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문제 정의
- ACC는 충돌경보 및 충돌회피, 차선 유지 시스템, 충돌 경감 브레이크 시스템과 같이 ASV(Advanced Safety Vehicle)를 이루는 핵심 기술이다. ACC의 목적은 차량의 종방향 속도와 거리를 제어하고, 운전자의 운전 부하를 최소화 시켜주는데 있다.1) 이러한 시스템은 21C 자동차 문화 산업의 발달에 따른 텔레매틱스 환경 속에서 운전자의 운전 부하를 감소시켜, 사고 예방과 방지에 유용한 시스템이 될 것이다.
- 본 논문에서는 운전자 주행 실험 데이터에 기초한 차량 순항 제어기를 제안하였다. 125명의 참가자들로부터 얻어진 고속도로나 고밀도의 도심 도로 등의, 다양한 도로 상황을 포함하는 운전자 주행 실험 데이터로부터 시간 간격(Time-gap)과 충돌 시간 (TTC)를 이용해 운전자 주행 특성을 분석하였으며, 운전자의 시간지연과 가감속시 사용하는 가속도 영역 등을 분석하였다.
- 이 논문에서는 125(남 65, 여 60)명의 실험 참가자들로부터 획득한 운전자 주행 실험 데이터로부터 운전자 주행 특성을 분석하였다. 속도에 따라 선행 차량과 적절한 차간 거리를 유지하려는 운전자의 거동을 분석하여, 목표 차간거리 오차에 초점을 맞추어 ACC 제어기를 설계하였으며,3) 운전자 주행 특성 분석을 통해 제안된 ACC 제어기의 성능 검증은 운전자 주행 실험 데이터를 이용해 비교, 평가하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 운전자 주행 실험 데이터에 기초한 차량 순항 제어기를 제안하였다. 125명의 참가자들로부터 얻어진 고속도로나 고밀도의 도심 도로 등의, 다양한 도로 상황을 포함하는 운전자 주행 실험 데이터로부터 시간 간격(Time-gap)과 충돌 시간 (TTC)를 이용해 운전자 주행 특성을 분석하였으며, 운전자의 시간지연과 가감속시 사용하는 가속도 영역 등을 분석하였다. 이러한 분석 결과를 적응 순항 제어기 설계에 적용하여, 운전자의 주행 특성에 기반한 적응 순항 제어기를 제안하였다.
- ACC 차량의 속도와 거리를 제어하기 위한 목표 가속도는 레이더 센서를 사용하여 측정한 차량의 속도와 거리 정보를 이용해 최적 제어 이론을 통해 구하였으며, 제어 차량의 목표 가속도를 추종하기 위해 스로틀/브레이크 제어기를 설계하였다.
- 적응 순항 제어기는 두 단계로 구성하였다. 먼저 제어 차량의 목표 가속도를 설계하기 위한 제어기를 구성하였고, 목표 가속도를 추종하기 위한 스로틀-브레이크 제어기를 설계하였다. 제어 차량의 목표 가속도는 레이더 센서로부터 측정된 속도와 상대거리 정보를 사용하여 설계하였으며, 스로틀/브레이크 제어기는 목표 가속도 궤적을 적응 순항 차량의 가속도가 추종하도록 설계하였다.
- 운전자와 승객이 편안하게 느껴지기 위해서, ACC 시스템은 실제 운전자의 주행 상태와 유사하게 부드럽고 자연스런 거동을 보이도록 설계되어야 한다. 본 논문에서는 125명의 운전자 주행 실험 데이터 분석을 통해 2장에서와 같이 운전자 추종 Type, 가속도 특성, Time-delay등 운전자 주행 특성을 분석하였다. 이러한 분석 결과를 기반으로 ACC시스템을 설계하였다.
- 실험 차량은 밀리미터 웨이브 레이더(mmW-Radar) 센서, 레이저 레이더(Laser-Radar) 센서, 가속도 센서, 브레이크 페달 센서, 조향각 센서, 요 속도 (Yaw-Rate)센서, 비젼 카메라, 데이터 저장용 컴퓨터, 모니터, 컨트롤러로 구성되어 있다. 상대거리와 상대속도는 mmW- Radar 센서, Laser-Radar 센서를 사용하여 측정하였으며, 차속, 엔진 RPM, 토크 컨버터의 터빈 스피드, 스로틀 개도각, 기어 단수 등은 엔진 컨트롤 유닛(ECU)로부터 CAN을 이용하여 수집하였다.
- 이 논문에서는 125(남 65, 여 60)명의 실험 참가자들로부터 획득한 운전자 주행 실험 데이터로부터 운전자 주행 특성을 분석하였다. 속도에 따라 선행 차량과 적절한 차간 거리를 유지하려는 운전자의 거동을 분석하여, 목표 차간거리 오차에 초점을 맞추어 ACC 제어기를 설계하였으며,3) 운전자 주행 특성 분석을 통해 제안된 ACC 제어기의 성능 검증은 운전자 주행 실험 데이터를 이용해 비교, 평가하였다.
- 운전자 주행 실험 데이터로부터 실험 차량과 선행 차량 사이의 상대 속도, 실험차량의 가속도, 운전자의 스로틀/브레이크 입력 등을 분석하여 선행 차량의 감속에 의한 실험 차량의 감속 상황과, 정지/출발 상황에 대한 운전자의 시간지연(Time-delay)을 분석하였다.
- 운전자 주행 실험 데이터로부터 운전자의 정상 상태 주행 하에서 속도에 따른 상대거리를 분석하였다. 분석 방법은 Constant Time-Gap/Clearance를 사용하는 방법과 이차 방정식을 이용해 운전자 추종 Type을 정의하는 방법을 사용하였다.
- 운전자의 감속 특성은 선행 차량의 감속에 따라 실험 차량이 감속할 때 발생하는 접근 가속도 크기와 정상 상태 주행 상황에서 사용하는 가속도 크기를 분석하였다.
- 이 논문에서 제안된 순항 제어 알고리즘은 정상 상태 주행 상황 하에서의 ACC를 설계한 것이다. 따라서 급격한 감속이 발생하는 불안전한 주행 영역에 대한 차량 대 차량 거리는 안전하게 제어 할 수 없다.
- 7) 이 변환 곡선은 특정 속도에서 스로틀 입력이 0일 때 차량에 발생한 최소 가속도를 나타낸다. 이러한 가속도 곡선에 적절한 경계층을 설정하여 잦은 스로틀-브레이크 변환을 방지하도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 125명의 운전자 주행 실험 데이터 분석을 통해 2장에서와 같이 운전자 추종 Type, 가속도 특성, Time-delay등 운전자 주행 특성을 분석하였다. 이러한 분석 결과를 기반으로 ACC시스템을 설계하였다.
- 125명의 참가자들로부터 얻어진 고속도로나 고밀도의 도심 도로 등의, 다양한 도로 상황을 포함하는 운전자 주행 실험 데이터로부터 시간 간격(Time-gap)과 충돌 시간 (TTC)를 이용해 운전자 주행 특성을 분석하였으며, 운전자의 시간지연과 가감속시 사용하는 가속도 영역 등을 분석하였다. 이러한 분석 결과를 적응 순항 제어기 설계에 적용하여, 운전자의 주행 특성에 기반한 적응 순항 제어기를 제안하였다.
- 접근 가속도 특성 분석을 위해 40kph 이하는 저속/감속 상황, 70kph 이상은 고속/감속 상황으로 구분한 후, 운전자 주행 실험 데이터로부터 조건에 맞는 데이터를 추출, 분석하였다. Table 1은 분석 결과를 정리한 것으로 저속/감속 상황이 고속/감속 상황 보다 더 큰 감속도를 사용하는 것을 알 수 있었다.
- 제안된 순항 제어기의 성능은 다양한 도로 환경에서 주행 실험을 통해 측정한 데이터를 사용한 시뮬레이션을 통해 평가하였다. 시뮬레이션 결과로부터 운전자가 편안함을 느낄 수 있도록 급격한 가속도 변화 없이 자연스럽게 제어된 차량의 거동을 확인할 수 있었다.
- 먼저 제어 차량의 목표 가속도를 설계하기 위한 제어기를 구성하였고, 목표 가속도를 추종하기 위한 스로틀-브레이크 제어기를 설계하였다. 제어 차량의 목표 가속도는 레이더 센서로부터 측정된 속도와 상대거리 정보를 사용하여 설계하였으며, 스로틀/브레이크 제어기는 목표 가속도 궤적을 적응 순항 차량의 가속도가 추종하도록 설계하였다.
- 제어기 설계에 사용한 τ, c0, k , amin , amax 등의 파라미터 들은 제어기 설계 후 시뮬레이션 결과와 운전자 주행 실험 데이터를 비교, 분석하여 모든 속도 영역의 운전자 주행 거동과 유사하도록 운전자 주행 특성 분석을 기초로 조정하였다.
- 5, 6은 고속과 저속 상황에서의 운전자 주행 실험 데이터를 운전자의 운전 특성을 고려하지 않은 선행 연구에서 제안한 순항제어 알고리듬(Nominal)7)과 주행 특성을 고려한 적응 순항제어 알고리듬(Adaptive)의 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. 주행 특성을 고려하지 않은 제어기의 타임갭은 1.5[s]인 모든 운전자에게 고정된 값이 적용되었으나, 주행 특성을 고려한 제어기는 운전자의 주행 특성을 분석(RLS:Recursive Least Squares Method)10)으로부터 산출된 운전자마다 다른 타임갭과 운전자 주행 특성 파라미터들을 적용하였다. 결과적으로, 운전자 주행 특성을 반영한 제어기는 실제 운전자의 속도, 거리 특성과 유사한 결과가 나타 나는 것을 확인할 수 있다.
대상 데이터
- 125명의 실험 참가자들에게 Fig. 1과 같은 실험 차량을 이용해 약 한 시간 동안 정해진 시나리오 (시내/고속화 도로 주행, 차선 변경(Lane Change), 끼어들기(Cut-In/Out)...)에 따라 운전하는 방법으로 운전자 주행 실험 데이터를 수집하였다. 실험 차량은 밀리미터 웨이브 레이더(mmW-Radar) 센서, 레이저 레이더(Laser-Radar) 센서, 가속도 센서, 브레이크 페달 센서, 조향각 센서, 요 속도 (Yaw-Rate)센서, 비젼 카메라, 데이터 저장용 컴퓨터, 모니터, 컨트롤러로 구성되어 있다.
- )에 따라 운전하는 방법으로 운전자 주행 실험 데이터를 수집하였다. 실험 차량은 밀리미터 웨이브 레이더(mmW-Radar) 센서, 레이저 레이더(Laser-Radar) 센서, 가속도 센서, 브레이크 페달 센서, 조향각 센서, 요 속도 (Yaw-Rate)센서, 비젼 카메라, 데이터 저장용 컴퓨터, 모니터, 컨트롤러로 구성되어 있다. 상대거리와 상대속도는 mmW- Radar 센서, Laser-Radar 센서를 사용하여 측정하였으며, 차속, 엔진 RPM, 토크 컨버터의 터빈 스피드, 스로틀 개도각, 기어 단수 등은 엔진 컨트롤 유닛(ECU)로부터 CAN을 이용하여 수집하였다.
데이터처리
- 제안된 ACC제어기에 의해 제어된 차량의 성능은 운전자 주행 실험 데이터를 사용한 시뮬레이션을 통해 비교하였다. Fig.
이론/모형
- 운전자 주행 실험 데이터로부터 운전자의 정상 상태 주행 하에서 속도에 따른 상대거리를 분석하였다. 분석 방법은 Constant Time-Gap/Clearance를 사용하는 방법과 이차 방정식을 이용해 운전자 추종 Type을 정의하는 방법을 사용하였다.4,9)
- 선행 차량 추종을 위한 목표 가속도를 설계하기 위해서 최적 제어 이론을 적용하였다. 먼저 목표 상대거리는 식 (4)와 같이 정의하였다.
- 운전자의 정상 상태 주행을 정의하기 위해 충돌 시간(TTC: Time to Collision)를 이용하였다. TTC 는 식 (1)과 같이 상대 속도와 상대 거리로 정의된다.
성능/효과
- ACC의 목적은 차량의 종방향 속도와 거리를 제어하고, 운전자의 운전 부하를 최소화 시켜주는데 있다.1) 이러한 시스템은 21C 자동차 문화 산업의 발달에 따른 텔레매틱스 환경 속에서 운전자의 운전 부하를 감소시켜, 사고 예방과 방지에 유용한 시스템이 될 것이다. 이러한 ACC 시스템은 운전자의 정상 상태 주행과 유사하게 작동해야 한다.
- 5[s]인 모든 운전자에게 고정된 값이 적용되었으나, 주행 특성을 고려한 제어기는 운전자의 주행 특성을 분석(RLS:Recursive Least Squares Method)10)으로부터 산출된 운전자마다 다른 타임갭과 운전자 주행 특성 파라미터들을 적용하였다. 결과적으로, 운전자 주행 특성을 반영한 제어기는 실제 운전자의 속도, 거리 특성과 유사한 결과가 나타 나는 것을 확인할 수 있다.
- 정상상태 주행 영역에서 일반적인 순항 제어기보다 적응 순항 제어기는 운전자 주행 거동 특성과 유사한 거동 특성을 보이며 우수한 추종 성능을 나타내었다. 또한, 가감속 상황에서 사용하는 가속도의 크기도 실제 운전자와 유사한 값을 나타낼 수 있도록 설계되어 실제 운전자와 유사한 응답 특성을 보일 수 있었다.
- Table 1은 분석 결과를 정리한 것으로 저속/감속 상황이 고속/감속 상황 보다 더 큰 감속도를 사용하는 것을 알 수 있었다. 또한, 고속/감속 상황의 접근 감속도 분석을 Fancher의 연구와 비교한 결과 유사한 가속도 분포가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.5)
- 정지/출발 상황의 시간지연(Time-delay)은 선행차량의 출발 후 운전자의 브레이크 입력 해제 거동이 나타날 때까지를 의사결정 지연(Decision-Delay)으로, 브레이크 입력 해제 거동이 발생한 시점부터 스로틀 입력이 발생할 때까지를 동작 지연(Motion -Delay)으로 정의하였다. 분석 결과 정지/출발 상황의 의사결정 지연(Decision-Delay) 평균값은 0.53[s]이고, 동작 지연(Motion-Delay) 평균값은 1.25[s]로나타났다.
- 제안된 순항 제어기의 성능은 다양한 도로 환경에서 주행 실험을 통해 측정한 데이터를 사용한 시뮬레이션을 통해 평가하였다. 시뮬레이션 결과로부터 운전자가 편안함을 느낄 수 있도록 급격한 가속도 변화 없이 자연스럽게 제어된 차량의 거동을 확인할 수 있었다. 정상상태 주행 영역에서 일반적인 순항 제어기보다 적응 순항 제어기는 운전자 주행 거동 특성과 유사한 거동 특성을 보이며 우수한 추종 성능을 나타내었다.
- 운전자 주행 실험 데이터로부터 실험에 참여한 125명의 시간 간격(Time-Gap)의 평균값은 1.396[s]로 나타났으며, 정시 했을 때의 최소 유지 거리(c0)의 평균값은 1.995[m]로 나타났다.
- 시뮬레이션 결과로부터 운전자가 편안함을 느낄 수 있도록 급격한 가속도 변화 없이 자연스럽게 제어된 차량의 거동을 확인할 수 있었다. 정상상태 주행 영역에서 일반적인 순항 제어기보다 적응 순항 제어기는 운전자 주행 거동 특성과 유사한 거동 특성을 보이며 우수한 추종 성능을 나타내었다. 또한, 가감속 상황에서 사용하는 가속도의 크기도 실제 운전자와 유사한 값을 나타낼 수 있도록 설계되어 실제 운전자와 유사한 응답 특성을 보일 수 있었다.
후속연구
- 정상 상태 주행 상황이 아닌 급감속 같은 불안전한 영역에서의 제어 차량의 안전을 보장하기 위한 적응 순항 제어기와 충돌 경보 및 회피 알고리듬의 통합에 대한 연구, 순항 제어 차량의 주행 안정성에 관한 연구가 향후에 이루어지는 것이 필요하다.
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