signal Interface Card Driver
5. 시뮬레이션 결과
구축한 HILS System 을 이용하여 차량이 안정성을 잃기 쉬운 극한주행조건에서의 모의시험을 수행하였다. 적용한 모의시험상황은 빙판길, 고속 및 큰 조향입력값을 이용한 J-turn 및 Slalom 주행이며 시뮬레이션 수행결과를 다음에 정리하였다.
5.1 J-turn
J-turn 시뮬레이션은 마찰계수 0.3 의 미끄러운 노면을 차량속도 100km/h 로 주행하면서 휠조향각 5o 을 발생시키는 상황 하에서 수행하였다. 휠조향각이 5o 이면 핸들 조향각은 보통 80o 이다.
Fig.17 와 Fig.18 은 각각 본 연구에서 적용한 VDC 제어기의 성능을 컴퓨터 시뮬레이션 및 HILS 에서 비교한 결과를 나타내고 있다. 두 가지 제어기 모두 제어기를 사용하지 않은 경우에 비해 우수한 선회율을 보임으로써 주행안정성을 확보하고 있음을 볼 수 있다. 특히 최적제어기를 사용할 경우 단순 제어기의 경우보다 우수한 선회성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.
Fig.17 Vehicle trajectory in J-turn in pure simulation
Fig. 18 Vehicle trajectory in J-turn in HIL simulation
5.2 Slalom
Slalom 시험의 주행조건은 J-turn 의 경우와 동일하며 조향 입력 주기는 4sec 가 사용되었다. Fig. 19 과 Fig. 20 는 각각 컴퓨터 시뮬레이션 , HILS 결과를 보이고 있다. 두 결과 모두 제어기를 사용하였을 경우 제어기를 사용하지 않았을 경우에 비해 상당히 안정적인 주행성능을 보이고 있음을 알 수 있다. 그리고 최적제어기가 단순 제어기보다 우수한 성능을 보이고 있음을 볼 수 있다.
Fig. 19 Vehicle trajectory in slalom in pure simulation
Fig. 20 Vehicle trajectory in slalom in HIL simulation
J-turn 의 경우와 마찬가지로 Slalom 의 경우에도 VDC 제어기가 작동할 경우 주행거리가 짧아지는 특성을 파악할 수 있는데 이는 VDC 가 작동하면서 브레이크를 작동시키는 것에 기인되는 것으로 판단된다. 또한 HILS 의 경우 컴퓨터 시뮬레이션보다 짧은 주행거리를 보이는데 이는 HILS 의 경우 솔레노이드 밸브의 동특성 및 브레이크 시스템의 특성에 영향을 받는 것으로 보인다. 특히 최적제어기의 경우가 단순 제어기보다 주행거리가 짧음을 볼 수 있는데 최적제어기의 경우 솔레노이드 밸브를 제어해서 보상 요모멘트를 가능한 빨리 생성해내기 때문에 브레이크압이 단순 제어기보다 평균적으로 크게 걸리기 때문으로 판단된다.
Fig. 21 은 Slalom 주행 시의 HILS 결과로서 차량의 선회운동의 중요한 인자인 요레이트를 나타내고 있다. 제어기를 사용하지 않은 경우에 비해 제어기를 사용했을 경우 참조 값을 더욱 잘 추정하고 있음을 알 수 있다.
Fig. 21 Yaw rate in slalom in HIL simulation
Fig. 21 는 HILS 의 또 다른 결과로써 LQR 제어기를 작동시켰을 경우 좌우 휠에 걸리는 브레이크 압의 측정결과를 보이고 있다. 그림 을 통해 Slalom 주행 시 좌우륜이 교대로 증압 및 감압을 반복하고 있 으며 이로 인해 VDC 가 극한상황에서 정상적으로 작동하고 있음을 알 수 있다. Fig. 23 은 LQR 제어기를 적용할 경우 과도한 브레이크
잠김 정도를 보여주고 있다. ABS 를 작동시킨 경우가 작동시키지 않 은 경우에 비해 휠의 잠김이 많이 줄어들어 추가적인 차량의 안정성을 확보하였음을 알 수 있다.
Fig. 22 Brake pressures in slalom in HIL simulation
Fig. 23 Wheel speeds in slalom with and without ABS
VDC 제어기가 없을 때의 Slalom 조향은 J-turn 을 할 때보다도 차량의 안정성을 완전히 상실 된 것을 볼 수 있다. 이것은 J-turn 보다 차량의 마찰한계를 빨리 상실했고, 운전자의 입력을 차량이 쫓아가지 못 한 것을 볼 수 있다. VDC 제어기로 인해 차량의 안정성과 조향성을 확보할 수 있었다. 하지만 과도한 제어 제동력으로 인한 휠의 Lock 현상 발생 시 ABS 와의 협조제어를 통해 차량의 안정성을 확보하는 것을 볼 수 있다.
6. 결론
본 논문에서는 차량의 극한주행 상황에서도 안정성을 확보할 수 있는 VDC 제어기를 설계하였으며, 개발된 VDC 제어기를 컴퓨터 시뮬레이션과 HILS 을 이용하여 제어기의 성능을 검증하였다. HILS System 을 제작하기 위해 Bosch 사의 ABS HU 을 이용하였다. 본 연구에서는 차량의 횡방향 운동을 제어하기 위해 단순 제어기와 LQR 제어기를 설계하였으며, 두 제어기는 참조 요레이트와 실제 요레이트와의 차이를 상황 별로 구분하여 브레이크압을 생성해 보상 요모멘트를 발생시키도록 하였다. 차량운동의 극한 상황을 재현하기 위해 낮은 마찰계수값을 갖는 노면상에서 고속으로 주행하는 상황에서 J-turn 과 Slalom 주행 시뮬레이션을 수행하여 제어기의 성능을 고찰하였다.
시뮬레이션 결과, LQR 제어기를 적용한 경우가 가장 좋은 결과를 보였으며 VDC 가 작동할 경우 제동의 영향으로 주행거리가 다소 줄어드는 경향을 볼 수 있었는데 이는 ABS HU 를 사용으로 HU 스스로 제동력을 생성시킬 수 없어 운전자의 제동력을 이용해 제어 했기 때문이다. VDC 작동하므로써 차량이 운전자가 원하는 입력에 대한 선회가 이뤄지지 않는 언더경향의 경우나 원하는 입력보다 더 선회를 하는 오버경향의 경우와 같은 상황뿐만 아니라, 차량의 조종
안정성을 상실한 상황에서도 차량이 안정성과 조향입력에 대한 정확하고 빠른 응답성, 높은 선회율을 제공해 준다는 것을 알 수 있었다. 또한 ABS 제어를 병행할 경우 보다 안정적인 휠 슬립률을 확보함으로써 차량의 안정성을 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.
Reference
1) 석사학위논문:강성민,“Hardware-in-the-Loop simulation 을 이용한 Antilock Brake System 의 성능 평가”, 국민대, 2001.
2) 석사학위논문: 오상필, “Antilock Brake System 을 위한 Hardware-in-the-Loop Simulation 환경 구축 및 검증”, 국민 대, 2001.
3) Proceedings of AVEC : K. Park and S.J. Heo, “Design of a Control Logic for Improving Vehicle Dynamic Stability,”
Proceedings of AVEC, pp. 577-584, 2000.
4) IPC2001E229: K. Park and S.J. Heo, “Development of a Logic for Determining reference Input and an Observer for Vehicle Dynamics Control System,” IPC2001E229, 2001
5) Vol.27: M. Nagai, Y. Hirano, and S. Yamanaka,
“ Integrated Control of Active Rear Wheel Steering and Direct Yaw Moment Control,” Vehicle System Dynamics, Vol. 27, pp