KR100559413B1

KR100559413B1 - 도로 곡률 변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템

Info

Publication number: KR100559413B1
Application number: KR19990066446A
Authority: KR
Inventors: 금동교
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2006-03-10
Anticipated expiration: 2019-12-30
Also published as: KR20010059067A

Abstract

이 발명의 특징에 따른 도로의 곡률 변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템은 레이더, 패닝/틸팅부, 차속 센서, 조향각 센서, 제어부 및 디플레이부를 포함하여 이루어져, 레이더에서 광을 조사하여 도로 표지판 정보와, 코너링시 윤곽 묘출기를 이용하여 도로 곡률 반경에 대한 신호를 출력하고, 차속 센서에 차속을 검출하며, 조향각 센서에서 운전자에 의해 가변된 스티어링 휠의 회전 각도를 검출한다. 제어부는 레이더와 각 센서의 출력을 통해 도로 곡률 반경 및 도로 정보, 차속 및 조향각을 산출하며, 산출값을 설정된 차량 동역학의 코너링 방정식을 통해 도로 곡률을 판단하여 레이더의 광 입사각도가 도로 곡률에 따라 조절되도록 한다. 그리고, 패닝/틸팅부는 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 레이더의 광 입사각도 중심선을 도로 곡률의 중심선과 일치하도록 상기 레이더의 광 입사각도를 조절한다.

실시예에 따르면, 이 발명은 운전자가 지나칠 수 있는 표지판이나 도로 정보를 신속히 제공하여 안정 운행에 도움을 주는 효과가 있다.

레이더, 자동주행, 자동차, 도로 곡률, 광 입사각도

Description

도로 곡률 변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING A RADAR ANGLE ACCORDING TO CURVATURE OF A ROAD}

도1은 종래 자동 주행 시스템에서 발생하는 레이더의 광 입사 사각지대를 보인 사시도이다.

도2는 이 발명의 실시예에 따른 도로 곡률 변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템의 블록 구성도이다.

도3은 이 발명의 실시예에 적용되는 도로상의 윤곽 묘출기를 이용하여 도로 곡률 산출식을 설명하기 위한 도면이다.

도4는 이 발명의 실시예에 적용되는 차량 동역학의 코너링 방정식을 설명하기 위한 모델도이다.

이 발명은 자동차에 관한 것으로, 특히 도로의 곡률에 따라 레이더의 패닝(panning) 및 틸팅(tilting) 각도, 즉 레이더(Radar)의 광 입사각도를 조절하여 레이더를 통해 도로 형상 인식에서 사각지대가 없도록 한 도로 곡률 변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 자동 주행 시스템은 도로의 표지판이나 도로 정보를 검출하기 위해 차량의 전면에 레이더가 장착되는데, 장착된 레이더는 패닝 및 틸팅 각도가 고정되어 있다.
상기의 패닝은 어떠한 신호, 바람직하게는 영상신호, 레이더 신호 등의 연속적인 입력을 의미하고, 틸팅은 레이더의 상하좌우의 움직임을 의미하는 것으로, 상기 패닝 및 틸팅 각도라 함은 레이더가 전방의 물체로부터 반사되어 입력되는 광을 입사할 수 있는 레이더의 광 입사각도를 의미한다.
이렇게 장착된 레이더는 직선 또는 곡률이 작은 도로선상에서의 표지판 또는 도로 정보들을 검출할 수 있으나, 도1과 같이 곡률이 큰 도로에서는 사각지대가 발생하여 표지판이나 도로 정보를 검출할 수 없는 경우가 생긴다.

도1은 종래 자동 주행 시스템에서 발생하는 레이더의 광 입사 사각지대를 보인 사시도이다. 도1에 보면, 곡선 도로에 진입할 경우 차량의 레이더는 광 입사각도의 범위가 실선으로 표시한 부분으로, 점선으로 표기한 광 입사각도의 사각지대를 가지게 된다.

따라서, 이러한 종래의 자동 주행 시스템용 레이더는 패닝 및 틸팅의 각도, 즉 광 입사각도가 고정되어 도로의 다양한 형상에 대해 적절히 대응하지 못하고, 그에 따라 신속한 도로 정보를 제공하지 못하는 문제점이 있다.

이 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 도로의 다양한 형상 즉, 도로 구배, 곡률 등에 따라 레이더의 패닝 및 틸팅, 즉 레이더의 광 입사각도를 조절하여 사각지대가 발생하지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.

이 발명의 특징에 따른 도로의 곡률변화에 따른 패닝/틸팅 제어 시스템은 레이더, 패닝/틸팅부, 차속 센서, 조향각 센서, 제어부 및 디플레이부를 포함한다.

레이더는 광을 조사하여 도로 표지판 정보를 검출하고, 코너링시 도로상에 설치된 윤곽 묘출기를 이용하여 도로 곡률 반경에 대한 신호를 출력한다.

차속 센서는 현재 주행중인 차량의 속도를 검출하고, 이를 전기적 신호로 제어부로 출력한다.

조향각 센서는 운전자에 의해 가변된 스티어링 휠의 회전 각도를 검출하여 이를 전기적 신호로 출력한다.

제어부는 상기 레이더에서 출력하는 신호로 도로 곡률 반경 및 도로 정보를 판단하고, 상기 차속 센서 및 조향각 센서에서 출력하는 신호로 차속, 조향각을 산출하여 설정된 차량 동역학의 코너링 방정식을 통해 도로 곡률을 판단하며, 산출한 도로 곡률에 대응하는 상기 레이더의 틸팅 및 패닝, 즉 레이더의 광 입사각도의 조정이 이루어지도록 하는 제어 신호를 출력한다.

패닝/틸팅부는 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 레이더가 갖는 광 입사각도의 범위에서 그 중심선을 도로 곡률의 중심선과 일치하도록 상기 레이더를 구동시켜 패닝 및 틸팅, 즉 광 입사각도를 조절한다.

디스플레이부는 상기 제어부에서 출력하는 제어 신호에 따라 상기 제어부가 판단한 도로 곡률에 대한 정보와, 도로정보를 운전자가 볼 수 있도록 나타낸다.

이하, 첨부한 도2 내지 도4를 참조로 이 발명의 실시예에 따른 도로 곡률변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템을 설명한다.

도2는 이 발명의 실시예에 따른 도로 곡률변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템의 블록 구성도이다. 도2에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 도로 곡률변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템은 레이저 레이더(10), 차속 센서(20), 조향각 센서(30), 제어부(40), 패닝/틸팅부(50) 및, 디스플레이부(60)를 포함한다.

레이저 레이더(10)는 차량의 전면에 장착되어 차량의 진행 방향으로 레이저 광을 조사하고 차량의 전방에 위치한 물체에 의해 반사된 광을 수광하여 반사체의 형상을 전기적 신호로 출력한다. 그러므로, 레이저 레이더(10)는 도로 표지판 또는 그 밖의 도로 정보를 알리는 표지판이 부착된 위치를 향하고 있어야 도로 정보를 검출할 수 있다.

한편, 이러한 레이저 레이더(10)는 상기와 같은 동작 특징에 의해 곡률 도로상에 설치된 다수의 윤곽 묘출기(delineator)를 이용하여 도로 곡률 반경에 대한 신호를 제어부(40)에 제공하는데, 도3에 곡률 반경에 대한 신호를 출력하기 위한 레이저 레이더(10)의 동작이 도시되어 있다.

도3은 이 발명의 실시예에 적용되는 도로상의 윤곽 묘출기를 이용하여 도로 곡률 산출식을 설명하기 위한 도면이다. 도3에서 ①은 굴곡진 도로의 외각선이고, ②는 윤곽 묘출기(D1)에 대한 도로 곡률 곡선이고, ③은 스캐닝 중심선이고, O는 선회중심점이고, R은 곡률 반경이고, A와 B는 차량의 위치점이다. 도3에 도시되어 있듯이, 도로상(에는 도로의 곡률에 비례하여 설치된 윤곽 묘출기(D1, D2)가 설치되어 있고, 차량은 A 지점과 B지점을 통과한다.

이때, 선회중심점(O)와 윤곽 묘출기(D1)과의 거리인 곡률 반경(R)은 윤곽 묘출기(D1)에서 A지점까지의 거리(L1)와, 윤곽 묘출기(D1)에서 B지점까지의 거리(L2)와, 스캐닝선(③)에 대한 A지점과 B지점에서의 각(θ1, θ2)로서 산출된다.

즉, 도3을 참조로 한 곡률 반경은 다음의 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.

따라서, A지점에 위치한 차량의 레이저 레이더(10)는 도로의 곡률을 예측하기 위해 윤곽 묘출기(D1)로 레이저 광을 조사하고, 윤곽 묘출기(D1)에 의해 반사된 레이저 광을 수광한다. 그런 다음, 레이저 레이더(10)는 레이저 광을 조사한 시점으로부터 입사하는 시점까지의 시간을 통해 윤곽 묘출기(D1)까지의 거리(L1)을 산출하고, 레이저 광의 입사각도를 통해 현재 차량과 윤곽 묘출기(10)와의 스캐닝 중심선(③)에 대한 각도(θ1)를 산출한다.

그리고, B위치에 있는 차량의 레저 레이더(10)는 윤곽 묘출기(D1)로 광을 조사하고, 윤곽 묘출기(D1)에 의해 반사된 레이저 광을 수광하여, 윤곽 묘출기(D1)와 차량까지의 거리(L2)를 산출하고, 레이저 광의 입사각도를 통해 차량과 윤곽 묘출기(D1)와의 스캐닝 중심선(③)에 대한 각도(θ2)를 산출한다. 따라서, 이러한 레이저 레이더(10)의 동작에 의해 윤곽 묘출기(D1)과 윤곽 묘출기(D2)사이의 곡률 반경(R)에 대한 정보가 검출된다.

그리고, 레이저 레이더(10)는 윤곽 묘출기(D2)와 도시하지 않은 윤곽 묘출기(D2)의 우측 즉, 차량이 진행하는 방향에 위치한 윤곽 묘출기 사이의 곡률 반경을 검출하기 위해 동일한 동작을 수행한다.

이렇게 검출된 레이저 레이더(10)의 검출 신호는 제어부(40)에 제공된다.

제어부(40)는 수학식1에 대한 프로그램이 저장되어 있으며, 레이저 레이더(40)에서 출력하는 신호를 수학식1에 대한 프로그램에 적용하여 도로 곡률 반경(R)을 산출한다.

한편, 차속 센서(20)는 주행중인 차의 속도를 검출하여 제어부(40)로 차속에 대한 전기적 신호로 출력하며, 조향각 센서(30)는 운전자에 의해 조작된 핸들의 가변 각 즉, 조향휠 각을 검출하여 제어부(40)로 조향각에 대한 전기적 신호로 출력한다.

이러한 차속 센서(20)와 조향각 센서(30)에서 출력되는 신호는 도4에 도시된 저장된 차량 동역학의 코너링 방정식에 적용되기 위해 필요로 한다.

도4는 이 발명의 실시예에 적용되는 차량 동역학의 코너링 방정식을 설명하기 위한 모델링도이다.

일정 속도 이상으로 코너링을 하는 차량에는 선회중심점(O)에서 멀어지려는 원심력이 작용하며, 이 원심력에 의해 차량은 운전자 조작에 의한 조향각만큼 회전하지 못한다. 즉, 운전자가 핸들을 조작하여 전륜(FW)을 차륜에 대해 델타(δ)의 각도가 되도록 하면, 전륜(FW)은 차륜에 대해 횡슬립각 αf로 진행하고, 후륜(BW)은 차륜에 대해 횡슬립각 αr로 진행하며, 차륜은 선회중심점(O)을 중심으로 R을 최소회전반경으로 하여 회전한다.

이러한 코너링 하는 차량을 최소회전반경 즉, 곡률 반경(R)에 대한 코너링 방정식으로 나타내면 수학식2와 같다. 도1에서 L은 전륜(FW)과 후륜(BW)과간의 거리로, 차량으로 말하자면 차축 거리이다.

수학식1에서, V는 차속, L은 차축 거리, R은 곡률 반경, δ는 조향각, ρ는 조향 휠 각도, g는 중력가속도, K는 언더 스티어값, A는 타이어가 지면에 닿는 면적이다. 여기서, 조향각 δ은 A×ρ이다.
상기에서 언더 스티어는 차량의 선회에 따라 앞바퀴의 미끄럼 각도가 뒷바퀴의 미끄럼 각도 보다 커지게 되어 선회 반지름이 커지는 것을 의미한다.

여기서, 제어부(40)는 수학식2에 대한 프로그램이 저장되어 있으며, 차속 센서(20)로부터 입력하는 신호로서 변수값 V에 대한 값을 얻고, 조향각 센서(30)로부터 입력되는 신호로서 조향 휠 각도인 변수값 ρ에 대한 값을 얻는다.

결국, 제어부(40)는 수학식2의 변수중 K값을 제외한 변수값을 레이저 레이더(10), 차속 센서(20) 및 조향각 센서(30)를 통해 얻게 되고, 그 결과로서 언더스티어값(K)를 산출하는 것이 가능해진다.

따라서, 제어부(40)는 주행시마다 레이저 레이더(10)와 차속 센서(20)와 조향각 센서(30)로부터 검출된 V, ρ, R값을 입력받아 언더스티어값(K)를 저장하고 업데이터(update)하여, 모든 경우의 V, ρ, R값에 대한 언더스티어값(K)를 결정할 수 있으며, 그에 따라 진입하는 도로의 곡률정도를 운전자에게 알릴 수 있다.

즉, 제어부는 수학식2 대한 변수값이 모두 결정되면, 변수값에 따른 도로 곡률을 판단하고, 윤곽 묘출기(D1, D2)를 통해 얻어진 차량의 위치를 운전자가 확인할 수 있도록 디스플레이부(50)로 제어 신호를 출력하고, 그에 따라 디스플레이부(50)가 도로의 곡률과 현재 차량의 위치를 운전자가 확인할 수 있는 화상 또는 영상 메시지로 나타내도록 한다.

그리고, 제어부(40)는 진입하는 도로의 곡률 정도를 판단함에 따라 장착된 레이저 레이더(10)의 광 입사각도 중심선이 곡률 도로의 중심선에 있도록 하기 위한 제어 신호를 패닝/틸팅부(50)로 출력한다.

그러면, 패닝/틸팅부(50)는 제어부(40)의 제어 신호에 따라 레이저 레이더(10)의 패닝 및 틸팅 각도, 즉 광 입사각도가 곡률 도로의 중심선을 따라 조절되도록 레이저 레이더(10)를 작동시켜 패닝 및 틸팅 각도, 즉 광 입사각도를 조절한다.

따라서, 레이저 레이더(10)는 패닝 및 틸팅 각도, 즉 광 입사각도가 고정된 종래에 반해 도로의 다양한 형상에 따라 패닝 및 틸팅 각도, 즉 광 입사각도가 조절되어 조사한 광의 수광에 있어 사각지대가 없어지고, 그에 따라 표지판이나 도로 정보를 신속히 제공하여 안전운행에 도움을 준다.

한편, 레이저 레이더(10)는 조사한 광의 수광 강도를 검출하여 제어부(40)로 출력하는데, 제어부(40)는 레이저 레이더(10)의 수광강도가 일정치 이상이라고 판단하면 도로가 구배졌다고 판단하여 패닝/틸팅부(50)로 제어신호를 출력하여 레이저 레이더(10)가 상측으로 향하도록 제어한다.

이 발명은 자동주행용 레이더의 패닝 및 틸팅 각도를 고정시키지 않고 도로 곡률에 따라 자동으로 조절되도록 하여 운전자가 지나칠 수 있는 표지판이나 도로 정보를 신속히 제공하여 안정 운행에 도움을 주는 효과가 있다.

Claims

광을 조사하여 도로 표지판 정보를 검출하고, 코너링시 도로상에 설치된 윤곽 묘출기를 이용하여 도로 곡률 반경에 대한 신호를 출력하는 레이더;

차량의 속도를 검출하고, 이를 전기적 신호로 출력하는 차속 센서;

운전자에 의해 가변된 스티어링 휠의 회전 각도를 검출하여 이를 전기적 신호로 출력하는 조향각 센서;

상기 레이더에서 출력하는 신호로 도로 곡률 반경 및 도로 정보를 판단하고, 상기 차속 센서 및 조향각 센서에서 출력하는 신호로 차속, 조향각을 산출하여 설정된 차량 동역학의 코너링 방정식을 통해 도로 곡률을 판단하며, 산출한 도로 곡률에 대응하는 상기 레이더의 광 입사각도의 조절이 이루어지도록 하는 제어 신호를 출력하는 제어부;

상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 레이더의 광 입사각도 중심선을 도로 곡률의 중심선과 일치하도록 상기 레이더의 광 입사각도를 조절하는 패닝/틸팅부; 및

상기 제어부에서 출력하는 제어 신호에 따라 상기 제어부가 판단한 도로 곡률에 대한 정보와, 도로정보를 운전자가 볼 수 있도록 나타내는 디스플레이부를 포함하는 도로 곡률변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템.
제1항에 있어서,

상기 레이더부는,

상기 윤곽 묘출기로 조사한 광을 수광한 시간으로 상기 윤곽 묘출기와의 거리를 측정하고, 상기 윤곽 묘출기에 의해 반사된 광의 입사각도에 따라 상기 윤곽 묘출기와의 각도를 측정하는 것을 특징으로 하는 도로 곡률변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 다음의 수학식으로 상기 레이더부에서 출력하는 신호를 통해 곡률 반경을 산출하는 것을 특징으로 하는 도로 곡률변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템.

여기서, R: 도로 곡률, L1: 윤곽 묘출기와 제1 지점에 위치한 차량과의 거리, L2: 상기 윤곽 묘출기와 제2 지점에 위치한 차량과의 거리, θ1: 상기 윤곽 묘출기의 수평 연장선인 스캐닝 중심선을 기준으로 한 상기 제1 지점에 위치한 차량의 상기 윤곽 묘출기에 대한 각도, θ2: 상기 스캐닝 중심선을 기준으로 한 상기 제2 지점에 위치한 차량의 상기 윤곽 묘출기에 대한 각도.
제3항에 있어서,

상기 제어부는 다음의 수학식으로 언더스티어값을 산출하는 것을 특징으로 하는 도로 곡률변화에 따른 레이더 각도 제어 시스템.

여기서, L: 차축 거리, V: 차속, δ: 조향각, ρ: 조향 휠 각도, g: 중력 가속도, A: 도로에 밀착되는 타이어의 면적, K: 언더스티어값.