KR101930163B1 - Apparatus and method for lane Keeping control - Google Patents

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KR101930163B1
KR101930163B1 KR1020170078405A KR20170078405A KR101930163B1 KR 101930163 B1 KR101930163 B1 KR 101930163B1 KR 1020170078405 A KR1020170078405 A KR 1020170078405A KR 20170078405 A KR20170078405 A KR 20170078405A KR 101930163 B1 KR101930163 B1 KR 101930163B1
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정정주
강창묵
이승희
김원희
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

Disclosed are an apparatus and a method for lane keeping control, capable of estimating a lateral speed of a vehicle. The apparatus for the lane keeping control includes: a measurement unit for measuring lane information and vehicle motion information by using at least one of a camera sensor and an inertial measurement sensor; and a backstepping controller for performing lateral motion control for keeping a lane of a vehicle by using the lane information and the vehicle motion information, wherein the backstepping controller calculates a steering torque of the vehicle by using a dynamic lateral motion model that takes into consideration a look-ahead distance of the vehicle, and performs the lateral motion control by using the calculated steering torque, the dynamic lateral motion model is produced as a reduced quadratic model, and the backstepping controller is generated through a backstepping process for the reduced quadratic dynamic lateral motion model.

Description

차로 유지 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for lane Keeping control}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 차로 유지 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lane keeping control device and method.

첨단 운전자 보조 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance System)을 위한 자율 주행 차량의 제어 이슈는 자동차 산업에서 활발히 연구되어왔다. 이러한 첨단 운전자 보조 시스템과 자율 주행 차량은 운전을 더욱 안전하고 편리하게 만든다.Control issues of autonomous vehicles for Advanced Driver Assistance System (ADAS) have been actively studied in the automotive industry. These advanced driver assistance systems and autonomous vehicles make driving safer and more convenient.

첨단 운전자 보조 시스템 및 자율 주행 차량의 제어는 종방향 제어 및 횡방향 제어의 두 가지 유형으로 분류될 수 있다. 적응형 크루즈 컨트롤 및 자율 비상 브레이크를 포함하는 많은 종방향 제어 어플리케이션이 시장에 소개된 바 있다. 한편, 횡방향 제어는 차량 안정성과 밀접한 관련이 있기 때문에, 종방향 제어처럼 많이 개발되지 않았으며, 단지, 운전자가 횡방향 위치를 제어하기 위하여 사용할 수 있는 일부 지원 어플리케이션만이 출시되었다. 이러한 애플리케이션에는 사각 지점 감지, 차선 유지/변경 지원 및 차선 이탈 경고의 기능이 포함되었다. 최근, 전동식 파워 스티어링 시스템의 각도 제어 방법이 자율 차량을 위해 개발되었다.Control of advanced driver assistance systems and autonomous vehicles can be classified into two types: longitudinal control and lateral control. Many longitudinal control applications have been introduced to the market, including adaptive cruise control and autonomous emergency brakes. On the other hand, since lateral control is closely related to vehicle stability, it has not been developed as much as longitudinal control, but only a few supporting applications are available that the driver can use to control the lateral position. These applications included the functions of blind spot detection, lane maintenance / change support, and lane departure warning. Recently, an angle control method of an electric power steering system has been developed for autonomous vehicles.

차로 유지 시스템(LKS)과 차로 변경 시스템(LXS)과 같은 횡방향 모션 제어를 위한 다양한 횡방향 제어 방법이 미국 자동차 공학회(Society of Automotive Engineers(SAE) Internationa)에서 정의된 수준 4(높은 자동화) 및 5(완전 자동화)에 도달하기 위해 연구되었다.Various lateral control methods for lateral motion control, such as the LKS (Lane Keeping System) and LXS (LXS), are described in Level 4 (high automation) and defined in the Society of Automotive Engineers (SAE) Internationa 5 (fully automated).

예를 들어, 리아프노프(Lyapunov) 기반의 횡방향 제어 알고리즘은 Rossetter and Gerdes가 2006년에 제안한 반면, 배경 제어 이론은 자동 차선 변경 기법에 대하여 2003년에 제시되었다. Taylor는 횡방향 모션에 대한 lead-lag 제어 방법을 1999년에 제시하였다. 또한, 이득 스케쥴링 퍼지 제어(gain scheduling fuzzy control)가 Wu 등에 의하여 2008년에 제안되었다. 추월 조작 동안의 인간의 행동과 반응을 모방한 퍼지 제어기가 Naranjo에 의하여 2008년에 개발되었다. 한편, 4 개의 횡방향 제어 방법의 성능은 Chaib에 의하여 2004년에 비교되고 연구되었다.For example, the Lyapunov-based lateral control algorithm was proposed by Rossetter and Gerdes in 2006, while the background control theory was presented in 2003 for the automatic lane change technique. Taylor proposed a lead-lag control method for lateral motion in 1999. Also, gain scheduling fuzzy control was proposed in 2008 by Wu et al. Naranjo developed a fuzzy controller in 2008 that mimics human behavior and response during overtaking operations. On the other hand, the performance of four lateral control methods was compared and studied by Chaib in 2004.

최근, 다중 비율 횡방향 제어 기법은 요레이트 리플(yaw rate ripple) 및 횡방향 오프셋 오차(lateral offset error)를 감소시키기 위하여, Son과 Kang에 의하여 각각 2016년 및 2015년에 제안되었다.Recently, multi-ratio lateral control techniques have been proposed by Son and Kang in 2016 and 2015, respectively, to reduce yaw rate ripple and lateral offset error.

키네마틱(kinematic) 차량 모델을 이용한 횡방향 어플리케이션도 제안되었다.A lateral application using a kinematic vehicle model has also been proposed.

이와 같은 방법들은 횡방향 제어 성능을 개선했지만, 시스템과 모델링 불확실성이 고려되지 않았다. 실제로, 제어기가 전술한 대부분의 방법을 사용할 수 있다고 가정하더라도, 횡방향 속도를 측정하는 것은 어렵다.Although these methods have improved lateral control performance, system and modeling uncertainties have not been considered. In practice, it is difficult to measure the lateral velocity even if the controller is able to use most of the methods described above.

본 발명은 차로 유지를 위한 차량의 다이나믹 횡방향 모션 모델(dynamic lateral motion model)을 이용하여 차량의 횡방향 모션을 제어하고, 차량의 횡방향 속도를 추정하는 차로 유지 제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to a lane keeping control device and method for controlling a lateral motion of a vehicle using a dynamic lateral motion model of a vehicle for lane keeping and estimating a lateral velocity of the vehicle will be.

본 발명의 일 측면에 따르면, 차로 유지 제어 장치가 개시된다.According to an aspect of the present invention, a lane keeping controller is disclosed.

본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치는, 카메라 센서 및 관성 측정 센서 중 적어도 하나를 이용하여 차로 정보 및 차량 모션 정보를 측정하는 측정부 및 상기 차로 정보 및 상기 차량 모션 정보를 이용하여 차량의 차로 유지를 위한 횡방향 모션 제어(lateral motion control)를 수행하는 백스테핑(backstepping) 제어기를 포함하되, 상기 백스테핑 제어기는 상기 차량의 전방 주시 거리(look-ahead distance)를 고려한 다이나믹 횡방향 모션 모델(dynamic lateral motion model)을 이용하여 상기 차량의 스티어링 토크를 산출하고, 상기 산출된 스티어링 토크를 이용하여 상기 횡방향 모션 제어를 수행하며, 상기 다이나믹 횡방향 모션 모델은 축소된 2차 모델로 생성되고, 상기 백스테핑 제어기는 축소된 2차의 다이나믹 횡방향 모션 모델에 대한 백스테핑 과정을 통해 생성된다.A lane keeping control device according to an embodiment of the present invention includes a measurement unit for measuring lane information and vehicle motion information using at least one of a camera sensor and an inertial measurement sensor, And a backstepping controller for performing a lateral motion control for maintaining the vehicle by the vehicle, wherein the backstepping controller includes a dynamic lateral motion model considering a look-ahead distance of the vehicle, calculates a steering torque of the vehicle using a dynamic lateral motion model, and performs the lateral motion control using the calculated steering torque, and the dynamic lateral motion model is generated as a reduced second-order model , The back stepping controller generates a back stepping process for the reduced second order dynamic lateral motion model The.

상기 차로 정보는 상기 차량의 무게중심에서의 횡방향 차로 중심 오프셋(lateral lane center offset)

Figure 112017059472447-pat00001
및 상기 무게중심에서의 헤딩 각도 오차(heading angle error)
Figure 112017059472447-pat00002
를 포함하고, 상기 차량 모션 정보는 요레이트 오차(yaw rate error)
Figure 112017059472447-pat00003
를 포함한다.Wherein the lane information includes a lateral lane center offset at the center of gravity of the vehicle,
Figure 112017059472447-pat00001
And a heading angle error at the center of gravity.
Figure 112017059472447-pat00002
Wherein the vehicle motion information includes a yaw rate error,
Figure 112017059472447-pat00003
.

상기 다이나믹 횡방향 모션 모델의 시스템 상태 함수는 상태 벡터

Figure 112017059472447-pat00004
를 포함하며, 상기 축소된 2차의 다이나믹 횡방향 모션 모델의 시스템 상태 함수는 3차 곡선 차로에 대한 전방 주시 지점(look-ahead point)에서의 횡방향 오프셋 eyL을 상태 함수 z로 적용하여 하기 수학식으로 정의된다.The systematic state function of the dynamic lateral motion model includes a state vector
Figure 112017059472447-pat00004
Wherein the system state function of the reduced second order dynamic lateral motion model is obtained by applying a lateral offset e yL at a look-ahead point to a cubic curve lane as a state function z, Is defined by a mathematical expression.

Figure 112017059472447-pat00005
Figure 112017059472447-pat00005

여기서,

Figure 112017059472447-pat00006
(= x1)는 상기 차량의 무게중심에서의 횡방향 차로 중심 오프셋(lateral lane center offset)이고,
Figure 112017059472447-pat00007
(= x2)는 횡방향 속도 오차이고,
Figure 112017059472447-pat00008
(= x3)는 상기 무게중심에서의 헤딩 각도 오차(heading angle error)이고,
Figure 112017059472447-pat00009
(= x4)는 상기 차량 모션 정보는 요레이트 오차(yaw rate error)이고, L은 상기 전방 주시 거리이고, z2는 z1을 미분한 것임here,
Figure 112017059472447-pat00006
(= x 1 ) is the lateral lane center offset at the center of gravity of the vehicle,
Figure 112017059472447-pat00007
(= x 2 ) is the lateral velocity error,
Figure 112017059472447-pat00008
(= x 3 ) is a heading angle error at the center of gravity,
Figure 112017059472447-pat00009
(= x 4 ), the vehicle motion information is a yaw rate error, L is the forward viewing distance, and z 2 is a derivative of z 1

상기 횡방향 오프셋 eyL은 하기 수학식으로 근사화된다.The transverse offset e yL is approximated by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00010
Figure 112017059472447-pat00010

상기 z1은 하기 수학식으로 나타난다.Z 1 is represented by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00011
Figure 112017059472447-pat00011

여기서,

Figure 112017059472447-pat00012
는 차량의 무게중심으로부터 턴(turn) 중심까지의 거리이고,
Figure 112017059472447-pat00013
는 차량 무게중심에서의 종방향(longitudinal) 차량 속도이고,
Figure 112017059472447-pat00014
는 차량 무게중심에서의 사이드 슬립 각도(side slip angle)임here,
Figure 112017059472447-pat00012
Is the distance from the center of gravity of the vehicle to the center of the turn,
Figure 112017059472447-pat00013
Is the longitudinal vehicle speed at the center of gravity of the vehicle,
Figure 112017059472447-pat00014
Is the side slip angle at the center of gravity of the vehicle

상기

Figure 112017059472447-pat00015
이되,remind
Figure 112017059472447-pat00015
However,

상기

Figure 112017059472447-pat00016
로부터
Figure 112017059472447-pat00017
이 도출되며,remind
Figure 112017059472447-pat00016
from
Figure 112017059472447-pat00017
Lt; / RTI >

상기 이 상기 z1에 적용된다.remind Is applied to z 1 .

상기 전방 주시 지점(look-ahead point)에서의 횡방향 오프셋(z1)이 0으로 수렴하면, 상기 차량의 무게중심에서의 횡방향 차로 중심 오프셋(x1) 및 상기 무게중심에서의 헤딩 각도 오차(x3)는 0으로 수렴한다.If the convergence to a lateral offset (z 1) at the front watch point (look-ahead point) 0, heading angle error of the center of gravity lateral drive center offset (x 1) and the weight of the of the vehicle center (x 3 ) converge to zero.

상기 횡방향 속도 오차를 추정하는 슬라이딩 모드 관측기를 더 포함한다.And a sliding mode observer for estimating the lateral velocity error.

상기 슬라이딩 모드 관측기는 상기 횡방향 속도 오차를 0으로 수렴시키기 위하여 상기 횡방향 속도 오차를 추정하되, 상기 횡방향 속도 오차가 0으로 수렴하면, 상기 백스테핑 제어기의 오차가 0으로 수렴한다.The sliding mode observer estimates the lateral velocity error to converge the lateral velocity error to zero, and when the lateral velocity error converges to zero, the error of the back stepping controller converges to zero.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 차로 유지 제어 방법이 개시된다.According to another aspect of the present invention, a lane keeping control method is disclosed.

본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 방법은, 카메라 센서 및 관성 측정 센서 중 적어도 하나를 이용하여 차로 정보 및 차량 모션 정보를 측정하는 단계 및 상기 차로 정보 및 상기 차량 모션 정보를 이용하여 차량의 차로 유지를 위한 횡방향 모션 제어(lateral motion control)를 수행하는 단계를 포함하되, 상기 횡방향 모션 제어를 수행하는 단계는, 백스테핑(backstepping) 제어기가 상기 차량의 전방 주시 거리(look-ahead distance)를 고려한 다이나믹 횡방향 모션 모델(dynamic lateral motion model)을 이용하여 상기 차량의 스티어링 토크를 산출하고, 상기 산출된 스티어링 토크를 이용하여 상기 횡방향 모션 제어를 수행하며, 상기 다이나믹 횡방향 모션 모델은 축소된 2차 모델로 생성되고, 상기 백스테핑 제어기는 축소된 2차의 다이나믹 횡방향 모션 모델에 대한 백스테핑 과정을 통해 생성된다.The present invention provides a lane keeping control method comprising the steps of measuring lane information and vehicle motion information using at least one of a camera sensor and an inertial measurement sensor, Wherein the step of performing lateral motion control comprises the step of providing a backstepping controller with a look-ahead distance of the vehicle, The dynamic lateral motion model is calculated using the calculated steering torque and the lateral motion control is performed using the calculated dynamic steering torque and the dynamic lateral motion model is reduced , And the back stepping controller is configured to generate a backscatter signal for the reduced second order dynamic lateral motion model, Tapping process.

본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치 및 방법은, 차로 유지를 위한 차량의 다이나믹 횡방향 모션 모델(dynamic lateral motion model)을 이용하여 차량의 횡방향 모션을 제어하고, 차량의 횡방향 속도를 추정할 수 있다.An apparatus and a method for controlling a lane keeping control according to an embodiment of the present invention are provided for controlling a lateral motion of a vehicle using a dynamic lateral motion model of a vehicle for lane keeping, Can be estimated.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치에 의한 차량의 횡방향 모션을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치의 개략적인 구성을 예시하여 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 방법의 흐름도을 나타낸 도면.
도 4 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a diagram showing a lateral motion of a vehicle by a lane keeping control device according to an embodiment of the present invention; Fig.
2 is a diagram illustrating a schematic configuration of a lane keeping controller according to an embodiment of the present invention.
3 is a flow chart of a lane keeping control method according to an embodiment of the present invention;
Figs. 4 to 14 show simulation results of a lane keeping control apparatus according to an embodiment of the present invention; Fig.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms " comprising ", or " comprising " and the like should not be construed as necessarily including the various elements or steps described in the specification, Or may be further comprised of additional components or steps. Also, the terms " part, " " module, " and the like described in the specification mean units for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software .

본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 본 명세서에 기재된 파라미터나 첨자 등과 같은 각종 용어에 대하여 하기와 같이 정의하기로 한다.Before describing embodiments of the present invention, various terms such as parameters and subscripts described in the present specification will be defined as follows.

Figure 112017059472447-pat00019
: 차량의 무게중심으로부터 턴(turn) 중심까지의 거리
Figure 112017059472447-pat00019
: Distance from the center of gravity of the vehicle to the center of the turn

Figure 112017059472447-pat00020
: 차로 중심으로부터 턴 중심까지의 거리
Figure 112017059472447-pat00020
: Distance from the center of the car to the center of the turn

Figure 112017059472447-pat00021
: 차량 무게중심에서의 횡방향 차로 중심 오프셋(lateral lane center offset)
Figure 112017059472447-pat00021
: Lateral lane center offset at the vehicle center of gravity

Figure 112017059472447-pat00022
: 전방 주시 지점(look-ahead point)에서의 횡방향 차로 중심 오프셋
Figure 112017059472447-pat00022
: The lateral lane center offset at the look-ahead point

Figure 112017059472447-pat00023
: 전방 주시 거리(look-ahead distance)
Figure 112017059472447-pat00023
: Look-ahead distance

Figure 112017059472447-pat00024
: 차로 중심의 요 각도 기울기(yaw angle slope)
Figure 112017059472447-pat00024
: Yaw angle slope at the center of the car

Figure 112017059472447-pat00025
: 전방 주시 지점에서의 차로 중심의 요 각도 기울기
Figure 112017059472447-pat00025
: The center yaw angle slope at the front sight point

Figure 112017059472447-pat00026
: 차량 무게중심에서의 헤딩 각도 오차(heading angle error)
Figure 112017059472447-pat00026
: Heading angle error at the vehicle center of gravity

Figure 112017059472447-pat00027
: 전방 주시 지점에서의 헤딩 각도 오차
Figure 112017059472447-pat00027
: Heading angle error at forward viewing point

Figure 112017059472447-pat00028
: 요레이트(yaw rate)
Figure 112017059472447-pat00028
: Yaw rate

Figure 112017059472447-pat00029
: 차량 무게중심에서의 차량 속도
Figure 112017059472447-pat00029
: Vehicle speed at the center of gravity of the vehicle

Figure 112017059472447-pat00030
: 타이어 슬립 각도(tire slip angle)
Figure 112017059472447-pat00030
: Tire slip angle

Figure 112017059472447-pat00031
: 차량 무게중심에서의 사이드 슬립 각도(side slip angle)
Figure 112017059472447-pat00031
: Side slip angle at the vehicle center of gravity

Figure 112017059472447-pat00032
: 타이어의 코너링 강성(cornering stiffness)
Figure 112017059472447-pat00032
: Cornering stiffness of a tire

Figure 112017059472447-pat00033
: 횡방향 타이어 힘
Figure 112017059472447-pat00033
: Lateral tire force

Figure 112017059472447-pat00034
: 차량의 요 관성(yaw inertia)
Figure 112017059472447-pat00034
: Yaw inertia of vehicle

Figure 112017059472447-pat00035
: 차량의 총 중량
Figure 112017059472447-pat00035
: Total weight of vehicle

Figure 112017059472447-pat00036
: 차량의 무게중심과 타이어간 거리
Figure 112017059472447-pat00036
: Distance between the center of gravity of the vehicle and the tire

Figure 112017059472447-pat00037
: 제어 입력(=
Figure 112017059472447-pat00038
: 스티어링 각도)
Figure 112017059472447-pat00037
: Control input (=
Figure 112017059472447-pat00038
: Steering angle)

Figure 112017059472447-pat00039
: 전방(front)
Figure 112017059472447-pat00039
: Front

Figure 112017059472447-pat00040
: 후방(rear)
Figure 112017059472447-pat00040
: Rear

Figure 112017059472447-pat00041
: 종방향(longitudinal)
Figure 112017059472447-pat00041
: Longitudinal

Figure 112017059472447-pat00042
: 횡방향(lateral)
Figure 112017059472447-pat00042
: Lateral

Figure 112017059472447-pat00043
: desired
Figure 112017059472447-pat00043
: desired

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치에 의한 차량의 횡방향 모션을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치의 개략적인 구성을 예시하여 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 방법의 흐름도를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a lateral motion of a vehicle by a lane keeping control device according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of a lane keeping control device according to an embodiment of the present invention And FIG. 3 is a flowchart showing a lane keeping control method according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치(200)는 측정부(210), 백스테핑(backstepping) 제어기(220) 및 슬라이딩 모드 관측기(Sliding mode observer)(230)를 포함한다.2, a lane keeping controller 200 according to an embodiment of the present invention includes a measuring unit 210, a backstepping controller 220, and a sliding mode observer 230 do.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 각 구성요소 별 기능 및 각 단계별로 수행되는 과정을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the function of each component and the process performed in each step will be described in detail with reference to FIG. 1 to FIG.

우선, S310 단계에서, 측정부(210)는 차로 정보 및 차량 모션 정보를 측정한다.First, in step S310, the measuring unit 210 measures lane information and vehicle motion information.

예를 들어, 측정부(210)는 카메라 센서 및 관성 측정 센서를 포함하며, 카메라 센서를 이용하여 차로 정보를 측정하고, 관성 측정 센서를 이용하여 차량 모션 정보를 측정할 수 있다. 즉, 도 1에서, 차량 무게중심에서의 횡방향 차로 중심 오프셋

Figure 112017059472447-pat00044
과 차량 무게중심에서의 헤딩 각도 오차
Figure 112017059472447-pat00045
는 카메라 센서를 이용하여 측정될 수 있으며, 요레이트 오차
Figure 112017059472447-pat00046
는 관성 측정 센서를 이용하여 측정될 수 있다.For example, the measurement unit 210 may include a camera sensor and an inertial measurement sensor, and may measure information on a car using a camera sensor and measure vehicle motion information using an inertial measurement sensor. That is, in Fig. 1, the lateral lane center offset at the center of gravity of the vehicle
Figure 112017059472447-pat00044
And the heading angle error at the vehicle center of gravity
Figure 112017059472447-pat00045
Can be measured using a camera sensor, and the yaw rate error
Figure 112017059472447-pat00046
Can be measured using an inertia measurement sensor.

다음으로, S320 단계에서, 백스테핑 제어기(220)는 차로 정보 및 차량 모션 정보를 이용하여 차량의 차로 유지를 위한 횡방향 모션 제어(lateral motion control)를 수행한다.Next, in step S320, the back stepping controller 220 performs lateral motion control for maintaining the vehicle by using the car information and the vehicle motion information.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 백스테핑 제어기(220)는 차량의 전방 주시 거리를 고려한 다이나믹 횡방향 모션 모델(dynamic lateral motion model)을 이용하여 차량의 스티어링 토크를 산출하고, 산출된 스티어링 토크를 이용하여 차량의 차로 유지를 위한 횡방향 모션 제어를 수행할 수 있다.That is, the back stepping controller 220 according to the embodiment of the present invention calculates the steering torque of the vehicle using a dynamic lateral motion model that takes into consideration the forward viewing distance of the vehicle, and calculates the calculated steering torque It is possible to perform the lateral motion control for maintaining the vehicle by the vehicle.

여기서, 다이나믹 횡방향 모션 모델은 축소된 2차 모델로 생성될 수 있으며, 백스테핑 제어기(220)는 축소된 2차의 다이나믹 횡방향 모션 모델에 대한 백스테핑 과정을 통해 생성될 수 있다.Here, the dynamic lateral motion model may be generated as a reduced second-order model, and the back stepping controller 220 may be generated through a back stepping process for a reduced second-order dynamic lateral motion model.

이하, 백스테핑 제어기(220)의 설계에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the design of the back stepping controller 220 will be described.

차량의 다이나믹 횡방향 모션 모델에 대한 시스템 상태 함수는 차량의 횡방향 위치와 속도의 오차에 관한 함수로 생성될 수 있다.The system state function for the dynamic lateral motion model of the vehicle can be generated as a function of the lateral position of the vehicle and the error of the speed.

우선, 일반화된 다이나믹 횡방향 모션 모델은, 도로에 대한 횡방향 위치 오차와 요 각도(yaw angle)의 오차로 구성되며, 이 모델의 시스템 상태 함수는 상태 벡터

Figure 112017059472447-pat00047
, 제어 입력
Figure 112017059472447-pat00048
및 외부 신호
Figure 112017059472447-pat00049
에 관하여 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.First, the generalized dynamic transverse motion model consists of the lateral position error and the yaw angle error for the road, and the system state function of this model is the state vector
Figure 112017059472447-pat00047
, Control input
Figure 112017059472447-pat00048
And external signals
Figure 112017059472447-pat00049
Can be expressed by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00050
Figure 112017059472447-pat00050

여기서,here,

Figure 112017059472447-pat00051
Figure 112017059472447-pat00051

Figure 112017059472447-pat00052
Figure 112017059472447-pat00052

Figure 112017059472447-pat00053
Figure 112017059472447-pat00053

Figure 112017059472447-pat00054
Figure 112017059472447-pat00054

Figure 112017059472447-pat00055
Figure 112017059472447-pat00055

Figure 112017059472447-pat00056
Figure 112017059472447-pat00056

전방 주시 지점에서의 횡방향 오프셋은 3차 다항식에서의 클로소이드 제약(clothoidal constraints)에 따라 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.The lateral offset at the forward viewing point can be expressed by the following equation according to the clothoidal constraints in the third order polynomial.

Figure 112017059472447-pat00057
Figure 112017059472447-pat00057

3차 곡선 차로는 작은 곡률 또는 작은 전방 주시 거리에 대하여 직선 차로로 근사화될 수 있다. 수학식 2의 전방 주시 지점에서의 횡방향 오프셋은 하기 수학식과 같이 근사화될 수 있다.The cubic curve can be approximated as a straight line with small curvature or small forward viewing distance. The lateral offset at the forward viewing point of Equation (2) can be approximated by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00058
Figure 112017059472447-pat00058

근사화된 eyL을 사용하기 위하여, 상태 z를 하기 수학식과 같이 새롭게 정의하기로 한다.In order to use the approximated e yL , the state z is newly defined as the following equation.

Figure 112017059472447-pat00059
Figure 112017059472447-pat00059

수학식 1과 수학식 4로부터 일정한 속도를 가지는 z2의 다이나믹 모델이 하기 수학식과 같이 획득될 수 있다.From Equations (1) and (4), a dynamic model of z 2 having a constant velocity can be obtained as the following equation.

Figure 112017059472447-pat00060
Figure 112017059472447-pat00060

여기서, here,

Figure 112017059472447-pat00061
Figure 112017059472447-pat00061

결과적으로, 횡방향 제어에 대한 정규형(normal-form)을 축소시킨 2차 모델은 하기 수학식과 같이 된다.As a result, the second-order model in which the normal-form is reduced for the lateral control becomes as follows.

Figure 112017059472447-pat00062
Figure 112017059472447-pat00062

축소된 2차 모델은 정규형의 형태에 존재한다. 그래서, 시스템 함수와 파라미터는 오직 z2 다이나믹 모델에 존재한다.The reduced quadratic model exists in the form of a normal form. Thus, system functions and parameters are only present in the z 2 dynamic model.

이와 같이 축소된 2차 모델에 대한 백스테핑 제어기(220)는 하기에서 설명될 백스테핑 과정을 통해 생성된다.The back stepping controller 220 for the reduced second order model is generated through a back stepping process, which will be described below.

추적 오차(tracking error)

Figure 112017059472447-pat00063
를 하기 수학식과 같이 정의하기로 한다.Tracking error
Figure 112017059472447-pat00063
Is defined as the following equation.

Figure 112017059472447-pat00064
Figure 112017059472447-pat00064

추적 오차의 다이나믹 모델은 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.The dynamic model of the tracking error can be expressed by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00065
Figure 112017059472447-pat00065

수학식 8의 추적 오차 다이나믹 모델을 고려하여, 백스테핑 제어기(220)가 하기 수학식에 의하여 설계된다고 가정하기로 한다.In consideration of the tracking error dynamic model of Equation (8), it is assumed that the back stepping controller 220 is designed by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00066
Figure 112017059472447-pat00066

여기서, k1, k2 및 ks는 양수이고, 수학식 8의 추적 오차 다이나믹 모델의 오리진(origin)은 기하급수적으로 안정적이다.Where k 1 , k 2, and k s are positive numbers, and the origin of the tracking error dynamic model in equation (8) is exponentially stable.

백스테핑 제어기(220)에 관한 수학식 9가 수학식 8의 추적 오차 다이나믹 모델에 적용되면, 하기 수학식이 산출된다.When Equation (9) for the back stepping controller (220) is applied to the tracking error dynamic model of Equation (8), the following equation is calculated.

Figure 112017059472447-pat00067
Figure 112017059472447-pat00067

그리고, 안정성 분석을 위한 리아프노프 후보 함수(Lyapunov candidate function) Ve2는 하기 수학식과 같이 정의된다.The Lyapunov candidate function V e2 for stability analysis is defined by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00068
Figure 112017059472447-pat00068

이를 시간에 대하여 미분하면, 하기 수학식이 산출된다.When this is differentiated with respect to time, the following equation is calculated.

Figure 112017059472447-pat00069
Figure 112017059472447-pat00069

한편, Ve1는 하기 수학식과 정의된다.On the other hand, V e1 is defined by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00070
Figure 112017059472447-pat00070

이를 시간에 대하여 미분하면, 하기 수학식이 산출된다.When this is differentiated with respect to time, the following equation is calculated.

Figure 112017059472447-pat00071
Figure 112017059472447-pat00071

수학식 8에서, e2를 입력으로, e1을 출력으로 정의하면, 수학식 14는 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다In Equation (8), if e 2 is defined as an input and e 1 is defined as an output, Equation (14) can be expressed as Equation

Figure 112017059472447-pat00072
Figure 112017059472447-pat00072

e1과 e2 사이의 관계를 보여주는 수학식 15는 엄격하게 출력 수동적이다. 그리고, e1은 제로 상태로 관찰될 수 있다. 따라서, 수학식 8의 추적 오차 다이나믹 모델의 오리진(origin)은 기하급수적으로 안정적이다.Equation 15, which shows the relationship between e 1 and e 2 , is strictly output-passive. Then, e 1 can be observed in the zero state. Thus, the origin of the tracking error dynamic model of Equation (8) is exponentially stable.

백스테핑 제어기(220)에 관한 수학식 9에서, 부호 함수 sgn(e2)는 모델과 파라미터의 불확실성의 강건함을 위하여 필요하다. 모든 실제 시스템에서의 모든 상태 변수는 물리적으로 한계를 갖는다. 그래서, 파라미터와 시스템의 불확실성은 한계를 가진다. 만약, 제어 이득 ks가 파라미터와 시스템의 불확실성을 억제할 만큼 충분히 크다면, 파라미터와 시스템의 불확실성은 보상될 수 있다.In Equation (9) with respect to the back stepping controller 220, the sign function sgn (e 2 ) is necessary for robustness of model and parameter uncertainty. All state variables in all real systems are physically limited. Thus, uncertainties in parameters and systems have limitations. If the control gain k s is large enough to suppress the uncertainty of the parameters and the system, the uncertainties of the parameters and of the system can be compensated.

일반적인 고속도로 주행 상황에서, 차로 유지와 같이, 첨단 운전자 보조 시스템은 운전자의 승차감을 유지하고 차량 모션의 안정성을 충족시키기 위하여 설계된다. 그래서,

Figure 112017059472447-pat00073
와 같은 상위 한계
Figure 112017059472447-pat00074
가 존재한다. 또한, 차량의 횡방향 가속은 매우 작다.In a typical highway driving situation, as in car maintenance, advanced driver assistance systems are designed to maintain the riding comfort of the driver and to satisfy the stability of the vehicle motion. so,
Figure 112017059472447-pat00073
Upper limits such as
Figure 112017059472447-pat00074
Lt; / RTI > Further, the lateral acceleration of the vehicle is very small.

만약, 근사화된 전방 주시 거리 z1이 기하급수적으로 제로로 수렴된다면, 횡방향 오프셋

Figure 112017059472447-pat00075
과 헤딩 각도 오차
Figure 112017059472447-pat00076
는 둘다 작은 범위 안에서 조정된다.If the approximated forward viewing distance z 1 converges exponentially to zero, then a lateral offset
Figure 112017059472447-pat00075
And heading angle error
Figure 112017059472447-pat00076
Are both adjusted within a small range.

Figure 112017059472447-pat00077
이기 때문에, 다이나믹 횡방향 모션 모델로부터 하기 수학식이 획득된다.
Figure 112017059472447-pat00077
, The following equation is obtained from the dynamic transverse motion model.

Figure 112017059472447-pat00078
Figure 112017059472447-pat00078

그리고, z1은 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.Then, z 1 can be expressed by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00079
Figure 112017059472447-pat00079

전술한 바와 같이, z1은 기하급수적으로 제로로 수렴한다. 그리고, 정상 상태(steady-state)에서

Figure 112017059472447-pat00080
Figure 112017059472447-pat00081
이다. 그래서, x1은 기하급수적으로 제로로 수렴하며, 결과적으로 균일한 한계를 가진다. 결과적으로, x3도 균일한 한계를 가진다.
Figure 112017059472447-pat00082
가 작기 때문에, x1과 x3는 작은 범위 내에서 조정된다.As described above, z 1 converges to zero exponentially. In steady-state,
Figure 112017059472447-pat00080
Figure 112017059472447-pat00081
to be. Thus, x 1 converges exponentially to zero, resulting in a uniform limit. As a result, x 3 also has a uniform limit.
Figure 112017059472447-pat00082
Is small, x 1 and x 3 are adjusted within a small range.

다음으로, S330 단계에서, 슬라이딩 모드 관측기(230)는 파라미터의 불확실성을 보상하기 위하여 차량의 횡방향 속도 오차를 추정한다.Next, in step S330, the sliding mode observer 230 estimates the lateral velocity error of the vehicle to compensate for the uncertainty of the parameter.

즉, 슬라이딩 모드 관측기(230)는 상태 벡터

Figure 112017059472447-pat00083
에서
Figure 112017059472447-pat00084
(=
Figure 112017059472447-pat00085
)를 추정할 수 있다. That is, the sliding mode observer 230 calculates a state vector
Figure 112017059472447-pat00083
in
Figure 112017059472447-pat00084
(=
Figure 112017059472447-pat00085
) Can be estimated.

이하, 슬라이딩 모드 관측기(230)의 설계에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the design of the sliding mode observer 230 will be described.

슬라이딩 모드 관측기(230)는 모든 상태를 추정하여 설계된다. 하기의 측정 행렬을 가지는 수학식 1의 시스템 상태 함수가 고려된다.The sliding mode observer 230 is designed by estimating all states. The system state function of Equation (1) with the following measurement matrix is considered.

Figure 112017059472447-pat00086
Figure 112017059472447-pat00086

여기서,

Figure 112017059472447-pat00087
Figure 112017059472447-pat00088
는 차선 검출용 카메라 센서를 이용하여 측정되고,
Figure 112017059472447-pat00089
는 차량 모션 측정용 관성 측정 센서를 이용하여 측정된다.here,
Figure 112017059472447-pat00087
And
Figure 112017059472447-pat00088
Is measured using a camera sensor for lane detection,
Figure 112017059472447-pat00089
Is measured using an inertial measurement sensor for vehicle motion measurement.

상태 관측을 위한 슬라이딩 모드 관측기(230)는 하기 수학식으로 설계된다.The sliding mode observer 230 for state observation is designed by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00090
Figure 112017059472447-pat00090

슬라이딩 모드 관측기(230)에 대한 수학식 19의 시스템 상태 함수는 변환 행렬을 이용하여 하기 수학식과 같이 정규형태(canonical form)로 변환될 수 있다.The system state function of Equation 19 for the sliding mode observer 230 can be transformed into a canonical form using the transformation matrix as shown in the following equation.

Figure 112017059472447-pat00091
Figure 112017059472447-pat00091

여기서,here,

Figure 112017059472447-pat00092
Figure 112017059472447-pat00092

Figure 112017059472447-pat00093
는 측정 행렬의 널(null) 공간을 나타낸다. 정규형 모델을 획득하기 위하여 정규형 변환 행렬 Tc가 적용되면, 하기의 수학식이 획득될 수 있다.
Figure 112017059472447-pat00093
Represents the null space of the measurement matrix. When a normalized transformation matrix T c is applied to obtain a normal model, the following equation can be obtained.

Figure 112017059472447-pat00094
Figure 112017059472447-pat00094

여기서,

Figure 112017059472447-pat00095
here,
Figure 112017059472447-pat00095

하기 수학식을 정의하기로 한다.The following equation is defined.

Figure 112017059472447-pat00096
Figure 112017059472447-pat00096

Figure 112017059472447-pat00097
Figure 112017059472447-pat00097

리칭 모드(reaching mode)에서 비연속 형태가 나타나도록 하기와 같이 변환 행렬 Ts가 적용된다.In the reaching mode, the transformation matrix T s is applied so that the discontinuous shape appears.

Figure 112017059472447-pat00098
Figure 112017059472447-pat00098

Figure 112017059472447-pat00099
Figure 112017059472447-pat00099

Figure 112017059472447-pat00100
Figure 112017059472447-pat00100

새로운 좌표에 대한 오차 다이나믹 모델은 하기 수학식으로 획득된다.The error dynamic model for the new coordinates is obtained by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00101
Figure 112017059472447-pat00101

여기서,here,

Figure 112017059472447-pat00102
Figure 112017059472447-pat00102

슬라이딩 모드에 대하여

Figure 112017059472447-pat00103
이다.About sliding mode
Figure 112017059472447-pat00103
to be.

슬라이딩 모드 관측기(230)의 목적은 접근성 조건

Figure 112017059472447-pat00104
을 충족하는 표면
Figure 112017059472447-pat00105
에서와 같이,
Figure 112017059472447-pat00106
이다.The purpose of the sliding mode observer 230 is to determine an accessibility condition
Figure 112017059472447-pat00104
Surface to meet
Figure 112017059472447-pat00105
As in,
Figure 112017059472447-pat00106
to be.

수학식 25에서

Figure 112017059472447-pat00107
의 다이나믹 모델을 고려하기로 한다. 슬라이딩 표면에서 하기 수학식이 획득된다.In Equation 25,
Figure 112017059472447-pat00107
And the dynamic model of FIG. The following equation is obtained on the sliding surface.

Figure 112017059472447-pat00108
Figure 112017059472447-pat00108

Lo가 결정되어,

Figure 112017059472447-pat00109
가 된다.L o is determined,
Figure 112017059472447-pat00109
.

리칭 모드를 위한 오차 시스템은 선형 출력 오차 피드백(linear output error feedback)을 가지는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.The error system for the ranging mode can be represented by the following equation with linear output error feedback.

Figure 112017059472447-pat00110
Figure 112017059472447-pat00110

Figure 112017059472447-pat00111
Figure 112017059472447-pat00111

Figure 112017059472447-pat00112
Figure 112017059472447-pat00113
(
Figure 112017059472447-pat00114
)가 선택되면, 하기 수학식이 산출된다.
Figure 112017059472447-pat00112
and
Figure 112017059472447-pat00113
(
Figure 112017059472447-pat00114
) Is selected, the following equation is calculated.

Figure 112017059472447-pat00115
Figure 112017059472447-pat00115

Figure 112017059472447-pat00116
Figure 112017059472447-pat00116

Figure 112017059472447-pat00117
Figure 112017059472447-pat00118
가 결정되어,
Figure 112017059472447-pat00119
일 때
Figure 112017059472447-pat00120
이 된다.
Figure 112017059472447-pat00117
Wow
Figure 112017059472447-pat00118
Lt; / RTI >
Figure 112017059472447-pat00119
when
Figure 112017059472447-pat00120
.

안정성 분석을 위한 리아프노프 후보 함수

Figure 112017059472447-pat00121
는 하기 수학식으로 정의된다.Lyapunov candidate function for stability analysis
Figure 112017059472447-pat00121
Is defined by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00122
Figure 112017059472447-pat00122

이를 시간에 대하여 미분하면 하기 수학식이 산출된다.If this is differentiated with respect to time, the following equation is calculated.

Figure 112017059472447-pat00123
Figure 112017059472447-pat00123

안정성 분석을 위한 리아프노프 후보 함수

Figure 112017059472447-pat00124
는 하기 수학식으로 정의된다.Lyapunov candidate function for stability analysis
Figure 112017059472447-pat00124
Is defined by the following equation.

Figure 112017059472447-pat00125
Figure 112017059472447-pat00125

이를 시간에 대하여 미분하면 하기 수학식이 산출된다.If this is differentiated with respect to time, the following equation is calculated.

Figure 112017059472447-pat00126
Figure 112017059472447-pat00126

수학식 28에서

Figure 112017059472447-pat00127
는 입력으로,
Figure 112017059472447-pat00128
는 출력으로 정의하면, 수학식 32는 하기와 같이 나타낼 수 있다.In equation (28)
Figure 112017059472447-pat00127
As input,
Figure 112017059472447-pat00128
Is defined as an output, Expression (32) can be expressed as follows.

Figure 112017059472447-pat00129
Figure 112017059472447-pat00129

Figure 112017059472447-pat00130
Figure 112017059472447-pat00131
사이의 관계를 보여주는 수학식 33은 엄격하게 출력 수동적이다. 그리고,
Figure 112017059472447-pat00132
는 제로 상태로 관찰될 수 있다. 따라서, 수학식 28의 오차 다이나믹 모델의 오리진은 기하급수적으로 안정적이다.
Figure 112017059472447-pat00130
Wow
Figure 112017059472447-pat00131
Lt; / RTI > is strictly output-passive. And,
Figure 112017059472447-pat00132
Can be observed in a zero state. Thus, the origin of the error dynamic model of equation (28) is exponentially stable.

실제로, e2를 측정하는 것은 어렵다. 그래서, e2 대신에, 백스테핑 제어기(220)에 관한 수학식 9에서

Figure 112017059472447-pat00133
가 사용된다. 그래서, 수학식 10의 오차 다이나믹 모델은 하기 수학식으로 변경될 수 있다.In practice, it is difficult to measure e 2 . Thus, instead of e 2 , in equation (9) for back stepping controller 220
Figure 112017059472447-pat00133
Is used. Thus, the error dynamic model of Equation (10) can be changed to the following equation.

Figure 112017059472447-pat00134
Figure 112017059472447-pat00134

여기서,

Figure 112017059472447-pat00135
이다.here,
Figure 112017059472447-pat00135
to be.

폐루프 시스템은 수학식 34 및 수학식 28로부터 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.The closed loop system can be expressed by the following equation from the equation (34) and the equation (28).

Figure 112017059472447-pat00136
Figure 112017059472447-pat00136

수학식 35에서

Figure 112017059472447-pat00137
는 한계를 가진다.
Figure 112017059472447-pat00138
로부터 e1 및 e2까지의 수학식 10의 오차 다이나믹 모델은 입력 상태가 안정적이다. 추정 오차
Figure 112017059472447-pat00139
Figure 112017059472447-pat00140
는 제로로 수렴하는 것으로 판명된다. 그래서,
Figure 112017059472447-pat00141
가 제로로 수렴하여
Figure 112017059472447-pat00142
가 되기 때문에,
Figure 112017059472447-pat00143
는 제로로 수렴한다. 결론적으로, e1 및 e2는 제로로 수렴한다.In Equation (35)
Figure 112017059472447-pat00137
Have limitations.
Figure 112017059472447-pat00138
The error dynamic model of Equation (10) from e 1 to e 2 has a stable input state. Estimation error
Figure 112017059472447-pat00139
Wow
Figure 112017059472447-pat00140
Is converged to zero. so,
Figure 112017059472447-pat00141
Converge to zero
Figure 112017059472447-pat00142
As a result,
Figure 112017059472447-pat00143
Converges to zero. Consequently, e 1 and e 2 converge to zero.

도 4 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.4 to 14 are diagrams showing simulation results of the lane keeping control apparatus according to the embodiment of the present invention.

시뮬레이션에는 CarSim과 MATLAB/Simulink가 사용되었다. CarSim과 MATLAB/Simulink는 다이나믹 차량 모션 솔버로서 실행되고, 각각 백스테핑 제어기(220)와 슬라이딩 모드 관측기(230)를 위하여 실행되었다. 시뮬레이션에서, 차량 속도는 80km/h로 설정되고, 챠량은 하기 두 케이스에 따라 이동하였다.CarSim and MATLAB / Simulink were used for the simulation. CarSim and MATLAB / Simulink were implemented as dynamic vehicle motion solvers and were executed for back stepping controller 220 and sliding mode observer 230, respectively. In the simulation, the vehicle speed was set at 80 km / h, and the vehicle traveled according to the following two cases.

케이스1: 직선 및 원형 도로 세그먼트Case 1: Straight and Circular Road Segments

케이스2: 클로소이드 제약을 충족하는 S 커브 도로Case 2: S-curve road satisfying clause constraint

시뮬레이션에서 사용된 파라미터는 소형 SUV(sports utility vehicle)의 공칭값이다. 다양한 전방 주시 거리 하에서의 백스테핑 제어기(220)에서 전방 주시 거리의 효과가 검증될 수 있었다.The parameters used in the simulation are the nominal values of a small SUV (sports utility vehicle). The effect of the forward viewing distance can be verified in the back stepping controller 220 under various forward viewing distances.

도 4 내지 도 6은 케이스1에서 백스테핑 제어기(220)의 차량 모션 데이터를 보여주고, 도 7 및 도 8은 케이스1에서 백스테핑 제어기(220)의 성능을 보여준다. 도 6은 슬라이딩 모드 관측기(230)의 성능을 나타낸다. 일정한 곡률을 가지는 도로에서 관측기는, 수학식 28에서 사용된 모델이 작은 사이드 슬립 각도(

Figure 112017059472447-pat00144
)에 대하여 근사적으로 선형화되었기 때문에, 오프셋 오차를 가진다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치(200)는 도 8에서 직선 도로 및 일정 곡률을 가지는 도로에서 0.01m 내의 횡방향 오프셋을 가지는 상당히 타당한 성능을 보여준다.FIGS. 4-6 show the vehicle motion data of the back stepping controller 220 in Case 1, and FIGS. 7 and 8 show the performance of the back stepping controller 220 in Case 1. FIG. 6 shows the performance of the sliding mode observer 230. FIG. On roads with constant curvature, the observer can determine that the model used in equation (28) is a small side slip angle
Figure 112017059472447-pat00144
), It has an offset error. Nevertheless, the lane keeping controller 200 according to the embodiment of the present invention exhibits a fairly reasonable performance with a lateral offset within 0.01 m in a straight road and a road with a certain curvature in Fig.

실제로, 수학식 9의 고이득 ks의 사용은 바람직하지 않다. 높은 Ks값은 스티어링 각도에서 채터링(chattering)을 야기한다. 그래서, 불편한 요레이트(yaw rate)가 발생한다. 그러나, 차량이 원형 도로 밖으로 나가 직선 차로로 이동할 때, z1은 제로로 수렴하기 시작한다. 이러한 과도한 채터링을 제거하기 위하여, 외란 관측용 슬라이딩 모드 관측기(230)가 백스테핑 제어기(220)에 추가될 수 있다.In practice, the use of the high gain k s in equation (9) is undesirable. A high K s value causes chattering at the steering angle. Thus, an uncomfortable yaw rate occurs. However, when the vehicle moves out of the circular road to a straight lane, z 1 begins to converge to zero. In order to eliminate this excessive chattering, a sliding mode observer 230 for disturbance observation may be added to the back stepping controller 220.

두 세그먼트 사이의 트랜션트(transient)는 케이스1의 도로 세그먼트가 직선 및 원형이기 때문에 클로소이드 제약을 충족하지 않는다. 그러므로, 도 4 내지 도 8에서 각각 요레이트와 스티어링 각도의 리플이 관찰될 수 있다. 실제로, 고속도로는 클로소이드 제약을 충족하도록 설계되어, 도 4 내지 도 8에서 보여지듯이 진동이 발생하지 않는다.The transient between the two segments does not satisfy the clause constraint because the road segment of Case 1 is straight and circular. Therefore, ripples of the yaw rate and the steering angle can be observed in Figs. 4 to 8, respectively. Indeed, the highway is designed to meet the clause constraints, so that no vibrations occur as shown in Figs. 4-8.

도 9는 백스테핑 접근 제어에 사용되는 전방 주시 거리 L에 대한 스티어링 휠 각도를 보여준다. 트랜션트 응답은 차량이 원형 도로로 들어올 때, 스텝 응답

Figure 112017059472447-pat00145
과 등가이다. 전방 주시 거리 L을 이용한 횡방향 모션 제어는 실제로 차량의 종방향 속도에 따라 L을 결정한다. 이 L의 변화는 시스템 제로의 위치에 영향을 주어 주극점(dominant pole)의 댐핑 레이셔(damping ratio)가 영향을 받는다. L은 차량 앞에서 가깝다. 그래서, 댐핑 레이셔는 상당히 감소한다. 또한, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치(200)의 전방 주시 거리의 댐핑 효과를 나타낸다.9 shows the steering wheel angle with respect to the front sight distance L used for the back stepping access control. The transient response is the sum of the step response
Figure 112017059472447-pat00145
. The lateral motion control using the forward viewing distance L actually determines L according to the longitudinal speed of the vehicle. This change in L affects the position of the system zero so that the damping ratio of the dominant pole is affected. L is near the front of the vehicle. Thus, the damping ratio decreases considerably. 9 shows the damping effect of the front view distance of the lane keeping controller 200 according to the embodiment of the present invention.

도 10 내지 도 12는 케이스2에서 백스테핑 제어기(220)의 차량 모션 데이터를 보여주고, 도 13 및 도 14는 케이스2에서 백스테핑 제어기(220)의 성능을 보여준다. 도 12는 슬라이딩 모드 관측기(230)의 성능을 나타낸다. 슬라이딩 모드 관측기(230)의 오프셋 오차는 근사적으로 선형화된 사이드 슬립 각도(

Figure 112017059472447-pat00146
)가 사용되었기 때문에, 증가된 곡률로 인하여 더 커진다.FIGS. 10 to 12 show the vehicle motion data of the back stepping controller 220 in Case 2, and FIGS. 13 and 14 show the performance of the back stepping controller 220 in Case 2. 12 shows the performance of the sliding mode observer 230. FIG. The offset error of the sliding mode observer 230 is an approximate linearized side slip angle < RTI ID = 0.0 >
Figure 112017059472447-pat00146
) Is used, it becomes larger due to the increased curvature.

비록, 슬라이딩 모드 관측기(230)에 오프셋 오차가 존재하나, 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치(200)는 종래의 선형 2차 제어 방법(Linear quadratic(LQ) control method)과 비교하여 상당히 타당한 성능을 보여준다. 본 발명의 실시예에 따른 차로 유지 제어 장치(200)는 도 14에서 클로소이드 제약을 충족하는 커브가 있는 도로에서 0.1m 내의 차로 유지를 수행한다.Although there is an offset error in the sliding mode observer 230, the lane keeping control device 200 according to the embodiment of the present invention is significantly superior to the conventional linear quadratic (LQ) control method Show reasonable performance. The lane keeping controller 200 according to the embodiment of the present invention carries out lane keeping within 0.1 m on a road with a curve satisfying the clause constraint in Fig.

한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.On the other hand, the components of the above-described embodiment can be easily grasped from a process viewpoint. That is, each component can be identified as a respective process. Further, the process of the above-described embodiment can be easily grasped from the viewpoint of the components of the apparatus.

또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.In addition, the above-described technical features may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Should be regarded as belonging to the following claims.

200: 차로 유지 제어 장치
210: 측정부
220: 백스테핑 제어기
230: 슬라이딩 모드 관측기
200: Lane keeping control device
210:
220: Back stepping controller
230: Sliding mode observer

Claims (10)

카메라 센서 및 관성 측정 센서 중 적어도 하나를 이용하여 차로 정보 및 차량 모션 정보를 측정하는 측정부; 및
상기 차로 정보 및 상기 차량 모션 정보를 이용하여 차량의 차로 유지를 위한 횡방향 모션 제어(lateral motion control)를 수행하는 백스테핑(backstepping) 제어기를 포함하되,
상기 백스테핑 제어기는 상기 차량의 전방 주시 거리(look-ahead distance)를 고려한 다이나믹 횡방향 모션 모델(dynamic lateral motion model)을 이용하여 상기 차량의 스티어링 토크를 산출하고, 상기 산출된 스티어링 토크를 이용하여 상기 횡방향 모션 제어를 수행하며,
상기 다이나믹 횡방향 모션 모델은 축소된 2차 모델로 생성되고,
상기 백스테핑 제어기는 축소된 2차의 다이나믹 횡방향 모션 모델에 대한 백스테핑 과정을 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 차로 유지 제어 장치.
A measurement unit for measuring information on a vehicle and motion information of the vehicle using at least one of a camera sensor and an inertial measurement sensor; And
And a backstepping controller for performing lateral motion control for maintaining the vehicle by using the lane information and the vehicle motion information,
Wherein the back stepping controller calculates a steering torque of the vehicle using a dynamic lateral motion model that takes into account a look-ahead distance of the vehicle, Performs the lateral motion control,
The dynamic lateral motion model is generated as a reduced quadratic model,
Wherein the back stepping controller is generated through a back stepping process for a reduced second-order dynamic lateral motion model.
제1항에 있어서,
상기 차로 정보는 상기 차량의 무게중심에서의 횡방향 차로 중심 오프셋(lateral lane center offset)
Figure 112017059472447-pat00147
및 상기 무게중심에서의 헤딩 각도 오차(heading angle error)
Figure 112017059472447-pat00148
를 포함하고,
상기 차량 모션 정보는 요레이트 오차(yaw rate error)
Figure 112017059472447-pat00149
를 포함하는 것을 특징으로 하는 차로 유지 제어 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the lane information includes a lateral lane center offset at the center of gravity of the vehicle,
Figure 112017059472447-pat00147
And a heading angle error at the center of gravity.
Figure 112017059472447-pat00148
Lt; / RTI >
Wherein the vehicle motion information is a yaw rate error,
Figure 112017059472447-pat00149
And a control unit for controlling the vehicle.
제1항에 있어서,
상기 다이나믹 횡방향 모션 모델의 시스템 상태 함수는 상태 벡터
Figure 112019500693456-pat00150
를 포함하며,
상기 축소된 2차의 다이나믹 횡방향 모션 모델의 시스템 상태 함수는 3차 곡선 차로에 대한 전방 주시 지점(look-ahead point)에서의 횡방향 오프셋 eyL을 상태 함수 z로 적용하여 하기 수학식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 차로 유지 제어 장치.
Figure 112019500693456-pat00151

여기서,
Figure 112019500693456-pat00152
(= x1)는 상기 차량의 무게중심에서의 횡방향 차로 중심 오프셋(lateral lane center offset)이고,
Figure 112019500693456-pat00153
(= x2)는 횡방향 속도 오차이고,
Figure 112019500693456-pat00154
(= x3)는 상기 무게중심에서의 헤딩 각도 오차(heading angle error)이고,
Figure 112019500693456-pat00155
(= x4)는 상기 차량 모션 정보의 요레이트 오차(yaw rate error)이고, L은 상기 전방 주시 거리이고, z2는 z1을 미분한 것임
The method according to claim 1,
The systematic state function of the dynamic lateral motion model includes a state vector
Figure 112019500693456-pat00150
/ RTI >
The system state function of the reduced second order dynamic lateral motion model is defined by applying the lateral offset e yL at the look-ahead point for the cubic curve lane to the state function z, And a control unit for controlling the vehicle.
Figure 112019500693456-pat00151

here,
Figure 112019500693456-pat00152
(= x 1 ) is the lateral lane center offset at the center of gravity of the vehicle,
Figure 112019500693456-pat00153
(= x 2 ) is the lateral velocity error,
Figure 112019500693456-pat00154
(= x 3 ) is a heading angle error at the center of gravity,
Figure 112019500693456-pat00155
(= x 4 ) is the yaw rate error of the vehicle motion information, L is the forward viewing distance, and z 2 is the derivative of z 1 .
제3항에 있어서,
상기 횡방향 오프셋 eyL은 하기 수학식으로 근사화되는 것을 특징으로 하는 차로 유지 제어 장치.
Figure 112017059472447-pat00156

The method of claim 3,
Wherein the transverse offset e y L is approximated by the following equation:
Figure 112017059472447-pat00156

제3항에 있어서,
상기 z1은 하기 수학식으로 나타나는 것을 특징으로 하는 차로 유지 제어 장치.
Figure 112017059472447-pat00157

여기서,
Figure 112017059472447-pat00158
는 차량의 무게중심으로부터 턴(turn) 중심까지의 거리이고,
Figure 112017059472447-pat00159
는 차량 무게중심에서의 종방향(longitudinal) 차량 속도이고,
Figure 112017059472447-pat00160
는 차량 무게중심에서의 사이드 슬립 각도(side slip angle)임
The method of claim 3,
Wherein z 1 is expressed by the following equation.
Figure 112017059472447-pat00157

here,
Figure 112017059472447-pat00158
Is the distance from the center of gravity of the vehicle to the center of the turn,
Figure 112017059472447-pat00159
Is the longitudinal vehicle speed at the center of gravity of the vehicle,
Figure 112017059472447-pat00160
Is the side slip angle at the center of gravity of the vehicle
제5항에 있어서,
상기
Figure 112017059472447-pat00161
이되,
상기
Figure 112017059472447-pat00162
로부터
Figure 112017059472447-pat00163
이 도출되며,
상기
Figure 112017059472447-pat00164
이 상기 z1에 적용되는 것을 특징으로 하는 차로 유지 제어 장치.
6. The method of claim 5,
remind
Figure 112017059472447-pat00161
However,
remind
Figure 112017059472447-pat00162
from
Figure 112017059472447-pat00163
Lt; / RTI >
remind
Figure 112017059472447-pat00164
Keeping car, characterized in that said z 1 is applied to the control device.
제5항에 있어서,
상기 전방 주시 지점(look-ahead point)에서의 횡방향 오프셋(z1)이 0으로 수렴하면, 상기 차량의 무게중심에서의 횡방향 차로 중심 오프셋(x1) 및 상기 무게중심에서의 헤딩 각도 오차(x3)는 0으로 수렴하는 것을 특징으로 하는 차로 유지 제어 장치.
6. The method of claim 5,
If the convergence to a lateral offset (z 1) at the front watch point (look-ahead point) 0, heading angle error of the center of gravity lateral drive center offset (x 1) and the weight of the of the vehicle center (x 3) is maintained, characterized in that drive to converge to zero the controller.
제3항에 있어서,
상기 횡방향 속도 오차를 추정하는 슬라이딩 모드 관측기를 더 포함하는 차로 유지 제어 장치.
The method of claim 3,
Further comprising a sliding mode observer for estimating said lateral velocity error.
제8항에 있어서,
상기 슬라이딩 모드 관측기는 상기 횡방향 속도 오차를 0으로 수렴시키기 위하여 상기 횡방향 속도 오차를 추정하되,
상기 횡방향 속도 오차가 0으로 수렴하면, 상기 백스테핑 제어기의 오차가 0으로 수렴하는 것을 특징으로 하는 차로 유지 제어 장치.
9. The method of claim 8,
Wherein the sliding mode observer estimates the lateral velocity error to converge the lateral velocity error to zero,
And an error of the back stepping controller converges to 0 when the lateral speed error converges to zero.
카메라 센서 및 관성 측정 센서 중 적어도 하나를 이용하여 차로 정보 및 차량 모션 정보를 측정하는 단계; 및
상기 차로 정보 및 상기 차량 모션 정보를 이용하여 차량의 차로 유지를 위한 횡방향 모션 제어(lateral motion control)를 수행하는 단계를 포함하되,
상기 횡방향 모션 제어를 수행하는 단계는,
백스테핑(backstepping) 제어기가 상기 차량의 전방 주시 거리(look-ahead distance)를 고려한 다이나믹 횡방향 모션 모델(dynamic lateral motion model)을 이용하여 상기 차량의 스티어링 토크를 산출하고, 상기 산출된 스티어링 토크를 이용하여 상기 횡방향 모션 제어를 수행하며,
상기 다이나믹 횡방향 모션 모델은 축소된 2차 모델로 생성되고,
상기 백스테핑 제어기는 축소된 2차의 다이나믹 횡방향 모션 모델에 대한 백스테핑 과정을 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 차로 유지 제어 방법.


Measuring vehicle information and vehicle motion information using at least one of a camera sensor and an inertial measurement sensor; And
Performing lateral motion control for maintaining the vehicle by a lane using the lane information and the vehicle motion information,
Wherein performing the lateral motion control comprises:
A backstepping controller calculates a steering torque of the vehicle using a dynamic lateral motion model in which a look-ahead distance of the vehicle is taken into account, and the calculated steering torque is calculated To perform the lateral motion control,
The dynamic lateral motion model is generated as a reduced quadratic model,
Wherein the back stepping controller is generated through a back stepping process for a reduced second-order dynamic lateral motion model.


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