[논문]슬립률을 이용한 상용차용 공압식 브레이크 기반 ABS 알고리즘 개발

김자유; 권백순; 이경수

doi:10.22680/kasa2020.12.2.021

슬립률을 이용한 상용차용 공압식 브레이크 기반 ABS 알고리즘 개발
Anti-lock Braking System for Commercial Vehicles with Pneumatic Brake System by Using Slip Ratio 원문보기

자동차안전학회지 = Journal of Auto-Vehicle Safety Association, v.12 no.2, 2020년, pp.21 - 26

김자유 (서울대학교 차량 동역학 및 제어 연구실) , 권백순 (서울대학교 차량 동역학 및 제어 연구실) , 이경수 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an anti-lock braking system for commercial vehicles with pneumatic brake system by using slip ratio. By virtue of system reliability, most commercial vehicles adopt pneumatic brake system. However, pneumatic brake systems control is more difficult than hydraulic systems due to a longer time delay and the system nonlinearity. One of the major factors in generating braking forces is the wheel slip ratio. Accordingly, the proposed ABS strategy employs the slip ratio threshold-based valve on/off control. This threshold-based algorithm is simple but effective to control the pneumatic brake systems. The control performance of the proposed algorithm has been validated via simulation studies using MATLAB/Simulink and Trucksim. The results show ABS by using slip ratio reduces the braking distance and improves vehicle control.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Block diagram of the ABS overall structure
그림 Fig. 2 Block diagram of fluid dynamics
그림 Fig. 3 ABS version 1 diagram
그림 Fig. 4 ABS version 2 diagram
표 Table 1 ABS version 1 algorithm
표 Table 2 ABS version 2 algorithm
그림 Fig. 5 ABS version 3 diagram
그림 Fig. 6 Velocity estimator using wheel speed diagram
표 Table 3 ABS version 3 algorithm
그림 Fig. 7 Version 1 & Version 2 velocity, acceleration, valve control (Low mu)
그림 Fig. 8 Version 1 & Version 2 velocity, acceleration valve control (High mu)
그림 Fig. 9 Version 2 & Version 3 velocity, acceleration, valve control (Low mu)
그림 Fig. 10 Version 2 & Version 3 velocity, acceleration, valve control (High mu)

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

하지만, 제동력은 수직 항력, 슬립률 그리고 노면 마찰 계수 3개의 변수로 이루어진 함수로 휠의 각가속도와 직접적인 영향이 없다. ⁽³⁾ 위의 변수 중 수직 항력과 마찰계수는 제어할 수 없으므로, 본 논문에서는 슬립률을 제어하는 3가지 버전을 제안하고자 한다.
그러나 이는 실제로 상용화를 할 수가 없으므로, 속도 또한 추정해야 한다. 가속도 센서가 있을 때와 없을 때의 속도 추정방법을 선행논문을 통해 구현하고, 보완해서 로직에 적용해보려고 한다. 마지막으로, Trucksim 소프트웨어를 통해 고속에서 급정지하는 상황을 시뮬레이션 하고자 한다.
슬립률은 차량의 속도와 휠의 속도로 이루어졌기 때문에 직접적으로 제어할 수 없다. 따라서, 공압식 브레이크의 기본 제어 방법인 Building, Holding, Exhausting으로 슬립률을 간접적으로 제어하고자 한다. Building 과정에 서는 브레이크의 챔버 압력이 증가하므로 휠속이 급격히 감소한다.
Holding은 챔버의 압력이 유지되므로 상대적으로 슬립률이 유지된다. 이 3가지 벨브 제어를 통해 슬립률을 간접적으로 제어함으로써 잠김 현상을 방지하고자 한다.

가설 설정

현재 대부분의 ABS 알고리즘은 휠의 각가속도를 통해 제어된다.⁽¹⁾ 각 가속도는 Kalman Filter를 이용해 계산해야 한다.⁽²⁾ 휠의 각가속도의 한계점에 따라 브레이크 챔버의 압력을 높여주는 Building, 유지하는 Holding, 낮춰주는 Exhausting 과정을 거친다.

제안 방법

슬립률을 추정하기 위해서 가속도 센서가 있을 때와 없을 때를 각각 나누어 속도 추정기를 설계하였고, 추정한 속도 값과 측정한 휠속으로 슬립률을 추정하였다. 3가지 밸브 제어 전략을 적용하고, 72kph에서 급브레이크 하는 시뮬레이션을 통해 각 version의 장단점을 분석해보았다.
4바퀴에서 추정한 속도의 최대 값을 현재 차속으로 추정하는 방법에서 2가지를 보완하여 본 연구에 적용하였다. 선행논문에서는 가속도를 새로 업데이트 할 때, ①->②의 기울기는 기존에 설정한 값을 이용하고, ③->④의 기울기는 ①->③의 기울기, ④->⑤의 기울기는 ③->④의 기울기를 이용하였다.
두 번째는 브레이크 페달 압력을 input으로 추가하여, 페달을 밟은 이후 추정속도를 0.3초 동안 등속도로 유지하였다. 브레이크를 밟으면 휠속은 급격히 감소하지만 실제 차속은 그렇지 않기 때문이다.
Version 1에서는 슬립률에 따라 제어 입력을 다르게 설정하여 휠의 잠김 현상을 방지하였다. 또한 노이즈에 강건히 대응하기 위하여 히스테리시스 효과를 적용하였다. 그러나 version 1은 너무 잦은 밸브 제어를 이용해 액추에이터에 부담을 준다는 단점이 있다.
72kph에서 급브레이크를 하는 상황을 구현한 후, Version 1~3의 데이터를 측정하였다. 또한, 마찰계수가 낮은 블랙 아이스 도로 상황인 low mu 상황(마찰계수: 0.3)과 마찰 계수가 높은 마른 콘크리트 도로 상황인 high mu(마찰계수: 0.88) 상황에서 각각 진행하였다.
가속도 센서가 있을 때와 없을 때의 속도 추정방법을 선행논문을 통해 구현하고, 보완해서 로직에 적용해보려고 한다. 마지막으로, Trucksim 소프트웨어를 통해 고속에서 급정지하는 상황을 시뮬레이션 하고자 한다.
속도가 낮게 추정되면 추정 슬립률도 실제 슬립률보다 낮게 추정되어 실제로 휠이 잠긴 상황이지만 이를 그렇지 않다고 판단할 수 있다. 본 연구에서는 이를 위해 한계점을 이상적인 슬립률보다 낮게 설정하여 보수적으로 제어하였다.
이 연구에서는 슬립률을 밸브 On/Off 제어를 통해 간접적으로 제어하였다. 슬립률을 추정하기 위해서 가속도 센서가 있을 때와 없을 때를 각각 나누어 속도 추정기를 설계하였고, 추정한 속도 값과 측정한 휠속으로 슬립률을 추정하였다. 3가지 밸브 제어 전략을 적용하고, 72kph에서 급브레이크 하는 시뮬레이션을 통해 각 version의 장단점을 분석해보았다.
이 연구에서는 슬립률을 밸브 On/Off 제어를 통해 간접적으로 제어하였다. 슬립률을 추정하기 위해서 가속도 센서가 있을 때와 없을 때를 각각 나누어 속도 추정기를 설계하였고, 추정한 속도 값과 측정한 휠속으로 슬립률을 추정하였다.
그러나 version 1은 너무 잦은 밸브 제어를 이용해 액추에이터에 부담을 준다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 version 2에서는 Building과 hold를 반복하는 Step Building을 적용하였다. 압력이 계단식으로 천천히 올라가기 때문에 엑추에이터에 부담을 덜 준다는 장점이 있다.
즉, 직전의 극댓값과 차속 그래프가 만나는 점과 현재의 휠속의 기울기를 이용한 것인데, 본 연구에서는 ④->⑤의 기울기를 ③->④이 아닌 ①->④의 기울기로 이용하였다.

대상 데이터

슬립률을 이용한 제어전략을 Trucksim 소프트웨어를 이용하여 검증하였다. 72kph에서 급브레이크를 하는 상황을 구현한 후, Version 1~3의 데이터를 측정하였다. 또한, 마찰계수가 낮은 블랙 아이스 도로 상황인 low mu 상황(마찰계수: 0.

데이터처리

슬립률을 이용한 제어전략을 Trucksim 소프트웨어를 이용하여 검증하였다. 72kph에서 급브레이크를 하는 상황을 구현한 후, Version 1~3의 데이터를 측정하였다.

참고문헌 (7)

Uwe Kiencke, Lars Nielsen, 2000, "Automotive Control Systems: For Engine, Driveline and vehicle", Springer, pp. 410-412.
Zhang, Q., Liu, G., Wang, Y., & Zhou, T., 2004, "Study of calculation method of wheel angular acceleration in ABS system", In International Conference on Information Acquisition, pp. 147-150.
Mauer, Georg F., 1995, "A fuzzy logic controller for an ABS braking system", IEEE Transactions on Fuzzy Systems, Vol. 3, No. 4, pp. 381-388.

상세보기
Acarman, T., Ozguner, U., Hatipoglu, C., & Igusky, A. M., 2000, "Pneumatic brake system modeling for systems analysis", SAE Technical Paper, Vol. 109, No. 2, pp. 414-423.
한승재, 이태영, 이경수, 2013, "타이어-노면 마찰계수 추정을 이용한 AEBS 알고리즘", 한국자동차안전학회, Vol. 5, No. 2, pp. 17-23.
Tanelli, M., Savaresi, S.M., Cantoni, C, 2006, "Longitudinal vehicle speed estimation for traction and braking control systems", IEEE Conference on Computer Aided Control System Design, Munich, pp. 2790-2795.
Fangjun Jiang and Zhiqiang Gao, 2000, "An adaptive nonlinear filter approach to the vehicle velocity estimation for ABS", IEEE International Conference on Control Applications, Anchorage, USA, pp. 490-495.

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