[논문]자세 제어 장치와 능동 후륜 조향을 이용한 통합 섀시 제어

임성진

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.11.1291

자세 제어 장치와 능동 후륜 조향을 이용한 통합 섀시 제어
Integrated Chassis Control with Electronic Stability Control and Active Rear Steering 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.11, 2014년, pp.1291 - 1297

초록
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본 논문에서는 자세 제어 장치와 능동 후륜 조향을 이용한 통합 섀시 제어를 제안한다. 제어에 필요한 요 모멘트를 만들어 내기 위해 직접 요 모멘트 제어 방법을 이용한다. 가중 역행렬 기반 제어할당 방법을 이용하여 제어 요 모멘트를 자세 제어 장치의 제동력과 능동 후륜 조향의 조향각으로 분배한다. 가중 역행렬 기반 제어 할당 방법에 가변 가중치를 도입하여 다양한 구동기 조합을 표현하고 차량의 속도를 높이기 위해 시뮬레이션을 이용하여 가변 가중치를 최적화한다. 차량 시뮬레이션 패키지인 CarSim 에서 시뮬레이션을 수행하여 제안된 방법이 차량의 조종안정성과 횡방향 안정성을 향상시킨다는 사실을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes integrated chassis control (ICC) with electronic stability control (ESC) and active rear steering (ARS). Direct yaw moment control is used to generate a control yaw moment. A weighted pseudo-inverse-based control allocation (WPCA) method is adopted to distribute the control yaw moment into tire forces, generated by ESC and ARS. Simulation-based tuning of variables weights in the WPCA is used to enhance the yaw moment distribution performance. Simulations using the vehicle simulation software $CarSim^{(R)}$ show that the proposed ICC is effective in improving maneuverability and lateral stability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 ESC 와 ARS 를 이용하는 통합 섀시 제어 방법을 제안하였다. 본 논문에서 ARS 는 4WS 의 일부분이 아니라 차량의 안정성 제어를 위한 능동 제어 장치로 간주하였다. WPCA 를 이용하여 상위 제어기에서 만들어진 제어 요 모멘트를 ESC 와 ARS 의 제동 압력과 조향각으로 분배하였다.
본 논문에서는 ESC 와 ARS 를 이용하는 통합 섀시 제어 방법을 제안하였다. 본 논문에서 ARS 는 4WS 의 일부분이 아니라 차량의 안정성 제어를 위한 능동 제어 장치로 간주하였다.
이를 위해 본 논문에서는 시뮬레이션을 기반으로 WPCA 의 가변 가중치를 최적화하는 방법을 사용한다. 이러한 방법으로 본 논문에서는 사용되는 구동기의 종류에 따라, 즉 ESC 만 사용하는 경우, ESC 와 ARS 를 동시에 사용하는 경우 가장 좋은 성능을 제공하는 가변 가중치를 제시한다.

가설 설정

또한 AFS에 비해 타이어 슬립각이 작아서 타이어 횡력이 쉽게 포화되지 않는다. 이에 따라 본 논문에서도 후륜 조향만이 능동적으로 제어된다고 가정한다.

제안 방법

6, 시뮬레이션 시간은 10 초로 설정하였다. ESC 의 유압 구동기와 ARS 는 각각 0.12 과 0.05 의 시상수를 가지는 1 차 시스템으로 모델링하였다. 과도한 제동력이 가해지는 경우 차륜의 잠금을 방지하기 위해 ABS 를 구현하였으며 ABS 는 슬립률이 0.
본 논문에서 ARS 는 4WS 의 일부분이 아니라 차량의 안정성 제어를 위한 능동 제어 장치로 간주하였다. WPCA 를 이용하여 상위 제어기에서 만들어진 제어 요 모멘트를 ESC 와 ARS 의 제동 압력과 조향각으로 분배하였다. WPCA 의 가변 가중치를 이용하여 다양한 구동기 조합을 표현하였으며 차량의 속도를 높이기 위해 시뮬레이션을 이용하여 각 구동기에서 생성되는 힘의 크기를 최적화하였다.
WPCA 를 이용하여 상위 제어기에서 만들어진 제어 요 모멘트를 ESC 와 ARS 의 제동 압력과 조향각으로 분배하였다. WPCA 의 가변 가중치를 이용하여 다양한 구동기 조합을 표현하였으며 차량의 속도를 높이기 위해 시뮬레이션을 이용하여 각 구동기에서 생성되는 힘의 크기를 최적화하였다. 시뮬레이션 결과 구해진 가변 가중치를 제시하였고 이 값들 이용하여 시뮬레이션한 결과 ARS 의 조향각 크기가 증가시키고 ESC 의 제동 압력의 크기를 감소시킨다는 것을 확인하였다.
2 장에서는 ESC 와 ARS 를 장착한 차량에 대한 통합 섀시 제어 시스템의 설계 방법을 제안한다. 또한 통합 섀시 제어 시스템에서 WPCA 의 가변 가중치를 조절하는 방법을 제안한다. 3 장에서는 제안된 방법의 타당성을 검증하기 위해 차량 시뮬레이션 패키지인 CarSim 에서 시뮬레이션을 수행하며 4 장에서 결론을 맺는다.
시뮬레이션에서는 5 가지 경우를 비교하였다. 제어하지 않은 경우(=No Control), ESC 만을 이용한 경우 (=ESC), ESC 와 ARS 를 이용한 경우(=ESC+ARS), ESC 를 이용할 때 WPCA 의 가변 가중치를 최적화한 경우 (=Opt.
만약 차량에서 ESC 와 ARS 가 장착되어 있는 경우 이들을 각각 개별적으로 제어하는 것보다 동시에 제어한다면 조종안정성이나 횡방향 안정성의 측면에서 더 나은 성능을 보일 수 있다. 이를 위해 본 논문에서는 ESC 와 ARS 를 이용한 통합 섀시 제어 방법을 제안한다.
또한 WPCA 의 가변 가중치를 조절하면 요 모멘트 분배 성능을 향상시킬 수 있다. 이를 위해 본 논문에서는 시뮬레이션을 기반으로 WPCA 의 가변 가중치를 최적화하는 방법을 사용한다. 이러한 방법으로 본 논문에서는 사용되는 구동기의 종류에 따라, 즉 ESC 만 사용하는 경우, ESC 와 ARS 를 동시에 사용하는 경우 가장 좋은 성능을 제공하는 가변 가중치를 제시한다.
제안된 방법의 타당성을 검증하기 위해 CarSim 에서 시뮬레이션을 수행한다. 상위 제어기와 하위 제어기는 MATLAB Simulink 에서 구현하였다.

대상 데이터

75sec 로서 미숙한 운전자를 의미한다. 차량 모델은 CarSim 에서 제공하는 소형 SUV 모델이며 이 모델에서 구한 차량의 파라미터는 Table 1 과 같다. 차량의 초기 속도는 80km/h, 노면마찰계수는 0.

이론/모형

εi 와 차량의 최종 속도와의 관계는 복잡한 비선형 관계이므로 시뮬레이션을 이용한 최적화 방법을 이용한다.
제어 요 모멘트 M_γ를 만들어 내기 위해 이와 같은 5 개의 타이어 힘이 결정되어야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 WPCA 를 이용한다.⁽¹⁰⁾ 각 타이어 힘과 제어 요 모멘트 M_γ는 Fig.
최적값을 구하기 위한 알고리즘은 MATLAB 에서 제공하는 fminsearch 를 이용하였다.

성능/효과

(1) 그 결과로 1980년 초반에 4WS가 상용화되었으나 시장의 반응은 미약했다. 이후 최근에 다시 4WS 가 상용화되었다.
Fig. 5 의 (a)에서 ESC 와 ESC+ARS 의 제동 압력을 비교했을 때 ARS 를 적용한 경우 제동압력이 감소했다는 것을 알 수 있다. 이것은 Opt.
시뮬레이션 결과 구해진 가변 가중치를 제시하였고 이 값들 이용하여 시뮬레이션한 결과 ARS 의 조향각 크기가 증가시키고 ESC 의 제동 압력의 크기를 감소시킨다는 것을 확인하였다. 또한, WPCA 에서 가변 가중치의 크기를 조절한 결과 ESC 만 사용해도 ARS 를 함께 사용했을 때와 유사한 성능을 보인다는 점, 그리고 ESC 대신 ARS 를 더 많이 사용하게 하여 차량의 속도 저하를 줄이는 것을 확인하였다.
WPCA 의 가변 가중치를 이용하여 다양한 구동기 조합을 표현하였으며 차량의 속도를 높이기 위해 시뮬레이션을 이용하여 각 구동기에서 생성되는 힘의 크기를 최적화하였다. 시뮬레이션 결과 구해진 가변 가중치를 제시하였고 이 값들 이용하여 시뮬레이션한 결과 ARS 의 조향각 크기가 증가시키고 ESC 의 제동 압력의 크기를 감소시킨다는 것을 확인하였다. 또한, WPCA 에서 가변 가중치의 크기를 조절한 결과 ESC 만 사용해도 ARS 를 함께 사용했을 때와 유사한 성능을 보인다는 점, 그리고 ESC 대신 ARS 를 더 많이 사용하게 하여 차량의 속도 저하를 줄이는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통합 섀시 제어기는 어떻게 구성되는가	통합 섀시 제어기는 상위 제어기와 하위 제어기의 2 단으로 구성된다. 상위 제어기는 직접 요 모멘트 방법을 이용하여 차량을 안정화시키는데 필요한 제어 요 모멘트를 만들어 낸다.
	4WS란?	일반적으로 4WS는 전륜과 후륜의 조향각 모두를 능동적으로 제어하는 것이다. 이에 비해 후륜의 조향만 능동적으로 제어하는 연구가 다양하게 진행되어져 왔다.
	통합 섀시 제어기의 상위 제어기와 하위 제어기의 역할은?	통합 섀시 제어기는 상위 제어기와 하위 제어기의 2 단으로 구성된다. 상위 제어기는 직접 요 모멘트 방법을 이용하여 차량을 안정화시키는데 필요한 제어 요 모멘트를 만들어 낸다. 하위 제어기는 가중 의사역행렬 기반 제어 분배 방법(WPCA) 을 이용하여 제어 요 모멘트를 ESC 의 제동력과 ARS 의 조향각으로 분배한다. WPCA 의 가변 가중치를 이용하면 ESC 또는 ESC 와 ARS 의 구동기 조합을 쉽게 표현할 수 있다.

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상세보기
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Mechanical Simulation Corporation, 2001, CarSim User Manual Version 5.

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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