[논문]승차감 향상과 차량 전복 방지를 위한 능동 롤 제어기의 성능 비교

임성진

doi:10.5302/j.icros.2014.14.0042

승차감 향상과 차량 전복 방지를 위한 능동 롤 제어기의 성능 비교
Comparison among Active Roll Controllers for Rollover Prevention and Ride Comfort Enhancement 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.8, 2014년, pp.828 - 834

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This paper presents a comparison among three types of approaches to an ARC (Active Roll Control) with an AARB(Active Anti-Roll Bar) for a vehicle system. Lateral acceleration and road profile are considered as disturbance. The ARC is designed with an LQ SOF (Linear Quadratic Static Output Feedback) control, $H_{\infty}$ control and SMC (Sliding Mode Control). These approaches are compared in terms of rollover prevention and ride comfort. For comparison, Bode plot analysis based on linear model and frequency response analysis based on CarSim simulation are performed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 기존의 연구에서 차량 전복 방지를 위해 설계된 제어기들, 즉 LQ SOF 제어, H∞ SOF 제어, 그리고 슬라이딩 모드 제어를 적용하여 설계된 ARC를 노면 입력에 대한 승차감의 관점에서 비교한다.
본 논문에서는 차량의 전복을 방지하기 위해 설계된 롤 운동 제어기들에 대해 노면 입력에 대한 롤 제어 성능을 비교하였다. 비교 대상으로서 LQ SOF 제어, H_∞SOF 제어와 슬라이딩 모드 제어를 선택하였고 선형 모델을 기반으로 제어기를 설계하였다.
또 다른 연구로서 승차감 향상 이외에 차량 전복 방지에 ARC 가 이용되었다[6,7]. 차량의 전복은 과도한 횡가속도에 의해 발생하므로 ARC는 횡가속도가 차량의 롤 운동에 미치는 영향을 줄이기 위해 설계되었다. 이러한 ARC는 차량 전복을 방지하는 데에 우수한 성능을 보임에도 불구하고 차량의 횡방향 안정성을 잃게 만들기 때문에 반드시 자세 제어 장치(ESC: Electronic Stability Control)와 결합되어 사용되어져야 한다[7].

제안 방법

ARC를 설계하기 위해 두 가지 차량 모델을 구성하고 이 모델들에 LQ SOF 제어, H∞ SOF 제어, 그리고 슬라이딩 모드 제어 이론을 적용하여 제어기를 설계한다.
II 장에서는 차량 모델을 구성하고 LQ SOF, H∞ SOF 제어, 그리고 슬라이딩 모드 제어를 적용하여 ARC를 설계한다.
각 제어기의 성능을 검증하기 위해 CarSim에서 시뮬레이션을 수행한다. 첫번째로 횡가속도 외란에 대한 성능을 검증하기 위해 차량 전복 시험에 사용되는 fishhook 조향에 대한 시뮬레이션을 수행한다.
첫번째로 횡가속도 외란에 대한 성능을 검증하기 위해 차량 전복 시험에 사용되는 fishhook 조향에 대한 시뮬레이션을 수행한다. 두번째로 노면 입력에 대한 성능을 검증하기 위해 교차-기울기 싸인파 노면 입력에 대해 시뮬레이션을 수행한다.
따라서 위의 방법으로 γ 의 최소값을 구한 후에 실제 제어기 설계에서는 γ값을 최소값보다 20% 크게 설정하여 준최적 H∞ SOF 제어기를 설계한다.
본 논문에서는 LQ SOF 제어와 H∞ SOF 제어를 적용할 때에는 4자유도 1/2 평면 롤 모델을, 그리고 슬라이딩 모드 제어를 적용할 때에는 1자유도 롤 모델을 이용한다.
식 (10)에서 보는 바와 같이 H_∞노옴 γ는 단위 에너지를 가지는 외란에 대한 출력 에너지의 비율을 나타내며 H_∞제어는 H_∞노옴 γ를 최소화하는 제어기이다. 본 논문에서는 전상태 피드백의 문제를 피하기 위해 정적 출력 피드백(SOF) 제어기 u = Ky = KCx를 이용한다. H_∞SOF 제어는 H_∞노옴 γ를 최소화하는 K를 구하는 문제이다.
하지만 AARB는 차량의 수직 운동을 제어하지는 못한다[1]. 본 논문에서는 차량의 롤 운동을 제어하는 ARC를 비교하는 것이 목적이므로 롤 모멘트를 만들어 내는 구동기로서 AARB를 선택한다.
비교 대상으로서 LQ SOF 제어, H∞ SOF 제어와 슬라이딩 모드 제어를 선택하였고 선형 모델을 기반으로 제어기를 설계하였다.
따라서 본 논문에서는 기존의 연구에서 차량 전복 방지를 위해 설계된 제어기들, 즉 LQ SOF 제어, H_∞SOF 제어, 그리고 슬라이딩 모드 제어를 적용하여 설계된 ARC를 노면 입력에 대한 승차감의 관점에서 비교한다. 세 가지 제어 방법을 비교하기 위해 각 방법으로 제어기를 설계한 후 Bode 선도 해석과 차량 시뮬레이션 패키지인 CarSim에서의 시뮬레이션을 수행한다[8].
차량의 초기 속도는 72km/h(=20m/s)로 설정 하였고 이에 따른 노면 입력의 주파수 응답은 그림 6(b)와 같다. 시뮬레이션에서는 차량의 초기 속도를 유지하도록 제어하였다. AARB는 1 ms의 시상수를 가지는 1차 시스템으로 모델링하였다.
차량 전복 방지와 노면 입력에 대한 승차감의 관점에서 앞서 설계된 LQ SOF 제어기, H∞ SOF 제어기, 그리고 슬라이딩 모드 제어기의 성능을 비교하기 위해 시뮬레이션을 수행한다.
첫 번째 시뮬레이션에서는 fishhook 조향에 대한 롤 거동을 확인한다. 그림 4는 차량 전복 시험에 사용되는 fishhook 조향 입력을 보여 준다[14].
각 제어기의 성능을 검증하기 위해 CarSim에서 시뮬레이션을 수행한다. 첫번째로 횡가속도 외란에 대한 성능을 검증하기 위해 차량 전복 시험에 사용되는 fishhook 조향에 대한 시뮬레이션을 수행한다. 두번째로 노면 입력에 대한 성능을 검증하기 위해 교차-기울기 싸인파 노면 입력에 대해 시뮬레이션을 수행한다.

대상 데이터

차량 모델은 차량 시뮬레이션 패키지 CarSim에서 제공하는 소형 SUV 모델이다. 제어기 설계 및 시뮬레이션에 사용한 파라미터는 CarSim에서 구했으며 표 2와 같다[8].

이론/모형

H∞ SOF 제어 문제를 풀기 위해 아래와 같이 Gadewadikar이 제안한 방법을 사용한다[13].
일반적으로 LQR의 전상태 피드백은 모든 상태를 계측해야 하므로 현실적으로 적용이 매우 어렵다. 따라서 ARC를 설계하기 위해 계측 가능한 센서 신호만을 피드백에 이용하는 LQ SOF 제어를 적용한다. LQ SOF 제어는 식 (6)의 LQ 목적 함수가 최소가 되도록 하는 정적 출력 피드백 제어기 u = Ky = KCx의 제어기 게인 K를 구하는 것이다[11].
식 (8)의 LQ 목적 함수를 최소로 하는 K를 구하는 문제는 식 (9)와 같이 표현된다. 이 문제의 해는 해석적으로는 구할 수가 없으므로 진화 전략 방법인 CMA-ES를 이용하여 구한다[12].
표 2에서 주어진 파라미터를 이용하여 식 (4)의 상태공간 방정식을 구성하고 각 제어기에 대해 Bode 선도를 그렸다. Bode 선도에서 입력은 횡가속도 a_y와 노면 입력 z_r1이며 출력은 롤 각가속도, 롤 각속도, 그리고 롤 각이다.

성능/효과

비교 대상으로서 LQ SOF 제어, H_∞SOF 제어와 슬라이딩 모드 제어를 선택하였고 선형 모델을 기반으로 제어기를 설계하였다. Bode 선도 해석과 CarSim에서의 시뮬레이션을 통해 설계된 제어기들은 횡가속도 외란에 대해 우수한 롤 제어 성능을 보임을 확인하였고 노면 입력에 대한 롤 제어 성능에서는 주파수 영역에 따라 각기 다른 제어기가 우수한롤 제어 성능을 보임을 확인하였다. 즉, 1Hz 이하의 영역에서는 SMC 제어기가, 그리고 1Hz 이상의 영역에서는 LQ SOF 제어기와 H_∞SOF 제어기가 승차감을 향상시키는 데에 효과적임을 확인하였다.
노면 입력 외란에 대해서는 1 Hz 이하의 외란에 대해서는 SMC가, 1Hz 이상의 외란에 대해서는 LQ SOF 제어와 H∞ SOF 제어가 유사하게 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.
그림 5는 fishhook 조향에 대한 각 제어기들의 시뮬레이션 결과에 대한 주파수 특성을 보여 준다. 앞서 Bode 선도 해석에서도 확인하였듯이 각 제어기들은 횡가속도 외란에 대해 차량의 전복을 방지하기 위해 설계되었으므로 1Hz 이하의 저주파 외란에 대해서는 모든 제어기들이 우수한 롤 운동 제어 성능을 보이며 이들 중에서도 SMC 제어기가 가장 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.
Bode 선도 해석과 CarSim에서의 시뮬레이션을 통해 설계된 제어기들은 횡가속도 외란에 대해 우수한 롤 제어 성능을 보임을 확인하였고 노면 입력에 대한 롤 제어 성능에서는 주파수 영역에 따라 각기 다른 제어기가 우수한롤 제어 성능을 보임을 확인하였다. 즉, 1Hz 이하의 영역에서는 SMC 제어기가, 그리고 1Hz 이상의 영역에서는 LQ SOF 제어기와 H_∞SOF 제어기가 승차감을 향상시키는 데에 효과적임을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량의 롤 운동을 야기시키는 두 가지 근원은 무엇인가?	차량의 롤 운동을 야기시키는 두 가지 근원은 횡가속도와 노면 입력이다. 운전자의 조향 또는 횡풍에 의해 만들어지는 횡가속도는 1 Hz 이하의 주파수로 차량의 롤 운동을 만들어내며 노면 입력은 1 Hz 이상의 주파수로 롤 운동을 만들어낸다.
	AARB의 장점은 무엇인가?	능동 현가장치는 차량의 수직, 롤, 피치 운동을 제어할 수 있지만 4륜 차량의 경우 4개의 장치가 필요하게 되어 설치 비용이 상승하고 많은 에너지 소모한다. 이에 비해 AARB는 능동 현가장치에 비해 비교적 저렴한 비용과 적은 에너지로 차량의 롤 운동을 제어할 수 있다. 하지만 AARB는 차량의 수직 운동을 제어하지는 못한다[1].
	ARC의 두 가지 목적은 무엇인가?	ARC에는 두 가지 목적이 있다. 하나는 노면 입력에 대한 승차감으로서 룰 각가속도와 롤 각을 줄이는 것이며 다른 하나는 횡가속도에 대한 차량 전복 방지로서 롤 각과 현가장치 변위를 줄이는 것이다. 이 두 가지 목적은 외란 억제 문제 (disturbance attenuation problem) 로 표현될 수 있다.

참고문헌 (15)

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원문보기 상세보기
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J. Gadewadikar, H-infinity Output-Feedback Control: Application to Unmanned Aerial Vehicle, Ph.D. Dissertation, The University of Texas at Arlington, 2007.
National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), "Testing the dynamic rollover resistance of two 15-passenger vans with multiple load configurations," US Department of Transportation, 2004.
S. Yim, "Design of a robust controller for rollover prevention with active suspension and differential braking," Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 26, no. 1, pp. 213-222, 2012.

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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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