Development of compact steering module and high-fidelity steering feel generating algorithm for steer-by-wire system

Abstract

This thesis presents research on the development of a compact steering wheel for Steer- by-Wire(SBW) systems and steering feel generation algorithms. SBW is an advanced technol- ogy applied to vehicle systems that eliminates the mechanical connection between the steering wheel and the tire wheels. This characteristic provides distinct advantages and disadvantages for the driver. Detailed advantages and disadvantages are explained in the main body of the thesis. To mitigate the drawbacks and enhance the benefits of SBW, three key issues were addressed from both hardware and software perspectives. During the doctoral course, I developed a novel type of steering wheel module to solve the problem of light mechanical resistance, which is a known issue in steering systems produced by traditional automotive companies. The precision of the steering torque control in the developed module was experimentally validated. Additionally, research was conducted on generating the steering feel, which is one of the critical issues to address in SBW systems. A SBW imple- mentation algorithm was proposed that combines the reference steering model(RSM) method, which allows the driver’s steering feel to be adjusted as desired, with the bilateral control(BiC) method, which conveys road reaction forces to the driver. To quantitatively evaluate the qualitative index of steering feel, a ”Steering Feel Func- tion” model based on transfer functions was introduced. This model allows for quantitative comparison and assessment of the differences between conventional methods and the proposed SBW steering feel implementation method. Furthermore, a method was introduced to define the road-vehicle interaction model using multiple linear regression. This method enables the determination of the restoring stiffness coefficient that varies with vehicle speed. The validity of this approach was verified through both vehicle experiments and simulations. Keywords: Steer-by-wire system, Steering wheel module, Steering feel, Road environment estimation, Road-Vehicle interaction model|본 논문에서는 SBW의 컴팩트 조향휠 개발 그리고 조향감 생성알고리즘에 관한 연구를 제시했다. SBW는 차량시스템에 적용된 최신의 기술로써 조향휠과 타이어휠 사이의 기계적 연결이 끊어진 조향시스템이다. 이러한 특성으로 인해 운전자는 뚜렷한 장단점이 생긴다. 상세한 장단점은 논문의 본문에 설명되고, SBW의 단점을 보완하고 장점을 살리기 위해서 하드웨어와 소프트웨어 관점에서 3가지 문제점을 풀고자 했다

본 연구자는 박사학위동안의 연구를 통해 기존 자동차 회사에서 생산하는 조향시스템의 문제점인 가벼운 기계적 저항문제를 해결하기위한 새로운 타입의 조향휠 모듈을 개발했고, 정밀한 조향토크제어가 가능한 조향모듈임을 실험을 통해 검증했다. 또한 SBW에서 풀어야할 문제들 중 하나인 조향감 생성에 관한 연구를 했다. 운전자의 조향감을 원하는 대로 바꿀수 있는 RSM 방법과 노면의 반력을 운전자에게 전달할 수 있는 BiC방법을 병합하는 새로운 방식의 SBW 구현화 알고리즘을 제안했다. 정성적지표 중 하나인 조향감을 정량적 기준으로 평가하기 위해, 전달함수를 이용해서 정량적 비교를 할 수 있는 "조향감 함수"모델을 제시했다. 이를 이용해 기존방식과 제안하는 SBW 조향감 구현 방식의 차이점을 확인할 수 있었다. 더나아가 도로와 차량간의 상호작용모델을 다중선형회귀모형을 이용해서 정의하는 방법을 소개했다. 이 방법을 통해 차량의 속도에 변화하는 복원력의 강성계수를 찾을 수 있었다. 이는 차량실험과 차량시뮬레이션을 통해 검증되었다.