KR20170035142A - Apparatus and method for estimating position of vehicle using nonlinear tire model - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 명세서의 실시 예에 따른 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치는 차량의 상태 정보를 획득하는 정보 획득부; 차량의 GPS 위치를 측정하는 위치 측정부; 및 상기 획득된 차량의 상태 정보와 상기 측정된 차량의 GPS 위치를 타이어별 슬립각이 반영된 비선형 타이어 모델에 적용하여 차량의 위치를 추정하는 차량 위치 추정부를 포함한다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model, and more particularly, to an apparatus for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model according to an embodiment of the present invention. A position measuring unit for measuring a GPS position of the vehicle; And a vehicle position estimator for estimating a position of the vehicle by applying the obtained state information of the vehicle and the GPS position of the measured vehicle to a nonlinear tire model reflecting the slip angle of each tire.
Description
본 명세서는 차량의 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating a position of a vehicle, and more particularly to an apparatus and method for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model.
최근, 운전자의 편의성과 안정성을 향상시키기 위한 운전자 보조 시스템(ADAS, Advanced Driver Assistance System)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 시스템을 안정적으로 구동하기 위해서는 정확한 차량의 위치정보를 제공해 주는 기술이 필요하다.In recent years, research has been actively conducted on an ADAS (Advanced Driver Assistance System) for improving the convenience and stability of a driver. In order to operate such a system stably, it is necessary to provide a technique for providing accurate vehicle position information.
일반적으로 차량의 위치정보는 GPS(Global Positioning System)에 의존하고 있다. 하지만, GPS는 위성신호를 사용하기 때문에 주변환경에 의한 위치정보의 신뢰성이 떨어지는 한계점을 갖고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 차량 내부의 센서정보와 융합하는 정보융합기술이 많이 연구되고 있다.Generally, the position information of a vehicle depends on a GPS (Global Positioning System). However, since GPS uses satellite signals, the reliability of location information due to the surrounding environment is low. In order to overcome these limitations, information convergence technology that fuses with sensor information in the vehicle has been studied extensively.
추측항법(DR, Dead Reckoning) 기법은 차량에 관성 측정 유닛(IMU, Inertial Measurement Unit)과 GPS 위치정보를 융합하는 방법이다. DR 기법은 연속적으로 정확한 위치정보를 얻을 수 있는 장점이 있지만, 시간에 따라 IMU의 적분 오차가 누적되는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 모델기반의 위치 정보융합(Sensor fusion) 알고리즘이 사용되고 있다. 특히, 베이시안 필터(Bayesian filter)를 기반으로 하는, 비선형 모델도 바로 적용할 수 있는 확장 칼만 필터(EKF, Ex-tended Kalman Filter)가 널리 사용되고 있다.Dead Reckoning (DR) is a method of integrating the Inertial Measurement Unit (IMU) and GPS position information into the vehicle. The DR method has an advantage of obtaining accurate position information continuously, but there is a limit that accumulation error of IMU accumulates with time. In order to overcome these limitations, a model-based sensor fusion algorithm is used. Particularly, an extended Kalman filter (EKF) based on a Bayesian filter and capable of directly applying a nonlinear model is widely used.
한편, 높은 위치 정확도를 얻기 위해서는 융합 알고리즘도 중요하지만, 차량의 모델 선정도 중요하다. 위치 추정을 위한 차량 모델로는 키너매틱(kinematic) 모델과 동역학(dynamic) 모델이 많이 사용되고 있다. 키너매틱 모델은 차량의 타이어 슬립을 고려하지 않은 간단한 모델로서, 저속 주행 조건(low-speed driving condition)에 사용이 적합하다. 반면, 동역학 모델은 차량의 타이어 슬립을 고려한 복잡한 모델로 고속 주행 조건(high-speed driving condition)에 사용이 적합하다.On the other hand, in order to obtain high position accuracy, the fusion algorithm is important, but the model selection of the vehicle is also important. Kinematic and dynamic models are widely used as vehicle models for position estimation. The kinematic model is a simple model that does not consider the vehicle's tire slip and is suitable for use in low-speed driving conditions. On the other hand, the dynamics model is a complicated model considering the tire slip of a vehicle and is suitable for use in a high-speed driving condition.
차량의 위치를 추정하는 동역학 모델로는 주로 바이시클(bicycle) 모델을 사용하여 연구가 진행되어 왔다. 바이시클 모델은 2개 바퀴인 이륜차로 근사화시킨 모델로써, 휠 각(wheel angle)은 차량의 좌측, 우측 앞바퀴 휠 각의 평균값으로 근사화하고, 앞바퀴 힘은 좌측, 우측 앞바퀴 힘의 평균값으로 근사화하고, 뒷바퀴 힘도 좌측, 우측 뒷바퀴 힘의 평균값으로 근사화한다. 이 모델은 4휠 차량 모델(FWVM, Four wheel vehicle model)보다 간단하게 표현되어 연산 속도에 강점을 갖지만, 각 타이어의 슬립각을 반영하지 못하는 한계를 갖는다. 그로 인해 위치 오차가 발생하는 것을 알 수 있다.A bicycle model has been used as a dynamic model for estimating the position of a vehicle. The bicycle model is a model approximated by a two-wheeled two-wheeled vehicle, in which the wheel angle is approximated to the average value of the left and right front wheel angles of the vehicle, the front wheel force is approximated to the average value of the left and right front wheel forces, The force is approximated by the average of the left and right rear wheel forces. This model is expressed more simply than the four wheel vehicle model (FWVM), and has a limitation in not reflecting the slip angle of each tire although it is advantageous in operation speed. It can be seen that the position error occurs.
또한, 작은 슬립각 상태(small slip angle) 상태로 근사화한 타이어 모델(tire model)을 주로 사용하고 있다. 이 모델을 적용한 차량 동역학 모델(vehicle dynamic model)은 큰 타이어 슬립각(large tire slip angle)인 상태에서 위치 오차가 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 큰 타이어 슬립각 상태에서도 사용 가능한 타이어 모델 선정이 필요한 상황이다. 비선형성이 강한 타이어는 경험적 방법(empirical method)을 통해 모델링하며, 다양한 타이어 모델이 제안되고 있다. 이러한 비선형 타이어 모델을 이용하여 단지 차량의 속도, 가속도, 슬립각 등에 대한 특성 해석만에만 이용되고 있다.Also, a tire model approximated to a small slip angle state is mainly used. The vehicle dynamic model using this model shows a large position error in a state of a large tire slip angle. Therefore, it is necessary to select a tire model that can be used even in a large tire slip angle state. Tires with high nonlinearity are modeled through empirical methods, and various tire models are proposed. This nonlinear tire model is used only for the characterization of the vehicle speed, acceleration, and slip angle.
상기와 같이, 종래의 차량 위치 추정 시스템은 고가의 관성 센서(IMU, Inertial Measurement Unit)와 고가의 DGPS(Differential Global Position System)를 사용하여 추측항법(DR, Dead Reckoning) 알고리즘을 이용하기 때문에, 고가의 관성 센서와 고가의 DGPS가 필수적으로 요구된다. 예를 들어, 위치 오차가 3m 이내인 고정밀의 DGPS가 사용되는 경우에만 정확도가 높아지게 된다.As described above, the conventional vehicle position estimation system uses a dead reckoning (DR) algorithm using an expensive inertial sensor (IMU) and an expensive DGPS (Differential Global Position System) Inertial sensors and expensive DGPS are essential. For example, accuracy only increases when high precision DGPS with a position error of less than 3 m is used.
종래의 차량 위치 추정 시스템은 차량 모델 기반의 정보융합 알고리즘을 사용하고 있지만, 이륜차(Bicycle) 모델로 근사한 모델만을 사용함으로써 정확도가 떨어지게 된다.The conventional vehicle position estimation system uses an information fusion algorithm based on a vehicle model, but accuracy is degraded by using only a model approximated to a bicycle model.
또한, 종래의 차량 위치 추정 시스템에서는 비선형성이 강한 타이어 및 도로의 미끄러짐(slip)을 간단하게 근사화시킨 선형모델을 사용하기 때문에 고속 및 과격한 코너링인 주행 상황일 경우 위치오차가 커지게 된다. 일례로, 이러한 종래의 차량 위치 추정 시스템에서의 위치 오차가 평균 3m 이상이 발생하게 된다.In addition, since the conventional vehicle position estimation system uses a linear model in which the nonlinearity of the tire and the slip of the road are simply approximated, the position error becomes large when the vehicle is traveling at a high speed and a severe cornering. For example, the position error in this conventional vehicle position estimation system is more than 3 m on average.
본 명세서의 실시 예들은 차량의 상태 정보와 차량의 GPS 위치를 비선형 타이어 모델이 적용된 4휠 차량 모델(FWVM)을 적용하여 차량의 위치를 추정함으로써, 큰 슬립 각이 발생하는 고속 주행 또는 코너링 상태에서도 높은 정확도의 위치를 추정할 수 있는, 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.The embodiments of the present invention estimate the position of the vehicle by applying the vehicle state information and the GPS position of the vehicle to the four wheel vehicle model (FWVM) to which the nonlinear tire model is applied, so that even in a high speed running or cornering state in which a large slip angle occurs An apparatus and method for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model capable of estimating a position with a high accuracy.
구체적으로 살펴보면, 본 명세서의 실시 예들은 이륜차(Bicycle) 모델이 아닌 각 바퀴의 힘을 고려한 4휠 차량 모델(Four Wheel Vehicle Model)를 이용함으로써, 위치 추정의 위치 정밀도를 높일 수 있는, 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.Specifically, in the embodiments of the present invention, a four-wheel vehicle model that considers the forces of each wheel, rather than a bicycle model, And a method of estimating a position of a vehicle using the method.
본 명세서의 실시 예들은 타이어 및 도로의 미끄러짐(slip)이 모델링된 비선형 모델(예컨대, 더그오프(Dugoff model))을 이용함으로써, 타이어 및 도로의 미끄러짐(slip)을 정확하게 고려하여 타이어별 종 및 횡 방향의 힘을 정확하게 계산할 수 있는, 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present disclosure use a nonlinear model (e.g., a Dugoff model) in which the slip of tires and roads is modeled to accurately estimate the slip of tires and roads, The present invention provides an apparatus and method for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model that can accurately calculate a direction force of a vehicle.
본 명세서의 실시 예들은 차량에 기본적으로 설치되어 있는 각종 모듈(예컨대, ABS(Anti-lock Brake System), ESC(Electronic Stability Control), EPS(Electric Power Steering))로부터 각 바퀴의 속도, 차량속도 및 가속도, 핸들 각도 등의 차량의 상태 정보들을 차량의 기본 통신망(예컨대, CAN(Controller Area Network) 버스)를 통해 획득하여 위치 추정에 이용함으로써, 추가적인 장치나 부품의 설치 없이도 차량의 위치를 정확하게 추정할 수 있는, 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention are based on the assumption that the speed of each wheel, the vehicle speed and the speed of each wheel from various modules (for example, anti-lock brake system (ABS), electronic stability control (ESC) The position of the vehicle can be accurately estimated without acquiring additional devices or components by acquiring the state information of the vehicle such as acceleration, steering angle, and the like through the basic communication network (e.g., CAN (Controller Area Network) bus) An apparatus and method for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model.
본 명세서의 실시 예들은 각종 차량의 상태 정보와 비선형 타이어 모델이 적용된 4휠 차량 모델(FWVM)을 확률적으로 융합하는 확장형 칼만 필터(EKF, Extended Kalman Filter)를 이용함으로써, 고정밀의 DGPS에 비해 위치 오차가 큰 GPS(예컨대, 위치 오차 10m)를 이용하더라도 정확하게 차량의 위치를 추정할 수 있는, 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention use an extended Kalman filter (EKF) that stochastically fuses the state information of various vehicles and the four-wheel vehicle model (FWVM) to which the non-linear tire model is applied, An apparatus and method for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model capable of accurately estimating a position of a vehicle even if a GPS having a large error (for example, a position error of 10 m) is used.
본 명세서의 제1 측면에 따르면, 차량의 상태 정보를 획득하는 정보 획득부; 차량의 GPS 위치를 측정하는 위치 측정부; 및 상기 획득된 차량의 상태 정보와 상기 측정된 차량의 GPS 위치를 타이어별 슬립각이 반영된 비선형 타이어 모델에 적용하여 차량의 위치를 추정하는 차량 위치 추정부를 포함하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치가 제공될 수 있다.According to a first aspect of the present invention, there is provided an information processing apparatus comprising: an information obtaining unit obtaining state information of a vehicle; A position measuring unit for measuring a GPS position of the vehicle; And a vehicle position estimator for estimating a position of the vehicle by applying the obtained state information of the vehicle and the GPS position of the measured vehicle to a nonlinear tire model reflecting a slip angle of each tire, A device may be provided.
상기 정보 획득부는 차량 내부에서 설치된 센서들로부터 종 및 횡 방향의 가속도, 요 레이트, 각 바퀴의 휠속도 및 조향각을 차량의 상태 정보로 획득할 수 있다.The information obtaining unit may obtain the acceleration in the longitudinal and lateral directions, the yaw rate, the wheel speed of each wheel, and the steering angle from the sensors installed in the vehicle as the state information of the vehicle.
상기 차량 위치 추정부는 상기 획득된 차량의 상태 정보를 이용하여 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각을 계산하는 슬립각 계산부; 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 타이어별 수직 항력을 계산하는 수직 항력 계산부; 상기 계산된 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각과 상기 타이어별 수직 항력을 타이어별 슬립각이 반영된 비선형 타이어 모델에 적용하여 각 타이어의 종 및 횡 방향의 힘을 계산하는 힘 계산부; 및 상기 계산된 각 타이어의 종 및 횡 방향의 힘을 타이어별 힘이 반영된 4휠 차량 모델(FWVM: Four Wheel Vehicle Model)에 적용하여 차량의 위치를 추정하는 위치 추정부를 포함할 수 있다.The vehicle position estimating unit may include a slip angle calculating unit for calculating a slip angle in a longitudinal direction and a lateral direction for each tire using the obtained state information of the vehicle; A vertical drag calculation unit for calculating a vertical drag per tire relative to a contact point between the tire and the road surface; A force calculator calculating the longitudinal and lateral forces of each tire by applying the computed slip angle in the longitudinal and lateral directions of each tire and the vertical drag per tire to the nonlinear tire model reflecting the slip angle of each tire; And a position estimating unit for estimating a position of the vehicle by applying the calculated longitudinal and lateral forces of each tire to a four wheel vehicle model (FWVM) in which the force of each tire is reflected.
상기 슬립각 계산부는 상기 획득된 차량의 상태 정보 중에서 휠 중심에서의 각속도, 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 종 및 횡 방향 속도를 이용하여 종 방향의 슬립각을 계산하고, 상기 획득된 차량의 상태 정보 중에서 조향각, 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 종 및 횡 방향 속도를 이용하여 횡 방향의 슬립각을 각각 계산할 수 있다.The slip angle calculator calculates the slip angle in the longitudinal direction using the longitudinal and lateral speeds of the angular velocity at the center of the wheel, the tires, and the road surface from among the obtained state information of the vehicle, The slip angle in the lateral direction can be calculated using the longitudinal and transverse speeds of the steering angle, the tires and the contact points of the road surface, respectively.
상기 수직 항력 계산부는 차량의 무게중심으로부터 전륜 및 후륜까지의 길이, 좌륜 및 우륜 간의 너비, 종 및 횡 방향의 가속도를 토크 밸런스를 고려하여 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 타이어별 수직 항력을 계산할 수 있다.The vertical drag calculation unit can calculate the vertical drag per tire with respect to the contact points of the tire and the road surface in consideration of the torque balance, the length from the center of gravity of the vehicle to the front and rear wheels, the width between the left and right wheels, .
상기 차량 위치 추정부는 상기 획득된 차량의 GPS 위치와 4휠 차량 모델로부터 추정한 차량의 위치를 확률적으로 융합하는 확장형 칼만 필터를 기초로 하여 차량의 위치를 추정할 수 있다.The vehicle position estimating unit may estimate the position of the vehicle on the basis of the extended Kalman filter that stochastically fuses the obtained GPS position of the vehicle with the position of the vehicle estimated from the four-wheel vehicle model.
상기 차량 위치 추정부는 k+1번째 시스템 상태와 k+1번째 오류 공분산을 계산하는 시간 업데이트 모듈; 및 상기 획득된 차량의 상태 정보를 이용하여 k번째 상태-추정과 k번째 오류 공분산을 업데이트하는 측정 업데이트 모듈을 더 포함할 수 있다.The vehicle position estimator may include a time update module for calculating a (k + 1) th system state and a (k + 1) th error covariance; And a measurement update module updating the kth state-estimate and the kth error covariance using the obtained state information of the vehicle.
상기 시간 업데이트 모듈은 1차 오일러 근사화를 적용하여 차량 동역학 모델을 이산화할 수 있다.The time update module may apply a first order Euler approximation to discretize the vehicle dynamics model.
상기 시간 업데이트 모듈은 비선형 시스템 모델의 자코비안으로 매트릭스 A를 계산하고, 상기 계산된 매트릭스 A를 이용하여 k+1번째 오류 공분산을 계산할 수 있다.The time update module may calculate the matrix A in the Jacoby of the nonlinear system model and calculate the (k + 1) th error covariance using the calculated matrix A. [
상기 측정 업데이트 모듈은 차량의 GPS 위치, 종 및 횡 방향의 가속도, 요 레이트가 포함되어 설정된 측정 모델을 기초로 하여, 매트릭스 H를 자코비안으로 계산하고, 상기 계산된 매트릭스 H로부터 칼만 이득을 계산하여 k번째 상태-추정을 계산할 수 있다.The measurement update module calculates a matrix H as a Jacobian based on a measurement model including a vehicle's GPS position, longitudinal and lateral acceleration, and yaw rate, and calculates a Kalman gain from the calculated matrix H, Lt; th > state-estimation can be calculated.
한편, 본 명세서의 제2 측면에 따르면, 차량의 상태 정보를 획득하는 단계; 차량의 GPS 위치를 측정하는 단계; 및 상기 획득된 차량의 상태 정보와 상기 측정된 차량의 GPS 위치를 타이어별 슬립각이 반영된 비선형 타이어 모델에 적용하여 차량의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법이 제공될 수 있다.Meanwhile, according to a second aspect of the present invention, there is provided a method for controlling a vehicle, Measuring a GPS position of the vehicle; And estimating a position of the vehicle by applying the obtained state information of the vehicle and the GPS position of the measured vehicle to a nonlinear tire model reflecting the slip angle of each tire, Can be provided.
상기 차량의 상태 정보를 획득하는 단계는 차량 내부에서 설치된 센서들로부터 종 및 횡 방향의 가속도, 요 레이트, 각 바퀴의 휠속도 및 조향각을 차량의 상태 정보로 획득할 수 있다.The step of acquiring the state information of the vehicle may acquire the longitudinal and lateral acceleration, the yaw rate, the wheel speed of each wheel and the steering angle from the sensors installed in the vehicle as the state information of the vehicle.
상기 차량의 위치를 추정하는 단계는 상기 획득된 차량의 상태 정보를 이용하여 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각을 계산하는 단계; 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 타이어별 수직 항력을 계산하는 단계; 상기 계산된 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각과 상기 타이어별 수직 항력을 타이어별 슬립각이 반영된 비선형 타이어 모델에 적용하여 각 타이어의 종 및 횡 방향의 힘을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 각 타이어의 종 및 횡 방향의 힘을 타이어별 힘이 반영된 4휠 차량 모델(FWVM: Four Wheel Vehicle Model)에 적용하여 차량의 위치를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.The step of estimating the position of the vehicle may include calculating a slip angle in a longitudinal direction and a lateral direction for each tire using the obtained state information of the vehicle; Calculating a vertical drag per tire relative to a contact point of the tire and the road surface; Calculating longitudinal and lateral forces of each tire by applying the computed slip angle in the longitudinal and lateral directions of each tire and the vertical drag per tire to a nonlinear tire model reflecting a slip angle for each tire; And estimating a position of the vehicle by applying the calculated longitudinal and lateral forces of each tire to a four wheel vehicle model (FWVM) in which the force of each tire is reflected.
상기 슬립각을 계산하는 단계는 상기 획득된 차량의 상태 정보 중에서 휠 중심에서의 각속도, 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 종 및 횡 방향 속도를 이용하여 종 방향의 슬립각을 계산하고, 상기 획득된 차량의 상태 정보 중에서 조향각, 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 종 및 횡 방향 속도를 이용하여 횡 방향의 슬립각을 각각 계산할 수 있다.Wherein the calculating of the slip angle includes calculating longitudinal slip angles using the longitudinal and lateral speeds of the angular velocity at the center of the wheel, the tires and the road surface contact points among the obtained state information of the vehicle, The slip angle in the lateral direction can be calculated using the longitudinal and lateral speeds of the steering angle, the tires, and the road surface contact point, respectively.
상기 수직 항력을 계산하는 단계는 차량의 무게중심으로부터 전륜 및 후륜까지의 길이, 좌륜 및 우륜 간의 너비, 종 및 횡 방향의 가속도를 토크 밸런스를 고려하여 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 타이어별 수직 항력을 계산할 수 있다.Wherein the calculating of the vertical drag calculates the vertical drag per tire relative to the contact points of the tire and the road surface in consideration of the torque balance, the length from the center of gravity of the vehicle to the front and rear wheels, the width between the left and right wheels, Can be calculated.
상기 차량의 위치를 추정하는 단계는 상기 획득된 차량의 GPS 위치와 4휠 차량 모델로부터 추정한 차량의 위치를 확률적으로 융합하는 확장형 칼만 필터를 기초로 하여 차량의 위치를 추정할 수 있다.The step of estimating the position of the vehicle may estimate the position of the vehicle on the basis of the extended Kalman filter that stochastically fuses the GPS position of the obtained vehicle and the position of the vehicle estimated from the four-wheel vehicle model.
상기 차량의 위치를 추정하는 단계는 k+1번째 시스템 상태와 k+1번째 오류 공분산을 계산하여 시간을 업데이트하는 단계; 및 상기 획득된 차량의 상태 정보를 이용하여 k번째 상태-추정과 k번째 오류 공분산을 업데이트하여 측정을 업데이트하는 단계을 더 포함할 수 있다.Estimating the position of the vehicle includes: calculating a (k + 1) -th system state and a (k + 1) -th error covariance; And updating the measurement by updating the kth state-estimate and the kth error covariance using the obtained state information of the vehicle.
상기 시간을 업데이트하는 단계는 1차 오일러 근사화를 적용하여 차량 동역학 모델을 이산화할 수 있다.Updating the time may apply a first order Euler approximation to discretize the vehicle dynamics model.
상기 시간을 업데이트하는 단계는 비선형 시스템 모델의 자코비안으로 매트릭스 A를 계산하고, 상기 계산된 매트릭스 A를 이용하여 k+1번째 오류 공분산을 계산할 수 있다.The updating of the time may calculate the matrix A in the Jacoby of the nonlinear system model and calculate the (k + 1) th error covariance using the calculated matrix A.
상기 측정을 업데이트하는 단계는 차량의 GPS 위치, 종 및 횡 방향의 가속도, 요 레이트가 포함되어 설정된 측정 모델을 기초로 하여, 매트릭스 H를 자코비안으로 계산하고, 상기 계산된 매트릭스 H로부터 칼만 이득을 계산하여 k번째 상태-추정을 계산할 수 있다.The step of updating the measurement may include calculating a matrix H to a Jacobian based on a measurement model including a vehicle's GPS position, longitudinal and lateral acceleration, and yaw rate, and calculating a Kalman gain from the calculated matrix H To calculate the kth state-estimate.
본 명세서의 실시 예들은 차량의 상태 정보와 차량의 GPS 위치를 비선형 타이어 모델이 적용된 4휠 차량 모델(FWVM)을 적용하여 차량의 위치를 추정함으로써, 큰 슬립 각이 발생하는 고속 주행 또는 코너링 상태에서도 높은 정확도의 위치를 추정할 수 있다.The embodiments of the present invention estimate the position of the vehicle by applying the vehicle state information and the GPS position of the vehicle to the four wheel vehicle model (FWVM) to which the nonlinear tire model is applied, so that even in a high speed running or cornering state in which a large slip angle occurs A position with high accuracy can be estimated.
본 명세서의 실시 예들은 이륜차(Bicycle) 모델이 아닌 각 바퀴의 힘을 고려한 4휠 차량 모델(Four Wheel Vehicle Model)를 이용함으로써, 위치 추정의 위치 정밀도를 높일 수 있다.Embodiments of the present invention can improve the positional accuracy of position estimation by using a four wheel vehicle model that considers the forces of each wheel rather than a bicycle model.
본 명세서의 실시 예들은 타이어 및 도로의 미끄러짐(slip)이 모델링된 비선형 모델(예컨대, 더그오프(Dugoff model))을 이용함으로써, 타이어 및 도로의 미끄러짐(slip)을 정확하게 고려하여 타이어별 종 및 횡 방향의 힘을 정확하게 계산할 수 있다.Embodiments of the present disclosure use a nonlinear model (e.g., a Dugoff model) in which the slip of tires and roads is modeled to accurately estimate the slip of tires and roads, Direction force can be accurately calculated.
본 명세서의 실시 예들은 차량에 기본적으로 설치되어 있는 각종 모듈(예컨대, ABS(Anti-lock Brake System), ESC(Electronic Stability Control), EPS(Electric Power Steering))로부터 각 바퀴의 속도, 차량속도 및 가속도, 핸들 각도 등의 차량의 상태 정보들을 차량의 기본 통신망(예컨대, CAN(Controller Area Network) 버스)를 통해 획득하여 위치 추정에 이용함으로써, 추가적인 장치나 부품의 설치 없이도 차량의 위치를 정확하게 추정할 수 있다.Embodiments of the present invention are based on the assumption that the speed of each wheel, the vehicle speed and the speed of each wheel from various modules (for example, anti-lock brake system (ABS), electronic stability control (ESC) The position of the vehicle can be accurately estimated without acquiring additional devices or components by acquiring the state information of the vehicle such as acceleration, steering angle, and the like through the basic communication network (e.g., CAN (Controller Area Network) bus) .
본 명세서의 실시 예들은 각종 차량의 상태 정보와 비선형 타이어 모델이 적용된 4휠 차량 모델(FWVM)을 확률적으로 융합하는 확장형 칼만 필터(EKF, Extended Kalman Filter)를 이용함으로써, 고정밀의 DGPS에 비해 위치 오차가 큰 GPS(예컨대, 위치 오차 10m)를 이용하더라도 정확하게 차량의 위치를 추정할 수 있다.Embodiments of the present invention use an extended Kalman filter (EKF) that stochastically fuses the state information of various vehicles and the four-wheel vehicle model (FWVM) to which the non-linear tire model is applied, It is possible to accurately estimate the position of the vehicle even if a GPS having a large error (e.g., a position error of 10 m) is used.
도 1은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 차량 위치 추정부에 적용된 4휠 차량 모델에 대한 설명도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 차량 위치 추정부에 적용되는 확장 칼만 필터의 설명도이다.
도 4는 본 명세서의 실시 예에 따른 차량 위치 추정이 적용된 시뮬레이션을 위한 도로 환경의 설명도이다.
도 5는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 종 및 횡 방향의 궤적에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
도 6 내지 도 8은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 차량의 위치 추정에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
도 9 및 도 10은 본 명세서의 실시 예에 따른 추정된 종 및 횡 방향의 타이어별 슬립각들에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
도 11 및 도 12는 본 명세서의 실시 예에 따른 추정된 종 및 횡 방향의 타이어별 슬립 오차들에 대한 시뮬레이션 결과도이다.
도 13은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법에 대한 흐름도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of a vehicle position estimating apparatus using a nonlinear tire model according to an embodiment of the present invention. FIG.
2 is an explanatory diagram of a four-wheel vehicle model applied to a vehicle position estimating unit according to an embodiment of the present invention.
3 is an explanatory diagram of an extended Kalman filter applied to a vehicle position estimating unit according to an embodiment of the present invention.
4 is an explanatory diagram of a road environment for simulation in which vehicle position estimation is applied according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a simulation result of the trajectory in the longitudinal and lateral directions according to the embodiment of the present invention. FIG.
FIGS. 6 to 8 are simulation results of the position estimation of the vehicle according to the embodiment of the present invention.
FIGS. 9 and 10 are simulation results of estimated slip angles of the tire in the longitudinal and transverse directions according to the embodiment of the present invention. FIG.
FIGS. 11 and 12 are simulation results of estimated slip errors for each tire in the longitudinal and lateral directions according to the embodiment of the present invention. FIG.
13 is a flowchart illustrating a method of estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시 예를 설명함에 있어 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.In describing the embodiments, descriptions of techniques which are well known in the technical field to which this specification belongs and which are not directly related to this specification are not described. This is for the sake of clarity without omitting the unnecessary explanation and without giving the gist of the present invention.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.For the same reason, some of the components in the accompanying drawings are exaggerated, omitted, or schematically illustrated. Also, the size of each component does not entirely reflect the actual size. In the drawings, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals.
도 1은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치의 구성도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of a vehicle position estimating apparatus using a nonlinear tire model according to an embodiment of the present invention. FIG.
도 1은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치(100)는 정보 획득부(110), 위치 측정부(120) 및 차량 위치 추정부(130)를 포함한다.1 is a block diagram of a vehicle
이하, 도 1의 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치(100)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.The specific configuration and operation of each component of the vehicle
정보 획득부(110)는 차량의 상태 정보를 획득한다. 정보 획득부(110)는 종 및 횡 방향의 가속도, 요 레이트, 각 바퀴의 휠 속도 및 조향각을 차량의 상태 정보로 획득한다. 여기서, 정보 획득부(110)는 차량에 기본적으로 설치된 ABS(Anti-lock Brake System) 모듈, ESC(Electronic Stability Control) 모듈, EPS(Electric Power Steering) 모듈을 포함할 수 있다. 따라서. 정보 획득부(110)는 차량에 설치된 각 모듈에 포함된 휠 속도 센서, 차량 속도 센서, 가속도 센서, 요 레이트 센서, 조향각 센서들로부터 각각 휠 속도(wheel speed), 차량 속도(vehicle speed), 가속도(acceleration), 요 레이트(yaw rate) 및 조향각(steering angle)을 획득할 수 있다. 정보 획득부(110)는 차량의 부품이 전자화됨에 따라 이러한 차량에 설치된 각 센서 정보들을 CAN(controller area network) 버스를 통하여 획득할 수 있다.The information obtaining unit 110 obtains the state information of the vehicle. The information obtaining unit 110 obtains the longitudinal and lateral accelerations, the yaw rate, the wheel speed of each wheel, and the steering angle as state information of the vehicle. Here, the information obtaining unit 110 may include an ABS (Anti-lock Brake System) module, an ESC (Electronic Stability Control) module, and an EPS (Electric Power Steering) module installed in the vehicle. therefore. The information obtaining unit 110 obtains the wheel speed, the vehicle speed, and the acceleration from the wheel speed sensor, the vehicle speed sensor, the acceleration sensor, the yaw rate sensor, and the steering angle sensors included in each module installed in the vehicle, acceleration, yaw rate, and steering angle. The information acquiring unit 110 can acquire, through the controller area network (CAN) bus, information about each sensor installed in the vehicle as the parts of the vehicle become electronic.
위치 측정부(120)는 저가의 GPS 모듈을 이용하여 차량의 X 좌표 및 Y 좌표가 포함된 GPS 위치를 측정한다. 여기서, 저가의 GPS 모듈은 오차 범위가 고정밀 GPS에 비해 넓지만, 낮은 가격과 편리성 때문에 이용되는 GPS를 기반으로 하는 내비게이션 시스템이다.The
차량 위치 추정부(130)는 정보 획득부(110)에서 획득된 차량의 상태 정보와 위치 측정부(120)에서 측정된 차량의 GPS 위치를 타이어별 슬립각이 반영된 비선형 타이어 모델에 적용하여 차량의 위치를 추정한다.The vehicle position estimating unit 130 applies the state information of the vehicle obtained by the information obtaining unit 110 and the GPS position of the vehicle measured by the
구체적으로 살펴보면, 차량 위치 추정부(130)는 확장 칼만 필터(EKF, Extended Kalman Filter)를 기반으로 4휠 차량 모델(FWVM)과 더그오프(dugoff)의 비선형 타이어 모델을 이용하여 차량의 위치를 추정한다. 여기서, 4휠 차량 모델(FWVM)과 더그오프(dugoff)의 비선형 타이어 모델은 모듈 단위로 이루어지기 때문에, 다양한 차량의 상태 정보를 이용한 위치 추정 방식에 적용될 수 있다. 또한, 저가의 MCU(micro-controller unit)에 기능별로 설계할 수 있는 장점이 있다.More specifically, the vehicle position estimating unit 130 estimates the vehicle position using a four wheel vehicle model (FWVM) and a dugoff nonlinear tire model based on an extended Kalman filter (EKF) do. Since the nonlinear tire model of the four-wheel vehicle model (FWVM) and the dugoff (dugoff) is implemented in units of modules, the present invention can be applied to a position estimation method using various vehicle state information. In addition, there is an advantage in that it can be designed for each function in a low-cost micro-controller unit (MCU).
차량 위치 추정부(130)는 휠별 힘(Force)을 반영한 4휠 차량 모델(FWVM, Four Wheel Vehicle Model)을 이용하여 차량의 위치를 추정한다. 또한, 차량 위치 추정부(130)는 비선형성이 강한 타이어별 슬립각(Slip angle)을 반영한 타이어 모델(Tire model)을 이용하여 차량의 위치를 추정한다. 4휠 차량 모델(FWVM)에 따른 위치 추정 방법은 높은 성능을 발휘할 수 있다.The vehicle position estimating unit 130 estimates the position of the vehicle using a four wheel vehicle model (FWVM) reflecting the force per wheel. The vehicle position estimating unit 130 estimates the position of the vehicle using a tire model that reflects a slip angle of each tire having a strong nonlinearity. The position estimation method according to the four-wheel vehicle model (FWVM) can exhibit high performance.
일례로, 차량 위치 추정부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이, 슬립각 계산부(131), 수직 항력 계산부(132), 힘 계산부(133) 및 위치 추정부(134)를 포함할 수 있다.1, the vehicle position estimating unit 130 includes a slip angle calculating unit 131, a vertical drag calculating unit 132, a force calculating unit 133, and a position estimating unit 134 can do.
이하, 도 1에 도시된 차량 위치 추정부(130)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.The specific configuration and operation of each component of the vehicle position estimation unit 130 shown in FIG. 1 will be described below.
슬립각 계산부(131)는 정보 획득부(110)에서 획득된 차량의 상태 정보를 이용하여 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각을 계산한다.The slip angle calculator 131 calculates the slip angle in the longitudinal direction and the lateral direction for each tire using the state information of the vehicle obtained by the information obtaining unit 110. [
구체적으로 살펴보면, 슬립각 계산부(131)는 하기의 [수학식 1]과 같이 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각을 계산할 수 있다. 슬립각 계산부(131)는 휠 중심에서의 각속도, 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 종 및 횡 방향 속도를 이용하여 종 방향의 슬립각을 계산할 수 있다. 또한, 슬립각 계산부(131)는 조향각, 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 종 및 횡 방향 속도를 이용하여 횡 방향의 슬립각을 각각 계산할 수 있다.Specifically, the slip angle calculator 131 can calculate slip angles in the longitudinal and lateral directions of each tire as shown in Equation (1) below. The slip angle calculator 131 can calculate the longitudinal slip angle using the longitudinal and transverse speeds of the angular velocity at the center of the wheel, the contact points of the tire and the road surface. Further, the slip angle calculating section 131 may calculate the slip angles in the lateral direction using the longitudinal and transverse speeds of the contact points of the steering angle, the tire, and the road surface.
여기서, 종 방향의 슬립각 및 횡 방향의 사이드 슬립각(longitudinal slip and sideslip angle)은 하기의 [수학식 1]과 같이 계산될 수 있다.Here, the slip angle in the longitudinal direction and the longitudinal slip and sideslip angle in the lateral direction can be calculated as shown in the following equation (1).
여기서, 는 각 타이어의 종 및 횡 방향의 종 방향의 슬립각 및 횡 방향의 사이드 슬립각, 은 타이어의 반지름, 는 각각 타이어 및 도로의 접촉점(tire/road contact point)의 종 및 횡 방향(longitudinal, lateral)의 속도, 는 각 휠 중심에서의 각속도, 는 조향각, 는 차량 CG에서의 종 및 횡방향 속도를 이용하여 슬립각을 계산하는 것으로 atan2는 tan의 역함수를 나타낸다.here, The slip angle in the vertical direction of the longitudinal and transverse directions of each tire and the slip angle between the slip angle in the longitudinal direction, The radius of the tire, Are the longitudinal and lateral speeds of the tires and road contact points, respectively, The angular velocity at each wheel center, The steering angle, Calculates the slip angle using the longitudinal and transverse velocities in the vehicle CG, and atan2 represents the inverse of tan.
수직 항력 계산부(132)는 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 타이어별 수직 항력을 계산한다. 수직 항력 계산부(132)는 차량의 무게중심으로부터 전륜 및 후륜까지의 길이, 좌륜 및 우륜 간의 너비, 종 및 횡 방향의 가속도를 토크 밸런스를 고려하여 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 타이어별 수직 항력을 하기의 [수학식 2]와 같이 계산한다.The vertical drag calculation unit 132 calculates the vertical drag per tire with respect to the contact point between the tire and the road surface. The vertical drag calculation unit 132 calculates the vertical drag per tire relative to the contact point between the tire and the road surface in consideration of the torque balance, the length from the center of gravity of the vehicle to the front and rear wheels, the width between the left and right wheels, Is calculated as shown in the following equation (2).
여기서, 는 각 타이어 및 도로의 접촉점의 수직 항력(Normal forces), 는 종 및 횡 방향의 가속도, 는 CG로부터 전방 휠까지의 길이, 는 CG로부터 후방 휠까지의 길이, 는 좌측 및 우측 휠 간의 너비, 는 중력 가속도(9.8m/s2), 는 지면에서 차량의 CG까지의 높이를 나타낸다.here, Normal forces of the contact points of each tire and road, The acceleration in the longitudinal and transverse directions, Is the length from the CG to the front wheel, The length from the CG to the rear wheel, The width between the left and right wheels, (9.8 m / s < 2 >), Represents the height from the ground to the CG of the vehicle.
차량의 롤(roll), 피치(pitch)와 서스펜션 동역학(suspension dynamics)의 효과가 없다고 한다면, 차량의 CG에서의 수직 항력()은 CG에서의 종 및 횡 방향의 가속도()에 의해 결정되고, 수직 항력()은 각 타이어의 수직 항력(normal force)의 합과 같게 된다. 따라서 각 타이어의 수직 항력은 토크 밸런스(Torque balance)에 의해 상기의 [수학식 2]와 같이 계산될 수 있다.If there is no effect of the vehicle's roll, pitch and suspension dynamics, the vertical drag at the CG of the vehicle ) Is the acceleration in the longitudinal and transverse directions in CG ), And the vertical drag ( ) Is equal to the sum of the normal forces of each tire. Therefore, the vertical drag force of each tire can be calculated as shown in Equation (2) by the torque balance.
힘 계산부(133)는 슬립각 계산부(131)에서 계산된 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각과 수직 항력 계산부(132)에서 계산된 타이어별 수직 항력을 이용하여 각 타이어의 종 및 횡 방향의 힘을 계산한다.The force calculator 133 calculates the force and the lateral direction of each tire using the slip angle in the longitudinal and lateral directions of each tire calculated in the slip angle calculator 131 and the vertical drag per tire calculated in the vertical drag calculator 132 Lt; / RTI >
힘 계산부(133)는 각 타이어의 종 및 횡 방향 힘을 계산하기 위해서 타이어 모델을 이용한다. 타이어는 비선형성이 매우 강하다. 그렇기 때문에, 본 명세서의 실시 예에 따른 위치 추정부(134)는 준-적정 타이어 모델(Quasi-static tire model)들 중에서 적은 수의 파라미터(parameter)만으로도 실험 결과와 유사한 성능을 보여주는 더그오프의 타이어 모델(dugoff tire model)을 이용한다. 힘 계산부(133)는 더그오프의 타이어 모델을 통한 각 타이어의 종 및 횡 방향에 대한 힘을 하기의 [수학식 3]과 같이 계산할 수 있다.The force calculation unit 133 uses the tire model to calculate the longitudinal and lateral forces of each tire. Tires are very nonlinear. Therefore, the position estimating unit 134 according to the embodiment of the present invention can estimate a tire having a similar performance to that of the experimental results with only a small number of parameters among quasi-static tire models, Model (dugoff tire model) is used. The force calculation unit 133 can calculate the force in the longitudinal direction and the lateral direction of each tire through the tire model of the dug-off according to the following equation (3).
여기서, 는 타이어의 종 방향의 강성(longitudinal stiffness), 는 타이어의 코너링의 강성(cornering stiffness), 는 각 타이어의 종 및 횡 방향의 종 방향의 슬립각 및 횡 방향의 사이드 슬립각을 나타낸다. 또한, 는 미끄러짐에 따라 그 영역을 구분하는 인자(Sliding Boundary Point)로 에 따라 가 결정되며, 각각 하기의 [수학식 4] 및 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.here, The longitudinal stiffness of the tire, The cornering stiffness of the tire, Represents the longitudinal slip angle in the longitudinal direction and the lateral slip angle in the lateral direction of each tire. Also, (Sliding Boundary Point) that divides the area according to the slip Depending on the And can be expressed by the following equations (4) and (5), respectively.
여기서, 는 i번째 각 타이어 및 도로의 접촉점의 수직 항력(Normal forces), 여기서, 는 타이어의 종 방향의 강성(longitudinal stiffness), 는 타이어의 코너링의 강성(cornering stiffness), 는 각 타이어의 종 및 횡 방향의 종 방향의 슬립각 및 횡 방향의 사이드 슬립각, 는 타이어와 도로간 접촉면의 마찰 계수(tire/road friction coefficient)를 나타낸다. here, Is the normal forces of the contact points of each ith tire and road, The longitudinal stiffness of the tire, The cornering stiffness of the tire, The slip angle in the vertical direction of the longitudinal and transverse directions of each tire and the slip angle between the slip angle in the longitudinal direction, (Tire / road friction coefficient) between the tire and the road.
한편, 위치 추정부(134)는 힘 계산부(133)에서 계산된 각 타이어의 종 및 횡 방향의 타이어별 힘이 반영된 4휠 차량 모델(FWVM: Four Wheel Vehicle Model)에 적용하여 차량의 위치를 추정한다.On the other hand, the position estimating unit 134 applies the four wheel vehicle model (FWVM), which is calculated by the force calculating unit 133, to the four-wheel vehicle model in which the force of each tire in the longitudinal direction and the lateral direction is reflected, .
도 2는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 차량 위치 추정부(130)에 적용된 4휠 차량 모델에 대한 설명도이다.2 is an explanatory diagram of a four-wheel vehicle model applied to the vehicle position estimating unit 130 according to an embodiment of the present invention.
본 명세서의 일 실시 예에 따른 차량 위치 추정부(130)는 각 타이어의 슬립과 힘을 고려하기 위해, 도 2에 도시된 동역학 모델(Dynamic model)을 이용하여 차량의 위치를 추정한다. 도 2에 도시된 동역학 모델(Dynamic model)로부터 타이어별 힘은 하기의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.The vehicle position estimating unit 130 according to an embodiment of the present invention estimates the position of the vehicle using the dynamic model shown in FIG. 2, in order to consider the slip and the force of each tire. From the dynamic model shown in FIG. 2, the force of each tire can be expressed by the following equation (6).
여기서, 는 각 휠의 종 및 횡 방향의 힘, m은 차량의 무게 중심점(CG, Center of Gravity)에서의 질량, 는 무게 중심점에서의 요 레이트, 는 각각 차량의 CG에서의 종 및 횡 방향 속도, 는 차량의 CG에서의 종 및 횡 방향 가속도, 은 CG에서 Z축 방향의 모멘트(moment), 는 CG에서의 관성모멘트 상수를, 는 CG에서의 요 가속도를 나타낸다.here, Is the force in the longitudinal and lateral directions of each wheel, m is the mass at the center of gravity (CG) of the vehicle, Is the yaw rate at the center of gravity, Are the longitudinal and transverse speeds in the CG of the vehicle, respectively, The longitudinal and transverse acceleration at the CG of the vehicle, Is a moment in the Z-axis direction of the CG, Is the moment of inertia in CG, Represents the yaw acceleration in the CG.
여기서, 각 타이어의 힘들의 합은 하기의 [수학식 7]과 같이 계산될 수 있다. Here, the sum of the forces of the respective tires can be calculated as shown in the following equation (7).
여기서, 는 각 휠의 종 및 횡 방향의 힘, 조향각으로 좌측 및 우측 모두 동일하다고 가정한다. 는 CG로부터 전방 휠까지의 길이, 는 CG로부터 후방 휠까지의 길이, 는 좌측 및 우측 휠 간의 너비, 는 조향각을 나타낸다.here, Are assumed to be the same in both the left and right sides due to the longitudinal and lateral forces and steering angles of each wheel. Is the length from the CG to the front wheel, The length from the CG to the rear wheel, The width between the left and right wheels, Represents the steering angle.
도 3은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 차량 위치 추정부(130)에 적용되는 확장 칼만 필터의 설명도이다.3 is an explanatory diagram of an extended Kalman filter applied to the vehicle position estimating unit 130 according to an embodiment of the present invention.
차량 위치 추정부(130)에 적용되는 확장 칼만 필터(EKF, Extended Kalman Filter)는 베이시안(Bayesian) 필터를 기반으로 다양한 차량의 상태 정보를 융합할 수 있다. 여기서, 확장 칼만 필터는 비선형 시스템에서도 특별한 선형화 작업 없이 바로 적용할 수 있다.The Extended Kalman Filter (EKF) applied to the vehicle position estimation unit 130 may fuse various vehicle state information based on a Bayesian filter. Here, the extended Kalman filter can be applied directly in a nonlinear system without any special linearization operation.
도 3에 도시된 바와 같이, 확장 칼만 필터는 크게 시간 업데이트(Time Update) 모듈과 측정 업데이트(Measurement Update) 모듈로 구분된다.As shown in FIG. 3, the extended Kalman filter is divided into a time update module and a measurement update module.
시간 업데이트(Time Update) 모듈부터 살펴보면, 시간 업데이트 모듈은 k+1번째의 시스템 상태(system state ahead)()와 k+1번째의 오류 공분산(error covariance ahead)()을 계산한다. 여기서, k+1번째의 시스템 상태()와 k+1번째의 오류 공분산()는 시간 스텝(time step) k마다 계산되는 이산 시스템을 나타낸다. 따라서, 상기의 [수학식 6 및 7]과 같이 나타난 동역학 모델(dynamic model)이 실시간으로 동작하기 위해서는 이산-시간 시스템(discrete-time system) 모델로 변환되어야 한다. 시간 업데이트 모듈은 하기의 [수학식 8]과 같이, 1차 오일러 근사화(first-order Euler approximation)를 적용하여 차량의 동역학 모델에 대한 수학식(Vehicle dynamic model equation)들을 이산화할 수 있다.Looking at the time update module, the time update module updates the (k + 1) th system state ahead ( ) And (k + 1) -th error covariance ahead ( ). Here, the (k + 1) th system state ) And (k + 1) th error covariance ( ) Represents the discrete system that is calculated for each time step k. Therefore, the dynamic model shown in Equations (6) and (7) above must be converted to a discrete-time system model in order to operate in real time. The time update module may discretize the vehicle dynamic model equations for a vehicle by applying a first-order Euler approximation as in Equation (8) below.
여기서, 는 k번째 상태공간백터(State Space Vector), 는 k-1번째 상태공간백터, 는 상태공간백터의 미분치, 는 시스템의 샘플링 구간(sampling period)을 나타낸다.here, Is a kth state space vector, K-1 < th > state space vector, Is the derivative of the state space vector, Represents the sampling period of the system.
따라서, 연속 차량 모델(continuous vehicle model)을 오일러 근사화(Euler approximation) 방법을 이용하여 이산 차량 모델(discrete vehicle model)로 근사화하면 하기의 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, a continuous vehicle model can be approximated to a discrete vehicle model using an Euler approximation method, as shown in Equation (9) below.
여기서, 는 각 휠의 종 및 횡 방향의 힘, m은 차량의 무게 중심점(CG, Center of Gravity)에서의 질량, 는 무게 중심점에서의 요 레이트, 는 각각 차량의 CG에서의 종 및 횡 방향 속도, 은 CG에서 Z축 방향의 모멘트(moment), 는 CG에서 Z축 방향의 관성모멘트(moment of inertia), 는 CG에서의 요 가속도, 는 x축 방향의 차량위치의 미분치, 는 x축 방향의 차량속도의 미분치, 는 y축 방향의 차량위치의 미분치, 는 y축 방향의 차량속도의 미분치, 는 x축 방향의 추정된 차량위치, 는 x축 방향의 추정된 차량속도, 는 y축 방향의 추정된 차량위치, 는 y축 방향의 추정된 차량속도, 는 추정된 요 각도, 는 추정된 요레이트, 는 시스템의 샘플링 구간(sampling period)을 나타낸다.here, Is the force in the longitudinal and lateral directions of each wheel, m is the mass at the center of gravity (CG) of the vehicle, Is the yaw rate at the center of gravity, Are the longitudinal and transverse speeds in the CG of the vehicle, respectively, Is a moment in the Z-axis direction of the CG, Is the moment of inertia in the Z-axis direction of the CG, The yaw acceleration in CG, The derivative of the vehicle position in the x-axis direction, The derivative of the vehicle speed in the x-axis direction, The derivative of the vehicle position in the y-axis direction, The derivative of the vehicle speed in the y-axis direction, The estimated vehicle position in the x-axis direction, The estimated vehicle speed in the x-axis direction, The estimated vehicle position in the y-axis direction, The estimated vehicle speed in the y-axis direction, Is the estimated yaw angle, The estimated yaw rate, Represents the sampling period of the system.
그리고 이산 상태 벡터(discrete state vector)로 표현한 시스템 모델()은 하기의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.And the system model expressed by discrete state vector ( ) Can be expressed by the following equation (10).
여기서, x, y는 각각 차량 CG의 종 및 횡 방향 위치, 는 각각 차량 CG의 종 및 횡 방향 속도, 는 차량 CG의 요 각도, 는 차량 CG의 요 레이트를 나타낸다.Here, x and y are the longitudinal and transverse positions of the vehicle CG, respectively, Respectively denote the longitudinal and transverse speeds of the vehicle CG, The yaw angle of the vehicle CG, Represents the yaw rate of the vehicle CG.
k+1번째 오류 공분산(error covariance ahead)()를 구하기 위해서는 매트릭스 A(matrix A)가 필요하다. 매트릭스 A는 비선형 시스템 모델의 자코비안(Jacobian)으로 하기의 [수학식 11]과 같이 계산될 수 있다.k + 1 < th > error covariance ahead ( ) A matrix A (matrix A) is required to obtain the. Matrix A can be calculated as Jacobian of the nonlinear system model as shown in Equation (11) below.
여기서, 는 비선형 시스템 모델의 자코비안(Jacobian), 는 각각 차량의 CG에서의 종 및 횡 방향 속도, 는 차량 CG의 요 각도(진행방향), 는 차량 CG의 요 레이트를 나타낸다.here, Jacobian of the nonlinear system model, Are the longitudinal and transverse speeds in the CG of the vehicle, respectively, (Advancing direction) of the vehicle CG, Represents the yaw rate of the vehicle CG.
한편, 측정 업데이트 모듈에 대해서 살펴보기로 한다.Meanwhile, a measurement update module will be described.
차량 위치 추정부(130)의 측정 업데이트 모듈은 센서 데이터(sensor data)를 이용하여 상태-추정(state-estimate)()과 오류 공분산(error covariance)()을 업데이트한다. 측정 벡터(measurement vector)()는 하기의 [수학식 12]와 같이 나타낼 수 있다.The measurement update module of the vehicle position estimating unit 130 uses the sensor data to estimate a state-estimate ) And error covariance ( ). Measurement vector ( ) Can be expressed by the following equation (12).
여기서, X, Y는 GPS로부터 차량의 종 및 횡방향 GPS 위치, , 는 ESC로부터 획득된 종 및 횡 방향의 가속도, 는 ESC로부터 요 레이트를 나타낸다. 측정 업데이트 모듈에 적용되는 측정 모델(measurement model)()은 하기의 [수학식 13]과 같이 설정될 수 있다.Where X and Y are the vehicle's longitudinal and lateral GPS positions from the GPS, , The acceleration in the horizontal direction and the acceleration in the horizontal direction obtained from the ESC, Represents the yaw rate from ESC. The measurement model applied to the measurement update module ( Can be set as shown in the following equation (13).
여기서, 는 측정 모델(measurement model), X, Y는 GPS로부터 차량의 GPS 위치, 는 각 휠의 종 및 횡 방향의 힘, 는 ESC로부터 획득된 요 레이트를 나타낸다.here, X , Y are the GPS position of the vehicle from the GPS, The longitudinal and lateral forces of each wheel, Represents the yaw rate obtained from the ESC.
측정 업데이트 모듈은 칼만 이득(Kalman gain)()을 계산하고, 그 계산된 칼만 이득을 통해 상태-추정(State-estimate)()를 계산할 수 있다.The measurement update module uses Kalman gain ( ), And calculates a state-estimate (" ) Can be calculated.
칼만 이득(Kalman gain)을 계산하기 위해서는 매트릭스 H(matrix H)가 필요하다. H는 측정 모델의 자코비안(Jacobian)으로 하기의 [수학식 14]와 같다.The matrix H (matrix H) is required to calculate the Kalman gain. H is the Jacobian of the measurement model, and is expressed by Equation (14) below.
여기서, 측정모델 를 시스템 모델 로 편미분한 매트릭스를 나타낸다.Here, System model .
도 4는 본 명세서의 실시 예에 따른 차량 위치 추정이 적용된 시뮬레이션을 위한 도로 환경의 설명도이다.4 is an explanatory diagram of a road environment for simulation in which vehicle position estimation is applied according to the embodiment of the present invention.
본 명세서의 실시 예에 따른 차량의 위치 추정 방법은 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 통해 분석한다. 몬테 카를로 시뮬레이션은 상용 프로그램인 "ASM(Automotive Simulation Models)"을 이용한다. "ASM"은 24 자유도의 멀티-바디 시스템(multi-body system)으로 구성되어 있는 차량의 동력학적 모델이다. 시뮬레이션 차량의 파라미터는 하기의 [표 1]과 같이 설정한다. 차량에 부착된 센서의 파라미터 및 노이즈는 하기의 [표 2]와 같이 설정한다. 각 센서들의 노이즈(noise)는 가우시안 화이트 노이즈(Gaussian white noise)로 가정한다. 또한, 위치추정 알고리즘이 수행되는 샘플 레이트(sample rate)는 50Hz로 설정한다.The method of estimating the position of the vehicle according to the embodiment of the present invention is analyzed through Monte Carlo simulation. Monte Carlo simulation uses the commercial program "ASM (Automotive Simulation Models)". "ASM" is a kinetic model of a vehicle consisting of a 24-DOF multi-body system. The parameters of the simulation vehicle are set as shown in [Table 1] below. The parameters and noise of the sensors attached to the vehicle are set as shown in [Table 2] below. The noise of each sensor is assumed to be Gaussian white noise. In addition, the sample rate at which the position estimation algorithm is performed is set to 50 Hz.
시뮬레이션 시나리오는 "ASM"의 도로 모델 중, 3000m의 핸들링 트랙(Handling Track)에서 실시한다.The simulation scenario is carried out in the handling track of 3000m of the road model of "ASM".
차량이 트랙을 주행할 때, 큰 슬립각 및 비율(large slip angle and ratios)를 발생시키기 위해서 차량의 종 및 횡 방향의 가속도(longitudinal과 lateral acceleration)를 최대 5m/s2가 되도록 설정한다. 또한, 차량이 코스이탈이 되지 않도록 차량의 최고 속도는 80km/h로 제한된다.When the vehicle is running on the track, set the vehicle's longitudinal and lateral acceleration to a maximum of 5 m / s2 to generate large slip angles and ratios. In addition, the maximum speed of the vehicle is limited to 80 km / h so that the vehicle does not depart from the course.
상기의 [표 1]에 표시된 바와 같이, 차량 파라미터(Vehicle parameter)는 차량 질량(Vehicle), 요 모멘트(Yaw moment of inertia), 무게 중심점으로부터 전륜까지의 거리(Distance from CG. to front wheel), 무게 중심점으로부터 후륜까지의 거리(Distance from CG. to rear wheel), 트랙 넓이(Track width), 각 타이어의 종 방향의 강성(Longitudinal stiffness of each tire), 각 타이어의 코너링 방향의 강성(Cornering stiffness of each tire)을 포함한다.As shown in Table 1 above, the vehicle parameters include the vehicle mass, the yaw moment of inertia, the distance from the center of gravity to the front wheel, The distance from the center of gravity to the rear wheel (distance from CG to the rear wheel), the track width, the longitudinal stiffness of each tire, and the cornering stiffness of each tire each tire).
상기의 [표 2]에 표시된 바와 같이, 휠 속도 센서(Wheel speed sensor), 가속도 센서(Acceleration sensor), 자이로 센서(Gyro sensor), GPS 센서(GPS sensor)는 각각 0.1rad/s, 1.0m/s2, 0.1rad/s, 10m의 노이즈를 포함하고 있다.As shown in Table 2, the wheel speed sensor, the acceleration sensor, the gyro sensor, and the GPS sensor are 0.1 rad / s and 1.0 m / s, respectively, s2, 0.1 rad / s, and 10 m of noise.
도 5는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 종 및 횡 방향의 궤적에 대한 시뮬레이션 결과도이다.FIG. 5 is a simulation result of longitudinal and lateral trajectories according to an embodiment of the present invention. FIG.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 명세서의 실시 예에 따른 차량의 위치 추정 장치(100)는 큰 슬립각 및 비율이 발생하도록 핸들링 트랙에서 시뮬레이션을 실시한다. GPS 신호는 레퍼런스(reference) 신호 주위에 분포하는 것을 볼 수 있다. 본 명세서의 실시 예에 따른 위치 추정 장치(100)에서 추정된 차량의 위치는 레퍼런스 신호와 유사함을 알 수 있다.As shown in Fig. 5, the vehicle
도 6 내지 도 8은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 차량의 위치 추정에 대한 시뮬레이션 결과도이다.FIGS. 6 to 8 are simulation results of the position estimation of the vehicle according to the embodiment of the present invention.
추정된 각 차량 상태(Estimated the vehicle state) 및 추정된 차량의 상태 오류(Estimated the vehicle state error)에 대한 시뮬레이션 결과는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같다.Simulated results of the estimated vehicle state and the estimated vehicle state error are as shown in FIGS. 6 and 7. FIG.
도 6의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 종 및 횡 방향 위치(Longitudinal position, Lateral position)는 레퍼런스 신호를 잘 추정하는 것을 알 수 있다.As shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), it can be seen that the longitudinal and lateral positions accurately estimate the reference signal.
도 7의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 종 및 횡 방향의 위치 오차((Longitudinal position error, Lateral position error)는 약 1m 내외로 발생하는 것을 알 수 있다.As shown in FIGS. 7A and 7B, it can be seen that the longitudinal and lateral position errors occur at about 1 m or so.
도 6의 (c), (d)에 도시된 바와 같이, 종 및 횡 방향의 속도(Longitudinal velocity, Lateral velocity)도 또한 레퍼런스 신호를 잘 추정하는 것을 알 수 있다.As shown in FIGS. 6 (c) and 6 (d), it can be seen that the longitudinal and lateral velocities also well estimate the reference signal.
도 7의 (c), (d)에 도시된 바와 같이, 종 및 횡 방향의 위치 오차(Longitudinal velocity error, Lateral velocity error)는 약 1m/s 내외임을 알 수 있다.As shown in FIGS. 7 (c) and 7 (d), longitudinal and lateral velocity errors in the longitudinal and lateral directions are about 1 m / s.
도 6의 (e), (f)에 도시된 바와 같이, 요 및 요 레이트(Yaw, Yaw rate)는 레퍼런스 신호를 유사하게 추정하고 있는 것을 알 수 있다.As shown in FIGS. 6 (e) and 6 (f), it can be seen that the yaw and yaw rates similarly estimate the reference signal.
도 7의 (e), (f)에 도시된 바와 같이, 요 및 요 레이트(Yaw, Yaw rate)는 약 20deg/s 내외의 노이즈를 갖고 있는 것을 알 수 있다.As shown in FIGS. 7 (e) and 7 (f), it can be seen that the yaw and yaw rate have a noise of about 20 deg / s.
하지만, 도 8의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 추정된 요(Estimated yaw)는 22s까지 최대 -30deg의 오차가 발생하는 것을 볼 수 있다. 그러나 2초 이후부터는 약 5deg 이내로 수렴하는 것을 볼 수 있다. 초기에 요 에러(yaw error)가 크게 발생하는 이유는 단순히 요 레이트()를 1차 오일러 근사화로 적분하는 모델이기 때문이다. 1차 오일러 근사화(first-order Euler approximation)으로 적분하는 모델이기 때문이다.However, as shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b), it is seen that the estimated yaw has an error of -30 degrees maximum up to 22s. However, from 2 seconds onwards, it converges to within about 5 deg. The reason why the yaw error occurs in the early stage is simply the yaw rate ) With a first-order Euler approximation. Because it is a model that integrates into a first-order Euler approximation.
도 9 및 도 10은 본 명세서의 실시 예에 따른 추정된 종 및 횡 방향의 타이어별 슬립각들에 대한 시뮬레이션 결과도이다.FIGS. 9 and 10 are simulation results of estimated slip angles of the tire in the longitudinal and lateral directions according to the embodiment of the present invention. FIG.
도 9의 (a), (b)와 도 10의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 전방 타이어(Front tire)의 종 방향의 슬립각(longitudinal slip angle)과 횡 방향의 슬립각(lateral slip angle)은 5deg의 범위에서 발생하는 것을 확인할 수 있다.As shown in Figs. 9A and 9B and Figs. 10A and 10B, the longitudinal slip angle in the longitudinal direction of the front tire and the longitudinal slip angle in the transverse direction (lateral slip angle) occurs in the range of 5deg.
한편, 도 9의 (c), (d)에 도시된 바와 같이, 후방 타이어(rear tire)의 종 방향의 슬립은 최대 50deg가 발생한다.On the other hand, as shown in Figs. 9 (c) and 9 (d), a slip in the longitudinal direction of the rear tire occurs at a maximum of 50 deg.
또한, 도 10의 (c), (d)에 도시된 바와 같이, 후방 슬립(lateral slip)은 10deg의 범위에서 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과를 통해 차량이 급격하게 주행하고 있음을 확인할 수 있다.10 (c) and 10 (d), it can be seen that a lateral slip occurs in a range of 10 deg. These results show that the vehicle is running rapidly.
도 11 및 도 12는 본 명세서의 실시 예에 따른 추정된 종 및 횡 방향의 타이어별 슬립 오차들에 대한 시뮬레이션 결과도이다.FIGS. 11 and 12 are simulation results of estimated slip errors for each tire in the longitudinal and lateral directions according to the embodiment of the present invention. FIG.
도 11의 (a), (b), (c), (d)와 도 12의 (a), (b), (c), (d)에 도시된 바와 같이, 추정된 종 및 횡 방향의 타이어별 슬립 오차들은 시뮬레이션 결과에 따르면 종 및 횡 방향 모두 4deg 정도의 슬립 각(slip angle) 오차들이 있다.As shown in Figs. 11 (a), 11 (b), 11 (c), and 11 According to the simulation results, the slip errors of each tire have slip angle errors of about 4 deg in both the longitudinal and transverse directions.
하지만, 차량이 정지하고 있는 경우 각 타이어(tire)의 슬립각(slip angle)이 증가하는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 타이어의 슬립각(tire slip angle)을 추정하는 모델이 갖고 있는 한계 때문이다. 즉, 타이어의 슬립각을 추정하는 모델은 상기의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.However, when the vehicle is stopped, it can be seen that the slip angle of each tire increases. The reason is due to the limitations of the model for estimating the tire slip angle. That is, a model for estimating the slip angle of a tire can be expressed by the following equation (1).
상기의 [수학식 1]은 타이어 및 도로의 접촉점의 속도를 나누어 계산한다. 따라서 타이어 및 도로의 접촉점의 속도가 0이 되면 발산하게 된다. 본 명세서에서는 이와 같은 수적 불안정(numeric instability) 문제를 해결하기 위해 타이어 및 도로의 접촉점의 속도가 0이 되지 않도록 엡실론()를 더해주었다. 여기서, 엡실론()은 시스템에 영향을 주지 않는 범위 내에서, 시뮬레이션을 통해 구한 것이다.[Equation 1] is calculated by dividing the speed of the contact point between the tire and the road. Therefore, when the speed of the contact point between the tire and the road becomes 0, the vehicle diverges. In this specification, in order to solve the problem of numerical instability, the speed of the contact point of the tire and the road is set to zero so that the speed of the epsilon ). Here, epsilon ( ) Is obtained through simulation within a range that does not affect the system.
도 13은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법에 대한 흐름도이다.13 is a flowchart illustrating a method of estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model according to an embodiment of the present invention.
차량의 위치 추정 장치(100)에서의 정보 획득부(110)는 차량의 상태 정보를 획득한다(S1302). 또한, 차량의 위치 추정 장치(100)에서의 위치 측정정부는 차량의 GPS 위치를 측정한다.The information obtaining unit 110 in the vehicle
그리고 위치 추정 장치(100)에서의 차량 위치 추정부(130)는 정보 획득부(110)에서 획득된 차량의 상태 정보와 GPS 위치를 이용하여 각 바퀴별 종/횡 방향의 슬립각을 계산한다(S1304).The vehicle position estimating unit 130 in the
또한, 위치 추정 장치(100)에서의 차량 위치 추정부(130)는 정보 획득부(110)에서 획득된 차량의 상태 정보와 GPS 위치를 이용하여 각 바퀴별 수직항력을 계산한다(S1306).The vehicle position estimating unit 130 in the
이후, 차량 위치 추정부(130)는 계산된 각 바퀴별 종/횡 방향의 슬립각과 각 바퀴별 수직항력으로부터 비선형 타이어 모델을 이용하여 각 타이어의 종/횡 방향 힘을 계산한다(1308).Subsequently, the vehicle position estimating unit 130 calculates longitudinal / lateral forces of each tire using the nonlinear tire model from the computed slip angles of the longitudinal / lateral slip and the vertical slip of each wheel (1308).
차량 위치 추정부(130)는 확장 칼만 필터를 이용하여 차량의 위치를 추정한다(S1310).The vehicle position estimation unit 130 estimates the position of the vehicle using the extended Kalman filter (S1310).
한편, 도 1 내지 도 3에 설명한 바와 같이, 본 명세서의 실시 예에 따른 차량의 위치 추정 장치(100)는 ADAS가 안정적으로 구동되기 위해서 필요한 차량의 위치 추정 방법에 따라 차량의 위치를 추정한다. 차량의 위치 추정 장치(100)는 끊김 없이 높은 정밀도의 위치를 추정하기 위해서 고가의 센서를 사용하는 것이 아닌, 차량에 부착된 센서정보와 저가의 GPS 센서를 이용하여 위치를 추정한다. 또한, 차량 동역학 모델인 FWVM과 높은 비선형적인 특징을 갖는 타이어를 적은 수의 파라미터로 모델링한 더그오프 타이어 모델(Dugoff tire model)을 기반으로 확장형 칼만 필터(EKF) 알고리즘에 적용하였다.1 to 3, the vehicle
도 4 내지 도 12에 설명한 바와 같이, 상용 시뮬레이션인 ASM을 이용하여 제안한 알고리즘의 성능을 평가하였다. 그 결과 종 및 횡 방향 위치는 1m 내외의 오차로 추정하는 것을 확인하였다. 종 및 횡 방향 속도 또한 1m/s 내외의 오차로 추정하는 것을 확인할 수 있었다.As described in FIGS. 4 to 12, the performance of the proposed algorithm was evaluated using a commercial simulation ASM. As a result, it was confirmed that the species and lateral position were estimated to be within 1m. The longitudinal and lateral velocities were also estimated to be within the range of 1 m / s.
시뮬레이션 결과를 살펴보면, 요(Yaw)는 주행 초반 위치 오차가 최대 -30deg로 발생하였지만, 시간이 지남에 따라 5deg 내외의 오차로 추정하는 것을 확인할 수 있다. 요 레이트(yaw rate)는 20deg/s의 오차로 추정하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 종 및 횡 방향의 타이어 슬립각(tire slip angle)도 각각 6deg와 4deg 범위의 오차로 추정하는 것을 확인할 수 있다.The simulation results show that Yaw estimates the error of about 5deg over time, although the error of the initial position of the yaw occurred up to -30deg. It was confirmed that the yaw rate was estimated at an error of 20 deg / s. Also, it can be confirmed that the tire slip angle in the longitudinal and transverse directions is estimated by an error of 6 deg and 4 deg, respectively.
본 명세서의 실시 예에 따른 차량의 위치 추정 장치(100)는 비선형 차량 모델을 적용하여 차량의 위치 정확도를 높일 수 있다. The vehicle
본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It will be understood by those skilled in the art that the present specification may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present specification is defined by the appended claims rather than the foregoing detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are included in the scope of the present specification Should be interpreted.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is not intended to limit the scope of the specification. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
100: 위치 추정 장치
110: 정보 획득부
120: 위치 측정부
130: 차량 위치 추정부
131: 슬립각 계산부
132: 수직 항력 계산부
133: 힘 계산부
134: 위치 추정부100:
110: Information obtaining unit
120:
130: vehicle position estimating unit
131: Slip angle calculating unit
132: vertical force calculation unit
133: Force calculation unit
134:
Claims (20)
차량의 GPS 위치를 측정하는 위치 측정부; 및
상기 획득된 차량의 상태 정보와 상기 측정된 차량의 GPS 위치를 타이어별 슬립각이 반영된 비선형 타이어 모델에 적용하여 차량의 위치를 추정하는 차량 위치 추정부
를 포함하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치.An information obtaining unit for obtaining status information of the vehicle;
A position measuring unit for measuring a GPS position of the vehicle; And
Estimating a position of the vehicle by applying the obtained state information of the vehicle and the GPS position of the measured vehicle to a nonlinear tire model reflecting a slip angle of each tire,
And estimating a position of the vehicle using the nonlinear tire model.
상기 정보 획득부는
차량 내부에서 설치된 센서들로부터 종 및 횡 방향의 가속도, 요 레이트, 각 바퀴의 휠속도 및 조향각을 차량의 상태 정보로 획득하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치.The method according to claim 1,
The information obtaining unit
An apparatus for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model that acquires longitudinal and lateral accelerations, yaw rates, wheel speeds of respective wheels, and steering angles from sensors installed in a vehicle as vehicle state information.
상기 차량 위치 추정부는
상기 획득된 차량의 상태 정보를 이용하여 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각을 계산하는 슬립각 계산부;
타이어 및 노면의 접촉점에 대한 타이어별 수직 항력을 계산하는 수직 항력 계산부;
상기 계산된 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각과 상기 타이어별 수직 항력을 타이어별 슬립각이 반영된 비선형 타이어 모델에 적용하여 각 타이어의 종 및 횡 방향의 힘을 계산하는 힘 계산부; 및
상기 계산된 각 타이어의 종 및 횡 방향의 힘을 타이어별 힘이 반영된 4휠 차량 모델(FWVM: Four Wheel Vehicle Model)에 적용하여 차량의 위치를 추정하는 위치 추정부
를 포함하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치.The method according to claim 1,
The vehicle position estimating unit
A slip angle calculation unit for calculating a slip angle in a longitudinal direction and a lateral direction for each tire using the obtained state information of the vehicle;
A vertical drag calculation unit for calculating a vertical drag per tire relative to a contact point between the tire and the road surface;
A force calculator calculating the longitudinal and lateral forces of each tire by applying the computed slip angle in the longitudinal and lateral directions of each tire and the vertical drag per tire to the nonlinear tire model reflecting the slip angle of each tire; And
And calculates the position of the vehicle by applying the calculated longitudinal and lateral forces of each tire to a four wheel vehicle model (FWVM)
And estimating a position of the vehicle using the nonlinear tire model.
상기 슬립각 계산부는
상기 획득된 차량의 상태 정보 중에서 휠 중심에서의 각속도, 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 종 및 횡 방향 속도를 이용하여 종 방향의 슬립각을 계산하고, 상기 획득된 차량의 상태 정보 중에서 조향각, 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 종 및 횡 방향 속도를 이용하여 횡 방향의 슬립각을 각각 계산하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치.The method of claim 3,
The slip angle calculating unit
Calculating longitudinal slip angles using longitudinal and lateral speeds of the angular velocity at the center of the wheel, the contact points of the tire and the road surface among the obtained state information of the vehicle, and calculating a steering angle, A device for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model that calculates slip angles in the lateral direction using the longitudinal and transverse velocities of the contact points on the road surface.
상기 수직 항력 계산부는
차량의 무게중심으로부터 전륜 및 후륜까지의 길이, 좌륜 및 우륜 간의 너비, 종 및 횡 방향의 가속도를 토크 밸런스를 고려하여 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 타이어별 수직 항력을 계산하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치.The method of claim 3,
The vertical drag calculation unit
A vehicle using a nonlinear tire model that calculates the vertical drag per tire relative to the contact point between the tire and the road surface in consideration of the torque balance, the length from the center of gravity of the vehicle to the front and rear wheels, the width between the left and right wheels, .
상기 차량 위치 추정부는
상기 획득된 차량의 GPS 위치와 4휠 차량 모델로부터 추정한 차량의 위치를 확률적으로 융합하는 확장형 칼만 필터를 기초로 하여 차량의 위치를 추정하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치.The method according to claim 1,
The vehicle position estimating unit
And estimating the position of the vehicle on the basis of the extended Kalman filter for stochastically fusing the obtained GPS position of the vehicle and the position of the vehicle estimated from the four-wheel vehicle model.
상기 차량 위치 추정부는
k+1번째 시스템 상태와 k+1번째 오류 공분산을 계산하는 시간 업데이트 모듈; 및
상기 획득된 차량의 상태 정보를 이용하여 k번째 상태-추정과 k번째 오류 공분산을 업데이트하는 측정 업데이트 모듈
을 더 포함하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치.The method according to claim 6,
The vehicle position estimating unit
a time update module for calculating a (k + 1) -th system state and a (k + 1) -th error covariance; And
And a measurement update module for updating the kth state-estimate and the kth error covariance using the obtained state information of the vehicle,
And estimating a position of the vehicle using the nonlinear tire model.
상기 시간 업데이트 모듈은
1차 오일러 근사화를 적용하여 차량 동역학 모델을 이산화하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치.8. The method of claim 7,
The time update module
An apparatus for estimating the position of a vehicle using a nonlinear tire model that discretizes a vehicle dynamics model by applying a first order Euler approximation.
상기 시간 업데이트 모듈은
비선형 시스템 모델의 자코비안으로 매트릭스 A를 계산하고, 상기 계산된 매트릭스 A를 이용하여 k+1번째 오류 공분산을 계산하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치.8. The method of claim 7,
The time update module
Calculating a matrix A in a Jacobian of a nonlinear system model, and calculating a (k + 1) th error covariance using the calculated matrix A;
상기 측정 업데이트 모듈은
차량의 GPS 위치, 종 및 횡 방향의 가속도, 요 레이트가 포함되어 설정된 측정 모델을 기초로 하여, 매트릭스 H를 자코비안으로 계산하고, 상기 계산된 매트릭스 H로부터 칼만 이득을 계산하여 k번째 상태-추정을 계산하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 장치.8. The method of claim 7,
The measurement update module
Estimating the kth state-estimate from the calculated matrix H by calculating the matrix H based on the measured model including the vehicle's GPS position, longitudinal and lateral acceleration, and yaw rate, An apparatus for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model to be calculated.
차량의 GPS 위치를 측정하는 단계; 및
상기 획득된 차량의 상태 정보와 상기 측정된 차량의 GPS 위치를 타이어별 슬립각이 반영된 비선형 타이어 모델에 적용하여 차량의 위치를 추정하는 단계
를 포함하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법.Obtaining status information of the vehicle;
Measuring a GPS position of the vehicle; And
Estimating the position of the vehicle by applying the obtained state information of the vehicle and the GPS position of the measured vehicle to a nonlinear tire model reflecting a slip angle for each tire
And estimating a position of the vehicle using the nonlinear tire model.
상기 차량의 상태 정보를 획득하는 단계는
차량 내부에서 설치된 센서들로부터 종 및 횡 방향의 가속도, 요 레이트, 각 바퀴의 휠속도 및 조향각을 차량의 상태 정보로 획득하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법.12. The method of claim 11,
The step of acquiring the state information of the vehicle
A method for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model that acquires longitudinal and lateral acceleration, yaw rate, wheel speed of each wheel, and steering angle from the sensors installed in the vehicle as vehicle state information.
상기 차량의 위치를 추정하는 단계는
상기 획득된 차량의 상태 정보를 이용하여 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각을 계산하는 단계;
타이어 및 노면의 접촉점에 대한 타이어별 수직 항력을 계산하는 단계;
상기 계산된 타이어별 종 및 횡 방향의 슬립각과 상기 타이어별 수직 항력을 타이어별 슬립각이 반영된 비선형 타이어 모델에 적용하여 각 타이어의 종 및 횡 방향의 힘을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 각 타이어의 종 및 횡 방향의 힘을 타이어별 힘이 반영된 4휠 차량 모델(FWVM: Four Wheel Vehicle Model)에 적용하여 차량의 위치를 추정하는 단계
를 포함하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법.12. The method of claim 11,
The step of estimating the position of the vehicle
Calculating a slip angle in a longitudinal direction and a lateral direction for each tire by using the obtained state information of the vehicle;
Calculating a vertical drag per tire relative to a contact point of the tire and the road surface;
Calculating longitudinal and lateral forces of each tire by applying the computed slip angle in the longitudinal and lateral directions of each tire and the vertical drag per tire to a nonlinear tire model reflecting a slip angle for each tire; And
Estimating the position of the vehicle by applying the calculated longitudinal and lateral forces of the respective tires to a four wheel vehicle model (FWVM)
And estimating a position of the vehicle using the nonlinear tire model.
상기 슬립각을 계산하는 단계는
상기 획득된 차량의 상태 정보 중에서 휠 중심에서의 각속도, 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 종 및 횡 방향 속도를 이용하여 종 방향의 슬립각을 계산하고, 상기 획득된 차량의 상태 정보 중에서 조향각, 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 종 및 횡 방향 속도를 이용하여 횡 방향의 슬립각을 각각 계산하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법.14. The method of claim 13,
The step of calculating the slip angle
Calculating longitudinal slip angles using longitudinal and lateral speeds of the angular velocity at the center of the wheel, the contact points of the tire and the road surface among the obtained state information of the vehicle, and calculating a steering angle, A method for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model that calculates a lateral slip angle using the longitudinal and transverse speeds of the contact points of the road surface, respectively.
상기 수직 항력을 계산하는 단계는
차량의 무게중심으로부터 전륜 및 후륜까지의 길이, 좌륜 및 우륜 간의 너비, 종 및 횡 방향의 가속도를 토크 밸런스를 고려하여 타이어 및 노면의 접촉점에 대한 타이어별 수직 항력을 계산하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법.14. The method of claim 13,
The step of calculating the vertical drag
A vehicle using a nonlinear tire model that calculates the vertical drag per tire relative to the contact point between the tire and the road surface in consideration of the torque balance, the length from the center of gravity of the vehicle to the front and rear wheels, the width between the left and right wheels, / RTI >
상기 차량의 위치를 추정하는 단계는
상기 획득된 차량의 GPS 위치와 4휠 차량 모델로부터 추정한 차량의 위치를 확률적으로 융합하는 확장형 칼만 필터를 기초로 하여 차량의 위치를 추정하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법.12. The method of claim 11,
The step of estimating the position of the vehicle
And estimating a position of the vehicle on the basis of an extended Kalman filter that stochastically fuses the obtained GPS position of the vehicle with the position of the vehicle estimated from the four-wheel vehicle model.
상기 차량의 위치를 추정하는 단계는
k+1번째 시스템 상태와 k+1번째 오류 공분산을 계산하여 시간을 업데이트하는 단계; 및
상기 획득된 차량의 상태 정보를 이용하여 k번째 상태-추정과 k번째 오류 공분산을 업데이트하여 측정을 업데이트하는 단계
을 더 포함하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법.17. The method of claim 16,
The step of estimating the position of the vehicle
updating a time by calculating a (k + 1) th system state and a (k + 1) -th error covariance; And
Updating the measurement by updating the kth state-estimate and the kth error covariance using the obtained state information of the vehicle
And estimating the position of the vehicle using the nonlinear tire model.
상기 시간을 업데이트하는 단계는
1차 오일러 근사화를 적용하여 차량 동역학 모델을 이산화하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법.18. The method of claim 17,
The step of updating the time
A Method for Estimating Vehicle Location Using Nonlinear Tire Model Discretizing Vehicle Dynamics Model Using First Order Euler Approximation.
상기 시간을 업데이트하는 단계는
비선형 시스템 모델의 자코비안으로 매트릭스 A를 계산하고, 상기 계산된 매트릭스 A를 이용하여 k+1번째 오류 공분산을 계산하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법.18. The method of claim 17,
The step of updating the time
Calculating a matrix A in a Jacobian of a nonlinear system model, and calculating a (k + 1) th error covariance using the calculated matrix A. A method for estimating a position of a vehicle using a nonlinear tire model.
상기 측정을 업데이트하는 단계는
차량의 GPS 위치, 종 및 횡 방향의 가속도, 요 레이트가 포함되어 설정된 측정 모델을 기초로 하여, 매트릭스 H를 자코비안으로 계산하고, 상기 계산된 매트릭스 H로부터 칼만 이득을 계산하여 k번째 상태-추정을 계산하는 비선형 타이어 모델을 이용한 차량의 위치 추정 방법.18. The method of claim 17,
The step of updating the measurement
Estimating the kth state-estimate from the calculated matrix H by calculating the matrix H based on the measured model including the vehicle's GPS position, longitudinal and lateral acceleration, and yaw rate, A method for estimating the position of a vehicle using a nonlinear tire model.
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KR20170065365A (en) * | 2015-12-03 | 2017-06-13 | 현대자동차주식회사 | Apparatus and method for calculating active control value of integrated control system |
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KR20230153515A (en) * | 2021-03-29 | 2023-11-06 | 지멘스 인더스트리 소프트웨어 엔브이 | Method and system for determining operating performance parameters of a device |
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