[논문]타이어의 최적 노면 마찰력을 고려한 ABS 슬라이딩 모드 제어

김정식

doi:10.7467/ksae.2013.21.1.078

타이어의 최적 노면 마찰력을 고려한 ABS 슬라이딩 모드 제어
ABS Sliding Mode Control considering Optimum Road Friction Force of Tyre 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.1, 2013년, pp.78 - 85

김정식 (한국타이어중앙연구소 동역학연구팀)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the sliding mode control methods for anti-lock brake system (ABS) with the friction force observer. Using a simplified quarter car model, the sliding mode controller for ABS is designed to track the desired wheel slip ratio. Here, new method to find the desired wheel slip ratio which produces the maximum friction force between road and tire is suggested. The desired wheel slip ratio is varying according road and tire conditions to produce maximum friction force. In order to find optimum desired wheel slip ratio, the sliding mode observer for friction force is used. The proposed sliding mode controller with observer is evaluated in simulation, and the control design is shown to have high performance on roads with constant and varying adhesion coefficients.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

결과적으로 ABS 슬라이딩 모드 제어기가 실제에 효과적으로 적용되기 위해서는 첫 번째로 노면과 타이어 사이의 최대 마찰력이 발생하는 최적의 목표 슬립을 추정하는 것과 두 번째로 추정된 목표 슬립을 정확하게 추적하는 것을 동시에 만족해야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 두 가지 특성을 모두 갖춘 새로운 슬라이딩 모드 ABS 제어 방법을 제안 하였다. 슬라이딩 모드 제어기는 단순화된 1/4 차량 모델을 이용하여 설계하였으며 제어기가 추적해야할 목표 슬립은 슬라이딩모드 관측기에 의해 추정된 마찰력과 슬립 곡선의 기울기를 이용하여 설정 하였다.
차량의 제동 거리를 단축하기 위한 ABS 제어 방법에 대한 연구를 수행하였다. 우선 외란과 시스템의 불확실성에 대해서 강건성을 보장하는 슬라이딩 모드 ABS 제어기를 설계하였다.

가설 설정

2) 이와 같이 제동 거리를 단축시킬 수 있는 것은 타이어에서 최대 마찰력을 발생시키도록 슬립율 제어가 가능하였기 때문이다.
본 연구에서는 Fig. 3과 같은 타이어 마찰력과 슬립율 간의 관계를 이용하여 가변 목표 슬립율, λd 를설정하였다.
여기서 타이어의 구름저항력과 차량의 공기 저항력은 없는 것으로 가정하였으며, v는 차량 속도, ω는휠 회전 속도, m은 차량의 1/4 질량, J는 휠 관성모 멘트, Fx는 노면과 타이어의 마찰력, Tb는 제동 토크, r은 타이어의 유효 회전 반경(Effective rolling radius)이다.

제안 방법

슬라이딩 모드 제어기는 단순화된 1/4 차량 모델을 이용하여 설계하였으며 제어기가 추적해야할 목표 슬립은 슬라이딩모드 관측기에 의해 추정된 마찰력과 슬립 곡선의 기울기를 이용하여 설정 하였다. 따라서 제안된 ABS 제어기는 노면과 타이 어에서 최대의 마찰력이 발생하도록 슬립율을 제어 하여 제동거리를 단축하도록 하였다. 8자유도 차량 모델에 슬라이딩 모드 ABS 제어를 적용하여 제안된 방법의 효율성을 검증하였다.
우선 외란과 시스템의 불확실성에 대해서 강건성을 보장하는 슬라이딩 모드 ABS 제어기를 설계하였다. 목표 슬립율을 고정하는 일반적인 ABS 제어 방법을 개선하여, 타이어의 주행 상태에 따라서 최대의 마찰력이 발생하는 슬립율을 유지하여 제동 거리를 단축할 수 있는 새로운 ABS 제동 방법을 제시하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서 한 개의 휠로 구성된 1/4 차량 모델을 이용하여 슬라이딩모드 ABS 제어기를 설계하였다. Fig.
본 연구에서는 위와 같은 두 가지 특성을 모두 갖춘 새로운 슬라이딩 모드 ABS 제어 방법을 제안 하였다. 슬라이딩 모드 제어기는 단순화된 1/4 차량 모델을 이용하여 설계하였으며 제어기가 추적해야할 목표 슬립은 슬라이딩모드 관측기에 의해 추정된 마찰력과 슬립 곡선의 기울기를 이용하여 설정 하였다. 따라서 제안된 ABS 제어기는 노면과 타이 어에서 최대의 마찰력이 발생하도록 슬립율을 제어 하여 제동거리를 단축하도록 하였다.
여기서 ABS가 없는 일반 제동(CBS), 전륜과 후륜의 목표 슬립율이 각각 λdf = 0.15과 λdr = 0.1로 고정된 ABS 제동과 목표 슬립율을 최적화시킨 ABS 제동 시험을 실시하였다.
이를 위하여 본 연구에서는 슬라이딩 모드 제어기를 사용하였다. 여기서 유압제동기의 동역학을 무시하고 차량 동역학 모델만이 적용된 슬라이딩 모드 제어기기를 설계하였다. 이것은 유압제동기의 동역학을 포함하면 슬라이딩 평면의 상태변수 사이의 관계식이 복잡해져 슬라이딩 평면을 정의하기가 매우 어렵기 때문이다.
차량의 제동 거리를 단축하기 위한 ABS 제어 방법에 대한 연구를 수행하였다. 우선 외란과 시스템의 불확실성에 대해서 강건성을 보장하는 슬라이딩 모드 ABS 제어기를 설계하였다. 목표 슬립율을 고정하는 일반적인 ABS 제어 방법을 개선하여, 타이어의 주행 상태에 따라서 최대의 마찰력이 발생하는 슬립율을 유지하여 제동 거리를 단축할 수 있는 새로운 ABS 제동 방법을 제시하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
를 강건하게 추적하는 것이다. 이를 위하여 본 연구에서는 슬라이딩 모드 제어기를 사용하였다. 여기서 유압제동기의 동역학을 무시하고 차량 동역학 모델만이 적용된 슬라이딩 모드 제어기기를 설계하였다.
모의 시험에 사용된 차량은 소형 세단의 후륜 구동 방식이며 기본적인 차량 제원은 Table 1과 같다. 장착된 타이어 규격은 215/60R16이며, Flat-trac 장비를 이용하여 타이어 제동력을 추출 하였다. “MF-Tool”를 이용하여 타이어 모델 계수들을 추출하였고, 하중과 슬립율에 대한 결과 그래프를 Fig.
제안된 ABS 제어의 효용성을 모의 시험을 통하여 검증하였다. 모의 시험에 사용된 차량은 소형 세단의 후륜 구동 방식이며 기본적인 차량 제원은 Table 1과 같다.
제안된 관측기는 휠의 회전속도, ω와 제동토크, Tb 의 정보를 이용하여 타이어의 마찰력을 추정하는 방식이다.
차량이 속도 100 kph로 직진 주행중에 급제동하는 모의 시험을 수행하였다. 여기서 ABS가 없는 일반 제동(CBS), 전륜과 후륜의 목표 슬립율이 각각 λ_df = 0.
효율적인 ABS 제어를 위하여 최적의 목표 슬립 율을 설정하고, 이를 추적하기 위한 슬라이딩 모드 제어기와 관측기를 설계하였다.

대상 데이터

제안된 ABS 제어의 효용성을 모의 시험을 통하여 검증하였다. 모의 시험에 사용된 차량은 소형 세단의 후륜 구동 방식이며 기본적인 차량 제원은 Table 1과 같다. 장착된 타이어 규격은 215/60R16이며, Flat-trac 장비를 이용하여 타이어 제동력을 추출 하였다.

데이터처리

따라서 제안된 ABS 제어기는 노면과 타이 어에서 최대의 마찰력이 발생하도록 슬립율을 제어 하여 제동거리를 단축하도록 하였다. 8자유도 차량 모델에 슬라이딩 모드 ABS 제어를 적용하여 제안된 방법의 효율성을 검증하였다.

성능/효과

1) 기존의 ABS 제어 방법에 비해 제동 거리를 4m 정도 단축시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.
3) 타이어에서 발생하는 마찰력 추정을 위한 슬라이딩 모드 관측기를 통해서 ABS 제어가 가능함을 확인하였다.
5~7의 제동에서 제동거리를 비교한 것이다. 3.5 sec 후 제동 거리가 CBS 경우 76m로 가장 크게 나타났으며, 고정 슬립율 적용의 70m이며, 제안된 가변 목표 슬립율 적용의 경우 66m로 가장 짧게 나타났다. 제안된 방법은 일반적인 고정 슬립율 ABS 제동 보다 4m 정도 제동거리를 단축할 수있는 결과를 얻을 수 있었다.
그림에 나타낸 바와 같이 타이어의 마찰력이 타이어 슬립, 수직하 중, 노면 조건에 따라서 상당히 많이 변화하는 것을알 수 있다.⁴⁾ 특히 최대 마찰력을 얻기 위한 슬립은 타이어에 작용하는 하중과 노면 조건에 따라서 다른 것을 알 수 있다. 주로 타이어에 작용하는 수직 하중과 노면의 마찰 계수가 높으면 최대 마찰력이 발생하는 슬립은 점점 증가하는 경향을 보인다.
5~7의 제동에서 전륜과 후륜 타이어에서 발생하는 타이어의 마찰력을 나타낸 것이 다. CBS의 경우 타이어에서 제동력이 가장 작게 발생하고 있으며, 제안된 가변 목표 슬립율 ABS 제동의 경우 타이어에서 제동력을 가장 크게 발생시켜 유리한 성능을 보임을 알 수 있다.
5 sec 후 제동 거리가 CBS 경우 76m로 가장 크게 나타났으며, 고정 슬립율 적용의 70m이며, 제안된 가변 목표 슬립율 적용의 경우 66m로 가장 짧게 나타났다. 제안된 방법은 일반적인 고정 슬립율 ABS 제동 보다 4m 정도 제동거리를 단축할 수있는 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

결과적으로 ABS 슬라이딩 모드 제어기가 실제에 효과적으로 적용되기 위해서는 첫 번째로 노면과 타이어 사이의 최대 마찰력이 발생하는 최적의 목표 슬립을 추정하는 것과 두 번째로 추정된 목표 슬립을 정확하게 추적하는 것을 동시에 만족해야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 두 가지 특성을 모두 갖춘 새로운 슬라이딩 모드 ABS 제어 방법을 제안 하였다.
이와 같은 결과는 급제동 상황에서 제동 거리를 단축시켜 안전성 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휠이 잠기는 현상이 바람직 하지 못한 이유는 무엇인가	이와 같은 현상은 상당히 바람직하지 못하다. 왜냐하면 휠이 잠기게 되면 타이어가 노면과 심하게 미끄러져 마찰력이 감소하여 제동거리(Braking distance)가 증가하기 때문이다. 또한 휠이 잠기게 되면 휠의 조향 능력이 사라져 차량 제어가 불가능하게 되기 때문이다. 차량 ABS(Anti-lock braking system) 제어의 주 목적은 이와 같은 급작스런 제동시에 휠이 잠기는 현상을 방지하여 제동거리를 단축하면서 차량의 조향 능력을 유지하는 것이다.
	ABS 제어의 주 목적은 무엇인가	또한 휠이 잠기게 되면 휠의 조향 능력이 사라져 차량 제어가 불가능하게 되기 때문이다. 차량 ABS(Anti-lock braking system) 제어의 주 목적은 이와 같은 급작스런 제동시에 휠이 잠기는 현상을 방지하여 제동거리를 단축하면서 차량의 조향 능력을 유지하는 것이다.
	ABS 제어기를 설계 시 차량 시스템의 강한 비선형과 불확실성이 어려운 이유는 무엇인가	ABS 제어기를 설계하는데 있어 가장 어려운 점은 차량 시스템의 강한 비선형(Nonlinear)과 불확실성 (Uncertainty)이다. 이것은 모델링 과정에서 차량 질량 등과 같은 변수의 추정오차, 무시되는 동역학, 그리고 공기저항과 구름저항력의 외란에 의한 모델 불확실성이 반드시 수반되기 때문이다. 따라서 이와 같은 복잡한 시스템을 고전적인 선형 제어와 주파수 영역 방법을 이용하여 제어하기는 상당히 어렵다.

참고문헌 (8)

S. Drakunov, U. Ozguner, P. Dix and B. Ashrafi, "ABS Control Using Optimum Search vis Sliding Modes," IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol.3, No.1, pp.79-85, 1995.

상세보기
J. K. Hwang and C. K. Song, "Sliding Model Control of the Vehicle ABS with a Disturbance Observer for Model Uncertainties," Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol.23, No.4, pp.44-51, 2006.
S. Choi and D. W. Cho, "Design of nonlinear Sliding Mode Controller with Pulse Width Modulation for Vehicular Slip Ratio Control," Vehicle System Dynamics, Vol.36, No.1, pp.57-72, 2001.

상세보기
M. Sugai, H. Yamaguchi, M. Miyashita, T. Umeno and K. Asano, "New Control Technique for Maximizing Braking Force on Antilock Braking System," Vehicle System Dynamics, Vol.32, pp.299-312, 1999.

상세보기
S. C. Baslamisli, I. E. Kose and G. Anlas, "Robust Control of Anti-lock Brake System," Vehicle System Dynamics, Vol.45, No.3, pp.217- 232, 2007.

상세보기
H. S. Jeong and K. I. Lee, "Friction Coefficient, Torque Estimation, Smooth Shift Control of Automatic Power Transmission," KSME International Journal, Vol.14, No.5, pp.508-517, 2000.
Automotive Handbook, 5th Edn., Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 2000.
MF-Tool 6.1 Users Manual, Delft-Tyre TNO Automotive, 2008.

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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