[논문]무인차량 원격주행제어를 위한 힘반향 햅틱제어 기술에 관한 연구

강태완; 박기홍; 김준원; 강석원; 김재관

doi:10.5762/kais.2018.19.12.910

무인차량 원격주행제어를 위한 힘반향 햅틱제어 기술에 관한 연구
A Study on the Haptic Control Technology for Unmanned Military Vehicle Driving Control 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.12, 2018년, pp.910 - 917

강태완 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 박기홍 (국민대학교 자동차IT융합학과) , 김준원 (한화시스템(주) 지상시스템팀) , 강석원 (한화시스템(주) 지상시스템팀) , 김재관 (한화시스템(주) 지상시스템팀)

초록
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본 논문은 무인차량 원격 제어 시 실재감과 안전성을 향상시키기 위한 기술 개발 내용을 설명한 것이다. 일반적으로 무인차량 원격 운용 장치의 경우 조이스틱 형태의 장치나 간이 조향 휠로 구성하는 것이 대부분이다. 또한 차량 또는 장비를 직접 운전하는 감성을 구현하거나 현재 주행 상황을 운용 장치로 피드백하지 않기 때문에 사용자 입장에서는 이질감을 느낄수밖에 없었다. 최근 무인화 연구가 활발해짐에 따라, 이질감과 함께 현재의 주행 상황을 운전자에게 피드백하지 않아 발생하는 위험까지 제기되었고, 이러한 문제점을 제거하기 위한 힘반향 햅틱제어 기술의 필요성이 대두되었다. 따라서 본 연구에서는 기존의 무인차량 운용 장치가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위하여 차량의 주행 상태를 고려한 힘반향 햅틱제어 기술을 제시하였다. 고려되어진 차량 주행 상태는 첫째로 차체 옆미끄럼각(${\beta}$)과 요레이트(${\gamma}$)와 같이 상태변수와 차량 동적 거동을 나타내는 파라미터를 포함하며, 위험 구역 접근, 장애물에 의한 조향 제한 등을 나타낼 수 있는 파라미터를 포함한다. 또한 햅틱제어 기술은 크게 일반 주행 상황, 위험 구역 접근 상황, 장애물에 의한 조향 제한 상황, 제어권 전환 상황 별 알고리즘으로 구성되며, 각 상황 별 천이 과정이 자연스럽도록 알고리즘을 구성하였다. 이러한 알고리즘을 검증하기 위하여 차량동역학 해석 시뮬레이션 툴을 활용, CAN 통신으로 구성된 시뮬레이터 환경을 구축하였으며, 각 상황 별 알고리즘 동작을 평가해봄으로써 실현 가능성 및 성능을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the developments to improve the feeling and safety of the remote control system of unmanned vehicles. Generally, in the case of the remote control systems, a joystick-type device or a simple steering-wheel are used. There are many cases, in which there are operations without considering the feedback to users and driving feel. Recently, as the application area of the unmanned vehicles has been extended, the problems caused by not considering the feedback are emphasized. Therefore, the need for a force feedback-haptic control arises to solve these problems. In this study, the force feedback-haptic control algorithm considering the vehicle parameters is proposed. The vehicle parameters include first the state variables of dynamics, such as the body side-slip angle (${\beta}$) and yawrate (${\gamma}$), and second, the parameters representing the driving situations. Force feedback-haptic control technology consists of the algorithms for general and specific situations, and considers the situation transition process. To verify the algorithms, a simulator was constructed using the vehicle dynamics simulation tool with CAN communication environment. Using the simulator, the feasibility of the algorithms was verified in various scenarios.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Unmanned Vehicle - Remote Driving System Configuration
표 Table 1. Control-mode
그림 Fig. 2. Definition of Parameters for Judging leaving out from Driving area
그림 Fig. 3. 2 D.O.F. Vehicle Model
그림 Fig. 4. Verification of 2 D.O.F. Vehicle Model(a) Sinusoid: Side-slip angle (b) Sinusoid: yawrate(c) Step: Side-slip angle (d) Step: yawrate
그림 Fig. 5. Tire-aligning moment(M_z)
그림 Fig. 6. Force-feedback Control algorithm Flowchart
그림 Fig. 7. Force-feedback Control algorithm Model(Simulink)
그림 Fig. 8. Simulation Environment Configuration(a) Hardware (b) Role of Simulation(c) CAN Messages
그림 Fig. 9. Comparison of applying Force-feedback Controlalgorithm(a) Algorithm not applied (b) Algorithm applied
그림 Fig. 10. Simulation near Driving area boundary(a) Driving area boundary(b) Simulation Results
그림 Fig. 12. Simulation Results of Situation Changing Control-mode

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 원격운용 시 부족한 실재감을 높이기 위해 일반 차량 조타 시 노면과 타이어 사이에서 발생하는 반력 토크를 생성하고, 무인차량과 원격주행제어시스템 간 동기화 기술을 개발하였다. 특히 조타 시 발생하는 반력 토크를 생성하기 위하여 가상의 차량모델을 개발하여 차량의 주행 상태를 고려한 힘반향 햅틱제어 기술을 제시하였는데, 통신 상태에 최대한 영향을 받지 않도록 제어에 대한 연산을 원격주행제어 시스템에서 수행할 수 있도록 구성하였다.
본 연구는 무인차량 원격 제어 시 실재감과 안전성을 향상시키기 위한 힘반향 햅틱제어 기술을 개발하는 것이 목표이다. 이를 달성하기 위하여 하기와 같은 결과물을 도출하였다.
본 연구에서 힘반향 햅틱제어 알고리즘을 개발하는 주목적은 사용자의 조향 입력과 주행 상태에 따라 반력 토크를 생성하는 기술을 개발하는 데에 있다. 반력 토크는 조향 핸들의 복원력을 발생시키며, 실제 차량에서 조향 핸들에 생성되는 반력 토크는 노면과 타이어 사이에서 발생하는 정렬 모멘트에 의하여 발생한다.

가설 설정

그 중 시스템 연산량을 고려하여 2 자유도 차량 모델을 선정한 뒤 무인차량을 모델링하였다. 축의 개수는 무인차량과 동일하게 3축으로 고려하였으며, 전륜축만 조향이 가능한 것으로 가정하여 Fig. 3과 같이 2 자유도 차량 모델의 자유물체도를 구성하였다[4].

제안 방법

1. 차량 주행 상태를 고려한 반력 제어를 기본적으로 수행함으로써 실제 차량 운용과 원격주행제어의 조타감이 유사하도록 알고리즘을 개발하였다.
2. 추가적으로 임무 수행 중 발생 가능한 주행 위험구역 접근 또는 조향 제한 상황을 고려하여 위험구역 접근과 조향 제한에 대한 사용자 피드백(또는 경고)이 가능하도록 추가적인 반력 토크를 생성하는 알고리즘을 개발하였다.
5. 시뮬레이션 환경을 기반으로 반력 토크 유무, 주행 위험 구역 접근 상황, 조향 제한 상황, 모드 전환 상황을 구성한 뒤 검증을 수행하였다.
본 연구에서 힘반향 햅틱제어 알고리즘을 개발 및 검증하기 위하여 실제 조향 핸들이 포함된 시뮬레이션 환경을 구성하였는데, 4절에서는 그 내용과 검증 내용에 대해서 설명한다.
본 연구에서는 시뮬레이션 툴인 IPG 社의 TruckMaker에 미리 주행 가능 구역의 경계선을 아래 Fig. 10 (a)와 같이 정의한 뒤, 차량 진행방향 기준 각도차(θ), 10m 전방 횡방향 이탈 거리(d)를 계측할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 힘반향 햅틱제어의 핵심 역할인 반력 토크 생성에 대한 시험을 우선적으로 수행하였으며, 다음으로 위험 구역 접근 상황과 장애물에 의하여 조향이 제한된 상황, 마지막으로 원격주행제어에서 자율주행으로 또는 그 반대로 모드를 전환하는 시험을 수행하였다.
비교·분석을 위하여 기준을 선정하였는데, 무인차량과 이미 정합성이 확보되어진 상용차량 모델을 기준으로 선정하였다.
우선 반력 토크 생성에 대한 시험 조건은 30km/h로 주행하는 상황에서 정현파 형태의 조향각(±40deg)을 입력한 조건이며, 알고리즘 적용 여부에 따른 결과를 비교하였다.
차량 모델에 대한 상태방정식은 위와 같으며, 상태변수를 요레이트와 옆미끄럼각으로 설정하였다. 이렇게 모델링한 2 자유도 차량 모델에 요관성모멘트, 코너링 강성 등 각종 파라미터를 입력하여 무인차량과의 정합성을 확인하는 작업을 수행하였다. 비교·분석을 위하여 기준을 선정하였는데, 무인차량과 이미 정합성이 확보되어진 상용차량 모델을 기준으로 선정하였다.
11 (b)를 보면 무인차량이 정지한 상황에서 정현파 형태로 ±90deg의 조향각을 입력하는 상황이다. 특히 음의 방향으로 조향 시 무인차량의 타이어가 장애물에 의해 막혀있어 약 15deg까지만 조향이 가능한 상황의 가상 시나리오를 구현하였다. 결과를 보면, 조향각의 차이 Angle Deviation 값이 일정 값 이상으로 지속될 경우, 추가 반력 토크 생성 알고리즘이 동작하는 것(Algorithm On[50]Off[0])을 확인할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 원격운용 시 부족한 실재감을 높이기 위해 일반 차량 조타 시 노면과 타이어 사이에서 발생하는 반력 토크를 생성하고, 무인차량과 원격주행제어시스템 간 동기화 기술을 개발하였다. 특히 조타 시 발생하는 반력 토크를 생성하기 위하여 가상의 차량모델을 개발하여 차량의 주행 상태를 고려한 힘반향 햅틱제어 기술을 제시하였는데, 통신 상태에 최대한 영향을 받지 않도록 제어에 대한 연산을 원격주행제어 시스템에서 수행할 수 있도록 구성하였다.

대상 데이터

본 연구 원격주행제어 시스템 개발의 핵심인 힘반향 햅틱 제어를 수행하기 위해서는 차량 모델을 통한 상태변수 추정이 필수적이다. 그 중 시스템 연산량을 고려하여 2 자유도 차량 모델을 선정한 뒤 무인차량을 모델링하였다. 축의 개수는 무인차량과 동일하게 3축으로 고려하였으며, 전륜축만 조향이 가능한 것으로 가정하여 Fig.
본 연구에 활용한 하드웨어로는 Fig. 8과 같이 사용자가 조향 입력에 사용할 SENSODRIVE 社SENSO-Wheel SD-LC(이하 SENSO-Wheel), CAN 통신을 위한 PEAK 社 P-CAN, 원격주행제어 시스템 PC와 가상 무인차량 시뮬레이션 PC이다. 원격주행제어 시스템 PC에서는 타이어 정렬 모멘트 및 반력 토크 연산과 SENSO-Wheel 구동을 위한 CAN 메시지 전달, 모드선택 기능을 수행한다.

성능/효과

3. 또한 원격주행과 자율주행 모드 전환도 사용자가 직접 변경하거나 조향 핸들을 조작하여 자동으로 모드가 변경되는 알고리즘까지 개발 완료하였다.
특히 음의 방향으로 조향 시 무인차량의 타이어가 장애물에 의해 막혀있어 약 15deg까지만 조향이 가능한 상황의 가상 시나리오를 구현하였다. 결과를 보면, 조향각의 차이 Angle Deviation 값이 일정 값 이상으로 지속될 경우, 추가 반력 토크 생성 알고리즘이 동작하는 것(Algorithm On[50]Off[0])을 확인할 수 있다.
그 결과, 기존 원격 운용 장치의 한계점을 보완하여 사용자에게 피드백(또는 경고)이 가능한 힘반향 햅틱제어 알고리즘 기반의 원격 운용 환경을 개발하였다. 이를 통해 무인차량의 주행 상태를 실시간으로 고려할 수 있을 뿐만 아니라 원격 주행 중 실재감과 안전성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.
급격한 조향각 변화를 동반하는 Step 형태의 조향각 입력 시험의 경우, 요레이트(γ)에는 오차가 거의 확인되지 않았으나 정상상태 옆미끄럼각(β)에 약 8% 이내의 오차를 보이는 것으로 확인되었다.
다만 알고리즘을 적용하지 않았을 때 약 ±0.7Nm의 조향 토크로 조향이 가능한 반면, 알고리즘을 적용함에 따라 발생하는 반력 토크로 인하여 ±2.7Nm의 조향 토크를 입력해야만 조향이 가능한 것을 확인할 수 있다.

후속연구

그 결과, 기존 원격 운용 장치의 한계점을 보완하여 사용자에게 피드백(또는 경고)이 가능한 힘반향 햅틱제어 알고리즘 기반의 원격 운용 환경을 개발하였다. 이를 통해 무인차량의 주행 상태를 실시간으로 고려할 수 있을 뿐만 아니라 원격 주행 중 실재감과 안전성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통신 속도와 데이터양에 제약이 존재하는 이유는 무엇인가?	하지만 이는 통신 상태 및 부하가 시스템 성능에 지대한 영향을 미친다는 문제점이 있다. 실제로 무인차량과 원격주행제어 시스템 간 송수신 데이터에는 영상이 포함되어 있기 때문에, 통신 속도와 데이터양에 제약이 존재한다.
	원격주행제어 시스템은 사용자의 지령을 일방적으로 전달하여 실제 차량 운행에서 느껴지는 실재감을 느끼지 못하기 때문에 제기된 것은 무엇인가?	이때 기존 대부분의 원격주행제어 시스템은 사용자의 지령을 일방적으로 전달하여 실제 차량 운행에서 느껴지는 실재감을 느끼지 못한다. 때문에 무인차량에 손상이 발생하거나 제어가 불가능한 상황에 놓이는 등 문제 발생 가능성이 제기되었다. 특히 사용자가 원격주행제어시스템에서 조타 시 무인차량의 거동 특성이나 움직임의 제약 등을 느끼지 못함으로 인하여 혼돈을 유발하기도 한다.
	햅틱제어 기술은 무엇으로 구성되어 있는가?	고려되어진 차량 주행 상태는 첫째로 차체 옆미끄럼각(${\beta}$)과 요레이트(${\gamma}$)와 같이 상태변수와 차량 동적 거동을 나타내는 파라미터를 포함하며, 위험 구역 접근, 장애물에 의한 조향 제한 등을 나타낼 수 있는 파라미터를 포함한다. 또한 햅틱제어 기술은 크게 일반 주행 상황, 위험 구역 접근 상황, 장애물에 의한 조향 제한 상황, 제어권 전환 상황 별 알고리즘으로 구성되며, 각 상황 별 천이 과정이 자연스럽도록 알고리즘을 구성하였다. 이러한 알고리즘을 검증하기 위하여 차량동역학 해석 시뮬레이션 툴을 활용, CAN 통신으로 구성된 시뮬레이터 환경을 구축하였으며, 각 상황 별 알고리즘 동작을 평가해봄으로써 실현 가능성 및 성능을 입증하였다.

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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