Steering Feel and Rack Position Control of Steer By Wire System

Abstract

Steer by Wire (SBW) system is next generation steering apparatus for autonomous vehicle that it has no mechanical link between steering column and tire steering gearbox, the inner space of vehicle can be extended and utilized as the living room. SBW System is generally divided into two main parts, one is the steering reaction force control system and the other one is the rack position control system. Because of disconnection between column and gearbox, steering information like steering angle should be transmitted by electrical signal, and road and tire condition have no effect on steering system. So it needs to generate resistive torque for the driver to make appropriate steering feel like conventional power steering system which generates assist torque to the driver. The resistive torque can be obtained by setting reference torque based on measured data composed of 4-dimension which are steering angle, angular velocity and vehicle speed. It can be designed using system parameters and dynamics and set by optimization of tuning parameters. In terms of rack system, it is important that has to be controlled to precise position. SBW gearbox is generally high friction system which the nonlinearity is high that it is hard to control with linear system. And the road has various conditions so the force from tire changes continuously. This paper proposes methodology about steering reaction and rack position control using sliding mode control and the disturbance observer to compensate uncertainty caused by road conditions. And it also suggested the system performance results evaluated by hardware in the loop system(HILS).

본 연구는 자율주행 차량에 적용이 요구되는 조향 신기술인 스티어 바이 와이어 시스템의 조향감을 생성하는 방법론 및 추종 알고리즘 그리고 차량의 모션을 제어하기 위한 랙 시스템의 위치 제어기법을 제안한다. 조향감을 생성하기 위해 차량의 데이터를 기반으로 하여 목표로 하는 조향감을 결정하고, 수식화된 조향감 모델을 구성하여 최적화 과정을 통해 목표 조향감을 생성해낸다. 이때 사용되는 각속도는 조향각 신호를 활용하여 칼만필터를 통해 계산되어 지며 목표 조향감을 조향각, 각속도, 차속에 대한 조향토크를 4차원 형태로 나타낼 수 있다. 목표 조향감을 임피던스 모델을 활용하여 목표 각속도 값을 도출하였으며 슬라이딩 모드 컨트롤 기법을 활용하여 모터 토크를 제어하였다. 차량의 모션을 결정하는 랙 시스템 모듈의 경우 차량의 노면조건, 부품의 마찰 특성에 따라 시스템 특성이 변화한다. 따라서 정확한 위치제어를 위해 기준 차량 조건에서의 시스템 파라메터 값을 Adaptation 기법을 활용하여 설정하였으며, 노면 조건에 의한 외란을 보상하기 위해 외란 추정기 (Disturbance Observer)를 활용하여 위치 제어 성능을 강건하게 확보 할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘을 검증하기 위해 Hardware In the Loop System(HILS)을 구성하였으며, 각 모듈 부품, 모터를 제어하기 위한 Autobox, 차량의 모션을 구현하기 위한 차량 모델과 모델에서부터 계산된 타이어 힘을 구현할 수 있는 유압식 액츄에이터로 구성이 되며, 실차와 유사한 HILS 환경에서 목표로 하는 조향감과 위치 제어 성능 검증 결과를 제시한다.