Steering Mechanism

Hyungseop Lee·2023년 5월 26일

[INU, 3-1] 센서공학

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6 DOF

Longitudinal : Acceleration / Deceleration (종방향 제어)
➡️ $a_x$ : 가속도
Lateral : Handling, Maneuvering Stability (횡방향 제어)
➡️ $a_y$
Vertical : Ride
➡️ $a_z$ : Tire Pressure, Suspension

위의 $a_x$ (종방향), $a_y$ (횡방향), $a_z$ 에 대한 제어까지 더욱 해결되어야
진정한 자율주행이 될 수 있을 것이다.
➡️ Autonomous Ride Quality Control (ARQC)

차량의 치수

축거 (Wheel Base)
- 전륜 후륜의 중심간 수평거리
- 축거가 길면, 승차감 향상, 회전반경 커짐
Front Overhang : 전륜으로부터 앞으로 튀어나간 길이
Rear Overhang : 후륜으로부터 앞으로 튀어나간 길이
전장(Length == Overall Length)
- Overall Length = Wheel Base + Front Overhang + Rear Overhang
윤거(Tread) : 좌우 타이어 접지면의 중심간 수평거리
전폭 (Overall Width)
전고 (Height == Overall Height)
최저지상고 (Ground Clearance)

차량의 구동방식

FF 전륜구동 : Front engine - Front wheel drive
FR 후륜구동 : Front engine - Rear wheel drive
AWD 4륜구동 : All Wheel Drive
RR : Rear engine - Rear wheel drive
MR : Mid engine - Rear wheel drive

Steering System

Steering System (조향장치) : 차량의 횡방향 조종 장치
Rack & Pinion이 Steering Wheel의 회전운동을 직선운동으로 전환

MDPS == EPS

MDPS : Motor Driven Power Steering
EPS : Electric Power Steering

MDPS == EPS
- Encoder가 달려 있어서 작은 힘으로 motor가 구동되어 운전대가 잘 돌아가도록 한다.
- 운전자의 Steering Wheel 의지(방향, 크기, 속도 등)를 감지하여 보조

Steering Effort(운전자의 torque) = Load Torque(요구되는 torque) - Assisted Torque(MDPS 발생 torque)
- 차의 속도가 빠르면, 양력이 높아짐. 따라서 Assisted Torque를 감소시킴.
- 따라서 차량의 속도 별로 Assisted Torque를 정의해놓은 Lookup Table이 존재한다.

C-MDPS & R-MDPS

C-MDPS : Column(기둥)에 Motor가 붙어있는 MDPS Type
R-MDPS : Rack에 Motor가 붙어있는 MDPS Type

Understeer & Oversteer

바퀴, C-MDPS Type 등의 문제로 Steering에 문제가 발생하는 상황.
Under Steer : 제대로 못 꺾임
Over Steer : 많이 꺾임
$f_c = m*\frac{v^2}{r}$ : 원심력
➡️ corner에서 v(속도)를 줄이는게 가장 안전하다.

ESP(Electronic Stability Program)

ESP : Electronic Stability Program.
차량의 주행 조건 및 노면의 상태에 따라 4륜과 엔진 제어를 통해
운전자의 차량 주행방향 이탈 또는 눈길 또는 차량 선회 시 긴급 제동 상황에서
주행 방향을 자동으로 제어하고 차량의 제어를 안정적으로 유지시켜 주어 차량의 안정성을 향상시켜 주는 기술
➡️ IMU Sensor를 통해 읽어서 ESP 기술 가능.
- 우회전 Over Steer 상황에서 왼쪽 앞바퀴에 브레이크를 잡아줌으로써 Over Steer 극복하도록
- 우회전 Under Steer 상황에서 오른쪽 뒷바퀴에 브레이크를 잡아줌으로써 Under Steer 극복하록

Steady-State Cornering

Steady-State Cornering(정상상태 선회) : 속도 일정, 각도 일정한 상태에서 Cornering
steaty-state에서의 선회 성능의 척도 : Understeer gradient
- 차량 자체의 특성 : Open-Loop System

Low-Speed Turning

Steady-State Cornering에서 Low-Speed Turning을 대입.
Low-Speed Turning을 고려하는 이유
- 고속으로 선회하면, slip(미끄러짐)이 발생하기 때문.
- slip이 발생하면, 바퀴가 회전한만큼( $2\pi R$ )의 거리가 가지지 않는다.
- 저속으로 선회하면, slip현상이 발생하지 않기 때문에 정확히 바퀴가 회전한만큼 거리의 이동이 발생한다.

Ackerman Geometry & off-tracking distnace

L : wheel base
t : track (윤거)
R : Turning radius
➡️ Ackerman Angle : L, t, R이 주어진 상황에서 선회 시의 평균 Steering Angle
➡️ off-tracking distnace : 앞바퀴의 회전 궤적과 뒷바퀴의 회전궤적 차이로서 발생

Ackerman Angle( $\delta$ )과 off-tracking distance(후륜의 이탈궤적)( $\Delta$ ) 다음과 같이 유도한다.
- Ackerman Angle : $\delta = \frac{L}{R}$
- off-tracking distacne : $\Delta = R(1-cos(\delta))$
  ➡️ 특히 wheelbase(L)이 큰 버스, 트럭에서 중요.