Adaptive Sliding Mode Control of Steer-by-wire Rack System and Side slip angle Control

Abstract

Many researchers have been engrossed in the development of a next generation steering system, the steer-by-wire system. The SBW system eliminates the mechanical linkage between the existing handle and the front steering wheel and directly controls the rack position. With the SBW system, front tires can be controlled through the rack movement. The advantages of the SBW system are that it can create the desired steering feel through electronic actuators and can also create the desired vehicle responses by directly controlling the movement of the front wheels via the rack system. A vehicle stability can be improved for SBW equipped vehicle through active front steering. In addition to improving vehicle stability, the SBW can also improve vehicle maneuverability such as fast response of the vehicle compared to the conventional mechanical steering system. Therefore, accurate steering tracking control of SBW system in various driving situation is important. For this reason, this dissertation focuses on developing an adaptive sliding mode control of an SBW system to guarantee rack position tracking performance in various driving situations. The proposed control algorithm was developed using only motor position sensors without information on tire/road friction. A stiffness parameter adaptation law was designed to compensate for disturbances in the SBW rack system. It is demonstrated that the proposed adaptation algorithm provides good tracking performance without using an additional gain tuning approach under various road conditions. Moreover, in the proposed algorithm, a dynamic stiffness model has been developed to improve rack position tracking performance under a zero vehicle speed scenario. In a dynamic stiffness model, the stiffness center is not fixed but changes depending on the actual rack position. In the event than an SBW vehicle is parking, it is important to ensure rack position tracking performance at low and zero vehicle speeds. In addition, the chassis control was proposed to improve vehicle stability based on active front steering (AFS) control using the developed SBW vehicle. Since the SBW vehicle is a system that directly controls the rack position of the vehicle, the AFS function of the conventional mechanical vehicle is included. A stability control design is proposed to prevent the vehicle from slipping on low-friction road surface condition. A parameter adaptation occurs according to the condition of the road surface, and a method of using this information for vehicle stability control has been proposed. Computer simulations and vehicle tests were performed under various driving situations to test the steering tracking performance and slip angle control of the proposed algorithm. The results demonstrate that the proposed control algorithm ensures steering tracking performance and reduce the side slip angle on dry asphalt and wet road conditions. In addition, it can be confirmed that steering tracking performance has been obtained even in region where front tires are completely saturated on low-friction road surface.

많은 연구자들이 차세대 스티어링 시스템인 Steer-by-wire (SBW) 시스템 개발을 진행하고 있다. SBW 시스템은 기존 조향 핸들과 바퀴 사이의 기계적 연결을 제거하고 랙 시스템을 직접 제어하는 방식이다. SBW 시스템의 장점은 모터를 통해 임의의 조향감을 만들 수 있으며 랙 시스템의 직접제어를 통해 원하는 차량 반응을 생성할 수 있다는 것이다. 또한 액티브 스티어링 방식을 통해 차량의 안정성을 향상시킬 수 있으며 기존의 기계식 스티어링 시스템에 비해 차량의 빠른 응답성과 같은 차량 기동성을 향상시킬 수 있다. 따라서 다양한 주행 상황에서 SBW 시스템의 정확한 랙 위치 제어 성능을 확보하는 것이 중요하다. 이러한 이유로 본 논문은 랙 위치 제어 성능을 다양한 주행상황에서 확보하기 위해 적응형 슬라이딩 모드 제어기를 개발하는 데 중점을 두고 있다. 제안된 알고리즘은 타이어, 도로 마찰 정보를 사용하지 않고도 랙 제어가 가능하다는 장점이 있다. 주행 중 도로로부터 차량에 가해지는 외란을 보상하기 위해 파라미터 적응 법칙이 설계되었다. 제안된 알고리즘은 다양한 도로 조건에서 추가적인 제어 게인 튜닝을 사용하지 않고도 우수한 성능을 보장한다. 또한 차량이 정차 중인 상황에서도 랙 제어 성능을 확보하기 위해 동적 강성 모델이 개발되었다. 동적 강성모델에서는 강성 중심이 고정되어 있지 않고 현재 랙 위치에 따라 변경된다. 이는 SBW 차량이 주차를 하는 시나리오 또는 U-Turn을 하는 경우와 같이 차량 속도가 매우 낮은 경우에 적용될 수 있다. 본 논문에서는 개발된 SBW 시스템을 사용하여 active steering을 활용한 차량 안정성을 향상시키는 알고리즘이 추가로 제안되었다. 저 마찰 도로 상태에서 차량의 미끄러지는 것을 방지하기 위해 횡 슬립각을 줄이는 방식의 안정성 제어기가 제안되었다. 랙 시스템을 제어하는 과정에서 노면 상태에 따라 파라미터 업데이트가 이루어지며, 이 정보를 차량 안정성 제어에 활용하는 방법이 고안되었다. 제안된 랙 위치 제어 성능과 슬립 각 제어 성능을 테스트하기 위해 다양한 주행상황에서 컴퓨터 시뮬레이션과 Hardware-in-the-loop 시뮬레이션 및 실차 시험을 수행하였다. 결과는 제안된 알고리즘이 다양한 도로 조건에서 랙 위치 성능을 보장하며 횡 슬립각도를 효과적으로 줄이는 것을 보여준다.