KR101925141B1

KR101925141B1 - 통합형 차량 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101925141B1
Application number: KR1020160070236A
Authority: KR
Inventors: 장경영; 박장현; 김진수; 유성현; 고영호; 전형국
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2018-12-04
Also published as: KR20170117855A

Abstract

차량 제어 시스템은, 대상차량 및 주변차량의 주행정보에 기초하여, 차로변경 가능공간(LCFS, Lane Change Feasible Space)을 검출하는 차로변경공간 검출부; 대상차량이 차로변경시점(TLCP, Target Lane Change Point)에 도달하였는지 여부를 확인하는 차로변경시점 확인부; 대상차량이 차로변경시점에 도달하지 않은 경우, 대상차량의 종방향 주행을 제어하는 종방향 제어부; 및 대상차량이 차로변경시점에 도달한 경우, 차로변경 가능공간으로 차로변경이 이루어지도록 대상차량의 횡방향 주행을 제어하는 횡방향 제어부; 를 포함할 수 있다.
이와 같은 차량 제어 시스템 및 방법에 의하면, 차로변경을 보조·지원할 수 있다. 또한, 차료변경 시, 종방향 및 횡방향 자동 제어를 동시에 수행할 수 있다. 또한, 주변차량, 도로, 장애물 등에 의한 가변적 주행환경을 실시간으로 감지하여 반영함으로써, 제어대상 차량뿐만 아니라 주변 차량의 주행 안정성 및 안전성을 확보할 수 있다. 나아가, 현재 차로변경 시 발생하는 상대적으로 높은 사고율 및 교통지체현상과 같은 사회 문제 해결에 활용되어 교통사고 감소, 교통 지체에 의한 사회적 비용의 감소, 사용자 편의성 증대 등을 제공할 수 있다. 또한, 차량 제어 시스템 및 방법은 차로변경을 안전하게 수행하기 위한 ECU(Engin Control Unit) 개발 분야에 활용될 수 있고, 자동차 센서 기반 지능형 차량 제어 기술로서 운전자 협력형 지원시스템에 핵심 적용될 수 있다.

Description

통합형 차량 제어 시스템 및 방법{INTEGRATED VEHICLE CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 차량 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

운전자를 보조하는 기술로써 차로에 관련된 첨단운전자지원시스템(ADAS)은 크게 차로유지와 차로변경을 보조하는 기술로 나뉘는데, 이러한 기술로는 사각지대의 차량을 인지 후 운전자에게 각종 빛, 소리 등의 알람으로 운전자에게 경고를 주는 ALCA(Advanced Lane Change Assist) 및 BSD(Blind Spot Detection) 기술, 스티어링 휠을 돌리는데 필요한 힘을 적절히 조절해 줌으로써 위급상황에서 조향 조작이 쉽고 안전하게 이루어지도록 도와주는 ESA(Emergency Steer Assist) 기술, 다른 차량과의 거리를 유지하는데 도움을 주는 ACC(Adaptive Cruise Control) 기술, 및 차로를 실시간으로 인식하여 졸음운전 및 운전자의 부주의로 차량이 차로를 이탈할 경우 주행하는 차로를 유지할 수 있도록 자동으로 조향을 조절하는 LKAS(lane Keeping Assist System) 기술 등이 존재한다.

종래의 첨단운전자지원시스템(ADAS)은 ACC와 같은 종방향 자동 제어 기술이 대다수를 이루며, 횡방향에 관련된 자동 제어 기술은 미비하다. 또한, ACC를 수행하는 종방향 제어와 LKAS 및 차선변경를 수행하는 횡방향 제어가 통합되어 있는 시스템은 더욱 찾아보기 힘든 실정이다.

또한, 종래의 BSD 및 ALCA 등의 시스템은 같이 차량의 제어에 관여하지 않고 사각지대의 차량 및 물체 여부를 인지하여 단순히 운전자에게 알람 등으로 운전자에게 경고를 주는 기능으로 한정되어 있으며, ESA 및 LKAS 등과 같이 위험상황 회피를 위한 자동 차로변경 시스템은 직선도로에서만 적용가능하며, 충돌회피 시 옆 차로에 차량이 없어야 하고, 제어대상 차량이 차로 중심에 있어야 한다는 등 많은 가정을 요구한다.

따라서, 차량의 주행에 필수적인 차로변경을 보조·지원하는 기술로써, 차로변경 시, 종방향뿐만 아니라 횡방향 자동 제어를 동시에 수행하며, 가변적 주행환경에 적응 가능한 지능형 차량 제어 시스템 및 방법에 대한 개발이 필요한 실정이다.

관련 선행기술로는 공개특허공보 제10-2014-0074158(발명의 명칭: 차선 변경 안내 방법 및 이를 실행하는 장치, 공개일자: 2014년 06월 17일)가 있다.

본 발명은 차로변경을 보조하는 차량 제어 시스템 및 차량 제어 방법을 제공하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 다음과 같은 차량 제어 시스템 및 방법이 제공된다.

차량 제어 시스템은, 대상차량 및 주변차량의 주행정보에 기초하여, 차로변경 가능공간(LCFS, Lane Change Feasible Space)을 검출하는 차로변경공간 검출부; 대상차량이 차로변경시점(TLCP, Target Lane Change Point)에 도달하였는지 여부를 확인하는 차로변경시점 확인부; 대상차량이 차로변경시점에 도달하지 않은 경우, 대상차량의 종방향 주행을 제어하는 종방향 제어부; 및 대상차량이 차로변경시점에 도달한 경우, 차로변경 가능공간으로 차로변경이 이루어지도록 대상차량의 횡방향 주행을 제어하는 횡방향 제어부; 를 포함할 수 있다.

종방향 제어부는, 주행정보에 기초하여 종방향 제어량을 산출하고, 종방향 제어량에 기초하여 대상차량의 종방향 구동을 제어할 수 있다.

종방향 제어량은, 차로변경시점에 도달하기 위한 대상차량의 목표 종가속도를 포함할 수 있다.

종방향 제어부는, 대상차량의 설정속도에 의해 대상차량에 요구되는 제 1요구가속도를 산출할 수 있다.

종방향 제어부는, 하기의 [수학식 1]과 같은 비례적분 (PI, Proportional-Integral)을 이용하여, 제 1요구가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 1]

여기서,

는 제 1요구가속도,

,

는 비례, 적분게인,

는 설정속도,

는 대상차량의 실시간 속도를 각각 의미한다.

종방향 제어부는, 주변차량의 주행상태에 의해 대상차량에 요구되는 제 2요구가속도를 산출할 수 있다.

제 2요구가속도는, 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도, 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도, 및 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

종방향 제어부는, 하기의 [수학식 4]를 이용하여, 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 4]

여기서,

는 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 차간거리,

는 차두거리에서 프론트(Front)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 프론트(Front)차량의 속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

종방향 제어부는, 하기의 [수학식 7]을 이용하여, 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 7]

여기서,

는 프론트(Front)차량과의 차간거리오차,

는 프론트(Front)차량의 속도,

는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),

는 상수를 각각 의미한다.

종방향 제어부는, 하기의 [수학식 10]을 이용하여, 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 10]

여기서,

는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 차간거리,

는 차두거리에서 리드(Lead)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 리드(Lead)차량의 속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

종방향 제어부는, 하기의 [수학식 13]을 이용하여, 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 13]

여기서,

는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 리드(Lead)차량과의 차간거리오차,

는 리드(Lead)차량의 속도,

는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),

는 상수를 각각 의미한다.

종방향 제어부는, 하기의 [수학식 16]을 이용하여, 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 16]

여기서,

는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 차간거리,

는 차두거리에서 래그(Lag)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 래그(Lag)차량의 속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

종방향 제어부는, 하기의 [수학식 19]를 이용하여, 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 19]

여기서,

는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 래그(Lag)차량과의 차간거리오차,

는 래그(Lag)차량의 속도,

는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),

는 상수를 각각 의미한다.

종방향 제어부는, 제 1요구가속도 및 제 2요구가속도를 이용하여, 목표 종가속도를 산출할 수 있다.

종방향 제어부는, 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 제 1목표 종가속도를 산출하고, 프론트(Front)차량과의 관계에서 제 2목표 종가속도를 산출하고, 제 2목표 종가속도의 감가속을 분리하여 목표 종가속도를 산출할 수 있다.

종방향 제어부는, 하기의 [수학식 20]을 이용하여, 제 1목표 종가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 20]

여기서,

는 제 1목표 종가속도,

는 제 1요구가속도,

및

는 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

및

는 는 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 차간거리오차, T는 상수를 각각 의미한다.

종방향 제어부는, 하기의 [수학식 21]을 이용하여, 제 2목표 종가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 21]

여기서,

는 제 2목표 종가속도,

는 제 1목표 종가속도,

는 프론트(Front)차량과의 차간거리오차, T는 상수를 각각 의미한다.

종방향 제어부는, 하기의 [수학식 22]을 이용하여, 목표 종가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 22]

여기서,

는 엔진의 구동을 위한 목표 종가속도,

는 브레이크의 구동을 위한 목표 종가속도,

는 제 2목표 종가속도를 각각 의미한다.

횡방향 제어부는, 주행정보에 기초하여 횡방향 제어량을 산출하고, 횡방향 제어량에 기초하여 대상차량의 횡방향 구동을 제어할 수 있다.

횡방향 제어량은, 차로변경을 위한 대상차량의 목표 조향각 또는 차로변경궤적(LCP, Lane Change Path)을 포함할 수 있다.

차량 제어 방법은, 대상차량 및 주변차량의 주행정보에 기초하여, 차로변경 가능공간(LCFS, Lane Change Feasible Space)을 검출하고; 대상차량이 차로변경시점(TLCP, Target Lane Change Point)에 도달하였는지 여부를 확인하고; 대상차량이 차로변경시점에 도달하지 않은 경우, 대상차량의 종방향 주행을 제어하고; 및 대상차량이 차로변경시점에 도달한 경우, 차로변경 가능공간으로 차로변경이 이루어지도록 대상차량의 횡방향 주행을 제어하는; 것을 포함할 수 있다.

이와 같은 차량 제어 시스템 및 방법에 의하면, 차로변경을 보조·지원할 수 있다. 또한, 차료변경 시, 종방향 및 횡방향 자동 제어를 동시에 수행할 수 있다. 또한, 주변차량, 도로, 장애물 등에 의한 가변적 주행환경을 실시간으로 감지하여 반영함으로써, 제어대상 차량뿐만 아니라 주변 차량의 주행 안정성 및 안전성을 확보할 수 있다.

나아가, 현재 차로변경 시 발생하는 상대적으로 높은 사고율 및 교통지체현상과 같은 사회 문제 해결에 활용되어 교통사고 감소, 교통 지체에 의한 사회적 비용의 감소, 사용자 편의성 증대 등을 제공할 수 있다. 또한, 차량 제어 시스템 및 방법은 차로변경을 안전하게 수행하기 위한 ECU(Engin Control Unit) 개발 분야에 활용될 수 있고, 자동차 센서 기반 지능형 차량 제어 기술로서 운전자 협력형 지원시스템에 핵심 적용될 수 있다.

도 1은 차량 제어 시스템의 일 실시예에 따른 블록도이다.
도 2는 차로변경 가능공간의 검출을 예시한 도면이다.
도 3은 대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달한 경우, 제어부의 종방향 제어 및 횡방향 제어를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달하지 않은 경우, 제어부의 종방향 제어 및 횡방향 제어를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 종방향 제어부의 일 실시예에 따른 블록도이다.
도 6은 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도의 산출을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도의 산출을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도의 산출을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 횡방향 제어부의 일 실시예에 따른 블록도이다.
도 10은 시간에 따른 차로변경궤적을 예시한 도면이다.
도 11은 차량 제어 방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
도 12는 종방향 제어량 산출방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
도 13는 횡방향 제어량 산출방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 차량 제어 시스템 및 방법을 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타내는 것으로 한다.

도 1은 차량 제어 시스템의 일 실시예에 따른 블록도이다.

도 1을 참조하면, 차량 제어 시스템(1)은 감지부(100), 제어부(200), 저장부(300)를 포함할 수 있다.

감지부(100)는 대상차량 및 주변차량의 주행정보를 감지한다. 여기서, 대상차량은 차량 제어 시스템(1)을 포함하여, 차량 제어 시스템(1)에 의해 제어되는 차량을 의미한다. 또한, 주변차량은 대상차량의 주변에 위치한 차량으로, 단일 또는 복수의 차량으로 마련될 수 있다. 또한, 주행정보는 차량의 주행상태를 알려주는 정보로서, 위치, 속도, 가속도, 거리, 조향각 등을 포함할 수 있다.

예를 들어, 감지부(100)는 대상차량의 속도 및 가속도를 감지할 수 있다. 감지부(100)는 주변차량의 상대속도 및 대상차량과 주변차량의 상대거리를 감지할 수 있다. 감지부(100)는 대상차량이 차로의 중심으로부터 떨어진 거리, 및 차로와 대상차량의 진행방향이 이루는 각도 등을 감지할 수 있다.

감지부(100)는 주기적으로 대상차량 및 주변차량의 주행정보를 재감지할 수 있다. 감지부(100)는 시간의 흐름에 따라 대상차량 및 주변차량의 주행정보를 재감지하고, 주행정보를 업데이트할 수 있다.

이와 같은 감지부(100)는 카메라와 같은 비디오 센서, 적외선 센서, 초음파 센서, 관성 센서(IMU, Inertial Measurement Unit), 가속도 센서 등으로 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 대상차량 및 주변차량의 주행정보를 감지할 수만 있다면, 임의의 다른 형태로 구현될 수 있음은 물론이다.

제어부(200)는 감지부(100)에서 감지된 주행정보에 기초하여, 대상차량의 종방향 및 횡방향 주행을 제어한다. 제어부(200)는 차로변경시점(TLCP, Target Lane Change Point)에 도달하기까지 대상차량의 종방향 주행을 제어하고, 차로변경시점(TLCP)에 대상차량의 횡방향 주행을 제어한다. 여기서, 차로변경시점(TLCP)는 대상차량이 차로변경을 수행하는 시작지점을 의미한다.

제어부(200)는 차로변경공간 검출부(210), 차로변경시점 확인부(220), 종방향 제어량 산출부(230), 종방향 제어부(240), 횡방향 제어량 산출부(250), 횡방향 제어부(260)를 포함할 수 있다.

차로변경공간 검출부(210)는 감지부(100)에서 감지된 주행정보에 기초하여, 차로변경 가능공간(LCFS, Lane Change Feasible Space) 을 검출한다. 이 때, 차로변경 가능공간(LCFS)은 대상차량이 차로변경을 수행할 목표차로의 빈 공간을 의미하는 것으로, 목표차로는 대상차량의 주행차로와 가장 인접한 차로가 될 수 있다.

또한, 검출된 차로변경 가능공간에 기초하여, 목표차로에서 차로변경 가능공간(LCFS)의 전방에 위치한 차량을 '리드(Lead)차량' 으로, 차로변경 가능공간(LCFS)의 후방에 위치한 차량을 '래그(Lag)차량' 으로 각각 정의할 수 있으며, 이에 대응하여 주행차로에서 대상차량의 전방에 위치한 차량을 '프론트(Front)차량' 으로 정의하기로 한다.

도 2는 차로변경 가능공간의 검출을 예시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 차로변경공간 검출부(210)는 차량간의 속도차이, 목표차로의 차간간격, 대상차량과의 거리 등에 기초하여 차로변경 가능공간(LCFS)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 차로변경공간 검출부(210)는 목표차로를 주행하는 차량(10a, 10e)간의 속도차이, 대상차량(10s)과 목표차로를 주행하는 차량(10a,10e)의 속도차이, 대상차량(10s)과 주행차로가 동일한 차량(10f)의 속도차이, 목표차로를 주행하는 차량(10a, 10e)간의 간격, 대상차량(10s)과 목표차로를 주행하는 차량(10a,10e)의 간격, 대상차량(10s)과 주행차로가 동일한 차량(10f)의 간격 등에 기초하여 차로변경 가능공간(LCFS)을 검출할 수 있다.

이 때, 검출된 차로변경 가능공간을 사이에 두고, 차로변경 가능공간(LCFS)의 전방에 위치한 차량(10e)이 '리드(Lead)차량' 이 되고, 차로변경 가능공간(LCFS)의 후방에 위치한 차량(10a)이 '래그(Lag)차량' 이 되며, 대상차량의 전방에 위치한 차량(10f)이 '프론트(Front)차량' 이 된다.

차로변경시점 확인부(220)는 감지부(100)에서 감지된 주행정보 및 차로변경 가능공간에 기초하여 차로변경시점(TLCP)을 산출하고, 대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달하였는지 여부를 확인한다. 전술한 바 있듯이, 차로변경시점(TLCP)은 대상차량이 차로변경을 수행하는 시작지점으로서, 차로변경을 위한 주변차량 즉, 리드(Lead)차량, 래그(Lag)차량, 및 프론트(Front)차량과의 차간거리가 확보되고, 주변차량과의 속도편차가 크지 않아 안정성이 보장된 지점을 의미한다. 이와 같은 차로변경시점(TLCP)의 산출 방법은 종래의 공지된 기술을 적용할 수 있는 바, 이에 대한 구체적인 내용 설명은 생략하기로 한다.

종방향 제어부(230)는 대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달하지 않은 경우, 대상차량의 종방향 주행 제어를 위한 제어량(이하, '종방향 제어량' 이라 칭함)을 산출한다. 종방향 제어부(230)는 차로변경시점(TLCP)에 도달하기까지, 대상차량의 속도를 가감하기 위한 목표 종가속도를 산출할 수 있다.

종방향 제어부(230)는 산출된 종방향 제어량에 기초하여, 대상차량의 종방향 구동을 제어한다. 종방향 제어부(230)는 산출된 목표 종가속도에 대응하여 대상차량이 가속 또는 감속되도록, 엔진(engine)이나 브레이크(brake)의 구동을 제어할 수 있다.

횡방향 제어부(240)는 대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달한 경우, 대상차량의 횡방향 주행 제어를 위한 제어량(이하, '횡방향 제어량' 이라 칭함)을 산출한다. 횡방향 제어부(240)는 차로변경시점(TLCP)에 도달 시, 차로변경을 위한 대상차량의 목표 조향각 및 차로변경궤적(LCP, Lane Change Path)을 산출할 수 있다.

횡방향 제어부(240)는 산출된 횡방향 제어량에 기초하여, 대상차량의 횡방향 구동을 제어한다. 횡방향 제어부(240)는 산출된 목표 조향각 및 차로변경궤적(LCP)에 대응하여 대상차량의 방향 및 위치가 변화되도록, 스티어링 휠(steering wheel)의 구동을 제어할 수 있다.

도 3 내지 도 4(c)는 제어부의 종방향 제어 및 횡방향 제어를 개략적을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 3은 대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달한 경우, 제어부의 종방향 제어 및 횡방향 제어를 개략적으로 설명하기 위한 도면이며, 도 4(a) 내지 도 4(c)는 대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달하지 않은 경우, 제어부의 종방향 제어 및 횡방향 제어를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

먼저 도 3을 참조하면, 현재시간 t에 대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달한 경우로서, 대상차량(10s)은 리드(Lead)차량(10e), 래그(Lag)차량(10a), 및 프론트(Front)차량(10f)과의 차간거리가 확보되고, 속도편차도 크지 않은 상태에 있다.

이 경우, 횡방향 제어부(240)의 횡방향 제어에 의해 바로 차로변경이 이루어지게 된다. 구체적으로, 횡방향 제어부(240)는 대상차량(10s) 및 주변차량(10e, 10a, 10f)의 현재 주행정보에 기초하여, 현재시간 t에 부합하는 목표 조향각 및 차로변경궤적(LCP)을 산출하고, 산출된 목표 조향각 및 차로변경궤적(LCP)을 추종하도록 스티어링 휠의 구동을 제어할 수 있다. 스티어링 휠의 구동 제어에 따라, 대상차량(10s)은 차로변경 가능공간(LCFS)으로 차로변경을 수행하게 된다.

도 4(a) 내지 도 4(c)를 참조하면, 현재시간 t에 목표차로의 차로변경 가능공간(LCFS)은 검출되었으나, 리드(Lead)차량(10e), 래그(Lag)차량(10a), 또는 프론트(Front)차량(10f)과의 차간거리가 확보되지 않았거나 속도편차가 큰 상태에 있는 것으로, 대상차량(10s)이 차로변경시점(TLCP)에 도달하지 않은 경우이다.

이 경우, 먼저 종방향 제어부(240)가 종방향 제어를 통해 대상차량(10s)을 차로변경 가능공간(LCFS)에 도달시키고, 그 다음 횡방향 제어부(240)가 횡방향 제어를 통해 대상차량의 차로변경을 유도하게 된다.

구체적으로, 종방향 제어부(240)는 대상차량(10s) 및 주변차량(10e, 10a, 10f)의 현재 주행정보에 기초하여, 현재시간 t에 부합하는 목표 종가속도를 산출하고, 산출된 종가속도에 따라 대상차량(10s)의 속도가 가속 또는 감속하도록 엔진(engine)이나 브레이크(brake)의 구동을 제어할 수 있다. 대상차량(10s)은 속도의 가감 제어를 통해 리드(Lead)차량(10e), 래그(Lag)차량(10a), 및 프론트(Front)차량(10f)과의 차간거리를 확보하고, 속도편차를 줄일 수 있으며, 소정의 시간(α) 경과 후에는 차로변경시점(TLCP)에 도달할 수 있다.

예를 들어, 도 4(a) 또는 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 대상차량(10s)은 종방향 제어부(240)의 가속 제어를 통해 리드(Lead)차량(10e) 및 프론트(Front)차량(10f)뿐만 아니라 래그(Lag)차량(10a)과의 차간거리도 확보할 수 있으며, 이에 따라 소정의 시간(α)이 경과한 시점(時點) t+α에는 차로변경시점(TLCP)에 도달할 수 있게 된다. 또한, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 대상차량(10s)은 종방향 제어부(240)의 감속 제어를 통해 리드(Lead)차량(10e) 및 래그(Lag)차량(10a)뿐만 아니라 프론트(Front)차량(10f)과의 차간거리도 확보할 수 있으며, 이에 따라 소정의 시간(α)이 경과한 시점(時點) t+α에는 차로변경시점(TLCP)에 도달할 수 있게 된다.

대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달하면, 횡방향 제어부(240)의 횡방향 제어에 의해 차로변경이 이루어지게 된다. 횡방향 제어부(240)는 시간의 흐름에 따라 업데이트된 대상차량(10s) 및 주변차량(10e, 10a, 10f)의 주행정보에 기초하여, 시간 t+α에 부합하는 목표 조향각 및 차로변경궤적(LCP)을 산출하고, 산출된 목표 조향각 및 차로변경궤적(LCP)을 추종하도록 스티어링 휠의 구동을 제어할 수 있다. 스티어링 휠의 구동 제어에 따라, 대상차량(10s)은 차로변경 가능공간(LCFS)으로 차로변경을 수행하게 된다.

도 5는 종방향 제어부의 일 실시예에 따른 블록도이다.

도 5를 참조하면, 종방향 제어부(230)는 설정기반 가속도 산출부(231), 주변차량기반 가속도 산출부(232), 목표 가속도 산출부(233), 및 종방향 구동 제어부(234)를 포함할 수 있다.

설정기반 가속도 산출부(231)는 대상차량이 설정속도(desired speed)로 주행하도록 하는 요구가속도를 산출할 수 있다. 이 때, 설정속도는 대상차량의 차로변경 전에 미리 설정되어 있는 것으로 하며, 후술될 저장부(300)에 저장되어 있는 것으로 한다. 또한, 설정속도에 기반한 요구가속도를 이하 '제 1요구가속도' 라 칭하기로 한다.

설정기반 가속도 산출부(231)는 하기의 [수학식 1]과 같은 비례적분 (PI ,Proportional-Integral)을 이용하여 제 1요구가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 1]

여기서,

는 제 1요구가속도,

,

는 비례, 적분게인,

는 설정속도,

는 대상차량의 실시간 속도를 각각 의미한다.

주변차량기반 가속도 산출부(232)는 대상차량이 주변차량과의 차간거리를 확보하며 주행하도록 하는 요구가속도를 산출할 수 있다. 이와 같이, 주변차량의 주행상태에 기반한 요구가속도를 이하 '제 2요구가속도' 라 칭하기로 한다. 제 2요구가속도는 주변차량의 수(數)에 대응하여 단일 또는 복수개로 구성될 수 있다. 예를 들어, 주변차량이 리드(Lead)차량, 래그(Lag)차량, 및 프론트(Front)차량으로 구성되는 경우에는, 3개의 제 2요구가속도 즉, 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도, 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도, 및 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도가 구성될 수 있다.

도 6은 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도의 산출을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 프론트(Front)차량(10f)과의 관계에서 요구되는 차간거리를 '제 1차간거리(

)' 로 정의할 때, 제 1차간거리(

)는 하기의 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

여기서,

는 제 1차간거리,

는 프론트(Front)차량의 길이,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

또한, 프론트(Front)차량(10f)과 대상차량(10s)의 실제 차간거리와 요구되는 제 1차간거리 사이의 오차

는 하기의 [수학식 3]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

여기서,

는 프론트(Front)차량과의 차간거리오차,

는 프론트(Front)차량과 대상차량의 실제 차간거리,

는 제 1차간거리,

는 차두거리에서 프론트(Front)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

주변차량기반 가속도 산출부(232)는 상술한 [수학식 2] 및 [수학식 3]을 이용하여, 하기의 [수학식 4]와 같이 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 4]

여기서,

는 제 1차간거리,

는 차두거리에서 프론트(Front)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 프론트(Front)차량의 속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수, λ는 상수를 각각 의미한다.

또한, 주변차량기반 가속도 산출부(232)는 상술한 [수학식 2] 및 [수학식 3]과, 하기의 [수학식 5] 및 [수학식 6]을 이용하여, 하기의 [수학식 7]과 같은 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수도 있다.

[수학식 2] 및 [수학식 3]로부터 하기의 [수학식 5]가 전개될 수 있으며, 하기의 [수학식 6]과 같은 LQR(Linear Quadratic Regulator) 최적화 기법을 적용하여 [수학식 5]는 하기의 [수학식 7]과 같이 표현될 수 있다. 주변차량기반 가속도 산출부(232)는 하기의 [수학식 7]과 같은 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 5]

여기서,

는 프론트(Front)차량과의 차간거리오차,

는 프론트(Front)차량의 속도,

는 프론트(Front)차량의 가속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

[수학식 6]

[수학식 7]

여기서,

는 프론트(Front)차량과의 차간거리오차,

는 프론트(Front)차량의 속도,

는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),

는 상수를 각각 의미한다.

주변차량기반 가속도 산출부(232)는 상술한 [수학식 4]를 이용하거나 [수학식 7]을 이용하여, 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

도 7은 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도의 산출을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 리드(Lead)차량(10e)과의 관계에서 요구되는 차간거리를 '제 2차간거리(

)' 로 정의할 때, 제 2차간거리(

)는 하기의 [수학식 8]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 8]

여기서,

는 제 2차간거리,

는 리드(Lead)차량의 길이,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

또한, 리드(Lead)차량(10e)과 대상차량(10s)의 실제 차간거리와 요구되는 제 2차간거리 사이의 오차

는 하기의 [수학식 9]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 9]

여기서,

는 리드(Lead)차량과의 차간거리오차,

는 리드(Lead)차량과 대상차량의 실제 차간거리,

는 제 2차간거리,

는 차두거리에서 리드(Lead)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

주변차량기반 가속도 산출부(232)는 상술한 [수학식 8] 및 [수학식 9]를 이용하여, 하기의 [수학식 10]와 같이 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 10]

여기서,

는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 제 2차간거리,

는 차두거리에서 리드(Lead)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 리드(Lead)차량의 속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수, λ는 상수를 각각 의미한다.

또한, 주변차량기반 가속도 산출부(232)는 상술한 [수학식 8] 및 [수학식 9]와, 하기의 [수학식 11] 및 [수학식 12]를 이용하여, 하기의 [수학식 13]과 같은 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수도 있다.

[수학식 8] 및 [수학식 9]로부터 하기의 [수학식 11]가 전개될 수 있으며, 하기의 [수학식 12]와 같은 LQR(Linear Quadratic Regulator) 최적화 기법을 적용하여 [수학식 11]은 하기의 [수학식 13]과 같이 표현될 수 있다. 주변차량기반 가속도 산출부(232)는 하기의 [수학식 13]과 같은 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 11]

여기서,

는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 리드(Lead)차량과의 차간거리오차,

는 리드(Lead)차량의 속도,

는 리드(Lead)차량의 가속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

[수학식 12]

[수학식 13]

여기서,

는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 리드(Lead)차량과의 차간거리오차,

는 리드(Lead)차량의 속도,

는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),

는 상수를 각각 의미한다.

주변차량기반 가속도 산출부(232)는 상술한 [수학식 10]을 이용하거나 [수학식 13]을 이용하여, 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

도 8은 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도의 산출을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 래그(Lag)차량(10a)과의 관계에서 요구되는 차간거리를 '제 3차간거리(

)' 로 정의할 때, 제 3차간거리(

)는 하기의 [수학식 14]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 14]

여기서,

는 제 3차간거리,

는 래그(Lag)차량의 길이,

는 래그(Lag)차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

또한, 래그(Lag)차량(10a)과 대상차량(10s)의 실제 차간거리와 요구되는 제 2차간거리 사이의 오차

는 하기의 [수학식 9]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 15]

여기서,

는 래그(Lag)차량과의 차간거리오차,

는 래그(Lag)차량과 대상차량의 실제 차간거리,

는 제 3차간거리,

는 차두거리에서 래그(Lag)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 래그(Lag)차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

주변차량기반 가속도 산출부(232)는 상술한 [수학식 14] 및 [수학식 15]를 이용하여, 하기의 [수학식 16]와 같이 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 16]

여기서,

는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 제 3차간거리,

는 차두거리에서 래그(Lag)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 래그(Lag)차량의 속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수, λ는 상수를 각각 의미한다.

또한, 주변차량기반 가속도 산출부(232)는 상술한 [수학식 14] 및 [수학식 15]와, 하기의 [수학식 17] 및 [수학식 18]를 이용하여, 하기의 [수학식 19]과 같은 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수도 있다.

[수학식 14] 및 [수학식 15]로부터 하기의 [수학식 17]이 전개될 수 있으며, 하기의 [수학식 18]와 같은 LQR(Linear Quadratic Regulator) 최적화 기법을 적용하여 [수학식 17]은 하기의 [수학식 19]와 같이 표현될 수 있다. 주변차량기반 가속도 산출부(232)는 하기의 [수학식 19]과 같은 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 17]

여기서,

는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 래그(Lag)차량과의 차간거리오차,

는 래그(Lag)차량의 속도,

는 래그(Lag)차량의 가속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

[수학식 18]

[수학식 19]

삭제

여기서,

는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 래그(Lag)차량과의 차간거리오차,

는 래그(Lag)차량의 속도,

는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),

는 상수를 각각 의미한다.

주변차량기반 가속도 산출부(232)는 상술한 [수학식 10]을 이용하거나 [수학식 13]을 이용하여, 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

상술한 바와 같이, 주변차량기반 가속도 산출부(232)는 프론트(Front), 리드(Lead), 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

,

, 및

을 각각 산출할 수 있다.

목표 가속도 산출부(233)는 주변상황에 대응하여 대상차량이 목표로 하는 목표 종가속도를 산출한다. 목표 가속도 산출부(233)는 1차적으로 대상차량과 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 목표 종가속도(이하 '제 1목표 종가속도' 라 칭함)를 산출하고, 2차적으로 대상차량과 프론트(Front)차량과의 관계에서 목표 종가속도(이하 '제 2목표 종가속도' 라 칭함)를 산출하고, 3차적으로 가속과 감속이 분리된 최종 목표 종가속도를 산출한다.

목표 가속도 산출부(233)는 1차적으로 대상차량과 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 차로변경시점(TLCP)에 도달하기 위한 또는 설정속도를 유지하기 위한 제 1목표 종가속도를 산출할 수 있다. 목표 가속도 산출부(233)는 제 1요구가속도와 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

및

을 이용하여 제 1목표 종가속도를 산출할 수 있다. 목표 가속도 산출부(233)는 하기의 [수학식 20]을 이용하여 제 1목표 종가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 20]

여기서,

는 제 1목표 종가속도,

는 제 1요구가속도,

및

[수학식 20]을 참조하면, 목표 가속도 산출부(233)는 대상차량이 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량 모두와 멀리 떨어져있는 경우에는, 현재의 설정속도를 유지하며 차로변경이 이루어지도록, 그리고 대상차량이 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량 모두와 근접해있는 경우에는, 차로변경이 불가하여 현재의 설정속도를 유지하며 차로변경 가능공간(LCPS)를 검출하도록, 제 1목표 종가속도

를

로 산출할 수 있다. 목표 가속도 산출부(233)는 대상차량이 래그(Lag)차량과는 멀리 떨어져있는만 리드(Lead)차량과 근접한 경우, 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2차간거리(

)를 확보하며 차로변경 가능공간(LCPS)를 검출하도록, 제 1목표 종가속도

를

로 산출할 수 있다. 또한, 목표 가속도 산출부(233)는 대상차량이 리드(Lead)차량과는 멀리 떨어져있는만 래그(Lag)차량과 근접한 경우, 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 3차간거리(

를

로 산출할 수 있다.

목표 가속도 산출부(233)는 2차적으로 대상차량과 프론트(Front)차량과의 관계에서 차로변경시점(TLCP)에 도달하기 위한 또는 설정속도를 유지하기 위한 제 2목표 종가속도를 산출할 수 있다. 목표 가속도 산출부(233)는 제 1목표 종가속도와 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

을 이용하여 제 2목표 종가속도를 산출할 수 있다. 목표 가속도 산출부(233)는 하기의 [수학식 21]을 이용하여 제 2목표 종가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 21]

여기서,

는 제 2목표 종가속도,

는 제 1목표 종가속도,

[수학식 21]을 참조하면, 목표 가속도 산출부(233)는 대상차량이 프론트(Front)차량과 멀리 떨어져있어 있는 경우 즉, 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 1차간거리(

)가 확보된 경우에는, 제 2목표 종가속도

를 제 1목표 종가속도와 동일하게

로 설정할 수 있다. 반면, 목표 가속도 산출부(233)는 대상차량이 프론트(Front)차량과 근접한 경우, 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 1차간거리(

)가 확보하며 차로변경 가능공간(LCPS)를 검출하도록, 제 2목표 종가속도

를

로 설정할 수 있다.

목표 가속도 산출부(233)는 3차적으로 가속과 감속이 분리된 최종 목표 종가속도

(

또는

)를 산출할 수 있다. 목표 가속도 산출부(233)는 하기의 [수학식 22]을 이용하여 최종 목표 종가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 22]

여기서,

는 엔진의 구동을 위한 목표 종가속도,

는 브레이크의 구동을 위한 목표 종가속도,

는 제 2목표 종가속도를 각각 의미한다.

[수학식 22]을 참조하면, 목표 가속도 산출부(233)는 제 2목표 종가속도(

)가 양수인 경우, 대상차량의 엔진을 구동시켜 가속되도록 목표 종가속도

를 엔진의 구동을 위한

로 설정하고, 제 2목표 종가속도(

)가 음수인 경우, 대상차량의 엔진을 구동시켜 가속되도록 목표 종가속도

를 브레이크의 구동을 위한

로 설정할 수 있다.

종방향 구동 제어부(234)는 산출된 목표 종가속도에 대응하여 대상차량이 가속 또는 감속되도록, 엔진(engine)이나 브레이크(brake)의 구동을 제어할 수 있다. 산출된 목표 종가속도

가

인 경우에는, 종방향 구동 제어부(234)는

에 대응하여 대상차량이 가속되도록 엔진의 구동을 제어할 수 있다. 또한, 산출된 목표 종가속도

가

인 경우에는, 종방향 구동 제어부(234)는

에 대응하여 대상차량이 감속되도록 브레이크의 구동을 제어할 수 있다.

도 9는 횡방향 제어부의 일 실시예에 따른 블록도이다.

도 9를 참조하면, 횡방향 제어부(230)는 조향각 산출부(241), 차로변경궤적 산출부(242), 횡방향 구동 제어부(242)를 포함할 수 있다.

조향각 산출부(241)는 차로변경시점(TLCP)에, 차로변경을 위해 대상차량이 목표로 하는 목표 조향각을 산출한다.

조향각 산출부(241)는 예를 들어, ED(Error Dynamics) 모델, 및 극점-위치 방법(Pole Placement method) 등을 이용하여 목표 조향각을 산출할 수 있다. 예를 들어, 조향각 산출부(241)는 하기의 [수학식 23]을 이용하여 목표 조향각

를 산출할 수 있다.

[수학식 23]

여기서,

는 목표 조향각, G는 극점-위치 게인, (

,

)는 횡방향 에러상태 벡터, (

,

)는 요구 에러상태 벡터,

및

는 대상차량이 차로의 중심으로부터 y축으로 떨어진 거리 및 요구되는 거리,

및

는 차로와 대상차량의 진행방향이 이루는 각도 및 요구되는 각도를 각각 의미한다.

다만, 상술한 예들에 한정되는 것은 아니며, 조향각 산출부(241)는 공지된 임의의 다른 방법을 이용하여 목표 조향각을 산출할 수도 있음은 물론이다.

차로변경궤적 산출부(242)는 대상차량이 차로변경할 차로변경궤적(LCP)를 산출할 수 있다.

차로변경궤적 산출부(242)는 예를 들어, 하기의 [수학식 24]를 이용하여 차로변경궤적(LCP) y(x)를 산출할 수 있다.

[수학식 24]

여기서, y(x)는 차로변경궤적(LCP),

및

는 차로변경하는데 이동하는 총 종방향 거리 및 횡방향 거리,

는 대상차량의 속도,

는 상수계수를 각각 의미한다.

도 10은 시간에 따른 차로변경궤적을 예시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 차로변경궤적 산출부(242)는 차로변경궤적을 시간에 따른 횡방향 위치변화로 산출할 수 있다. 차로변경궤적 산출부(242)는 시간의 흐름에 따라 업데이트되는 대상차량 및 주변차량의 주행정보에 기초하여, 현재시간에 부합하는 차로변경궤적(LCP)을 주기적으로 업데이트할 수 있다. 대상차량은 차로변경궤적(LCP)에 대응하여 6초 내지 12초 사이에 차로변경을 수행할 수 있으며, 12초 이후에는 차로변경을 완료하여 목표차로에서 횡방향 위치변화 없이 주행을 수행할 수 있다.

횡방향 구동 제어부(243)는 산출된 목표 조향각 및 차로변경궤적(LCP)을 추종하도록 스티어링 휠의 구동을 제어할 수 있다. 횡방향 구동 제어부(243)는 산출된 목표 조향각 및 차로변경궤적에 대응하여 대상차량의 방향 및 위치가 변화되도록, 스티어링 휠(steering wheel)의 구동을 제어할 수 있다. 스티어링 휠의 구동 제어에 따라, 대상차량은 차로변경 가능공간(LCFS)으로 차로변경을 수행하게 된다.

다시 도 1을 참조하면, 저장부(300)는 대상차량의 조작을 위한 데이터나 알고리즘을 저장할 수 있다.

예를 들어, 저장부(300)는 감지부(100)를 통해 획득한 대상차량 및 주변차량의 주행정보를 저장할 수 있다. 저장부(300)는 감지부(100)를 통해 주기적으로 업데이트되는 대상차량 및 주변차량의 주행정보를 저장할 수 있다. 저장부(300)는 기설정된 설정속도를 저장할 수 있다. 저장부(300)는 차로변경공간 검출부(210)를 통해 검출된 차로변경 가능공간(LCFS)의 정보를 저장할 수 있다. 저장부(300)는 차로변경시점 확인부(220)를 통해 산출된 차로변경시점(TLCP)을 저장할 수 있다. 저장부(300)는 종방향 제어부(230)에서 산출되거나 업데이트되는 종방향 제어량 예를 들어, 설정속도에 기반한 제 1요구가속도, 주변차량의 주행상태에 기반한 제 2요구가속도, 및 목표 종가속도 등을 저장할 수 있다. 저장부(300)는 횡방향 제어부(240)에서 산출되거나 업데이트되는 횡방향 제어량 예를 들어, 목표 조향각, 및 차로변경궤적 등을 저장할 수 있다.

또한, 저장부(300)는 차로변경 가능공간(LCFS)을 검출하기 위한 알고리즘, 차로변경시점(TLCP)를 산출 및 확인하기 위한 알고리즘, 종방향 제어량 및 횡방향 제어량을 산출하거나 업데이트하기 위한 알고리즘 등을 저장할 수도 있다.

이와 같은 지도정보 저장부(160)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory: RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 형태로 구현될 수도 있다.

이상으로 차로변경을 보조하는 차량 제어 시스템을 예시된 블럭도를 바탕으로 설명하였으며, 이하에서는 주어진 흐름도를 참조하여 차량 제어 방법을 살펴보기로 한다. 이 때, 동일하거나 대응되는 과정의 설명은 생략하는 것으로 한다.

도 11은 차량 제어 방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.

도 11을 참조하면, 먼저 제어부(200)는 차로변경 가능공간을 검출한다(410). 제어부(200)는 감지부(100)에서 감지된 대상차량 및 주변차량의 주행정보에 기초하여, 목표차로 상에서 차로변경 가능공간(LCFS)을 검출할 수 있다.

그 다음, 제어부(200)는 대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달하였는지 여부를 판단한다(420).

차로변경시점(TLCP)에 도달하지 않은 경우, 제어부(200)는 대상차량의 종방향 제어량을 산출한다(430). 종방향 제어량 산출에 대해서는, 도 12를 참조하여 더욱 구체적으로 상술하기로 한다.

도 12는 종방향 제어량 산출방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.

도 12를 참조하면, 제어부(200)는 설정속도에 기반한 제 1요구가속도를 산출한다(431). 즉, 제어부(200)는 대상차량이 설정속도로 주행하기 위해 대상차량에 요구되는 요구가속도 즉, 제 1요구가속도를 산출할 수 있다.

제어부(200)는 하기의 [수학식 1]과 같은 비례적분 (PI ,Proportional-Integral)을 이용하여 제 1요구가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 1]

여기서,

는 제 1요구가속도,

,

는 비례, 적분게인,

는 설정속도,

는 대상차량의 실시간 속도를 각각 의미한다.

제어부(200)는 주변차량의 주행정보에 기반한 제 2요구가속도를 산출한다(432). 즉, 제어부(200)는 대상차량이 주변차량과의 차간거리를 확보하면 주행하기 위해 대상차량에 요구되는 요구가속도 즉, 제 2요구가속도를 산출할 수 있다.

이 때, 제 2요구가속도는 주변차량의 수(數)에 대응하여 단일 또는 복수개로 구성될 수 있다. 예를 들어, 주변차량이 리드(Lead)차량, 래그(Lag)차량, 및 프론트(Front)차량으로 구성되는 경우에는, 제어부(200)는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도, 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도, 및 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도를 각각 산출할 수 있다.

제어부(200)는 하기의 [수학식 4]를 이용하여, 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 4]

여기서,

는 제 1차간거리,

는 차두거리에서 프론트(Front)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 프론트(Front)차량의 속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

또한, 제어부(200)는 하기의 [수학식 7]을 이용하여, 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수도 있다.

[수학식 7]

여기서,

는 프론트(Front)차량과의 차간거리오차,

는 프론트(Front)차량의 속도,

는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),

는 상수를 각각 의미한다.

또한, 제어부(200)는 하기의 [수학식 10]을 이용하여, 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 10]

여기서,

는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 제 2차간거리,

는 차두거리에서 리드(Lead)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 리드(Lead)차량의 속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

또한, 제어부(200)는 하기의 [수학식 13]을 이용하여, 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수도 있다.

[수학식 13]

여기서,

는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 리드(Lead)차량과의 차간거리오차,

는 리드(Lead)차량의 속도,

는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),

는 상수를 각각 의미한다.

또한, 제어부(200)는 하기의 [수학식 16]을 이용하여, 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수 있다.

[수학식 16]

여기서,

는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 제 3차간거리,

는 차두거리에서 래그(Lag)차량의 길이

를 제외한 차간거리,

는 래그(Lag)차량의 속도,

는 대상차량의 속도,

는 상수를 각각 의미한다.

또한, 제어부(200)는 하기의 [수학식 19]를 이용하여, 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

를 산출할 수도 있다.

[수학식 19]

여기서,

는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,

는 래그(Lag)차량과의 차간거리오차,

는 래그(Lag)차량의 속도,

는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),

는 상수를 각각 의미한다.

상술한 바와 같이, 제어부(200)는 주변차량 즉, 프론트(Front), 리드(Lead), 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

,

, 및

을 각각 산출할 수 있다.

제 1요구가속도 및 제 2요구가속도가 산출되면, 제어부(200)는 주변상황에 대응하여 대상차량이 목표로 하는 목표 종가속도를 산출한다(433).

제어부(200)는 1차적으로 대상차량과 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 목표로 하는 제 1목표 종가속도를 산출하고, 2차적으로 대상차량과 프론트(Front)차량과의 관계에서 목표로 하는 제 2목표 종가속도를 산출하고, 3차적으로 가속과 감속이 분리된 최종 목표 종가속도를 산출할 수 있다.

제어부(200)는 1차적으로 대상차량과 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 차로변경시점(TLCP)에 도달하기 위한 또는 설정속도를 유지하기 위한 제 1목표 종가속도를 산출할 수 있다. 제어부(200)는 제 1요구가속도와 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

및

을 이용하여 제 1목표 종가속도를 산출할 수 있다. 제어부(200)는 하기의 [수학식 20]을 이용하여 제 1목표 종가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 20]

여기서,

는 제 1목표 종가속도,

는 제 1요구가속도,

및

제어부(200)는 2차적으로 대상차량과 프론트(Front)차량과의 관계에서 차로변경시점(TLCP)에 도달하기 위한 또는 설정속도를 유지하기 위한 제 2목표 종가속도를 산출할 수 있다. 제어부(200)는 제 1목표 종가속도와 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도

을 이용하여 제 2목표 종가속도를 산출할 수 있다. 제어부(200)는 하기의 [수학식 21]을 이용하여 제 2목표 종가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 21]

여기서,

는 제 2목표 종가속도,

는 제 1목표 종가속도,

제어부(200)는 3차적으로 가속과 감속이 분리된 최종 목표 종가속도

(

또는

)를 산출할 수 있다. 제어부(200)는 하기의 [수학식 22]을 이용하여 최종 목표 종가속도를 산출할 수 있다.

[수학식 22]

여기서,

는 엔진의 구동을 위한 목표 종가속도,

는 브레이크의 구동을 위한 목표 종가속도,

는 제 2목표 종가속도를 각각 의미한다.

한편, 도 12에서는 431과정에서 제 1요구가속도를 산출한 후, 432과정에서 제 2요구가속도를 산출하는 것으로 예시하였으나, 도 12의 예시와 달리 제 2요구가속도 산출 후 제 1요구가속도를 산출하는 것도 가능할 것이다.

다시 도 11을 참조하면, 430의 과정을 통해 종방향 제어량을 산출한 후, 제어부(200)는 산출된 종방향 제어량에 기초하여 대상차량의 종방향 구동을 제어한다(440).

제어부(200)는 산출된 목표 종가속도에 대응하여 대상차량이 가속 또는 감속되도록, 엔진(engine)이나 브레이크(brake)의 구동을 제어할 수 있다. 산출된 목표 종가속도

가

인 경우에는, 제어부(200)는

가

인 경우에는, 제어부(200)는

종방향 구동 후, 다시 420과정으로 되돌아가게 된다. 즉, 제어부(200)는 대상차량이 종방향 구동을 통해 차로변경시점(TLCP)에 도달하였는지 여부를 다시 판단하게 된다(420).

한편, 상술한 420과정의 판단에서, 대상차량이 차로변경시점(TLCP)에 도달한 경우, 제어부(200)는 대상차량의 횡방향 제어량을 산출한다(450). 횡방향 제어량 산출에 대해서는, 도 13를 참조하여 더욱 구체적으로 상술하기로 한다.

도 13는 횡방향 제어량 산출방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.

도 13을 참조하면, 제어부(200)는 차로변경을 위해 대상차량이 목표로 하는 목표 조향각을 산출한다(451).

제어부(200)는 예를 들어, ED(Error Dynamics) 모델, 및 극점-위치 방법(Pole Placement method) 등을 이용하여 목표 조향각을 산출할 수 있다. 예를 들어, 제어부(200)는 하기의 [수학식 23]을 이용하여 목표 조향각

를 산출할 수 있다.

[수학식 23]

여기서,

는 목표 조향각, G는 극점-위치 게인, (

,

)는 횡방향 에러상태 벡터, (

,

)는 요구 에러상태 벡터,

및

또한, 제어부(200)는 대상차량이 차로변경할 차로변경궤적(LCP)를 산출한다(452).

제어부(200)는 예를 들어, 하기의 [수학식 24]를 이용하여 차로변경궤적(LCP) y(x)를 산출할 수 있다.

[수학식 24]

여기서, y(x)는 차로변경궤적(LCP),

및

는 대상차량의 속도,

는 상수계수를 각각 의미한다.

도 13에서는 451과정에서 목표 조향각을 산출한 후, 452과정에서 차로변경궤적을 산출하는 것으로 예시하였으나, 도 13의 예시와 달리 차로변경궤적을 산출한 후 목표 조향각을 산출하는 것도 가능할 것이다.

다시 도 11을 참조하면, 450의 과정을 통해 횡방향 제어량을 산출한 후, 제어부(200)는 산출된 횡방향 제어량에 기초하여 대상차량의 횡방향 구동을 제어한다(460).

제어부(200)는 산출된 목표 조향각 및 차로변경궤적(LCP)을 추종하도록 스티어링 휠의 구동을 제어할 수 있다. 제어부(200)는 산출된 목표 조향각 및 차로변경궤적에 대응하여 대상차량의 방향 및 위치가 변화되도록, 스티어링 휠(steering wheel)의 구동을 제어할 수 있다. 스티어링 휠의 구동 제어에 따라, 대상차량은 차로변경 가능공간(LCFS)으로 차로변경을 수행하게 된다.

제어부(200)는 대상차량이 차로변경을 완료하였는지 여부를 판단한다(470).

대상차량이 차로변경 가능공간(LCFS)으로 차로변경을 완료한 경우, 바로 종료단계로 넘어간다. 즉, 대상차량은 차로변경을 완료하여 목표차로에서 횡방향 위치변화 없이 주행을 수행할 수 있다.

차로변경을 완료하지 않은 경우, 450과정으로 되돌아가게 된다. 즉, 제어부(200)는 차로변경 완료를 위해 횡방향 제어를 다시 수행하게 된다.

상술한 차량 제어 시스템 및 방법에 의하면, 차로변경을 보조·지원할 수 있다. 또한, 차료변경 시, 종방향 및 횡방향 자동 제어를 동시에 수행할 수 있다. 또한, 주변차량, 도로, 장애물 등에 의한 가변적 주행환경을 실시간으로 감지하여 반영함으로써, 제어대상 차량뿐만 아니라 주변 차량의 주행 안정성 및 안전성을 확보할 수 있다.

이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 차량 제어 시스템 및 방법의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 차량 제어 시스템
100: 감지부 200: 제어부
210 : 차로변경공간 검출부 220 : 차로변경시점 확인부
230 : 종방향 제어부 231 : 설정기반 가속도 산출부
232 : 주변차량기반 가속도 산출부 233 : 목표 가속도 산출부
234 : 종방향 구동 제어부 240 : 횡방향 제어부
241 : 조향각 산출부 242 : 차로변경궤적 산출부
243 : 횡방향 구동 제어부 300 : 저장부

Claims

대상차량 및 주변차량의 주행정보에 기초하여, 차로변경 가능공간(LCFS, Lane Change Feasible Space)을 검출하는 차로변경공간 검출부;
상기 대상차량이 차로변경시점(TLCP, Target Lane Change Point)에 도달하였는지 여부를 확인하는 차로변경시점 확인부;
상기 대상차량이 상기 차로변경시점에 도달하지 않은 경우, 상기 주행정보에 기초하여 종방향 제어량을 산출하고, 상기 종방향 제어량에 기초하여 상기 대상차량의 종방향 주행을 제어하는 종방향 제어부; 및
상기 대상차량이 상기 차로변경시점에 도달한 경우, 상기 차로변경 가능공간으로 차로변경이 이루어지도록 상기 대상차량의 횡방향 주행을 제어하는 횡방향 제어부를 포함하되,
상기 종방향 제어량은, 상기 차로변경시점에 도달하기 위한 상기 대상차량의 목표 종가속도를 포함하고,
상기 종방향 제어부는, 상기 차로변경 가능공간(LCFS)의 전방에 위치한 리드(Lead)차량 및 차로변경 가능공간(LCFS)의 후방에 위치한 래그(Lag)차량과의 관계에서 제 1목표 종가속도를 산출하고, 상기 제 1목표 종가속도를 이용하여 상기 대상차량이 주행하는 차로의 전방에 위치한 프론트(Front)차량과의 관계에서 제 2목표 종가속도를 산출하며, 상기 제 2목표 종가속도의 감가속을 분리하여 상기 대상차량의 목표 종가속도를 산출하는 차량 제어 시스템.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
상기 대상차량의 설정속도에 의해 상기 대상차량에 요구되는 제 1요구가속도를 산출하는 차량 제어 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
하기의 [수학식 1]과 같은 비례적분 (PI, Proportional-Integral)을 이용하여, 상기 제 1요구가속도를 산출하는 차량 제어 시스템.

[수학식 1]

여기서,
는 제 1요구가속도,
,
는 비례, 적분게인,
는 설정속도,
는 대상차량의 실시간 속도를 각각 의미한다.
제 4 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
상기 주변차량의 주행상태에 의해 상기 대상차량에 요구되는 제 2요구가속도를 산출하는 차량 제어 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 제 2요구가속도는,
리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도, 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도, 및 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도 중 적어도 하나를 포함하는 차량 제어 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
하기의 [수학식 4]를 이용하여, 상기 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도
를 산출하는 차량 제어 시스템.

[수학식 4]

여기서,
는 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,
는 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 차간거리,
는 차두거리에서 프론트(Front)차량의 길이
를 제외한 차간거리,
는 프론트(Front)차량의 속도,
는 대상차량의 속도,
는 상수, λ는 상수를 각각 의미한다.
제 7 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
하기의 [수학식 7]을 이용하여, 상기 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도
를 산출하는 차량 제어 시스템.

[수학식 7]

여기서,
는 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,
는 프론트(Front)차량과의 차간거리오차,
는 프론트(Front)차량의 속도,
는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),
는 상수를 각각 의미한다.
제 7 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
하기의 [수학식 10]을 이용하여, 상기 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도
를 산출하는 차량 제어 시스템.

[수학식 10]

여기서,
는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,
는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 차간거리,
는 차두거리에서 리드(Lead)차량의 길이
를 제외한 차간거리,
는 리드(Lead)차량의 속도,
는 대상차량의 속도,
는 상수, λ는 상수를 각각 의미한다.
제 7 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
하기의 [수학식 13]을 이용하여, 상기 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도
를 산출하는 차량 제어 시스템.

[수학식 13]

여기서,
는 리드(Lead)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,
는 리드(Lead)차량과의 차간거리오차,
는 리드(Lead)차량의 속도,
는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),
는 상수를 각각 의미한다.
제 7 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
하기의 [수학식 16]을 이용하여, 상기 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도
를 산출하는 차량 제어 시스템.

[수학식 16]

여기서,
는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,
는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 차간거리,
는 차두거리에서 래그(Lag)차량의 길이
를 제외한 차간거리,
는 래그(Lag)차량의 속도,
는 대상차량의 속도,
는 상수, λ는 상수를 각각 의미한다.
제 7 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
하기의 [수학식 19]를 이용하여, 상기 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도
를 산출하는 차량 제어 시스템.

[수학식 19]

여기서,
는 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,
는 래그(Lag)차량과의 차간거리오차,
는 래그(Lag)차량의 속도,
는 대상차량의 속도, R, P는 LQR 최적화 기법의 행렬(matrix),
는 상수를 각각 의미한다.
제 6 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
상기 제 1요구가속도 및 상기 제 2요구가속도를 이용하여, 상기 목표 종가속도를 산출하는 차량 제어 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
하기의 [수학식 20]을 이용하여, 상기 제 1목표 종가속도를 산출하는 차량 제어 시스템.

[수학식 20]

여기서,
는 제 1목표 종가속도,
는 제 1요구가속도,
및
는 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,
및
는 리드(Lead) 및 래그(Lag)차량과의 차간거리오차, T는 상수를 각각 의미한다.
제 1 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
하기의 [수학식 21]을 이용하여, 상기 제 2목표 종가속도를 산출하는 차량 제어 시스템.

[수학식 21]

여기서,
는 제 2목표 종가속도,
는 제 1목표 종가속도,
는 프론트(Front)차량과의 관계에서 요구되는 제 2요구가속도,
는 프론트(Front)차량과의 차간거리오차, T는 상수를 각각 의미한다.
제 1 항에 있어서,
상기 종방향 제어부는,
하기의 [수학식 22]을 이용하여, 상기 목표 종가속도를 산출하는 차량 제어 시스템.

[수학식 22]

여기서,
는 엔진의 구동을 위한 목표 종가속도,
는 브레이크의 구동을 위한 목표 종가속도,
는 제 2목표 종가속도를 각각 의미한다.
제 1 항에 있어서,
상기 횡방향 제어부는,
상기 주행정보에 기초하여 횡방향 제어량을 산출하고, 상기 횡방향 제어량에 기초하여 상기 대상차량의 횡방향 구동을 제어하는 차량 제어 시스템.
제 19 항에 있어서,
상기 횡방향 제어량은,
상기 차로변경을 위한 상기 대상차량의 목표 조향각 또는 차로변경궤적(LCP, Lane Change Path)을 포함하는 차량 제어 시스템.
차량 제어 시스템의 차량 제어 방법에 있어서,
대상차량 및 주변차량의 주행정보에 기초하여, 차로변경 가능공간(LCFS, Lane Change Feasible Space)을 검출하고;
상기 대상차량이 차로변경시점(TLCP, Target Lane Change Point)에 도달하였는지 여부를 확인하고;
상기 대상차량이 상기 차로변경시점에 도달하지 않은 경우, 상기 주행정보에 기초하여 종방향 제어량을 산출하고, 상기 종방향 제어량에 기초하여 상기 대상차량의 종방향 주행을 제어하고; 및
상기 대상차량이 상기 차로변경시점에 도달한 경우, 상기 차로변경 가능공간으로 차로변경이 이루어지도록 상기 대상차량의 횡방향 주행을 제어하되,
상기 종방향 제어량은, 상기 차로변경시점에 도달하기 위한 상기 대상차량의 목표 종가속도를 포함하고,
상기 목표 종가속도는 제 1목표 종가속도를 이용하여 상기 대상차량이 주행하는 차로의 전방에 위치한 프론트(Front)차량과의 관계에서 산출된 제 2목표 종가속도의 감가속을 분리하여 산출되고,
상기 제 1목표 종가속도는 상기 차로변경 가능공간(LCFS)의 전방에 위치한 리드(Lead)차량 및 차로변경 가능공간(LCFS)의 후방에 위치한 래그(Lag)차량과의 관계에서 산출된 것을 특징으로 하는 차량 제어 방법.