[논문]횡방향 안정성 향상을 위한 통합 섀시 제어의 적응 가변 가중치 조절

임성진; 김우일

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.1.103

횡방향 안정성 향상을 위한 통합 섀시 제어의 적응 가변 가중치 조절
Adaptive Variable Weights Tuning in an Integrated Chassis Control for Lateral Stability Enhancement 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.1, 2016년, pp.103 - 111

임성진 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과) , 김우일 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 차량의 횡방향 안정성을 향상시키기 위해 자세 제어 장치(ESC)와 능동 전륜 조향(AFS)을 이용하는 통합 새시 제어의 적응 가변 가중치 조절 방법을 제안한다. 제어기 설계 방법론을 적용하여 차량을 안정화시키는데 필요한 제어 요 모멘트를 구한 후 이를 가중 역행렬 기반 제어 할당 방법(WPCA)을 이용하여 ESC 의 제동력과 AFS 의 추가 조향각으로 분배한다. 저마찰 노면에서는 차량의 속도가 높다면 횡슬립각이 증가하여 횡방향 안정성이 저하되므로 이를 방지하기 위해 WPCA 의 가변가중치를 상황에 따라 조절하는 방법을 제안한다. 차량 시뮬레이션 패키지인 CarSim 에서 시뮬레이션을 수행하여 제안된 방법이 통합 섀시 제어기의 횡방향 안정성을 향상시킨다는 사실을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an adaptive variable weights tuning system for an integrated chassis control with electronic stability control (ESC) and active front steering (AFS) for lateral stability enhancement. After calculating the control yaw moment needed to stabilize a vehicle with a controller design method, it is distributed into the tire forces generated by ESC and AFS using weighted pseudo-inverse-based control allocation (WPCA). On a low friction road, lateral stability can deteriorate due to high vehicle speed. To cope with the problem, adaptive tuning rules on variable weights of the WPCA are proposed. To check the effectiveness of the proposed method, a simulation was performed on the vehicle simulation package, CarSim.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 ESC 와 AFS 를 이용하는 통합 섀시 제어 시스템에 대해 AFS 만을 사용하여 차량의 속도가 높고 이에 따라 횡슬립각이 증가하는 경우 횡슬립각을 줄이기 위해 ESC 의 제동력을 이용하는 방법을 제안한다. 이 방법은 횡슬립각 정보를 바탕으로 상황에 따라 WPCA 의 가변 가중치를 조절하는 것이다.
본 논문에서는 ESC 와 AFS 를 이용하는 통합 섀시 제어에서 횡방향 안정성을 유지하기 위한 적응 가변 가중치 조절 방법을 제안하였다. 상위 제어기에서 시간지연 제어 이론으로 계산된 제어 요 모멘트를 하위 제어기에서 WPCA 를 이용하여 ESC 와 AFS 의 제동 압력과 추가 조향각으로 분배하였으며 WPCA 의 가변 가중치를 이용하여 다양한 구동기 조합을 표현하였다.
본 논문에서는 ESC 와 AFS 를 장착한 차량에 대한 통합 섀시 제어에 대해 다룬다. 통합 섀시 제어에서는 차량을 안정화시키는데 필요한 제어 요 모멘트(control yaw moment)를 만들어 내기 위해 ESC의 제동력과 AFS 의 추가 조향각을 결정해야 한다.

제안 방법

6, 시뮬레이션 시간은 10 초로 설정하였다. ESC 의 유압 구동기와 AFS 는 각각 0.12 과 0.05 의 시상수를 가지는 1차 시스템으로 모델링하였다. 과도한 제동력이 가해지는 경우 차륜의 잠금을 방지하기 위해 브레이크 잠금방지장치(Anti-Lock Brake System: ABS)를 구현하였다.
05 의 시상수를 가지는 1차 시스템으로 모델링하였다. 과도한 제동력이 가해지는 경우 차륜의 잠금을 방지하기 위해 브레이크 잠금방지장치(Anti-Lock Brake System: ABS)를 구현하였다.
본 논문에서 제안하는 적응 가변 가중치 조절 방법은 횡슬립각 정보, 즉 횡슬립각과 횡슬립각의 변화율의 위상평면을 이용한다. 기존의 연구에서 차량의 횡방향 안정성을 해석하기 위해 횡슬립각요율 위상평면이나 횡슬립각-횡슬립각 변화율의 위상평면이 사용되었다.
본 논문에서는 ESC 와 AFS 를 이용하는 통합 섀시 제어에서 횡방향 안정성을 유지하기 위한 적응 가변 가중치 조절 방법을 제안하였다. 상위 제어기에서 시간지연 제어 이론으로 계산된 제어 요 모멘트를 하위 제어기에서 WPCA 를 이용하여 ESC 와 AFS 의 제동 압력과 추가 조향각으로 분배하였으며 WPCA 의 가변 가중치를 이용하여 다양한 구동기 조합을 표현하였다. 저마찰 노면에서 선회시 횡슬립각이 증가하여 횡방향 안정성이 저해되는 경우를 방지하기 위해 WPCA 의 가변 가중치에 대한 적응 조절 방법을 제안하였으며 시뮬레이션을 통해서 성능을 검증하였다.
시뮬레이션에서는 WPCA 에서 ESC 와 AFS 를 함께 적용한 경우(CASE1), AFS 만을 적용한 경우(CASE2), 그리고 본 논문에서 제안하는 세 가지 적응 가변 가중치 조절 방법(Method #1, #2, #3)을 적용한 경우에 대해 결과를 구하였다.
이를 위해 본 논문에서는 횡슬립각 정보를 이용하여 식 (13)에서 AFS 에 대한 가변 가중치 ε1 의 값을 상황에 따라 조절하는 방법을 제안한다.
상위 제어기에서 시간지연 제어 이론으로 계산된 제어 요 모멘트를 하위 제어기에서 WPCA 를 이용하여 ESC 와 AFS 의 제동 압력과 추가 조향각으로 분배하였으며 WPCA 의 가변 가중치를 이용하여 다양한 구동기 조합을 표현하였다. 저마찰 노면에서 선회시 횡슬립각이 증가하여 횡방향 안정성이 저해되는 경우를 방지하기 위해 WPCA 의 가변 가중치에 대한 적응 조절 방법을 제안하였으며 시뮬레이션을 통해서 성능을 검증하였다. 시뮬레이션 결과 본 논문에서 제안한 적응 가변 가중치 조절 방법은 AFS 만 사용하는 경우에 비해 작은 속도 감소로도 횡슬립각을 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
제안된 방법의 유효성을 검증하기 위해 차량 시뮬레이션 패키지인 CarSim 에서 시뮬레이션을 수행한다.⁽¹⁸⁾ 조향 입력은 CarSim 에서 제공하는 운전자 모델에 의해 구해지며 운전자는 Fig.

대상 데이터

본 논문에서 설계하는 통합 섀시 제어기는 2 층 구조로서 상위 제어기와 하위 제어기로 구성되어 있다.
운전자 모델의 예견 시간이 작다면 동일한 경로에 대해 운전자의 조향 입력이 커지게 되므로 저마찰 노면에서 차량은 쉽게 안정성을 잃게 된다. 차량 모델은 CarSim 에서 제공하는 소형 SUV 모델이며 이 모델에서 구한 차량의 파리미터는 Table 1 과 같다. 초기 속도는 80km/h, 노면마찰계수는 0.

이론/모형

⁽¹⁴⁾차량의 속도 변화에 따라 횡슬립각-요율 위상평면에서는 안정한 영역의 경계가 크게 변화되나 횡슬립각-횡슬립각 변화율 위상평면에서는 안정한 영역의 경계가 거의 변화하지 않는다.⁽¹⁵⁾ 따라서, 본 논문에서는 횡슬립각횡슬립각 변화율 위상평면을 사용한다.
이 문제를 요 모멘트 분배(yaw moment distribution) 문제라고 하며 요 모멘트 분배를 위해 하나 이상의 구동기가 사용되는 경우를 통합 섀시 제어라고 한다. 요 모멘트 분배를 위해 본 논문에서는 WPCA 를 이용한다.^(7,8)
2 에서와 같이 5 개의 타이어 힘이 결정되어야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 WPCA 를 이용한다.⁽⁷⁾
통합 섀시 제어에서는 차량을 안정화시키는데 필요한 제어 요 모멘트(control yaw moment)를 만들어 내기 위해 ESC의 제동력과 AFS 의 추가 조향각을 결정해야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 가변 가중치(variable weight)를 가지는 가중 의사역행렬 기반 제어 분배 방법(WPCA)을 적용한다⁽⁷⁾. WPCA 의 가변 가중치를 이용하면 ESC 또는 ESC 와 AFS 의 구동기 조합을 쉽게 표현할 수 있으며 특정 구동기만을 사용하거나 다양한 구동기들의 상대적인 사용량을 조절할 수도 있다.
제어 요 모멘트 Mγ를 계산하기 위해 시간지연 제어 이론을 이용한다.

성능/효과

기존의 연구에서 차량의 횡방향 안정성을 해석하기 위해 횡슬립각요율 위상평면이나 횡슬립각-횡슬립각 변화율의 위상평면이 사용되었다.⁽¹⁴⁾차량의 속도 변화에 따라 횡슬립각-요율 위상평면에서는 안정한 영역의 경계가 크게 변화되나 횡슬립각-횡슬립각 변화율 위상평면에서는 안정한 영역의 경계가 거의 변화하지 않는다.⁽¹⁵⁾ 따라서, 본 논문에서는 횡슬립각횡슬립각 변화율 위상평면을 사용한다.
ESC 와 AFS 가 구동기로 사용되는 통합 섀시 제어의 경우 각 구동기가 개별적으로 사용되는 경우에 비해 더 적은 제어 입력으로 더 큰 제어 효과를 낼 수 있다. 또한 ESC 의 제동 압력을 사용하지 않고도 AFS 만으로도 자세를 제어할 수 있게 되면서 승차감이 향상되고 차량의 속도 저하도 감소하였다.⁽⁵⁾
시뮬레이션 결과 본 논문에서 제안한 적응 가변 가중치 조절 방법은 AFS 만 사용하는 경우에 비해 작은 속도 감소로도 횡슬립각을 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 횡슬립각 정보를 이용하는 적응 가변 가중치 조절 방법의 성능 차이가 크지 않음을 확인하였다.
저마찰 노면에서 선회시 횡슬립각이 증가하여 횡방향 안정성이 저해되는 경우를 방지하기 위해 WPCA 의 가변 가중치에 대한 적응 조절 방법을 제안하였으며 시뮬레이션을 통해서 성능을 검증하였다. 시뮬레이션 결과 본 논문에서 제안한 적응 가변 가중치 조절 방법은 AFS 만 사용하는 경우에 비해 작은 속도 감소로도 횡슬립각을 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 횡슬립각 정보를 이용하는 적응 가변 가중치 조절 방법의 성능 차이가 크지 않음을 확인하였다.
시뮬레이션 결과를 보면 본 논문에서 제안한 세 가지 방법이 유사한 성능을 보임을 알 수 있다. 이 사실은 횡슬립각의 위상평면 정보를 이용하여 가변 가중치를 조절하는 세 가지 방법은 성능 차이가 그리 크지 않다는 것을 의미한다.
참고로 ESC 와 AFS 를 항상 함께 사용하는 CASE1 의 경우 CASE2 에 비해 차량의 속도는 5km/h 감소한다. 이러한 사실은 본 논문에서 제안하는 적응 가변 가중치 조절 방법을 이용하여 상황에 따라 ESC 의 제동 압력을 사용한다면 차량의 속도를 조금 감소시키면서도 차량의 횡방향 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량 안정성 제어란 무엇인가	일반적으로, 차량 안정성 제어는 차량의 요율(yaw rate)이 운전자의 조향에 의해 계산된 기준 요율(reference yaw rate)을 추종하도록 하는 것이다.(1) 이를 위해서 차량에 요 모멘트를 만들어내는 구동기가 필요하다.
	차량에 요 모멘트를 만들어내는 구동기는 무엇이 있는가	(1) 이를 위해서 차량에 요 모멘트를 만들어내는 구동기가 필요하다. 대표적인 구동기로는 좌측과 우측 차륜에 각기 다른 제동 압력을 만들어내는 자세 제어 장치(Electronic Stability Control: ESC),(2) 전륜에 추가로 조향각을 만들어 내는 능동 전륜 조향(Active Front Steering: AFS),(3) 그리고 좌측과 우측 차륜에 각기 다른 구동 토크를 만들어내는 토크 벡터링(Torque Vectoring Device: TVD)(4)이 있다. 만약 차량에서 요 모멘트를 만들어 내기 위해 2 개 이상의 장치를 이용하는 경우 차량 안정성 제어를 통합 섀시 제어(Integrated Chassis Control: ICC)라고 한다.
	요 모멘트 분배를 위해 AFS 만을 사용한 경우 생기는 문제점은 무엇인가	저마찰 노면이 아니더라도 요 모멘트 분배를 위해 AFS 만을 사용하는 경우 차량의 속도가 높다면 횡슬립각(side-slip angle)이 증가하고 횡방향 안정성(lateral stability)이 저하된다. 따라서 횡슬립각이 특정값 이상으로 증가하는 경우 AFS 의 사용을 제한하고 ESC 의 제동력으로 차량의 속도를 줄일 필요가 있다.

참고문헌 (19)

Yim, S., Cho, W., Yoon, J., and Yi, K., 2010, "Optimum Distribution of Yaw Moment for Unified Chassis Control with Limitations on the Active Front Steering Angle," International Journal of Automotive Technology, Vol. 11, No. 5, pp. 665-672.

원문보기 상세보기
van Zanten, A.T., Erhardt, R., Pfaff, G., Kost, F., Hartmann, U., and Ehret, T., 1996, "Control Aspects of the Bosch-VDC," Proceedings of International Symposium on Advanced Vehicle Control, Aachen, Germany, pp. 573-608.
Klier, W., Reimann, G., and Reinelt, W., 2004, "Concept and Functionality of the Active Front Steering System," SAE 2004-21-0073.
Motoyama, S., Uki, H., Isoda, K., and Yuasa, H., 1992, "Effect of Traction Force Distribution on Vehicle Dynamics," Proceedings of International Symposium on Advanced Vehicle Control, Japan, pp. 447-451.
Cho, W., Yoon, J., Kim, J., Hur, J., and Yi, K., 2008, "An Investigation into Unified Chassis Control Scheme for Optimised Vehicle Stability and Maneuverability," Vehicle System Dynamics, Volume 46 Supplement, pp. 87-105.

상세보기
National Highway Traffic Safety Administration, 2007, "Federal Motor Vehicle Safety Standards; Electronic Stability Control Systems; Controls and Displays," NHTSA-2007-27622.
Wang, J., and Longoria, R.G., 2006, "Coordinated Vehicle Dynamics Control with Control Distribution," Proceedings of the 2006 American Control Conference, Minneapolis, Minnesota, USA, pp. 5348-5353.
Yim, S., Choi, J., and Yi, K., 2012, "Coordinated Control of Hybrid 4WD Vehicles for Enhanced Maneuverability and Lateral Stability," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 61, No. 4, pp. 1946-1950.

상세보기
Yim, S., Lee, J., and Cho, S.I., 2015, "Optimum Yaw Moment Distribution with ESC and AFS Under Lateral Force Constraint on AFS," Transactions on Korean Society of Mechanical Engineers, Part A, Vol. 39, No. 5, pp. 527-534.
Yim, S., Jeon, K., and Yi, K., 2012, "An Investigation into Vehicle Rollover Prevention by Coordinated Control of Active Anti-roll Bar and Electronic Stability Program," International Journal of Control, Automation, and Systems, Vol. 10, No. 2, pp. 275-287.

원문보기 상세보기
Rajamani, R., 2006, Vehicle Dynamics and Control, New York, Springer.
Uematsu, K., and Gerdes, J.C., 2002, "A Comparison of Several Sliding Surfaces for Stability Control," Proceedings of the International Symposium on Advanced Vehicle Control, Japan.
Youcef-Toumi, K. and Ito, O., 1990, "A Time Delay Controller for Systems with Unknown Dynamics," ASME Journal of Dynamics Systems, Measurement, and Control, Vol. 112, No.1, pp. 133-142.

상세보기
Inagaki, S., Kshiro, I., and Yamamoto, M., 1994, "Analysis on Vehicle Stability in Critical Cornering using Phase-Plane Method," Proceedings of the International Symposium on Advanced Vehicle Control, pp. 287-292.
Hong, D., Huh, K., Park, J., and Cho, D., 2004, "Analysis of Vehicle Stability Using the Stabile Boundary and the Tire Force Saturation Boundary on a Phase Plane," Proceedings of KSAE Fall Conference 2004, pp. 636-641.
Jo, J.S., Kim, S.H., You, S.H., Joeng, J.Y., Lee, S., and Lee, K.I., 2006, "A Study on Vehicle Stability Improvement based on Yaw Rate Control," Proceedings of KSAE Fall Conference, pp. 801-807.
Chung, T. and Yi, K., 2006, "Design and Evaluation of Side Slip Angle-Based Vehicle Stability Control Scheme on a Virtual Test Track," IEEE Transactions on Control System Technology, Vol. 14, No.2, pp. 224-234.

상세보기
Mechanical Simulation Corporation, 2001, CarSim User Manual Version 5.
Ungoren, A.Y. and Peng, H., 2004, "Evaluation of Vehicle Dynamic Control for Rollover Prevention," International Journal of Automotive Technology, Vol. 5, No. 2, pp. 115-122.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증