조타 필 재현 장치 및 그 방법{A STEERING WHEEL LOAD FEELING APPEARING APPARATUS AND APPEARING METHOD}

본 발명은 자동차 시뮬레이터에 관한 것으로써, 특히 차량을 움직이지 않고 차량의 타이어를 연결하지 않은 상태에서도 스티어링 휠의 조타 필링을 재현하는 전동 파워 스티어링을 이용한 조타 필 재현 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

통상의 유압식 파워 스티어링(Power Steering)과 대비하여 전동 파워 스티어링(Electronic Power Steering, 이하 EPS 라 칭함)은 차속 센서와 스티어링 샤프트(steering shaft)를 감싸고 있는 칼럼(column) 또는 피니언(pinion)부에 장착된 토크 센서(torque sensor) 및 모터 회전각 센서 등의 정보에 따라, EPS의 ECU(Electronic Control Unit)가 파워 어시스트(ASSIST)력의 방향과 힘을 결정하여 스티어링 칼럼 또는 피니언 또는 랙(rack)에 장착된 전동 모터를 구동시킴으로써 조타력을 보조한다.

그런데, 종래의 EPS는 타이어와 연결되어 타이어 입력 하중을 이기려는 조타력을 보조하는 기능이므로 드라이빙 시뮬레이터와 같이 차량이 움직이지 않고 타이어를 똑바로 한 상태에서, 즉, 조타 기구의 타이어를 연결하지 않은 상태에서 스티어링 휠에서의 조타 필(feel)을 재현하기가 어려운 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 드라이빙 시뮬레이터에서 타이어의 입력을 제거한 상태에서 차속 및 조타각에 따라 스티어링 휠에서의 조타 필을 재현하여 실제 차량이 주행하는 것과 같은 느낌을 느낄 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

또한, 복잡한 기타 조타 반력 기구를 사용하지 않고도 실제 차량을 운전하는 것과 같은 조타 필을 구현하고자 하는 데 또 다른 목적이 있다.

도1은 본 발명의 실시 예에 따른 조타 필 재현 장치를 나타내는 구성 블록도 이다.

도2는 본 발명의 실시 예에 따른 조타 필 재현 방법을 나타내는 흐름도 이다.

도3은 조향각에 따른 핸들 반력 전류 곡선을 나타내는 그래프이다.

도4는 각 차속과 운전자의 입력 토오크에 의한 어시스트 목표 전류를 테이블 화한 그래프이다.

도5는 드라이빙 시뮬레이터의 조향각 대 토오크 출력을 나타내는 결과 그래프이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 조타 필 재현 장치는,

차속 센서와 토크 센서 및 모터 회전각 센서의 정보에 따라 파워 스티어링의 어시스트 힘의 크기와 방향을 결정하여 전동 모터를 구동해 조타력을 운전자에게 전달하는 조타 필 재현 장치로서,

상기 운전자에 의해 하나 이상의 차속 및 조향각 값을 입력받아, 상기 차속 및 조향각에 따른 타이어 부하 값을 산출하여 전송하고, 상기 토크 센서로부터 입력되는 조타각에 따라 제어신호를 출력하는 단말기;

미리 설정된 어시스트 전류값과 상기 단말기로부터 전송된 상기 타이어 부하 값을 비교하여 핸들 반력 값에 해당하는 어시스트 전류를 연산하여 상기 전동 모터의 구동을 제어하는 전동 파워 스티어링

을 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 조타 필 재현 방법은,

차속 센서와 토크 센서 및 모터 회전각 센서의 정보에 따라 파워 스티어링의 어시스트 힘의 크기와 방향을 결정하여 전동 모터를 구동해 조타력을 운전자에게 전달하는 조타 필 재현 장치를 이용한 조타 필 재현 방법으로서,

운전자에 의해 차속 및 조향각을 입력받아, 상기 조향각에 따른 타이어 부하를 계산하는 단계;

미리 설정된 어시스트 전류와 상기 타이어의 부하를 연산하고, 핸들 반력 값에 해당하는 어시스트 전류를 연산하는 단계;

연산된 결과 값을 바탕으로 상기 전동 모터를 구동하여 반력을 재현하는 단계

를 포함한다.

이하에서는 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 실시 예에 따른 조타 필 재현 장치를 나타내는 구성 블록도 이다.

첨부한 도1에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 조타 필 재현 장치는, 운전자에 의해 입력된 차속 및 조향각에 따른 타이어 로드를 계산 동역학 프로그램을 가지며, 동역학 프로그램에 의해 구해진 차속 및 조향각에 따른 타이어 부하값을 전송하고, 입력되는 조타각에 따라 제어신호를 출력하는 컴퓨터(100); 미리 설정된 어시스트 전류값과 컴퓨터(100)로부터 전송된 타이어에 따른 래크의 부하값을 계산하고, 핸들 반력 값에 해당하는 어시스트 전류를 연산하여 모터 구동을 제어하는 ECU(200); ECU(200)로부터의 구동 신호에 따라 동작하는 모터(300); 모터(300)의 구동 토크에 의해 동력을 전달하는 기어 박스(400); 기어 박스(400)의 동력 신호의 반력에 의해 스티어링 휠의 회전운동을 직진운동으로 바꾸고, 조향력을 증대시켜 타이어의 방향을 변경하는 스티어링 기어(500); 스티어링 기어(500)로부터 핸들의 토크를 감지하는 토크 센서(600)를 포함한다.

컴퓨터(100)는 동역학 프로그램을 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 조타 필 재현 장치의 작용에 대하여첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명의 실시 예에 따른 조타 필 재현 방법을 나타내는 흐름도 이다.

먼저, 초기의 조타 필 재현 장치의 시작 시에 스티어링 휠의 중립 위치를 판단하기 위하여 스티어링 기어(500)의 도시하지 않은 모터를 일정 기간동안 구동하여 로크(Lock)위치까지 움직인 후, 로크 위치 상태에서 미리 계산된 조향각 값으로 세팅한 후 다시 랙 바(rack bar)를 중립 위치로 이동시킨다. 반력 EPS의 내부의 제어 로직 중, 목표 조향각을 추정하는 복원 제어를 적용하여 조타 필 재현 장치의 시작 후 5초간 기어 박스(400)의 L(lock up)로크까지 진행한 후, 3초간 중립 위치로 진행하여 초기화를 완료한다. 초기화 이후 조향각의 중립 위치가 1024이며, 좌우 로크에서 각각 424, 1624의 값을 갖는다.

운전자는 컴퓨터(100)를 이용하여 미리 저장된 도시하지 않은 동역학 프로그램을 선택하여 컴퓨터(100)의 화면에 표시된 윈도우(window)상에서 상기 동역학 프로그램에서 인가되는 차속 및 조향각을 입력한다(S100).

컴퓨터(100)의 동역학 프로그램은 운전자가 입력한 수치에 따라 조향각에 따른 래크의 부하를 계산한다(S110). 컴퓨터(100)의 동역학 프로그램은 차속 및 타이어 로드(Load)를 계산하여 ECU(200)로 보내는데, 차속은 도시하지 않은 액셀(Accelerator)의 패들(pedal)의 스트로크(stroke)에 따라 감지되어 연산된다. 타이어 로드는 수학식 1에 의해 계산된다.

A * log

₁₀ (조타각) + B * 조타각

여기서, A : 조타각 ±20도 이내의 특성값(실차감에 맞게 변경 가능)

B : 조타각 ±20도 이외의 특성값(실차감에 맞게 변경 가능)

동역학 프로그램에 의해 계산된 결과 값은 컴퓨터(100)로부터 ECU(200)로 전송된다. 컴퓨터(100)와 ECU(200) 사이의 데이터 전송은 RS232C 시리얼 통신(serial communication)방식을 사용하고 통신 속도는 19.2 kbps(kilobyte per second)이다. 통신 방식에서, 컴퓨터(100)는 10 msec마다 4 byte의 메시지를 전송하며, ECU(200)는 횡방향 제어 ECU로부터의 전송 메시지가 정상적으로 수신되면, 수신 완료시점부터 최고 1.1 msec 이내에 3 byte의 메시지 전송을 개시한다. 전송 메시지의 각 byte는 1 msec 주기로 전송되며, 전체 3 msec가 소요된다. 메시지 프레임(frame)의 동기 방식은 컴퓨터(100)로부터 메시지의 각 byte 간의 간격이 1.5 msec 이상이 될 때 4 byte 중 첫 번째 byte로 동기 시킨다. 데이터의 사양은 아래의 표1과 같다.

ECU(200)는 미리 설정된 어시스트 전류값과 컴퓨터(100)로부터 전송된 타이어에 따른 래크의 부하값을 계산하고(S120), 핸들 반력 값에 해당하는 어시스트 전류를 연산한다(S130).

도3은 각도에 따른 핸들 반력 전류 곡선을 나타내는 그래프이다.

첨부한 도3에서와 같이, ECU(200)는 운전자가 반력을 느끼기 위해 조향각에 상응하는 핸들 반력 값을 설정하여 어시스트 제어의 반대 부호로 제어를 수행한다. 한편, 반력 이득(GAIN)도 차속에 따라 테이블화 하고, 튜닝이 가능하도록 한다. ECU(200)는 도3과 같이, 조향각에 따른 반력 전류 곡선에 해당하는 반력 전류가 출력될 수 있도록 제어한다.

도4는 각 차속과 운전자의 입력 토오크에 의한 어시스트 목표 전류를 테이블 화한 그래프이다.

운전자의 조향각 입력에 따른 어시스트 토크 및 차량 모델에 의해 결정된 타이어 반력(Rack Force)으로부터 핸들 반력(Steering Wheel Torque)을 계산하는 루틴이 필요하다. 첨부한 도4에서와 같이, 각 차속과 운전자의 입력 토오크에 의해 어시스트 목표 전류가 테이블(table)화 되어, 이 테이블의 튜닝(tuning)에 따라 운전자의 필이 달라지며, 추가 튜닝이 필요하다. 도4는 각 차속에 따른 스티어링 토크 대 어시스트 토크의 관계를 나타내고 있다.

ECU(200)는 연산된 핸들 반력 값에 해당하는 어시스트 전류에 의해 모터 구동 신호를 출력하여 모터를 구동한다(S140).

ECU(200)는 운전자가 차속 및 조타각에 따라 스티어링 휠에서의 반력을 재현하여(S150) 실제 주행하는 것과 같은 느낌이 들도록 한다.

이후, 모터(300)의 구동에 의한 토크가 기어 박스(400)에 전달되며, 기어 박스(400)는 차속 및 조향각에 따른 반력 어시스트를 스티어링 기어(500)에 전달한다. 스티어링 기어(500)는 핸들 토크를 토크 센서(600)에 전달하며, 토크센서(600)는 조타각을 컴퓨터(100)에 전송한다. 컴퓨터(100)는 전달된 조타각에 따라 순간순간의 ECU(200) 제어신호를 출력하여 운전자로 하여금 반력(조타 필)을 느낄 수 있도록 한다.

도5a 및 도5b는 드라이브 시뮬레이터의 조향각 대 토오크 출력을 나타내는 결과 그래프이며, 도5a는 슬랄롬(slalom)이 0.2 Hz일 때, 조향각과 토오크 출력 관계를 나타내고 있고, 리그(Rig) 0.2 Hz 슬랄롬 시의 조향각 대 토오크 출력 관계를 나타내고 있다.

본 발명은 하나의 실시 예에 지나지 않으며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범윈 내에서 구성요소의 많은 변형 및 변경이 가능함은 물론이며, 본 발명이 실시 예에만 한정되는 것은 아니다.

이상에서와 같이, 본 발명의 조타 필 재현 장치 및 그 방법은 운전자가 드라이빙 시뮬레이터에서 타이어의 입력을 제거한 상태에서 차속 및 조타각에 따라 스티어링 휠에서의 조타 필을 재현하여 실제 차량이 주행하는 것과 같은 느낌을 느낄 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 의해 복잡한 기타 조타 반력 기구를 사용하지 않고도 실제 차량을 운전하는 것과 같은 조타 필을 구현한다.