[논문]차량의 개폐력 보조 여닫이 문의 되먹임 선형화를 이용한 속도 제어 및 충돌 감지

이병수; 박민규; 성금길

doi:10.7467/ksae.2013.21.5.040

차량의 개폐력 보조 여닫이 문의 되먹임 선형화를 이용한 속도 제어 및 충돌 감지
Velocity Control and Collision Detection by Feedback Linearization for an Power-assisted Automotive Swing Door 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.5, 2013년, pp.40 - 46

이병수 (계명대학교 기계자동차공학과) , 박민규 (영남이공대학교 기계학과) , 성금길 (영남이공대학교 기계학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Automatic swing door for an automotive application is considered. The equation of motion for a driver side swing door is introduced and gravity cancellation control scheme is adapted. The control scheme supposed to cancel the moment due to the tilt of the car. A speed control is suggested for door operation automation but the output of the speed control is not suppose to be precise as for the manufacturing system control. In the frame of the velocity control of the door, feedback linearization was applied for collision detection. The collision detection performance is satisfactory. The estimate of the magnitude of disturbance due to the collision is close to the actual magnitude of disturbance. Simulation study has been performed to gain insight into the system behavior. Also real test on the prototype hardware has been performed for verification purpose.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

2초간 가해졌으며 외란 산출알고리즘은 충격에 의한 토크를 훌륭하게 감지하고 있음을 확인시켜준다. 본 연구 주 목표는 여닫이문의 외란의 감지이며 충격 감지 이후의 동작 설정 및 제어에 대해서는 다루지 않는다.
본 연구에서는 승용차용 문의 개폐시 편의성과 안전성을 증대시키기 위한 문 개폐력 보조 장치에 대한 충돌 감지 시스템을 제안한다. 연구를 수행하기 위하여 문의 동적 모델을 제시하고 운동방정식을 유도한다.
1과 같이 부착하였다. 즉, 모터 등의 능동 부품을 사용하여 승객이 자동차 문 개폐시 힘을 보완할 수 있도록 개폐력을 보조하자는 것이다. 또한 안전을 도모하기 위해서는 작동 중 문과 외부 보행자 혹은 장애물과의 충돌 감지는 필수 요건이라 할 수 있다.

가설 설정

4) 속도 제어기로는 속도 오차에 대한 게인 값만을 사용하였다. 문의 개폐 자동화를 목적으로 할 경우 정밀한 속도 제어의 필요성이 없다고 판단하였기 때문이며 적용 결과 만족할만한 개폐 성능을 보였다.

제안 방법

1) 직류모터로 작동되는 여닫이문의 개폐력 보조 시스템의 비선형 방정식을 되먹임 선형화 기법을 이용하여 선형화 하였다.
2) 선형화 시스템에 대하여 외부 충돌(외력에 의한 외란)을 감지하는 외란 산출 방법을 제안하였다.
3) Simulink와 SimMechanics를 이용하여 문 개폐력 보조 기구의 동역학 모델, 힌지 부위의 건마찰, 외란 산출 알고리즘, 도어 래치 및 스토퍼의 충돌 모델 및 속도 선형 제어기를 구성하고 시뮬레이션 해석을 수행하였다.
5) 시뮬레이션 해석을 통해 제안한 알고리즘의 성능을 확인하고 실제 승용차의 운전자측 도어를 사용하여 프로토타입을 제작하였으며 실험을 수행하였다. 문을 열고 닫는 동작을 속도 제어로 실현하는 실험과, 문을 열고 닫는 중 외부 충돌이 가해졌을 때 외란을 산출하는 알고리즘의 동작 확인 실험이었다.
Oh & Hori⁵⁾는 전달함수로 표현되는 선형시스템에 대한 아주 간단하지만 유효한 외란관측기를 제안하였다. 그리고 이 기법을 센서 없는 로봇 암의 힘 보조력 제어와 전동휠체어 제어에 성공적으로 적용하였다. 이 기법은 기본적으로 공칭시스템 G_m(s)의 역전달함수와 컷오프 주파수가 τ인 두 개의 저역통과필터를 활용하며 이로부터 외란관측기는 시스템 응답에서 외란을 추출할 수 있다(Fig.
연구를 수행하기 위하여 문의 동적 모델을 제시하고 운동방정식을 유도한다. 그리고 충돌감지기로써 되먹임 선형화를 통한 외란 관측기를 제안하며 문 닫기 열기 동작 속도 제어기를 설계한다. 이를 장착한 문의 제어 시스템 모델을 완성하고 시뮬레이션 해석 및 외란 산출 알고리즘 시험을 수행하였다.
다음으로는 동일한 실험을 하면서 문이 닫히는 도중에 닫힘을 방해하는 외력을 가하여 인위적인 충돌 상황에서 외란감지기가 외란을 성공적으로 감지하는지 확인하였다. Fig.
문이 닫힌 상태에서 자동으로 열리는 상황을 속도 제어에 적용하여 시뮬레이션 수행하였다. 문이 닫혔을 때의 각도가 0이고 60도가 약간 넘는 각도까지 열리며 속도제어기로 비례제어가 사용되고 속도 목표 값은 초기에는 0.
이제 여닫이문의 개폐 시 속도조절 제어기를 설계한다. 속도 제어기는 어떤 것이든 본 연구의 주요 주제가 아니며 여닫이문의 계폐 자동화 문제에 있어서 속도 제어의 정밀성이 중요한 인자도 아니므로 간단한 게인 제어기를 채용하였다. 즉 제어력은 다음과 같이 간단하게 계산한다.
본 연구에서는 승용차용 문의 개폐시 편의성과 안전성을 증대시키기 위한 문 개폐력 보조 장치에 대한 충돌 감지 시스템을 제안한다. 연구를 수행하기 위하여 문의 동적 모델을 제시하고 운동방정식을 유도한다. 그리고 충돌감지기로써 되먹임 선형화를 통한 외란 관측기를 제안하며 문 닫기 열기 동작 속도 제어기를 설계한다.
외란 관측 성능을 살펴보기 위해서 문이 열리는 도중에 외부에서 문 열림을 방해하는 방향으로 알고 있는 토크를 가하고 외란 관측기가 얼마나 충실히 그 값을 추정하는지 살펴보았다. 그 시뮬레이션 결과가 Fig.
이 장에서는 여닫이문의 속도제어에 대해 다루고, 비선형 시스템을 대상으로 적용할 수 있는 외란관측 기법을 제안한다. 속도 제어를 사용하여 여닫이문의 개폐를 자동화 하는 방법은 다음의 설명과 같다.
이런 불편함과 안전을 위협하는 문제를 해결하기 위해 차량의 롤(roll) 및 피치(pitch) 각도의 변화에 따라 자동차 문의 개폐력을 변화 시킬 수 있는 개폐력 보조(power-assist) 장치를 Fig. 1과 같이 부착하였다. 즉, 모터 등의 능동 부품을 사용하여 승객이 자동차 문 개폐시 힘을 보완할 수 있도록 개폐력을 보조하자는 것이다.
그리고 충돌감지기로써 되먹임 선형화를 통한 외란 관측기를 제안하며 문 닫기 열기 동작 속도 제어기를 설계한다. 이를 장착한 문의 제어 시스템 모델을 완성하고 시뮬레이션 해석 및 외란 산출 알고리즘 시험을 수행하였다. 또한 제작한 프로토타입 실험을 통하여 제안한 외란 산출 알고리즘의 유용성을 입증한다.
이 막대의 한쪽 끝은 문의 작용점에 핀 조인트로, 또 다른 끝은 프레임 상의 가이드 바 설치점에 핀 조인트로 연결된다. 중력가속도는 외부 벡터로 설정하여 차량의 기울어짐을 모사하도록 하였다. 시스템 파라미터 Table 1에 주어진 값을 사용하였다.
차량용 여닫이 문 자동화에 따른 개폐 속도 제어와 충돌 감지 알고리즘의 유용성을 검증하기 위하여 실제 문을 사용하고 엑츄에이터를 제작 부착하며, MathWorks의 Matlab/Simulink와 Humusoft의 Real Time Toolbox 환경을 이용하여 실험을 수행하였다. Real Time Toolbox를 사용하면 Simulink로 구성한 시뮬레이션 블록에서 입출력 블록들만 추가하여 바로 실시간 실험이 가능하며 데이터 입출력 인터페이스는 Humusoft가 제공하는 MF624보드를 사용하였다.
차량의 개폐력 보조 시스템이 설치된 여닫이문의 작동 시 충돌을 감지하는 알고리즘을 제안하고, 모의 실험과 프로토타입 실험으로 그 성능을 검증하였다.

대상 데이터

차량용 여닫이 문 자동화에 따른 개폐 속도 제어와 충돌 감지 알고리즘의 유용성을 검증하기 위하여 실제 문을 사용하고 엑츄에이터를 제작 부착하며, MathWorks의 Matlab/Simulink와 Humusoft의 Real Time Toolbox 환경을 이용하여 실험을 수행하였다. Real Time Toolbox를 사용하면 Simulink로 구성한 시뮬레이션 블록에서 입출력 블록들만 추가하여 바로 실시간 실험이 가능하며 데이터 입출력 인터페이스는 Humusoft가 제공하는 MF624보드를 사용하였다.

이론/모형

SimMechanics에서는 하나의 조인트에 오직 하나의 엑츄에이터 혹은 운동 입력 블록을 적용할 수 있으므로 마찰 모델을 하드 스톱 모델에 포함시켰다. 안정적이고 강건한 마찰 모사를 위해서 Reset Integrator^8,9)마찰모델을 채용하였다. 하드 스톱 모델은 문이 제한 각도까지 완전히 열릴 때와 문이 닫힐 때 작동한다.
여닫이문의 동역학, 속도 제어 그리고 외란 관측기는 Simulink와 SimMechanics⁷⁾을 이용하여 모델링 하였다. 여기서 프레임과 여닫이문은 질량과 2차관성모멘트를 갖는 링크로 모델링된다.

성능/효과

6) 프로토타입 실험 결과로 제안한 외란 산출 기법의 우수한 성능을 뒷받침 하였으며 실용 가능성을 확인하였다.
이를 장착한 문의 제어 시스템 모델을 완성하고 시뮬레이션 해석 및 외란 산출 알고리즘 시험을 수행하였다. 또한 제작한 프로토타입 실험을 통하여 제안한 외란 산출 알고리즘의 유용성을 입증한다. 하지만 충돌을 감지한 이후의 문의 동작에 대한 논의 및 제어에 대해서는 다루지 않는다.
4) 속도 제어기로는 속도 오차에 대한 게인 값만을 사용하였다. 문의 개폐 자동화를 목적으로 할 경우 정밀한 속도 제어의 필요성이 없다고 판단하였기 때문이며 적용 결과 만족할만한 개폐 성능을 보였다.
두 번째 그래프는 참고로 엑츄에이터의 작용력을 그린 것이며 세 번째 그래프는 실제 작용한 외란 토크와 추산한 외란이다. 시뮬레이션이 시작되고 1.5초 후 100Nm의 외부 충격 토크가 0.2초간 가해졌으며 외란 산출알고리즘은 충격에 의한 토크를 훌륭하게 감지하고 있음을 확인시켜준다. 본 연구 주 목표는 여닫이문의 외란의 감지이며 충격 감지 이후의 동작 설정 및 제어에 대해서는 다루지 않는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	개폐력 보조(power-assist) 장치의 역할은?	이런 불편함과 안전을 위협하는 문제를 해결하기 위해 차량의 롤(roll) 및 피치(pitch) 각도의 변화에 따라 자동차 문의 개폐력을 변화 시킬 수 있는 개폐력 보조(power-assist) 장치를 Fig. 1과 같이 부착하였다.
	속도 제어를 사용하여 여닫이문의 개폐를 자동화 하는 방법은 무엇인가?	속도 제어를 사용하여 여닫이문의 개폐를 자동화 하는 방법은 다음의 설명과 같다. 문을 열고자하여 제어 시스템의 입력에 열림 속도를 제어 입력으로 가하면 제어기는 해당 속도 입력을 추종하여 결과적으로 문이 열리게 된다. 문을 닫을 때는 반대 방향의 속도 명령을 준다. 물론, 닫힘과 열림 동작 시 동작 완료가 임박한 시점에서 속도 명령의 크기를 줄여 문 여닫힘의 충격을 줄인다.
	전동식 파워도어 시스템의 기대점은?	차량용 편의장치로 전동식 파워도어 시스템이 개발되어 보고되었다.1-4) 이 시스템은 자동차의 주차 각도에 따른 문 개폐력의 변화를 보상할 수 있으며 편리성과 안정성을 높여줄 수 있다고 기대된다. 기존의 자동차 문 내부에는 차체와 문 사이에 도어 체커(door checker) 또는 가이드라는 부품을 장착하여문 개폐시 문이 제한 각도를 넘어 열리는 것을 방지 하도록 배려하고 있다.

참고문헌 (9)

K. G. Sung, M. K. Park and B. Lee, "Design and Experiment Verification of Power-assisted Smart Door System," 7th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, Funchanl, Madeira, Portugal, pp.443-444, 2010.
M. K. Park, K. G. Sung and B. Lee, "Design of Power Assist Control System for Smart Door," Proceedings of the KSNVE Twentieth Anniversary Spring Conference, pp.443-444, 2010.
K. G. Sung, M. K. Park and B. Lee, "Development and Experiment Verification of Powerassisted Door," Proceedings of the KSNVE Twentieth Anniversary Spring Conference, pp.445-446, 2010.
B. Lee, M. K. Park and K. G. Sung, "Power-assisted Door for a Passenger Vehicle," J. of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol.16, No.6, pp.532-538, 2010.

원문보기 상세보기
S. Oh and Y. Hori, "Sensor Free Power Assisting Control Based on Velocity Control and Disturbance Observer," IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Dubrovnik, Croatiapp, pp.A5-05, 2005.
J. J. E. Slotine and W. Li, Applied Nonlinear Control, Prentice Hall, New Jersey, 1991.
The Mathworks, Inc., Simulink User's Guide, 2008.
D. A. Haessig and B. Friedland, "On the Modeling and Simulation of Friction," Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.113, pp.354-362, 1991.

상세보기
B. Lee, "Automotive Manual Transmission Clutch System Modeling for Foot Effort Hysteresis Characteristics Prediction," Transactions of KSAE, Vol.16, No.5, pp.164-170, 2008.

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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