전륜 횡력 제한 조건 하에서 ESC와 AFS를 이용한 통합 섀시 제어 = Integrated chassis control with ESC and AFS under lateral force constraint on front wheel

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 ESC와 AFS를 장착한 차량에 대해 저마찰 노면에서 전륜의 횡력이 제한되었을 때를 고려한 통합 섀시 제어기(Integrated Chassis Control: ICC)를 제안한다. 통합 섀시 제어기는 상위 제어기와 하위 제어기로 구성된다. 상위 제어기에서는 제어기 설계 방법론을 적용하여 차량을 안정화시키는데 필요한 제어 요 모멘트를 계산한다. 하위 제어기에서는 상위 제어기에서 계산된 제어 요 모멘트를 실제 차량에서 만들어 내기 위해 ESC의 제동력과 AFS의 전륜 추가 조향각을 결정한다. 이 문제가 요 모멘트 분배 문제이다. 기존에 제안된 방법에서는 이 문제를 가중 의사역행렬 제어 할당 방법(Weighted Pseudo-Inverse based Control Allocation: WPCA)을 적용하였다. 통합 섀시 제어기에서는 ESC의 제동력이 차량의 속도를 저하시키고 승차감을 저해하므로 AFS의 전륜 추가 조향각을 우선적으로 사용하게 된다. 하지만 AFS만을 이용하는 경우 차량의 속도가 크게 저하되지 않으므로 횡슬립각이 증가하여 차량의 횡방향 안정성이 저하되고 운전자는 불안감을 느끼게 된다. 또한 저마찰 노면에서는 전륜 타이어 횡력의 물리적 최대값이 감소하게 되므로 AFS가 만들어 낼 수 있는 횡력도 감소된다. 이에 따라 AFS는 차량을 안정화시키는데 필요한 제어 요 모멘트를 충분히 만들어내지 못하게 되어 통합 섀시 제어기의 성능이 저하된다. 따라서 저마찰 노면에서는 AFS와 함께 ESC의 제동력을 사용해야 하며 이를 고려한 요 모멘트 분배 방법이 필요하다. 본 논문에서는 기존의 연구에서 제안된 WPCA 방법을 기반으로 수직 하중과 노면 마찰계수에 따른 전륜 횡력의 물리적 최대값을 구하고 저마찰 노면에서 AFS가 만들어 내야 하는 횡력이 물리적 최대값을 초과하는 경우 WPCA를 다시 적용하여 부족한 제어 요 모멘트를 ESC의 제동력으로 보상하는 방법을 제시한다. 또한 AFS만을 사용하는 경우 저마찰 노면에서 차량의 속도를 줄이지 않으므로 높은 속도로 인해 횡슬립각이 커지고 횡방향 안정성이 저해된다. 이 문제를 해결하기 위해 WPCA의 가변 가중치를 횡슬립각의 크기에 따라 조정하여 ESC의 제동력을 사용하고 차량의 속도를 줄여서 차량의 횡슬립각을 감소시키는 방법을 제안한다. 제안된 방법의 타당성을 검증하기 위해 차량 시뮬레이션 패키지인 CarSim에서 시뮬레이션을 수행한다. 시뮬레이션을 수행한 결과 제안된 방법이 저마찰 노면에서 통합 섀시 제어기의 성능을 향상시킴을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents an integrated chassis control with electronic stability control (ESC) and active front steering (AFS) under lateral force constraint on front wheel. In the upper-level controller, the control yaw moment needed to stabilize a vehicle is calculated using a sliding mode control. In the lower-level controller, the tire forces generated by ESC and AFS are determined using weighted pseudo-inverse based control allocation (WPCA) in order to generate the control yaw moment. On a low friction road, AFS is not effective when the lateral tire forces of front wheels are easily saturated. Under this situation, the desired lateral force of AFS calculated from WPCA cannot be generated, and then the control yaw moment cannot be generated by AFS. Therefore, it is necessary to limit the lateral force of AFS to its physical maximum, and to compensate the control yaw moment with the braking of ESC. For this purpose, the lateral force of AFS is set to its physical maximum and the braking of ESC is calculated by applying WPCA again. Another problem on a low friction road is that a vehicle may lose its lateral stability due to fast speed caused by the sole use of AFS. To prevent the situation, it is necessary to reduce the vehicle speed with the braking of ESC. For this purpose, adaptive tuning rule on variable weights in WPCA is proposed. In adaptive tuning rule, variable weights are adaptively changed according to the value of the side-slip angle. To evaluate the effectiveness of the proposed method, a simulation was performed on the vehicle simulation package, CarSim. From the simulation, it was verified that the proposed method could enhance the maneuverability and lateral stability if the lateral force of AFS exceeds its maximum.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 차량 안정성 제어 1
• 2. 연구의 배경 및 목적 8
• II. 통합 섀시 제어 13
• 1. 상위 제어기 설계 13
• 2. 하위 제어기 설계 16
• 3. WPCA를 이용한 통합 섀시 제어 시스템 21
• III. 전륜 횡력 제한 하에서의 통합 섀시 제어 22
• 1. 타이어 횡력의 물리적 최대값 22
• 2. 전륜 횡력 제한 하에서의 통합 섀시 제어 24
• 3. 적응 가변 가중치 조정 25
• IV. 시뮬레이션 27
• 1. 시뮬레이션 조건 27
• 2. 시뮬레이션 결과 및 해석 28
• V. 결 론 39
• 참고문헌 40
• 영문초록 43