[논문]휠 슬립 제어를 위한 타이어와 노면 사이의 타이어 제동력 및 노면 마찰계수 추정

홍대건; 허건수; 윤팔주; 황인용

doi:10.3795/ksme-a.2004.28.5.517

휠 슬립 제어를 위한 타이어와 노면 사이의 타이어 제동력 및 노면 마찰계수 추정
Estimation of Tire Braking Force and Road Friction Coefficient Between Tire and Road Surface For Wheel Slip Control 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.28 no.5 = no.224, 2004년, pp.517 - 523

홍대건 (한양대학교 대학원 정밀기계공학과) , 허건수 (한양대학교 기계공학부) , 윤팔주 ((주)만도 중앙연구소) , 황인용 ((주)만도 중앙연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, wheel slip controllers with controlling the wheel slip directly has been studied using the brake-by-wire actuator. The wheel slip controller is able to control the braking force more accurately and can be adapted to various different vehicles more easily than the conventional ABS systems. The wheel slip controller requires the information about the tire braking force and road condition in order to achieve the control performance. In this paper, the tire braking forces are estimated considering the variation of the friction between brake pad and disk due to aging of the brake, moisture on the contact area or heating. In addition, the road friction coefficient is estimated without using tire models. The estimated performance of tire braking forces and the road friction coefficient is evaluated in simulations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 EHB가 장착된 차량의 제동시에 브레이크 패드의 마찰계수 및 네 바퀴 각각의 타이어 제동력을 동시에 추정하는 알고리즘을 개발하였다. 각 타이어에 작용하는 타이어 제동력은 브레이크 패드의 마모나 습기 또는 발열 등에 의해 마찰이 변하는 경우를 고려하여 네 바퀴 각각에서의 타이어의 제동력을 추정하였다.
본 논문에서는 EHB의 경우에 대하여 브레이크패드와 디스크 사이의 마찰계수의 변화를 고려하여, 브레이크 패드의 마찰계수 및 타이어의 제동력을 동시에 추정하는 방법을 개발하였다. 이를 위하여 차량 및 브레이크의 모델링이 수행되었으며, 이 모델을 바탕으로 확장된 칼만필터(Extended Kalman Filter)# 사용하여 브레이크 패드의 마찰계수 및 네 바퀴의 타이어 제동력을 각각 추정하는 알고리즘을 개발하였다.
6에 서보듯이 정규화된 5의 특성은 노면의 조건에 관계없이 일정한 곡선을 보여주며, 이는 이러한 특성이 노면과 관계없는 공통된 특성임을 나타낸다. 본 논문에서는 이러한 공통된 특성을 이용하여 노면 마찰계수를 추정 하는 방법을 제안한다. Fig.
이러한 필요한 파라미터 값을 결정하기 위하여 본 논문에서는 정상노면에서 ABS가 작동하는 과도제동 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 7은 이 때의 H-slip 곡선을 나타내고, 그림 8은 정규화된 3 (normalized 8) 선도를 나타낸다.

가설 설정

브레이크 패드의 마찰계수의 경우에는 제동시 브레이크 패드의 마모 상태나 온도, 습도의 기후조건 등의 여러가지 상황에 따라 변하게 되는데네 바퀴 서로서로의 상대적인 마찰계수의 차이는 크지 않다고 가정하여 본 논문에서는 네 바퀴의 브레이크 디스크와 패드 사이의 마찰계수를 동일하게 적용하여 설계하였다. 만일 네 바퀴 각각에 대해 유압력의 배분이나 환경적인 차이 등에 의하여 브레이크 패드 마찰계수의 상대적인 차이가 나타나는 경우에는 네 바퀴 브레이크 패드에서 작용되어지는 마찰계수의 평균값을 추정하게 되며 이에 의해 제동력 추정은 약간의 오차를 가질 수 있다.
타이어의 제동력의 경우 많은 기존의 연구에서 제동토크를 알 수 있다고 가정하였다."* 그러나 EM缶의 경우에는 전류 측정을 통하여 제동 토크를 알 수 있으나, EHB 및 기존의 유압식 브레이크에서는 측정 가능한 유압의 압력 정보를 이용하여 토크를 계산하기는 어렵다.

제안 방법

Fig. 9 Simulation tool
시뮬레이션에서 사용된 차량 모델은 14 자유도전체 차량모델로 스프렁질량 동역학 6자유도, 현수장치 4자유도, 휠 동역학 4자유도로 구성되어 있으며 비선형 타이어 모델인 Pacejeka((3)가 제안한 Magic Fonnula 모델이 포함 되어 있고 과도제동 시뮬레이션을 위하여 ABS 제어기를 구성하여 추가하였다.
각 타이어에 작용하는 타이어 제동력은 브레이크 패드의 마모나 습기 또는 발열 등에 의해 마찰이 변하는 경우를 고려하여 네 바퀴 각각에서의 타이어의 제동력을 추정하였다. 그리고 노면의 상태에 무관하게 타이어와 노면 사이의 마찰특성을 나타낼 수 있는 요소를 도출하였으며, 이를 이용하여 타이어 모델의 어떠한 정보도 사용하지 않고 쉽게 적용할 수 있는 노면 마찰게수 추정 알고리즘을 개발하였다.
그리고 노면의 정보를 획득하기 위하여 타이어 모델을 사용하지 않고 쉽게 적용될 수 있도록 타이어와 노면사이의 노면에 관계없는 공통된 마찰특성을 도출하여 노면 마찰계수 추정 알고리즘을 개발하였다. 개발된 타이어제동력 추정 알고리즘 및 노면 마찰계수 추정 알고리즘은 다양한 조건에서의 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
각 타이어에 작용하는 타이어 제동력은 브레이크 패드의 마모나 습기 또는 발열 등에 의해 마찰이 변하는 경우를 고려하여 네 바퀴 각각에서의 타이어의 제동력을 추정하였다. 그리고 노면의 상태에 무관하게 타이어와 노면 사이의 마찰특성을 나타낼 수 있는 요소를 도출하였으며, 이를 이용하여 타이어 모델의 어떠한 정보도 사용하지 않고 쉽게 적용할 수 있는 노면 마찰게수 추정 알고리즘을 개발하였다. 본 논문에서 제안하는 타이어 제동력 및 노면 마찰계수 추정 알고리즘을 이용하여 상용 ABS를 대신할 휠 슬립 제어 시스템 구현을 기대할 수 있을 것이다.
이를 위하여 차량 및 브레이크의 모델링이 수행되었으며, 이 모델을 바탕으로 확장된 칼만필터(Extended Kalman Filter)# 사용하여 브레이크 패드의 마찰계수 및 네 바퀴의 타이어 제동력을 각각 추정하는 알고리즘을 개발하였다. 그리고 노면의 정보를 획득하기 위하여 타이어 모델을 사용하지 않고 쉽게 적용될 수 있도록 타이어와 노면사이의 노면에 관계없는 공통된 마찰특성을 도출하여 노면 마찰계수 추정 알고리즘을 개발하였다. 개발된 타이어제동력 추정 알고리즘 및 노면 마찰계수 추정 알고리즘은 다양한 조건에서의 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
노면 마찰계수를 추정하기 위하여 본 논문에서는 Fig. 4와 같이 식 (10)으로 계산된 매 순간 발생하는 마찰과 최대 마찰 직선에서의 값과의 차이를 이용하여 노면 마찰계수를 추정하였다. 차량 제동시 노면 마찰계수가 작을수록 슬립률에 따른 매순간 발생하는 마찰과 최대 마찰 직선의 차이는더 작다.
위 절에서 모델링 한 차량 모델에서 타이어의 횡력, 제동력 그리고 브레이크 패드의 마찰계수는 측정할 수 없는 변수들로 이를 추정하기 위하여확장된 칼만필터(Extended Kalman Filter)를 설계하였다. 칼만필터 설계를 위한 모델식은 다음 식 (5) 와 같이 추정 변수들을 상태변수로 확장하여 구성하였다.
이를 위하여 차량 및 브레이크의 모델링이 수행되었으며, 이 모델을 바탕으로 확장된 칼만필터(Extended Kalman Filter)# 사용하여 브레이크 패드의 마찰계수 및 네 바퀴의 타이어 제동력을 각각 추정하는 알고리즘을 개발하였다. 그리고 노면의 정보를 획득하기 위하여 타이어 모델을 사용하지 않고 쉽게 적용될 수 있도록 타이어와 노면사이의 노면에 관계없는 공통된 마찰특성을 도출하여 노면 마찰계수 추정 알고리즘을 개발하였다.
제동력 추정성능을 검증하기 위하여 차량모델 및 추정 알고리즘을 Fig. 9와 같이 MATLAB/Simulink로 구성하여 다양한 조건에서 ABS가 구동되는 경우의 on-line 시뮬레이션을 수행하였다.
휠 슬립 제어는 슬립 동역학(slip dynamics)을 바탕으로 설계되어지며, 슬립 동역학은 타이어의 제동력에 의해 결정되고 타이어 횡력과는 무관한 특성을 가지므로, 본 논문에서는 제동력 추정 시스템의 간략화를 위하여 좌/우 타이어 횡력의 평균값을 사용하였다.

성능/효과

결과를 살펴보면 본 논문에서 제안한 브레이크 디스크와 패드 사이의 마찰계수 및 각 바퀴의 타이어의 제동력 추정 알고리즘을 이용한 추정 결과가 실제값을 잘 추정함을 알 수 있다.

후속연구

그리고 노면의 상태에 무관하게 타이어와 노면 사이의 마찰특성을 나타낼 수 있는 요소를 도출하였으며, 이를 이용하여 타이어 모델의 어떠한 정보도 사용하지 않고 쉽게 적용할 수 있는 노면 마찰게수 추정 알고리즘을 개발하였다. 본 논문에서 제안하는 타이어 제동력 및 노면 마찰계수 추정 알고리즘을 이용하여 상용 ABS를 대신할 휠 슬립 제어 시스템 구현을 기대할 수 있을 것이다.

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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