KR101125583B1 - 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템 - Google Patents

레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템에 관한 것으로, 선행차량에서 반사되어 수신될 때까지의 시간을 이용하여 선행차량과의 상대거리를 계산하는 레이저 모듈부; 상기 레이저 모듈부로부터 수신한 선행차량과의 상대거리와 자차의 속도 및 가속도를 이용하여 선행차량의 속도 및 가속도를 연산한 후, 선행차량과의 상대거리, 선행차량의 속도, 가속도, 자차의 속도, 가속도 정보를 데이터베이스로 유지 관리하는 차량모델부; 상기 차량모델부의 데이터베이스 정보를 이용하여 충돌위험도를 판단하는 충돌진단부; 상기 충돌진단부로부터 수신한 충돌위험도에 따라 충돌경보를 발생시키는 충돌경고부; 및 상기 충돌진단부로부터 수신한 충돌위험도에 따라 차량을 감속시키기 위한 액츄에이터를 제어하는 차량제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 산업용 정밀 측정에 주로 사용되고 있는 레이저 센서를 사용함으로써 10m 이내의 근거리에서 측정정밀도를 높일 수 있으며, 충돌위험도 판단 기준에 따라서 5단계의 상황을 단계적으로 적용하여 자동차의 급격한 정지나 감속을 막음으로써 능동형 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템{Low-speed Collision Avoidance System Based on Laser sensor}
본 발명은 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저속 근거리에서 충돌을 방지하고 능동형 안전성을 향상시키기 위하여 레이저를 이용하여 차간 거리를 계산하고 충돌위험도를 판단하여 차량을 제어하기 위한 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템에 관한 것이다.
오늘날 자동차는 정보통신기술의 발달로 인해 운전자에게 좀 더 향상된 안전성과 편의성을 제공할 수 있는 지능형 자동차로 발전하였다. 지능형 자동차는 운전자에게 많은 기능을 제공하기 위해 다양한 형태의 사용자 입력을 요구하고 있으며, 이 때문에 운전자는 운전 중에 운전 이외의 다른 부분의 조작을 요하게 된다. 하지만 운전자에게 안전과 편의를 제공하기 위해 증가된 사용자 입력은 오히려 자동차 운전자에게 운전 외적인 부분에 대한 부하를 늘리게 되었다.
최근에는 운전자의 부주의에 의해 발생되는 사고 등을 예방하기 위한 능동형 안전기술에 대한 연구가 증가하고 있다. 최근에는 운전자에게 안전성과 편의성을 제공하기 위해 충돌을 예방하기 위한 기술이 다양하게 연구되고 있으며, 랩 테스트를 거쳐 상용화 과정에 진입한 기술도 다수 연구되었다.
대표적으로 감응 순항제어장치(Adaptive Cruise Control System), 전방 차량추돌경고장치(Forward Vehicle Collision Warning System)등이 있다. 특히 ACC와 같은 순항제어장치는 운전자에게 핸들의 조작을 맡기고 페달로 제어되는 부분들을 마이크로 프로세서를 이용해 제어한다. 이러한 정속 주행 시스템은 현재 ON/OFF 방식에 의해 제어가 결정되고 있고 24GHz의 FMC방식의 레이더의 특성에 의해 주로 40km/h 이상의 고속주행에서 주로 사용된다.
그러나 국내는 혼잡 교통 특성상 교통사고의 70% 이상이 30km/h 이하의 저속에서 많이 발생 되고 있다. 저속에서의 근거리 충돌은 주로 과도하게 밀집된 차간 간격, 운전자의 부주의 등이 사고의 원인으로 알려져 있다. 고속에서 사용되는 순항제어장치와는 다르게 저속상황에서 발생하는 근거리 충돌의 경우는 제동을 위해 필요한 제동거리 보다 운전자 인지를 위해 필요한 공주거리에 영향을 더 많이 받고 있다. 기존의 순항제어장치에 적용된 레이더는 근거리에 대한 오차가 크기 때문에 저속 근거리 충돌방지 시스템을 구성하기에 적합하지 않다.
본 발명은 상기의 종래 기술상의 제반 사정을 감안하여 이를 해결하기 위한 것으로, 레이저 센서에 의해 측정된 거리값을 이용하여 연산한 충돌위험도에 따라 차량을 단계적으로 제어하는 능동형 안전도 향상을 위한 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템은, 선행차량에서 반사되어 수신될 때까지의 시간을 이용하여 선행차량과의 상대거리를 계산하는 레이저 모듈부; 상기 레이저 모듈부로부터 수신한 선행차량과의 상대거리와 자차의 속도 및 가속도를 이용하여 선행차량의 속도 및 가속도를 연산한 후, 선행차량과의 상대거리, 선행차량의 속도, 가속도, 자차의 속도, 가속도 정보를 데이터베이스로 유지 관리하는 차량모델부; 상기 차량모델부의 데이터베이스 정보를 이용하여 충돌위험도를 판단하는 충돌진단부; 상기 충돌진단부로부터 수신한 충돌위험도에 따라 충돌경보를 발생시키는 충돌경고부; 및 상기 충돌진단부로부터 수신한 충돌위험도에 따라 차량을 감속시키기 위한 액츄에이터를 제어하는 차량제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터베이스는 마이크로컨트롤러에서 허용가능한 메모리의 크기로 제한되며, 메모리의 용량을 초과하게 되는 경우에는 과거의 데이터를 삭제하고 최신의 데이터로 계속 업데이트를 하면서 데이터베이스를 최신의 상태로 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터베이스는 선행차량과의 상대거리, 선행차량의 속도, 가속도, 자차의 속도, 가속도 정보를 이용하여 선행차량 및 자차의 가속도선도 및 감속도선도에 대한 정보를 저장하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터베이스는 선행차량과의 상대거리, 선행차량의 속도, 가속도, 자차의 속도, 가속도 정보를 이용하여 특정속도 및 특정거리에서 발생할 수 있는 운전자의 평균 감속도를 테이블 형태로 저장하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충돌위험도를 판단하는 기준이 되는 거리값은 2.5m를 기준으로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충돌위험도는 안전단계, 준비단계, 경고단계, 감속단계, 위험단계의 5가지 단계로 구성되며, 가장 안전한 상황인 안전단계를 기준으로 상대속도나 상대가속도 또는 차간거리의 상황이 나빠질 때마다 위험상황이 한 단계씩 높아지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템에 의하면, 산업용 정밀 측정에 주로 사용되고 있는 레이저 센서를 사용함으로써 10m 이내의 근거리에서 측정정밀도를 높일 수 있으며, 충돌위험도 판단 기준에 따라서 5단계의 상황을 단계적으로 적용하여 자동차의 급격한 정지나 감속을 막음으로써 능동형 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 두 차량의 속도와 거리를 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 출돌위험도 판단 기준에 따른 5단계의 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템의 블록도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 두 차량의 속도와 거리를 나타내는 예시도이다.
도 1을 참조하면, 두 차간의 거리는 d, 선행차량의 속도를 V2, 후행차량의 속도를 V1으로 두었으며 선행차량의 가속도를 A2, 후행차량의 가속도를 A1 이라 하였고 두 차량간의 상대속도를 △Vdiffer, 상대가속도를 △Adiffer 라 정의한다.
△Vdiffer 는 V2 에서 V1을 뺀값과 같으며, △Adiffer 는 A2 에서 A1을 뺀값과 같다.
저속 근거리 충돌방지시스템을 개발 함에 있어 선행차량을 추종하기 위한 적정거리 선정을 위해 이상적인 자동차의 제동거리를 측정해볼 필요가 있다.
제동거리를 나타내는 식
Figure 112010026654615-pat00001
을 이용하고
이 식에서 사용된 마찰계수
Figure 112010026654615-pat00002
= 0.8 을 이용하여 도심 혼잡교통 내의 평균 주행속도인 20km/h 일 때의 요구되는 제동거리를 계산하면 D = 1.96m 와 같은 값을 구할 수 있다.
여기서 구해진 제동거리에서 실제 주행에서 충돌 방지를 위해 safety factor를 곱하여 충돌의 위험도를 판단하기 위한 거리를 2.5m 로 선정하였다.
본 발명에서 제안하는 충돌 위험도 기술은 상대속도와 상대가속도 차간 거리에 따라 단계별로 적용된다.
먼저 상대 속도와 상대 가속도는 0보다 큰 경우, 0과 같은 경우, 0보다 작은 경우로 나뉘어지고 이는 앞으로 차간 거리의 변화량을 예측할 수 있는 factor로써 차간거리가 멀어지거나 가까워지는 정도를 판단하여 각각의 위험도를 판단한다.
다음은 현재 두 차간의 거리요소로 위험요소를 판단하게 되는데 앞에서 지정한 안전제동거리 2.5m을 기준으로 위험단계를 설정한다. 즉 세 가지의 충돌위험도 판단 factor 속도, 가속도, 차간거리를 이용하여 충돌 위험도를 판단하게 된다.
각각의 상황은 다음의 기준으로 설정되었다.
1. △V>0, △A>0 상황에서는 차간거리에 관계없이 안전단계로 지정한다.
2. △V<0, △A<0 상황에서는 차간 거리에 관계없이 위험단계로 지정한다.
3. 가장 안전한 상황인 안전단계를 기준으로 상대속도나 상대가속도, 차간거리의 상황이 나빠질 때마다 위험상황을 한 단계씩 격상시킨다.
위의 세 조건을 통해 [표1]을 완성할 수 있다. [표1]은 상대속도, 상대가속도, 차간거리값에 따라서 충돌위험도를 5가지로 구분하여 나타낸 것이다.
Figure 112010026654615-pat00003
가장 안전한 상태로써 충돌방지 시스템이 작동하지 하는 안전단계, 충돌방지시스템의 개입이 준비되는 준비단계, 액츄에이터를 제어하진 않고 운전자에서 위험을 알려 주는 경고단계, 브레이크의 압력을 조절하여 감속을 진행하는 감속단계, 마지막으로 가장 위험한 상황으로 정지가 요구되는 위험단계로 구분된다.
도 2는 본 발명에 따른 출돌위험도 판단 기준에 따른 5단계의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 각각의 상황에서 충돌방지시스템은 현재 상황에 적합한 제어방법을 선택한다.
안전단계에서는 현재 상태는 안전하지만 시간이 지남에 따라 안전거리를 보장할 수 없는 시점이 발생 될 요지가 있기에 충돌방지시스템을 작동시켜 상황을 대비한다.
준비단계는 운전자나 충돌방지시스템에 의해 자동차가 충돌에 대비하여 제어 될 정도는 아니나 경고 시스템이나 브레이크의 개입을 준비하는 단계이며 이 단계에서 액셀러레이터의 조작량을 감지하여 운전자의 자동차 제어 상태를 측정한다.
경고단계는 실질적으로 충돌방지시스템에 개입하는 단계로 운전자에 의해 충돌을 회피할 수 있는 단계로 진동이나 소리를 통해 운전자에게 위험 요소를 알리고 제어를 요구하는 단계이다.
감속단계에서는 실제를 액츄에이터를 제어하는 부분으로 감속을 진행하면서 안전제동거리를 줄이고 운전자의 제어를 기다리거나 선행차량과의 거리 변화에 따라 감속 진행한다.
마지막으로 위험단계는 이미 운전자에 의해서는 충돌을 피할 수 없는 단계로 정지가 요구되는 단계이다.
이렇게 각 5단계의 상황을 단계적으로 적용함으로써 자동차의 급격한 정지나 감속을 막고 운전자에게 제어를 요구함으로써 운전자의 운전을 방해하지 않고 혼잡한 교통 속에서 급격한 상황변화를 발생시키지 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템은 레이저모듈부(10), 충돌진단부(20), 차량모델부(21), 충돌경고부(30) 및 차량제어부(40)의 5부분으로 구성된다.
우선 현재 차량과 선행차량의 상대거리를 계산하기 위한 레이저 모듈부(10)는 레이저 다이오드 및 레이저 발진부(12), 레이저 송ㆍ수신을 담당하는 광학렌즈(Tx, Rx)(11), 수신된 신호를 디지털값으로 변경하는 신호처리부(13), TOF 알고리즘 계산부(14) 와 네트워크 모듈(15)로 구성되어 있다.
레이저 다이오드 및 레이저 발진부(12)에서 발진 된 레이저 빛은 전방의 선행차량에 반사되어 수신렌즈(11)를 거쳐 레이저 모듈부(10)로 다시 돌아오게 된다. 이때, 수신된 레이저 광은 신호처리부(13)를 거쳐 디지털값으로 변환되고, 이 디지털 값은 레이저 발진부터 반사되어 수신될 때까지의 시간을 이용해 상대거리를 연산하는 TOF 알고리즘 계산부(14)을 거쳐 디지털 거리값으로 출력되게 된다. 네트워크 모듈(15)에서는 레이저 모듈부(10)에서 측정된 선행차량과의 상대거리를 네트워크(60)를 통해 전송한다.
두 번째로 차량모델부(21)는 충돌 상황의 판단 및 위험도를 분석하기 위해서 시속 20Km/h 이하의 저속에서 운동하는 차량의 가속도선도 및 감속도선도에 대한 정보를 데이터베이스의 형태로 포함하고 있다.
우선 차량모델부(21)에서는 자차의 속도정보(V1), 가속도정보(A1)와 네트워크(60)를 통해 상기 레이저모듈부(10)로부터 수신된 전방 차량의 상대거리(△D)를 이용하여 충돌판단에 사용되는 전방차량의 속도(V2), 가속도(A2)를 연산한다. 그리고 자차의 속도정보, 가속도정보 및 전방차량의 상대거리는 운행시간 동안 일정한 주기로 차량모델부(21)의 데이터베이스에 업데이트 된다. 이 데이터베이스의 데이터량은 마이트로컨트롤러에서 허용할 수 있는 메모리크기로 제한되며, 메모리 용량을 초과하게 과거의 데이터를 삭제하고 최신의 데이터로 계속 업데이트하면서 데이터베이스를 최신상태로 유지한다.
데이터베이스는 △D, V1, V2, A2, A1 정보를 이용하여 특정속도 및 특정거리에서 발생할 수 있는 운전자의 평균 감속도(-1g~0g의 범위: g=-9.81m/s2)를 매치하여 테이블의 형태로 저장한다. 운전자마다 전방의 차량과 유지하는 상대거리 및 감속도가 다르기 때문에, 이 테이블은 운전자가 운전을 할 때 점차 시스템을 운전자의 운전성향에 적합하도록 튜닝한다.
이러한 데이터베이스를 이용한 차량모델부(21)는 속도와 가속도의 변화추이를 이용하여 다음 주기에서의 차량속도와 가속도를 미리 예측할 수 있기 때문에, 빠른 충돌판단을 할 수 있도록 도와준다.
세 번째로 충돌진단부(20)는 상기 차량모델부(21)의 데이터베이스에 저장된 자차의 속도, 가속도와 선행차량의 속도, 가속도 정보 및 상대거리를 이용하여 본 발명의 충돌 위험도 판단표[표1]에 의해 충돌가능성을 판단하여 네트워크(60)를 통해 충돌위험도 정보를 송신한다. 충돌위험도 정보는 충돌위험의 가능성에 따라 충돌경고부(30)와 차량제어부(40)에서 사용하게 된다.
네 번째로 충돌경고부(30)에서는 네트워크(60)를 통해 수신한 충돌 위험도 정보에 따라서 미리 정해진 충돌 경보절차를 수행하고,
다섯 번째로 차량제어부(40)에서는 충돌위험도에 따라 차량을 감속시키기 위해서 브레이킹 컨트롤러(42)와 서보드라이버(43)를 이용하여 액츄에이터(50)를 제어하는 역할을 담당한다.
본 발명에 따르면, 레이저 센서를 사용함으로써 10m 이내의 근거리에서 측정정밀도를 높일 수 있으며, 충돌위험도 판단 기준에 따라서 5단계의 상황을 단계적으로 적용하여 자동차의 급격한 정지나 감속을 막음으로써 능동형 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 되는 것임은 자명하다.
10: 레이저모듈부, 11: 광학렌즈
12: 레이저 다이오드 및 레이저 발진부, 13: 신호처리부
14: TOF 알고리즘 계산부, 15,22,31,41: 네트워크 모듈
20: 충돌진단부, 21: 차량모델부
30: 충돌경고부, 40: 차량제어부
42: 브레이킹 컨트롤러, 43: 서보드라이버
50: 액츄에이터, 60: 네트워크

Claims (6)

  1. 선행차량에서 반사되어 수신될 때까지의 시간을 디지털값으로 변환하여 TOG알고리즘 계산부를 이용하여 선행차량과의 상대거리를 계산하여 디지털값으로 출력하는 레이저 모듈부;
    상기 레이저 모듈부로부터 수신한 선행차량과의 상대거리와 자차의 속도 및 가속도를 이용하여 선행차량의 속도 및 가속도를 연산한 후, 선행차량과의 상대거리, 선행차량의 속도, 가속도, 자차의 속도, 가속도 정보를 데이터베이스로 유지 관리하며 다음 주기에서의 차량속도와 가속도를 미리 예측하는 차량모델부;
    상기 차량모델부의 데이터베이스 정보를 이용하여 충돌위험도를 판단하는 충돌진단부;
    상기 충돌진단부로부터 수신한 충돌위험도에 따라 충돌경보를 발생시키는 충돌경고부; 및
    상기 충돌진단부로부터 수신한 충돌위험도에 따라 차량을 감속시키기 위한 액츄에이터를 제어하는 차량제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터베이스는 마이크로컨트롤러에서 허용가능한 메모리의 크기로 제한되며, 메모리의 용량을 초과하게 되는 경우에는 과거의 데이터를 삭제하고 최신의 데이터로 계속 업데이트를 하면서 데이터베이스를 최신의 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터베이스는 선행차량과의 상대거리, 선행차량의 속도, 가속도, 자차의 속도, 가속도 정보를 이용하여 선행차량 및 자차의 가속도선도 및 감속도선도에 대한 정보를 저장하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터베이스는 선행차량과의 상대거리, 선행차량의 속도, 가속도, 자차의 속도, 가속도 정보를 이용하여 특정속도 및 특정거리에서 발생할 수 있는 운전자의 평균 감속도를 테이블 형태로 저장하는 것을 특징으로 하는 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 충돌위험도를 판단하는 기준이 되는 거리값은 2.5m를 기준으로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충돌위험도는 안전단계, 준비단계, 경고단계, 감속단계, 위험단계의 5가지 단계로 구성되며, 가장 안전한 상황인 안전단계를 기준으로 상대속도나 상대가속도 또는 차간거리의 상황이 나빠질 때마다 위험상황이 한단계씩 높아지는 것을 특징으로 하는 레이저 센서 기반 저속 근거리 충돌방지시스템.
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