Artificial Steering Model based Haptic Control of Steer by Wire System with Tire-Road Condition Parameter Update

Abstract

With the development of autonomous driving technology, many vehicle manufacturers are developing steering systems suitable for autonomous driving. Until recently, Electric-Power-Steering Systems (EPS) has been used because of its advantages of lower weight and lower energy consumption than Hydraulic Power Steering systems (HPS). However, since both steering systems are connected by mechanical linkages, these systems are not suitable for implementing autonomous driving technology. The continuous mechanical linkage has been eliminated in Steer-by-wire (SBW) vehicles using X-by-wire technology to the steering system. The SBW system improves convenience and safety when implementing autonomous driving technology by operating the rack system and steering system independently. Strategies for fail-safe are required to ensure the stability of the overall system. Various studies have been conducted to develop the SBW system. The studies of the SBW system are largely divided into three areas: artificial steering feel generation of steering wheel system, rack position tracking, system fail safe. In SBW system, since there is no mechanical linkage, the steering reaction torque is not transmitted from the tire, so the artificial steering feel should be generated. Also, the position of the tire should be controlled according to the steering input applied by the driver. This dissertation focused on designing a haptic control algorithm to render artificial steering feel. An angle sensor was installed in the steering wheel system to generate artificial steering feel based on the steering wheel angle. Using the vehicle states and the steering states estimated through the measured steering wheel angle, the artificial steering feel was designed. The parameters of the rack system were estimated to transmit the road surface information to the driver. This online parameter estimation of rack system lateral load model was used to update the designed artificial steering feel. However, there are some cases in which the steering wheel system becomes unstable due to sensor quantization and sampling rate. Unintentional behavior such as limit cycles occur in unstable rendering models. Through passivity analysis, the passivity of the rendering model which is the artificial steering feel was determined. When the passivity condition is satisfied, the parameters have been updated to transmit road surface information to the driver. The proposed haptic control algorithm was evaluated by conducting computer simulation and vehicle test under various steering conditions and road surface conditions. The proposed passivity conditions were also validated by computer simulation. The test results show that the performances of haptic rendering were successfully achieved by the proposed haptic control algorithm

본 논문은 스티어 바이 와이어 (SBW) 시스템에서 조향감 재현을 하기 위한 햅틱 제어 알고리즘의 개발을 중점으로 한다. 이 연구에서는 조향각 센서의 양자화, 샘플링 주파수를 고려하여 안정적인 렌더링 성능을 확보하는 것을 목표로 한다. 햅틱 제어 알고리즘은 다음 세단계로 구성된다. 가상의 스티어링 모델과 랙 시스템에서의 횡하중 모델 기반 파라미터 추정 알고리즘, 수동성 조건 기반 파라미터 업데이트 알고리즘을 제안한다. 가상의 스티어링 모델은 주행 영역과 정차 영역을 분리하여 개발한다. 주행 영역에 경우 다양한 단조증가 함수를 정의하여 스티어링 시스템을 모델링하였다. 정현파(Weave Test) 및 등속 스티어링(Transition Test) 입력 시험에서 정의된 목표 토크를 만족시킬 수 있도록 최적화를 수행한다. 정차 영역에 경우 차량 실험 데이터 기반으로 다이나믹스를 역으로 설계하였다. 노면 정보를 운전자에게 전달하기 위하여 타이어 횡력 분석을 기반으로 한 횡하중 모델을 가정하였다. 칼만 필터 기반으로 횡하중 모델의 파라미터를 추정하였고 이를 통해 낮은 주파수의 노면 정보 변화를 간접적으로 추정하는 알고리즘을 제안하고자 한다. 안정적인 조향감 재현을 위하여 에너지 분석을 통해 수동성 조건을 도출되었다. 수동성 조건을 만족하면 시스템이 에너지를 항상 소모하기 때문에 불안정한 움직임이나 극한 주기 궤도가 발생하지 않는다. 이러한 수동성 조건을 기반으로 파라미터 업데이트 알고리즘을 설계하여 가상의 스티어링 모델이 실시간으로 변하더라도 안정적인 조향감 재현 성능을 확보하였다. 제안된 햅틱 제어 알고리즘의 성능은 다양한 조향 조건 및 도로 조건에서 시뮬레이션과 실차 실험을 수행하여 평가되었다. 도로 조건의 변화를 반영하여 안정적인 조향감 재현 성능을 확인하였고 기존의 조향감 재현 알고리즘들과 비교하여 높은 주파수의 이질감이 감소한 것을 확인하였다.