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1 승차감과차량전복안정성향상을위한예견제어기설계 김형진 *1) 박영진 ) 박윤식 3) 한국과학기술원자동차기술대학원 1) ) 3) 한국과학기술원기계공학과 Control of Vehicle Suspensions for Improving Ride Comfort and Rollover Stability Hyung-jin Kim *1) Young-jin Park ) Youn-sik Park 3) *1) Graduate School of Automobile echnology, KAIS, 373-1Kusong-dong, YuSong-gu, DaeJon 35-71, Korea ) 3) Department of Mechanical Engineering, KAIS, 373-1Kusong-dong, YuSong-gu, DaeJon 35-71, Korea Abstract : We propose a method to design a deterministic linear optimal ler for improving ride comfort and rollover stability with active suspension. control is a good choice in improving the performance of active suspension. While the conventional ler is designed to improve the ride comport without considering lateral dynamics, proposed ler is designed to improve both ride comfort and rollover stability by considering the roll dynamics. hrough the simulation, the newly proposed method is shown to be effective in improving not only ride comfort but also rollover stability. Key words : Ride comfort( 승차감 ), Rollover stability( 차량전복안정성 ), Optimal Control( 최적예견제어 ), Active Suspension( 능동현가장치 ). 1. 서론 BOSCH사에의해 ABS가상용화이후로 CS, ESC에이르기까지안전을위한시스템 (Safety System) 은계속발전해왔다 1). 기존의안전시스템은차량의현상태의불안정을제어하여안전을도모하는기술이었지만, 앞으로의안전시스템은발생될차량의불안정을미리능동적으로대처하는예견능동안전시스템 (Predictive Active Safety System) 개념으로발전하고있다. * 김형진, misdeed777@kaist.ac.kr 운전자지원시스템 (Driver Assistance System) 은운전자를보조하며안락함과편의성을제공해주는시스템이다. 대표적인운전자지원시스템은적응순항제어 (ACC, Adaptive Cruise Control) 시스템으로고속도로주행에서선행차량과의간격을자동으로유지하는시스템으로이미고급차량의양산에적용되고있다. 진보된운전자지원시스템 (ADAS, Advanced Driver Assistance System) 에서는운전자를보조하며경고하는초기단계를지나, 차선을유지하기위해조향을제한적으로제어하며운전자를보조하는반자동운전 (Semi-autonomous Driving) 단계에있으며이미일부고급차량에적용되고있다 ). 예견제어시스템 ( control system) 은 1

2 레이더, 비전센서등을사용하여운전자에게안락함을제공하기위한운전자지원시스템중하나이다. 기존의예견제어기는노면의수직방향정보에따른승차감향상을위해서만설계되었다 3)4)5)6). 하지만디지털맵, 레이더, 비전센서등의전자부품과센서의발전으로, 운전자지원시스템에서차량의조향각을계산하여이를예견제어의정보로사용할수있게되었다. 따라서본연구에서는노면의수직방향정보와조향각의정보를모두사용하는예견제어시스템의유용성에대해살펴보고자한다. 스포츠유틸리티차량 (Sports Utility Vehicle: SUV), 밴 (Van) 과같이바퀴사이의간격이좁고, 차량의무게중심점이높은차량은고속에서의조향시차량전복 (rollover) 에취약하다 7) 년까지의차량전복에대한자료에서, 과도한조향의원인만으로전복이일어나는경우 (untripped rollover) 는전체전복사고의대략 5% 정도에불가하다 8). 대부분의경우, 선회시노면의가이드나요철과의충돌등의추가요인으로차량전복 (tripped rollover) 이발생하고있다. 따라서노면의요철이나굴곡이라는노면수직방향의정보를사용하는기존의예견제어기구조에, 추가로조향에의해발생할횡동역학 (lateral dynamics) 의영향을고려하여예견제어한다면승차감과차량롤전복안정성을모두향상시킬수있을것으로기대할수있다. 본연구의목적은노면의수직방향정보와조향각의정보를예견정보로사용하여, 승차감과차량전복안정성을모두향상시킬수있는예견제어기를설계하고이의유용성에대해살펴보는것이다. 본논문의구성은다음과같다. 먼저 장에서는승차감과차량전복안정성향상을위한예견제어기설계에대해설명한다. 3장에서는기존의예견제어기와제안된예견제어기대한제어기의성능을살펴본다. 그리고 4장에서는결론을맺는다.. 승차감과차량전복안정성향상을위한예견제어기설계.1 차량시스템모델링 승차감향상을위한기존의예견제어기는 Fig.1과같이 7자유도의선형차량모델을사용하여제어기를설계하였다 5). 하지만차량의횡동역학에의한 roll 운동을무시한것에서기인하여, 조향에따른실제차량동역학에서차이가발생한다. 본논문에서는승차감과차량전복안정성향상을위한제어기설계를위하여차량모델은 Fig. 1과같은 7자유도선형차량모델과 Fig.와같은 3자유도선형차량모델을결합한모델을사용한다 9). 차량의상태를식 (1) 과같이정의하고차량모델의운동방정식을정리하면식 () 와같은상태공간방정식을얻을수있다. Fig 1. 7DOF vehicle model Fig. 3DOF vehicle model x z z z z z z z z z z v r = θφ θφ u u u u c c y = [ u1 u u3 u4] = [ r1 r r3 r4 δ f] u w z z z z (1) x = Ax + Bu + Dw () n m q x() t = R, u() t = R, w() t = R 는각각상태변수, 제어입력, 노면과조향입력벡터를나타낸다. 능동현가장치를위한 LQ 최적예견제어본연구에서사용된예견제어알고리즘은

3 Hac 3) 에의해유도된방법을이용한다. Hac 은 1/4 차량모델을대상으로, 수직방향의예견노면정보를사용하여현가상질량의가속도, 현가장치의이동변위, 타이어변형에가중치를주어예견제어하였다. 본연구에서는제어목적으로서승차감과차량전복안정성모두를향상시키기위한차량의 lateral 운동에의한 roll 운동, 주행성능등을표현하기위하여식 (3) 과같이성능지수 J를정의한다. J = z z z + + (3) (4) 식 (3) 을정리하여식 (4) 와같이정리할수있다. 여기서 Q1, R, P, Q 는대칭이고시불변인 (symmetric, time-invariant) 가중치행렬이다. R 은양한정 (positive definite) 이고 1 Qn = Q1 NR N 은비음한정 (nonnegative definite) 이다. 이때입력 ut () = f[ x( τ ), w ( σ ),, t τ t, t σ, t la ] 가식 (4) 의성능지수를최소화할때결정론적선형최적예견제어문제 (deterministic linear optimal preview control problem) 이라고한다. 전-상태피드백 (Full state feedback) 을가정하면최적제어입력은식 (9) 와같이구해진다. -1 u( t) = - R {[ N + B P()] t x() t + B r()} t (9) 이때 Pt () 는리카티방정식의양한정해이다. n n n n -1 An = A- BR N 이고, rt () 는다음과같이 -1 -P= PA PA + A P- PBR B P+ Q ; P( ) = P (1) 이때 [ ρ1 c ρθ ρ3φ ρ4 c ρ5θ ρ6φ ρ7 ρ8θ ρ9φ c t ρ1{( z z1) ( z z) ( z z3) ( z z4) } ρ11{( z1 w1 ) c c c c ρ ( z w ) ( z w ) ( z w ) } ( u u u u )] dt 1 1 x ( ) P x( ) [ x Qx x Nu u Ru x Q w w Q w] dt J = + t 주어진다. rt A PtBR B rt PtD Q wt rt r -1 () = [- n + () ]()-[ () + 1] (); ( ) = tr = min( t+ t la, ) (11) 식 (11) 에서 tla 는예견시간을나타낸다. 식 (9),(1),(11) 에서보듯이 LQ 최적예견제어는피드백입력과피드포워드입력의합으로구성되는데피드백입력은일반적인 LQR과 동일하고피드포워드입력은식 (1) 의해 P 로구성된다는것을알수있다. 3. 시뮬레이션및검토시뮬레이션은검증된차량동역학소프트웨어인 CarSim 1) 을사용하며 small SUV 차량모델을사용하였다. 그리고차량승차감향상만을고려한기존의예견제어 5) 의경우와승차감과차량전복안정성모두를향상시키기위한제안된예견제어경우에대해수행하였다. 외란으로범프의노면과 J-turn 및 Fishhook 시험조향을입력하였다. J-turn과 Fishhook 시험조향은 SIS(Slow increasing steer maneuvers) 시험을하여얻은조향각을시험기준 11) 에맞게계산하여시뮬레이션은수행하였다. 3.1 범프노면과조향입력에따른차량거동 m m Road elevation (Right side) Road elevation (Left side) Steering wheel angle Fig.3 Bump road and steer angle 먼저 Fig.3 과같이차량이범프노면을지난후, J-turn 조향을하는경우에대하여시뮬레이션하였다. 주행속도는 15m/s(54km/h) 속도로일정하게주행한다고가정하여시뮬레이션을수행하였다. 노면의마찰계수는.87 로설정하였고, 예견거리는 3ms 전의정보를미리입력받는다고가정하였으며, 정보는정확하다고가정하였다. 3

4 승차감향상의척도로서 heave, pitch, roll 가속도제어결과와차량전복안정성향상의척도로서 roll 각, 각속도, 각가속도제어결과를나타내었다. 기존의예견제어기에서는차량의 lateral 운동을고려하지않고, heave, pitch, roll 운동을제어하였으며, 그결과는 Fig. 4 와같다. roll 운동을제어하였고, 그결과는 Fig. 5 와같다. 먼저범프노면에의한가속도의제어결과는기존의예견제어기와제안된예견제어기와는큰차이가없이좋은제어결과를나타내었다. 하지만조향에의한 lateral 운동에따른 roll 각의예견제어결과는기존의예견제어기에비하여 5% 정도의향상된결과는나타내었다. Heave acceleration Heave acceleration m/sec m/sec Pitch angular acceleration Pitch angular acceleration /sec /sec Fig.4 Result of conventional 주어진조건에서기존의예견제어결과, heave, pitch, roll 가속도는 feedback 제어만을한경우보다 RMS 기준으로각각 9%, 53%, 34% 의향상이있음을확인할수있었다. 특히 pitch 가속도의경우, 예견제어를통하여 feedback 제어만의결과 RMS 대비 53% 의향상을보여, 예견제어시 pitch 운동이가장큰향상을보임을확인하였다. 또한모델링되지않은외란인조향에의한 roll 운동도 feedback 제어를통하여어느정도제어가되고있음을확인할수있다. 본연구에서제안된예견제어기에서는차량의 lateral 운동을고려하여, heave, pitch, Fig.5 Result of proposed 따라서제안된예견제어기는범프노면과같은수직방향의노면에대한기존예견제어기의제어장점을그대로가지며, 조향에의한 roll 운동을추가로예견제어하여차량전복안정성을향상시킴을확인하였다. 3. J-turn 과 Fishhook 시험조향입력조향에따른차량전복안정성제어성능을확인하기위하여, J-turn과 Fishhook 시험조향만을차량에외란입력으로가하는시뮬레이션을시행하였다. 본시뮬레이션에서는선회시두타이어의수직방향힘이 으로.초이상 4

5 지속될경우를차량전복으로규정하였다. Velocity able.1 Result of simulation (μ=.94) 노면마찰계수 μ=.94 의조건에서시뮬레이 션결과인 able.1을보면, 제어를하지않은 의경우 J-turn 시험시에는규정된차량전복이발생하지않았다. Fishhook 시험의경우에는 7km/h에서부터차량전복이발생하여 Fishhook 시험이롤전복안정성시험에좀더가혹한 (Severe) 한시험임을확인할수있었다. 기존의예견제어결과의경우 95km/h의속도에서차량전복이발생하였지만, 제안된예견제어결과에서는 1km/h까지차량전복이발생하지않았다. Velocity Conventional Conventional Proposed J-turn Fishhook J-turn Fishhook J-turn Fishhook 5km/h Pass Pass Pass Pass Pass Pass 6km/h Pass Pass Pass Pass Pass Pass 7km/h Pass Rollover Pass Pass Pass Pass 8km/h Pass Rollover Pass Pass Pass Pass 9km/h Pass Rollover Pass Pass Pass Pass 95km/h Pass Rollover Pass Rollover Pass Pass 1km/h Pass Rollover Pass Rollover Pass Pass Proposed J-turn Fishhook J-turn Fishhook J-turn Fishhook 5km/h Pass Pass Pass Pass Pass Pass 6km/h Pass Rollover Pass Pass Pass Pass 7km/h Pass Rollover Pass Pass Pass Pass 8km/h Pass Rollover Pass Pass Pass Pass 9km/h Pass Rollover Pass Pass Pass Pass 95km/h Pass Rollover Pass Rollover Pass Pass 1km/h Pass Rollover Pass Rollover Pass Pass able. Result of simulation (μ=.87, 5% higher C.G. of vehicle) 노면마찰계수 μ=.87와차량의무게중심점을수직방향으로 5% 올린조건으로시뮬레이션결과인 able.에서, Fishhook 시험에서기존예견제어기의경우, 95km/h부터차량전복이발생하였지만, 제안된예견제어기의경우에는 1km/h까지차량전복이나타나지않았다. 하게주행하며, 노면마찰계수 μ=.95의조건에서시뮬레이션을수행하였다. m /sec /sec Road elevation (Right side) Road elevation (Left side) Steering wheel angle Fig.6 Bump road and steer angle Fig.7 Result of conventional 3.3 J-turn과범프노면의동시입력차량의선회시노면의불균일성에의해발생할수있는차량롤전복 (ripped rollover) 에대한기존예견제어기와제안된예견제어기의성능을살펴보기위하여 Fig. 7과같은노면정보와조향각값을사용한시뮬레이션을시행하였다. 주행속도는 m/s (7km/h) 속도로일정 Fig.8 Result of proposed 기존의예견제어기의경우, Fig.7 과같이제어를하지않은경우, 피드백제어만을한경우, 예견제어를할경우모두차량전복현상이발생하였다. 제안된예견제어기의경우, Fig.8 과같이제어를하지않은경우, 피드백제어만 5

6 을한경우는차량전복현상이발생하였지만, 예견제어를한경우수직방향의노면과조향각의예견정보를모두사용하여제어하였으며차량전복이발생하지않았다. 4. 결론본연구에서는노면의수직방향예견정보만을사용하여승차감향상을목표로하는기존예견제어기를변경하여, 예견정보를추가로사용함으로써차량전복안정성까지도담보할수있는조향최적예견제어기를설계하였다. 1) 기존의예견제어기는차량전복안전성을검증하기위한 Fishhook 조향시험시, 9km/h의이하의속도에서는차량전복이발생하지않았다. 또한, 이미알려진바와같이, 승차감향상의측면인 heave, roll, pitch 가속도 RMS 기준으로, 주어진조건에서 Feedback 제어만을사용한결과에비하여각각 9%, 53%, 34% 의향상된결과를보였다. 따라서일반적인운전조건에서는기존의예견제어기로도승차감과차량전복안정성향상을기대할수있다. ) 제안된예견제어기는기존예견제어기의승차감향상측면장점을그대로가지면서, J-turn 조향시험시 roll각이약 5% 향상되었고, Fishhook 조향시험시 1km/h까지도차량전복을방지할수있는결과를나타내었다. 뿐만아니라차량선회시노면의불균일성에의해발생할수있는차량롤전복 (ripped rollover) 의경우에도제안된예견제어기는주어진조건에서우수한차량전복안정성을가짐을보였다. 따라서제안된예견제어기는과도한운전조건에서기존의예견제어기보다뛰어난차량전복안정성을가짐을알수있다. 노면에따른수직방향높이와주행조향각의정보를예견하기위한센서기술은현재초기개발단계로기술적, 비용적제약이따른다. 하지만, 이러한기술적, 비용적제약을극복하기위한전자부품과센서의발전이지속적으로진행되고있어, 가까운미래에악조건의주행에서도승차감과차량전복안정성확보하기위한 예견제어기의상용화를기대할수있다. References 1) A.. van Zanten, Erhardt, R., and Pfaff, G. VDC, the vehicle dynamics control system of Bosch, SAE echnical paper 95759, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pa. ) I.Y. Hwang, Electronic Chassis Control System echnology, Journal of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol.9, No.3, pp.17~57, 7 3) A. Hac, Optimal linear of active vehicle suspension, Vehicle system dynamics, 1, pp, , 199 4) M. D. Donahue, Implementation of an Active Suspension, Controller for Improved Ride Comfort, M.S. heses, U.C. Berkeley, 1 5) J. Marzbanrad, G.Ahmadi, Y. Hojjat, and H. Zohoor, Optimal active control of vehicle suspension systems including time delay and preview for rough road, Journal of Vibration and Control 8, pp , 6) Y.S. Kim, Control of High Mobility racked Vehicle Suspension, Ph.D. hesis, KAIS, 3. 7) S.J.Yim, Y.J.Park, and Y.S.Park, Robust Anti- Rollover Controller Design with rajectory Sensitivity and LMI, 6 KSAE Spring Conference, Jeju, KSAE, pp.754~759, 6 8) NHSA Research Note, Passenger Vehicles in Untripped Rollovers, NCSA, ) X. Shen and F.Yu, Investigation on integrated vehicle chassis control based on vertical and lateral tyre behaviour correlativity, Vehicle System Dynamics, Vol. 44, Supplement, pp , 6 1) Mechanical Simulation Corporation, "CarSim Reference Manual Version 6.5", January 6 11) G. J. Forkenbrock, B.C. O Harra and D. Elsasser,, A Demonstration of the Dynamic ests Developed for NHSA s NCAP Rollover Rating System - Phase VIII of NHSA s Light Vehicle Rollover, NHSA, Report No. DO HS 89 75,4 6

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040902.hwp 특집 자동차와 물리학 자동차의 성능과 향상방안 유 완 석 머리말 종래의 자동차에서는 엔진이 차지하는 비중이 높았기에 자 동차를 엔진기술이 포함된 자동차공학 또는 기계공학의 주 응 용대상으로 보아 왔으나, 최근의 자동차는 공학이나 과학 등 다양한 분야의 기술들이 결집된 신기술의 통합체로 만들어진 다고 보아질 만큼 많은 분야의 기술들이 적용되고 있다. 동력 자체도