[논문]전동식 안전벨트 시스템의 선형 상태 관측기 설계

이강석; 최진철; 이우택

doi:10.7467/ksae.2012.20.3.058

전동식 안전벨트 시스템의 선형 상태 관측기 설계
A Design of Linear State Observers for Motorized Seat Belt System 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.20 no.3, 2012년, pp.58 - 66

이강석 (창원대학교 대학원 제어계측공학과) , 최진철 (창원대학교 대학원 제어계측공학과) , 이우택 (창원대학교 제어계측공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a design and a verification of linear state observers for a motorized seat belt system to estimate state information such as angular velocity and load torque. The motorized seat belt system provides functions to protect passengers and improve passenger's convenience. To realize these functions, sensors which can measure an angular velocity and load torque are needed. By use of the linear state observer, state information can be estimated without sensors. The motorized seat belt system is analysed and represented as a state space model which contains load torque as an augmented state. By the developed state space model, a full and reduced order observer are designed and verified by experiments. The full and reduced order observer are also compared from points of view of execution time and noise robustness.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 논문에서는 센서의 장착이 불가능하거나 비용의 절감을 위해서 센서를 장착하지 않고 전동식 안전벨트 시스템 내부 상태, 특히 센서로 측정하기 힘든 부하 토크를 추정할 수 있는 상태 관측기를 구성하였다. 상태 관측기는 전차수 상태 관측기와 축소차수 상태 관측기의 두 가지 형태로 구성하였으며, 전동식 안전벨트 ECU에 구현하고 테스트벤치에서 실험을 수행하여 검증하였다.

가설 설정

2장에서 모델링한 전동모터에 작용하는 토크 τm을 전동 모터에 작용하는 모든 외란 토크 τd와 같으며, 이외란 토크의 시간에 따른 변화는 인가전류 iα, 각속도 ωm와 같은 상태 변수의 변화에 비해 상대적으로 느리기 때문에 식 (17), (18)과 같이 가정하였다.
축소차수 관측기의 구성을 위해서 전차수 관측기의 상태를측정 가능한 상태 x_m(t)과측정 불가능한 상태 x_y(t)로정의하였다.

제안 방법

구현된 관측기는 측정된 전류 정보를 이용하여 전류, 각속도, 부하토크를 추정한다. 이 상태 추정값을 검증하기 위해 측정된 실제값과 비교하였다.
또한 전차수 관측기와 축소차수 관측기의 노이즈에 대한 응답특성과 관측기 수행 시간을 비교하였다. 측정 가능한 상태의 개수에 따라 전차수 관측기와 축소차수 관측기의 상태 추정 알고리즘 수행 시간에 차이가 발생하는 것을 실험을 통해 확인하였다.
또한 축소차수 관측기 피드백 게인 L_r은 전차수관측기과 같이 설계하였으며 전차수 관측기와의 결과 비교를 위하여 전차수 관측기의 두 개의 우세극점 S1, S2를 이용하여 피드백 게인 L_r을 구하였다.
전동식 안전벨트 ECU는 크게 마이크로 컨트롤러, H-브리지 인버터로 구성된다. 마이크로 컨트롤러는 H-브리지 인버터의 전류 측정용 션트저항 및 연산 증폭기출력 값을 ADC 모듈을 통해 측정한다.
전동식 안전벨트 시스템 분석을 통해 시스템을 모델링 하였으며, 실제 시스템을 모사한 테스트 벤치에서의 실험으로 구성된 상태 관측기를 검증하였다. 상태 관측기는 전차수 관측기와 축소차수 관측기 두 가지 형태의 상태 관측기를 구성하였으며, 입력상태의 오차에 대한 상태 추정 결과와 상태 관측기 수행시간을 비교하였다.
이 논문에서는 센서의 장착이 불가능하거나 비용의 절감을 위해서 센서를 장착하지 않고 전동식 안전벨트 시스템 내부 상태, 특히 센서로 측정하기 힘든 부하 토크를 추정할 수 있는 상태 관측기를 구성하였다. 상태 관측기는 전차수 상태 관측기와 축소차수 상태 관측기의 두 가지 형태로 구성하였으며, 전동식 안전벨트 ECU에 구현하고 테스트벤치에서 실험을 수행하여 검증하였다.
상태 관측기를 검증하고 구성된 상태 관측기의 비교를 위하여 테스트벤치에서 실험을 수행하였다. 테스트 벤치의 구성은 Fig.
설계 목표를 다음과 같이 설정하고 설계 목표에 따라 설계 파라미터인 감쇠율 ζ와 주파수 ωn을 결정하였다.
시스템의 관측 가능성을 파악하기 위해서 가관측행렬 L₀를 구하고 가관측성을 파악하였다. 식 (25)의 결과에 따라 이 시스템은 관측 가능하다.
실제값을 측정하기위해 전동식 안전벨트ECU내부의 전류 측정 회로를 이용해 모터 인가 전류 i_a를 측정하였고, 전동모터각속도 w_m는전동모터회전 축에 엔코더를 설치하여 측정하였다. 또한, D-링 단에 로드셀을 장착하여 전동식 안전벨트 시스템의 리트렉터에 작용하는 장력 F_m을 측정하고 식 (6), (7), (8)을 이용하여 전동모터에 작용는 부하토크 τ_m을 구하였다.
앞서 도출한 시스템의 상태 변수 모델을 이용하여 전차수 관측기를 구성한다. 구성된 전차수 관측기는다음과같이 표현할 수 있다.
앞서 도출한 시스템의 상태 변수 모델을 이용하여 축소차수 관측기를 구성한다. 구성된 축소차수관측기는 다음과 같이 표현할 수 있다.
위의 테스트 벤치를 이용해 전동 모터에 8V크기의 계단 전압을 입력하여 전동식 안전벨트를 구동시켰고 그 결과를 확인하였다. Fig.
이 논문에서는 센서의 장착이 불가능하거나 비용의 절감을 위해 센서를 장착하지 않고 내부상태, 특히 전동 모터의 외란을 모델링하여 전동식 안전벨트의 부하 토크를 추정할 수 있는 상태 관측기를 구성한다. 전동식 안전벨트 시스템 분석을 통해 시스템을 모델링 하였으며, 실제 시스템을 모사한 테스트 벤치에서의 실험으로 구성된 상태 관측기를 검증하였다.
등이 알려져 있다. 이 논문에서는 안정성과 목표 성능을 만족하는 관측기 설계를 위하여 극배치법을 이용하여 관측기를 설계하였다.
이 논문에서는 센서의 장착이 불가능하거나 비용의 절감을 위해 센서를 장착하지 않고 내부상태, 특히 전동 모터의 외란을 모델링하여 전동식 안전벨트의 부하 토크를 추정할 수 있는 상태 관측기를 구성한다. 전동식 안전벨트 시스템 분석을 통해 시스템을 모델링 하였으며, 실제 시스템을 모사한 테스트 벤치에서의 실험으로 구성된 상태 관측기를 검증하였다. 상태 관측기는 전차수 관측기와 축소차수 관측기 두 가지 형태의 상태 관측기를 구성하였으며, 입력상태의 오차에 대한 상태 추정 결과와 상태 관측기 수행시간을 비교하였다.
이 장에서는 앞서 구한 상태 모델을 이용하여 상태 관측기를 설계한다. 전차수 관측기와 축소차수 관측기를 설계하였다. 전차수 관측기의 경우, 측정 가능한 상태 정보를 포함한 모든 상태정보를 추정한다.
전차수 관측기의 구성을 위해서 상태를 정의하고 상태변수 모델을 구성하였다.¹²⁾
전차수 관측기의 방법과 동일한 방법으로 시스템의 가관측성을 파악하였다. 축소차수 관측기의 가관측 행렬 L_o'은 다음과 같다.

데이터처리

구현된 관측기는 측정된 전류 정보를 이용하여 전류, 각속도, 부하토크를 추정한다. 이 상태 추정값을 검증하기 위해 측정된 실제값과 비교하였다.

성능/효과

Fig. 8의 실험 결과는 전차수 관측기와 축소차수 관측기를 이용하여 추정된 상태 정보가 측정치와 유사하게 추정되는 것을 확인할 수 있으며 이 결과는 설계된 두 상태 관측기를 이용하여 추정한 상태 정보를 활용 가능하다는 것을 보여준다.
축소차수 관측기의 경우 전차수 관측기에 비해 측정 가능한 상태에 대한 상태 추정을 하지 않으므로 측정가능한 상태의 개수가 많아짐에 따라 상태 추정 알고리즘의 수행시간이 짧아진다. 이 실험에서 각 상태추정기의 1회 수행시간은 전차수 관측기의 경우 약 480.0 uSec, 축소차수 관측기의 경우 약 288.8 uSec로 축소차수 관측기의 수행시간이 전차수 관측기의수행시간에 비해 짧게나타남을 확인하였다.
이는 축소차수 관측기에서 사용하는 측정 가능한 상태 정보에 노이즈 성분이 증가하는 경우 추정하는 상태 정보에도 노이즈 성분이 증가할 것이라는 결론을 얻을 수 있다.
두 관측기의 각속도 w_m의 상태 추정 결과는 ②구간에서 ①, ③구간에대비하여상대적으로 오차가 크게 나타난다. 초기 기동구간인 ①구간과 힘의 평형을 이루는 ③구간에서 상태 추정 양상은 그 오차가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 부하토크 τm의 상태추정결과는 각 속도 w_m의 상태 추정 결과와 마찬가지로 각 구간별 오차가 발생하지만 전반적으로 측정치와 유사한 것을 확인할 수 있다.
또한 전차수 관측기와 축소차수 관측기의 노이즈에 대한 응답특성과 관측기 수행 시간을 비교하였다. 측정 가능한 상태의 개수에 따라 전차수 관측기와 축소차수 관측기의 상태 추정 알고리즘 수행 시간에 차이가 발생하는 것을 실험을 통해 확인하였다. 또한 노이즈가 커짐에 따라 두 관측기의 상태 추정 오차의 차이는 커질 것임을 예상할 수있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 안전벨트 시스템은 어떻게 승객을 보호하는가?	기존의 안전벨트 시스템은 수동 안전시스템 (Passive safety system)으로 기계적인 장치에 의해서 사고시점 혹은 사고시점 이후에 승객을 보호한다. 따라서 사고 직전의 승객의 자세 및 안전벨트의 인장력에 따라 그 효과의 차이가 커지며 이는 안전에 부정적인 요인으로작용하게 된다.
	기존의 안전벨트 시스템에서 안전에 부정적인 요인으로 작용하게 되는 것은?	기존의 안전벨트 시스템은 수동 안전시스템 (Passive safety system)으로 기계적인 장치에 의해서 사고시점 혹은 사고시점 이후에 승객을 보호한다. 따라서 사고 직전의 승객의 자세 및 안전벨트의 인장력에 따라 그 효과의 차이가 커지며 이는 안전에 부정적인 요인으로작용하게 된다.1)
	안전벨트 시스템은 무엇인가?	차량 안전장치 중 하나인 안전벨트 시스템(Seat Belt System)은 사고시 승객의 안전을 보장하는 장치이다.

참고문헌 (17)

S. K. Min, J. K. Lee and B. S. Kim, "Development of Pre-cresh Safety System Using Motorized Seat Belt," Spring Conference Proceedings, KSAE, Vol.4, pp.1219-1224, 2004.
J. S. Park, T. O. Tak, I. H. Kim, M. G. Kuk, D. H. Kim, S. E. Sin, J. H. Kim, D. S. Lee and S. M. Kim, "Driving Mechanism Design of a Motorized Seatbelt Retractor," KSME Conference Proceedings, KSME, pp.2951-2956, 2006.
K. S. Lee and W. T. Lee, "Development of Motorized Seat Belt Control System Using Development- process Model," Spring Conference Proceedings, KSAE, Vol.4, pp.1832-1837, 2008.
M. Aldeen and H. Trinh, "Reduced-order Linear Functional Observer for Linear Systems," Control Theory and Applications, IEE Proceedings, Vol.146, pp.399-405, 1999.

상세보기
B. Bauer, Seat Belt System with Confort Control, United States Patent, No.5181739, 1993.
T. Maekawa, Seat Belt Retractor Employing Ultrasonic Motor, United States Patent, No. 5765774, 1998.
D. Caveney, "Cooperative Vehicular Safety Applications," Control Systems Magazine, IEEE Vol.30, pp.38-53, 2010.
D.-S. Choi, I.-H. Kim and Y.-I. Son, "Design of a Back-EMF Observer for Current Control of DC Motor," KIPE Conference Proceedings, KIPE, pp.294-295, 2010.
M. Kim, W. Moon, D. Bae, I. Park and I. Choi, "Development of a Dynamics Analysis Model of Mechanical System Driven by DC Motors," KSPE Conference Proceedings, KSPE, pp.497- 500, 2002.
S. T. Jin, J. J. Kang and W. T. Lee, "Electronic Throttle Body Model Allowing for Nonlinearity of DC Motor Driver," Transactions of KSAE, Vol.16, No.1, pp.71-77, 2008.
D. G. Luenberger, "Observing the State of a Linear System," IEEE Transactions on Military Electronics, pp.74-80, 1964.
S. H. Lee, S. B. Lee and C. H. Park, "A Study on the Signal Processing Method for the Hall Sensorless Position Control of ETC System Using a BLDC Motor," Transactions of KSAE, Vol.16, No.5, pp.92-99, 2008.
K. T. Bae, C. C. Choi and W. T. Lee, "Design of Linear Disturbance State Estimator of Motorized Seat Belt System," Annual Conference Proceedings, KSAE, pp.1993-1998, 2010.
G. S. Buja, R. Menis and M. I. Valla, "Disturbance Torque Estimation in a Sensorless DC Drive," IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol.43, No.4, 1995.
J. C. Jung and K. S. Huh, "Robust Adaptive Observer Design for a Class of Nonlinear System via an Optimization Method," Transactions of KSME, Vol.30, No.10, pp.1249-1254, 2006.
S.-J. Kim, I.-H. Kim, G.-J. Jeong, S.-N. Ju, M.-S. Kim and Y.-I. Son, "Experiments for Current Estimation of a DC/DC Boost Converter Using Luenberger Observer," CICS Conference, pp.385-386, 2009.
G.-J. Ban and L.-K. Kim, "Speed Control of AC Servo Motor Using Neural Network," Transactions of KIEE, Vol.55D, No.4, pp.158-160, 2006.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증