상용차용 ESC 제어로직 검증을 위한 HILS 개발

1. 서 론

최근 졸음운전, 전방주시 태만 등으로 인하여 사고가 많이 발생하고 있다. 특히 대형버스 및 트럭 등 상용차량은 사고 발생 시 승용차량에 비해 대형사고로 이어져 많은 인명 피해가 발생할 가능성이 높다. 이를 방지하기 위해 ABS(Anti-lock Brake System)를 기반으로 하는 AEB(Autonomous Emergency Braking), ESC(Electronic Stability Control) 등의 안전 시스템 개발을 통한 차량 제동 안정성 확보가 필수적이다. 특히 ESC 시스템을 적용하였을 때 사고율 10 %, 사망사고율 36 %, 통제상실 사고율 27 %가 감소하기에 ESC 제어로직 개발에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.^1-3)

본 논문에서는 ESC 제어로직 개발 시 실차를 이용한 제어로직 검증 시험 이전에 가상의 시험을 통하여 위험한 상황을 방지하고, 공간과 시간의 제약 없이 시험하고 검증할 수 있는 공압식 브레이크 시스템을 이용한 HILS(Hardware in the Loop Simulation)를 개발하였다. 개발된 HILS는 5톤급 상용차량의 부품을 이용하여 1 m × 1 m × 1 m (가로×세로×높이)의 이동이 가능한 소형으로 제작하였다. 그리고 동일 차량을 이용하여 특성시험을 진행한 후 TruckSim 상의 기본 모델을 수정하여 차량 모델을 구현하였다.

개발한 HILS와 실차를 통해 상용차량의 극한 상황을 재현할 수 있는 ABS 시험과 ESC 악의모드 시험을 진행하고, HILS와 실차의 데이터를 비교하는 정합성을 측정하여 본 논문을 통해 개발된 HILS를 이용한 ESC 제어로직의 검증 가능 여부를 판단하였다.

2. HILS H/W

2.1 시험 장비 구성

유압식 브레이크를 사용하는 승용차와 달리 공압식 브레이크를 사용하는 상용차의 브레이크 시스템은 무게, 구조, 작동 범위 등에 있어 가상 시뮬레이터를 구현하기에 제약이 있다. 이로 인해 개발된 대부분의 상용차 브레이크 HILS는 실험실에 고정되어 이동 및 변형에 어려움이 있다. 이러한 제약을 최소화하기 위하여 HILS 장비 구성을 알루미늄 프로파일을 이용하여 1 m × 1 m × 1 m(가로×세로×높이)의 소형으로 설계하였고, 이동과 고정이 가능하도록 제작하였다. 또한, 밸브와 같은 핵심부품의 교체만으로 다양한 공압식 브레이크 HILS로 변형이 가능하다.

본 연구를 통해 개발한 HILS 시험기는 상용차량을 대상으로 한 ABS 제어로직 튜닝을 위해 제작되었다. 모든 브레이크 시스템은 5톤급 상용차량의 부품들로 구성되어 있다. 드럼과 브레이크부, 공압 밸브, 에어탱크와 커넥터 등의 부품을 5톤급 상용차량 부품들로 조립하였고, 브레이크 챔버의 압력을 입/출력 신호로 받기 위해 별도의 알루미늄 재질의 커넥터를 제작하여 상용차량에 사용되는 압력센서를 설치하였다.

공기압은 에어 컴프레서를 이용하여 대상 차량의 적정 공기압인 0.7 MPa을 유지할 수 있도록 하였고, 전력 또한 차량용 배터리를 이용하여 24 V를 공급하였다. 또한, 실제 운전자의 브레이크 조작을 모사하기 위하여 실제 상용차 브레이크 페달을 설치하여 페달로부터 공기압이 전달될 수 있도록 제작하였다(Fig. 1).

Fig. 1

HILS hardware system

2.2 데이터 분석기

차량 모델을 이용하여 공압 브레이크 밸브를 구동시킬 장비는 NI社의 PXI(PCI Extensions for Instrumentation)를 사용하였고, 차량 모델을 구동 시킬 프로그램은 NI社의 Veristand와 Mechanical Simulation社의 TruckSim을 사용하였다.

차량 모델에 입력되는 주요한 신호들은 챔버에 설치 된 압력센서로부터 측정되는 브레이크 압력과 가상의 엔진 상태 신호이고, 출력되는 주요 신호들은 각 차륜의 속도와 차량의 거동을 나타내는 횡가속도와 요속도(Yaw rate) 등의 신호들이다.

TruckSim 상에서 차량 모델을 구동시키면 PXI를 통해 가상 ECU에서 휠스피드, 엔진상태, 종/횡 가속도 신호를 받게 된다. 이때 시험자가 페달을 통해 브레이크를 작동하면 각 챔버에 설치한 압력센서를 통해 측정한 브레이크 압력을 다시 PXI를 통해 차량 모델에 신호를 보내고 차량 모델은 압력 신호를 분석하여 PCV(Pressure Control Valve)를 동작하여 ABS를 구현하였다(Fig. 2).

Fig. 2

HILS sensor/equipment system

ESC의 경우 차량 모델을 악의 시험모드에 따라 구동시키면 ECU에서 차량 스핀 및 전복 상황을 인지한 후 PCV에 브레이크 제어 명령을 내리게 된다. 이에 따라 시험자의 직접적인 브레이크 조작 없이 ECU를 통해 각 챔버에 적정 브레이크 압력을 부여하여 차량 모델이 통제 불가 및 전복이 되지 않도록 시험을 진행하였다.

3. HILS S/W

3.1 차량 모델링

대상 차량을 TruckSim 상에 구현하기 위해 실차를 활용하여 차량 모델링 시험을 진행하였다. 차량 모델링은 부품 특성 시험, 정적 특성 시험, 동적 특성 시험을 통해 차량의 특성을 파악하였다.

3.1.1 부품 특성 시험

대상차량의 스프링, 댐퍼와 같은 현가장치의 특성을 파악하기 위하여 실제 대상차량의 부품을 수직 하중 액추에이터, 진동시험기를 활용하여 시험하였다.

스프링은 각 축에 가해지는 차량 하중을 수직 하중 액추에이터를 통해 일정한 속도로 부여하여 탄성계수를 측정하였으며, 댐퍼는 진동시험기를 통해 감쇠비를 측정하였다.

3.1.2 정적 특성 시험

정적 특성 시험으로 차량 하중 측정, 조향비 측정을 진행하였다. 차량 하중은 CAS社에서 제작한 TX-302S/F 제품을 활용하여 평지와 경사 5°에서 측정하였고, Table 1과 같은 결과를 확인했다.

Table 1

Vehicle weight

차량 전륜의 무게 2,520 kg, 축간거리 3,845 mm를 식 (1)에 대입하면 차량 전륜과 후륜으로부터 무게중심까지의 거리인 b=1,312 mm, c=2,533 mm의 결과를 도출할 수 있다. 또한 식 (2)에 경사도 5°를 대입하면 지면으로부터 무게중심의 높이인 h=1,163 mm를 도출할 수 있다. 이로써 대상차량의 무게중심을 측정할 수 있다.⁴⁾(Fig. 3)

$\[ W_{F\left(Flat\right)}=W\frac{c}{L} \]$

(1)

$\[ W_{F\left(Slope\right)}=\frac{W\left(c\text{cos}\theta -h\text{sin}\theta \right)}{L} \]$

(2)

Fig. 3

Arbitrary forces acting on a vehicle

조향비 측정은 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 조향축에 설치하여 조향각을 측정하고, 평지에 설치된 회전판 위에 차량을 정차시켜, 조향축 각도를 양방향으로 45°씩 증가시키며 바퀴의 각도를 측정하였다. 이를 통해 조향축 대비 조향륜의 비율인 조향비 1 : 20.7이라는 값을 도출하였다.

3.1.3 동적 특성 시험

동적 특성 시험은 Table 2와 같은 조건으로 가속 시험, 감속 시험, 급선회 시험, 이중차선변경 시험을 진행하였다.

Table 2

Test mode

가속 시험은 TPS(Throttle Position Signal) 10 %와 100 %로 시험하였고, 감속시험은 감속도 0.3 g와 0.5 g로 시험하였다.

급선회(J-turn) 시험은 속도 48 kph, 선회반경 45.7 m로 NHTSA FMVSS 136 규격에 따라 시험하였다.⁵⁾

이중 차선 변경 시험(Double lane change)은 속도 60 kph로 ISO 3888 규격에 따라 시험하였다.⁶⁾

3.2 차량 모델 정합성 검증

차량 모델링 시험을 통해 도출한 특성값을 TruckSim 상의 기본 모델에 적용하여 실차와 유사하도록 변경하였다. 차량의 크기, 기어비 등의 제원은 공개된 제원을 활용하였고, 관성력과 타이어 특성 등의 주요 파라미터는 TruckSim 기본 모델 데이터를 사용하였다.

본 연구에서는 ESC 제어를 통한 차량 거동 확인을 위한 HILS 개발이 목표이므로 차량모델의 종방향과 횡방향 정합성 검증을 실시하였다. 정합성을 나타내는 상관계수 r은 식 (3)을 통해 도출할 수 있다.⁷⁾

$\[ \begin{array}{c}r=\frac{\sum _{k=1}^n\left(x_k-\overline{x}\right)\sum _{k=1}^n\left(y_k-\overline{y}\right)}{\sqrt{\sum _{k=1}^n{\left(x_k-\overline{x}\right)}^2}\sqrt{\sum _{k=1}^n{\left(y_k-\overline{y}\right)}^2}}\\ where,\overline{x}=\sum _{k=1}^n\frac{x_k}{n},\overline{y}=\sum _{k=1}^n\frac{y_k}{n} \end{array} \]$

(3)

식 (3)의 분자는 실차에서 측정한 데이터 x와 HILS에서 측정한 데이터 y를 변수로 설정하여 공분산을 측정하는 식이다. 이 값을 분모인 실차 데이터 x와 HILS 데이터 y의 표준편차의 곱으로 나누면 실차와 HILS 데이터 사이의 상관관계 r을 구할 수 있다.⁸⁾ 위 수식을 통해 실차 데이터와 HILS 데이터 간의 정합성을 도출하였고, 90 % 이상의 정합성을 보일 경우 매우 유사한 데이터로 판단할 수 있다.⁹⁾

차량모델 시뮬레이션 결과 동적 특성 시험 모두 실차 측정 데이터와 유사성을 보였다. 가속 시험은 TPS 10 %의 경우 수동변속기 차량의 특성상 TPS 100 %에 비해 일부 구간이 다른 특성을 보이지만 전체적으로 유사한 경향을 보였다. 감속 시험은 감속도 0.3 g, 0.5 g 모두 높은 유사성을 나타냈다. 급선회 시험은 시뮬레이션에 비해 실차의 거동이 안정적이지는 않았으나 유사한 경향을 보이며 높은 정합성을 나타냈다. 이중차선변경 시험은 실차의 거동이 시뮬레이션에 비해 더 약하게 나타났지만, 유사한 경향을 보였다(Fig. 4).

Fig. 4

Model/Vehicle coherence

정합성 검증 결과 본 연구에 의해 제작된 차량 모델은 거동 특성 시험에서 Table 3과 같이 실제 대상차량과 96.86 % 이상의 정합성을 보였고, 이는 실제 대상 차량과 유사한 차량 모델이라 할 수 있다.

Table 3

Verification of coherence

4. ABS 시험

4.2 결과 비교

4.2.1 마른 아스팔트 노면(Dry Asphalt)

마른 아스팔트 노면의 경우 Table 4와 같이 50 kph의 속도에서는 실차의 제동거리가 HILS에서 측정된 제동거리보다 짧았지만 60, 70 kph의 속도에서는 반대의 경향을 보였다.

Table 4

Dry asphalt braking distance

4.2.2 젖은 아스팔트 노면(Wet Asphalt)

젖은 아스팔트 노면의 경우 Table 5와 같이 마른 아스팔트 노면 결과에 비해 HILS에서 측정한 제동거리와 실차의 제동거리 간의 유사성을 많이 보였다.

Table 5

Wet asphalt braking distance

5. ESC 시험

5.2 결과 비교

5.2.1 긴급 회피 거동 시험(Sine with Dwell)

긴급 회피 거동 시험에서 브레이크 압력의 작동 시점 및 크기가 유사한 경향을 보였다. 시험 시작 후 약 0.5초 후 1차 제어를 시작했으며, 약 1.4초 후 4륜 모두 제어하기 시작했다. 또한 1차 제어 시 최대 압력 약 2.7 MPa로 좌측 챔버를 주로 제어했으며, 2차 제어 시 최대 압력 약 0.5 MPa로 우측 챔버를 주로 제어했다. 휠 속도는 시작 속도 80 kph에서 시험 종료 후 약 9 kph 가량 감소한 것을 확인했다. 또한, 시험 시작 후 약 1.5초에 우측 챔버의 압력을 강하게 제어한 이유로 같은 시간 우측 휠 속도가 현저히 감소하는 동일한 경향을 보였다(Fig. 5).

Fig. 5

Sine with dwell data comparison

긴급 회피 거동 시험을 통해 요속도는 95.48 %, 횡가속도는 95.31 %의 정합성을 측정하였다(Fig. 6).

Fig. 6

HILS/Vehicle sine with dwell coherence

또한 NHTSA FMVSS 126 규격의 판단 조건인 횡방향 이동거리도 적합기준보다 약 0.6 m 이상 높은 이동거리를 보였다.

5.2.2 전복안정성 시험(Fish Hook)

전복안정성 시험에서 브레이크 압력의 작동시점이 유사성을 보였다. HILS와 실차 모두 시험 시작 후 약 1초에 1차 제어를 시작했으며 약 1.7초 후 2차 제어를 시작했다. 1차 제어 시 최대 압력 약 0.26 MPa로 우측 챔버를 주로 제어했으며, 2차 제어 시 최대압력 약 0.4 MPa로 4륜을 제어했다. 하지만 제어를 유지하는 시간과 2차 제어 시 압력 분포의 차이가 발생했다. 이는 타이어의 마모와 노면의 마찰력으로 인해 발생한 차이로 판단된다. 휠 속도는 시작 속도 70 kph에서 시험 종료 후 약 17 kph 가량 감소한 것을 확인했다. 또한, 시험 시작 후 약 1.5초에 우측 챔버에 비해 좌측 챔버의 압력을 조금 더 강하게 제어한 이유로 같은 시간 좌측 휠 속도가 우측의 휠 속도보다 더 감소하는 동일한 경향을 보였다(Fig. 7).

Fig. 7

Fish hook data comparison

전복안정성 시험을 통해 요속도는 99.07 %, 횡가속도는 98.34 %의 정합성을 측정하였다(Fig. 8).

Fig. 8

HILS/Vehicle fish hook coherence

또한 NHTSA FMVSS 126 규격의 판단 조건인 바퀴 들림도 전복 판단 기준보다 약 10 mm 이상 낮은 들림을 보였다.

6. 결 론

본 논문에서는 상용차의 ESC 제어로직을 검증하기 위하여 HILS를 구성하였고, 5톤급의 상용차량 모델을 특성 시험을 통해 개발하였으며, 실차/HILS의 ABS, ESC 비교 시험도 수행하였다.

마른 아스팔트 노면의 경우 실차와 HILS의 제동거리가 약간의 차이가 있었다. 그 이유는 첫 번째, 실차와 차량 모델과의 차이에 있다. 차량 모델의 주요한 파라미터 중 하나인 타이어 모델이 실차와 다르기 때문이다. 타이어에 대한 정확한 특성을 파악하기 어렵고, 시험이 진행될수록 타이어의 마모도가 달라지기에 큰 변수로 작용하였다.

두 번째, 환경 차이가 있다. TruckSim 상에 구현된 노면은 마찰계수만 적용된 가상의 노면이다. 하지만 실제 노면의 마찰계수는 노면 위치와 대기 온도, 습도 등에 따라 변동하게 된다. 그렇기에 통상적인 노면의 마찰계수를 사용하였고, 이 또한 큰 변수로 작용하였다.

젖은 아스팔트 노면의 경우 마른 아스팔트 노면보다 높은 유사성을 보이는 결과를 나타냈다. 이는 노면과 타이어의 마찰력이 줄어 타이어로 인한 변수가 줄어들었고, 노면에 지속적으로 일정한 양의 물이 흐르고 있으므로, 환경에 따른 노면의 변화가 줄어들어 이러한 결과를 보인 것으로 판단된다.

본 연구를 통해 개발된 상용차용 ABS 제어로직 검증을 위한 HILS는 실차와의 동일한 시험에서 유사한 결과를 보였다. 본 연구에서 개발된 HILS를 활용하여 향후 ABS 기반의 AEB, ESC 등 상용차용 안전 시스템 개발에 도움이 될 것이라 판단하며, 상용차량으로 인한 대형 사고를 감소시키는데 기여할 것으로 기대된다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부 산업핵심기술개발사업의 연구비지원을 받아 수행되었습니다(과제번호 10070168).

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