전기 신호식 조향 시스템의 안전 메커니즘에 대한 연구

Abstract

본 논문에서는 전기 신호식 조향 시스템(Steer-by-Wire)에 대해 고장 발생 시 시스템을 안전 상태로 유지 혹은 전환하기 위한 방안이 연구되었다. 고안된 방안은 시스템 내 결함이 발생한 경우나 보안 위협에 대응하여 자율 주행이나 일반 조타 기능의 고장 회복 탄력성을 보완할 수 있다. 수십년 간 전기 신호식 조향 시스템의 운용 메커니즘과 이를 위한 기술이 연구되어왔음에도 그간 자유 장착형 양산 제품이 나오지 않은 이유는 이 시스템이 갖고 있는 형태에 따른 필연적인 안전 문제였다. 전기 신호식 조향 시스템은 두 개의 분리된 엑츄에이터(Actuator)로 동작하는데 두 엑츄에이터간 기계적인 연결(Linkage)없이 동작하는 것은 둘 중 어느 하나라도 고장 상태가 되면 운전자의 조향 의지를 차량 거동으로 만들지 못하는 문제를 갖고 있기 때문이다. 기존의 전동식 조향 장치(Electric power steering)에서 갖고 있던 안전 상태(Safe state)는 보조 조타력 상실(Loss of assist)로 시스템에서 보조하는 동력을 차단시켜 운전자로 하여금 조향 휠(Steering wheel)에서 랙(Rack)으로의 기계적인 연결을 통해 차량 거동을 지속시키는 것이다. 반면, 전기 신호식 조향 시스템의 경우 분리된 엑츄에이터로 인해 안전 메커니즘(Safety mechanism) 상 운전자가 개입할 수 없고 이에따라 시스템 자체적으로 안전 상태를 만들 수 있어야 한다. 이러한 안전 요구사항을 만족하기 위하여 그 동안 여러 종류의 메커니즘이 연구, 제안되어 왔는데 두 엑츄에이터 사이에 기계적인 클러치를 사용하는 것이 대표적인 보완 방안이었다. 하지만 이러한 기계적인 클러치는 전기 신호식 조향 시스템이 갖고 있는 본연의 장점인 차량 내 레이아웃(Layout)의 자유도나 설치 상의 확장성을 무력화 시킬 수 있다. 또한, 바퀴를 구동하는 엑츄에이터를 좌 ·우로 구분하여 운용하는 방법론도 제안되었지만 여전히 결함 발생시 시스템의 기능을 완벽히 유지하지 못하고, 조향 휠 엑츄에이터에 문제가 발생했을 때에는 운전자에게 해(Damage)를 가할 수도 있어 양산 수준의 안전 메커니즘 방안이 될 수 없다. 본 논문에서는 이러한 시스템의 안전 상태로의 천이 및 이를 통한 기능과 안전의 유지를 목적으로 전기 신호식 조향 시스템에 필요한 이중화(Redundant) 장치와 이를 운용하는 방안을 제안한다. 이는 조향 반력 장치(Steering feedback actuator)와 조타 장치(Road wheel actuator)의 전자 장치를 이중화하고 하나의 하우징(Housing)으로 조립된 모터(Motor)를 활용하여 시스템의 동작성을 이중화 시킴으로써 둘 중 하나의 전자 장치에서 결함 발생 시 다른 하나의 장치에서 온전히 해당 엑츄에이터의 기능을 대신하게 하는 방안이다. 이러한 메커니즘은 두 전자 장치 사이의 실시간 통신과 이를 통한 상대 전자 장치의 상태 파악에 따른 활성화(Activation) 기능에 의해 실현될 수 있다. 또한 실시간 통신으로 운용되는 조향 반력 장치와 조타 장치의 상호 연동 동작 과정에서 두 엑츄에이터 중 하나에 결함이나 고장이 발생했을 때 나타날 수 있는 연계 문제와 이에 따른 위험 요소(Hazard)를 극복하기 위한 방안도 제안되었다. 이는 조향 반력 장치에 전체 시스템의 상태 파악과 모드(Mode)를 관리하는 역할을 부여하여 조향 반력 장치와 조타 장치가 마스터(Master)와 슬레이브(Slave) 형태로 동작하게 하고, 두 엑츄에이터 간 활성화된 전자 장치를 직렬 형태로 맞추는 방법을 통해 안전 메커니즘을 설계하고 검증하였다. 또한 발생 가능한 결함의 사례를 정의하고, 각 사례에 따른 시스템 내 전자 장치들의 활성화 과정에 대한 동적인 분석을 진행하여 이를 실제 엑츄에이터로 검증해 보았다. 이후 검증 결과로써 제안한 안전 메커니즘의 유효성을 평가하였고 이를 통해 전기 신호식 조향 시스템의 고장 탄력성 확보라는 목표를 달성 할 수 있었다. 향후, 제안한 설계와 운영 방안을 바탕으로 시스템의 보안 탄력성의 확대를 위한 방안을 연구하여 차량 수명 내 시스템의 가용성(Availability)를 최대화 혹은 유지함으로써 V2X(Vehicle to everything)와 자율 주행에 필요한 샤시(Chassis) 제품의 안전성(Safety) 및 보안(Security) 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다