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문제 정의
- 본 연구에서 개발된 VR 시물레이션 시스템을 검증하기 위하여 위험상황에 대한 운전자 인지반응 실험을 수행하였다. 실험을 통해 운전자 인지반응 시간 및 차량 가속도를 측정하여 결과 데이터로써 평균값을 산출하였다.
- 본 연구에서는 3D 도로모델에 관한 연구16)에서 경부 고속도로를 대상으로 구축한 VR 데이터베이스를 본 연구의 목적에 맞게 수정하였다. VR 데이터베이스는 현실감을 제공하는 것이 주목적이므로, 실사의 이미지를 표현하는 동시에 그래픽을 실시간으로 재현하기 위해 모델링(mode ling) 및 렌더링(rendering) 기법을 사용하였다.
- 본 연구에서는FVCWS 설계 시 운전자 인지반응을 고려하기 위한 VR 시뮬레이션 시스템을 개발하였다. 이를 위하여, 운전자의 입력에 따라 실제차량의 동적거동을 재현할 수 있는 차량동역학 모델과 주행환경을 운전자에게 제공하는 VR 데이터베이스를 구성하였다.
- 실험을 통해 운전자 인지반응 시간 및 차량 가속도를 측정하여 결과 데이터로써 평균값을 산출하였다. 이를 선행연구들과 비교하여 개발한 시스템을 검증하고자 한다. 또한 데이터 분석을 통하여 FVCWS 설계 시 필요한 파라미터 수치를 도출하였다.
- 이에 본 연구에서는FVCWS 설계 시 운전자 특성을 고려할 수 있는 VR(Virtual Reality) 시물레이션 시스템을 개발하고자 한다. 이를 위해 현실감 있는 VR 데이터베이스를 확보한다.
- 특히, 본 연구에서는 운전자에게 적절한 경고를 제공하기 위한 FVCWS 설계를 위하여, VR 시물레이션 시스템을 이용하여 a와 τ를 측정하여 운전자 특성을 고려하고자 한다.
가설 설정
- 여기서, vf은 대상차량 속도, vr는 대상차량과 선행차량간의 상대속도, a는 대상차량 및 선행차량의 최대 가속도이며, 동일하다고 가정하였다. τ는 운전자 및 시스템의 지연시간, d0는 옵셋(offset) 거리이다.
제안 방법
- 차량동역학 모델은 시뮬레이션의 신뢰성을 확보하기 위하여 적용하였다. VR 데이터 베이스는 경부 고속도로를 대상으로 모델링을 수행하였으며, 고용량 3D 모델의 실시간 렌더링에 적합한 모델링 및 렌더링 기법을 적용하였다. 이를 통하여 렌더링 시 높은 프레임율을 유지할 수 있었으며, 운전자에게 현실감 및 몰입감을 제공할 수 있었다.
- VR 데이터베이스를통해 지형, 차량, 주변시설물 등의 영상정보와 실제 차량의 음향을 샘플링한 사운드정보 등을 구축하였다. 이를 차량동역학 모델에 의해 계산되는 차량의 움직임에 따라 그래픽 및 사운드 시스템을 통해 재현할 수 있도록 각 시스템들을 연계하였다.
- VR 시물레이션 시스템은 차량동역학 모델과 VR 데이터베이스를 연계하여 실시간성을 확보하였다. 또한 연계 시 각 시스템들의 좌표계를 수학적으로 계산하여 일치시킴으로써 VR 시스템이 실세계를 반영할 수 있도록 하였다.
- VR 시뮬레이션 시스템의 신뢰성을 확보하기 위하여 운전자의 입력에 따라실제차량의 동적거동을 재현할 수 있는 차량동역학 모델을 구성하였다. 또한 운전자 인지반응 실험의 신뢰성을 확보하기 위하여 실차실험을 통해 차량동역학 모델의 가속 및 감속 성능에 대하여 검증하였다.
- 011로 각각 계산되었다. 가속성능실험은 정지 상태에서 가속페달의 작동비율을 각각 100%, 60%, 30%로 조작하고, 제동성능 실험은 초기 속도 100km/h에서 브레이크 답력비율을 각각 100%, 60%, 30% 로 조작하여 차량의 속도 및 가속도 변화를 측정하였다.
- 개발된 VR 시뮬레이션 시스템을 검증하기 위하여 운전자 인지반응 실험을 수행하였다. 이를 통해 실제 실험환경에서는 수행이 불가능한 위험상황에 대한 운전자 인지반응 시간 및 차량 가속도 데이터를 얻을 수 있었다.
- 또한 그래픽/사운드 시스템과 주행입력 장치를 통하여 운전자 조작에 따라 3 차원 영상 및 음향 효과를 운전자에게 피드백(feedback)하도록 구성한다. 개발된 시스템을 검증하기 위하여 선행차량의 급 감속으로 인한 위험상황을 적용하여 운전자 인지반응 시간 및 차량 가속도를 측정한다. 측정된 데이터 분석을 통하여 FVCWS 설계 시 필요한 파라미터 수치를 도출하고, 선행연구 결과들과 비교함으로써 개발된 시스템의 효용성을 검증한다.
- 시스템 연계 시 차량동역학 모델은 실세계의 물리량을 기준으로 연산이 이루어지는 반면에 VR 공간상의 차량은 VR 공간의 좌표를 기 준으로 모든 연산을 처리한다. 따라서 실세계와 VR 공간사이의 좌표 차이를 계산하여 동일하게 연계하였다.
- 운전자 인지반응 시간은 선행차량의 감속에 의한 위험상황이 발생한 시점에서 운전자가 이를 인지하여 브레이크 페달을 조작하는 시점까지로 정의하여 측정하였다. 또한 감속 시 차량 가속도를 측정하여 운전자의 경고음에 대한 반응을 분석 할 수 있도록 하였다. 앞서 언급한 위험상황이 최소한 3번 이상 발생할 때까지 실험을 진행하였으며, 이는 실험에 대한 개인의 편차를 최소화시키기 위함이다.
- 이를 선행연구들과 비교하여 개발한 시스템을 검증하고자 한다. 또한 데이터 분석을 통하여 FVCWS 설계 시 필요한 파라미터 수치를 도출하였다.
- 이를 위해 현실감 있는 VR 데이터베이스를 확보한다. 또한 시물레이션의 신뢰성을 확보하기 위하여 차량의 비선형 특성을 고려한 차량동역학 모델을 구성한다.구성된 차량 동역학 모델과 V R 데이터베이스의 연계과정에서 시물레이션의 실시간성을 확보한다.
- 8과 같은 환경에서 실험에 참가하였다. 또한 실험 후 피실험자에게 설문조사를 통해 VR 시뮬레이션 시스템의 현실감 제공 정도를 조사하여 미약한 점을 보완하였다.
- VR 시물레이션 시스템은 차량동역학 모델과 VR 데이터베이스를 연계하여 실시간성을 확보하였다. 또한 연계 시 각 시스템들의 좌표계를 수학적으로 계산하여 일치시킴으로써 VR 시스템이 실세계를 반영할 수 있도록 하였다.
- VR 시뮬레이션 시스템의 신뢰성을 확보하기 위하여 운전자의 입력에 따라실제차량의 동적거동을 재현할 수 있는 차량동역학 모델을 구성하였다. 또한 운전자 인지반응 실험의 신뢰성을 확보하기 위하여 실차실험을 통해 차량동역학 모델의 가속 및 감속 성능에 대하여 검증하였다.
- 차량동역학 모델은 쓰로틀 개도의 입력에 따라 엔진출력으로부터 차륜의 회전운동까지의 동력전달계 모델을 통해 구동력을 연산하고, 브레이크 답력에 따라 브레이크 모델을 통한 제동력을 연산한다. 또한 조향 입력에 의한 전륜 조향각의 변화에 따라 차체의 무게 중심에서 발생되는 모멘트를 계산하여 차량 수직축 방향의 회전력을 연산한다. 본 연구에서의 동력전달계 모델은 SVPG(Sungkyunkwan Univ.
- 이를 통하여 렌더링 시 높은 프레임율을 유지할 수 있었으며, 운전자에게 현실감 및 몰입감을 제공할 수 있었다. 또한, 각 시스템의 연계과정에서 시뮬레이션의 실시간성 및 VR 공간과 실세계에서의 물리량 차이를 고려하여 VR 시뮬레이션 시스템이 실세계를 표현할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 차량동역학 시물레이션의 실시간성 확보를 위해 SDK의 함수를 사용하여 프로그래밍 하였다. 또한, 차량동역학 모델과 VR을 연계하여 시물레이션을 했을 때, 프레임율이 40fps의 성능을 나타낼 수 있도록 그래픽 렌더링 프로그램을 구성하였다. 이롤 위하여 폴리곤 분산과 프레임 스키핑(frame skipping) 기법을 사용하여 안정적인 렌더링 성능을 얻을 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 차량동역학 시물레이션의 실시간성 확보를 위해 SDK의 함수를 사용하여 프로그래밍 하였다. 또한, 차량동역학 모델과 VR을 연계하여 시물레이션을 했을 때, 프레임율이 40fps의 성능을 나타낼 수 있도록 그래픽 렌더링 프로그램을 구성하였다.
- 또한 조향 입력에 의한 전륜 조향각의 변화에 따라 차체의 무게 중심에서 발생되는 모멘트를 계산하여 차량 수직축 방향의 회전력을 연산한다. 본 연구에서의 동력전달계 모델은 SVPG(Sungkyunkwan Univ. Virtual Proving Ground)의 연구14)에서 사용된 모델을 일부 수정하여 사용하였다.
- 앞서 구성한 차량동역학 모델의 동특성, 객관성, 안정성, 실차주행의 재현성 등을 검증하기 위하여, 다양한 가속 및 감속 조건에서 실차실험을 수행하였다. 실차실험 결과를 통하여, 차량동역학 모델의 운동특성 모사를 위한 파라미터 추정 및 시물레이션 결과를 검증할 수 있었다.
- 5g로 급 감속하도록 프 로그래밍 하였다. 이 때 선행차량의 브레이크 램프와 함께 경고음이 발생하는 경우와 발생하지 않는 경우로 나누어 시나리오를 작성하였다.
- 본 연구에서는FVCWS 설계 시 운전자 인지반응을 고려하기 위한 VR 시뮬레이션 시스템을 개발하였다. 이를 위하여, 운전자의 입력에 따라 실제차량의 동적거동을 재현할 수 있는 차량동역학 모델과 주행환경을 운전자에게 제공하는 VR 데이터베이스를 구성하였다. 차량동역학 모델은 시뮬레이션의 신뢰성을 확보하기 위하여 적용하였다.
- VR 데이터베이스를통해 지형, 차량, 주변시설물 등의 영상정보와 실제 차량의 음향을 샘플링한 사운드정보 등을 구축하였다. 이를 차량동역학 모델에 의해 계산되는 차량의 움직임에 따라 그래픽 및 사운드 시스템을 통해 재현할 수 있도록 각 시스템들을 연계하였다.
- 주행입력 장치는 운전자 인자를 VR 시물레이션 시스템에 반영하기 위하여 구성하였다. 주행입력 장치의 소프트웨어적 구현을 위해서 하드웨어 드라이버인 DirectX SDK(Software Development Kit)와 개발자용 드라이버 라이브러리인 CDX(Class for DirectX)를 이용하였다.
- 이를 위하여, 운전자의 입력에 따라 실제차량의 동적거동을 재현할 수 있는 차량동역학 모델과 주행환경을 운전자에게 제공하는 VR 데이터베이스를 구성하였다. 차량동역학 모델은 시뮬레이션의 신뢰성을 확보하기 위하여 적용하였다. VR 데이터 베이스는 경부 고속도로를 대상으로 모델링을 수행하였으며, 고용량 3D 모델의 실시간 렌더링에 적합한 모델링 및 렌더링 기법을 적용하였다.
- 타행주행 실험은 실험차량의 초기속도 60km/h에서 기어중립상태로 운전자의 운전조작 없이 타행주행하는 상태에서 차량의 속도변화를 측정하였다.
- 피실험자는 선행차량을 추종하도록 하였으며, 선행차량은 초기속도 0km/h에서 가속하여 110km/h로 주행하도록 설정하였다. 110km/h로 주행하는 도중 선행차량과의 TTC(Time To Collision)가 1.
대상 데이터
- 적응주행을 마친 후에 본 실험을 시행하였으며, 피실험자는 총 59명으로 남성 38명, 여성 21명이 참여하였다. 20~30대의 본 실험의 목적을 알지 못하는 운전경력 1년 이상의 운전자를 대상으로 실험을 진행하였다. 실험은 Fig.
- 이에 본 연구에서는FVCWS 설계 시 운전자 특성을 고려할 수 있는 VR(Virtual Reality) 시물레이션 시스템을 개발하고자 한다. 이를 위해 현실감 있는 VR 데이터베이스를 확보한다. 또한 시물레이션의 신뢰성을 확보하기 위하여 차량의 비선형 특성을 고려한 차량동역학 모델을 구성한다.
- 이는 피실험자의 VR 시뮬레이션 시스템에 대한 적응을 돕기 위 함이다. 적응주행을 마친 후에 본 실험을 시행하였으며, 피실험자는 총 59명으로 남성 38명, 여성 21명이 참여하였다. 20~30대의 본 실험의 목적을 알지 못하는 운전경력 1년 이상의 운전자를 대상으로 실험을 진행하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 개발된 VR 시물레이션 시스템을 검증하기 위하여 위험상황에 대한 운전자 인지반응 실험을 수행하였다. 실험을 통해 운전자 인지반응 시간 및 차량 가속도를 측정하여 결과 데이터로써 평균값을 산출하였다. 이를 선행연구들과 비교하여 개발한 시스템을 검증하고자 한다.
- 개발된 시스템을 검증하기 위하여 선행차량의 급 감속으로 인한 위험상황을 적용하여 운전자 인지반응 시간 및 차량 가속도를 측정한다. 측정된 데이터 분석을 통하여 FVCWS 설계 시 필요한 파라미터 수치를 도출하고, 선행연구 결과들과 비교함으로써 개발된 시스템의 효용성을 검증한다.
이론/모형
- VR 데이터베이스 구축 시 모델링 프로그램인 Multigen Creator ver. 2.5.117)과Open GL 기반의 그래픽 렌더러(renderer)인 Vega Prime18)을 사용하였다 이를 이용하여 렌더링 된 화면은 Fig. 6과 같다.
- 에서 경부 고속도로를 대상으로 구축한 VR 데이터베이스를 본 연구의 목적에 맞게 수정하였다. VR 데이터베이스는 현실감을 제공하는 것이 주목적이므로, 실사의 이미지를 표현하는 동시에 그래픽을 실시간으로 재현하기 위해 모델링(mode ling) 및 렌더링(rendering) 기법을 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 차량동역학 모델은 서명원13) 등에 의하여 개발된 8 자유도 차량동역학 모델을 사용하였으며, 주행입력 장치로부터 쓰로틀, 브레이크, 조향 입력을 받을 수 있도록 구성하였다. 차량동역학 모델은 쓰로틀 개도의 입력에 따라 엔진출력으로부터 차륜의 회전운동까지의 동력전달계 모델을 통해 구동력을 연산하고, 브레이크 답력에 따라 브레이크 모델을 통한 제동력을 연산한다.
- 또한, 차량동역학 모델과 VR을 연계하여 시물레이션을 했을 때, 프레임율이 40fps의 성능을 나타낼 수 있도록 그래픽 렌더링 프로그램을 구성하였다. 이롤 위하여 폴리곤 분산과 프레임 스키핑(frame skipping) 기법을 사용하여 안정적인 렌더링 성능을 얻을 수 있도록 하였다.
- 주행입력 장치는 운전자 인자를 VR 시물레이션 시스템에 반영하기 위하여 구성하였다. 주행입력 장치의 소프트웨어적 구현을 위해서 하드웨어 드라이버인 DirectX SDK(Software Development Kit)와 개발자용 드라이버 라이브러리인 CDX(Class for DirectX)를 이용하였다. 그래픽/사운드 시스템은 VR 시뮬레이션 시스템의 현실감 및 몰입감을 향상시키기 위하여 Fig.
성능/효과
- 1) 운전자 인지반응 실험을 통하여 경고조건에서의 운전자 인지반응 시간 평균값은 0.696sec, 차량 가속도 평균값은 -6.67m/s2이며, 운전자 인지반응 시간 표준편차는 0.167로 분석되었다.
- 2) 실험 데이터를 분석하여 운전자가 수용할 수 있는 파라미터를 충돌 한계곡선을 통하여 도출할 수 있었으며, 도출된 최소 운전자 인지 반응 시 간은 0.492sec, 최소 차량 가속도는 -4.21m/s2이었다. 이를 FVCWS의 경고거리 산출 식에 적용함으로써 운전자가 수용 가능한 경고를 제공할 수 있을 것이라 판단된다.
- 이를 통해 실제 실험환경에서는 수행이 불가능한 위험상황에 대한 운전자 인지반응 시간 및 차량 가속도 데이터를 얻을 수 있었다. 데이터 분석을 통하여 FVCWS 설계 시 필요한 파라미터 수치를 도출하였으며, 선행연구와의 비교를 통해 개발된 시스템의 효용성을 검증하였다. 따라서 본 연구에서는 VR 시뮬레이션 시스템 개발을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 58m/s2로 분석되었다. 따라서 경고조건에서 평균 차량 가속도가 더 큰 것을 알 수 있으며, 성별에 따른 평균 차량 가속도의 차이는 거의 없음을 볼 수 있다.
- 73sec를 기록하였다. 따라서 본 연구를 통해 개발한 시스템을 사용하여 실험을 수행함으로써 선행연 구들의 결과와 유사한 수치를 얻을 수 있었으며, 이를 바탕으로 시스템의 효용성을 검 증할 수 있었다.
- 적용된 모델링 및 렌더링 기법으로는 텍스쳐(texture)에 투명한 값을 추가하여 실제와 같이 표현하는 알파 블렌딩 텍스쳐 맵핑(alpha blending texture mapping), 텍스쳐의 렌더 링을 단순화시킴으로써 연산속도를 향상시키는 텍스쳐 밉 맵핑(texture mip-mapping), 평면 도형에 맵 텍스쳐로 표현하는 빌보드(billboard) 등이 있다. 또한 사용자의 시점과 3D 모델간의 거리에 따라 세분화된 모델을 단계적으로 렌더링 하는 LOD(Level of Detail) 기법을 사용하여 높은 프레임율(fram e rate)을 유지할 수 있었다.
- 앞서 구성한 차량동역학 모델의 동특성, 객관성, 안정성, 실차주행의 재현성 등을 검증하기 위하여, 다양한 가속 및 감속 조건에서 실차실험을 수행하였다. 실차실험 결과를 통하여, 차량동역학 모델의 운동특성 모사를 위한 파라미터 추정 및 시물레이션 결과를 검증할 수 있었다.
- VR 데이터 베이스는 경부 고속도로를 대상으로 모델링을 수행하였으며, 고용량 3D 모델의 실시간 렌더링에 적합한 모델링 및 렌더링 기법을 적용하였다. 이를 통하여 렌더링 시 높은 프레임율을 유지할 수 있었으며, 운전자에게 현실감 및 몰입감을 제공할 수 있었다. 또한, 각 시스템의 연계과정에서 시뮬레이션의 실시간성 및 VR 공간과 실세계에서의 물리량 차이를 고려하여 VR 시뮬레이션 시스템이 실세계를 표현할 수 있도록 하였다.
- 에서는 321명의 피실험자를 대상으로 10km 도로구간을 주행하는 중 경적소리가 나면 브레이크를 조작하도록 하였다. 측정된 운전자 인지반응시간은 0.3sec에서 2.0sec의 범위에 걸쳐서 분포하였으며, 평균값은 0.66sec이었다. 또한 Yamada등의 연구7)에서는 선행차량의 감속으로 인하여 경고음을 제공하였을 때에 운전자 인지반응 시간은 0.
후속연구
- 3) 개발된 시스템은 운전자 특성을 고려하고 향후 FVCWS 설계 시 필요한 파라미터를 도출하기 위한 실험기 반을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
- 9에 표기한 충돌과 비 충돌 영역 사이의 경계선을 충돌 한계 곡선(collision boundary curve)이라 임의로 설정하였다. 이를 FVCWS에 적용함으로써 운전자의 주행을 방해하지 않으면서 중돌의 피해를 최소화 할 수 있는 파라미터를 추출할 수 있을 것이라 기대된다. 또한 데이터 분석을 통해 도출된 최소 운전자 인지 반응 시간은0.
- 21m/s2이었다. 이를 FVCWS의 경고거리 산출 식에 적용함으로써 운전자가 수용 가능한 경고를 제공할 수 있을 것이라 판단된다.
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