차세대 조향시스템으로서 SBW(Steer-by-Wire)의 연구 개발이 활발하다. SBW는 기존 조향시스템의 비해 빠른 반응성, 노면 으로부터 진동을 운전자에게 분리하여 조향감을 향상시키는 등 다양한 장점을 가지고 있다. 더욱이 다가오는 자율주행시대에 맞춰 자율주행기술이 발전함에 따라 운전자가 직접 조향을 할 필요가 감소하고, 자율주행기술 레벨 5단계(SAE 기준)에 이르러서는 운전자라는 개념이 사라짐에 따라 스트어링 휠이 없어지게 될 것이다. 따라서 자율주행기술의 발전에 따라 SBW 개발의 필요성이 더욱 대두될 것으로 기대된다. 하지만 SBW는 기존 조향시스템과 달리 컬럼이 존재하지 않기 때문에 스티어링휠과 랙&피니언이 물리적으로 완전히 분리되어 있다. 이러한 점 때문에 SBW는 기존 조향 시스템에 비해 ...
차세대 조향시스템으로서 SBW(Steer-by-Wire)의 연구 개발이 활발하다. SBW는 기존 조향시스템의 비해 빠른 반응성, 노면 으로부터 진동을 운전자에게 분리하여 조향감을 향상시키는 등 다양한 장점을 가지고 있다. 더욱이 다가오는 자율주행시대에 맞춰 자율주행기술이 발전함에 따라 운전자가 직접 조향을 할 필요가 감소하고, 자율주행기술 레벨 5단계(SAE 기준)에 이르러서는 운전자라는 개념이 사라짐에 따라 스트어링 휠이 없어지게 될 것이다. 따라서 자율주행기술의 발전에 따라 SBW 개발의 필요성이 더욱 대두될 것으로 기대된다. 하지만 SBW는 기존 조향시스템과 달리 컬럼이 존재하지 않기 때문에 스티어링휠과 랙&피니언이 물리적으로 완전히 분리되어 있다. 이러한 점 때문에 SBW는 기존 조향 시스템에 비해 전자제어시스템의 결함에 의한 위험에 더 취약하다. 그래서 기능안전측면에서 안전성을 확보하기 위해서는 시스템을 다중화(Redundancy)로 구성하여야 한다. 복수의 하드웨어를 통한 다중화(Hardware Redundancy)는 높은 신뢰도를 갖지만, 비용적인 측면에서 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 차량 모델과 차량 내부 센서를 통한 소프트웨어적 다중화(Software Redundancy)를 통해 SBW의 전자제어시스템 결함에 대처하고자 하였다. 기본적인 SBW의 제어는 기계적 마찰을 보상하기 위한 Feedforward 제어와 목표 조향각과 피니언각도 센서의 차이를 이용한 PIFeedback 제어로 구현하였다. 소프트웨어 다중화 이론중 대표적인 이론인 모델 기반 다중화(Model-based Redundancy)이론은 실제 하드웨어 출력과 모델의 출력을 비교하여 그 차이(residual)를 분석하여 결함을 진단하는 이론이다. 때문에 모델 정합성이 매우 중요하다. 하지만 SBW 하드웨어는 노면으로부터 외란, 기계적 마찰 등 비선형적 요소가 존재하기 때문에 모델링이 어렵고 매우 복잡하다. 따라서 본 논문에서는 SBW 하드웨어 수준이 아닌 차량 수준에서 차량 모델을 이용하여 차량의 엑츄에이터인 SBW의 결함을 진단하였다. 따라서 목표 조향각에 따른 차량모델의 요레이트 출력과 요레이트 센서의 출력을 비교하여 그 차이가 특정 임계값을 넘어가면 SBW의 결함으로 진단하였다. 결함은 모터 결함과 피니언 각도 센서의 결함으로 구분하였다. 모터 결함으로 진단된 경우는 다른 모터로 대체하는 것이 불가피하다. 하지만 피니언 각도 센서 결함의 경우 요레이트와 차속정보를 이용하여 칼만필터를 이용하여 피니언 각도를 추정할 수 있다. 그리하여 추정한 각도 값으로 결함이 발생한 센서 값을 대체하는 제어를 수행하였다. 하지만 추정 각도 값은 실제 값에 비해 시간지연(Delay)이 존재하기 때문에 제어 성능이 진동(Oscillation)하는 특성을 보인다. 따라서 피니언 각도 센서 결함 사항에서는 기존제어기에 Phase-lead 보상기를 추가하여 추정 값의 시간지연을 보상하여, 기존 제어 성능 대비 어느 정도 성능을 확보하는 결함 허용 제어(Fault-Tolerant Control)를 수행하였다. 결함은 자연적으로 발생하기를 기다릴 수 없기 때문에 인위적으로 주입해야 하며, 이러한 결함 주입 시험(Fault Injection Test)은 실차 수준에서 검증하기에는 매우 위험하다. 그래서 위와 같이 구성한 SBW 결함 진단(Fault-Diagnosis) 및 결함 허용 제어 알고리즘을 HiLS(Hardware-in-the-Loop Simulation)환경에서 대표적인 횡방향 자율주행 시스템인 LKS(Lane-Keeping System) 작동 상황에 대하여 검증하였다.
차세대 조향시스템으로서 SBW(Steer-by-Wire)의 연구 개발이 활발하다. SBW는 기존 조향시스템의 비해 빠른 반응성, 노면 으로부터 진동을 운전자에게 분리하여 조향감을 향상시키는 등 다양한 장점을 가지고 있다. 더욱이 다가오는 자율주행시대에 맞춰 자율주행기술이 발전함에 따라 운전자가 직접 조향을 할 필요가 감소하고, 자율주행기술 레벨 5단계(SAE 기준)에 이르러서는 운전자라는 개념이 사라짐에 따라 스트어링 휠이 없어지게 될 것이다. 따라서 자율주행기술의 발전에 따라 SBW 개발의 필요성이 더욱 대두될 것으로 기대된다. 하지만 SBW는 기존 조향시스템과 달리 컬럼이 존재하지 않기 때문에 스티어링휠과 랙&피니언이 물리적으로 완전히 분리되어 있다. 이러한 점 때문에 SBW는 기존 조향 시스템에 비해 전자제어시스템의 결함에 의한 위험에 더 취약하다. 그래서 기능안전측면에서 안전성을 확보하기 위해서는 시스템을 다중화(Redundancy)로 구성하여야 한다. 복수의 하드웨어를 통한 다중화(Hardware Redundancy)는 높은 신뢰도를 갖지만, 비용적인 측면에서 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 차량 모델과 차량 내부 센서를 통한 소프트웨어적 다중화(Software Redundancy)를 통해 SBW의 전자제어시스템 결함에 대처하고자 하였다. 기본적인 SBW의 제어는 기계적 마찰을 보상하기 위한 Feedforward 제어와 목표 조향각과 피니언 각도 센서의 차이를 이용한 PI Feedback 제어로 구현하였다. 소프트웨어 다중화 이론중 대표적인 이론인 모델 기반 다중화(Model-based Redundancy)이론은 실제 하드웨어 출력과 모델의 출력을 비교하여 그 차이(residual)를 분석하여 결함을 진단하는 이론이다. 때문에 모델 정합성이 매우 중요하다. 하지만 SBW 하드웨어는 노면으로부터 외란, 기계적 마찰 등 비선형적 요소가 존재하기 때문에 모델링이 어렵고 매우 복잡하다. 따라서 본 논문에서는 SBW 하드웨어 수준이 아닌 차량 수준에서 차량 모델을 이용하여 차량의 엑츄에이터인 SBW의 결함을 진단하였다. 따라서 목표 조향각에 따른 차량모델의 요레이트 출력과 요레이트 센서의 출력을 비교하여 그 차이가 특정 임계값을 넘어가면 SBW의 결함으로 진단하였다. 결함은 모터 결함과 피니언 각도 센서의 결함으로 구분하였다. 모터 결함으로 진단된 경우는 다른 모터로 대체하는 것이 불가피하다. 하지만 피니언 각도 센서 결함의 경우 요레이트와 차속정보를 이용하여 칼만필터를 이용하여 피니언 각도를 추정할 수 있다. 그리하여 추정한 각도 값으로 결함이 발생한 센서 값을 대체하는 제어를 수행하였다. 하지만 추정 각도 값은 실제 값에 비해 시간지연(Delay)이 존재하기 때문에 제어 성능이 진동(Oscillation)하는 특성을 보인다. 따라서 피니언 각도 센서 결함 사항에서는 기존제어기에 Phase-lead 보상기를 추가하여 추정 값의 시간지연을 보상하여, 기존 제어 성능 대비 어느 정도 성능을 확보하는 결함 허용 제어(Fault-Tolerant Control)를 수행하였다. 결함은 자연적으로 발생하기를 기다릴 수 없기 때문에 인위적으로 주입해야 하며, 이러한 결함 주입 시험(Fault Injection Test)은 실차 수준에서 검증하기에는 매우 위험하다. 그래서 위와 같이 구성한 SBW 결함 진단(Fault-Diagnosis) 및 결함 허용 제어 알고리즘을 HiLS(Hardware-in-the-Loop Simulation)환경에서 대표적인 횡방향 자율주행 시스템인 LKS(Lane-Keeping System) 작동 상황에 대하여 검증하였다.
Recently, Research and development of SBW (Steer-by-Wire) as the next generation steering system is active. SBW has various advantages such as quick reactivity compared with conventional steering system, vibration from road surface to driver is separated, and steering feeling is improved. Furthermor...
Recently, Research and development of SBW (Steer-by-Wire) as the next generation steering system is active. SBW has various advantages such as quick reactivity compared with conventional steering system, vibration from road surface to driver is separated, and steering feeling is improved. Furthermore, as autonomous driving technology develops, there’ll be no need for steering by the driver, and as the concept of driver disappears after reaching the autonomous driving skill leve 5, (SAE standard), there will be no steering wheel. Therefore, it is expected that the development of SBW will become more important as the autonomous driving technology develops. However, SBW is physically completely separate from the steering wheel and rack & pinion because there is no column, unlike conventional steering systems. Because of this, the SBW is more vulnerable to the hazards of fault in electronic control systems than the conventional steering systems. Therefore, in order to secure safety in terms of functional safety, the system should be configured with redundancy. Hardware redundancy through a plurality of hardware has high reliability but has disadvantages in terms of cost. Therefore, in this paper, we tried to deal with fault of electronic control system of SBW through software redundancy through vehicle model and in-vehicle sensor. The basic SBW control is implemented by feedforward controller to compensate mechanical friction and PI feedback controller using the error that is difference between the target steering angle and the pinion angle sensor. Model-based redundancy theory, which is a typical theory of software redundancy theory, is a theory to detect fault by analyzing residual that is difference between the actual hardware output and model-based observer output. Therefore, model accuracy is very important. However, SBW hardware is very complicated and difficult to modeling because of nonlinear factors such as disturbance from the road surface and mechanical friction. Therefore, in this paper, we diagnosed faults of SBW using vehicle model. To generate residual, yaw rate and target steering angle were used. and if the residual exceeds a certain threshold value, it is diagnosed as a fault of the SBW. The faults were classified into motor faults and faults of the pinion angle sensor. If diagnosed as a motor fault, it is inevitable to replace it with another motor. However, in the case of a fault of the pinion angle sensor, the pinion angle value can be estimated using the Kalman filter using the yaw rate and vehicle speed information. Thus, in case of sensor fault controller replace the sensor value where the fault occurred with the estimated angle value. However, since the estimated angle value has a time delay compared to the actual value, Chattering occurs in angle position control. Therefore, in case of the angle sensor fault, the phase-lead compensator is added to compensate the time delay of the estimated value. by Fault-Tolerant Control, the control performance is maintained even in the case of the fault occurrence. faults must be artificially injected because they can not wait to occur naturally, and such a Fault Injection Test is very dangerous to verify at the vehicle test. Thus, SBW Fault-Diagnosis and Fault-Tolerant control algorithms are verified under LKS(Lane-Keeping System) operation status and in HiLS (Hardware-in-the-Loop Simulation) environment.
Recently, Research and development of SBW (Steer-by-Wire) as the next generation steering system is active. SBW has various advantages such as quick reactivity compared with conventional steering system, vibration from road surface to driver is separated, and steering feeling is improved. Furthermore, as autonomous driving technology develops, there’ll be no need for steering by the driver, and as the concept of driver disappears after reaching the autonomous driving skill leve 5, (SAE standard), there will be no steering wheel. Therefore, it is expected that the development of SBW will become more important as the autonomous driving technology develops. However, SBW is physically completely separate from the steering wheel and rack & pinion because there is no column, unlike conventional steering systems. Because of this, the SBW is more vulnerable to the hazards of fault in electronic control systems than the conventional steering systems. Therefore, in order to secure safety in terms of functional safety, the system should be configured with redundancy. Hardware redundancy through a plurality of hardware has high reliability but has disadvantages in terms of cost. Therefore, in this paper, we tried to deal with fault of electronic control system of SBW through software redundancy through vehicle model and in-vehicle sensor. The basic SBW control is implemented by feedforward controller to compensate mechanical friction and PI feedback controller using the error that is difference between the target steering angle and the pinion angle sensor. Model-based redundancy theory, which is a typical theory of software redundancy theory, is a theory to detect fault by analyzing residual that is difference between the actual hardware output and model-based observer output. Therefore, model accuracy is very important. However, SBW hardware is very complicated and difficult to modeling because of nonlinear factors such as disturbance from the road surface and mechanical friction. Therefore, in this paper, we diagnosed faults of SBW using vehicle model. To generate residual, yaw rate and target steering angle were used. and if the residual exceeds a certain threshold value, it is diagnosed as a fault of the SBW. The faults were classified into motor faults and faults of the pinion angle sensor. If diagnosed as a motor fault, it is inevitable to replace it with another motor. However, in the case of a fault of the pinion angle sensor, the pinion angle value can be estimated using the Kalman filter using the yaw rate and vehicle speed information. Thus, in case of sensor fault controller replace the sensor value where the fault occurred with the estimated angle value. However, since the estimated angle value has a time delay compared to the actual value, Chattering occurs in angle position control. Therefore, in case of the angle sensor fault, the phase-lead compensator is added to compensate the time delay of the estimated value. by Fault-Tolerant Control, the control performance is maintained even in the case of the fault occurrence. faults must be artificially injected because they can not wait to occur naturally, and such a Fault Injection Test is very dangerous to verify at the vehicle test. Thus, SBW Fault-Diagnosis and Fault-Tolerant control algorithms are verified under LKS(Lane-Keeping System) operation status and in HiLS (Hardware-in-the-Loop Simulation) environment.
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