KR20230054881A - 휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법 및 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법 및 제어 시스템을 공개하고, 이는 내부 루프 제어 및 외부 루프 제어를 포함하고, 내부 루프 제어는, 관성 측정 유닛에 의해 측정된 차량의 6차원 가속도, 자세 각도에 근거하여, 상응하는 가상 경사 평면에서 차량이 주행할 때, 각 휠 지지력 이론값을 동력학으로 구하고, 휠 지지력 실측값과 비교하고, 그 차이값에 따라 각 서스펜션 실린더의 신축을 제어하고, 휠 지지력이 이론값에 따라 변화하도록 한다. 외부 루프 제어는, 각 서스펜션 실린더의 동일한 변위량의 신축을 제어하여, 모든 서스펜션 실린더의 스트로크 평균값이 중앙값에 가까워지도록 한다. 본 발명은 차량이 울퉁불퉁한 노면에서 주행할 때의 안정성 및 조정 안정성을 현저히 향상시킬 수 있다.

Description

휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법 및 제어 시스템

본 발명은 차량의 액티브 서스펜션의 제어 방법 및 제어 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 휠 지지력을 제어함으로써 차량 액티브 서스펜션 시스템에 대한 관성을 제어하는 방법 및 이에 대응되는 제어 시스템에 관한 것이다.

서스펜션 시스템은 차량 섀시의 중요 조성 부분으로서, 그 성능은 차량의 주행 안정성, 조종 안정성을 직접적으로 결정한다. 종래의 차량은 대부분 패시브 서스펜션을 사용하고, 그 서스펜션 파라미터는 특정된 노면 조건에 따라 설계되었기에 선택하기만 하면 변경하기 어렵고 노면 상황, 차속 등에 따라 변화될 수 없으므로, 차량 주행 성능이 더 향상되는 것을 제한한다.

액티브 서스펜션은 지난 10여 년 동안 개발된 컴퓨터 제어 서스펜션 방식이며, 액티브 서스펜션은 탑재 질량, 노면 상태, 저크(jerk) 진동 상황, 예를 들면 차속, 구동, 제동, 스티어링 등과 같은 운행 상태 등의 변화에 따라, 서스펜션의 강도 및 댐핑을 자동으로 조정하거나 또는 서스펜션 신축을 제어함으로써, 차량의 주행 안정성 및 조종 안정성 등의 요구를 만족시킨다.

액티브 서스펜션의 기술은 주로 액티브 서스펜션 시스템 및 제어 방법의 두 부분을 포함한다.

액티브 서스펜션 시스템은 액티브 서스펜션의 에너지 공급 장치 및 작용력 또는 변위를 제어할 수 있는 부가 장치를 포함한다. 에너지 공급 방식의 차이에 따라, 또한 유압 구동, 공압 구동 및 전기 구동의 3가지 유형으로 나뉜다. 유압 구동 서스펜션 시스템은 출력 밀도가 높고, 배치 및 장착이 용이한 등의 장점으로 인해 현재 많이 응용되고 있으며, 공압 구동 서스펜션 시스템도 구동이 부드럽고, 오염이 적은 등의 장점으로 인해 일정하게 응용되고 있다.

동일한 액티브 서스펜션 시스템이라도 서로 다른 제어 방법을 사용하므로, 서로 다른 제어 효과가 발생될 수 있다. 현재의 액티브 서스펜션의 제어 방법은 주로 스카이훅 댐퍼 제어, 최적 제어, 예견 제어, 자기적응 제어, 퍼지 제어, 신경망 제어, 슬라이딩 모드 제어, 면역 진화 제어 등을 포함한다.

기재에 따르면, 어떤 제어 방법을 사용하든, 차량의 성능은 모두 어느 정도 개선되었으나, 잘 해결되지 않은 일부 문제가 존재하며, 그중 두드러진 문제는 주행 안정성 제어 및 조종 안정성 제어는 조율이 어렵다는 점이다. 차량의 주행 안정성 제어 및 조종 안정성 제어는 서스펜션 설계에서 고려하여야 할 두 가지 중요한 측면이고, 기존 연구 성과는 대부분 상이한 수요에 따라 상이한 수학 모델을 구축하여, 각각 독립적으로 설계하고, 차량의 전체적 성능을 이들 서브 시스템 성능의 합으로 보거나, 또는 수학 모델을 분해하고, 이후 다시 조합하여 제어한다. 수학 모델을 구축할 때 주행 안정성 제어 및 조종 안정성 제어를 동시에 설계하는 것을 고려하지 않았으며, 설계 과정이 복잡하고 좋은 제어 효과를 얻기 어렵다.

상기 차량 액티브 서스펜션의 기술에 두드러지게 나타나는 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법 및 제어 시스템을 제공하고, 구체적으로 아래 2가지 측면의 내용을 포함한다.

본 발명의 제1 측면에서, 각 휠의 지지력을 조절하고 각 서스펜션 실린더의 신축을 조절하여, 차량의 수직방향으로 가해지는 합력, 질량 중심을 중심으로 한 세로축 및 가로축 각자의 합력 모멘트가 0이거나 또는 0에 가깝도록 제어함으로써, 차량의 질량 중심이 직선 또는 평활 곡선을 따라 운동하고, 차량의 자세가 기본적으로 안정된 자세를 유지하도록 하는, 휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법을 제공한다.

상기 관성 제어 방법은 내부 루프 제어 및 외부 루프 제어를 포함하고, 내부 루프 제어는 각 휠 지지력을 제어하고, 외부 루프 제어는 모든 서스펜션 실린더 스트로크의 평균값을 제어하고, 내부 제어 루프와 외부 제어 루프는 서로 독립적이며, 결합 관계가 없다.

상기 내부 루프 제어는, 차량이 관성 측정 유닛에 의해 측정된 6차원 가속도, 피치각 및 롤링각으로 가상 경사 평면을 주행할 때, 각 휠이 견뎌야 하는 이론적 지지력(

)을 동역학으로 구하여, 휠 지지력을 제어하는 목표값으로 하고, 실측한 각 휠 지지력(

)과 비교하고, 양자의 차이값(

)을 조정값으로 서보 컨트롤러에 입력하여, 서스펜션 실린더에 대해 신축 제어를 진행하고, 각 휠의 지지력은 이론적 지지력(

)에 따라 변화한다. 여기서, i=1, 2, …, m이고, m은 휠의 개수이다.

상기 외부 루프 제어는, 측정된 각 서스펜션 실린더 스트로크에 근거하여 모든 서스펜션 실린더의 스트로크 평균값을 구하고, 이를 서스펜션 실린더 스트로크의 중앙값과 비교하여, 양자의 차이값을 목표 변위량으로 하고, 각 서스펜션 실린더는 동일한 변위량으로 신축하도록 제어하여, 모든 서스펜션 실린더 스트로크의 평균값이 중앙값에 가까워지도록 한다.

추가로, 내부 루프 제어 및 외부 루프 제어는 최종적으로 모두 서스펜션 실린더의 변위량을 제어함으로써 구현되며, 내부 루프 제어의 서스펜션 실린더의 변위량과 외부 루프 제어의 서스펜션 실린더의 변위량은 각 서스펜션 실린더의 서보 컨트롤러의 입력단에 함께 중첩된다.

본 발명의 제2 측면에서, 상기 휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법의 서스펜션 제어 시스템을 제공하고, 도 1에 도시한 바와 같이, 차체(1), m개의 휠(2-1, 2-2, …, 2-m), 관성 측정 유닛(3), 휠에 대응되는 서스펜션 실린더(4-1, 4-2, …, 4-m) 및 이의 변위 센서(5-1, 5-2, …, 5-m) 및 지지력 센서(6-1, 6-2, …, 6-m), 서보 컨트롤러(7-1, 7-2, …, 7-m), 전자제어 유닛(8)등을 포함한다. 여기서, 변위 센서(5-1, 5-2, …, 5-m) 및 지지력 센서(6-1, 6-2, …, 6-m)는 서스펜션 실린더(4-1, 4-2, …, 4-m)상에 각각 장착되어, 서스펜션 실린더 각자의 스트로크 및 지지력을 측정한다. 상기 전자제어 유닛(8)는 관성 측정 유닛(3), 서스펜션 실린더의 변위 센서(5-1, 5-2, …, 5-m) 및 지지력 센서(6-1, 6-2, …, 6-m) 및 서보 컨트롤러(7-1, 7-2, …, 7-m)와 각각 통신 연결된다. 서보 컨트롤러(7-1, 7-2, …, 7-m)는 각각 서스펜션 실린더(4-1, 4-2, …, 4-m)에 각각 연결되어, 서스펜션 실린더를 구동시킨다.

추가적으로, 지지력 센서는 서스펜션 실린더와 차체가 연결된 위치에 장착되거나, 또는 서스펜션 실린더/공압 실린더의 로드 챔버 회로 및 로드리스 챔버 회로에 각각 하나의 지지력 센서가 장착된다.

다른 일 실시방안에서, 본 발명은, 차량 휠의 수직 방향 지지력을 제어하는 내부 루프 제어 및 각 서스펜션의 유압 실린더 스트로크의 평균 값을 제어하는 외부 루프 제어를 포함하는, 휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법을 추가로 제공한다.

상기 내부 루프 제어는, 측정된 각 서스펜션 실린더 각자의 수직 방향 지지력에 근거하여, 각 휠의 실제 수직 방향 지지력(

)을 계산하는 것; 측정된 차량 좌표계의 6차원 가속도 및 차체의 피치각 및 롤링각에 근거하여, 차량이 가상 경사 평면을 주행할 때, 각 휠이 견뎌야 하는 이론적 수직 방향 지지력(

)을 구하고, 차량의 이론적 수직방향 지지력(

)을 실제 수직 방향 지지력(

)의 제어 목표값으로 하는 것; 이론적 수직방향 지지력과 실제 수직 방향 지지력 양자의 차이값을 계산으로 조절량(

)을 구하여, 서스펜션 실린더의 신축 조절량으로 서보 컨트롤러에 입력하고, 서스펜션 실린더의 신장 또는 수축을 구동시키는 것;을 포함한다.

상기 외부 루프 제어는, 측정된 각 서스펜션 실린더의 스트로크에 근거하여 상기 서스펜션 실린더의 스트로크 평균값을 구하고, 이 평균값을 각 서스펜션 실린더의 중앙 스트로크와 비교하여, 서스펜션 실린더의 중앙 스트로크와 스트로크 평균값의 차이값을 각 서스펜션 실린더의 균일 신축의 목표값으로 하고, 각 서스펜션 실린더가 동일한 변위량으로 신장 또는 수축하도록 하고, 서스펜션 실린더의 스트로크 평균값을 서스펜션 실린더의 중앙 스트로크와 같도록 한다.

각 휠의 수직 방향 지지력을 조절하고 각 서스펜션 실린더의 신축을 조절하여, 차량이 구동력, 스트로크 저항력, 측향력, 중력 및 관성력 및 휠 수직 방향 지지력 등을 포함하는 각 힘의 작용하에서, 수직 방향으로 받는 합력, 및 질량 중심을 중심으로 한 세로축 및 가로축 각자의 합력 모멘트가 0이거나 또는 0에 가깝도록 제어함으로써, 차량의 질량 중심이 직선 또는 평활 곡선을 따라 운동하고, 차량의 자세가 기본적으로 안정된 자세를 유지하도록 한다.

추가적으로, 각 휠의 이론적 수직 방향 지지력을 결정하는 과정에서, 도 3에 도시한 바와 같이, 고정 좌표계OXYZ 및 차량 좌표계oxyz를 구축하고, 고정 좌표계OXYZ의 X축의 양의 방향은 차량의 횡방향의 방향이고, Y축의 양의 방향은 차량의 종방향 전진 방향이고, Z축의 양의 방향은 차량의 수직 상향 방향이고, 고정 좌표계OXYZ는 가상 경사 평면과 고정 연결된다. 차량 좌표계oxyz는 차량과 고정 연결되고, 고정 좌표계OXYZ 와 초기 위치에서 겹친다. 차량 좌표계에서 고정 좌표계의 포지셔닝 좌표를 각각 x, y, z, α, β, γ로 설정한다. 차량의 질량을 M으로, 차량 질량 중심의 차량 좌표계oxyz에서의 좌표를 W(

)로 설정하고, 번호가 i인 서스펜션 상부 지지점Oi의 차량 좌표계에서의 x, y좌표는 각각 b _i , L _i 이다. 차량의 좌표계 x, y, z축에 대한 관성 모멘트는 J _XX, J _YY, J _ZZ으로, x/y, y/z, x/z축에 대한 관성 승적은 J_XY, J_YZ, J_XZ으로 설정한다. 차량 좌표계의 가상 경사 평면 내의 6차원 가속도를 각각

,

,

,

,

,

로, 측정한 차량 자세 각도는 α, β로 설정한다.

추가로, 경사가 휠의 실제 수직 지지력에 미치는 영향을 반영하기 위하여, 경사각(λ)은 가상 경사 평면의 법선과 수직선이 이루는 각도로 설정하고, 차량 주행 방위각(φ)은 가상 경사 평면의 경사 하강 방향이 차량 좌표계x축에 대한 각도이다. α, β 를 이용하여 경사각(λ)과 차량 주행 방위각(φ)을 계산하는 공식은 아래와 같다:

(1)

(2)

식에서,

이다.

추가적으로, 각 휠의 이론적 수직 지지력을 구하기 위하여, 휠(i)이 가상 경사 평면 접지점에서 받는 구동력을 P _i 로, 주행 저항력을 F _i 로, 측향력을 S _i 로, 휠 수직 방향 지지력을 W _i 로 설정하고, 동역학 방정식을 구축하여 구하여, 휠의 이론적 수직 방향 지지력(W _i )을 구할 수 있다:

(3)

여기서,

식에서, i=1, 2, 3, …, m이다.

추가로, 상기 휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법에 따라, 내부 루프 제어와 외부 루프 제어는 서로 독립적이며, 결합 관계가 없고, 지지력을 제어하는 내부 루프 제어 및 외부 루프 제어는 모두 서스펜션 실린더의 스트로크 변위를 제어함으로써 구현되고, 내부 루프 제어의 서스펜션 실린더의 변위량과 외부 루프 제어의 서스펜션 실린더의 변위량은 각 서스펜션 실린더의 서보 컨트롤러의 입력단에서 함께 중첩된다.

본 발명은 휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법의 제어 시스템을 추가로 제공하고, 상기 시스템은, 차체, 관성 측정 유닛, 전자제어 유닛, 휠, 휠에 대응되는 서스펜션 실린더, 서스펜션 실린더에 대응되는 변위 센서 및 지지력 센서, 및 서보 컨트롤러를 포함한다. 관성 측정 유닛, 전자제어 유닛 및 서보 컨트롤러는 차체에 고정되고, 휠은 서스펜션 실린더를 통해 차체에 연결되고, 변위센서 및 지지력 센서는 서스펜션 실린더에 연결되어, 서스펜션 실린더의 스트로크 및 지지력을 측정한다. 전자제어 유닛은는 관성 측정 유닛, 서스펜션 실린더의 변위 센서 및 지지력 센서 및 서보 컨트롤러에 각각 통신 연결된다. 각 서보 컨트롤러는 대응되는 서스펜션 실린더에 각각 연결되어, 서스펜션 실린더를 구동시킨다.

추가로, 지지력 센서는 서스펜션 실린더와 차체가 연결되는 위치에 장착되거나, 또는, 서스펜션 실린더의 로드 챔버 회로 및 로드리스 챔버 회로에 각각 하나의 지지력 센서가 장착된다.

본 발명에서 제시하는 상기 휠 지지력에 기반한 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법 및 서스펜션 제어 시스템을 종래 액티브 서스펜션 기술과 비교하면, 아래와 같은 장점이 있다.

(1)주행 안정성 및 조종 안정성 제어의 조정 및 통합을 더욱 잘 구현하였다. 본 발명은 각 휠의 지지력을 조정하고 각 서스펜션 실린더의 신축을 조절하여, 차량이 수직 방향에서 받는 합력, 및 질량 중심을 중심으로 한 세로축 및 가로축 각자의 합력 모멘트가 0이거나 또는 0에 가깝도록 제어함으로써, 차량의 질량 중심이 직선 또는 평활 곡선을 따라 운동하고, 차량의 자세가 기본적으로 안정된 자세를 유지하도록 한다.

(2)차량이 울퉁불퉁한 지면에서 주행할 때, 더 적은 에너지를 소비한다. 차량 주행시 질량 중심의 리프팅, 저크 진동, 자세의 흔들림은 모두 큰 에너지를 소비하게 하며, 종래의 액티브 서스펜션 제어 방법과 비교하면, 본 발명은 차량이 울퉁불퉁한 지면에서 주행할 때, 질량 중심의 궤적이 더욱 매끄러워지고, 자세 흔들림의 폭이 현저하게 감소하므로, 차량의 주행시 소비되는 에너지를 효과적으로 감소시킬 수 있다.

응용 실행에서, 본 발명에 의해 제공되는 액티브 서스펜션 시스템은, 지면이 울퉁불퉁하고, 지질의 경도 변화, 가속/제동 및 스티어링으로 인하여 차량의 평활한 주행이 받는 교란을 효과적으로 억제하고, 차량이 복잡한 노면 상태에서 주행할 때의 안정성 및 조종 안정성을 현저히 향상시킬 수 있음을 보여준다.

도 1은 본 발명의 휠 지지력에 기반한 액티브 서스펜션 관성 조정 시스템의 구조 원리도이다.
도 2는 본 발명의 휠 지지력에 기반한 3축 차량 액티브 서스펜션 관성 조정 시스템의 구조 원리도이다.
도 3은 본 발명의 3축 패시브 서스펜션 차량이 경사 평면에서 주행하는 동역학 모델 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에서 액티브/패시브 모델 겸용의 서스펜션 실린더의 구조 원리도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에서 차량의 리프트암 주행 모드를 테스트한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에서 차량의 드롭 암 주행 모드를 테스트한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에서 노면 장애물로 사용되는 삼각형 범프의 구조 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에서 한쪽 변에서 연속적으로 장애물을 건너는 상황의 삼각형 범프 배치도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에서 양쪽 변에서 연속적으로 장애물을 건너는 상황의 삼각형 범프 배치도이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에서 양쪽 변에서 교차하여 장애물을 건너는 삼각형 범프 배치도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에서 액티브 서스펜션 실린더의 구조 개략도이다.

본 발명의 학술적 사상은 차량 동역학 원리에 따라 제안되었고, 차량이 고속도로에서 120km/h이상의 속도로 주행할 수 있는 이유는, 노면이 매우 평평하고, 지면에 의해 제약을 받아, 차량의 질량 중심이 직선 또는 평활한 곡선으로만 운동하므로, 안정된 자세를 유지한다.

뉴턴의 제1 법칙에 따르면, 차량이 울퉁불퉁한 노면을 주행할 때의 질량 중심도 직선 또는 평활한 곡선을 따라 이동하며, 안정된 자세를 유지하기 위해서는, 차량이 평탄한 노면에서 주행할 때와 동일한 힘을 받아야 하며, 적어도 차량이 수직 방향을 따라 받는 합력 및 질량 중심을 중심으로 한 세로축 및 가로축 각자의 합력 모멘트가 0이거나 또는 0에 가깝도록 보장해야 한다. 이를 기초로, 본 발명은 휠 지지력에 기반한 액티브 서스펜션 관성 조정의 원리를 제안한다. 각 휠의 지지력을 제어함으로써, 차량이 각 휠들의 지지력, 구동력, 주행 저항력, 측향력 및 중력 및 관성력을 포함하는 각 힘의 작용하에서, 수직 방향으로 합력 및 질량 중심을 중심으로 한 세로축 및 가로축 각자의 합력 모멘트가 0이거나 0에 가깝도록 한다.

상기 요구에 만족하는 각 휠의 지지력 제어 목표값을 찾기 위하여, 본 발명에서 사상을 제안하였고, 즉 가상의 경사 평면을 설계하고, 차량이 상기 가상의 경사 평면을 주행할 때의 피치각, 롤링각 및 질량 중심에서의 6차원 가속도 및 차량이 울퉁불퉁한 지면에서 주행할 때 측정한 수치가 동일하며, 경사 평면에서의 제약으로 인해, 차량 경사 평면에서 주행할 때의 무게 중심이 직선 또는 평활한 곡선을 따라 운동하여 자세가 기본적으로 안정되게 유지하며, 이는 차량이 경사 평면에서 주행할 때 수직 방향으로 받는 합력, 및 질량 중심을 중심으로 한 세로축 및 가로축 각자의 합력 모멘트가 0이거나 또는 0에 가까움을 의미한다. 따라서, 차량이 가상의 경사 평면에서 주행할 때 각 휠이 받는 지지력은 차량이 울퉁불퉁한 노면에서 주행할 때의 각 휠 지지력의 제어 목표값으로 적합하다.

실행에 의해 상기 학술적 사상이 옳다는 것을 증명하였지만, 실제 응용에는 문제가 있으며, 즉 서스펜션의 제어는 서스펜션의 스트로크에 대한 제어가 아닌 휠 지지력에 대한 제어이므로, 시간의 추이에 따라, 일부 또는 전체적으로 서스펜션 실린더의 스트로크가 한계 스크로트에 도달하여, 차량의 승차감과 주행 안정성을 심각하게 저하시킬 수 있다.

제어 과정에서 각 스캔 주기 내의 서스펜션 실린더의 변위량은 차량의 질량 중심 높이보다 훨씬 작아, 동일한 스캔 주기 내의 각 서스펜션 실린더가 동일한 변위량에 따라 신축할 경우, 휠 지지력을 포함한 차량의 다양한 힘에 영향을 미치지 않는다고 볼 수 있다. 만약 각 서스펜션의 동일한 변위량으로 균일 수축하는 방식을 통해 그 평균 스트로크를 서스펜션 스트로크의 중앙값으로 항상 제어할 수 있으면, 실린더 스트로크가 한계 스트로크로 도달함으로 하여 발생하는 승차감 및 주행 안정성의 저하를 최대 한도로 제거할 수 있고, 또한 미래의 고르지 못한 노면에 대한 차량의 적응성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 휠 지지력 제어 외에 또한 서스펜션 평균 스트로크에 대한 제어를 향상시킬 수 있다. 전자를 내부 루프 제어라 칭하고, 후자를 외부 루프 제어라 칭하며, 양자는 서로 독립적이며, 결합 관계가 없다.

이하 3축(6휠)차량을 예로 들어, 도면을 참고하여 본 발명의 예시적 실시예, 특징 및 방법을 자세히 설명한다. 기타 3륜 이상의 차량은 본 예와 동일한 방법에 따라 구축할 수 있다.

(1)액티브 서스펜션 제어 시스템의 하드웨어 구성

휠 지지력에 기반한 3축(6휠) 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 시스템은 도 2에 도시한 바와 같으며, 이는 유압 서보 구동의 형태를 이용한다. 시스템은 차체(1) 및 6개 휠(2-1, 2-2, …, 2-6), 관성 측정 유닛(3), 휠에 대응되는 서스펜션 실린더 (4-1, 4-2, …, 4-6) 및 이에 대응하는 변위 센서(5-1, 5-2, …, 5-6) 및 지지력 센서(6-1, 6-2, …, 6-6), 서보 컨트롤러(7-1, 7-2, …, 7-6), 전자제어 유닛(8)을 포함한다. 여기서, 변위 센서(5-1, 5-2, …, 5-6) 및 지지력 센서(6-1, 6-2, …, 6-6)는 서스펜션 실린더 (4-1, 4-2, …, 4-6)에 장착되고, 각 서스펜션 실린더의 스트로크 및 지지력을 각각 측정한다. 상기 전자제어 유닛(8)은 관성 측정 유닛(3), 서스펜션 실린더의 변위 센서(5-1, 5-2, …, 5-6) 및 지지력 센서(6-1, 6-2, …, 6-6) 및 서보 컨트롤러(7-1, 7-2, …, 7-6)에 각각 연결된다. 서보 컨트롤러(7-1, 7-2, …, 7-6)는 서스펜션 실린더 (4-1, 4-2, …, 4-6)에 각각 연결되어, 서스펜션 실린더를 구동시킨다.

(2)차량의 가상 경사 평면에서 주행하는 각 휠 지지력을 구하는 방법

1.3축 패시브 서스펜션 차량의 동역학 모델

도 3에 도시한 바와 같이, 차량을 강체로 간주하고, 차량의 질량을 M으로 설정하고, 차량의 모든 서스펜션은 모두 독립적 서스펜션이고, 모든 서스펜션의 구조 크기 및 성능은 동일하다. 서스펜션 시스템의 하드웨어 구조를 댐퍼, 스프링의 병렬 연결로 단순화한다. 스프링은 선형 스프링이고, 스프링 강도는 Ｋ _Z 이고, 댐퍼의 댐핑은 점성 댐퍼이고, 댐핑 계수는 Ｃ _Z 이다. 차량 동역학 특성에 대한 서스펜션 시스템의 측면 방향과 접선 탄성 및 댐핑의 영향이 너무 작아, 서스펜션의 측면 방향과 접선 탄성 및 댐퍼를 무시한다. 오른손 좌표계OXYZ를 구축하고, X축의 양의 방향은 차량의 횡방향 우향 방향으로, Y축의 양의 방향은 차량의 종방향 전진 방향으로, Z축의 양의 방향은 차량이 수직 상향 방향으로 한다. 상기 좌표계는 경사 평면과 고정 연결되고, 고정 좌표계이다. 고정 좌표계에서의 3축 차량의 위치를 결정하기 위하여, 다시 차량 좌표계 oxyz를 도입하고, 차량 좌표계와 고정 좌표계는 초기 위치에서 겹치고, 고정 좌표계에서의 이의 포지셔닝 좌표는 각각 x, y, z, α, β, γ로 설정한다.

차량 질량 중심의 차량 좌표계oxyz에서의 좌표를 W(

)로 설정하고, 번호가 i인 서스펜션 상부 지지점Oi의 oxyz좌표계에서의 x, y좌표는 각각 b _i , L _i 로 설정하고, i=1, 2, …, 6이다. x, y, z축에 대한 차량의 관성 모멘트는 J _XX, J _YY, J _ZZ으로 설정하고, x/y, y/z, x/z축에 대한 관성 승적은 J_XY, J_YZ, J_XZ으로 설정한다. 관성 측정 유닛(3)에 의해 측정된 차량 좌표계의 고정 좌표계에 대한 6차원 가속도를 각각

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,

,

로 설정하고, 측정한 차체 자세 각도는 α, β이다. 경사가 휠의 지지력에 미치는 영향을 정확하게 반영하기 위하여, 다시 경사각(λ) 및 차량 주행 방위각의 개념을 도입한다. 경사각은 경사 평면과 수평면 사이의 각도이고, λ로 나타낸다. 방위각은 경사 하강 방향이 차량 좌표계x축에 대한 각도이다. φ로 나타낸다.

α, β에서 λ, φ를 계산하기 위한 변환 공식은 아래와 같다:

（1）

（2）

식에서，

이다.

2. 각 휠 지지력의 제어 목표값을 구한다.

도 3에서, 번호가 i인 휠이 경사 평면 접지점에서 받는 구동력, 주행 저항력, 측향력, 지지력을 각각 P _i , F _i , S _i , W _i 을 설정하고, i=1, 2, …, 6이다. 동역학 방정식을 구축하여 구하여 얻을 수 있다:

i=1,…,6 (3）

여기서:

이로부터 알 수 있듯이, W _i 는 차량의 6차원 가속도 및 자세각의 함수이며, 좌표계oxyz 에서의 차량의 관성 특성, 각 서스펜션의 상부 지지점의 oxyz 좌표계에서의 위치 좌표와 관련되고, 서스펜션의 강도, 댐퍼와 무관하다.

(3)서스펜션 시스템의 관성 조정 방법

휠 지지력에 기반한 3축 차량의 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법은 내부 루프 제어 및 외부 루프 제어 두 가지로 나뉜다.

1.내부 루프 제어

먼저 서스펜션 실린더에 장착된 지지력 센서(6-1, 6-2, …, 6-6)를 이용하여 각 휠(2-1, 2-2, …, 2-6)의 실제 지지력(

)을 측정하고, i=1, 2, …, 6이다. 다시 관성 측정 유닛(3)에 의해 측정된 차량 좌표계의 6차원 가속도(

,

,

,

,

,

)와 차체 자세각(α, β)을 식(1), (2), (3)에 대입하여 상응하는 가상 경사 평면에서 차량이 주행할 때에 각 휠이 견뎌야 하는 이론적 지지력(

)을 구하고, i=1, 2, …,6이다. 상기 이론적 지지력(

)을 휠의 실제 지지력(

)의 제어 목표값으로 하고, 양자의 차이값을 구한 후 조절량(

)을 얻고, PID 조절을 후, 상응하는 서스펜션 실린더 변위량을 얻고, 서보 컨트롤러(7-1, 7-2, …, 7-6)에 입력하여, 서스펜션 실린더 (4-1, 4-2, …, 4-6)가 신장 또는 수축하도록 구동시키고, 이러한 제어를 통해 각 휠의 실제 지지력(

)은 지지력 제어 목표값(

)에 따라 변화한다.

2.외부 루프 제어

서스펜션 실린더에 장착된 변위 센서(5-1, 5-2, …, 5-6)를 이용하여, 각 서스펜션 실린더의 스트로크(w _i )를 측정하고, 다음 6개의 서스펜션 실린더 스트로크의 평균값(

)을 구하고, 여기서, i=1, 2, …,6이다. 서스펜션 실린더 스트로크의 중앙값(

)과 상기 서스펜션 실린더의 스트로크 평균값의 차이(

)를 각 서스펜션 실린더의 균일한 신축의 변위량 목표값으로 하여 각 서스펜션 실린더의 스트로크를 제어하고, 각 서스펜션 실린더를 동일한 변위량(δ)으로 신장 또는 수축하도록 하여, 모든 서스펜션 실린더 스트로크의 평균값이 서스펜션 실린더 스트로크의 중앙값(

)에 근접하게 하고, 여기서

는 서스펜션 실린더의 최대 스트로크이다.

상기 내부 루프 제어와 외부 루프 제어는 서로 독립적이고 결합 관계가 없다. 그중의 내부 루프 제어는 각 휠 지지력에 대해 제어하나, 최종적으로는 또한 서스펜션 실린더의 변위량 제어를 통해 구현되므로, 내부 루프 제어량과 외부 루프 제어량은 모두 변위량이며, 함께 중첩할 수 있고, 도 1에 도시한 바와 같이, 중첩점은 먼저 각 서스펜션 실린더 서보 컨트롤러의 입력단에 위치한다.

(4)본 발명의 구체적인 실시예의 유익한 효과

이하 도4 내지 도 10과 결합하여 본 발명의 제1 실시예에서의 능동/수동 겸용 서스펜션 실린더의 방안에 대해 설명한다. 본 발명은 이미 긴급 구조 차량의 실제 응용 테스트를 통해, 좋은 사용 효과를 얻었다.

1.응용의 기본 상황

본 발명을 적용한 차량은 높은 사다리의 고분사 소방차이고, 상기 차량이 본 발명을 채택하기 전에 사용한 것은 유압/공압식 서스펜션 시스템이었고, 전 세계적으로 업계 내에서 이러한 차량에 액티브 서스펜션 시스템이 적용된 적이 없고, 유압/공압식 서스펜션 시스템은 현재 이러한 유형의 차량 산업에서 적용되는 가장 선진화된 서스펜션 시스템이다. 본 발명을 이용한 후, 원래의 유압/공압식 서스펜션 시스템을 기반으로, 액티브 서스펜션 시스템을 추가하여, 현재의 액티브/패시브 서스펜션 변환 가능한 동작 모드를 만들었다. 그중의 액티브 서스펜션 시스템은 본 발명의 원리 방법에 따라 구축되고, 유압 서보에 의해 구동되며, 휠 지지력에 기반한 액티브 서스펜션의 관성 조정 기술을 이용한다. 액티브/패시브 서스펜션 동작 모드는 운전석 전면 패널의 스위치를 통해 전환할 수 있다.

응용 차량의 기본 매개변수는 표1에 나타낸 바와 같다.

[표 1] 응용차량의 기본 매개변수표

상기 유형의 차량 서스펜션 시스템의 액티브/패시브 모드 공용 서스펜션 실린더는, 도 4에 도시한 바와 같다. 도 4는 차량의 첫 번째 휠 서스펜션 실린더의 기능과 구조 개략도이며, 다른 휠 서스펜션 실린더는 이와 완전히 동일하다. 도면에서, 서스펜션 실린더 (4-1)는 차체(1)와 휠(2-1) 사이에 장착되고, 서보 증폭기(7-101) 및 서보 밸브(7-1-2)로 구성된 서보 컨트롤러(7-1)에 의해 구동된다. 서스펜션 실린더 (4-1)의 피스톤 로드 내에 자기 변형 센서(5-1)가 장착되어 있다. 휠 지지력을 측정하기 위하여, 서스펜션 실린더의 로드리스 캐비티에 연결된 유로(A)와 로드 캐비티에 연결된 유로(B)에 각각 하나의 압력 센서(6-1-1, 6-1-2)를 장착하고, 양자에서 측정된 유로 압력 및 서스펜션 실린더의 로드 캐비티, 로드리스 캐비티 면적에 근거하여 서스펜션 실린더의 지지력을 계산할 수 있고, 이를 토대로, 다시 서스펜션 링키지 메커니즘의 특정 힘 전달 관계에 따라 각 휠의 실제 지지력을 계산할 수 있다.

2.테스트 방안 결정

테스트 항목은 주로 두 종류의 서스펜션 모드하에서의 주행 안정성 및 조종 안정성을 비교하며, 구체적인 테스트 항목은 아래와 같다:

(1)주행 안정성 테스트

차량은 액티브 서스펜션 모드 및 패시브 서스펜션 모드에서 주행 안정성을 테스트하고, 각각의 통합 총 가중 가속도 평균 제곱근 값을 계산하여 비교한다. 동시에 차량이 장애물을 통과할 때의 차체 자세각에 대해 테스트하여 비교한다. 테스트 시, 차량은 도 5에 도시된 리프트암 주행 모드에 있다. 일반적인 시멘트 도로에 삼각형의 범프 장애물을 설치하는 방식을 통해 타이어에 대한 노면의 자극을 구현한다. 삼각형 범프 장애물은 도 7에 도시한 바와 같다.

테스트는 휠이 한쪽 변에서 연속적으로 삼각형 범프 장애물을 건너기, 양쪽 변에서 연속하여 삼각형 범프 장애물을 건너기 및 양쪽 변에서 교차하여 삼각형 범프 장애물을 건너기 3가지 상황이고, 각 상황의 삼각형 범프 배치 방식은 각각 도 8, 도 9, 도 10에 도시한 바와 같다.

(2)조종 안정성 안정 상태 회전 테스트

차량은 각각 액티브 서스펜션 모드 및 패시브 서스펜션 모드 하에서 조종 안정성에 대한 안정 상태 회전 테스트를 진행하고, 상응하는 차체 롤링각을 계산하여 비교한다. 테스트시 차량은 도 6에 도시된 드롭 암 주행 모드에 있다. 리프트 암 주행 모드로 테스트하지 않은 이유는, 유압/공압 서스펜션 모드 하에서 높은 차속으로 스티어링하면 차량이 전복될 수 있기 때문이다.

（3）조종 안정성의 비상 제동 테스트

차량은 각각 액티브 서스펜션 및 패시브 서스펜션 두 가지 모드에서, 5km/h의 차속으로 직선 주행하는 과정에서 비상 제동 테스트를 하고, 그 차체 피치각을 테스트하여 비교한다. 테스트 시, 차량은 도 5에 도시된 리프트 암 주행 모드에 있다.

3.테스트 결과

상기 테스트 방안에 따라 테스트하고, 테스트 결과와 테스트 결론은 아래와 같다.

(1)테스트 결과는 표 2, 표 3 및 표 4에 나타내었다.

(2)테스트 결론

본 발명에서 사용하는 액티브 서스펜션과 원래의 유압/공압식 서스펜션을 비교하면, 전형적인 주행 상황에서의 주행 안정성 및 조종 안정성은 모두 현저히 향상되었다.

①주행 안정성 테스트, 삼각형 장애물을 건널때, 액티브 서스펜션과 패시브 서스펜션을 비교하면 가속도의 평균 제곱근 값은 32.4%감소하고, 한쪽 변에서 휠이 삼각 장애물을 건널 때의 평균 차체 측향각은 34.5%감소하고, 양쪽 변에서 휠이 삼각 장애물을 건널 때의 평균 차체 피치각은 25.7% 감소하였다.

②조종 안정성 안정 상태 회전 테스트, 액티브 서스펜션과 패시브 유압/공압식 서스펜션을 비교하면, 차체 롤링 정도가 좌회전할 때 40.8%감소하였고, 우회전할 때 51.2% 감소하였다.

③조종 안정성의 비상 제동 테스트，액티브 서스펜션과 패시브 유압/공압식 서스펜션을 비교하면, 차체 피치각 피크가 64.6% 감소하였다.

[표 2] 주행 안정성 테스트 결과

[표3] 조종 안정성 안정 상태 회전 테스트 결과

[표4] 조종 안정성의 비상 제동 테스트 결과

상기 테스트에서 얻은 사용 효과는 도4에 도시된 본 발명의 제1 실시예의 서스펜션 실린더 기능과 구조를 기반으로 얻어지며, 이는 서스펜션 실린더 두 캐비티 압력을 측정하여 휠 지지력을 계산하고, 원래의 유압/공압식 서스펜션 실린더의 구조 형태 및 크기가 변경되지 않는 장점도 가지고 있다. 실린더는 마찰력으로 인해 계산된 휠 지지력에 약간의 오차가 있을 수 있음을 유의해야 한다.

교체 가능한 방안에서, 즉, 도 11에 도시한 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에서, 서스펜션 실린더와 차체가 연결되는 일단에 1개의 압력 센서(6-1)를 장착하여 휠의 지지력을 계산하고, 테스트한 휠의 지지력 측정 정확도는 1%이하에 도달할 수 있다. 도11의 서스펜션 실린더를 이용하면, 실린더의 마찰력으로 인해 제1 실시예에서 계산된 휠 지지력의 일정 오차 문제를 극복할 수 있고, 서스펜션 제어 성능이 더 향상된다. 본 발명의 제2 실시예에서, 서스펜션 실린더의 구조는 서스펜션 실린더 상부 지지점의 지지 위치까지도 변경해야 하므로, 일정한 장착 공간이 필요하다.

본 명세서의 설명서에서, “일 실시예”, “일부 실시예”, “예시”, “구체적인 예시” 또는 “일부 예시”등의 참조 용어에 대한 설명은 상기 실시예 또는 예시적 설명과 결합하여 설명된 구체적인 특징, 구조, 재료 또는 장점이 본 발명의 적어도 하나의 실시예 또는 실시예에 포함됨을 의미한다. 본 명세서에서, 상기 용어의 예시적 표현은 동일한 실시예 또는 예시를 반드시 의미하는 바는 아니다. 또한, 설명하는 구체적인 특징, 구조, 재료 또는 장점은 임의의 하나 또는 복수의 실시예 또는 예시에서 적합한 방식으로 결합할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시방식을 설명한 것일 뿐, 본 발명을 상기 실시방식에 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 정신 및 원칙 내에서, 진행한 다양한 변경, 균등한 대체, 수정등은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 포함되어야 한다.

Claims (7)

1. 각 휠의 지지력을 조절하고 각 서스펜션 실린더의 신축을 조절하여, 차량이 수직 방향으로 받는 합력, 질량 중심을 중심으로 한 세로축 및 가로축 각자의 합력 모멘트가 0이거나 또는 0에 가깝도록 제어함으로써, 차량의 질량 중심이 직선 또는 평활 곡선을 따라 운동하고, 차량의 자세가 기본적으로 안정된 자세를 유지하도록 하는, 휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법은 내부 루프 제어 및 외부 루프 제어를 포함하고, 내부 루프 제어는 각 휠 지지력을 제어하고, 외부 루프 제어는 모든 서스펜션 실린더의 스트로크 평균값을 제어하고, 내부 루프 제어와 외부 루프 제어는 서로 독립적이며, 결합 관계가 없는, 휠 지지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 내부 루프 제어는, 관성 측정 유닛에 의해 측정된 6차원 가속도, 피치각 및 롤링각으로 차량이 가상 경사 평면에서 주행할 때, 각 휠이 견뎌야 하는 이론적 지지력(

   

   )을 동역학으로 구하여, 휠 지지력을 제어하는 목표값으로 하고, 실측한 각 휠 지지력(

   

   )과 비교하고, 양자의 차이값(

   

   )을 조정값으로 서보 컨트롤러에 입력하여, 서스펜션 실린더에 대해 신축 제어를 진행하고, 각 휠의 지지력은 이론적 지지력(

   

   )에 따라 변화하도록 하고, i=1, 2, …, m, m은 휠의 개수인, 휠 지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 외부 루프 제어는, 측정된 각 서스펜션 실린더 스트로크에 근거하여 모든 서스펜션 실린더의 스트로크 평균값을 구하고, 이를 서스펜션 실린더 스트로크의 중앙값과 비교하여, 양자의 차이값을 목표 변위량으로 하고, 각 서스펜션 실린더가 동일한 변위량으로 신축하도록 제어하여, 모든 서스펜션 실린더 스트로크의 평균값이 중앙값에 가까워지도록 하는, 휠 지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법.
5. 제2항에 있어서,
   내부 루프 제어 및 외부 루프 제어는 최종적으로 모두 서스펜션 실린더의 변위량을 제어함으로써 구현되며, 내부 루프 제어의 서스펜션 실린더의 변위량과 외부 루프 제어의 서스펜션 실린더의 변위량은 각 서스펜션 실린더의 서보 컨트롤러의 입력단에 함께 중첩되는, 휠 지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 휠 지력에 기반한 차량 액티브 서스펜션의 관성 조정 방법을 이용하는 제어 시스템에 있어서,
   차체(1), m개의 휠(2-1, 2-2, …, 2-m), 관성 측정 유닛(3), 휠에 대응되는 서스펜션 실린더(4-1, 4-2, …, 4-m) 및 이의 변위 센서(5-1, 5-2, …, 5-m) 및 지지력 센서(6-1, 6-2, …, 6-m), 서보 컨트롤러(7-1, 7-2, …, 7-m), 전자제어 유닛(8)을 포함하고;
   변위 센서(5-1, 5-2, …, 5-m) 및 지지력 센서(6-1, 6-2, …, 6-m)는 서스펜션 실린더(4-1, 4-2, …, 4-m)상에 각각 장착되어, 서스펜션 실린더 각자의 스트로크 및 지지력을 측정하고;
   상기 전자제어 유닛(8)은 관성 측정 유닛(3), 서스펜션 실린더의 변위 센서(5-1, 5-2, …, 5-m) 및 지지력 센서(6-1, 6-2, …, 6-m) 및 서보 컨트롤러(7-1, 7-2, …, 7-m)와 각각 통신 연결되고;
   서보 컨트롤러(7-1, 7-2, …, 7-m)는 서스펜션 실린더(4-1, 4-2, …, 4-m)에 각각 연결되어 서스펜션 실린더를 구동시키는, 제어 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   지지력 센서는 서스펜션 실린더와 차체가 연결된 위치에 장착되거나; 또는 서스펜션 실린더/공압 실린더의 로드 챔버 회로 및 로드리스 챔버 회로에 각각 하나의 지지력 센서가 장착되는, 제어 시스템.

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