최근 by-Wire 방식의 차량 섀시 시스템 효율성이 대두됨에 따라 자동차 업계에서는 Steer-by-Wire(SbW), Brake-by-Wire(BbW) 등의 제품들을 활발히 개발 중이다. 특히 SbW 시스템의 경우, 운전자의 Steering wheel 조작과 Rack actuator 동작은 중간에 물리적인 연결(컬럼)없이 전기적 모터 신호로 이루어져있어, 통신 장애와 같은 고장이 발생하게 되면 운전자의 물리적 조작으로 대처가 전혀 불가능하다. 이처럼 운전자(또는 자율주행)의 목표조향 신호 전달에 문제가 발생되면 차량은 곧바로 정상적 주행 궤적을 상실하게 되고, 심각한 교통사고를 야기한다. 이러한 측면에서 SbW 시스템 양산 보급을 앞둔 지금, 고장 시에도 Safety를 확보할 수 있는 Redundancy 기능의 중요성이 대두되고 있다.¹⁾

1990년대부터 편 제동(Differential braking)을 활용한 차량의 조향을 보조 및 대체하는 기능 연구가 지속적으로 진행되어왔다.^2-5) 물리적으로 편 제동은 주행중인 차량에 좌우 종방향 힘 차이를 발생하며, Yaw 모멘트와 횡력이 생성되어 선회에 유리하다. 이때 타이어와 노면 사이에는 조향 Geometry와 관련된 Scrub radius의 영향으로 Wheel angle이 발생한다. 여기서 Scrub radius의 크기와 부호는 Wheel angle 생성 방향(즉, 차량의 횡 모션)에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나이다. 이러한 메커니즘을 활용하면 SbW 시스템 Fail과 같은 조향^11,12) 조작이 불가능한 상황에서 차량을 안전한 장소에 정차시키거나, 일정시간 차선을 유지하는 등 최소한의 조향 Redundancy를 확보하는 조향 모션 구현이 가능할 것으로 기대된다.

1998년 초기 연구에서는 Scrub radius 영향이 고려되지 않고 오로지 좌우 편 제동으로 발생하는 모멘트에 초점을 두어 편 제동 제어를 시도하였다.^2,3) Pilutti 연구에서는 조향 선회 시 편 제동으로 추가적인 모멘트를 활용하면 보다 효과적인 선회가 가능하다고 기술하고 있다. 그러나 이는 Wheel angle이 고정(Stuck)인 국한된 경우에만 해당되며, 실제로 운전자의 조향 개입이 없는 상황에서 편 제동을 인가하게 되면 Scrub radius 영향으로 Wheel angle은 고정되지 않고, 한 방향으로 점진적으로 회전(Free-rolling)하여 선회에 영향을 미친다. 이러한 영향은 편 제동 제어시 반드시 고려될 필요가 있다. Dominguez의 연구에서는 조향 Geometry 모형을 반영하여 편 제동 기능을 구현하려는 시도가 있었지만, 그 모형의 근거와 신뢰성은 충분치 못하였으며, 다양한 Scrub radius 값은 고려되었지만 음의 범주로 제한을 두었기 때문에 Steering wheel을 고정한 상태에서 편 제동 제어 시 만족할 만한 결과를 보였다. 이는 SbW 시스템 고장 시 가장 우려되는 Wheel angle의 Free-rolling 현상을 전혀 고려하지 못한다.

근래에 들어 편 제동 제어에 Scrub radius 설정을 반영한 Steer-by-Brake(SbB) 시스템이 등장하였다.⁴⁾ CNXmotion(Continental과 Nexteer 합작사)에서 개발한 이⁷⁾ 시스템은 트레일러가 저속에서 회전 시 자동 제동 제어를 통해 트레일러의 뒤쪽의 축의 Wheel angle을 생성시켜 유리한 회전 반경을 확보하는 것을 목표로 개발되었다. 보편적으로 트레일러 차량에는 추가적으로 뒤축 휠 조향 시스템 장착이 요구되는데, 이 기능을 편 제동 제어로 대체할 수 있다고 설명한다. 이를 위해서는 양의 Scrub radius 설정이 중요하다고 언급하고는 있지만 구체적인 근거는 기술되지 않았다. 또한 이 연구는 산업용 트레일러 차량에 국한 되어있고, 범용적인 SbW 시스템의 Redundancy를 확보하기 위한 기능과는 거리가 있어 보인다.

최근 수행된 Jonasson 연구⁵⁾에서는 자율주행에서 EPS와 같은 조향 시스템 고장 대응을 목표로 편 제동 제어 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 카메라 센서 정보를 기반으로 전방 도로 곡률^8-10)을 따르도록 설계되었으며, 운전자의 Steering wheel 조작을 두 가지 방식(Hands-on, -off)을 통해 Wheel angle의 Stuck과 Free-rolling 영향을 모두 고려하여 수행하였다. 이 연구에서 주목할만한 부분은 인가된 편 제동과 동일한 방향의 Wheel steer angle을 확보하기 위해 휠 안쪽에 Spacers를 추가 장착하여 양의 Scrub radius 설정으로 변경한 부분이다. 그럼에도 불구하고 조향 Geometry 모형의 부정확한 설계로 Scrub radius 영향을 제어에 충분히 반영하지 못하였다. 또한 특정 도로 곡률의 제한된 시나리오에서만 그 시스템의 유효성을 확인하였다.

기존 연구들에서 언급한 바와 같이 차량의 편 제동 기반 조향성은 Scrub radius 설계에 크게 기인하는 것을 확인하였다. Scrub radius는 일반적으로 개발되는 차량의 구동 목적에 따라 제조사에 의해 결정되어 설계된다. 예를 들어 RWD(Rear Wheel Drive) 방식이 주로 채택되는 Racing 목적 차량의 경우, 차량 가속 시 유리한 직진성 확보를 위해 전륜 Wheels을 Toe out 설계하고 이를 위해 양의 Scrub radius를 채택하는 경우가 있다. 반면에 양산 보급형 차량의 경우, 다음과 같은 차량 안정성 이유로 음의 Scrub radius로 설계하는 경우가 보편적이다. 일례로 X-split 유형의 제동 시스템에서 Circuit fail이 발생할 경우, 고장 난 Circuit은 제동이 되지 않으며, 남은 한쪽 Circuit으로만 제동력을 전달하는데, 이때 음의 Scrub radius로 설계된 경우에는 편 제동력이 인가된 반대 방향으로 Wheel angle이 회전하면서 차량의 직전성을 확보하게 된다. 이러한 현상은 Split 노면에서 차량의 직진성을 확보하기 위해 동일하게 적용된다.⁴⁾ 하지만 이처럼 편 제동시 Wheel angle이 Yaw 거동과 반대로 생성되는 메커니즘에서는 편 제동으로 발생한 Yaw 모멘트와 횡 이동거리가 상쇄되고, 본 연구에서 제안하는 조향성 확보를 목적으로 하는 편 제동 제어의 성능과 효율을 저하시키는 주요 요인이 될 수 있다.¹³⁾

더욱이 최근 Thyssenkrupp사의 발표⁶⁾에 따르면, SbW 시스템을 차량에 적용하면서 일반 주행에서 토크 스티어를 유발하는 인자인 Scrub radius를 전통적 섀시 설계 방법에서 벗어나 킹핀 앵글 제한으로 줄이는 방향도 제안되고 있으며, Active Front Steering(ASF)의 Capability를 위해 Positive scrub radius를 늘리고, Trail를 줄이는 방향 또한 주장되고 있다. 또한 4륜 독립 조향, In wheel motor 시스템이 적용된 자율 주행 차량에서 극단적인 양의 Scrub radius를 갖는 설계도 보고되고 있다. 이러한 동향을 반영하여 본 연구에서는 양과 음의 Scrub radius 설정을 모두 염두 하였으며, 본 개발 시스템에 유리한 구조를 채택하여 시스템 개발을 수행하였다.

본 연구에서는 SbW 시스템 고장 시(Free-rolling) 편 제동 제어를 통해 차량의 조향성(Steerability)을 확보하는 SbB 시스템 개발을 주요 목표로 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 본 시스템의 구성을 설명하고, 차량 동역학 모형을 기반으로 State- feedback 제어기를 3장에서 설계한다. 그리고 4장에서 시험 시나리오 설계, 시뮬레이션 및 실차 시험 평가를 수행하였다. 여기서 우선 Scrub radius 설정에 따라 편 제동 시 생성되는 전륜 휠의 조향성을 분석하였고, 제어에 유리한 설정을 선정하였다. 또한 실차와 시뮬레이션과의 괴리를 최소화하기 위해, 선 수행된 실차 타당성 시험 결과를 기반으로 시뮬레이션 정산(Calibration) 작업을 수행하였다. 마지막으로 결론을 5장에서 정리하였다.

본 연구의 SbB 시스템 구성 개념도는 Fig. 1과 같다. SbB 시스템은 SbW 시스템 내의 통신 고장으로 운전자의 Steering wheel의 조작 신호를 휠 조향 Actuator가 전달받지 못하는 문제가 발생되면 작동한다. 본 연구에서는 SbB 시스템 작동 시 모든 휠의 구동력(Traction force)은 가해지지 않도록 제한하였다. 또한 SbW 시스템 고장 시에도 운전자의 조향 조작 신호는 SbW의 Steering Feedback Actuator(SFA)에 장착된 Steering Wheel Angle Sensor(SAS)를 통해 정상적으로 계측된다고 가정하였다. 즉, 운전자의 SAS 조작량을 기반으로 Desired yaw rate φ˙des 제어목표가 생성된다. 더불어 추후 자율 주행 상황의 경우에는 운전자의 Steering wheel 조작은 차선을 유지하거나 변경이 요구되는 조향각 제어량으로 대체 할 수 있는 범용성을 갖도록 설계하였다.

Fig. 1 
Conceptual diagram of SbB system architecture

상위제어기에서는 제어목표와 차량상태와의 차이(Error)를 최소화하는 Desired differential force FDBdes 제어 입력을 State-feedback 제어를 통해 실시간으로 산정한다. 단, 이 값은 도로 노면 마찰, 경사 등 다른 외부 요인으로 인해 충분하지 못할 수 있다. 이러한 외부 영향을 제어에 반영하기 위해서 Compensated differential force FDBcom를 도출하고 이를 FDBdes에 보상하여 Final differential force FDBfinal 를 산정한다. 그러나 본 연구는 개발 초기 단계로 정상 노면 상태(0.9 이상 마찰계수)와 평지(0 경사)를 대상으로 하고있고, 외부 요인이 제어에 미치는 영향은 미비하다는 가정으로 외란 보상기 설계 내용은 본 논문에서는 생략하였다.

하위제어기에서는 상위제어기에서 도출한 FDBfinal 를 각 휠의 제동 토크로 변환하고, 각 제동 토크가 생성될 수 있도록, Integrated Dynamic Brake(IDB) 시스템이 제동 압력을 캘리퍼 엑추에이터로 분배한다. 안전을 대비하여 제어 중 휠 슬립이 발생하는 경우에는 IDB 내부의 ABS 및 ESC 로직이 수행될 수 있도록 설계하였다. 본 논문에서는 SbB 시스템의 상위제어기 설계에 초점을 두어 기술하였고, 하위제어기 부분은 제동 토크 및 압력 분배에 관한 내용만 간략히 언급하기로 한다.

본 연구에서 개발한 SbB 시스템은 SbW 시스템 고장으로 조향 불능 시 운전자 조향 조작 의지를 정도를 편 제동 제어를 통해 고장에 대응이 가능하다. 다양한 시나리오의 시스템 평가를 통해 조향 불능 상황에 충분히 대응 가능한 것을 확인하였다. 다만 본 연구는 시스템 양산 이전에 선행 개발한 수준으로 양의 Scrub radius 설정에서만 제어 유효성이 확보되는 결과를 보였지만, 본 연구를 초석으로 다양한 통합 섀시 제어 시도를 통해 양산되는 대부분 차량에 적용된 음의 Scrub radius 조향 시스템에서도 제어 유효성을 확보 할 수 있을 것으로 기대 할 수 있다. 예를 들어 SbW 시스템 고장 시 가변 서스펜션 제어와 통합하여 전륜 차고(King-pin 각)를 조절하면 음의 Scrub radius를 양으로 변화 시킬 수 있다. 더불어 Rear Wheel Steering(RWS) 시스템제어와의 통합, 구동력 추가 및 분배 방안을 적극 활용하면 음의 Scrub radius가 지닌 구조적 한계를 충분히 극복 가능 할 것으로 기대된다.

더욱이 최근 SbW 시스템이 적용되면서 전통적 섀시 설계 방법에서 벗어나 킹핀 앵글 제한으로 Scrub radius 영향을 줄이는 방향도 제안되고 있으며, Positive scrub radius를 늘리는 방향이 적극 주장되고 있다. 또한 4륜 독립 조향, In wheel motor 시스템이 적용된 자율 주행 차량에서 극단적인 양의 Scrub radius를 갖는 설계도 보고되고 있는 점으로 비추어 보았을 때, 본 연구에서 제시한 양의 Scrub radius 설정에서의 SbB 제어 방안은 유의미하다고 사료된다.

추후 연구로 우리는 SbW 시스템 실물을 장착하고, 칼만필터 기반 상태 추정 및 외란 보상, 관측기를 적용할 예정이며, 저 마찰 노면, 경사로 등과 같은 다양한 상황의 실차 시험 검증을 수행하여 양산 수준의 시스템 성능을 확보할 계획이다.