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문제 정의
- 본 논문에서는 차량의 롤 각도를 추정하기 위한 첫 번째 과정으로 차량의 요 레이트 센서, 횡가속도 센서 및 휠 스피드 센서들의 물리적 해석 중복 구조를 활용하여 차량에 발생한 롤 레이트를 추정하였다. 두 번째 과정에서는 차량의 종방향 속도와 타이어의 수직 항력을 이용하여 차량에 발생한 롤 각도 추정에 가중치를 변화시켜 감에 따라 보다 정확성 높은 롤 각도 추정이 가능하였다.
제안 방법
- 7-9) 따라서 본 논문에서는 차량의 필수 구성 센서인 휠 스피드 센서(wheel speed sensor), 요 레이트 센서(yaw rate sensor), 횡가속도 센서(lateral acceleration sensor)와 타이어의 수직 항력(normal force)을 이용한 롤 각 추정 알고리즘을 제안하고, 차량에 발생한 롤 각을 저감하기 위한 전·후륜 롤 저감력 분배 제어 전략을 시뮬레이션 환경에서 적용하고 평가하여 그 타당성을 검증한다.
- 차량이 곡선로를 선회할 경우 차량에 발생하는 롤 각(roll angle)의 변화는 차체에 작용하는 힘의 방향과 같은 방향의 외력에 비례하게 되고, 롤 저감 시스템의 경우는 이런 외력으로부터 차량의 조종안정성을 확보해 주는 시스템으로써 차량의 종방향과 횡방향 운동이 주요 관심 영역이 된다. 따라서 이번 시뮬레이션 기반의 ROM 시스템 관련 연구에서는 Fig. 1과 같은 차량의 횡방향과 요(yaw)를 고려한 자전거 모델(bicycle model)에 롤(roll) 각도에 대한 자유도를 추가한 차량동역학 모델링을 기반으로 한다. 여기에 차량에 발생한 횡방향 미끌림(sideslip)이 작다는 가정을 통해 차량의 횡방향과 요 운동에 관계식은 아래와 같이 유도할 수 있다.
- 차량동역학 모델에 능동형 롤 저감 시스템을 적용하기 위하여 ROM 시스템에 대한 수학적 모델링을 유도한다. Fig.
- 이번 논문에서는 롤 각도를 추정하고 전·후륜 롤 저감력 분배에 대한 제어 전략이 주요 연구 대상이 되므로 ROM 시스템의 액추에이터인 모터의 경우 전기자 회로 전압식을 이용한 DC 모터로 모델링을 적용하였으며, 감속기의 경우 모터의 출력 토크를 배력시켜 출력시키는 구조를 갖추도록 간략화된 모델링을 적용하였다.
- 하지만 현재까지 대량의 양산 차량에 사용 가능한 저가의 롤 각도 센서는 개발되고 있지 못하는 실정이다. 그러므로 이번 장에서는 ESC를 구성하기 위한 필수 센서와 타이어의 수직항력을 이용하여 롤 각 추정 알고리즘을 제안한다. 이들 센서들의 해석적인 물리적 중복구조(analytical redundancy)를 통해 다른 센서들로부터 추정된 요 레이트와 횡가속도 값으로부터 Table 1과 같은 하위모델(sub-models)을 구성할 수 있다.
- 차량의 IMU(inertial measurement unit) 클러스터 센서인 요 레이트 센서, 횡가속도 센서 및 휠 스피드 센서를 통해 추정된 롤 각도는 식 (12)와 같다. 차량의 주행 상태가 정차 상태이거나 저속 상태에서는 롤 각이 발생하지 않게 되므로 롤 각도를 계산하기 위한 차량의 최저 속도는 10 kph 이상에서 추정이 시작될 수 있도록 설정하였으며, 식 (13)과 같은 차량의 선회 방향성, 타이어의 수직 항력 및 차량 주행 속도에 의해 결정된 가중치(gain)가 반영되어 최종 추정된 롤 각도가 결정될 수 있도록 설계하였다.
- 앞서 제안한 방법을 토대로 차량의 롤 각 추정의 타당성을 검증하기 위하여 시뮬레이션 환경에서 이중차선변경(double lane change 이하, DLC) 주행 모드를 수행하였다. Fig.
- 본 논문에서는 Fig. 14와 같이 차량의 속도를 3개 영역으로 구분하여 롤 전·후륜 저감력의 경우80 : 20, 70 : 30 또는 60 : 40으로 배분되고, 좌우측으로는 모든 영역에서 50 : 50으로 분배되도록 설계하였으며, 시뮬레이션 평가 및 검증을 통해 그 타당성을 확인하였다.
- 특히, 다양한 시뮬레이션 평가를 통해 차량의 주행 속도가 고속으로 올라감에 따라 선회하는 차량 후륜의 내측 타이어의 접지력이 가장 먼저 작아지게 되는 것을 확인할 수 있었고, 이를 개선하기 위해 Fig. 14의 Region-3과 같이 고속 주행 모드에서 ROM의 롤 저감력을 기존의 비율에 비해 후륜 측에 더 많이 작용하도록 설계하였다. Fig.
- 본 논문에서는 차량의 롤 각도를 추정하기 위한 첫 번째 과정으로 차량의 요 레이트 센서, 횡가속도 센서 및 휠 스피드 센서들의 물리적 해석 중복 구조를 활용하여 차량에 발생한 롤 레이트를 추정하였다. 두 번째 과정에서는 차량의 종방향 속도와 타이어의 수직 항력을 이용하여 차량에 발생한 롤 각도 추정에 가중치를 변화시켜 감에 따라 보다 정확성 높은 롤 각도 추정이 가능하였다. 이 모든 과정의 결과는 시뮬레이션 환경에서 집중질량 차량동역학 모델에 적용하였으며, ROM 시스템 적용에 따른 차량의 경우 롤 각도가 Fig.
이론/모형
- 최종 롤 각도를 추정하는 과정에서 가중치의 0.8 ~ 1.0 범위와 1.0 ~ 1.2 사이에서는 차량 속도의 가중치는 식 (16)과 같은 선형보간법(linear interpolation)을 적용하여 가변 되도록 하였다.
성능/효과
- 1) 이런 능동형 기술이 확보되기 위해서는 차량의 내·외부 상태를 정확하게 검출할 수 있는 저가의 센서와 차량에 요구되는 운동력을 계산하고 명령하기 위한 강건성 높은 제어기 및 작고 효율 높은 고성능의 액추에이터 구성이 필수적이다.
- 1) 이런 능동형 기술이 확보되기 위해서는 차량의 내·외부 상태를 정확하게 검출할 수 있는 저가의 센서와 차량에 요구되는 운동력을 계산하고 명령하기 위한 강건성 높은 제어기 및 작고 효율 높은 고성능의 액추에이터 구성이 필수적이다.2) 기존 차량의 현가 시스템에 이와 같은 센서, 제어기 및 액추에이터를 적용할 경우 차량의 주행 상태에 따라 스프링, 댐퍼 및 스테빌라이져 바(stabilizer bar)의 강성(stiffness)과 감쇠력(damping force)을 실시간으로 가변시킬 수 있게 되며, 이는 결국 차량의 조정안정성과 주행안정성을 모두 확보할 수 있게 된다.3) 차량이 고속으로 선회할 경우 차량은 선회 중심에서 멀어지려는 원심력이 발생하게 되고, 도로 노면과 타이어 사이의 마찰력이 원심력과 반대방향으로 작용하게 되면서 차량의 C.
- 2) 기존 차량의 현가 시스템에 이와 같은 센서, 제어기 및 액추에이터를 적용할 경우 차량의 주행 상태에 따라 스프링, 댐퍼 및 스테빌라이져 바(stabilizer bar)의 강성(stiffness)과 감쇠력(damping force)을 실시간으로 가변시킬 수 있게 되며, 이는 결국 차량의 조정안정성과 주행안정성을 모두 확보할 수 있게 된다.3) 차량이 고속으로 선회할 경우 차량은 선회 중심에서 멀어지려는 원심력이 발생하게 되고, 도로 노면과 타이어 사이의 마찰력이 원심력과 반대방향으로 작용하게 되면서 차량의 C.G(central of gravity) 높이가 변하게 되어 결국 차량에는 롤(roll) 각이 발생하게 된다. ROM(roll over mitigation) 시스템은 이와 같이 차량에 발생하는 롤 각을 저감시키기 위한 시스템으로써 모터와 감속기 및 스테빌라이져 바를 이용하여, 차량의 무게 중심이 선회의 구심력 방향으로 옮겨갈 수 있도록 차체를 일으켜 세워 차량의 거동 안정성을 확보하는 능동형 현가 시스템이다.
- 12는 시뮬레이션 환경에서 DLC 주행시 차량에 발생한 롤 각도를 보여준다. 결과 그래프에서 확인이 가능하듯이 차량이 급하게 이중차선변경을 함에 따라 차량에는 좌우측으로 약 3.0 deg 정도에 롤 각도가 발생하였으며, 차량의 요 레이트 센서와 횡가속도 센서에 양쪽 타이어의 수직 항력을 반영할 경우 차량의 롤 각도를 잘 추정하는 것을 확인할 수 있다. 다만, 차량의 주행 방향이 좌측에서 우측 혹은 이와 반대방향으로 변경되는 과도기 상태에서는 롤 각도 추정값이 다소 정확성이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
- 두 번째 과정에서는 차량의 종방향 속도와 타이어의 수직 항력을 이용하여 차량에 발생한 롤 각도 추정에 가중치를 변화시켜 감에 따라 보다 정확성 높은 롤 각도 추정이 가능하였다. 이 모든 과정의 결과는 시뮬레이션 환경에서 집중질량 차량동역학 모델에 적용하였으며, ROM 시스템 적용에 따른 차량의 경우 롤 각도가 Fig. 13과 같이 약 20 % 이상 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 차량의 종방향 주행 속도에 따라 차량 전·후륜의 롤 저감력을 배분할 경우 그렇지 않는 경우에 비해 약 10 % 내외 정도의 롤 각도가 추가로 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
- 13과 같이 약 20 % 이상 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 차량의 종방향 주행 속도에 따라 차량 전·후륜의 롤 저감력을 배분할 경우 그렇지 않는 경우에 비해 약 10 % 내외 정도의 롤 각도가 추가로 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 향후 연구 계획으로는 타이어의 마찰력과 마찰 계수 및 차량의 무게의 관계식으로부터 유도되는 수직 항력 추정 알고리즘 개발과 로드 뱅크(road bank) 주행 상태와 롤 전복 상태를 예측할 수 있는 강건성 높은 롤 각 추정 및 롤 각 저감 방안에 대해 진행할 예정이다.
- 11은 식 (14)에서 유도된 차량의 좌우측 타이어에 작용하는 수직 항력의 차이를 보여준다. 위의 시뮬레이션 결과로부터 확인이 가능하듯이 차량에 발생한 횡가속도의 경우 약 6.0 m/s2이 발생하였으며, 본 연구에서는 횡가속도의 절대값 기준으로 6.5 m/s2 까지 ROM 시스템 제어가 개입되고, 그 이상의 횡가속도가 발생할 경우는 수동식 스테빌라이져 바와 같은 역할을 수행되도록 하였다. Fig.
후속연구
- 또한, 차량의 종방향 주행 속도에 따라 차량 전·후륜의 롤 저감력을 배분할 경우 그렇지 않는 경우에 비해 약 10 % 내외 정도의 롤 각도가 추가로 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 향후 연구 계획으로는 타이어의 마찰력과 마찰 계수 및 차량의 무게의 관계식으로부터 유도되는 수직 항력 추정 알고리즘 개발과 로드 뱅크(road bank) 주행 상태와 롤 전복 상태를 예측할 수 있는 강건성 높은 롤 각 추정 및 롤 각 저감 방안에 대해 진행할 예정이다.
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