Rear-Wheel Steering Control for Vehicle Maneuverability and Lateral Stability without Tire-Road Information

Abstract

Active steering systems have been developed over the past few decades to improve vehicle handling performance. Through the development from the previous mechanical system to the enhanced electronic control system, the rear-wheel steering (RWS) system, which can significantly improve the maneuverability and stability, has recently come into the spotlight. Steering the rear wheels offers control of rear lateral tire forces, and RWS systems offer great advantages in various maneuvers. At low speeds, RWS is controlled in the opposite direction to the front-wheels for increasing the vehicle maneuverability and agility. At high speeds, RWS is controlled in the same direction to the front-wheels for improved vehicle lateral stability. The most widely used control technique is the model-based controller to track the desired motion of reference models. However, the performance can deteriorate if the information on tires and vehicle models are not accurate. This paper presents a rear-wheel steering control algorithm to enhance vehicle handling performance without prior knowledge of tire characteristics. RWS system is a chassis control module that can effectively improve vehicle maneuverability and lateral stability. Since the tire-road friction coefficient is difficult to obtain in real world application, the proposed RWS control algorithm is designed so that it can be implemented without any tire-road information. The proposed RWS control algorithm consists of steady-state and transient control inputs. The steady-state control input is proportional to the drivers steering input for achieving the desired yaw rate gain. The desired yaw rate gain is obtained through an offline numerical optimization that is aimed to minimize the vehicle sideslip angle, which is evaluated the most effective active steering system in terms of handling performance and actuator cost. The transient control input consists of feedforward and feedback control inputs. The feedforward input is designed to improve transient responses of the yaw rate and lateral acceleration. Computer simulation studies have shown that a trade-off relationship between overshoot and response time exists when the RWS control input is a sum of the steady-state and feedforward inputs. To compromise this conflict, a feedback input has been designed. The overshoot can be significantly reduced while the response time is slightly changed via the feedback input. The proposed algorithm has been investigated via computer simulations. The simulation has been conducted for step steer and sine with dwell scenarios under various road friction conditions. The performance of RWS vehicle was evaluated using objective indices. Simulation results of the step steer scenario show that the proposed algorithm enhances vehicle handling performance and emulates the performance of the optimal control. It is also validated that the proposed RWS algorithm, which is tuned based on the optimal control of step steer, enhances vehicle lateral stability in the sine with dwell test scenario under low friction road condition.

후륜조향 시스템은 차량의 핸들링 성능과 안정성 향상을 목표로 지난 몇 십년간 개발되었다. 후륜의 직접적인 조향을 통해 후방 타이어의 횡력에 영향을 주며, 이는 차량의 도심주행 상황과 고속도로 주행 상황에서 모두 이점을 가져다준다. 좁은 골목과 같은 도심 주행 상황에서는 전륜과 반대방향으로 후륜조향을 입력함으로써 차량을 보다 민첩한 거동이 가능하게 한다. 고속도로 주행 상황에서는 전륜과 같은 방향으로 후륜조향을 입력함으로써 차량의 횡방향 안정성을 향상시킨다. 후륜조향 시스템은 목표 거동을 추종하기 위한 모델 기반 제어로 설계되는 것이 일반적이다. 하지만, 실제 차량 적용에 있어서 타이어 모델에 필요한 타이어-노면 마찰 계수와 강성 계수를 정확히 알아내는 것은 어려운 일이다. 위와 같은 이유로, 본 논문에서는 어떠한 타이어-노면 정보도 사용하지 않고 측정 가능한 센서 신호만을 이용하여 설계된 후륜조향 제어 알고리즘을 제안한다. 먼저 3D 차량 모델에 대한 오프라인 수치 최적화를 진행함으로써, 후륜조향 시스템이 탑재된 차량의 횡거동을 분석하고 물리적 통찰력을 얻는다. 이렇게 얻어진 최적화 결과를 매개변수화하여 제어에 직접적으로 반영하였다. 제안된 후륜조향 제어 알고리즘은 정상상태영역과 과도영역에서의 핸들링 특성을 향상시키는데 목적을 둔 제어 입력의 합으로써 설계되었다. 우선, 정상상태 영역에서의 후륜조향 제어 입력은 목표 요레이트 게인을 얻기 위해 운전자의 조향 입력에 비례하는 형태로 설계되었다. 목표 요레이트 게인은 오프라인 최적화를 통해 얻어진 차량의 요레이트 반응이다. 저속에서는 전륜조향과 반대 방향으로 조향됨으로써 요레이트 게인을 증가시켜 차량 민첩성을 향상시킨다. 고속에서는 전륜 조향과 같은 방향으로 조햠됨으로써 요레이트 게인을 감소시켜 차량의 안정성을 향상시킨다. 과도 영역에서의 후륜조향 제어 입력은 타이어 관한 어떠한 사전 정보를 요구하지 않고 차량의 횡방향 과도 반응을 조정할 수 있도록 설계되었다. 그러한 과도 제어 입력을 설계하기 위해, 타이어 모델 파라미터를 대체하여 과도 반응을 조정할 수 있는 새로운 설계 파라미터를 고안하여 피드포워드 제어 입력을 설계하였다. 이와 함께, 요레이트의 오버슈트와 반응 시간이 가지는 트레이드 오프 관계를 보완하기 위해 요레이트 댐핑 계수를 높여주는 효과를 가지는 피드백 제어 입력을 추가 고안함으로써 최종 후륜조향 제어 알고리즘을 구성하였다. 제안된 후륜조향 제어 알고리즘의 성능은 다양한 시나리오에서 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 운전자의 의도가 개입되지 않는 상황에서의 차량 성능을 정량화하여 비교하기 위해 ISO에 기반한 개루프 조향 시나리오를 사용한 시뮬레이션이 수행되었다. 제어 성능의 정량화를 위한 객관적 지표를 선정하여, 오프라인 최적화 결과와 비교를 통해 성능 평가가 이루어졌으며 타이어-노면 마찰과 관련한 계수 정보없이 최적 성능을 잘 모방할 수 있음을 확인하였다. 또한, 차량 안정성 확인을 위해 저마찰로에서 동일한 조건의 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해, 제안된 후륜조향 제어 알고리즘이 타이어 모델 정보없이 기존의 제어 알고리즘에 비해 차량 횡방향 안정성과 조종성을 향상시킬 수 있는 실용적인 방법임이 검증되었다.