[논문]자율주행자동차 가속/제동시스템의 실험적 모델링

이종언; 김영철

doi:10.5370/kiee.2016.65.4.642

자율주행자동차 가속/제동시스템의 실험적 모델링
Experimental Modeling of Acceleration and Brake Systems for Autonomous Vehicle 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.4, 2016년, pp.642 - 651

이종언 (ADAS team, e-intells Co., erae Group) , 김영철 (Dept. of Electronics Eng., Chungbuk National University)

Abstract ▼ AI-Helper

For the acceleration and brake systems of an autonomous vehicle, the dynamic models from acceleration (brake) pedal input to driving(braking) torque at the vehicle wheel are represented by a set of linear transfer functions in this paper. We present an experimental method that can identify these models using a single rectangular pulse response data. Various magnitude of inputs with different running speeds are applied to experimental tests. All the identified models are demonstrated by the measured data. Both acceleration and brake models have been also validated by comparing the velocity of a full vehicle model associated with the proposed models with the measured vehicle velocity.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 가속시스템과 제동시스템을 선형전달함수 모델로 가정하고 시험입력을 인가하여 차륜에서의 회전력을 측정한 데이터를 이용하여 입출력모델 (input-output model)을 식별하는 방법을 제시하고자 한다. 실험을 위해 가감속 페달에 구동장치와 속도제어기를 갖는 실제 자율주행차량을 이용하며, 가감속 시 바퀴에서의 회전력을 측정하기 위해 휠하중측정장치(wheel force transducer: WFT)을 이용한다.

가설 설정

가속시스템은 가속페달로부터 구동축 바퀴의 회전력까지를 나타내며 제동시스템은 브레이크 페달로부터 바퀴에서의 제동력까지로 정의하였다. 이 두 시스템은 본질적으로 비선형성요소를 포함하지만 몇 개의 동작점(페달입력 과 주행속도)에서선형이라고 가정하고 정밀한 모델 보다는 제어기설계를 용이하게 하는 2차이하의 저차근사모델을 구하는 것을 목표로 하였다. 이러한 목적에 적용할 수 있는 모델 식별방법으로 구형파 펄스응답으로부터 4가지 저차모델의 파라미터를 견실하게 구하는 Kim등의 모멘트정합기법을 이용하였다.

제안 방법

추정한 모델은 측정 데이터와 비교하여 타당성을 검증하게 된다. 추정한 가속시스템과 제동시스템 모델을 Min등[10]이 개발한 16 자유도 전 차량동역학 모델 (full vehicle dynamic model: FVDM)에 연계시켜 차량의 속도를 구한 값과 실제 차량에서 동일한 입력 조건을 인가하여 측정한 속도와 비교함으로서 모델링 결과의 유용성을 보이고자 한다.

대상 데이터

모델링을 위한 차량 주행 시험과 데이터 취득은 자동차부품연구원(충남 천안시 동남구 풍세면 풍세로 303 소재)의 시험트랙(직선 길이 800m)에서 수행되었다.
실험을 위해 사용한 차량은 상용 SUV(투싼ix, 2000cc, 가솔린 엔진, 현대자동차, 2010년식)을 자율주행용으로 개조한 모델[10]이다. 이 차량은 조향 휠(steering wheel), 가속 및 브레이크 페달, 오토 트랜스미션 레버 등은 각각 독립적인 구동기 (actuator)와 DSP보드로 구현된 제어기로 조절할 수 있도록 개조되었다.

데이터처리

휠하중측정장치 WFT는 자동차부품연구원에서 보유한 MTS사의 SWIFT30 모델[11]을 사용하였으며 차량 좌우 앞바퀴에서 각각 6축 방향의 힘(x, y, z 축 방향 힘, 피치, 롤, 요 방향의 모멘트)을 측정하여 Analog DAQ 장비를 통해 실시간으로 제공된다. SWIFT30의 세부 제원은 부록 표 A1을 참조한다.

이론/모형

이 두 시스템은 본질적으로 비선형성요소를 포함하지만 몇 개의 동작점(페달입력 과 주행속도)에서선형이라고 가정하고 정밀한 모델 보다는 제어기설계를 용이하게 하는 2차이하의 저차근사모델을 구하는 것을 목표로 하였다. 이러한 목적에 적용할 수 있는 모델 식별방법으로 구형파 펄스응답으로부터 4가지 저차모델의 파라미터를 견실하게 구하는 Kim등의 모멘트정합기법을 이용하였다. 실제 차량에 측정장치를 부착하고 가속실험 4회, 제동실험 28회를 수행하여 취득한 데이터로부터 모델링을 한 결과 가속시스템은 SOZDF 모델, 제동시스템은 SODF모델이 가장 적합한 모델 구조이고 실제 차량의 측정데이터와 잘 일치함을 보였다.

성능/효과

이러한 목적에 적용할 수 있는 모델 식별방법으로 구형파 펄스응답으로부터 4가지 저차모델의 파라미터를 견실하게 구하는 Kim등의 모멘트정합기법을 이용하였다. 실제 차량에 측정장치를 부착하고 가속실험 4회, 제동실험 28회를 수행하여 취득한 데이터로부터 모델링을 한 결과 가속시스템은 SOZDF 모델, 제동시스템은 SODF모델이 가장 적합한 모델 구조이고 실제 차량의 측정데이터와 잘 일치함을 보였다. 또한 이 두 모델을 전차량동적모델(FVDM)과 연계하여 가속 및 브레이크 페달 입력에 대한 차량속도를 구하여 실제 차량(현대 Tucson ix 2000cc)에 동일 조건의 입력에 대한 속도와 비교하였으며 이를 통해 모델의 타당성을 검증하였다.

후속연구

여기서는 평균모델을 구하여 검증하였으나 각 동작점에서 추정한 모델 셋들은 보다 개선된 성능을 얻기 위해 다중모델제어방식을 도입하는 경우에도 유용하게 사용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대부분의 프로세스의 동적특성은 어떻게 표현할 수 있는가?	대부분의 프로세스의 동적특성(dynamics)은 4가지 저차 모델(low-order models); 1차 지연시간(first-order plus time delay:FOTD), 2차 무지연시간(second-order with delay free: SODF), 2차 지연시간(second-order plus time delay: SOTD), 2차 1영점 무지연시간(second-order plus a zero with delay free: SOZDF)로 표현할 수 있음은 잘 알려져 있으며 이들 모델을 식별하는 다양한 방법들이 제시되었다. 이 중에서 최근에 Kim과 Jin이 제시한 단일 펄스응답의 모멘트 정합을 이용한 연속시간 저차 모델의 식별[9]은 테스트 입력이 펄스형태여서 실제 시스템에 적용하기가 용이하며, 입력 인가 후 원 상태로 돌아오기 때문에 데이터취득 시간을 결정하는 것도 쉽다.
	자율주행차량의 속도제어기를 좋은 성능을 갖도록 설계하기 위해 필요한 모델은?	자율주행차량의 속도제어기를 좋은 성능을 갖도록 설계하려면 가속페달입력-차량속도 간 동적 모델과 브레이크페달입력-차량속도 간 동적모델이 필요하다. 일반적으로 차체를 하나의 강체로 가정하고 구동축 바퀴의 회전력을 입력으로 차량속도를 출력으로 하는 모델을 유도하여 이용하는데 이러한 모델에 대해서는 이미 많은 문헌에 제시되어 있다[12, 13].
	자율주행용으로 개조한 모델은 어떻게 개조되었는가?	실험을 위해 사용한 차량은 상용 SUV(투싼ix, 2000cc, 가솔린엔진, 현대자동차, 2010년식)을 자율주행용으로 개조한 모델[10]이다. 이 차량은 조향 휠(steering wheel), 가속 및 브레이크 페달, 오토 트랜스미션 레버 등은 각각 독립적인 구동기 (actuator)와 DSP보드로 구현된 제어기로 조절할 수 있도록 개조되었다. 여기에 그림 1 처럼 가감속 시스템 모델링을 위한 데이터 취득시스템을 구성하였다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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상세보기
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K. Min, "Three-Dimensional Full Vehicle Dynamic Modelling and Guidance Control Design," Ph.D. thesis, Chungbuk National University, Korea, 2014.
K. Min. Y. S. Byun, Y. C. Kim, "Modeling and Validation of 16 DOF Full Vehicle Model for Guidance Control," International Journal of Vehicle System Modelling and Testing, vol.10, no.4, pp. 392-416, 2015.

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