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서포트 벡터 머신을 이용한 차량도어의 개폐 보조력 예측
Prediction of Assistance Force for Opening/Closing of Automobile Door Using Support Vector Machine 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.5, 2016년, pp.364 - 371  

양학진 (동양미래대학교 로봇자동화공학부) ,  신현찬 (호서대학교 대학원 기계공학과) ,  김성근 (호서대학교 기계공학부)

초록
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본 논문에서는 차량이 주차된 지형의 조건에 따라 적용되는 도어 개폐 보조력 예측 모델을 제시하였다. 경사도, 사용자의 힘 등의 조건에 따른 개폐력 설정을 위하여 작동 보조력에 대한 학습 모델을 구현하여 비교하였고, 예측 모델의 학습을 위하여 축소모형을 제작하여 실험을 통해 학습데이터를 얻을 수 있는 실험 모델을 구성하였다. 실제 보상력 데이터를 학습, 반영하여 적정 값을 도출할 수 있는 학습 알고리즘을 개발하고, 이를 적용할 수 있는 시스템을 개발하였다. 학습 방법 중에서 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 알고리즘을 적용하여 비교 검증하였다. 실제 측정값과 비교 검증한 결과, 차량의 도어 개폐 보조력 예측을 위해서 서포트 벡터 머신의 상대적으로 높은 적용성을 확인할 수 있었으며, 이 예측 모델을 활용하여 경사, 사용자의 힘에 따라 도어 개폐 구동 모터가 보상해야 할 적정한 힘을 예측하여 시간에 따라 구동함으로써 사용자가 평지와 같은 힘으로 문을 제어할 수 있는 시스템 구성을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We developed a prediction model of assistance force for the opening/closing of an automobile door depending on the condition of the parking ground. The candidates of the learning models for the operating assistance force were compared to determine the proper force according to the slope and user's f...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 차량 제원, 차량의 도어 형상, 무게, 마찰 등과 같은 차량 설계 변수를 고려하여 예측 모델을 도출하는 것은 모터의 오작동, 작동 기간 중에 발생하는 모터의 마모 등에 의한 오차를 반영하지 않기 때문에 사용자가 필요한 보상력의 예측 값에 대한 신뢰성이 낮아질 수 있다. 따라서 실제 보상력 데이터를 학습, 반영하여 예측 값을 도출할 수 있는 학습 알고리즘을 개발하고, 이를 적용할 수 있는 시스템을 개발하고자 하였다. 이러한 학습 방법 중에서 많은 분야에서 적용된 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)과 주목받는 방법 중의 하나인 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 알고리즘을 비교·검증하여 신뢰성이 높은 알고리즘을 적용한 개폐력 보조 시스템을 구축하고자 하였다[8-12].
  • 본 논문에서는 기존의 자동문과는 달리 차량의 주정차 된 지형의 조건과 무관하게 평지에서의 개폐력과 흡사한 힘을 이용하여 도어를 개폐할 수 있는 보조 시스템을 구축하였다.
  • 하지만 일정한 속도로 개폐하는 단순 방식의 도어 시스템이나 각도에 따라 도어의 속도가 변하는 시스템에서는 힘에 대한 속도 변화가 없기 때문에 고속 동작인 경우에는 상대적으로 사고의 위험성이 높으나 저속 동작인 경우에는 응답성의 저하를 느낄 수도 있다 [6-7]. 본 연구에서는 경사면에서 중력상쇄를 이용한 기존의 차량 도어의 개폐력 보조 시스템과는 다른 방식으로 시스템을 구성하여 예측 모델을 제안하고자 한다. 기존 연구에서 사용자의 힘을 고려하는 동시에 경첩의 마찰 토크를 고려한 힘 제어 보상기를 추가 제안하였다.
  • 본 연구에서는 지형의 변화에 따른 입력 인자가 개폐보조력 출력 값에 영향을 주는 입출력 관계를 설정하고 실험 데이터를 얻었다. 실제 지형의 변화에 가깝도록 기울어짐을 구현하기 위하여 Fig.
  • 본 연구에서의 인공회로망 학습 모델은 경사각과 사용자의 힘, 도어개폐를 위한 힘의 비선형적 관계를 알아내고 예측해내는 것이다. 인공신경망은 사용되어지는 활성함수에 따라 비선형적 문제를 해결할 수 있다.
  • 이러한 학습 방법 중에서 많은 분야에서 적용된 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)과 주목받는 방법 중의 하나인 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 알고리즘을 비교·검증하여 신뢰성이 높은 알고리즘을 적용한 개폐력 보조 시스템을 구축하고자 하였다[8-12].
  • 2와 같이 0°(평지)보다 더 많은 힘이 요구되는 것을 알 수 있으며, 이렇게 임의의 경사도에서 필요한 힘을 예측하여 힘의 차이를 모터가 보상하여 도어 개폐를 돕는다면, 평지와 같은 힘으로 조작 가능한 편의를 제공할 수 있다. 이에 따른 모터가 제공해야 할 개폐력에 대한 추정 모델을 구성하고자 한다.
  • 따라서 장기적인 시스템 사용의 경우 경첩의 마찰토크를 측정하는 장비의 주기적 측정이 없는 이상 도어 어시스트의 꾸준한 성능을 확보하기는 어렵다. 하지만 머신 러닝의 특성을 활용하여 기존 데이터의 주기적인 업데이트와 동시 학습이 가능하도록 구성하고자 하였다. 따라서 경첩의 마찰뿐만 아닌 다른 외란요소와 관계없이 지속적 제어가 가능하도록 도어의 동작속도를 제어하는 시스템으로 구성하였고, 기존의 제시되어진 보상법[6-7]과는 차별된 시스템을 제안하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
차량 설계 변수에는 무엇이 있나요? 차량 제원, 차량의 도어 형상, 무게, 마찰 등과 같은 차량 설계 변수를 고려하여 예측 모델을 도출하는 것은 모터의 오작동, 작동 기간 중에 발생하는 모터의 마모 등에 의한 오차를 반영하지 않기 때문에 사용자가 필요한 보상력의 예측 값에 대한 신뢰성이 낮아질 수 있다. 따라서 실제 보상력 데이터를 학습, 반영하여 예측 값을 도출할 수 있는 학습 알고리즘을 개발하고, 이를 적용할 수 있는 시스템을 개발하고자 하였다.
자동차 도어 중 상용화되고 있는 것은? 국내뿐 아니라 북미와 유럽지역에서 탑승자의 편의성 및 안전성을 위한 정속 주행 장치(Cruise Control), 보행자 에어백(Pedestrian Airbag), 충돌대응 안전시스템(Pre-Crash Safety) 등이 개발되고 있다[1-3]. 자동차 도어의 경우도 자동 슬라이딩 도어(Auto Sliding Door), 파워 어시스트 도어(Power-Assisted Door) 등이 상용화되고 있으며 자동 도어에 대한 연구가 진행되고 있다[4-7]. 하지만 일정한 속도로 개폐하는 단순 방식의 도어 시스템이나 각도에 따라 도어의 속도가 변하는 시스템에서는 힘에 대한 속도 변화가 없기 때문에 고속 동작인 경우에는 상대적으로 사고의 위험성이 높으나 저속 동작인 경우에는 응답성의 저하를 느낄 수도 있다 [6-7].
자동 도어의 한계점은? 자동차 도어의 경우도 자동 슬라이딩 도어(Auto Sliding Door), 파워 어시스트 도어(Power-Assisted Door) 등이 상용화되고 있으며 자동 도어에 대한 연구가 진행되고 있다[4-7]. 하지만 일정한 속도로 개폐하는 단순 방식의 도어 시스템이나 각도에 따라 도어의 속도가 변하는 시스템에서는 힘에 대한 속도 변화가 없기 때문에 고속 동작인 경우에는 상대적으로 사고의 위험성이 높으나 저속 동작인 경우에는 응답성의 저하를 느낄 수도 있다 [6-7]. 본 연구에서는 경사면에서 중력상쇄를 이용한 기존의 차량 도어의 개폐력 보조 시스템과는 다른 방식으로 시스템을 구성하여 예측 모델을 제안하고자 한다.
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참고문헌 (16)

  1. S. H. Yoon, S. W. Moon, K. I. Seo and J. H. Hwang, "Development of Smart Cruise Control System with the Consideration of Driver's Tendency", KSME IT, Spring Conference, pp.89-90, 2014. 

  2. Y. W. Yun, G. J. Park and T. K. Kim, "Effectiveness of Active Hood and Pedestrian Airbag Based on Real Behicle Impact Test", Transactions of KSAE, Vol.22, No.1, pp.36-45, 2014. 

  3. J. K. Lee, "Development Trends of Smart Safety Vehicle", Auto Journal, Vol.33, No.5, pp.38-44, 2011. 

  4. C. G. Oh, J. H. Choi and B. H. Jung, "Mechanism Study for the Invisible Rail Sliding Door using 6-Bar Linkage", KSAE, Fall Conference, pp. 1722-1727, 2012. 

  5. S. J. Chai, I. D. Hwang, S. H. Heo and S. C. Choi, "A Development of the Body with B Pillarless Sliding Door Type", KSAE, Fall Conference, pp. 1874-1882, 2011. 

  6. K. G. Sung, M. K. Park and B. S. Lee, "Design of Power-Assist Smart Door System for Passenger Vehicle", Journal of institute of control, robotics and systems, Vol.16, No.6, pp.532-538, 2010. 

  7. B. S. Lee, M. K. Park and K. G. Sung, "Velocity Control and Collision Detection by Feedback Linearization for an Power-assisted Automotive Swing Door", Transaction of KSAE, Vol.21, No.5, pp.40-46, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.7467/ksae.2013.21.5.040 

  8. H. J. Yang, S. K. Kim, "Design of Wafer Handling Robot Using Kernel Regression and Neural Network", Proceeding of KSME Spring Conference, pp.67-68, 2010. 

  9. K. H. Jang, T. K. Yoo, J. Y. Choi, K. C. Nam, J. L. Choi, M. K. Kwon, and D. W. Kim, "Comparison of survival predictions for rats with hemorrhagic shocks using an artificial neural network and support vector machine," Journal of the institute of electronics and information engineers, Vol.34, No.1, pp.1148-1151, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/iembs.2011.6089904 

  10. W. K Youn and J. Kim, "Mechanomyo- graphy(MMG) based Elbow Flexion Force Prediction for Human-Machine Interaction", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.9, pp.2752-2756, 2009. 

  11. K. K. Seo, "A Comparison Study on Back-Propagation Neural Network and Support Vector Machines for thr Image Classification Problems", Journal of the KAIS, Vol. 9, No.6, pp.1889-1893, 2008. 

  12. H. J. Yang, S. K. Kim and J. K. Cho, "Design and Performance Test of Large-Area Susceptor for the Improvement of Temperature Uniformity", Journal of the KAIS, Vol. 16, No. 6 pp.3714-3721, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.6.3714 

  13. Alex J. Smola and Bernhard Scholkopf, "A tutorial on support vector regression", Statistics and Computing, Vol.14, No.3, pp.199-222, 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1023/B:STCO.0000035301.49549.88 

  14. H. J Yang, S. K. Kim and K. H Choi, "A Study of the Feature Classification and the Predictive Model of Main Feed-Water Flow for Turbine Cycle", Journal of Energy Engineering, Vol.23, No.4, pp.263-271, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.5855/ENERGY.2014.23.4.263 

  15. C. J. C. Burges, "A Tutorial on Support Vector Machines for Pattern Recognition", Data Mining and Knowledge Discovery, Vol.2, pp.121-167, 1998. DOI: http://dx.doi.org/10.1023/A:1009715923555 

  16. B. Scholkopf, K. Sung, C. Burges, F. Girosi, P. Niyogi, T. Poggio, and V. Vapnik, "Comparing support vector machines with Gaussian kernels to radial basis function classifiers", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.45, No.11, pp.2758-2765, 1997. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/78.650102 

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