[논문]무인차량 원격주행제어 신뢰성 향상을 위한 통합 시뮬레이터 구축에 관한 연구

강태완; 박기홍; 김준원; 김재관; 박현철; 강창근

doi:10.5762/kais.2019.20.6.86

무인차량 원격주행제어 신뢰성 향상을 위한 통합 시뮬레이터 구축에 관한 연구
A Study on the Development of Driving Simulator for Improvement of Unmanned Vehicle Remote Control 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.6, 2019년, pp.86 - 94

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

초록
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본 논문은 보다 높은 실재감과 안전성을 확보하기 위한 무인차량 원격주행제어 환경 개발에 대한 내용을 설명한다. 주로 무인차량 원격주행제어를 위한 환경은 조이스틱 형태의 장치를 활용하여 조향과 가/감속이 가능하도록 개발되어 사용되었다. 그 외 일반 차량처럼 간이 조향-휠(steering-wheel)을 기반으로 개발된 시뮬레이터 환경도 있으나, 현재 주행 상황을 피드백하는 기술이 적용되어 있지 않거나 가/감속부를 포함하지 않는 것이 대부분이다. 피드백 기술이란 일반 차량을 직접 운전할 때 조향-휠과 가/감속 페달을 통해 느껴지는 현재 주행 상황을 시뮬레이터 환경에 구현하는 것을 의미한다. 이렇듯 무인차량 원격주행제어에 이질감을 감소시키는 피드백 기술 개발과 더불어 실재감을 높일 수 있는 시뮬레이터 환경 구축이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 선행 연구를 통해 개발된 힘반향 햅틱제어 기술을 적용할 수 있는 시뮬레이터 환경을 구축하고 시뮬레이터 하드웨어의 최소 요구사양을 도출하는 연구를 수행하였다. 하드웨어 구성은 일반 차량과 유사한 조향-휠 모듈과 가/감속 페달 모듈로 구성하였으며, 조향부와 가/감속부 모두 피드백 기술을 적용할 수 있도록 별도의 액추에이터를 설치하였다. 또한 제어부 PC를 통해 두 가지 조작부에 피드백 명령을 전달할 수 있도록 CAN(controller area network) 통신 환경을 구성하였다. 이렇게 구성한 시뮬레이터 환경의 성능을 검증하기 위하여 기 개발된 힘반향 햅틱제어 알고리즘을 직접 적용하여 각 상황 별 알고리즘 동작을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the development of unmanned vehicle remote control system which is configured with steering and accelerating/braking hardware to improve the sense of reality and safety of control. Generally, in these case of the remote control system, a joystick-type device is used for steering and accelerating/braking control of unmanned vehicle in most cases. Other systems have been developing using simple steering wheel, but there is no function of that feedback the feeling of driving situation to users and it mostly doesn't include the accelerating/braking control hardware. The technology of feedback means that a reproducing the feeling of current driving situation through steering and accelerating/braking hardware when driving a vehicle in person. In addition to studying feedback technologies that reduce unfamiliarity in remote control of unmanned vehicles, it is necessary to develop the remote control system with hardware that can improve sense of reality. Therefore, in this study, the reliable remote control system is developed and required system specification is defined for applying force-feedback haptic control technology developed through previous research. The system consists of a steering-wheel module similar to a normal vehicle and an accelerating/braking pedal module with actuators to operate by feedback commands. In addition, the software environment configured by CAN communication to send feedback commands to each modules. To verify the reliability of the remote control system, the force-feedback haptic control algorithms developed through previous research were applied, to assess the behavior of the algorithms in each situation.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Remote Control System Hardware Configuration
그림 Fig. 2. IPG Simulation Software - TruckMaker
그림 Fig. 3. CAN Receive & Transmit Block-set in Vehicle Network Toolbox(Matlab/Simulink)
표 Table 1. Specification of Unmanned Vehicle
표 Table 2. Control PC - Steering HW CAN Messages
표 Table 3. Control PC – Acc/Brk HW CAN Messages
그림 Fig. 4. Remote Control Simulator Configuration
표 Table 4. Steering HW Specification Requirement
표 Table 5. Acc/Brk Hardware Specification Requirement
그림 Fig. 5. Force-feedback Control algorithm Overview
그림 Fig. 6. Results of Simulation: Vehicle-Simulator Steering angle Synchronization
그림 Fig. 7. Results of Simulation: Steering Feel (a) Algorithm not applied (b) Algorithm applied
그림 Fig. 8. Results of Simulation: Limitation of Operation (Steering)
그림 Fig. 9. Simulation: Limitation of Steering Situation
그림 Fig. 10. Results of Simulation: Transmit Warning Signals (Steering), Limitation of Operation(Acc/Brk)
그림 Fig. 11. Simulation: Forward Collision Situation

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

시뮬레이터 구축에 가장 중요한 요소는 원격주행제어에 안전성을 확보하는 것이다. 동기화 기능과 더불어 사용자의 위험한 조작을 제한한다든가 경고하는 기능이 안전성을 확보하기 위한 것이다.
가/감속부 하드웨어는 상대적으로 조향부보다 사용자에게 이질감을 유발하는 경우가 적으나 원격주행제어 시 안전성을 확보하기 위해서는 조작 제한 기능이 추가되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 가/감속부의 가속 페달에 추가적인 액추에이터를 장착하여 위험 상황 발생 시 조작을 제한할 수 있도록 하였다. 이렇듯 아래 Table 5는 원격주행제어의 안전성 확보를 위하여 가/감속부 모듈이 가져야하는 요구사양에 대해서 설명한다.
4와 같이 통신이 가능토록 구성하였고, 정상적인 힘반향 햅틱제어 기술 작동을 확인하였다. 본 연구는 기존과 비교하여 원격주행제어의 실재감과 안전성을 향상시키기 위하여 조향부와 가/감속부 모두의 요구사양을 분석하는 것이 주요한 내용이며, 위 요구사양은 힘반향 햅틱제어 성능을 저하시키지 않도록 하는 최소한의 조건이다.
본 연구에서는 무인차량 원격 제어 시 실재감과 안전성을 향상시키기 위한 하드웨어 환경 구축에 대한 연구를 수행하였다. 연구의 목표는 힘반향 햅틱제어 알고리즘 적용을 고려한 최적의 시뮬레이터 환경을 구성하는 것이며, 이를 달성하기 위하여 다음과 같은 결과물을 도출하였다.
Kang 외 4인은 무인차량이 주행하는 환경이 제어 스테이션에 전달되도록 하는실재감 향상을 위한 사용자 관점의 힘반향 햅틱제어 알고리즘을 개발하였다[4]. 본 연구에서는 앞선 연구에서 개발되어진 힘반향 햅틱제어 기술을 적용할 수 있는 신뢰성 높은 원격주행제어 환경을 개발하는 연구를 수행하였다. 제어 환경 내 하드웨어는 실재감과 안전성을 높이기 위한 동기화 기능이 포함되어 있으며, 힘반향 햅틱제어 기술의 정상적인 적용을 위하여 제어 호환성까지 고려되어 구축되었다.
본 연구에서는 무인차량 원격 제어 시 실재감과 안전성을 향상시키기 위한 하드웨어 환경 구축에 대한 연구를 수행하였다. 연구의 목표는 힘반향 햅틱제어 알고리즘 적용을 고려한 최적의 시뮬레이터 환경을 구성하는 것이며, 이를 달성하기 위하여 다음과 같은 결과물을 도출하였다.

가설 설정

차량 속도는 30km/h(무인차량의 최고 속도를 비롯해봤을 때 중속 조건으로 가정), 조향각은 ±40deg(0.3Hz 입력)로 입력하는 조건으로 시험을 수행하였다.

제안 방법

1. 기 개발된 힘반향 햅틱제어 알고리즘 적용을 고려하여 최적의 시뮬레이터 조향부 및 가/감속부 하드웨어 요구사양을 분석하였다. 가장 중요한 요구사양으로 조향부의 제어 주기는 1ms로 분석되었으며, 최대 출력 토크는 12Nm, 가/감속부의 경우 사용자의 조작을 제한할 수 있도록 페달력 최대치는 200N으로 분석되었다.
2. 요구사양 분석 결과를 토대로 하드웨어를 선정하고 조향부, 가/감속부, 제어부 하드웨어 간 통신 환경을 구축하여 통합 시뮬레이터를 개발하였다.
3. 개발 완료한 시뮬레이터에 기 개발된 힘반향 햅틱제어 알고리즘을 적용하여 기능이 정상적으로 동작하는지 검증하였다. 첫 번째로 동기화 기능에서는 조향각 오차가 ±3deg 이하로 확인되었으며, 조타감의 경우 일반 차량과 유사하게 Steering Torque Gradient 값이 0.
조향부와 가/감속부와 달리 제어부 PC는 별도로 CAN 통신 환경을 구현해야하는데, 본 연구에서는 Matlab/Simulink에서 제공하는 Vehicle Network Toolbox를 활용하였다. Fig. 3에 확인 가능한 CAN 메시지 송수신 블록셋(block-set)을 활용하여 조향부와 가/감속부에서 출력하는 메시지를 수신받고, 조향부와 가/감속부가 입력받아야 하는 메시지를 송신하도록 구현하였다.
각각의 하드웨어는 CAN 통신을 통해 정보를 주고받기 때문에 제어부 PC에 PEAK 社 P-CAN을 설치하여 Fig. 4와 같이 통신이 가능토록 구성하였고, 정상적인 힘반향 햅틱제어 기술 작동을 확인하였다. 본 연구는 기존과 비교하여 원격주행제어의 실재감과 안전성을 향상시키기 위하여 조향부와 가/감속부 모두의 요구사양을 분석하는 것이 주요한 내용이며, 위 요구사양은 힘반향 햅틱제어 성능을 저하시키지 않도록 하는 최소한의 조건이다.
조향각 오차가 일정 값, 일정 기간 동안 지속되는 경우가 발생하지 않고 통합 시뮬레이터가 동작하는지 검증한다. 다음으로 조향각-조타토크 히스테리시스 곡선을 통해 기본적인 조타감을 확인한다. 마지막으로 조향부 뿐만 아니라 가/감속부도 기본 제어 성능에 영향을 미치지 않는 수준의 조작 제한 및 경고 기능을 수행하는지에 대해 검증한다.
앞 절에서 언급했듯이 하드웨어를 선정하고 원격주행제어시스템 환경을 구축하기 위해서는 요구사양이 먼저 정의되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 기존에 개발되었던 힘반향 햅틱제어 알고리즘을 토대로 하드웨어 선정 및 요구사양 정의를 진행하였다. 기준이 되는 알고리즘의 경우 크게 3가지 기능을 포함하는데, 첫째 일반 차량 주행 상황과 유사한 실재감을 제공하도록 하는 반력 제어가 가장 기본적이다(force feedback control).
시뮬레이터에 힘반향 햅틱제어 알고리즘이 정상적으로 동작하고 시뮬레이터가 그 요구사양을 받쳐준다면, 일반 차량과 유사한 조타감을 구현할 수 있다. 따라서 조타감을 검증하는 시험인 On-center Handling 시험을 통하여 조향각-조타토크 히스테리시스 곡선을 확인하였다.
다음으로 조향각-조타토크 히스테리시스 곡선을 통해 기본적인 조타감을 확인한다. 마지막으로 조향부 뿐만 아니라 가/감속부도 기본 제어 성능에 영향을 미치지 않는 수준의 조작 제한 및 경고 기능을 수행하는지에 대해 검증한다.
무인차량은 일반 차량과 횡가속도 범위가 다르지만 최대한 일반 차량과 유사한 조건으로 시험을 수행하였다. 차량 속도는 30km/h(무인차량의 최고 속도를 비롯해봤을 때 중속 조건으로 가정), 조향각은 ±40deg(0.
본 연구에서 개발한 통합 시뮬레이터를 검증하기 위하여, 이를 기반으로 가상 차량모델의 원격주행제어 시뮬레이션을 수행하였다. 이 때 통합 시뮬레이터에 힘반향 햅틱제어 알고리즘 적용하여 기능 수행에 성능 문제가 없는지 확인하였고, 4절에서는 그 내용에 대해서 설명한다.
본 연구에서는 모터 제어 주기와 CAN 통신 주기를 모두 고려하여 1ms를 통신 주기로 선정하였다. 아래 Table 4는 통신 주기를 포함한 조향부 하드웨어의 설계 요구사항이다.
본 연구에서는 해당 제원을 토대로 TruckMaker 차량모델을 개발하였는데, 우선 조향 방식과 차체 정보를 반영하고, 무인차량의 기능 중 하나인 전방 장애물 및 전방 도로 정보 습득이 가능하도록 센서를 장착하였다. 센서의 경우, 힘반향 햅틱제어에 필요한 정보가 가상의 차량에서도 출력되도록 하기 위하여 TruckMaker에서 기본적으로 제공하는 센서를 장착하였다.
연석 등 장애물에 의해 추가적인 조향이 불가한 경우를 모사하여 이질감 없이 조향이 제한되는지 시뮬레이션하고, 전방 추돌과 같은 위험이 예상되는 경우를 모사하여 가/감속부에는 가속 제한, 조향부에는 진동을 통한 경고를 정상적으로 수행하는지 확인한다. Fig.
첫째로 가상의 무인차량과 조향 동기화 검증을 수행한다. 조향각 오차가 일정 값, 일정 기간 동안 지속되는 경우가 발생하지 않고 통합 시뮬레이터가 동작하는지 검증한다. 다음으로 조향각-조타토크 히스테리시스 곡선을 통해 기본적인 조타감을 확인한다.
차량, 시뮬레이터 간 동기화의 경우, 원격주행제어 시 발생할 수 있는 사용자 상해를 방지하고, 제어모드 전환 시 위험을 감소시키기 위해 매우 중요하다. 조향부와 가/감속부 모두에 동기화 기능이 포함되는 것이 바람직하나 본 연구에서는 상대적으로 동기화가 되지 않았을 경우 위험도가 더 높은 조향부에만 동기화 기능을 고려하였고, 조향부 하드웨어를 통해 사용자가 입력한 조향각(User Steering-wheel Angle)과 가상 무인차량의 조향각(Vehicle Steering-wheel Angle) 차이(User Steering- wheel Angle Error)를 비교하는 시뮬레이션을 수행하였다.
통합 시뮬레이터 검증을 위하여 3가지 제어 성능에 대한 검증을 수행하였다. 첫째로 가상의 무인차량과 조향 동기화 검증을 수행한다. 조향각 오차가 일정 값, 일정 기간 동안 지속되는 경우가 발생하지 않고 통합 시뮬레이터가 동작하는지 검증한다.
통합 시뮬레이터 검증을 위하여 3가지 제어 성능에 대한 검증을 수행하였다. 첫째로 가상의 무인차량과 조향 동기화 검증을 수행한다.

이론/모형

앞서 언급했듯이 힘반향 햅틱제어 알고리즘 적용을 위하여 실제 무인차량과 유사한 가상의 차량이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 상용 툴인 TruckMaker를 사용하여 해당 업무를 수행하였다. TruckMaker는 독일 IPG 社에서 제공하는 차량 동역학 해석 솔루션 소프트웨어로, 주요 특징은 Fig.
조향부와 가/감속부와 달리 제어부 PC는 별도로 CAN 통신 환경을 구현해야하는데, 본 연구에서는 Matlab/Simulink에서 제공하는 Vehicle Network Toolbox를 활용하였다. Fig.
추가적으로 힘반향 햅틱제어에 필요한 메시지를 가상 차량모델로부터 수신 받아야하기 때문에 기타 메시지가 모두 송수신되도록 Matlab/Simulink 모델을 구성하였다.

성능/효과

기 개발된 힘반향 햅틱제어 알고리즘 적용을 고려하여 최적의 시뮬레이터 조향부 및 가/감속부 하드웨어 요구사양을 분석하였다. 가장 중요한 요구사양으로 조향부의 제어 주기는 1ms로 분석되었으며, 최대 출력 토크는 12Nm, 가/감속부의 경우 사용자의 조작을 제한할 수 있도록 페달력 최대치는 200N으로 분석되었다.
3Hz 입력)로 입력하는 조건으로 시험을 수행하였다. 그 결과, Fig. 7에서 확인 가능하듯이 힘반향 햅틱제어 알고리즘이 요구사양을 만족하는 하드웨어에 적용되어, 일반 차량에서 확인 가능한 히스테리시스 곡선을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
12Nm/deg로 확인되었다. 마지막으로 조작 제한 기능 또한 시뮬레이터 환경에서 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다.
6 첫 번째 그래프을 보면 Control Mode가 2(원격주행 모드)인 것을 확인할 수 있고, 조향각 오차(두 번째 그래프)가 ±3deg 이내인 것을 확인 가능하다. 약 60초 지점에 통신 지연 및 부하에 의하여 순간적인 오차가 발생하나 원격주행제어에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
첫 번째로 동기화 기능에서는 조향각 오차가 ±3deg 이하로 확인되었으며, 조타감의 경우 일반 차량과 유사하게 Steering Torque Gradient 값이 0.12Nm/deg로 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피드백 기술이란?	그 외 일반 차량처럼 간이 조향-휠(steering-wheel)을 기반으로 개발된 시뮬레이터 환경도 있으나, 현재 주행 상황을 피드백하는 기술이 적용되어 있지 않거나 가/감속부를 포함하지 않는 것이 대부분이다. 피드백 기술이란 일반 차량을 직접 운전할 때 조향-휠과 가/감속 페달을 통해 느껴지는 현재 주행 상황을 시뮬레이터 환경에 구현하는 것을 의미한다. 이렇듯 무인차량 원격주행제어에 이질감을 감소시키는 피드백 기술 개발과 더불어 실재감을 높일 수 있는 시뮬레이터 환경 구축이 필수적이다.
	원격제어에 활용되는 조이스틱 형태의 제어 스테이션의 장단점은?	원격제어에 활용되는 제어 스테이션은 대부분 조이스틱 형태의 시스템이 사용되고 있으며, Ryu 외 5인은 조이스틱 형태의 제어 스테이션을 개발하여 조이스틱의 Tilting motion은 가/감속, Panning motion으로 조향제어를 수행하도록 하는 연구를 수행하였다[3]. 이는 하나의 기구로 조작이 가능하다는 장점이 있으나, 조종에 어려움이 있고 실제 차량 운전과 매우 다르다는 한계점이 있다. 이러한 이질감뿐만 아니라 원격주행제어 모드에서 자율주행 모드로, 자율주행 모드에서 원격주행제어 모드로 변환할 시 조향 및 가/감속 조작부와 실제 제어 상황과 동기화가 이루어지지 않아 위험을 유발할 수 있다.
	독일 IPG 社에서 제공하는 차량 동역학 해석 솔루션 소프트웨어인 TruckMaker의 특징은?	TruckMaker는 독일 IPG 社에서 제공하는 차량 동역학 해석 솔루션 소프트웨어로, 주요 특징은 Fig. 2와 같이 차축이 2개 이상인 대형차량을 해석 대상으로 한다는 점이다. 원격주행제어의 주 대상인 무인차량의 경우, 특수 목적 차량으로써 Table 1과 같은 제원을 가진다.

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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