[논문]충돌회피를 위한 가속도를 고려한 차선 변경 시스템 개발

강현구; 이동휘; 허건수

doi:10.7467/ksae.2013.21.2.081

충돌회피를 위한 가속도를 고려한 차선 변경 시스템 개발
Development of Lane Change System considering Acceleration for Collision Avoidance 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.2, 2013년, pp.81 - 86

강현구 (한양대학교 대학원 자동차공학과) , 이동휘 (한양대학교 대학원 자동차공학과) , 허건수 (한양대학교 미래자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the lane change system for collision avoidance. The proposed algorithm for the collision avoidance consists of path generation and path following. Using a calculated TTC (Time to Collision), partial braking is operated and collision avoidance path is generated considering relative distance, velocity and acceleration. Based on the collision avoidance path, desired yaw angle and yaw rate are calculated for the automated path following. The lateral controller is designed by a Lyapunov function approach using 3 D.O.F vehicle model and vehicle parameters. The required steering angle is determined from wheel velocity, longitudinal and lateral velocity in order to follow the desired yaw angle and yaw rate. This system is developed MATLAB/Simulink and its performance is evaluated using the commercial software CarSim.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문은 전방 차량과의 충돌회피를 위한 차선 변경 시스템 개발이다. 따라서 충돌회피 시 옆 차선에 차량이 없다고 가정한다.
본 논문은 제동이 발생된 후, 조향을 통해 전방차량과의 충돌을 회피한다. 따라서 일정한 속도가 아닌 가속도가 고려된 궤적생성방법이 사용되어야 한다.
본 논문은 충돌회피를 위한 차선변경 시스템 개발에 관한 연구이다. 충돌회피 알고리즘은 TTC가 1.
본 연구는 가속도를 고려한 궤적 생성 시스템 개발이다. 가속도를 고려한 궤적은 충돌을 회피하는 동시에 안전하게 차선을 변경할 수 있도록 생성한다.

가설 설정

δ 는 작은 값이므로 sinδ =δ, cosδ =1 로 가정하여 식을전개하였다.
센서의 경우, 비젼센서(vision)를 통해 차선을 인식하며, 전방 장애물 감지센서로 상대차량의 주행정보인 상대거리, 속도, 가속도 등을 인식한다고 가정한다.⁶⁾ 그리고 자차량이 차선중심에있다고가정한다.
가속도를 고려한 궤적은 충돌을 회피하는 동시에 안전하게 차선을 변경할 수 있도록 생성한다. 가속도를 고려한 궤적을 생성하는 이유는 충돌 물체와의 회피 전 충돌을 막는 편제동시스템(Partial braking system)이 존재한다고 가정하였기 때문이다.⁴⁾ 상위 제어기에서는 이를 추종할 수 있는 요구 요 각(Desired yaw angle) 및 요레이트(Yaw rate)를계산하고, 하위 제어기에서는계산된 요구 요 각 및 요레이트와 차량의 종, 횡방향 속도, 요 각, 요레이트, 휠 속을 이용하여 Lyapunov 기법을 통해 제어기를 설계하여 조향을 통해 충돌회피를하도록한다.
본 논문은 전방 차량과의 충돌회피를 위한 차선 변경 시스템 개발이다. 따라서 충돌회피 시 옆 차선에 차량이 없다고 가정한다. 또한 직선도로에서 발생되는 충돌회피 상황이며, 한 방향으로 충돌회피가 일어난다고 가정한다.
따라서 충돌회피 시 옆 차선에 차량이 없다고 가정한다. 또한 직선도로에서 발생되는 충돌회피 상황이며, 한 방향으로 충돌회피가 일어난다고 가정한다. 센서의 경우, 비젼센서(vision)를 통해 차선을 인식하며, 전방 장애물 감지센서로 상대차량의 주행정보인 상대거리, 속도, 가속도 등을 인식한다고 가정한다.
본 논문에서는 슬립율이 작다고 가정하고, 전륜 및 후륜의 종방향 타이어 힘은 (12), (13)이 된다.
또한 직선도로에서 발생되는 충돌회피 상황이며, 한 방향으로 충돌회피가 일어난다고 가정한다. 센서의 경우, 비젼센서(vision)를 통해 차선을 인식하며, 전방 장애물 감지센서로 상대차량의 주행정보인 상대거리, 속도, 가속도 등을 인식한다고 가정한다.⁶⁾ 그리고 자차량이 차선중심에있다고가정한다.
종방향 타이어 힘은 지면으로부터의 마찰력이다. 종방향 타이어 힘이 생기는 여러 가지 요인 중, 본 논문에서는 슬립율(slip ratio)에 의해서만 발생한다고 가정한다. 가속력 및 제동력은 타이어 회전 속도와 주행속도 차이에 의해 발생하는데 이 결과 접촉면에서 슬립이 발생한다.

제안 방법

가속도를 고려한 궤적을 생성하는 이유는 충돌 물체와의 회피 전 충돌을 막는 편제동시스템(Partial braking system)이 존재한다고 가정하였기 때문이다.⁴⁾ 상위 제어기에서는 이를 추종할 수 있는 요구 요 각(Desired yaw angle) 및 요레이트(Yaw rate)를계산하고, 하위 제어기에서는계산된 요구 요 각 및 요레이트와 차량의 종, 횡방향 속도, 요 각, 요레이트, 휠 속을 이용하여 Lyapunov 기법을 통해 제어기를 설계하여 조향을 통해 충돌회피를하도록한다.
조향을 통해 충돌을 회피하기 위해 충돌 회피 경로를 생성하고 이를 추종한다. 궤적을 생성할 때 ramp sinusoid 방법을 이용하여 가속도와 상대차량과의 관계를 고려한 궤적을 생성하는 충돌회피 알고리즘을 개발하였다. 또한 이를 추종하기 위해 Lyapunov 기법을 이용한 제어기를 설계하였다.
볼보(Volvo), 벤츠(Mercedes Benz), 콘티넨탈(Continental)과 같은 세계적인 자동차 업체 및 부품회사에서 능동 안전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 볼보는 City safety라는 시스템을 통해 저속(30 km/h 이하)에서의 충돌을 방지하는 시스템을 개발하였다.¹⁾ 벤츠의 능동안전 시스템으로는 PRE-SAFE Brake가 있다.
또한 제동에 의해 횡력 발생이 감소되므로 이를 보상하기 위해 가중치 k 를 곱한다. 요구 요레이트를 적분하여 요구 요 각 (24)를 계산하여 이 값들을 하위제어기를 설계하여 추종 하도록 한다.
전방 차량과의 TTC(Time To Collision)를 계산하여 충돌회피 알고리즘을 설계한다. 전방 차량과의 상대거리, 속도, 가속도등의정보는전방장애물감지 센서를 통해 인식된다.
횡방향 차량 운동은 횡방향 위치와 요 각으로 구성된 2자유도 자전거 모델(bicycle model)이 사용된다. 하지만 본 논문에서는 종방향 차량 운동도 고려되므로, 기존의 자전거 모델에 종방향 운동을 추가적으로 고려하여 3자유도 차량 모델을 사용한다.⁵⁾차량거동에 관한 식은 다음과 같다.

데이터처리

설계된 제어기를 통해 나오는 조향각으로 충돌회피를 위한 차선변경이 실행된다. 이를 상용 소프트 웨어를 통해 시뮬레이션 검증을 수행하였다.
시뮬레이션 환경은 충돌회피 알고리즘 및 제어기는 MATLAB/Simulink로 개발되었다. 이를 차량동역학 해석 프로그램인 CarSim을 이용하여 검증하였다.

이론/모형

3.1에서 설명된 가속도를 고려한 차선변경 궤적생성 방법에 충돌회피 알고리즘을 적용시킨다.
궤적을 생성할 때 ramp sinusoid 방법을 이용하여 가속도와 상대차량과의 관계를 고려한 궤적을 생성하는 충돌회피 알고리즘을 개발하였다. 또한 이를 추종하기 위해 Lyapunov 기법을 이용한 제어기를 설계하였다. 설계된 제어기를 통해 나오는 조향각으로 충돌회피를 위한 차선변경이 실행된다.
생성된 충돌회피 궤적을 추종하기 위해 상위제어기는 충돌회피 궤적으로부터 나오는 요구 요 각 및 요구 요레이트를 계산하고 하위제어기는 계산된 값을 통해 Lyapunov 기법을 통해 제어기를 설계하여 요구 요 각 및 요구 요레이트를 추종하도록 한다.
시뮬레이션 환경은 충돌회피 알고리즘 및 제어기는 MATLAB/Simulink로 개발되었다. 이를 차량동역학 해석 프로그램인 CarSim을 이용하여 검증하였다.
요구 요레이트 및 측정된 요레이트를 Lyapunov기법을 통해 추종한다. Lyapunov 기법을 사용하는 이유는 알고 있는 차량 파라미터를 이용하여 분석적으로 제어기를 설계할 수있기 때문이다.

성능/효과

볼보는 City safety라는 시스템을 통해 저속(30 km/h 이하)에서의 충돌을 방지하는 시스템을 개발하였다.¹⁾ 벤츠의 능동안전 시스템으로는 PRE-SAFE Brake가 있다. 이 시스템은 충돌에 대한 구간별 신호에 대한 반응이 없을시, 비상 제동(emergency braking)을 통해 충돌 피해를 감소시키는 역할을 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	횡방향 차량 운동에는 어떤 모델이 사용되는가?	횡방향 차량 운동은 횡방향 위치와 요 각으로 구성된 2자유도 자전거 모델(bicycle model)이 사용된다. 하지만 본 논문에서는 종방향 차량 운동도 고려되므로, 기존의 자전거 모델에 종방향 운동을 추가적으로 고려하여 3자유도 차량 모델을 사용한다.
	능동 안전 시스템은 무엇인가?	지능형차량(Intelligent vehicle)의 안전 시스템 중 능동 안전 시스템은 각종 센서를 통해 주변 환경을 인식하여 충돌을 방지 또는 피해를 최소화 하도록 운전자를 돕는 시스템을 말한다. 볼보(Volvo), 벤츠(Mercedes Benz), 콘티넨탈(Continental)과 같은 세계적인 자동차 업체 및 부품회사에서 능동 안전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다.
	벤츠의 능동안전 시스템인 PRE-SAFE Brake의 역할은 무엇인가?	1) 벤츠의 능동안전 시스템으로는 PRE-SAFE Brake가 있다. 이 시스템은 충돌에 대한 구간별 신호에 대한 반응이 없을시, 비상 제동(emergency braking)을 통해 충돌 피해를 감소시키는 역할을 한다.2) 콘티넨탈의 ESA(Emergency Steer Assist)는 센서로부터 주변 상황을 인식하고, 상대속도에 따라 조향을 통해 충돌을 회피할 수 있는 지점을 설정하여, EPS(Electric Power Steering), ESC(Electronic Stability Control), ARK(Active Rear axle Kinematics)를 사용하여 충돌회피를 한다.

참고문헌 (8)

M. Distner, M. Bengtsson, T. Broberg and L. Jakobsson, "City Safety-a System Addressing Rear-end Collisions at Low Speeds," 21st International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Stuttgart, Germany, Paper No.09-0371, 2009.
U. Mellinghoff, T. Breitling, R. Schoneburg and H. G. Metzler, "The Mercedes-Benz Experimental Safety Vehicle ESF 2009," 21st International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Stuttgart, Germany, Paper No.09-0165. Washington, DC: National Highway Traffic Safety Administration, 2009.
B. Hartmann, A. Eckert and P. E. Rieth, "Emergency Steer Assist - Advanced Driver Assistance System for Emergency Lane Change Maneuvers," In Proceedings of FISITA World Automotive Congress, Budapest, 2010.
H. L. Bloecher, J. Dickmann and .M. Andres, "Automotive Active Safety & Comfort Functions using Radar," 2009 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, Vancouver, Canada, 2009.
R. Rajamani, Vehicle Dynamics and Control, Springer, New York, pp.223-231, 2006.
S. H. Jang and S. W. Kim, "Vision-based Lane Change Maneuver Using Sliding Mode Control for a Vehicle," Transactions of KSAE, Vol.8, No.6, pp.194-207, 2000.
N. H. Sledge and K. M. Marshek, "Comparison of Ideal Vehicle Lane-Change Trajectories," SAE 971062, 1997.
R. A. Freeman and P. V. Kokotovic, Robust Nonlinear Control Design; State-Space and Lyapunov Techniques, Birkhauser, New York, pp.33-63, 1996.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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