대 볼이 존재한다. 자동차에 연결된 하우징(10)이 회전율이나 회전 각속도(ω)에서 갑자기 회전할 경우에 관성 부재(12)는 정지된 상태이기 때문에, 상기 관성 부재(12)와 하우징(10) 간의 상대 회전이 검출될 수 있고 상기 상대 회전은 회전율에 비례하는 출력 신호(ω)로서 예컨대 시간 단위 당 펄스 형태로 출력된다. 이때, 미리 주어진 각도 값 만큼의 회전이 개별 펄스에 상응한다.
도 3은 가속 검출 센서(4)의 기본 원리를 보여준다. 하우징(14)의 내부에는 도 3에 따른 스프링(18)에 의해 위쪽으로 압력을 받게 되는 관성 부재(16)가 설치된다. 하우징(14)의 도시된 수직 위치에서 스프링력은 전체 중력 가속도나 관성 부재(16)의 무게에 반대로 작용한다. 상기 하우징(14)이 수직선으로부터 각(α) 만큼 회전하게 될 경우 스프링(18)의 힘은 성분(m·g·cosα)에 의해 중력에 반대로 작용하게 되는데, 이때 m은 관성 부재(16)의 질량이고 g는 최종 가속도이며 α는 회전 절대각이다. 따라서, 관성 부재(16)의 이동 방향으로 작용하는 힘이 검출됨으로써 회전 절대각(α)에 비례하는 출력 신호가 발생될 수 있다. 관성 부재(16)의 이동성이 적절히 감소됨으로써 가속 검출 센서(4)는, 본질적으로 절대 회전 위치(α) 만이 검출되고 예컨대 장애물을 건널 때 발생할 수 있는 자동차 자체 가속도가 크게 억제되도록 형성된다. 이러한 최대 가속도는 이에 상응하는 출력 신호의 필터링에 의해서도 억제될 수 있는 것은 당연하다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 블록 다이아그램을 도시한다.
회전율 검출 센서(2)는 하이 패스 필터(20)에 의해 적분기(22)에 연결된다. 가속 검출 센서(4)는 하이 패스 필터(24)에 의해 미분 소자(26)에 연결된다.
상기 적분기(22) 및 미분 소자(26)는 연산 장치(28)에 연결되며, 상기 연산 장치(28)의 출력 신호는 유닛(30)으로 공급된다. 상기 유닛(30)은 그 속에 미리 저장된 알고리즘에 상응하여 경우에 따라서는 추가의 입력 신호를 평가하면서, 그것의 출력부(32)에서 상응하는 탑승객 보호 장치를 작동시키는 출력 신호가 발생되는지 아닌지를 결정한다. 물론 다수의 알고리즘이 상기 유닛(30) 내에 저장될 수 있고 상기 유닛(30)은 개별 안전 장치를 개별적으로 작동시킬 수 있는 다수의 출력 신호를 발생시킬 수 있다. 상기 안전 장치들은 점화되어, 자석에 의해 작동되거나그 밖의 다른 방식으로 작동될 수 있다.
유닛들(22, 26, 28, 30)은 바람직하게는 경우에 따라 필터(20 및 24)를 수용할 수도 있는 제어 장치(6) 내에 배치되며, 상기 필터(20 및 24)는 이에 대한 대안으로서 센서(2 및 4) 내로 직접 통합될 수도 있다.
마이크로프로세서에 의해 제어된 제어 장치(6)의 구조는 자체 공지되어 있기 때문에 설명되지 않을 것이다.
도 4에 따른 장치의 함수 관계가 마이크로프로세서(도시되지 않음)의 시간적 제어에 관련하여 센서에 의해 검출된 변수 및 이러한 변수의 추가 처리에 의해 하기에서 설명될 것이다:
A. 회전율 검출 센서(2)는 종축을 중심으로 회전하는 자동차의 시간에 따른 회전에서 시간에 따른 각속도(ω(t))를 결정한다. 하이 패스 필터(20) 내 회전율 검출 센서(2)로부터 나온 출력 신호를 필터링한 후에, 상기 회전율 검출 센서(2)의 영점 변위로부터 크게 벗어난 출력 신호(ω(t))가 사용된다.
이와 유사하게, 가속 검출 센서(4)는 회전 절대각(α)에 상응하지만, 매우 부정확한 신호가 발생되며, 상기 신호는 하이 패스 필터링 후에는 자동차의 수직축 방향으로 작용하는 시간에 따른 가속도(az(t))로서 사용될 수 있다.
B. 회전각 변화는 적분기(22)에서 시간 간격(T) 내에서 다음과 같이 결정된다:
이에 대한 대안으로서 상기 적분기는 하나의 시간 간격 동안 회전율 검출 센서로부터 직접 전송된 펄스를 산출할 수 있음으로써, 각 펄스가 미리 정해진 회전각에 상응하고 계산이 회전 방향에 따라 작은 수에서 큰 수로, 또는 큰 수에서 작은 수로 실행될 경우에 시간 간격 동안의 회전각에 상응하는 값이 사용될 수 있다.
시간 간격(T) 내에서의 가속 성분(az)의 변화는 미분 소자(26)에서 다음과 같이 계산된다:
△az(T) = az(T) - az(0)
이러한 뺄셈에 의해 영점 변위 및 가속 검출 센서(4)의 드리프트가 보정된다.
C. △α가 상수인 C1 또는 △az보다 작거나 상수인 C2 보다 클 경우, 이는 신호가 회전 절대각의 바로 다음 계산에 맞지 않다는 것을 의미한다. 왜냐하면, 각도 회전이 너무 작거나 가속 성분의 변화가 너무 커서 외부 간섭이 추정됨으로써 시스템이 위에 언급된 단계(A)로 되돌아가게 되기 때문이다. 언급된 두 조건이 충족되지 않는다면 시스템은 그 다음 단계(D)로 넘어가게 된다.
D. 절대값은 다음과 같은 공식을 사용해서 계산된다:
α= m·(△az-△z 0), 이때
m = C3/△α, △αz 0= 1 - cos(△α)이다.
위의 단계들은 각각 업데이트된 데이터로 반복되며, 센서의 오프셋은 보정된다. 각(α)이 예컨대 10°만큼 변화되고 z 방향으로의 가속도는 0.1g 만큼 변화될 경우에 절대각(α)은 29,5°로 결정된다. 정확하게 계산하면 30°로 산출될 것이다. 위에 언급된 방법으로 계산된 회전 절대각(α)의 값은 유닛(30)으로 공급되어, 상기 유닛(30)에서 상기 값은 수직선에 대해 상대적으로 자동차의 회전 위치를 나타내는 회전 절대각(α)의 매우 정확한 값으로서 추가로 계산되기 위해 사용될 수 있다.
위의 단계에서 언급되었던 공식이 다음과 같이 추론된다:
도 3에 의해 설명된 바와 같이, az= g·cosα이다. 그 결과,
△az= g·(cosα- cosα0)이고 α-α0= △α=ωdt 이다.
위에 언급된 공식의 조합은 다음과 같다:
(1)
공식 1을 α로 풀게 되면 다음과 같다:
회전 절대각이 -90°내지 +90°의 간격으로 제한될 경우에는 도 5의 이미지가 나타난다:
도 5의 다이아그램에 있는 곡선은 파라미터로서의 상이한 값(△α)에 대한 함수(△az/g)로서 회전 절대각(α)이 나타난다.
도시된 바와 같이, 영점(△αz 0)에 근사한 △az나 큰 값(△α)에 대해 선형 근사가 실행될 수 있다. △αz 0은 공식 1에 의해 다음과 같이 계산될 수 있다.
△αz 0= 1 - cos△α. (2)
(시스템의 낮은 연산 능력 때문에 코사인 함수의 계산이 불가능할 때 이 공식이 포물선에 의해 효과적으로 근사해질 수 있다는 사실이 주목된다)
영점에 가까운 기울기는 마찬가지로 다음과 같이 계산될 수 있다:
확실한 근사값은 쌍곡선이다:
요약하면, 회전 절대각(α)은 매우 정확하고 제한된 연산 능력에 의해 두 센서(2 및 4)(도 4)로부터 나온 출력 신호로부터 계산될 수 있다는 것을 알 수 있다.
오류 검토;
입력 변수(△α및 △z)의 측정은 특정 오류 대역폭 내에서만 실행될 수 있다. 예컨대 회전율 검출 센서는 ±5%의 공차폭을 갖는다. 또한 z 방향으로의 가속을 검출하기 위한 이상적인 가속 검출 센서는 이론적으로 외부 가속도와 중력을 구별할 수 없다. 그러나, 예컨대 가속 신호의 안정성이 시간이 지난후에 모니터링되고 경우에 따라서는 다른 변수와 상관 관계를 맺는 알고리즘에 의해 구별이 가능해질 수도 있다. 그러나, 이러한 오류의 원인을 주의하는 것이 필요하다.
도 6의 곡선은 상이한 센서 공차에 대한 회전 절대각(α)의 함수로서 회전 절대각(α)에서의 오류(Fα)를 °로 나타낸 것이다. 도면에서 10°의 변화가 가정되었다. 계산이 처음의 50°의 회전 절대각에서 시작해서 60°의 회전 절대각으로 끝날 경우에 완벽한 센서에서 근사값은 결과적으로 55°(60°대신)가 된다. 양 센서의 5%의 부정확도는 61°를 초래할 수도 있고 10%의 오류는 67°의 회전 절대각을 가져올 수도 있다.
본 시스템이 매우 다양한 방식으로 변형될 수 있는 것은 당연한 일이다. 예컨대 자동차에 고정된 가속 검출 센서는 자동차의 수직축에 대해 평행하게 설치되지 않고 다른 방향으로 설치될 수 있다.

Claims (7)

  1. 하나의 시간 간격 동안 이루어지는 물체의 회전각 변화(△α)를 결정하고 상기 물체의 수직축 방향으로 작용하는 가속 성분(az)을 결정하도록 구성된, 거의 수평인 회전축을 중심으로 회전하는 물체, 특히 종축을 중심으로 회전하는 자동차의 회전 절대각을 결정하기 위한 방법에 있어서,
    시간 간격 동안 물체의 수직축 방향으로 작용하는 가속 성분의 변화(△αz)를 결정하고,
    물체의 수직축 방향으로 작용하는 회전각 변화(△α) 및 가속 성분의 변화(△αz)로부터 물체의 회전 절대각(α)을 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회전 절대각(α)을 계산하기 위해 다음과 같은 공식:
    α= m·(△αz-αz 0)을 사용하며, 이때
    m = C3/△α이고
    △αz 0= 1 - cos(△α)이며
    C3은 상수인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 회전축을 중심으로 회전하는 물체의 각속도(ω)를 검출하기 위한 회전율 검출 센서(2), 각속도를 적분하고 회전각 변화(△α)를 결정하기 위한 적분기(22), 그리고 물체의 수직축 방향으로 작용하는 가속 성분(az)을 검출하기 위한 가속 검출 센서(4)를 포함하는, 거의 수평인 회전축을 중심으로 회전하는 물체, 특히 종축을 중심으로 회전하는 자동차의 회전 절대각을 결정하기 위한 장치에 있어서,
    회전각 변화(△α)에 관련된, 수직축 방향으로 작용하는 가속 성분의 변화(△az)를 결정하기 위한 미분 소자(26), 그리고 회전각 변화(△α) 및 상기 회전각 변화(△α)에 관련된 가속 성분의 변화(△az)로부터 물체의 회전 절대각(α)을 계산하는 연산 장치(28)를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 회전율 검출 센서(2)와 적분기(22) 사이에 하이 패스 필터(20)가 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 가속 검출 센서(4)와 미분 소자(26) 사이에 하이 패스 필터(24)가 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연산 장치(28)는 다음과 같은 공식:
    α= m·(△az-αaz 0)에 의해 작동되며, 이때
    m = C3/△α이고
    △αz 0= 1 - cos(△α)이며
    C3은 상수인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 연산 장치(28)는 다음과 같은 순서에 의해 작동되는데,
    A) ω(t) 및 az(t)가 검출되고, 이때 t는 시간이며
    B)로 결정, 이때 T는 시간 간격이며
    △αz= az(T) - az(0)로 계산되며
    C) △α< C1 일 때, C1은 상수이고, 또는
    △az> C2 일 때, C2는 상수이며, A로 돌아가서
    D) α= m·(△az-△az 0)이며, 이때
    m = C3/△α이고
    △αz 0= 1 - cos(△α)이며
    C3은 상수인 것을 특징으로 하는 장치.
KR10-2002-7007682A 1999-12-16 1999-12-16 거의 수평인 회전축을 중심으로 회전하는 물체의 회전절대각을 결정하기 위한 방법 및 장치 KR100474180B1 (ko)

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