KR20090062135A - 차선유지 보조시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 영상센서의 측정 데이터를 보상하는 차선유지 보조시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 차선유지 보조 시스템에서 수행되는 데이터 처리 속도보다 느린 영상센서에서 측정된 영상 데이터가 중복 사용되는 문제점을 개선한 보상기를 구비함으로써 차량의 동작 특성을 향상하고 차선유지 제어 성능을 향상시킬 수 있다.
차선유지 보조 시스템(Lane Keeping Assist System: LKAS), 프레임(Frame), 이탈거리, 이탈각, 곡률
Description
본 발명은 차선유지 보조 시스템에 관한 것이다.
차량에 대한 다양한 기능이 향상됨에 따라 차량의 운전자 및 탑승자의 안정과 편리성을 향상시키기 위한 다양한 기술이 소개되고 있다. 특히, 차량이 안전하게 차선을 유지하도록 하는 차선유지 보조 시스템은 상용화를 눈앞에 두고 있다.
이러한 차선유지 보조 시스템은 차량이 차선을 이탈하는 경우 이를 감지하고 해당 속도에서 목적 차선을 따라가도록 운전자를 돕는 시스템이다. 이를 구현하기 위하여 차량의 차선과 차량의 운동 특성들이 실시간으로 측정되고 이를 기초로 적절한 제어가 수행되어야 한다.
그러나, 종래 기술에 따른 차선유지 보조 시스템에서는, 영상 센서에서 영상 데이터가 처리되는 속도가 차선유지 보조 시스템의 데이터 처리 속도보다 느려 발생하는 영상 데이터의 중복 문제를 보상하기 위한 차선유지 보조 시스템에 관한 것이다.
예를 들어, 시스템의 데이터 처리 주기가 10ms인 반면, 영상센서의 영상 데이터 프레임 측정 속도가 50ms인 경우, 시스템은 데이터 처리시 영상센서로부터 50ms 마다 한 번씩 새로운 영상데이터를 수신하게 되며 40ms(4번의 주기)동안에는 이전의 영상데이터를 중복하여 사용하게 된다. 결국, 시스템은 5번 데이터를 처리함에 있어 동일한 영상 데이터를 이용하게 되어 차량의 주행 제어를 적절하게 수행하지 못하는 문제점이 있다.
물론, 고성능 영상센서인 경우에는 이러한 데이터 처리 속도가 시스템의 데이터 처리 속도와 동기화되어 차선유지 기능이 개선될 수도 있으나 고가이며 차량 제조 원가의 상승을 유발하는 원인이 된다.
도 1은 차량의 동적 특성을 나타내는 변수를 도시한 도면이다. 우선, 도 1을 참조하여 차량이 곡선주로를 이동하는 경우 고려해야할 차선유지 보조시스템의 제어변수를 살펴본다.
차선유지 보조 시스템은 차량의 속도(), 차량의 횡방향 속도(), 요레이트(), 요구전방각(), 차량의 슬라이드슬립각(), 측정지점에서의 차량의 이탈각(), 측정지점에서의 차선과 차량의 이탈거리()등을 측정 하거나 추정하여 이를 기초로 차량에 필요한 조향모터의 토크값을 출력하고 이에 대한 동작신호를 조향모터에 전달하여 주행 중인 차량이 차선을 유지하도록 한다.
도 2는 종래 기술에 따른 차선유지 보조 시스템의 차선 추종 결과를 도시한 그래프이고 도 3은 종래 기술에 따른 영상센서의 영상 감지 속도에 따른 차선 추종 결과를 비교한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 차량의 영상센서로부터 측정된 데이터를 중복하여 이용함 으로 인하여 시스템은 차량의 주행 특성을 실시간으로 추종하지 못하는 문제점이 발생한다. 따라서 시스템에 제어된 차량은 정확하게 차선을 따르지 못하게 되고 일정한 오차값을 가지게 된다.
또한, 도 3는, 영상센서가 데이터 처리 주기가 50ms이고 시스템의 데이터 처리 주기가 10ms 인 경우, 차선의 이탈거리의 오차를 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 이러한 경우 최대 오차 거리는 약 10cm인 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 종래 기술에 의하면 차선유지 보조 시스템의 데이터 처리 속도보다 영상센서에서의 영상 측정 속도가 느림으로 인하여 차선유지 성능이 떨어지는 문제점이 있다.
차량의 외부의 영상을 촬영하고 측정지점을 기준으로 차량의 위치정보 및 차선의 곡률()을 측정하는 영상센서부, 차량의 동적 특성에 관한 변수값을 측정하는 센서부 및 상기 차량의 위치정보, 차선의 곡률 및 차량의 동적 특성에 관한 변수값으로부터 차량의 차선유지를 제어하는 제어부를 포함하는 차선유지 시스템은, 상기 제어부의 제어 데이터 처리 주기이나 상기 영상센서부의 측정 주기가 아닌 주기에 상기 영상센서부, 상기 센서부 및 제어부에서 전달된 데이터를 기초로 이탈각()과 이탈거리()을 추정하고 이를 제어부를 전달하는 상기 제어부에 전달하는 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차선유지 보조 시스템.
또한, 상기 보상부에 전달된 상기 영상센서부, 상기 센서부 및 제어부에서 전달된 데이터는 영상센서부에서 측정된 이탈각() 및 이탈거리(), 센서부에서 측정된 차량의 차량의 속도(), 요레이트() 및 제어부에서 추정된 횡방향 속도()일 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 보상부에서 추정된 이탈거리는 (여기서, 는 영상센서(10)의 측정 지점과 차량의 중심축의 거리)이고, 추정된 이탈각은 일 수 있다.
여기서, 상기 제어부(40)는 로 표현되는 시스템 상태 방정식(이하, '상태방정식'이라 함)으로부터 차량의 조향모터토크값()틀 산출하여 차량이 차선을 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하되, 각 변수는 차량의 요구전방각(), 차량의 요레이트(), 차량의 횡방향 속도(), 이탈각(), 이탈거리(), 이탈각(), 이탈거리(), 조향기의 댐핑값(), 조향기의 관성모멘트(), 바퀴의 지면 접촉거리(), 차량의 앞바퀴의 코너링 강성값(), 차량의 무게중심으로부터 차량의 앞바퀴축까지의 거리(), 차량의 뒷바퀴의 코너링 강성값(), 차량의 무게중심으로부터 차량의 앞바퀴축까지의 거리(), 차량의 무게(), 차량의 속도(), 차량의 모터의 기어비(), 실체 조향기의 조향비(), 차량 핸들의 토크() 및 차량의 차선 곡률()이다.
본 발명에 따르면 영상센서에서 측정된 데이터를 일정하게 보상으로써, 데이터 처리 속도가 느린 영상센서에서 측정된 데이터를 중복 사용하지 않고 차량이 차선을 유지할 수 있도록 적절하게 보상할 수 있어 차량의 안전성 및 승차감을 향상시킬 뿐 아니라 고성능의 영상센서를 구비할 필요가 없어 차량의 원가절감에도 효과가 있다.
이하에서는 도면을 이용하여 본 발명에 대한 구체적인 실시예를 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 차선유지 보조 시스템의 개념도이다. 도 4에 따르면, 본 발명에 따른 차선유지 보조 시스템은 영상 센서부(10), 센서부(20), 보상부(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
영상 센서부(10)는 차량의 외부 영상을 촬영하고 이에 대한 정보를 생성한다. 더욱 상세하게는 영상 센서부(10)는 촬영된 외부 정보를 통하여 측정지점 기준의 이탈각(), 이탈거리() 및 차선 곡률()차선의 정보를 측정한다.(도 1을 참조).
센서부(20)는 차량의 차선유지를 위한 제어에 필요한 차량의 동적 특성 변수값을 측정한다. 더욱 상세하게는 측정되는 동적 특성 변수는 설명하면 다음과 같다. 차량의 차선유지 보조 시스템은 차량의 속도(), 요레이트(), 요구전방각()를 측정한다. 여기서 센서부(20)는 차량의 제어부(40)와 데이터 처리 속도가 동일하다.
보상부(30)는 상술한 영상 센서부(10) 및 센서부(20)에서 측정된 데이터를 기초로 제어부(40)의 데이터 처리 속도에 동기화되도록 이탈각()과 이탈거리()을 제어부(40)의 처리 속도에 맞추어 추정한다. 즉, 보상부(30)는 영상센서(10)의 데이터 처리 속도와 제어부(40)의 데이터 처리 속도의 차이에 해당하는 주기동안 이탈각과 이탈거리를 추정한다.
이하에서는, 본 발명을 명확하게 하기 위하여 영상센서(10)에서 측정된 '이탈각()'과 '이탈거리()'는 각각 측정 이탈각과 측정 이탈거리가 한다. 반면, 보상부(30)에서 추정된 이탈각과 이탈거리를 '추정 이탈각' 및 '추정 이탈거리'라고 한다.
식 1은 추정 이탈거리를 추정하는 적분식이며, 식 2은 추정 이탈각을 추정하 는 적분식이다.
식 1을 더욱 상세하게 살펴보면,추정 이탈거리는 차량의 횡방향()에 의하여 추정되는 이탈거리( ), 차량의 요레이트()에 의하여 추정되는 및 차량의 비틀림에 의하여 추정되는 이탈거리()의 합으로 구성된다.
여기서, 세 번째 식인 차량의 비틀림에 의하여 추정되는 이탈거리에서 적분대상인 이탈각은 영상센서(10)에서 측정된 측정 이탈각이다. 즉, 보상부(30)에서 추정된 이탈거리는 영상센서(10)에서 측정된 측정 이탈각과 센서부(20)에서 측정된 차량의 속도의 곱의 적분값으로 표현된다.
여기서, 두 번째 식인 차선 곡률에 의하여 추정되는 이탈각에서 적분 대상인 곡률은 영상센서(10)에서 측정된 측정 곡률이다. 즉, 보상부(30)에서 추정된 이탈각은 영상센서(10)에서 측정된 차선의 곡률과 센서부(20)에서 측정된 차량의 속도 의 곱의 적분값으로 표현된다.
제어부(40)는 상술한 영상센서부(10), 센서부(20)에서 측정된 차량의 동적 특성과 보상부(30)에서 보상된 추정 이탈각 및 추정 이탈거리값을 기초로 차선유지를 위한 제어를 수행한다.
식 3은 제어부(40)에서 수행되는 제어 상태방정식이다. 식 3으로부터 제어부(40)는 차량의 차선유지를 위하여 차량의 조향모터의 토크값을 산출한다. 더욱 상세하게는, 제어부(40)는 식 3의 상태변수의 값 중 이탈각과 이탈거리의 값이 0이 되도록 하는 조향모터의 토크값()틀 산출한다.
식 3에 사용된 변수를 설명하면 다음과 같다. 상태변수는 차량의 횡방향 이동을 위하여 필요한 요구전방각(), 차량의 요레이트(), 차량의 횡방향 속도(), 이탈각(), 이탈거리()이다. 여기서, 차량의 횡방향 속도는 측정이 불가능하며 제어부(40)에 포함된 관측기를 통하여 추정된다.
또한, 이탈각() 및 이탈거리()은 상술한 영상센서부(10)에서 측정된 측 정 이탈각 및 측정 이탈거리 또는 보상부(30)에서 측정된 추정 이탈각 및 추정 이탈거리이다. 바람직하게는, 제어부(40)는 영상센서부(10)와 동일한 주기와 동일한 주기에 해당하는 경우(예를 들어, 50ms, 100ms, 150ms...) 영상센서부(10)에서 측정된 이탈각 및 이탈거리를 이용하여 차선유지 제어를 수행하며, 영상센서부(10)와 동일하지 않은 주기(예를 들어, 10ms, 20ms, 30ms,40ms, 60ms...)에는 보상부(30)에서 추정된 이탈각 및 이탈거리를 이용하여 차선유지 제어를 수행한다.
상태행렬를 구성하는 각 요소의 변수는 조향기의 댐핑값(), 조향기의 관성모멘트(), 바퀴의 지면 접촉거리(), 차량의 앞바퀴의 코너링 강성값(), 차량의 무게중심으로부터 차량의 앞바퀴축까지의 거리(), 차량의 뒷바퀴의 코너링 강성값(), 차량의 무게중심으로부터 차량의 앞바퀴축까지의 거리(), 차량의 무게(), 차량의 속도()이다. 여기서, 차량의 속도()는 센서부(20)에서 측정되나 나머지는 차량의 종류에 따라 미리 정해지는 상수이다.
그리고, 나머지 변수는 차량의 모터의 기어비(), 실체 조향기의 조향비(), 차량 핸들의 토크(), 차량의 차선 곡률()이다. 여기서, 차량의 핸들의 토크는 센서부(20)에서 측정되며, 기어비 및 조향비는 이미 정해진 상수이며, 곡률은 제어부(40)에 포함된 관측기에서 추정된다.
도 5는 본 발명에 따른 차선유지 보조 시스템의 차선 추종 결과를 도시한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 차량의 영상센서부(10)로부터 측정된 측정 이탈각 및 특정 이탈거리와 보상부(30)에 추정된 추정 이탈각 및 추정 이탈거리를 이용하는 경우 차선유지 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
도 6는 본 발명에 따른 보상기가 구비된 차선유지 보조 시스템과 종래 기술에 따른 차선유지 보조시스템의 차선 추종 결과를 비교한 그래프이다. 도 6을 참조하면 처리 주기가 50ms인 영상센서부(10)에도 불구하고 시스템의 차선의 이탈거리의 오차는 약 10cm 정도 개선된 것을 알 수 있다.
이와 같이 영상센서에서 수행할 수 없는 이탈각과 이탈거리를 차량의 다른 동적 특성 방정식을 이용하여 추정함으로써 차량의 차선유지 제어 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 차량의 동적 특성을 나타내는 변수를 도시한 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 차선유지 보조 시스템의 차선 추종 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 종래 기술에 따른 영상센서의 영상 감지 속도에 따른 차선 추종 결과를 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 차선유지 보조 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 차선유지 보조 시스템의 차선 추종 결과를 도시한 그래프이다.
도 6는 본 발명에 따른 보상기가 구비된 차선유지 보조 시스템과 종래 기술에 따른 차선유지 보조시스템의 차선 추종 결과를 비교한 그래프이다.
<도면의 주요 구성요소에 대한 부호 설명>
10: 영상센서부 20: 센서부
30: 보상부 40: 제어부
Claims (6)
- 차량의 외부의 영상을 촬영하고 측정지점을 기준으로 차량의 위치정보 및 차선의 곡률()을 측정하는 영상센서부(10), 차량의 동적 특성에 관한 변수값을 측정하는 센서부(20) 및 상기 차량의 위치정보, 차선의 곡률 및 차량의 동적 특성에 관한 변수값으로부터 차량의 차선유지를 제어하는 제어부(40)를 포함하는 차선유지 시스템은,
- 제 1 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제어부(40)는 로 표현되는 시스템 상태 방정식(이하, '상태방정식'이라 함)으로부터 차량의 조향모터토크값()틀 산출하여 차량이 차선을 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하되,여기서, 각 변수는 차량의 요구전방각(), 차량의 요레이트(), 차량의 횡방향 속도(), 이탈각(), 이탈거리(), 이탈각(), 이탈거리(), 조향기의 댐핑값(), 조향기의 관성모멘트(), 바퀴의 지면 접촉거리(), 차량의 앞바퀴의 코너링 강성값(), 차량의 무게중심으로부터 차량의 앞바퀴축까지의 거리(), 차량의 뒷바퀴의 코너링 강성값(), 차량의 무게중심으로부터 차량의 앞바퀴축까지의 거리(), 차량의 무게(), 차량의 속도(), 차량의 모터의 기어비(), 실체 조향기의 조향비(), 차량 핸들의 토크() 및 차량의 차선 곡률()인 것을 특징으로 하는 차선유지 보조시스템.
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