KR101040219B1 - 자율 이동 차량의 속도 결정 장치, 이를 구비한 자율 이동 차량 및 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법 - Google Patents

자율 이동 차량의 속도 결정 장치, 이를 구비한 자율 이동 차량 및 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법은, 현위치 및 그로부터 속도의 가감속 및 조향을 통해 주행 가능한 일정 위치들을 포함하는 자율 이동 차량의 주행 궤적을 설정하고, 상기 주행 궤적에 대한 3차원 노면 정보와 차량 정보를 변수로 하여 전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정하는 단계, 주행 궤적의 곡률과 차량의 횡가속도를 변수로 차량의 미끄럼 안정성을 평가하고, 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 결정하는 단계와, 상기 3차원 노면정보, 차량 정보 및 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 변수로 하여 주행 시뮬레이션을 수행하는 실시간 동역학 해석 단계와, 상기 실시간 동역학 해석 결과를 근거로 차량의 동적 안정성을 평가하는 단계 및 상기 동적 안정성 평가 결과와 임무 부하 속도를 이용하여 자율 이동 차량의 각 궤적의 속도를 결정하는 단계를 포함함으로써, 무인차량의 동력학을 고려한 주행안정성을 판별하여 최대 주행속도를 결정함으로써 무인차량을 빠른 속도로 자율 주행시킬 수 있다.

Description

자율 이동 차량의 속도 결정 장치, 이를 구비한 자율 이동 차량 및 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법{VELOCITY DETERMINING APPARATUS OF AUTONOMOUS VEHICLE, AUTONOMOUS VEHICLE HAVING THE SAME AND VELOCITY DETERMINING PROCESS OF AUTONOMOUS VEHICLE}
본 발명은 무인차량의 주행안정성을 고려하여 최대주행속도를 산출하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지형감지 센서의 지형데이터로부터 가상의 동력학 모델을 실시간 보다 빠른 시간에 시뮬레이션 함으로서 차량의 안정성을 판별하고 안전도를 평가하여 안정한 주행영역 내에서 최대속도를 결정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 무인차량의 자율주행에 대한 군사분야 및 산업분야의 수요 발생으로 이에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 무인차량의 자율레벨이 향상됨에 따라 자율차량의 주행속도를 증가시키려는 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 분야의 가장 활발히 진행되고 있는 대표적 연구결과는 주행성 지수(Traversability Index)를 사용하여 최대속도를 추출하는 것이다. 이것은 지형감지 센서로부터의 지형데이터를 퍼지등의 기법을 사용하여 분석하고 차량이 그 분석된 결과를 조합하여 주행하는 경로와 속도를 결정하는 방법이다. 그러나 이런 방법은 차량의 동력학을 고려하지 못하는 단점이 있다.
본 발명의 일실시예들은 지형감지센서로부터의 지형데이터위에 차량의 동력학 모델을 사용하여 실시간보다 더 빠른 시간 내에 시뮬레이션 함으로서 주행안정성을 판별하여 무인차량의 최대주행속도를 결정하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법은, 현위치 및 그로부터 속도의 가감속 및 조향을 통해 주행 가능한 일정 위치들을 포함하는 자율 이동 차량의 주행 궤적을 설정하고, 상기 주행 궤적에 대한 3차원 노면 정보와 차량 정보를 변수로 하여 전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정하는 단계, 주행 궤적의 곡률과 차량의 횡가속도를 변수로 차량의 미끄럼 안정성을 평가하고, 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 결정하는 단계와, 상기 3차원 노면정보, 차량 정보 및 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 변수로 하여 주행 시뮬레이션을 수행하는 실시간 동역학 해석 단계와, 상기 실시간 동역학 해석 결과를 근거로 차량의 동적 안정성을 평가하는 단계 및 상기 동적 안정성 평가 결과와 임무 부하 속도를 이용하여 자율 이동 차량의 각 궤적의 속도를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정하는 단계는, 상기 주행 궤적 상의 차량의 각 단부가 위치할 수 있는 노면상의 접점과 차량의 질량중심의 삼차원 좌표를 이용하여 벡터연산을 통해 차량의 기울기를 구하고, 상기 기울기와 노면 정보를 이용하여 전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정하는 단계로 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 결정하는 단계는, 노면의 마찰 계수로부터 최대 횡가속도를 결정하고, 주행 궤적의 곡률 반경과 최대 횡가속도와의 관계로부터 차량의 횡방향 속도를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 결정하는 단계는, 엔진 성능과 타이어의 마찰계수를 이용하여 차량의 가속도 및 감속도를 구하고, 상기 가속도 및 감속도를 이용하여 차량의 종방향 속도를 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 실시간 동역학 해석 단계는, 상기 3차원 노면정보, 차량 정보 및 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 각각 변수로 하여, 기 설정된 운동방정식에 대입하고, 그 해를 구하여 상기 주행 궤적에 따른 차량의 거동을 예측할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 차량의 동적 안정성을 평가하는 단계는, 상기 주행 궤적 상의 예측된 차량의 거동으로부터, 주행 궤적 및 속도를 각각 축으로 하는 주행 궤적-속도 프로파일을 작성하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 주행 궤적을 따라 운행하는 경우, 차량의 설계 조건을 각 변수로 하여, 차량이 파손되지 않고 주행할 수 있는 시스템 안정도에 따르는 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 주행 궤적을 따라 운행하는 경우, 상기 주행 궤적으로부터 벗어나지 않고 주행할 수 있는 미끄럼 안정도에 따르는 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가하는 단계를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 주행 궤적을 따라 운행하는 경우, 차량이 전복되지 않고 주행할 수 있는 전복 안정도에 따르는 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가하는 단계를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 자율 이동 차량의 임무 특성에 따르는 임무 부하 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 자율 이동 차량의 각 궤적의 속도를 결정하는 단계는 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가된 복수의 안정조건들을 모두 만족하는 각 주행 궤적의 최고 속도를 결정하는 단계로 이루어질 수 있다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 현위치 및 그로부터 속도의 가감속 및 조향을 통해 주행 가능한 일정 위치들을 포함하는 자율 이동 차량의 주행 궤적을 설정하고, 상기 주행 궤적에 대한 3차원 노면 정보를 감지하는 센서부 및 차량 정보 및 상기 센서부에서 감지된 노면 정보를 일 변수로 하여, 상기한 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법에 따라 자율 이동 차량의 속도를 결정하는 제어부를 포함하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 장치를 개시한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 주행 궤적 상의 차량의 각 단부가 위치할 수 있는 노면상의 접점과 차량의 질량중심의 삼차원 좌표를 이용하여 벡터연산을 통해 차량의 기울기를 구하고, 상기 기울기와 노면 정보를 이용하여 전복 안정성을 평가하는 전복 안정성 평가부를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어부는, 기 설정된 모멘트 방정식에 차량의 슬립률(Slip ratio) 또는 타이어의 마찰력을 각각 일 변수로 하여, 미끄럼 안정도를 평가하는 미끄럼 안정도 평가부를 더 포함한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 자율이동이 가능하도록 이루어지며, 주행수단이 장착되는 본체와, 상기 본체의 위치로부터, 일정 공간 떨어진 위치로 이동하도록 주행 궤적에 따른 정보들을 수신하는 수신기와, 상기 주행 궤적에 대한 3차원 노면 정보를 감지하는 센서부 및 본체 정보 및 상기 센서부에서 감지된 노면 정보를 일 변수로 하여, 상기한 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법에 따라 본체의 이동 속도를 결정하는 제어부를 포함하는 자율 이동 차량을 개시한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 장치 및 주행 속도 결정 방법은, 무인차량의 동력학을 고려한 주행안정성을 판별하여 최대 주행속도를 결정함으로써 무인차량을 빠른 속도로 자율 주행시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 자율이동차량의 사시도.
도 2는 도 1의 자율이동차량의 하드웨어를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자율 이동 차량의 주행 안정성을 고려한 주행 속도 결정 방법을 나타낸 흐름도.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 차량의 전복 안정성을 평가하기 위하여 벡터로 표현한 개념도.
도 5는 본 발명의 일실시예와 관련된 차량의 속도, 주행 곡률 반경 및 횡가속도와의 관계를 도시한 개념도.
도 6a는 차량의 등가감속 속도 대 시간 프로파일을 도시한 그래프.
도 6b는 차량의 등가감속 속도 대 거리 프로파일을 도시한 그래프.
도 7은 이중차선변경 궤적에 대해 미끄럼 안정속도 프로파일 생성을 예시한 그래프.
도 8은 본 발명의 일실시예와 관련된 동적 안정성 평가 방법에 관한 개념도.
도 9는 본 발명의 일실시예와 관련된 마찰 조향 차량의 선회 시 토크 작용 상태를 도시한 개념도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자율 이동 차량의 주행 안정성을 고려한 주행 속도 결정 방법을 도시한 그래프.
도 11은 본 발명의 일실시예와 관련된 자율 이동 차량의 주행 안정성을 고려한 주행 속도 결정 장치의 개념도.
이하, 본 발명의 일실시예에 따르는 자율 이동 차량의 속도 결정 장치, 이를 구비한 자율 이동 차량 및 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 자율이동차량(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 자율이동차량의 하드웨어를 나타내는 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 자율이동차량(100)은 본체(110), 수신기(120), 조향제어장치(130) 및 주행제어기(140)를 포함한다.
본체(110)는 자율이동이 가능하도록 이루어진다. 예를 들어, 자율이동차량(100)은 수신된 제어명령 또는 센서에서 감지된 정보를 활용하여 자율주행(autonomous drive) 명령을 자체적으로 생성하도록 형성된다. 자율주행은 기설정된 제어 알고리즘에 의하여 자율이동차량(100)이 자율적으로 제어명령을 생성하면서 자율이동차량(100)가 본체(110)가 주행하는 주행방식을 의미한다.
본체(110)에는 주행수단이 장착된다. 예를 들어, 자율이동차량(100)은 지면을 이동할 수 있도록 복수의 바퀴(111)들을 구비한다. 자율이동차량(100)이 야지 및 험지에서 주행할 수 있도록 본체(110)는 휠암과 연결되고, 휠암에 바퀴(111)들이 장착된다.
본체(110)에는 자율이동차량(100)이 각종 정보들을 수신하도록 수신기(120)가 장착된다. 수신기(120)는 자율이동차량(100)은 위치 정보를 감지하는 센서(121)와 원격통제부(200)와 송수신하는 무선통신 장치(122)를 포함한다. 원격통제부(200)는 지휘통제차량의 원격운용스테이션이나 휴대용 통제장치가 될 수 있다.
무선통신 장치(122)는 무선통신을 위한 전자부품의 형태로 본체(110)에 내장될 수 있다. 자율이동차량(100)은 무선통신에 의하여 경로점들의 집합(300, 이하 주행 궤적이라고 한다)을 원격통제부(200)로부터 수신받는다. 이에 대응하여, 원격운용스테이션이나 휴대용 통제장치에는 ROS(Remote Operation Station) 또는 RCU(Remote Control Unit) 컴포넌트가 탑재될 수 있다.
조향제어장치(130)는 본체(110)의 위치를 기준으로 수시된 경로점들 중 어느 하나를 추종 경로점으로 선택하며, 본체(110)가 상기 추정 경로점을 추종하도록 조향명령을 생성한다.
조향제어장치(130)는 통합처리컴퓨터(131) 및 자율제어컴퓨터(132)를 포함한다. 도 2를 참조하면, 통신장치로부터 수신된 경로점들의 집합 및 속도명령은 통합처리컴퓨터로 기가랜 스위치를 통해 전달되고 통합처리컴퓨터에서 이 역할을 수행하는 소프트웨어는 시스템 컴포넌트이다.
통합처리컴퓨터(131)는 기가랜 스위치를 통해 경로점들의 집합 및 속도명령을 자율제어컴퓨터(132)로 전달한다. 자율제어컴퓨터(132)에서는 3개의 소프트웨어 컴포넌트가 수행될 수 있다.
3개의 소프트웨어 컴포넌트 중 하나는 수신된 경로점들의 집합으로부터 자율이동차량의 현재 위치를 기준으로 자율이동차량이 추종할 수 있는 다음 경로점을 선택하는 Path Tracer 컴포넌트이다. 또 하나는 Path Tracer 컴포넌트에서 선택된 다음 경로점을 추종하기 위한 조향 및 속도 명령을 생성하는 Waypoint Tracer 컴포넌트이다. 마지막 하나는 Waypoint Tracer 컴포넌트에서 생성된 조향 및 가감속 명령을 기가랜을 통해 통합처리컴퓨터로 전송하는 Primitive Drive 컴포넌트이다.
주행제어기(140)는 조향명령을 전송받도록 이루어지며, 전송받은 조향명령에 따라 본체(110)의 주행수단을 제어한다.
주행제어기(140)는 통합주행제어기(141) 및 통합서보제어기(142)를 포함하고, 통합서보제어기(142)는 6개의 휠암서보제어기를 구비할 수 있다.
예를 들어, 통합처리컴퓨터(131)는 CAN을 통해 통합주행제어기(141)로 조향 및 속도 명령을 전송하고, 통합주행제어기(141)는 생성된 조향 및 속도 명령을 수행하기 위해 통합서보제어기(142)의 6개의 휠암서보제어기로 토크 명령을 송신한다.
이하 도 3 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따르는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자율 이동 차량의 주행 안정성을 고려한 주행 속도 결정 방법을 나타낸 흐름도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법은, 전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정하는 단계, 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 결정하는 단계, 주행 시뮬레이션을 수행하는 실시간 동역학 해석 단계, 차량의 동적 안정성을 평가하는 단계 및 동적 안정성 평가 결과와 임무 부하 속도를 이용하여 자율 이동 차량의 각 궤적의 속도를 결정하는 단계를 포함한다.
전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정하는 단계
전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정하는 단계는 현위치 및 그로부터 속도의 가감속 및 조향을 통해 주행 가능한 일정 위치들을 포함하는 자율 이동 차량의 주행 궤적을 설정하고, 상기 주행 궤적에 대한 3차원 노면 정보와 차량 정보를 변수로 하여 전복 안정성을 평가하는 것으로 이루어진다. 즉, 상기 주행 궤적 상의 차량의 각 단부가 위치할 수 있는 노면 상의 접점과 차량의 질량중심의 삼차원 좌표를 이용하여 벡터연산을 통해 차량의 기울기를 구하고, 상기 기울기와 노면 정보를 이용하여 전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정할 수 있다. 평가된 결과가 전복 가능성이 있으면, 주행 궤적을 변경하고, 변경된 주행 궤적에 대하여 다시 센서를 통한 노면 정보를 수집하게 된다.
전복 안정성의 평가 방법을 자세히 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 전복안정성을 평가하기 위한 벡터 표현이다. 차량이 주행하는 노면의 정보를 바탕으로 차량이 위치할 수 있는 수개의 접점과 차량의 질량중심 사이에 이루는 벡터연산을 통해 차량이 전복 가능한 기울기를 가지는지를 판단한다. 이때 지면의 위치는 차량의 주행궤적 상에 무수히 많은 점이 존재할 수 있으며 약 5 ~ 10cm 간격으로 전복가능성을 측정하여 안정적 주행이 가능한지를 판단한다.
Figure 112011007914085-pat00001
(1)
수식적으로는 식 (1)과 같이 θS에 대한 벡터 연산식으로 표현하여 안정과 불안정을 판단할 수 있다. θS는 전복안정성을 유지하기 위한 최소각도를 의미하며, 이는 0보다 같거나 큰 각도이며 실험이나 시뮬레이션을 통해 각 차량의 설계조건에 따라 미리 추출하여 결정할 수 있는 인자이다.
미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 결정하는 단계
그리고, 주행 궤적의 곡률과 차량의 횡가속도를 변수로 차량의 미끄럼 안정성을 평가하고, 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 결정하게 된다. 즉, 노면의 마찰 계수로부터 최대 횡가속도를 결정하고, 주행 궤적의 곡률 반경과 최대 횡가속도와의 관계로부터 차량의 횡방향 속도를 결정하고, 엔진 성능과 타이어의 마찰계수를 이용하여 차량의 가속도 및 감속도를 구하고, 상기 가속도 및 감속도를 이용하여 차량의 종방향 속도를 결정한다.
도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따르는 미끄럼 안정성을 따르는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법을 살펴보면 다음과 같다. 도 5는 차량의 속도, 주행곡률반경 및 횡가속도와의 관계를 나타낸 도면이고, 도 6a는 차량의 등가감속 속도 대 시간 프로파일을 나타낸 도면이며, 도 6b는 차량의 등 가감속 속도 대 거리 프로파일을 나타낸 도면이고, 도 7은 이중차선변경 궤적에 대해 미끄럼 안정속도 프로파일 생성예제를 나타낸 도면이다.
미끄럼 안정성은 차량의 횡방향과 종방향에 대하여 각각 수식적으로 고려할 수 있다. 횡방향의 경우 차량이 가질 수 있는 최대 횡가속도의 기준에 따라 차속을 결정 할 수 있으며 종방향은 차량의 가감속 능력의 한계와 횡방향 미끄럼 안정성에 따른 속도 프로파일로부터 재구성하여 속도를 결정할 수 있다.
주행중인 차량은 지면과 마찰력에 의해 조향력을 발생시킨다. 이때 차량의 질량과 중력가속도에 비례하는 힘을 수직력으로 받게 되며 타이어와 지면의 마찰력(Fμ)은 이 수직력과 마찰계수에 함수로 나타낼 수 있다. 따라서 타이어가 지면에 대해 낼 수 있는 힘의 크기는 차량의 질량(m)과 마찰계수(μ) 그리고 중력(g)에 비례한다.
Figure 112011007914085-pat00002
(2)
그런데, 이러한 마찰력은 차량의 조향을 발생시키는 힘으로 쓰이게 되므로 차량의 횡가속도와 질량과의 관계식으로 나타내면 차량이 만들어 낼 수 있는 최대횡가속도(aymax)는 마찰계수와 중력의 함수가 되는 것을 알 수 있다.
Figure 112011007914085-pat00003
(3)
만약 노면의 마찰계수를 알 고 있다면 최대 횡가속도는 결정되며 만약 궤적 주행하는 차량이 이러한 가속도를 받게 되면 궤적을 추종하지 못하고 미끌어지게 된다. 미끄럼 안정성을 만족하기 위한 속도는 이 최대 횡가속도와 주행 궤적의 곡률로부터 계산할 수 있다. 우선 곡률 반경과 횡가속도와의 관계를 그림으로 나타내면 도 5과 같으며 그 관계식을 구하면 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011007914085-pat00004
(4)
식(4)와 같이 차량의 최대속도는 곡률의 함수가 되며 곡률의 함수를 알 수 있으면 궤적상 한 지점에서 횡방향 미끄럼에 대한 안정 최대 속도를 계산할 수 있다.
앞에서 설명한 횡방향에 대한 안정속도를 추종하기 위해서는 차량의 가감속 특성을 고려한 진행방향에 대한 속도 프로파일이 필요하다. 종방향 속도를 결정하는 가장 중요한 인자는 차량의 가감속 성능이다. 일반적으로 차량의 가속성능은 엔진의 성능에 의존적이며 감속성능은 타이어 마찰력에 비례하기 때문에 가감속력의 최대값은 일정한 상수 값을 가진다. 이러한 가감속 성능을 이용하여 등감속 후 등가속을 수행하는 차량의 속도 프로파일을 그릴 수 있다. 도 6a와 도 6b는 등감속후 등가속 수행시 속도의 프로파일을 보여준다. 이때 시간에 대한 속도(도 6a)는 선형적으로 감소하고 증가하지만 거리에 대한 프로파일(도 6b)은 2차 함수적으로 감속되고 다시 증가되는 것을 알 수 있다. 여기서 우리가 사용하게 될 속도 프로파일은 도 6b로서 앞에서 정의한 횡방향 미끄럼에 대한 안정 최대속도에 겹쳐서 그리게 되면 세로운 최대 속도를 계산할 수 있다.
도 6a와 도 6b를 수학적으로 정의하면 가속과 감속에 대한 함수를 추출할 수 있으며 등감속 곡선과 관계된 수식은 식(5)와 같으며 식(6)은 가속 곡선과 관계된 식이다. 여기서 ab와 at 는 최대 감속도와 가속도를 나타내는 상수이며 나머지 수학기호들은 도 5에서 도시된 바와 같다.
Figure 112011007914085-pat00005
(5)
Figure 112011007914085-pat00006
(6)
식(5)와 (6)을 이용하면 궤적상의 위치(sp)와 그때의 속도(vp)를 알고 있으면 종 방향 안정성을 만족하는 속도 프로파일을 그릴 수 있다. 이 그래프를 횡 방향 미끄럼 안정속도 프로파일의 최저 속도 점들에 대입하여 중첩하여 그렸을 때 겹쳐지는 부분이 주행 가능한 속도 영역이 된다. 따라서 경로상의 한 점에서 주행 가능한 최대 속도는 중첩되는 영역에서 최고 속도 값이 된다.
도 7은 이중차선변경 궤적에 대해 상기한 속도 결정알고리즘을 적용한 예제를 나타낸다. 횡방향과 종방향 가감속 안정성을 만족시키는, 즉, 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 속도가 합리적으로 생성되는 것을 볼 수 있다.
이와 같은 상기의 과정을 통하여, 후술하는 주행 시뮬레이션의 변수로 이용되는 시험 속도를 결정할 수 있다.
주행 시뮬레이션을 수행하는 실시간 동역학 해석 단계
차량의 시험 속도를 결정한 이후에는, 차원 노면정보, 차량 정보 및 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 변수로 하여 주행 시뮬레이션을 수행하는 실시간 동역학 해석 단계가 수행된다. 실시간 동역학 해석 단계는 상기 3차원 노면정보, 차량 정보 및 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 각각 변수로 하여, 기 설정된 운동방정식에 대입하고, 그 해를 구하여 상기 주행 궤적에 따른 차량의 거동을 예측하는 단계이다.
차량의 동적 안정성을 평가하는 단계
주행 궤적에 따른 차량의 거동을 예측한 이후에는, 실시간 동역학 해석 결과를 근거로 차량의 동적 안정성을 평가한다. 본 발명의 일실시예에 있어서는, 상기 주행 궤적 상의 예측된 차량의 거동으로부터, 주행 궤적 및 속도를 각각 축으로 하는 주행 궤적-속도 프로파일을 작성하고, 상기 시험속도가 상기 프로파일에 있어서, 각각의 안정성을 만족하는 한계속도 이내인지 여부로 안정성을 평가한다.
동적 안정성의 평가는 도 8에서 도시한 바와 같이, 세 가지 안정성을 만족하는 궤적상의 속도를 주행 궤적-속도 프로파일에 작성하고, 이를 각각 평가하는 단계이다.
첫째, 차량의 설계강도 및 탑승자 또는 탑재물의 안정성에 따른 시스템 안정도를 정의할 수 있다. 다시 말해 차량이 주행 중 가지게 될 속도나 가속도 그리고 조인트에서 작용하는 반력이 차량이나 탑승자 또는 탑재물에 손상을 주지 않아야 하는 필요조건이다. 따라서, 상기 동역학 해석결과를 통해 얻어진 데이터와 차량의 구조적 안정도의 기준이 되는 데이터와의 직접비교를 통해 주행 궤적 상의 한계속도를 정할 수 있다. 여기서는, 상기 주행 궤적을 따라 운행하는 경우, 차량의 설계 조건을 각 변수로 하여, 차량이 파손되지 않고 주행할 수 있는 시스템 안정도에 따르는 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가한다.
둘째, 차량의 미끄럼 한계에 따른 미끄럼 안정성이다. 차량은 노면을 미끄러지면서 주행하는 장치이다. 따라서 차량과 지면의 마찰상태가 주행성에 큰 영향을 주며 궤적 추종성능을 결정지을 수 있다. 또한 차량의 미끄럼은 횡방향 차량의 가감속 능력의 한계에 따라 뿐만 아니라 종방향에 대한 미끄럼 한계를 고려하여야 한다. 여기서는, 상기 주행 궤적으로부터 벗어나지 않고 주행할 수 있는 미끄럼 안정도에 따르는 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가한다.
동역학적 해석을 통한 미끄럼 안정도 분석방법은 모멘트 방정식을 바탕으로 계산한다. 미끄럼 안정도의 평가 방법은 차량의 종류에 따라 두 가지로 나뉠 수 있다. 그 첫 번째는 에커만(Ackerman)조향 차량으로서 이는 일반적인 차량의 조향장치를 의미한다. 그리고 두 번째는 마찰조향 차량이다. 마찰조향 차량은 휠의 방향이 바뀌지 않는 상태에서 좌우 휠 토크의 크기에 의해 조향이 이루어지는 형태로서 궤도차량이 이에 해당한다.
에커만 조향차량의 미끄럼 안정도는 바퀴의 슬립률(Slip Ratio)을 이용하여 평가 할 수 있다. 슬립률의 계산식은 식(7) 및 식(8)과 같으며 여기서 α는 종방향 슬립률이며 β는 횡방향 슬립률이다. 그리고 vp는 타이어 접지면에서의 구름속도이며 vx는 휠의 진행방향 속도, 그리고 vy는 휠의 횡방향 속도이다. 이러한 상태값들은 시뮬레이션을 통해 시간에 대한 값으로 추출할 수 있으며 각 상태에 대한 슬립률을 계산하여 미끌어지는 정도를 알 수 있다. 일반적으로 슬립률은 0.3이상의 슬립일 경우 포화더며 타이어 마찰력은 더 이상 증가하지 않는다. 포화 슬립률보다 큰상태가 지속적으로 나타나면 이는 비교적 많이 미끌어지고 있는 상태이므로 이를 기준으로 하여 미끄럼 안정성을 평가한다.
Figure 112011007914085-pat00007
(7)
Figure 112011007914085-pat00008
(8)
마찰조향 차량의 경우 차량이 가지는 최대 토크에 따라 선회성능을나타낸다. 그리고 타이어의 횡방향 마찰력은 선회 성능을 감소시키는 역할을 한다. 따라서 차량의 미끄럼 상태가 조향을 발생시킬 수 있는가를 판단하는 것이 중요하다.
차량의 선회시 운동방정식은 식(9)와 같으며 이때 J는 차량의 관성모멘트이며
Figure 112011007914085-pat00009
은 선회 각가속도 그리고 τ는 토크를 의미한다.
Figure 112011007914085-pat00010
(9)
주어진 주행 궤적으로부터 궤적 추종을 위한
Figure 112011007914085-pat00011
은 매 시간마다 추출할 수 있으며 τ는 차량이 낼 수 있는 최대 토크와 타이어 횡마찰력에 의한 방해 토크의 합이다.
선회 중 차량의 토크는 도 9과 같이 나타낼 수 있고 이 그림을 바탕으로 식(9)를 식(10)과 같이 나타낼 수 있다. 그런데 선회토크(τdrv)는 분명 그 한계를 가지고 있으므로 최대값(τmax)를 상수로 두고 τfric을 뺀 값은 τ보다 큰 값이어야 조향을 수행할 수 있다.
Figure 112011007914085-pat00012
(10)
이러한 조건을 이용하여 최종적으로 식(11)과 같은 부등식을 만들 수 있다.
Figure 112011007914085-pat00013
(11)
마찰조향 차량은 식(11)의 부등식을 만족하지 못할 경우 미끄럼 안정성을 만족하지 못한다고 볼 수 있다. 따라서 이러한 미끄럼 불안정성이 지속적으로 발생할 경우 차량의 속도는 현재 값보다 비례적으로 낮은 값을 설정하여 안정적 속도를 결정 할 수 있다.
셋째, 차량의 전복에 대한 안정성이다. 차량의 고속으로 선회할 경우 질량중심과 타이어 마찰면 사이에 모멘트가 발생하며 이는 차량을 전복시킬 수 있다. 또한 불규칙한 노면을 주행할 때 지면의 굴곡에 의해 모멘트가 발생할 수 있다. 이러한 현상은 시스템의 안정도를 만족하는 상황에서도 얼마든지 발생할 수 있다. 여기서는, 상기 주행 궤적을 따라 운행하는 경우, 차량이 전복되지 않고 주행할 수 있는 전복 안정도에 따르는 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가한다. 차량의 피치(pitch)와 롤(Roll) 각도를 시뮬레이션을 통해 직접적으로 추출 할 수 있기 때문에 미리 정해둔 허용 최대 롤각도 및 피치각도의 범위를 벗어나는지를 판단 한 후 차량의 속도를 조절하여 전복 안정 속도를 계산할 수 있다.
자율 이동 차량의 각 궤적 상의 주행 속도를 결정하는 단계
임무 부하 속도는 자율 이동 차량이 임무를 수행함에 있어서 요구되는 최소 속도를 말한다.
안정성을 고려한 차량의 속도 추정의 목적은 임무 조건을 만족하는 속도로 주행하기 위함이다. 앞서 정의한 모든 안정성에 대한 차량의 속도는 주행 가능 최대속도를 의미하며 항상 최대속도로 달려야 할 이유는 없다. 따라서 현재 무인 자율주행 차량이 달려야 할 임무 속도를 지정하여 주어 차량의 속도를 유지할 필요가 있다. 임무 부하 속도는 자율주행차량의 작업 특성에 맞게 설정할 수 있으며 다음의 표(일 예로서 표시한 것이다.)과 같이 세분화하여 최상단 제어 시스템에서 결정할 수 있다.
정밀이동 순찰이동 평시이동 고속이동 긴급임무
최고속도 비율법 (%) 10 30 50 80 100
고정 속도법 (kph) 1 5 20 45 60
임무 부하속도 계산방법에는 두 가지 방법이 있으며 첫 번째는 최고속도 비율법이며 이 방법은 앞서 계산한 최대 안정속도에 지정한 비율의 속도로 주행하는 방법이며 고정 속도법은 미리 정해진 속도와 최대 안정속도의 중첩속도로 주행하는 방법이다.
마지막으로, 동적 안정성 평가 결과와 임무 부하 속도를 이용하여 자율 이동 차량의 각 궤적의 속도를 결정하게 된다. 도 10에서 도시된 바와 같이, 자율 이동 차량의 최종적 속도는 상기 각 안정속도를 중첩하여 그렸을 때 교집합이 되는 속도를 주행 속도로 결정할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따르는 자율 이동 차량의 속도 결정 장치의 개념도이다. 도시한 바와 같이, 속도 결정장치는, 현위치 및 그로부터 속도의 가감속 및 조향을 통해 주행 가능한 일정 위치들을 포함하는 자율 이동 차량의 주행 궤적을 설정하고, 상기 주행 궤적에 대한 3차원 노면 정보를 감지하는 센서부 및 차량 정보 및 상기 센서부에서 감지된 노면 정보를 일 변수로 하여, 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법에 따라 자율 이동 차량의 속도를 결정하는 제어부를 포함한다..
제어부는 안정성 평가부, 속도 결정부, 실시간 동역학 해석부와 임무부하속도 계산부를 포함할 수 있다. 안정성 평가부는 시스템 안정성 평가부, 주행 궤적 상의 차량의 각 단부가 위치할 수 있는 노면상의 접점과 차량의 질량중심의 삼차원 좌표를 이용하여 벡터연산을 통해 차량의 기울기를 구하고, 상기 기울기와 노면 정보를 이용하여 전복 안정성을 평가하는 전복 안정성 평가부 및 기 설정된 모멘트 방정식에 차량의 슬립률(Slip ratio) 또는 타이어의 마찰력을 각각 일 변수로 하여, 미끄럼 안정도를 평가하는 미끄럼 안정도 평가부를 포함한다.
상기와 같이 설명된 자율 이동 차량의 속도 결정 장치, 이를 구비한 자율 이동 차량 및 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 현위치 및 그로부터 속도의 가감속 및 조향을 통해 주행 가능한 일정 위치들을 포함하는 자율 이동 차량의 주행 궤적을 설정하고, 상기 주행 궤적에 대한 3차원 노면 정보와 차량 정보를 변수로 하여 전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정하는 단계;
    주행 궤적의 곡률과 차량의 횡가속도를 변수로 차량의 미끄럼 안정성을 평가하고, 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 결정하는 단계;
    상기 3차원 노면정보, 차량 정보 및 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 변수로 하여 주행 시뮬레이션을 수행하는 실시간 동역학 해석 단계;
    상기 실시간 동역학 해석 결과를 근거로 차량의 동적 안정성을 평가하는 단계; 및
    상기 동적 안정성 평가 결과와 임무 부하 속도를 이용하여 자율 이동 차량의 각 궤적상의 주행 속도를 결정하는 단계를 포함하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정하는 단계는,
    상기 주행 궤적 상의 차량의 각 단부가 위치할 수 있는 노면상의 접점과 차량의 질량중심의 삼차원 좌표를 이용하여 벡터연산을 통해 차량의 기울기를 구하고, 상기 기울기와 노면 정보를 이용하여 전복 안정성을 평가하여 주행 여부를 결정하는 단계인 것을 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 결정하는 단계는,
    노면의 마찰 계수로부터 최대 횡가속도를 결정하고, 주행 궤적의 곡률 반경과 최대 횡가속도와의 관계로부터 차량의 횡방향 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 결정하는 단계는,
    엔진 성능과 타이어의 마찰계수를 이용하여 차량의 가속도 및 감속도를 구하고, 상기 가속도 및 감속도를 이용하여 차량의 종방향 속도를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실시간 동역학 해석 단계는,
    상기 3차원 노면정보, 차량 정보 및 미끄럼 안정성을 만족하는 차량의 시험속도를 각각 변수로 하여, 기 설정된 운동방정식에 대입하고, 그 해를 구하여 상기 주행 궤적에 따른 차량의 거동을 예측하는 단계인 것을 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 차량의 동적 안정성을 평가하는 단계는,
    상기 주행 궤적 상의 예측된 차량의 거동으로부터, 주행 궤적 및 속도를 각각 축으로 하는 주행 궤적-속도 프로파일을 작성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 주행 궤적을 따라 운행하는 경우, 차량의 설계 조건을 각 변수로 하여, 차량이 파손되지 않고 주행할 수 있는 시스템 안정도에 따르는 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가하는 단계를 더 포함하는 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 주행 궤적을 따라 운행하는 경우, 상기 주행 궤적으로부터 벗어나지 않고 주행할 수 있는 미끄럼 안정도에 따르는 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가하는 단계를 더 포함하는 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 주행 궤적을 따라 운행하는 경우, 차량이 전복되지 않고 주행할 수 있는 전복 안정도에 따르는 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가하는 단계를 더 포함하는 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자율 이동 차량의 임무 특성에 따르는 임무 부하 속도를 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가하는 단계를 더 포함하는 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자율 이동 차량의 각 궤적의 속도를 결정하는 단계는 상기 주행 궤적-속도 프로파일에 추가된 복수의 안정조건들을 모두 만족하는 각 주행 궤적의 최고 속도를 결정하는 단계인 것을 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법.
  12. 현위치 및 그로부터 속도의 가감속 및 조향을 통해 주행 가능한 일정 위치들을 포함하는 자율 이동 차량의 주행 궤적을 설정하고, 상기 주행 궤적에 대한 3차원 노면 정보를 감지하는 센서부; 및
    차량 정보 및 상기 센서부에서 감지된 노면 정보를 일 변수로 하여, 상기 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법에 따라 자율 이동 차량의 속도를 결정하는 제어부를 포함하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 주행 궤적 상의 차량의 각 단부가 위치할 수 있는 노면상의 접점과 차량의 질량중심의 삼차원 좌표를 이용하여 벡터연산을 통해 차량의 기울기를 구하고, 상기 기울기와 노면 정보를 이용하여 전복 안정성을 평가하는 전복 안정성 평가부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기 설정된 모멘트 방정식에 차량의 슬립률(Slip ratio) 또는 타이어의 마찰력을 각각 일 변수로 하여, 미끄럼 안정도를 평가하는 미끄럼 안정도 평가부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 장치.
  15. 자율이동이 가능하도록 이루어지며, 주행수단이 장착되는 본체;
    상기 본체의 위치로부터, 일정 공간 떨어진 위치로 이동하도록 주행 궤적에 따른 정보들을 수신하는 수신기;
    상기 주행 궤적에 대한 3차원 노면 정보를 감지하는 센서부; 및
    본체 정보 및 상기 센서부에서 감지된 노면 정보를 일 변수로 하여, 상기 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법에 따라 본체의 이동 속도를 결정하는 제어부를 포함하는 자율 이동 차량.
KR1020110009779A 2011-01-31 2011-01-31 자율 이동 차량의 속도 결정 장치, 이를 구비한 자율 이동 차량 및 자율 이동 차량의 주행 속도 결정 방법 KR101040219B1 (ko)

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