KR101950176B1

KR101950176B1 - 차량의 충돌 회피 제어방법

Info

Publication number: KR101950176B1
Application number: KR1020160154469A
Authority: KR
Inventors: 박기홍; 인진성
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2019-02-20
Also published as: KR20180056323A

Abstract

본 발명은 충돌 회피 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 차속과 조향각에 따라 편제동과 MDPS 개입량을 다르게 제어하여 차선 변경 상황에서의 충돌회피 강인성을 확보하는 충돌 회피 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 차량의 충돌 회피 제어방법은 차량에 장착된 센서 모듈을 통해 센서 중심점으로부터 각 차선까지의 거리 및 상기 차량의 속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 차선까지의 거리를 이용하여 차량을 직사각형 모델로 간주한 후 차선 변경까지의 거리를 계산하는 단계; 상기 계산된 차선 변경까지의 거리가 기설정된 기준값 미만이고, 차량의 횡방향 속도가 기설정된 속도 이상이면 차선변경을 예측하는 단계; 상기 차선 변경까지의 거리 및 차량의 횡방향 속도에 의해 차선변경이 예측되면, 상기 센서 모듈을 통해 주변차량과의 상대거리 및 상대속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 상대거리 및 상대속도를 이용하여 충돌예정시간을 계산하여 기설정된 기준값 미만이면 충돌을 예측하는 단계; 상기 계산된 충돌예정시간에 의해 충돌이 예측되면, 차량의 속도와 조향각에 따라 목표 요레이트 및 요구 미끄럼각을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 목표 요레이트 및 요구 미끄럼각에 따라 편제동 및 전동식 파워 스티어링 개입량을 조절하여 횡방향 회피를 수행하는 단계; 를 포함한다.

Description

차량의 충돌 회피 제어방법{COLLISION AVOIDANCE METHOD FOR VEHICLES}

본 발명은 차량의 충돌 회피 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 차속과 조향각에 따라 편제동과 MDPS 개입량을 다르게 제어하여 차선 변경 상황에서의 충돌회피 강인성을 확보하는 충돌 회피 제어방법에 관한 것이다.

최근 차량의 안정성 및 편의성을 위한 시스템이 많이 개발되고 있는 추세이다. 그 중 횡방향 안전 시스템에는 BSD, LCA시스템을 예로 들 수 있다. BSD의 경우 운전자 차선 변경 시 사각지대에 차량이 있는지를 검출하여 운전자에게 경고하는 시스템이며 LCA의 경우 옆 차선에 주행 중인 차량의 거동을 파악하여 충돌위험이 있다면 운전자에게 경고해주는 시스템이다. 그러나 BSD/LCA의 기능은 운전자에게 단순히 경고만 해주는 시스템이므로 운전자가 회피동작을 수행하지 않을 경우 실제 충돌로 이어질 수 있다.

2011년 미국도로교통안전청(NHTSA)에서 발표한 사고통계 결과에 따르면 전체 충돌사고 유형 중 차선변경으로 인한 사고비율이 9%에 이르는 것으로 알려졌다. 또한 차선변경을 통한 횡방향 충돌은 2차 및 다중 충돌 상황으로 이어질 수 있어 위험성이 크다고 할 수 있다.

이를 개선하기 위해 차선 변경 시 충돌이 발생한다고 판단되면 차량이 제어권을 가지고 회피를 수행하는 시스템에 대한 연구가 진행된 바 있다. 그 중 대표적인 것이 BMW Co.의 LCA(Lateral Collision Avoidance)이다. 이 시스템은 단순히 운전자에게 충돌을 경보하는 것이 아닌, 조향입력을 통해 적극적인 회피를 수행한다.

대다수 차선 변경상황은 전방 및 측면에 다수의 차량이 혼재되어 있는 상황에서 발생한다. 만약 전방 및 측면 모두 차량이 주행 중이라면, 측면의 차량과의 충돌을 방지하기 위해 자차선으로 복귀하더라도 운전자의 의도와는 다르게 차량이 거동함으로써 전방차량과의 충돌로 이어질 수 있다. 또한 주행상황에 따라 급격한 조향 회피는 횡방향 안정성 확보가 불가능하여 다중 충돌로 이어질 위험성이 크다.

따라서 차선 변경 상황에서의 충돌회피 강인성을 확보하기 위해선 차량 안정성을 보장하는 범위 내에서 상태 변수 및 제어입력에 대한 제어조건을 충분히 고려하여야하며, 적절한 조향 및 제동 통합제어 전략이 필요하다.

한국공개특허 제10-2014-0060107호 미국등록특허 제8209090호

이에 본 발명은 차선 변경 상황에서의 충돌회피 강인성을 확보하기 위해서 차속과 조향각에 따라 편제동과 MDPS 개입량을 다르게 제어하는 회피전략을 구분하여 충돌회피 시 빠르게 안정성을 확보하도록 하는 차량의 충돌 회피 제어방법를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 차량의 충돌 회피 제어방법은 차량에 장착된 센서 모듈을 통해 센서 중심점으로부터 각 차선까지의 거리 및 상기 차량의 속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 차선까지의 거리를 이용하여 차량을 직사각형 모델로 간주한 후 차선 변경까지의 거리를 계산하는 단계; 상기 계산된 차선 변경까지의 거리가 기설정된 기준값 미만이고, 차량의 횡방향 속도가 기설정된 속도 이상이면 차선변경을 예측하는 단계; 상기 차선 변경까지의 거리 및 차량의 횡방향 속도에 의해 차선변경이 예측되면, 상기 센서 모듈을 통해 주변차량과의 상대거리 및 상대속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 상대거리 및 상대속도를 이용하여 충돌예정시간을 계산하여 기설정된 기준값 미만이면 충돌을 예측하는 단계; 상기 계산된 충돌예정시간에 의해 충돌이 예측되면, 차량의 속도와 조향각에 따라 목표 요레이트 및 요구 미끄럼각을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 목표 요레이트 및 요구 미끄럼각에 따라 편제동 및 전동식 파워 스티어링 개입량을 조절하여 횡방향 회피를 수행하는 단계; 를 포함한다.

본 발명에서 상기 차선 변경까지의 거리(DLC)는 아래 수식에 의해 계산되며, 아래 수식에서,

는 각각 차량의 전폭, 센서 중심점으로부터 차선까지의 거리, 실제 범퍼형상을 고려한 보상치이며,

는 차량의 조향각이다.

본 발명에서 상기 충돌예정시간(TTC)은 아래 수식에 의해 계산되며, 아래 수식에서

는 상대거리,

는 차량속도,

은 주변차량 속도이다.

본 발명에서 상기 목표 요레이트는 아래 수식에 의해 계산되며, 아래 수식에서,

는 차량 무게중심과 전륜 차축간의 거리,

은 차량 무게중심과 후륜 차축간의 거리,

은 차량 질량,

는 전륜 코너링 강성계수,

는 후륜 코너링 강성계수,

은 차량 길이,

는 전륜 조향각이다.

본 발명에서 상기 요구 미끄럼각은 아래 수식에 의해 계산되며, 아래 수식에서,

는 차량 무게중심과 전륜 차축간의 거리,

은 차량 무게중심과 후륜 차축간의 거리,

은 차량 질량,

는 차량의 속도,

는 전륜 코너링 강성계수,

는 후륜 코너링 강성계수,

은 차량 길이,

는 전륜 조향각이다.

본 발명에 따르면 차량의 충돌 회피 제어방법은 차량의 급격한 조향입력으로 인해 차량이 안정성을 잃는 것을 방지하고, 승차감을 확보하는 범위 내에서 제어를 수행할 수 있어 회피에 의한 2차 사고 피해를 예방하고 차량 안정성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 급작스런 차선 변경 상황의 예시를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량의 충돌 회피 제어방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차선 변경까지의 거리를 계산하기 위한 모델 예시를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESC와 MDPS의 통합제어를 위해 차속 및 조향각에 따른 회피전략의 구분을 나타낸 그래프이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 충돌 회피 방법의 성능을 검증하기 위한 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 시나리오에 따른 차량의 충돌 회비 방법의 성능 검증 결과를 나타낸 도면이다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 급작스런 차선 변경 상황의 예시를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 1차선에 대상 차량(10)이 80Km/h의 속도로 운행하고 있으며 그 앞에 전방 차량(20)이 동일한 속도로 운행하고 있고, 2차선에는 2차선 차량(30)이 전방 차량(20)의 앞쪽 위치에서 80Km/h의 속도로 운행중이다.

이러한 상황에서 도 1에 표시된 것처럼 대상 차량(10)이 2차선으로 차선 변경을 시도함에 있어서 2차선 차량(30)이 급감속 상태가 되었을 때 대상 차량(10)과 2차선 차량(30)의 충돌이 발생할 수 있으며 급격하게 차선을 변경하는 경우 충돌을 피하고 다시 원차선으로 복귀하기란 쉽지 않다.

이러한 급격한 차선 변경에 따른 2차 충돌을 회피하기 위해 주변 차량과의 충돌을 예측하고 모델 예측제어 기법을 기반으로 안정성을 보장하는 범위 내에서 회피량을 산출하는 충돌 회피 방법을 도 2에서 단계별로 알아보도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량의 충돌 회피 제어방법의 흐름도이다.

도 2를 참조하면 본 발명에 따른 차량의 충돌 회피 제어방법은 먼저 차량에 장착된 센서 모듈을 통해 센서 중심점으로부터 각 차선까지의 거리 및 속도를 측정한다(S101).

센서 모듈에 적용되는 센서는 거리 및 속도를 측정할 수 있는 센서라면 어떤 센서든 적용 가능하며, 가속도 센서와 초음파, 레이저 등을 이용한 거리 센서가 적용되는 것이 일반적이나, 카메라 등의 영상센서 등이 활용될 수도 있다.

각 차선까지의 거리가 측정되면 다음으로 차선변경이 이루어지는지 예측하기 위해 차선변경까지의 남은 거리를 계산하는 과정이 진행된다(S103).

차선변경은 DLC 및 횡속도를 기반으로 판단한다.

DLC(Distance to Lane Change)는 차선변경까지 남은 거리를 의미하는데 도 3에 이러한 차선 변경까지의 거리를 계산하기 위한 모델이 표시되어 있다.

도 3을 참조하면 차선 변경까지의 거리를 계산하기 위해 차량을 직사각형으로 간주하였으며 센서 중심점으로부터 각 차선까지의 거리를 측정하여 차선 변경까지의 거리를 아래 수식에 의해 계산한다.

이 때,

는 차량의 조향각이다.

차선 변경까지의 거리가 일정값 이하로 계산된다면 차선을 변경하기 위해 차량이 횡방향으로 이동하고 있는 상황이므로 계산된 차선 변경까지의 거리가 기설정된 기준값 미만이고, 차량의 횡방향 속도가 기설정된 속도 이상이면 충돌을 회피하기 위해 급격하게 차선을 변경한다고 예측할 수 있다.

다시 도 2로 돌아와서 이렇게 차선 변경까지의 거리가 기설정된 기준값 미만이고, 센서모듈을 통해 측정한 차량의 횡방향 속도가 기설정된 속도 이상이면 차선 변경을 예측한다.(S105).

이렇게 차선 변경이 예측되면 차선 변경 시 발생할 수 있는 충돌 상황을 예측하는 단계를 진행한다.

차선 변경이 예측되면 다음으로 차량에 장착된 센서 모듈을 통해 주변 차량과의 상대거리 및 상대속도를 측정한다(S107).

이때, 상대거리 및 상대속도는 종방향, 횡방향에 대해 모두 입력되는 것이 바람직하다.

이렇게 주변차량에 대한 상대거리 및 상대속도를 알게 되면 이를 이용하여 충돌예정시간을 계산하는 단계(S109)를 진행한다.

이때, 충돌예정시간(TTC)은 아래 수식에 의해 계산되며, 아래 수식에서

는 상대거리,

는 차량의 속도,

은 주변차량의 속도이다.

이러한 수식에 의해 계산된 충돌예정시간이 기설정된 기준값 미만이라면 충돌을 예측한다(S111).

충돌예정시간이 일정시간 이상으로 계산된다면 상대속도에 비해 상대거리가 긴 상황이므로 충돌 위험성이 낮은 상황이고, 충돌예정시간이 일정시간 미만 예를 들어 1초 미만의 상황인 경우라면 상대속도에 비해 상대거리가 매우 짧아 1초 후 충돌이 예상되는 상황이므로 차선 변경등의 조작이 필요한 상황이 된다.

이렇게 충돌예정시간에 의해 충돌이 예측되면 다음으로 충돌을 방지하기 위한 회피 제어를 실시한다.

차량의 충돌을 방지하기 위한 제어 알고리즘은 크게 횡방향 제어기 및 종방향 제어기로 나뉘며 횡방향 충돌 회피에 필요한 조향 입력은 모델예측제어기 기반으로 산출된다. 또한 ESC(Electronic Stability Control : 자동차안전성제어장치) 및 MDPS(Motor Driven Power Steering : 전동식 동력조향장치) 통합제어를 통해 원하는 회피궤적을 따르도록 한다. 종방향 제어의 경우, 모델예측제어를 기반으로 원하는 감가속도를 산출하는데 차선변경의 경우에는 필요한 경우에만 종방향 제어가 수행되므로 본 발명에서는 횡방향 제어에 대한 부분만 설명하는 것으로 한다.

충돌예정시간을 통해 차량의 충돌이 예측되면, 차량의 횡방향 회피 제어를 위해 차량의 속도와 조향각에 따라 목표 요레이트 및 요구 미끄럼각을 계산하는 단계(S113)를 수행한다.

이는 횡방향 회피제어를 위해 필요한 변수로써, 횡방향 회피는 기본적으로 횡방향 제어기에서 산출한 조향입력을 통해 이루어진다. 조향 입력에 따른 목표 요레이트 추종을 위해 ESC와 MDPS의 통합제어를 수행하였으며, 차속과 조향각에 따라 회피전략을 구분하였다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESC와 MDPS의 통합제어를 위해 차속 및 조향각에 따른 회피전략의 구분을 나타낸 그래프이다.

급 편제동의 경우 운전자가 민감한 반응을 보일 수 있으며, 편제동 개입이 많아지면 차속의 감소로 인해 차량 운동성능이 저하될 수 있으므로 저속의 경우에는 편제동 개입량을 줄이고, MDPS 개입량을 늘려 회피를 수행한다.

하지만 고속 주행상황이거나 운전자 조향입력이 큰 경우 회피 변화량의 제한 범위를 크게 선정해 빠른 회피를 수행하도록 하였으며, 편제동 개입량을 늘려 빠르게 안정성을 확보하도록 하였다.

편제동량 결정을 위한 목표 요레이트는 다음 수식에 의해 계산된다.

위의 수식에서,

는 차량 무게중심과 전륜 차축간의 거리,

은 차량 무게중심과 후륜 차축간의 거리,

은 차량 질량,

는 전륜 코너링 강성계수,

는 후륜 코너링 강성계수,

은 차량 길이,

는 전륜 조향각을 의미한다.

또한 편제동량 결정을 위한 요구 미끄럼각은 다음 수식에 의해 계산된다.

위의 수식에서

는 차량 무게중심과 전륜 차축간의 거리,

은 차량 무게중심과 후륜 차축간의 거리,

은 차량 질량,

는 차량의 속도,

는 전륜 코너링 강성계수,

는 후륜 코너링 강성계수,

은 차량 길이,

는 전륜 조향각을 의미한다.

도 2로 돌아와서 위의 수식을 이용하여 계산된 목표 요레이트 및 요구 미끄럼각에 따라 편제동 및 MDPS 개입량을 조절하여 횡방향 회피를 수행한다(S115).

이러한 단계를 거치는 차량의 충돌 회피 제어방법은 다양한 시나리오 적용을 통해 그 성능을 검증할 필요가 있다.

차량의 충돌 회피 방법의 성능을 검증하기 위하여 도 6과 같이 두 가지의 시나리오에 대해 상황을 설정하였다.

도 5를 참조하면 (a)에 표시된 첫번째 시나리오는 2차선에서 54km/h로 주행 중인 자차량이 1차선에 60km/h로 주행하는 차량을 보지 못하고 차선변경을 시도하는 시나리오이며, 이 때 자 차량 전방 30m에 36km/h로 차량이 주행하고 있는 상황이다. 도로 곡률반경은 500m로 설정하였다.

도 5의 (b)에 표시된 두번째 시나리오는 직선도로에서 자차량이 80km/h로 주행 중 차선변경을 하는 시나리오이며, 1차선 후미에 있는 차량이 80km/h에서 5m/s²로 급가속을 하게 된다. 또한 전방에는 80km/h로 주행하던 차량이 갑작스럽게 cut-in하여 5m/s²으로 감속하는 시나리오이다.

도 6은 도 5에 도시된 각 시나리오에 대해 본 발명에 따른 충돌 회피 방법을 적용하여 검증을 실시한 결과이다.

도 6의 (a)를 참조하면 빨간색으로 표시된 자차량이 파란색으로 표시된 1차선의 차량을 인식하지 못하고 차선 변경을 시도하다가 충돌 회피 방법에 의해 다시 2차선 주행을 위해 안전하게 복귀하는 것을 알 수 있다. 만약 충돌 회피 방법에 의한 제어가 없었다면 검은색으로 표시된 것처럼 자차량은 1차선을 침범하여 파란색으로 표시된 1차선의 차량과 충돌이 발생하였을 것이다.

도 6의 (b)를 참조하면 빨간색으로 표시된 자차량이 2차선으로 주행중에 1차선으로 차선 변경을 시도하다가 파란색으로 표시된 급가속한 1차선의 차량을 인식하여 충돌 회피 방법에 의해 다시 2차선으로 복귀하여 주행하는 것을 확인할 수 있다. 만약 충돌 회피 방법에 의한 제어가 없었다면 검은색으로 표시된 것처럼 자차량은 1차선을 침범하여 파란색의 1차선 차량과 충돌 하였을 것이다.

이상의 성능검증 시뮬레이션을 통해 본 발명에 따른 차량의 충돌 회피 방법이 급격한 차선 변경에 따른 추가 충돌을 방지할 수 있도록 하는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 대상 차량 20 : 전방 차량
30 : 3차선 차량

Claims

차량에 장착된 센서 모듈을 통해 센서 중심점으로부터 각 차선까지의 거리 및 상기 차량의 속도를 측정하는 단계;
상기 측정된 차선까지의 거리를 이용하여 차량을 직사각형 모델로 간주한 후 차선 변경까지의 거리를 계산하는 단계;
상기 계산된 차선 변경까지의 거리가 기설정된 기준값 미만이고, 차량의 횡방향 속도가 기설정된 속도 이상이면 차선변경을 예측하는 단계;
상기 차선 변경까지의 거리 및 차량의 횡방향 속도에 의해 차선변경이 예측되면, 상기 센서 모듈을 통해 주변차량과의 상대거리 및 상대속도를 측정하는 단계;
상기 측정된 상대거리 및 상대속도를 이용하여 충돌예정시간을 계산하여 기설정된 기준값 미만이면 충돌을 예측하는 단계;
상기 계산된 충돌예정시간에 의해 충돌이 예측되면, 차량의 속도와 조향각에 따라 목표 요레이트 및 요구 미끄럼각을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 목표 요레이트 및 요구 미끄럼각에 따라 편제동 및 전동식 파워 스티어링 개입량을 조절하여 횡방향 회피를 수행하는 단계; 를 포함하는 차량의 충돌 회피 제어방법.
제 1 항에 있어서,
상기 차선 변경까지의 거리(DLC)는 아래 수식에 의해 계산되며, 아래 수식에서,
는 각각 차량의 전폭, 센서 중심점으로부터 차선까지의 거리, 실제 범퍼형상을 고려한 보상치이며,
는 차량의 조향각인 차량의 충돌 회피 제어방법.
제 1 항에 있어서,
상기 충돌예정시간(TTC)은 아래 수식에 의해 계산되며, 아래 수식에서
는 상대거리,
는 차량속도,
은 주변차량 속도인 차량의 충돌 회피 제어방법.
제 1 항에 있어서,
상기 목표 요레이트는 아래 수식에 의해 계산되며, 아래 수식에서,
는 차량 무게중심과 전륜 차축간의 거리,
은 차량 무게중심과 후륜 차축간의 거리,
은 차량 질량,
는 전륜 코너링 강성계수,
는 후륜 코너링 강성계수,
은 차량 길이,
는 전륜 조향각인 차량의 충돌 회피 제어방법.
제 1 항에 있어서,
상기 요구 미끄럼각은 아래 수식에 의해 계산되며, 아래 수식에서,
는 차량 무게중심과 전륜 차축간의 거리,
은 차량 무게중심과 후륜 차축간의 거리,
은 차량 질량,
는 차량의 속도,
는 전륜 코너링 강성계수,
는 후륜 코너링 강성계수,
은 차량 길이,
는 전륜 조향각인 차량의 충돌 회피 제어방법.