[논문]퍼지 추론을 이용한 주차지원 시스템의 경로추종 운동제어

김승기; 장효환; 김창환

문제 정의

본 연구에서 주차지원 시스템을 위하여 퍼지 추론을 이용하여 기 존경 로를 추종하는 운동제어 알고리 즘을 제 안하고 경 로추종 성능을 시 뮬레 이 션을 통하여 고찰하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 MATLAB/SIMULINK와 CarSim /SIMULINK 환경에서 평 행주차 시뮬레이션을 수행하여 제어 알고리즘의 경로추종 성능을 고찰하였다. CarSim/SIMULINK 환경에서는 차량의 정확한 속도설정이 어렵고차량의 초기위치를 기준경로에서 벗어나게 할 수 없다.

가설 설정

설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 5km/h 운전조건은 후진주차 시 차량이 안정 적으로 낼 수 있는 최대속도를 가정한 것이다. 가변속도 운전조건은 운전자가 기준경 로를 따라 운전할 때 커브 구간 등 필요한 위치에서 속도를 줄인다고 가정하여 속도를 최소 0.
차량의 위치는 비젼센서, 초음파 센서, 전 후륜에 장착된 엔코더 정보와 확장 칼만 필터를 이용하여 추정 할 수 있다고 가정하였다

제안 방법

CarSim/SIMULINK 환경에서는 노면의 빙판, 요철 등 불확실성이 존재하는 환경에서 제안된 제어기의 경로추종 성능과 강인성을 확인하기 위해 차량의 초기위치를 a(0, 0, 0)로 고정하고 운전조건을 가변속도로 설정한 후 노면조건으로 마찰계수가 각각 0.85 와 0.1 인 건조한 아스팔트인 경우와 빙판인 경우에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 외란에 의해 차량의 이동 거리가 기준경로 보다 길어지는 경우의 경로추종 성능을 확인하기 위하여 Fig.
MATLAB과 CarSim을 이용하여 차량을 모델링한 후 SIMULINK 환경 에서 시뮬레이션을 수행하였으며, 다양한 초기조건과 운전조건에서 시뮬레이션 결과 만족할 만한 제어 성능을 얻었다.
P 와 N 뒤에 붙은 숫자는 크기를 의미하며 0은 매우 작은 값, 5는 매우 큰 값을 뜻한다. ye가 클 경우에는 위치 추종을 우선으로 하도록 Q 를 고려하지 않았고, ye가 작을 경우에 만 Q 를 고려하여 제어 규칙을 정하였다 입력 변수들에 대한각규칙의 추론 결과들에 무게중심법을 적용하여 최종적 인 추론 결과를 얻고 이를 비 퍼지화 하였다.
CarSim/SIMULINK 환경에서는 차량의 정확한 속도설정이 어렵고차량의 초기위치를 기준경로에서 벗어나게 할 수 없다. 따라서, 제어 알고리 즘의 경로 추종 성능과 강인성을 확인하기 위해 MATLAB/ SIMULINK 환경에서 차량의 초기위치와 운전조건을 변화시 켜가면서 시뮬레이션을수행하였다.
1 인 건조한 아스팔트인 경우와 빙판인 경우에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 외란에 의해 차량의 이동 거리가 기준경로 보다 길어지는 경우의 경로추종 성능을 확인하기 위하여 Fig. 11에 보여준 요철을 차량의 우측 바퀴가 지나가는 경로에 설치한 경우와 설치하지 않은 경우에 대하여 시뮬레 이션을 수행하였다.
마지막으로, MATLAB 차량모델을 사용하여 얻은 경로추종 성능이 실제 차량모델을 사용한 CarSim/SIMULINK 환경에서도 유지되는지를 확인하기 위하여 Fig. 10(b) 에 표시된 이동거리에 따른 차량 속도 프로파일을 MATLAB/SIMULINK 환경 에적 용하여 경 로추종 성능을 비 교하였다.
반자동 주차지 원 시스템에서는 휠 각도만을 제 어입력으로 사용하여야 하기 때문에 본 연구에서는 횡방향오차(ye)와 차량의 요각도오차(0)를 퍼지제어기의 입력 멤버쉽함수(membership function: MF)로 퍼지화하고, 휠각도를 출력 멤버쉽 함수로 퍼 지 화하였다. Fig.
본 연구에서는 Mamdani의 퍼지추론 모델11)을 사용하여 횡방향오차 ye 의 크기에 따른 제어 입 력값에 대한 규칙을 우선 정하고, ye의 크기와 차량의 요각도오차 θe를 AND 논리법칙에 적용하여 0 에 따른 제어 입력 값에 대한 규칙 을 추가로 정하였다.
본 연구에서는 반자동 주차지원시스템에 적합하도록 기준경로를 이동거리 에 따른 기준위 치로 제시하였고, 제안된 운동제어기는 퍼지 추론을 사용하여 차량의 횡 방향 오차와 요각도 오차의 멤버 쉽 함수를 통해 휠각도만을 제어 입 력으로 사용하였다.
본 연구에서는 반자동 주차지원시스템의 기준경로를 추종하는 운동제어 알고리듬을 제안하였으며, 기준경로는 3번의 기어레버 작동에 의해 평 행주 차가 가능한 아주 협소한 주차공간에서 경로계획에 의해 생성된 것을 사용하였다. 경로추종 제어에 관한 기존 연구는 차량과 같은 유형의 이동로봇 분야에서 대부분 진행되어왔으며 기준경로도 이동 시간에 따른 기준위치로 결정되며, 제어입력으로 차량 속도와 휠각속도를 사용하였다.
앞에서 제안한 제어 알고리즘을 적용한 반자동주차지원시스템을 SIMULINK 환경에서 시뮬레이션 하였다. 대상차량은 대형승용차량이며 앞 장에서 언급한 차량모델을 MATLAB을 이용하여 나타낸 경우와 상용 소프트웨어인 CarSim을 이용하여 실제 차량에 가깝게 모델링 한 경우로 나누어 시뮬레이션 하였다.
운전조건으로는 차량의 속도를 5km/h와 가변속도로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 5km/h 운전조건은 후진주차 시 차량이 안정 적으로 낼 수 있는 최대속도를 가정한 것이다.

대상 데이터

슬립각은 타이어의 종방향축과 진행방향 사이의 각도이다.8) 슬립각은 타이어에 작용하는 횡방향 힘과 수직방향 힘에 따라 결정되는데 본 연구에서는 CarSim에 제시된 대형차 기준 205/60R14규격 타이어의 슬립각 자료(Fig. 2)를 사용하였다9)
하였다. 대상차량은 대형승용차량이며 앞 장에서 언급한 차량모델을 MATLAB을 이용하여 나타낸 경우와 상용 소프트웨어인 CarSim을 이용하여 실제 차량에 가깝게 모델링 한 경우로 나누어 시뮬레이션 하였다. CarSim에서 사용한 차량모델은 차량의 실제 제원과 조향 동특성에 영향을 미치는 타이 어 모델 등 MATLAB 차량모델에서 고려하지 못한 동역학적 요소가 모두 고려된 모델이다

성능/효과

1) 주차 시 5km/h의 저 속에서도 커브구간에서 원심력에 의한 횡방향 동특성을 고려하여 차량을 모델링하는 것이 필요함을 확인할 수 있었다.
2) 전후진 방향전환이 필요한 clothoid 기준경로를 추종하는 퍼지 운동제어 알고리즘을 '적용하여 MATLAB/SIMULINK 환경에서 시뮬레이션을 수행한 결과 다양한 초기조건과 운전조건에서 정밀하게 기준경로를 추종함을 확인할 수 있었다.
3) 실차 조건에 가까운 CarSim/SIMULINK 환경에 제안된 제어기를 적용하여 시뮬레이션한 결과는 MATLAB 차량모델을 사용한 결과에 비해 기준경로의 곡선구간 전후에서 약간의 차이를 보였으며, 이는 이 구간에서 차량의 동역학적 요소가 영향을 미 친 것으로 사료된다.
4) 빙판 노면조건에서 기어변속을 위해 차량이 정지할 때 진행방향으로 약간의 미끄러짐이 발생하였지만 횡방향오차와 요각도오차는 건조한 아스팔트에 비해 오히려 감소하였다.
5) 주차경로상의 요철로 인해 차량의 이동거리가 기준경로보다 길어지는 경우에도 제안된 제어기를 적용하여 시뮬레이션한 결과 비교적 정밀한 기준경로 추종이 이루어짐을 확인하였다.
9cm 이탈하였다. 따라서, 저속의 후진주차에도 급격한 휠 각도 변화에 의한 횡 방향 동특성을 고려하여 차량을 모델링하 는 것이 필요함을 확인할 수 있었다.
13° 로 나타났다. 시뮬레이션 결과 건조한 아스팔트의 경우 실차조건에서도 차량이 비교적 정밀하게 기준경로를 추종함을 확인할 수 있었다. 빙판노면인 경우 진행방향으로 15cm 정도의 미끄러짐이 발생하여 휠각도의 제어가 늦어졌지만, 건조한 아스팔트에 비해 오히려 차량 요각도 변동 폭이 감소하여 기준경로를 더 정밀하게 추종하였다.
그림 에서 볼 수 있듯이 세 경우모두 가변속도 운전조건에서 시뮬레 이션을 수행한 결과와 크게 다르지 않았다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 제어기가 차량의 속도에 거의 영향을 받지 않음을 확인하였다.

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