[논문]승용차의 개폐력 보조 문

이병수; 박민규; 성금길

doi:10.5302/j.icros.2010.16.6.532

승용차의 개폐력 보조 문
Power-Assisted Door for a Passenger Vehicle 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.16 no.6, 2010년, pp.532 - 538

이병수 (계명대학교 기계자동차공학과) , 박민규 (영남이공대학 기계자동차학부) , 성금길 (영남이공대학 기계자동차학부)

Abstract ▼ AI-Helper

SD (Smart Door) is a human friendly power-assisted door system initially targeted for passenger car doors. The Smart Door offers comfort and safety to passengers or/and drivers by supplying additional power. Amount of power supplied by the Smart Door system is depend on the environment where the automotive is situated. It realizes comfort, for example, when the force applied by the passenger to the door is expected to be abnormal, the SD system tries to compensate passenger's effort by supplying additional force. In this study, to enhance the ease of opening and closing the doors of the passenger vehicle, a Smart Door with a power assist mechanism consisting of a motor was developed and analysed. A power assist mechanism mounted within the vehicle's door is designed and modeled for simulation purpose. The required force necessary to control the designed mechanism during the vehicle's roll, pitch and the opening angle of the door has been considered. To this end, we propose a power-assisting control strategy called "gravity cancellation". The system is analysed by numerical simulation with the gravity cancellation control algorithm.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 승용차용 문의 개폐시 편의성과 안전성을 증대시키기 위한 문 개폐력 보조 시스템을 제안하며, 이를 장착한 스마트 도어의 제어 시스템 모델을 완성하고 시뮬레이션 해석 및 제어 알고리즘 시험을 수행하였다. 제어 방법으로 중력 상쇄 알고리즘을 제안한다.
엑츄에이터가 낼 수 있는 힘을 고려해보자. 감속비가 n=4일 때 엑츄에이터가 발생할 수 있는 힘의 정격치는 정격전류인 10A에서 144N이며 최대허용 전류치인 20A에서 최대치 288N이다.
첫 번째 방식은 전역좌표계(global coordinate)의 성분을 상수로 제시하는 방법이고, 두 번째 방식은 중력 벡터를 직교좌표의 성분으로 외부에서 입력하여 설정하는 방법이다. 이 연구에서는 여러 도로 기울기에 대한 연구를 수행할 목적으로 외부 입력으로 설정하는 방식을 택하였다. 그림8은 (3)의 회전 중력 벡터를 계산하여 출력하는 simulink 블록이며, 이를 외부 입력 중력 벡터로 사용하였다.

제안 방법

(10)에서 제안한 중력상쇄 제어 알고리즘인 그림 10의 simulink 블록과 SimMechanics를 이용하여 그림 11과 같이 문 개폐력 보조 시스템의 시뮬레이션 해석 모델을 구성하고 실현하였다. 이 블록들은 문의 질량과 질량관성모멘트, 힌지, 선형 엑츄에이터, 엑츄에이터 작용점, 기울어짐에 의한 중력 벡터의 회전, 정지기구, 건마찰, 중력상쇄 제어 알고리즘, 그리고 직류모터의 동역학을 실현한 것이다.
1. 경사진 노면에 주차된 차량의 운전자와 승객의 편의성 및 안전을 보장하기위한 문 개폐력 보조 시스템을 제안하였다.
2. 운전석 측 문의 운동방정식을 유도하였다. 운동방정식은문의 질량과 질량관성모멘트, 힌지, 직류 모터로 구성된선형 엑츄에이터, 엑츄에이터 작용점, 기울어짐에 의한중력 벡터의 회전, 최대 열림각 이후의 문 정지기구 모델, 힌지 부위의 건마찰, 중력상쇄 제어 알고리즘을 포함한다.
3. 직류모터로 구성된 엑츄에이터 후보의 제어입력에 대한 엑츄에이터 발생력의 전달함수를 정의하고 주파수 대역을 구하였다. 해석 결과 주파수 대역은 충분하였다.
개발한 개폐력 보조 문 시스템 모델로 세 가지의 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 첫 번째는 평상시의 문 개방 상황으로, 차량은 수평면에 주차되어 있으며, 중력상쇄 제어기가 비활성화 되었고, 문에 초기 각속도 조건을 부여하였다.
이런 단점을 해결하기 위해 차량의 롤(roll) 및 피치(pitch) 각도의 변화에 따라 자동차 문의 개폐력을 변화 시킬 수 있는 개폐력 보조(power-assist) 스마트 문(smart door)시스템을 제안한다. 이는 직류 모터 등의 능동 부품을 사용하여 승객이 자동차 문 개폐시 힘을 보완할 수 있는 개폐력 보조 장치이다.
제어 방법으로 중력 상쇄 알고리즘을 제안한다. 이를 위하여 승용차 문 내부에 장착이 가능한 파워어시스트 장치를 개발하고, 이를 장착한 자동차 문에 대하여 동적 해석 모델을 작성한다. 시뮬레이션 해석을 통하여 문 개폐의 편의성 및 안전성 향상에 대한 중력 상쇄 제어 알고리즘의 유용성을 입증한다.
본 연구에서는 승용차용 문의 개폐시 편의성과 안전성을 증대시키기 위한 문 개폐력 보조 시스템을 제안하며, 이를 장착한 스마트 도어의 제어 시스템 모델을 완성하고 시뮬레이션 해석 및 제어 알고리즘 시험을 수행하였다. 제어 방법으로 중력 상쇄 알고리즘을 제안한다. 이를 위하여 승용차 문 내부에 장착이 가능한 파워어시스트 장치를 개발하고, 이를 장착한 자동차 문에 대하여 동적 해석 모델을 작성한다.
차량이 경사로에서 정지 상태에 있을때 문을 고정(정상 상태로 유지)하는데 필요한 엑츄에이터가 생성해야하는 힘을 계산해보았다. 차량이 평지에 정차했을 때 문을 고정하는데 필요한 힘은 영이다.
개발한 개폐력 보조 문 시스템 모델로 세 가지의 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 첫 번째는 평상시의 문 개방 상황으로, 차량은 수평면에 주차되어 있으며, 중력상쇄 제어기가 비활성화 되었고, 문에 초기 각속도 조건을 부여하였다. 이는 개폐력 보조가 없는 일반적인 차량에서 운전자가 평지에 주차된 문을 열고 문 밖으로 나오는 상황에 해당한다.

대상 데이터

엑츄에이터로 채용한 모터는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 12V 직류 모터이며 다양한 감속비의 감속기를 모터 축 부위에 부착할 수 있다. 모터의 파라미터는 전형적인 12V 직류 브러시 모터의 값을 사용하였고 그 값은 표 2에 제시하였다. 그림 5에 표현된 엑츄에이터의 운동방정식을 유도하여 다음과 같이 얻는다.

이론/모형

SimMechanics는 하나의 조인트에 오직 하나의 엑츄에이터 블록 또는 운동지정 블록만 연결되도록 설계되었으므로 마찰 모델을 별개의 블록으로 지정하지 않고 정지기구 블록 내에 포함하였다. 마찰 모델로는 컴퓨터 시뮬레이션에 적합하도록 수치해석 시 안정적이고 강인한 reset integrator모델을 사용하였다[7]. 건마찰을 포함하는 정기기구 모델을 그림 9에 표시하였다.
문과 경첩, 엑츄에이터를 Simscape의 SimMechanics로 모델링하였다. 그림 7에서 보인 것과 같이 차체는 그라운드, 문은 질량과 관성모멘트를 갖는 링크 그리고 경첩은 회전 조인트로 구성하였다.

성능/효과

4. 기울어진 노면에 주차된 문을 개폐할 경우 문을 고정하는데 필요한 힘을 구하고 그로부터 중력상쇄 제어 알고리즘을 이끌어내었다.
5. 운동방정식과 제어 알고리즘을 SimMechanics와 Simulink를 환경 내에서 구현하여 시뮬레이션 해석을 수행하고 제안한 중력상쇄 알고리즘의 유효성을 밝혔다.
이를 위하여 승용차 문 내부에 장착이 가능한 파워어시스트 장치를 개발하고, 이를 장착한 자동차 문에 대하여 동적 해석 모델을 작성한다. 시뮬레이션 해석을 통하여 문 개폐의 편의성 및 안전성 향상에 대한 중력 상쇄 제어 알고리즘의 유용성을 입증한다.
직류모터로 구성된 엑츄에이터 후보의 제어입력에 대한 엑츄에이터 발생력의 전달함수를 정의하고 주파수 대역을 구하였다. 해석 결과 주파수 대역은 충분하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 자동차에서 문이 한꺼번에 열리는 것을 방지하기 위해 사용한 것은 무엇인가?	따라서 승객은 자신의 의도에 의하여 문이 작동되지 않을 경우 불편함을 느끼며 어떤 경우에는 부상의 위험도 발생한다. 기존의 자동차 문 내부에는 차체와 문 사이에 도어 체커(door checker) 또는 가이드라는 부품을 장착하여 문 개폐시 문이 한꺼번에 열리는 것을 방지하도록 배려하고 있다. 그러나 좁은 공간이나, 내리막 경사 및 옆으로 경사진 곳 등에 주차할 경우 문의 자중에 의하여 승객이 원하는 적당한 위치에서 문이 고정되지 않는다.
	차량용 지능형 물품 중 문을 위한 장치에는 무엇이 있나?	차량용 지능형 부품 중 문을 위한 장치에는 최근의 자동슬라이딩 도어(auto sliding door) 및 전동식 파워도어 시스템 등이 있다[1-3]. 그러나 이러한 장치만으로는 자동차의 주차 각도에 따른 문 개폐력의 변화를 보상할 수 없다.

참고문헌 (8)

M. Grujicic, G. Arakere, V. Sellappan, J. C. Ziegert, F. Y. Kocer, and D. Schmueser, "Multi-disciplinary design optimization of a composite car door for structural performance, NVH, Crashworthiness, Durability and Manufacturability," Multidiscipline Modeling in Mat. And Str, May 2009.
D. H. Yoon, J. H. Lee, and J. H. Yoo, "Developmentand optimization of automobile parts for door opening angle control system," Proc. of the KSAE Annual Spring Conference, pp. 1235-1240, 2002.
R. Nayak and K. Im, "Optimization of the side swing door closing effort," SAE International, Technical Paper no. 2003-01-0871, 2003.
I. Takeda, T. Sakai, T. Yamada, S. Onozawa, H. Kuzuya, and T. Matsui, "Concurrent development environment combining mechanical and control systems for PBD and PSD," SAE International, Technical Paper no. 2004-01-0765, 2004.
P. G. de Santos, J. Estremera, E. Garcia, and M. Armada, "Power assist devices for installing plaster panels in construction," Automation in Construction, no. 17, pp. 459-466, 2008.
J. H. Kim, H. S. Lee, J. H. Lee, S. W. Kim, H. K. Park, and S. H. Lee, "Ergonomic Design and Biomechanics Simulation for Car Door System," Korean Society for Precision Engineering 2007 Spring Conference, pp. 583-584, 2007.
D. A. Haessig Jr. and B. Friedland, "On the modeling and simulation of friction," Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 113, pp. 354-362, 1991.

상세보기
SimMechanics 2 User's Guide, The MathWorks Inc., 2008.

저자의 다른 논문 :

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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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