타이어 노면마찰계수 추정을 활용한 AWD 구동력 제어 알고리즘에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

4WD 시스템은 주요 성능인 연비, 내구, 구동, 핸들링, NVH 성능 개선을 목적으로 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 4WD 시스템의 주요 성능들을 향상시키기 위해서는 각 휠의 타이어와 노면 사이의 접촉면에서 발생하는 마찰계수가 중요한 요소로 작용하며 마찰계수의 감지에 따른 토크배분을 수행함으로써 성능들을 종합적으로 개선할 수 있다. 하지만 타이어와 노면 사이의 마찰계수 정보는 현재 일반적인 차량에 장착된 센서로 측정할 수 없기 때문에 간접적으로 추정하는 방식이 개발되고 있다.
본 연구에서는 ABS(Anti-locking Braking System)가 장착된 사륜구동 차량으로부터 얻을 수 있는 정보들을 기반으로 직진 구동 시 타이어의 힘과 노면마찰계수를 추정할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 개발된 마찰계수 추정기의 타당성을 검증하기 위해 실차시험을 진행하였으며, 노면마찰계수 추정 알고리즘을 AWD 구동력 제어 알고리즘에 적용하였다. 최종적으로 사륜구동 차량의 구동, 연비, 내구 성능향상을 위한 제어 방법을 제안 및 검증하였으며 이로써 얻어진 연구 결과는 다음과 같다.
첫째, 직진 구동 상황에서 사륜구동 차량의 센서 정보를 이용하여 실시간으로 슬립률과 타이어 힘을 추정할 수 있는 알고리즘을 개발하였고, 실차 주행시험을 통해 WFT(Wheel Force Transducer)와 비교하여 힘 추정 알고리즘의 타당성을 검증하였다.
둘째, 추정된 타이어 힘과 슬립률 정보를 기반으로 노면마찰계수를 추정하는 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘은 RCP(Rapid Control Prototyping) 장비를 이용하여 마른 아스팔트와 젖은 ABS 시험 노면(Proving Ground)에서 반복 실차 주행시험을 진행하였으며 시험을 통해 반복성(repeatability)과 재현성(reproducibility)을 확보하고, 알고리즘의 유용성과 유효 범위에 대해 분석하였다.
셋째, 마찰계수 알고리즘의 유효 범위를 확장하기 위해 구동 시 전 후륜 휠 속도 차이를 분석하여 노면마찰계수 추정기를 보완하는 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘은 실차 주행 시험을 통해 반복성과 재현성을 검증하였다.
넷째, 마찰계수 추정 정보를 AWD 구동력 제어 알고리즘에 접목하여 사륜구동차량의 구동, 연비, 내구 성능을 향상시킬 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 알고리즘의 유용성을 확인하기 위해 마른 아스팔트, 젖은 ABS, 롤러 레일 시험 노면에서 알고리즘을 적용하기 전과 후에 대해 비교 실차 주행시험을 실시하였다.
본 연구를 통하여 개발된 노면마찰계수 추정 알고리즘은 노면과 타이어 사이의 마찰계수 정보를 제공하여 eLSD, Torque Vectoring 등에 적용할 수 있으며 향후 새시 제어 시스템과 첨단 운전자 지원시스템에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약
• 1. 서 론
• 1.1 연구 배경
• 1.2 연구 내용
• 2. 사륜구동 시스템
• 2.1 사륜구동 시스템의 분류
• 2.2 드라이브 라인 구성
• 2.3 사륜구동 시스템 기술 개요
• 3. 노면마찰계수 원리
• 3.1 타이어와 노면 간 상호작용
• 3.2 타이어 힘과 노면마찰계수의 관계
• 3.3 노면마찰계수 추정에 대한 기존 연구 사례 분석
• 3.4 최대 노면마찰계수와 슬립률과의 상관성
• 4. 노면마찰계수 추정 알고리즘
• 4.1 구동 시 노면마찰계수 추정 알고리즘 구성
• 4.2 종방향 슬립률
• 4.2.1 속도 및 노면 경사도 추정 알고리즘 개발
• 4.2.2 종방향 슬립률의 계산
• 4.3 종방향 타이어 힘 추정
• 4.3.1 구동 토크 배분비 추정 알고리즘
• 4.3.2 종방향 타이어 힘 추정 알고리즘
• 4.4 수직방향 타이어 힘 추정
• 4.5 최대 노면마찰계수 추정 알고리즘
• 4.5.1 급가속 시 최대 노면마찰계수 추정 알고리즘
• 4.5.2 완가속 시 최대 노면마찰계수 추정 알고리즘
• 4.5.3 최대 노면마찰계수 추정 결과 통합 알고리즘
• 5. 노면마찰계수 추정 알고리즘 유용성 검증
• 5.1 실차 시험 환경 구축
• 5.2 알고리즘 유용성 검증
• 5.2.1 속도 및 노면 경사도 추정 알고리즘 유용성 검증
• 5.2.2 구동 토크 배분비 추정 알고리즘 유용성 검증
• 5.2.3 종방향 타이어 힘 추정 알고리즘 유용성 검증
• 5.2.4 수직방향 타이어 힘 추정 알고리즘 유용성 검증
• 5.2.5 급가속 시 최대 노면마찰계수 추정 알고리즘 유용성 검증
• 5.2.6 완가속 시 최대 노면마찰계수 추정 알고리즘 유용성 검증
• 5.2.7 오프로드 판별 알고리즘 유용성 검증
• 6. AWD 구동력 제어 알고리즘
• 6.1 노면마찰계수를 이용한 AWD 구동력 제어 알고리즘
• 6.2 실차 시험 결과
• 7. 결론 및 향후 적용 방향
• 7.1 결론
• 7.2 향후 연구 및 적용 방향
• Reference
• Abstract
• Appendix