학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2014. 8. 김윤영.차량의 자세 안정성 제어 시스템인 ESC(Electronic Stability Control)는 지능형자동차(Intelligent Vehicle)에서도 가장 핵심적인 주행 안전 시스템으로 미국, 유럽 등 선진국 뿐 아니라 국내에서도 안전규제에 따라 신차부터 단계적으로 적용되고 있다. 차량 내 센서 정보로부터 차량의 자세 안정성을 판단하고 브레이크와 엔진 토크 제어를 통해 미끄러짐을 억제하며 선회 주행 시 안정성을 확보하는 ESC 시스템은 주행 중 극한 위험 상황 하에서 사고 회피와 차량의 안정적인 주행을 보조한다. 이를 위해서 관련 센서 부품의 기민한 반응과 제어기 및 엑츄에이터의 정확한 동작이 필수적이다. 현재 상용화된 ESC 시스템은 운전자의 조향입력과 차량의 속도, 바디 거동 정보로부터 차량의 자세를 예측하는데 이에 따른 계산 시간, 서스펜션 반응에 따른 지연시간 등이 수반되는 한계가 있으며, 차세대 ESC 기술로서 차량의 자세와 직결되는 휠하중(wheel force)을 직접 측정하여 차량 자세제어에 반영하는 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서는 상용 ESC 시스템에서 사용하는 차량 바디 거동 정보인 요율(yaw rate) 기반 제어와 향후 개발이 예상되는 휠하중 정보 기반 제어의 반응시간 차이와 그에 따른 성능을 비교하고 분석하였다. 이를 위하여 대상차량에 대한 고정도의 차량 동역학모델을 개발하고, 요율 제어 ESC와 휠하중 제어 ESC 간소 알고리즘을 제안하여 해석적 분석(S/W simulation)을 수행하였다. 또한 RCP(Rapid Control Prototyping) 플랫폼 기반의 시험 차량을 개발해 실차시험을 수행함으로써 상기 알고리즘의 효과를 검증하였다. 그리고 요율 제어 ESC와 휠하중 제어 ESC의 성능 차이를 좀 더 보기위해 기존의 ESC 표준 시험 모드에 기반한 최악 상황 시험 시나리오를 제안하여 ESC 알고리즘의 효과를 평가했다.
본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.
첫째로 현재 상용 ESC 시스템에 일반화된 요율 제어 ESC는 구조적으로 센서 정보를 취득하는 반응시간 지연이 반드시 수반됨에 따라 성능을 향상시키는데 한계가 있으며, 반면 휠하중 기반 제어 ESC는 요율 제어 ESC와 비교하여 상대적으로 응답시간이 매우 빠르면서 차량 자세 안정성 제어 측면에서도 우수함을 해석적 분석 방법과 실차 시험 방법을 통해 정량적으로 확인하였다.
둘째로 휠하중 기반 제어 ESC는 보다 빠른 제어 개입으로 자세 안정성을 복원시키는 과정에서 제동력 개입이 크게 줄어들며 이러한 결과로 주행중 NVH(Noise, Vibration and Harshness) 특성도 향상되며 ESC 작동 중에 운전자가 느낄 수 있는 불쾌감을 줄여줄 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 최근 고급차량을 중심으로 ADAS(Advanced Driver Assistance System) 장착이 확대됨에 따라 ESC 시스템에 보다 높은 내구수명을 요구하는 상황에서, 제동력 개입을 줄여줄 가능성이 높은 휠하중 제어 ESC 개발의 필요성이 증대하는 것과도 부합한다.
마지막으로 기존의 ESC 시스템뿐만 아니라 향후 개발될 차세대 ESC나 통합섀시제어(UCC, Unified Chassis Control)처럼 점점 고도화되는 능동 섀시 제어시스템의 효과를 평가하기 적합한 새로운 성능 지표로서 경로 이탈 거리(path departure distance)와 요각(yaw angle)을 제안하였다. 그리고 이들 성능 지표로 비교해봤을 때 횡방향 휠하중 제어 ESC는 보다 더 최악의 주행상황에서 차량의 자세제어 성능 향상 정도가 보다 크다는 사실을 확인하였다.국문초록 i
List of Tables vii
List of Figures ix
Nomenclature xvii
제1장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 선행 연구 및 동향 10
1.2.1 차량 자세 안정성 제어 기술 10
1.2.2 차량 자세 안정성 센싱 기술 26
1.3 연구 목적 35
1.4 연구 요약 37
제2장 차량 동역학 해석 39
2.1 차량 동역학 모델 39
2.1.1 차량 동역학모델 개발 39
2.1.2 차량 동역학모델 검증 44
2.2 차량 동적 안정성 평가 46
2.2.1 차량 동적 안정성 평가 방법 46
2.2.2 차량 동적 안정성 해석 평가 50
2.3 고찰 56
제3장 해석 기반 차량 자세제어 알고리즘 효과 분석 58
3.1 차량 바디 자세정보 기반 제어 알고리즘 58
3.2 차량 바디 자세정보 기반 제어 응답 해석 62
3.2.1 요율 제어에 따른 차량 자세제어 효과 62
3.2.2 시간 지연에 따른 차량 자세제어 효과 67
3.3 횡방향 휠하중 정보 기반 제어 알고리즘 75
3.4 횡방향 휠하중 정보 기반 제어 응답 해석 83
3.5 자세제어를 위한 주요 변수 분석 90
3.6 고찰 97
제4장 실차기반 자세제어 알고리즘 효과 분석 101
4.1 알고리즘 구현용 시험 차량 개발 101
4.2 차량 거동 평가 실차시험 111
4.3 알고리즘에 따른 차량 거동 특성 분석 117
4.4 고찰 127
제5장 최악상황 시나리오 생성 및 알고리즘 평가 129
5.1 해석기반 최악상황 시나리오 생성 129
5.1.1 최악상황 도출을 위한 프로시져 130
5.1.2 최악상황 주행 시나리오 도출 136
5.2 최악상황 시나리오에 따른 알고리즘 평가 138
5.3 차량 자세 안정성 평가 지표 143
5.4 고찰 154
제6장 결론 및 향후 연구 과제 156
Bibliography 159
Abstract 165
Appendix 168Docto
