[논문]전차륜 독립휠 구동 및 조향 제어 기반 특수목적용 6WD/6WS 차량의 주행제어 알고리즘 연구

이대옥; 여승태

doi:10.9766/kimst.2013.16.3.240

전차륜 독립휠 구동 및 조향 제어 기반 특수목적용 6WD/6WS 차량의 주행제어 알고리즘 연구
A Study on Maneuvering Control Algorithm Based on All-wheel Independent Driving and Steering Control for Special Purpose 6WD/6WS Vehicles 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.16 no.3, 2013년, pp.240 - 249

Abstract ▼ AI-Helper

This paper discusses the maneuvering control algorithm based on all-wheel independent driving and steering control techniques for special purpose 6WD/WS vehicles. The maneuvering control algorithms considering superior dynamic characteristics of high power in-wheel motors and independent steering system are designed to perform driving, steering, vehicle stability, and fault tolerant control. The maneuvering controller applies sliding and optimal control theories considering optimal torque distribution and friction circle related to the vertical tire force. The fault tolerant control algorithm is applied to obtain the similar maneuverability to that of the non-faulty vehicle. The simulations using the Matlab/Simulink dynamics model and experiments using HIL simulator mounting the real controllers with the designed control algorithms prove the improved performances in terms of vehicle stability and maneuverability.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 독립휠 제어형 6WD/6WS 차량에 적용할 통합 주행제어 알고리즘 설계 결과를 제시하였다. 주행제어 기능을 효율적으로 수행할 수 있는 구동제어, 조향제어 및 주행 안정성 제어를 위하여 고출력 인휠모터의 뛰어난 동적 특성과 독립 조향 시스템을 고려하여 통합 주행제어 알고리즘을 설계하고, 주행제어 성능을 분석하기 위하여 MATLAB/SIMULINK 모델을 개발하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 전차륜 독립휠 구동 및 조향 제어를 기반으로 하는 전기 추진 6WD/6WS 특수 차량에 대하여 기동 성능 및 주행 안정성을 극대화시키기 위한 주행 제어 알고리즘 설계 결과를 제시하고자 한다. 구동제어, 조향제어 및 주행 안정성 제어를 수행하기 위하여 고출력 인휠모터의 우수한 동적 특성과 독립 조향 시스템을 고려하여 통합 주행제어 알고리즘을 설계하고, 설계된 통합 주행제어 시스템에 대한 차량 안정성 및 기동성 측면에서 시뮬레이션 및 시험 결과를 보여주고 있다.

제안 방법

고속 상황 횡 안정성 및 전복 방지 성능을 평가하기 위해 고마찰(μ = 0.85) 노면 조건에서 피쉬-훅 시뮬레이션을 수행한다.
고장 안전제어 알고리즘의 성능을 살펴보기 위하여 40km/h의 속도로 이중주로 변경 시험 중 전륜이 고장났을 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행한다. Fig.
상위제어기는 운전자의 조향 입력을 통해 각 차륜의 조향각을 애커만 방법을 기반으로 결정하고, 안정성 제어기에서 결정된 목표 요 속도를 만족시키기 위하여 비선형 거동에 적합하고 빠른 응답 특성을 갖는 슬라이딩 제어 기법을 기반으로 요 모멘트를 결정한다. 또한, 안정성 제어에서 결정된 목표 감가속도를 만족시키기 위하여 PID 제어 기법을 기반으로 목표 힘을 결정하여 차량 속도를 제어한다.
주행제어 기능을 효율적으로 수행할 수 있는 구동제어, 조향제어 및 주행 안정성 제어를 위하여 고출력 인휠모터의 뛰어난 동적 특성과 독립 조향 시스템을 고려하여 통합 주행제어 알고리즘을 설계하고, 주행제어 성능을 분석하기 위하여 MATLAB/SIMULINK 모델을 개발하여 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 휠구 동장치 및 조향장치와 연동된 HIL 시뮬레이터를 사용하여 제어 성능을 검증하였다. 설계된 통합 주행제어 알고리즘에 대한 시뮬레이션 및 시험 결과 차량 안정성 및 기동성 측면에서 연구목표를 충족시키는 우수한 성능을 보여주었다.
고장안전제어기는 주행 상황을 파악하고 고장을 진단하며 타 제어기로부터 고장 정보를 수집한다. 이를 토대로고장안전제어기는 FMEA에 따라 고장 중요도를 설정하고 위험 단계를 분리하여 일정 이상 위험 시 주행 제어기를 차단하고 고장 안전 제어를 수행하도록 설계한다.
85) 노면에서 제어 성능을 평가하기 위해 차량 초기 속도를 60km/h로 하여 수행한 이중주로 변경 시뮬레이션 결과이다. 제어를 하지 않는 동일한 휠 토크 입력(no control), 복합조향을 통한 안정성 제어(dual control), 복합조향 및 슬립제어를 통한 안정성 제어(slip control) 등에 대한 시뮬레이션을 수행한다. 안정성 제어(dual & slip)를 한 경우는 Fig.
본 논문에서는 독립휠 제어형 6WD/6WS 차량에 적용할 통합 주행제어 알고리즘 설계 결과를 제시하였다. 주행제어 기능을 효율적으로 수행할 수 있는 구동제어, 조향제어 및 주행 안정성 제어를 위하여 고출력 인휠모터의 뛰어난 동적 특성과 독립 조향 시스템을 고려하여 통합 주행제어 알고리즘을 설계하고, 주행제어 성능을 분석하기 위하여 MATLAB/SIMULINK 모델을 개발하여 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 휠구 동장치 및 조향장치와 연동된 HIL 시뮬레이터를 사용하여 제어 성능을 검증하였다.
통합 주행제어기의 고속 안정성 및 전복 방지 성능을 확인하기 위하여 고마찰(μ = 0.85) 노면 조건에서 차량 초기속도를 60km/h로 하여 이중주로 변경 시뮬레이션을 수행한다.
차체의 요 속도 제어와 차속 제어를 기반으로 고속 주행 시 안정성 확보를 위한 고속주행 안정성 제어, 전복방지 제어 및 슬립율 제어를 통해 주행성능 향상과 안정성 확보를 가능하게 한다. 특히, 고속 주행 및 야지 주행 시 차량을 안정적으로 제어하도록 개별 휠 제어를 통하여 고기동성을 확보하기 위한 차량 제어를 하고, 복합조향, 복합제동, 고장진단 및 안전제어를 수행한다.

대상 데이터

대상 차량은 엔진으로부터 구동력이 전달되는 고전적 방식과 달리 인휠모터가 직접 휠에 토크를 발생시켜 휠의 각가속도를 발생시킨다. 각 휠의 회전 운동은 해당 휠의 토크와 종방향 타이어 힘에 의하여 결정되며, 이 운동에 대한 방정식은 식 (8)과 같이 나타낼 수 있다.
연구 대상 모델은 독립휠 제어형 다축추진 시스템이 적용된 6WD/6WS 차량이다. 휠 구동은 6개의 인휠모터를 장착하여 각 차륜의 독립 구동 및 회생제동이 가능하고, 휠 조향은 6개의 독립 조향모터를 적용한 애커만 조향과 좌우 차륜의 속도차에 의한 스키드 조향을 효율적으로 구현하는 복합조향 기능을 갖는다.
전차량 모델은 Fig. 1과 같이 상질량의 6자유도 동역학 모델, 6개의 현가 모델, 6개의 휠 동역학 모델을 포함한 18자유도 모델로 구성된다. 상질량의 거동은 조향 입력과 종방향과 횡방향의 타이어 및 현가장치 힘에 의해 결정된다.

이론/모형

단일주로 변경 시험은 JASO에서 규정하는 시험 조건에 따라 시험을 실시한다. 단일주로 변경 시험 결과 Table 2에서와 같이 40km/h 이상의 속도에서도 안정적인 주행 특성을 보여줌을 알 수 있다.
슬라럼 시험은 JASO에서 규정하는 시험 코스를 이용하여 시험을 실시한다. 이중주로 변경 시험결과 Fig.

성능/효과

또한, 휠구 동장치 및 조향장치와 연동된 HIL 시뮬레이터를 사용하여 제어 성능을 검증하였다. 설계된 통합 주행제어 알고리즘에 대한 시뮬레이션 및 시험 결과 차량 안정성 및 기동성 측면에서 연구목표를 충족시키는 우수한 성능을 보여주었다. 향후, 제작된 실제 차량의 주행시험을 통하여 통합 주행제어 알고리즘의 성능 및 실용성을 검증할 예정이다.

후속연구

설계된 통합 주행제어 알고리즘에 대한 시뮬레이션 및 시험 결과 차량 안정성 및 기동성 측면에서 연구목표를 충족시키는 우수한 성능을 보여주었다. 향후, 제작된 실제 차량의 주행시험을 통하여 통합 주행제어 알고리즘의 성능 및 실용성을 검증할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통합 주행제어기는 인휠모터의 고응답성과 독립구동 특성을 기반으로 어떠한 역할을 수행하는가?	이러한 독립구동 및 복합조향 기반의 독립휠 제어형 추진장치를 적용한 차량의 주행제어를 위해서는 새로운 개념의 통합 주행 제어 기법이 필요하다. 통합 주행제어기는 인휠모터의 고응답성과 독립구동 특성을 기반으로 주행제어(조향, 구동, 제동), 고속주행 안정성 제어(횡, 전복, 자세 안정성), 고장 안전제어(센서, 액튜에이터)를 수행한다.
	독립휠 제어형 다축 추진장치란 무엇인가?	독립휠 제어형 다축 추진장치는 고성능의 인휠모터를 휠에 직접 장착하여 파워트레인 요소를 제거함으로서 특수 임무 수행을 위한 차량 내부 공간을 증대시킴은 물론 차량의 기동성 및 생존성을 개선시킬 수 있는 신개념의 전기식 추진 시스템이다. 이러한 독립구동 및 복합조향 기반의 독립휠 제어형 추진장치를 적용한 차량의 주행제어를 위해서는 새로운 개념의 통합 주행 제어 기법이 필요하다.
	독립 휠 제어형 다축 추진 시스템이 적용된 6WD/6WS 차량의 특징은 무엇인가?	연구 대상 모델은 독립휠 제어형 다축추진 시스템이 적용된 6WD/6WS 차량이다. 휠 구동은 6개의 인휠모터를 장착하여 각 차륜의 독립 구동 및 회생제동이 가능하고, 휠 조향은 6개의 독립 조향모터를 적용한 애커만 조향과 좌우 차륜의 속도차에 의한 스키드 조향을 효율적으로 구현하는 복합조향 기능을 갖는다. 운전자의 요구에 따라 주행제어기로부터 인휠모터 제어기에 명령이 전달되어 인휠모터를 제어하여 목표 구동력과 제동력을 제공하고, 좌우 인휠모터의 속도차에 의한 스키드 조향과 조향모터에 의한 선회각 조향을 한다[9,10].

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
W. G. Kim, J. Y. Kang, and K. Yi, "Drive Control System Design for Stability and Maneuverability of a 6WD/6WS Vehicle", Int. J. of Automotive Technology, Vol. 12, No. 1, pp. 67-74, 2011.

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원문보기 상세보기
Heeseo Chae, Jaewon Na, Jitae Hong, and Daeok Lee, "3-Layer Fault Tolerance Strategy in 6×6 Hybrid Electric Vehicle Having Independent Steering and In-wheel Drives", IEEE 2012 Intelligent Vehicles Symposium, pp. 843-848, 2012.
Daeok Lee, Seungtai Yeo, Jongseok Lee, Wongun Kim, and Jaewon Na, "A Study on Maneuvering Control System Design Based on All-wheel Independent Driving and Steering Control Approach for Special Purpose Electric Propulsion Vehicles", Proceedings of Military Science and Technology Conference, pp. 1931-1934, 2012.

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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