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서필 길
5 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 6 pp , ISSN / eissn 김효준강원대학교기계공학과 Vibration Control of Vehicle using Road Profile Information Hyo-Jun Kim Department of Mechanical Engineering, Kangwon National University 요약본연구에서는주행노면의형상을재현하는알고리즘을기반으로, 외란형상정보를활용한차량의진동제어시스템과그결과를제시하였다. 시스템에전달되는외란으로유발되는과도한진동및그영향을저감시키고안정성을확보하는것은중요한이슈이며, 특히자동차분야에서는그요구가지속적으로제기되고있다. 차량의진동과불안정성을유발하는대표적인외란요인은주행하는차량타이어에접촉하는불규칙한도로면형상이다. 따라서이러한외란형상정보를확보하는것은매우중요한과정이다. 본연구에서는차체에부착된센서로부터측정된신호에혼입된차량의동적거동영향을배제하고관심도로면의형상정보를재현할수있는 RPS 알고리즘과이를적용한실험결과를제시하였다. 이를토대로, 예견제어이론을응용한전자제어현가시스템과 7 자유도전차량모델에적용하여시뮬레이션을수행하였다. 그결과반능동형작동기와결합된지능형제어시스템을통하여자동차의주요성능지수인승차감과조종안정성의개선효과를확인하였으며, 제안한제어프레임의효용성을제시하였다. Abstract In this study, based on the RPS algorithm, the application results to an electrically controlled suspension system using previewed road information are presented. Reducing the excessive vibration induced by a disturbance transmitted to the system and secure its stability is a major issue. In particular, in the automotive industry, the demand is constantly being raised. A typical external disturbance causing vibration and instability of a vehicle is an irregular roadway surface that contacts a running vehicle tire. Therefore, obtaining such profile information is an important process. The RPS algorithm using a multi sensor system was constructed and implemented in a real car. Through experimental work using the RPS system included non-contact type optical sensors, it could robustly reconstruct the road input profiles from the intermixed data onto the vehicle's dynamic motion while traveling at an uneven roadway surface. A controller with a preview control was designed in the framework of a semi-active suspension system based on the 7 degrees of freedom full vehicle model. The control performance of the system was evaluated through simulations and the results were compared with the passive vehicle condition. These results highlight the feasibility of the presented control frame. Keywords : Preview Control, Road Profile, Semi-active Control, Vehicle Suspension, Vibration Control 1. 서론 시스템에전달되는외란으로유발되는과도한진동및그영향을저감시키고안정성을확보하고자하는것은많은분야에서연구되는주요이슈이다. 대표적으로 본논문은 2015년도강원대학교대학회계학술연구조성비로연구하였음.( ) * Corresponding Author : Hyo-Jun Kim(Kangwon National Univ.) Tel: hjkimm@kangwon.ac.kr Received February 27, 2017 Revised (1st March 28, 2017, 2nd April 4, 2017) Accepted June 9, 2017 Published June 30, 2017 자동차의경우에도, 주행하는불규칙한도로, 운전조작, 횡풍과같은외란의영향으로부터승차감과조종안정성등을향상시키기위해다양한제어이론을적용하여능동형 / 반능동형현가시스템을기반으로한연구가활발히진행되어왔다 [1-4]. 431

2 한국산학기술학회논문지제 18 권제 6 호, 2017 이들중에는대상이되는차량시스템에가해지는노면외란에대한정보를활용하여제어성능을향상시키려는연구들이포함된다. 초음파센서를이용하여가변식작동댐퍼의응답지연을보상하는소극적방식의적용뿐아니라, 보다적극적방식으로는주행노면에대한구체적정보를직접적으로제어시스템에적용하고자하는연구들이다. 즉, 노면외란의정보를이용하는예견제어 (preview control) 이론을통해제어성능을향상시키고자하는것이다. 그러나이러한연구들대부분은구체적인노면정보획득에대한방안을포함하지않고, 확정적인형상데이터를알고있다는가정하에진행되었다 [5-7]. 운행되는차량에접촉하는도로면의형상을직접측정하는방법으로는정적인토목공학적방식의 profilometer가기본적이나, 이외에도차량에부착한간단한 look-ahead 센서나차량바퀴의응답으로부터단면형상을유추하는방식들이있다. 이러한방법들은측정에많은시간이소요되거나, 차량의동역학적응답이측정결과에포함되어그정확성이현격히저하되게된다. 또한차량의선형 / 비선형파라미터에대한정확한파악이요구되는등, 측정이차량특성에종속적이되므로직접적인형상정보구현방식으로는어려움이있다. 따라서본연구에서는이러한문제점을고려하여, 주행하는관심도로면의형상정보를얻을수있는멀티센서를이용한형상재현알고리즘과차량진행방향으로의노면종단면형상재현결과를기반으로수동형현가시스템의성능을향상시키기위한반능동형시스템에적용함으로서그유용성을검토하였다. 2. RPS 시스템대상시스템에작용하는외란에대하여구체적정보를얻는것은시스템해석에매우유용하다. 자동차의해석에있어서도도로표면에대한정보가필수적이다. 그러나주행중인차량의차체에부착된센서를이용하여직접도로면의형상을측정하는경우에는, 측정신호에차량의동적거동이포함되게된다. 그러므로이오염된데이터를노면정보로써직접적용하는데에는한계가있다. 따라서대상도로면의형상정보를얻기위해서는혼입된동역학적응답신호의영향을배제하는프로세스 가필요하다. 즉, 획득된원데이터로부터주행노면에대한형상을재현해내기위한알고리즘의적용이요구된다. Fig. 1. Schematic Diagram of RPS Algorithm Disp (m) Time (sec) Fig. 2. Directly Measured Sensor Signal (Sensor 1) Disp (m) Distance (m) Fig. 3. Experimental Result using RPS System Fig. 1에이러한요구에부응하는 RPS(road profile sensing) 알고리즘의구조특성을나타내었다. 선행연구에제시된것과같이 [8], 시스템전달함수의주파수특성 432

3 은적용하는두개의센서사이거리함수로결정된다. 복수의센서를조합하면전체측정시스템의전달함수특성을개선시킬수있으며, Fig. 1에도시한멀티센서시스템을이용하는알고리즘을적용함으로서노면정보를보다충실히측정할수있다. 전술한알고리즘을적용한시스템을실제차량에구현하여실험을수행한결과를 Fig. 2, Fig. 3에도시하였다. Fig. 3와같은단면형상을가지는도로면을주행할때차체에부착된레이저센서로부터측정한데이터를 Fig. 2에나타내었다. 결과에서처럼측정신호에는주행차량의동적거동영향이혼입되어나타나게되어차체에부착된센서신호만으로는관심도로면의형상정보를정확히파악하는데에한계가있음을알수있다. 그러나오염된데이터로부터도제안한알고리즘을적용함으로서, Fig. 3와같이대상형상을충실히재현해낼수있음을확인할수있다. 3. 대상차량모델불규칙한노면외란에대한자동차의운동을기술하고제어기를설계하기위하여다음과같은차량모델을적용한다. 우선, 강체로모델링한차체에상당하는스프링상질량의상하운동 (z), 롤 (θ), 피치 (φ) 과집중질량으로모델링한스프링하질량에서의각각의수직운동 (x ui,i=1..4) 을고려한다. 타이어는노면과점접촉하는선형탄성요소 (k t) 로나타낸다. 현가시스템의탄성및감쇠요소를포함하여, 노면외란 (x ri,i=1..4) 에대한대상시스템의진동모델로 7자유도차량모델을적용하였다. 차량에대한운동방정식은스프링상, 하질량에대하여정리하여식 (1), 식 (2) 으로나타낼수있으며각각의행렬은다음과같이정의된다.,,,,,, 여기서 {X c} 는차체무게중심에서의좌표를나타내고 {X s} 는차체의현가계지지점에서수직변위를나타내며, 전 / 후륜휠베이스 l f, l r, 좌 / 우차폭 t f, t r 에대하여행렬 R의관계를갖는다. 차체의질량. 롤관성모우멘트, 피치관성모우멘트를각각 m s, I x, I y 로, 현가계의강성과감쇠를 k si, C si (i=1..4) 로각각나타낸다. 식 (1),(2) 의운동방정식으로부터상태벡터 {X v } 를선정하고, 각각의타이어에서노면의외란 {X r} 과현가계요소와병렬로장착된작동기에의한제어력 {f a} 를제어입력으로하는상태방정식은식 (3) 로나타낼수있다. 또한각각의특성행렬은다음과같이정의된다. (1) (2) (3) 433

4 한국산학기술학회논문지제 18 권제 6 호, 2017, 4. 제어기설계 자동차에서승차감과주행안정성은서로상충되는성능요소이며, 수동적인현가계에서는이를동시에양립시키기어려워절충설계가요구된다. 따라서산, 학계에서는능동형 / 반능동형구조와제어알고리즘을결합한지능형현가시스템을이용한성능향상에대한연구가활발히진행되어왔다 [9-12]. 이러한제어기법들중에서효율적인방안으로, 차량이진행할노면에대한정보를미리확보할수있다면이를활용하여보다나은제어성능을얻을수있는것으로제시된다 [13]. 그러나예견제어이론의적용에있어, 사용할노면정보가왜곡되어있다면오히려그성능에악영향을미칠수있는것이다. 본절에서는전술한노면형상감지알고리즘을이용한 RPS 시스템의도로면형상정보를이용하는제어기를설계하였다. 전장의차량모델을기준으로출력식과출력벡터 {y v} 를다음의식 (4) 와같이나타낸다. 최적제어이론에의해서제어입력에대한식은다음과같이정리하여나타낼수있다. (6) u FB: Feedback control input u FF: Feedforward control input K FB: Feedback gain K FF: Feedforward gain 식 (6) 의제어입력에서피드백제어부분 u FB 과노면정보를이용하는피드포워드부분 u FF 은다음의식으로각각나타내어진다. (7) (8) 여기서 P는다음의대수리카티방정식 (algebraic riccati equation) 을만족하는해로대칭 (symmetric), 양의한정 (positive definite) 이다. (9) r(t) 는다음의식 (10) 과같다. (10) 성능지수를다음의식과같이정의한다. (i=1..4) (4), 5. 시뮬레이션 (5) 여기서 [Q v] 는대칭, 양의반한정 (positive semi-definite) 행렬이며, [R v] 는대칭, 양의한정 (positive definite) 행렬이다. T p 는예견시간을나타낸다. 본절에서는설계된제어시스템의특성을파악하기위하여 7자유도전차량진동모델에적용하여시뮬레이션을수행하였고, 제어전 / 후의성능을비교하였다. 노면외란입력은 RPS 시스템을활용한 Fig. 3의실험결과로부터좌 / 우측타이어에동일하게피치노면입력으로적용하였다. 일반적으로능동형작동기를이용하는현가시스템은 434

5 우수한제어성능을얻을수있는장점에도불구하고, 소모동력과다, 복잡한시스템구성등의이유로, 특수한경우를제외하고는상용화되지못하고있는실정이다. 따라서본절에서는현실적대안으로, 가변형댐퍼작동기와제안된제어시스템으로구성되는반능동형현가시스템을적용하였다. 이러한전자제어현가시스템의구현효용성을파악하기위하여다음과같이시뮬레이션을수행하였다. 가변형댐퍼의경우에는, 그작동특성으로인하여설계된제어기입력 f d 와실제제어입력 f a 에는다음과같은구속관계식이적용된다. ( ) 확인할수있다. 또한간략화된정량적평가를위해 Fig. 5에정규화된 RMS 값들을비교하여도시하였다. 제어를하지않은경우를기준으로, 수직가속도, 피치가속도, 현가변위그리고타이어변위는각각 0.67, 0.72, 0.79, 0.77 수준으로개선됨을확인할수있다. 따라서가변형댐퍼와실제노면정보를이용하는예견제어를구현한반능동형현가시스템을적용함으로서일반적인수동형시스템에비하여효율적으로승차감과조종성능의개선을구현할수있음을확인할수있다. 제안된제어시스템프레임은지능형차량개발에적용되어제성능의향상방안으로활용될수있을것으로판단되며, 이러한해석과결과들을토대로향후실험적응용연구를수행할예정이다. 이때작동기는그감쇠가변폭에도제한을받게되므로실제시스템에작용하게되는감쇠력은식 (11) 와같이선정되는감쇠계수 C a 에의해서결정된다. (11) (a) Heave Acceleration (b) Pitch Acceleration 구현된시스템의제어성능을평가하기위하여수행한시뮬레이션결과를 Fig.4에각각나타내었다. Fig. 4(a) 에나타낸차체의수직방향가속도와 Fig. 4(b) 에도시한차체의전후방향피치가속도를살펴보면, 비제어시에비하여그크기를현저히감소시킬수있음을확인할수있다. 이는차량에탑승한운전자가체감하는승차감의향상으로파악할수있다. Fig. 4(d) 에는타이어변위를비제어시와비교하여나타내었다. 결과에서처럼제어를통하여그동적변위를감소시킬수있음을확인할수있는데, 이것은타이어의접지성과밀접하게연결되어조종성능의향상결과를나타내고있다. 또한 Fig. 4(c) 에서처럼작동기의행정거리는제한된안정범위에서작동함을알수있는데, 일부능동형현가시스템에서제기되는과도한작동기변위문제는발생하지않음을 (c) Suspension Stroke (d) Tire Deflection Fig. 4. Comparison of Control Performance (dashed : Uncontrolled, bold-line : Controlled) 435

한국산학기술학회논문지제 18 권제 6 호, 2017 Fig. 5. Comparison of Normalized RMS Values (a) Heave Acceleration (b) Pitch Acceleration (c) Suspension Stroke (d) Tire Deflection 6.

6 한국산학기술학회논문지제 18 권제 6 호, 2017 Fig. 5. Comparison of Normalized RMS Values (a) Heave Acceleration (b) Pitch Acceleration (c) Suspension Stroke (d) Tire Deflection 6. 결론 자동차의진동과불안정성을유발하는불규칙한주행노면의외란형상정보를활용하여발생진동을제어하는지능형현가시스템에대한본연구를수행한결과를요약하면다음과같다. (1) 주행차량에서, 동역학적거동영향을배제하고관심도로면의형상을재현할수있는 RPS 알고리즘과실제차량에구현된시스템을적용한실험결과를통해그효용성을제시하였다. (2) 이를기반으로, 예견제어기법과반능동형작동기로구성된전자제어현가시스템의구성을제안하였다. (3) 전차량모델에제안한시스템의시뮬레이션을수행하여, 대상노면입력에서수직 / 피치가속도, 동적타이어변위를 0.67/0.72, 0.77 수준으로감소시켜, 승차감과조종안정성을포함한제성능을개선할수있음을확인하였다. References [1] H. J. Kim, Experimental study of active vibration control for trailed two-wheeled device, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, vol. 13, no. 2, pp , DOI: [2] J. Lin, R.J. Lian, "Intelligent control of active suspension systems", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 2, pp , DOI: [3] H. J. Kim, "Robust roll motion control of a vehicle using integrated control strategy", Control Engineering Practice, vol. 19, pp , DOI: [4] H. E. Tseng, D. Hrovat, State of the art survey: active and semi-active suspension control, Vehicle System Dynamics, vol. 53, no. 7, pp , DOI: [5] T. J. Gordon, R. S. Sharp, "Improving the performance of automotive semi-active suspension systems through road preview", Journal of Sound and Vibration, vol. 217, no. 1, pp , DOI: [6] A. Hac, I. Youn, "Optimal semi-active suspension with preview based on a quarter car model", Journal of Vibration and Acoustics, vol. 114, pp , DOI: [7] G. Prokop, R.S. Sharp, "Performance enhancement of limited-bandwidth active automotive suspensions by road preview", Control Theory & Applications, vol. 142, no. 2, pp , DOI: [8] H. J. Kim, "Road Measuring System using Surface Profile Sensing Algorithm", Journal of Korea Academia- Industrial cooperation Society, vol. 12, no. 3, pp , DOI: [9] H. M. Soliman, A. Benzaouia, H. Yousef, "Saturated robust control with regional pole placement and application to car active suspension", Journal of Vibration and Control, vol. 22, no. 1, pp , DOI: [10] S. Weichao, G. Huijun, Y. Bin, "Adaptive robust vibration control of full-car active suspensions with electrohydraulic actuators", IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 21, no. 6, pp , DOI: [11] R. J. Lian, "Enhanced adaptive self-organizing fuzzy sliding-mode controller for active suspension systems", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 3, pp , DOI: [12] T. P. J. Sande, I.J.M. Besselink, H. Nijmeijer, "Rule-based control of a semi-active suspension for minimal sprung mass acceleration: design and measurement", Vehicle System Dynamics, vol. 54, no. 3, pp , DOI: [13] G. Christoph, S. Andreas, W. Andreas, S. Oliver, "Design and vehicle implementation of preview active suspension", IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 22, no. 3, pp , DOI: 436

7 김효준 (Hyo-Jun Kim) [ 정회원 ] 1988년 2월 : 연세대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1996년 8월 : 연세대학교대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 2000년 8월 : 연세대학교대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 1988년 1월 ~ 1993년 7월 : 대우중공업중앙연구소 2001년 3월 ~ 현재 : 강원대학교기계공학과교수 < 관심분야 > 동적시스템의강건제어, 고충격시스템해석 / 안정화시스템 437

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method