본 연구에서는 인휠 전기구동 시스템의 장점을 바탕으로 첨단능동안전지원 기술의 일종인 적응순항제어(Adaptive Cruise Control, ACC) 알고리즘의 고도화 방안을 제시한다. 본 연구에서 대상 차량은 전륜은 엔진에 의해, 후륜은 인휠모터에 의해 구동되는 4륜 하이브리드 구동계를 갖는 것을 특징으로 하는데, 이러한 구성은 기존 내연기관 차량을 개선하여 차량의 출력을 증가시키거나 4륜 하이브리드 형태로의 변화를 용이하게 하는 장점이 있다. 본 연구에서는 이러한 차량의 구성을 바탕으로 기본 상태에서는 엔진만을 이용하여 차간거리 제어를 수행하되, 젖은 노면 등 주행 환경에서 제어오차가 커지게 되면 후륜의 인휠모터를 구동하여 제어성능을 확보할 수 있는 ACC알고리즘을 제안한다. 제안된 ACC 알고리즘은 상기와 같은 방법으로 ACC 제어성능을 최적화함과 동시에 기존 4륜 자동차가 갖는 장점을 그대로 유지하도록 한다. 또한 본 연구에서는 고정밀 동역학 SW를 기반으로 대상 인휠모터 및 인휠 하이브리드 구동계, 해당 구동계 기반의 ACC 제어시스템을 모델링하였으며, 이를 통해 시뮬레이션 환경을 기반으로 제안된 알고리즘의 검증 결과를 제시한다.
본 연구에서는 인휠 전기구동 시스템의 장점을 바탕으로 첨단능동안전지원 기술의 일종인 적응순항제어(Adaptive Cruise Control, ACC) 알고리즘의 고도화 방안을 제시한다. 본 연구에서 대상 차량은 전륜은 엔진에 의해, 후륜은 인휠모터에 의해 구동되는 4륜 하이브리드 구동계를 갖는 것을 특징으로 하는데, 이러한 구성은 기존 내연기관 차량을 개선하여 차량의 출력을 증가시키거나 4륜 하이브리드 형태로의 변화를 용이하게 하는 장점이 있다. 본 연구에서는 이러한 차량의 구성을 바탕으로 기본 상태에서는 엔진만을 이용하여 차간거리 제어를 수행하되, 젖은 노면 등 주행 환경에서 제어오차가 커지게 되면 후륜의 인휠모터를 구동하여 제어성능을 확보할 수 있는 ACC 알고리즘을 제안한다. 제안된 ACC 알고리즘은 상기와 같은 방법으로 ACC 제어성능을 최적화함과 동시에 기존 4륜 자동차가 갖는 장점을 그대로 유지하도록 한다. 또한 본 연구에서는 고정밀 동역학 SW를 기반으로 대상 인휠모터 및 인휠 하이브리드 구동계, 해당 구동계 기반의 ACC 제어시스템을 모델링하였으며, 이를 통해 시뮬레이션 환경을 기반으로 제안된 알고리즘의 검증 결과를 제시한다.
This paper presents the development of an adaptive cruise control (ACC) system, which is one of the typical advanced driver assist systems, for 4-wheel drive hybrid in-wheel electric vehicles. The front wheels of the vehicle are driven by a combustion engine, while its rear wheels are driven by in-w...
This paper presents the development of an adaptive cruise control (ACC) system, which is one of the typical advanced driver assist systems, for 4-wheel drive hybrid in-wheel electric vehicles. The front wheels of the vehicle are driven by a combustion engine, while its rear wheels are driven by in-wheel motors. This paper proposes an adaptive cruise control system which takes advantage of the unique driveline configuration presented herein, while the proposed power distribution algorithm guarantees its tracking performance and fuel efficiency at the same time. With the proposed algorithm, the vehicle is driven only by the engine in normal situations, while the in-wheel motors are used to distribute the power to the rear wheels if the tracking performance decreases. This paper also presents the modeling of the in-wheel motors, hybrid in-wheel driveline, and integrated ACC control system based on a commercial high-precision vehicle dynamics model. The simulation results obtained with the model are presented to confirm the performance of the proposed algorithm.
This paper presents the development of an adaptive cruise control (ACC) system, which is one of the typical advanced driver assist systems, for 4-wheel drive hybrid in-wheel electric vehicles. The front wheels of the vehicle are driven by a combustion engine, while its rear wheels are driven by in-wheel motors. This paper proposes an adaptive cruise control system which takes advantage of the unique driveline configuration presented herein, while the proposed power distribution algorithm guarantees its tracking performance and fuel efficiency at the same time. With the proposed algorithm, the vehicle is driven only by the engine in normal situations, while the in-wheel motors are used to distribute the power to the rear wheels if the tracking performance decreases. This paper also presents the modeling of the in-wheel motors, hybrid in-wheel driveline, and integrated ACC control system based on a commercial high-precision vehicle dynamics model. The simulation results obtained with the model are presented to confirm the performance of the proposed algorithm.
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문제 정의
본 연구에서는 이와 같이 횡 방향 제어에 한정되어 있는 기존의 인휠 구동계 활용 영역을 확장하여, 인휠 구동 계를 기반으로 고속 응답형 적응순항제어(Adaptive Cruise Control, ACC) [5]-[7]시스템의 종 방향 제어성능 확보를 위한 알고리즘을 제시하는 것을 목적으로 한다. ACC는 첨단운전자지원시스템 중 자율주행을 위한 가장 기본적인 기능으로서, 센서로부터 측정된 거리, 상대속도 등을 이용하여 전방 목표물 차량과의 거리를 사용자가 지정한 일정한 수준으로 자동으로 유지시키는 것을 목적으로 한다. ACC 시스템에 있어 중요한 성능지표는 다양한 노면조건, 차량 끼어들기 등 다양한 주행 환경에서 신속하면서도 안정적으로 차간거리를 목표 값으로 유지하는 것으로서, 인휠 구동시스템을 활용할 경우 특유의 빠른 응답성을 바탕으로 ACC 시스템의 성능 개선에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
주로 각 차륜의 독립제어를 통한 토크 벡터링, 모션 제어 등이 주된 주제이며 [1]-[3], 1990년대 후반 이후 현재까지 관련 연구가 지속되고 있다. 또한 인휠구동계의 장점을 첨단운전자지원시스템(Advanced Driver Assist System, ADAS)에 활용하기 위한 시도들도 있는데, 그 중 하나는 인휠 모터의 빠른 응답성을 이용하여 충돌 예방 시스템에 활용하는 것으로 [4], 충돌이 예상될때 회피 동작을 안정적으로 수행하는 것을 목표로 한다. 하지만 이 역시 앞서의 차량 안전도 향상의 사례와 본질적인 활용법은 크게 다르지 않다고 할 수 있다.
본 연구에서는 이와 같이 횡 방향 제어에 한정되어 있는 기존의 인휠 구동계 활용 영역을 확장하여, 인휠 구동 계를 기반으로 고속 응답형 적응순항제어(Adaptive Cruise Control, ACC) [5]-[7]시스템의 종 방향 제어성능 확보를 위한 알고리즘을 제시하는 것을 목적으로 한다. ACC는 첨단운전자지원시스템 중 자율주행을 위한 가장 기본적인 기능으로서, 센서로부터 측정된 거리, 상대속도 등을 이용하여 전방 목표물 차량과의 거리를 사용자가 지정한 일정한 수준으로 자동으로 유지시키는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 인휠 하이브리드 구동계를 바탕으로 적응적인 전·후륜 구동력 배분을 통한 ACC 시스템의 종방향 제어성능 향상의 가능성을 제시하였다.
시뮬레이션 모델 개발은 이러한 실차 기반의 시험평가에 수반되는 어려움들을 해결하는데 목적이 있다. 시뮬레이션 환경에서 제어 알고리즘이나 시스템의 사양 등에 대한 검증을 제품개발 초기단계부터 적은 비용으로 수행할 수 있도록 한다.
제안 방법
1) 슬라이딩 모드 제어 기법을 통해 ACC 시스템의 두 가지 기본 기능인 차간거리 제어와 속도 제어 알고리즘을 제시하였다. 목표 차간거리 및 목표 차량속도를 바탕으로 상위제어기의 출력 및 하위제어기의 입력에 해당하는 목표 가속도를 도출하였다.
ACC 상위 제어기의 가속도 입력대로 차량을 주행하기 위한 wheel 레벨에서의 요구 토크량을 계산한다. ACC가 inactive 상태일 때는 운전자의 페달 입력으로부터 요구 토크량을 계산한다.
3은 MATLAB/Simulink 상에서 구현된 ACC 제어시스템 및 인휠 하이브리드 구동계를 나타낸다. TESIS사의 고 정밀 동역학 SW인 veDyna 플랫폼을 기반으로 구현된 대상 인휠 하이브리드 차량 모델을 ACC 제어시스템에 연계하여 시뮬레이션 기반 통합 검증이 가능하도록 구성하였다.
계산된 구동력 Twreq-acc의 전·후륜 분배를 위한 알고리즘을 제시한다.
제안된 인휠 하이브리드 ACC 제어 시스템 및 구동력 분배 알고리즘 성능 검증을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 고정밀 인휠 하이브리드 차량 모델과 연계함으로써 시뮬레이션 결과의 높은 실차 정합성을 확보할 수 있도록 하였다.
1) 슬라이딩 모드 제어 기법을 통해 ACC 시스템의 두 가지 기본 기능인 차간거리 제어와 속도 제어 알고리즘을 제시하였다. 목표 차간거리 및 목표 차량속도를 바탕으로 상위제어기의 출력 및 하위제어기의 입력에 해당하는 목표 가속도를 도출하였다.
본 연구에서 제안하는 방식은 ACC의 제어오차를 기준으로 전·후 구동력을 배분하는 것이다.
아울러, 본 연구에서는 고 정밀 상용 동역학 SW인 veDyna를 기반으로 4륜 인휠 하이브리드 구동계 및 ACC 제어시스템을 구현하여 제안된 알고리즘에 대한 시뮬레이션 기반의 검증이 가능하도록 하였다. 아직은 인휠 구동계가 프로토타입 제작 수준에 있고, 인휠 구동 전기자동차를 구성하기 위한 주요 부품들이 양산되지 않아 실제 차량을 제작하여 제어기술 등을 검증하는 데는 많은 시간과 비용이 소요되기 때문이다.
제안된 인휠 하이브리드 ACC 제어 시스템 및 구동력 분배 알고리즘 성능 검증을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 고정밀 인휠 하이브리드 차량 모델과 연계함으로써 시뮬레이션 결과의 높은 실차 정합성을 확보할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
본 연구에서 대상 차량은 Fig. 1과 같이 전륜은 엔진으로, 후륜은 인휠 모터로 구동되는 4륜 인휠 하이브리도 구동계를 기반으로 하는데, 기본적인 상태에서는 전륜의 엔진을 통해 주행하고 순항제어 중 낮은 노면 접지력 등에 의해 제어오차가 크게 발생할 경우 후륜 인휠 모터로 구동력을 분산하여 4륜 접지를 통해 제어오차를 최소화한다. 이를 통해 ACC 제어성능을 확보함과 동시에 4륜구동이 갖는 장점을 유지할 수 있도록 한다.
성능/효과
2) ACC 제어 시스템의 구성을 제시함과 동시에 ACC 상위제어기로부터의 목표 가속도 입력을 바탕으로 전·후륜 각 구동계를 구동하기 위한 목표 구동/제동 토크를 도출하였다.
3) ACC의 제어상황에 따라 적응적으로 구동력의 전·후 배분을 조정하도록 하는 아이디어를 제시하였으며, 젖은 노면 등에서 제어오차가 커질 경우 후륜의 인휠 구동계에 대한 구동력의 배분비율을 증가시킴으로써 노면 접지력을 향상시킴과 동시에 인휠 구동계의 빠른 응답성을 이용하여 제어오차를 극복할 수 있도록 하였다.
4) 고정밀 동역학 차량모델을 기반으로 실제 대상 인휠모터의 사양을 반영하여 인휠 하이브리드 구동계 모델을 개발하였으며, 이를 바탕으로 시뮬레이션 시험을 수행한 결과 본 연구에서 제시한 알고리즘을 적용하였을 때 젖은 노면 등 노면 접지력이 낮은 상태에서도 우수한 ACC 제어성능을 확보할수 있음을 확인하였다.
Fig. 9는 동일한 전방차량 프로파일에 대해 노면의 마찰계수를 0.3으로 설정했을 때의 시뮬레이션 결과를 나타내며, 전륜의 엔진으로만 구동할 시에는 Slip에 의해 RMSE 기준 약 1.07 정도의 큰 제어 오차가 발생함을 확인하였다.
3일 때 전륜의 Wheel Slip Ratio를 나타낸다. 결과와 같이 구동력 배분 알고리즘이 적용되었을 시 전륜의 Slip이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
반면에 알고리즘을 적용하여 후륜으로 구동력을 분배할 시 제어 오차는 RMSE 기준 약 0.51 정도로서, 노면 마찰계수가 1.0인 경우와 유사 수준 내의 추종 성능을 나타내었다. (약 52%의 성능 개선) 이는 Wheel Slip에 의해 ACC 제어 오차가 커짐에 따라, 후륜으로 구동력이 배분되면서 전륜의 Wheel Slip이 감소하였기 때문이다.
7의 결과와 같이 제안된 알고리즘이 적용이 된 경우 추종 성능이 향상된 것을 확인할 수 있다. 제어 오차를 RMSE(Root Mean Square Error)로 환산할 경우 알고리즘 미적용 시는 약 0.69, 적용 시는 약 0.47로서 약 31% 의 개선 효과가 있음을 확인하였다.
8은 제안된 구동력 분배 알고리즘 적용 시 전체 구동력 대비 후륜에 분배된 구동력의 비율을 나타낸다. 후륜에 분배되는 비율은 최대 0.5로 설정되었으며, 그림과 같이 추종 제어 오차가 커짐에 따라 후륜으로 분배되는 구동력의 양이 증가함을 확인할 수 있다.
후속연구
ACC는 첨단운전자지원시스템 중 자율주행을 위한 가장 기본적인 기능으로서, 센서로부터 측정된 거리, 상대속도 등을 이용하여 전방 목표물 차량과의 거리를 사용자가 지정한 일정한 수준으로 자동으로 유지시키는 것을 목적으로 한다. ACC 시스템에 있어 중요한 성능지표는 다양한 노면조건, 차량 끼어들기 등 다양한 주행 환경에서 신속하면서도 안정적으로 차간거리를 목표 값으로 유지하는 것으로서, 인휠 구동시스템을 활용할 경우 특유의 빠른 응답성을 바탕으로 ACC 시스템의 성능 개선에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
추가적으로, 본 연구에서 제시한 기법의 적용을 통해 거리제어, 속도제어 등 기본적인 ACC 제어 성능의 향상 뿐만 아니라, 인휠 모터의 빠른 응답성을 통해 String Stability 문제의 원인이 되는 Phase Lag를 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인휠 구동계는 어떤 특성을 갖는가?
인휠 구동 전기자동차는 인휠 모터를 통해 각 휠의 구동력을 독립적으로 제어할 수 있는 장점이 있어 차세대 전기자동차 구동기술로서 주목 받고 있다. 특히 빠른 응 답, 독립 구동 등 인휠 구동계가 갖는 특성들을 활용하여 차량 안전도 향상을 도모하기 위한 다양한 기법들이 개발되고 있다. 주로 각 차륜의 독립제어를 통한 토크 벡터링, 모션 제어 등이 주된 주제이며 [1]-[3], 1990년대 후반 이후 현재까지 관련 연구가 지속되고 있다.
인휠 구동 전기자동차의 장점은 무엇인가?
인휠 구동 전기자동차는 인휠 모터를 통해 각 휠의 구동력을 독립적으로 제어할 수 있는 장점이 있어 차세대 전기자동차 구동기술로서 주목 받고 있다. 특히 빠른 응 답, 독립 구동 등 인휠 구동계가 갖는 특성들을 활용하여 차량 안전도 향상을 도모하기 위한 다양한 기법들이 개발되고 있다.
인휠 구동 전기자동차의 차량 안전도 향상을 위해 현재 연구되고 있는 연구 주제에는 어떤 것들이 있는가?
특히 빠른 응 답, 독립 구동 등 인휠 구동계가 갖는 특성들을 활용하여 차량 안전도 향상을 도모하기 위한 다양한 기법들이 개발되고 있다. 주로 각 차륜의 독립제어를 통한 토크 벡터링, 모션 제어 등이 주된 주제이며 [1]-[3], 1990년대 후반 이후 현재까지 관련 연구가 지속되고 있다. 또한 인휠구동계의 장점을 첨단운전자지원시스템(Advanced Driver Assist System, ADAS)에 활용하기 위한 시도들도 있는데, 그 중 하나는 인휠 모터의 빠른 응답성을 이용하여 충돌 예방 시스템에 활용하는 것으로 [4], 충돌이 예상될때 회피 동작을 안정적으로 수행하는 것을 목표로 한다.
참고문헌 (7)
Sakai, S., Sado, H. and Hori, Y, "Motion Control in an Electric Vehicle with Four Independently Driven In-Wheel Motors", IEEE/ASME Trans. Mechatronics, vol. 4, no. 1, pp. 9-16. 1999. DOI: https://doi.org/10.1109/3516.752079
Y. Hori, "Future Vehicle Driven by Electricity and Control - Research on Four-Wheel-Motored "UOT Electric March II"", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 51, no. 5, pp 954-962, Oct. 2004. DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2004.834944
J. Y. Kang, K. Yi and H. D. Heo, "Control Allocation based Optimal Torque Vectoring for 4WD Electric Vehicle", SAE Technical Paper, 2012-01-0246, 2011. DOI: https://doi.org/10.4271/2012-01-0246
B. K. Song and G. U. Kim, "Preventing intersection collision accidents by intelligent motion control of in-wheel-motor electric vehicles", SAE Technical Paper, 2011-39-7203, 2011.
S. W. Moon, I. K. Moon, and K. Yi, "Design, tuning, and evaluation of a full-range adaptive cruise control system with collision avoidance", Control Engineering Practice, vol. 17, no. 4, pp. 442-455, 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2008.09.006
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T. Fujioka, M. Aso, and J. Baba, "Comparison of Sliding and PID Control for Longitudinal Automated Platooning,", SAE Technical Paper, 951898, 1995. DOI: https://doi.org/10.4271/951898
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