KR20110124646A - 자율이동차량의 조향제어장치, 이를 구비하는 자율이동차량 및 자율이동차량의 조향제어방법 - Google Patents

자율이동차량의 조향제어장치, 이를 구비하는 자율이동차량 및 자율이동차량의 조향제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자율이동차량의 조향제어장치, 이를 구비하는 자율이동차량 및 자율이동차량의 조향제어방법에 관한 것으로, 상기 조향제어방법은, 자율이동차량의 위치 및 북쪽에 대한 상기 자율이동차량의 제1 헤딩각을 수신하는 단계와, 상기 자율이동차량의 위치를 기준으로 추종 경로점을 향하는 상기 자율이동차량의 제2 헤딩각을 산출하고 상기 추정 경로점에 대한 상기 자율이동차량의 회전반경을 연산하는 단계와, 상기 자율이동차량의 속도와 상기 연산된 회전반경을 이용하여 상기 회전반경을 추종하는 요레이트(yaw rate)를 계산하고 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 헤딩각을 이용하여 상기 조향명령을 보정하는 단계를 포함한다. 이를 통하여, 데이터 처리량이 보다 적어 실시간으로 조향명령을 생성하는 조향제어방법 및 장치가 구현된다.

Description

자율이동차량의 조향제어장치, 이를 구비하는 자율이동차량 및 자율이동차량의 조향제어방법{STEERING CONTROL DEVICE OF AUTONOMOUS VEHICLE, AUTONOMOUS VEHICLE HAVING THE SAME AND STEERING CONTROL METHOD OF AUTONOMOUS VEHICLE}
본 발명은 자율이동차량의 경로점 추종을 위한 자율이동차량의 조향제어장치 및 조향제어방법에 관한 것이다.
첨단 과학기술의 개발 및 발전으로 인해 다양한 기술들이 군사용 분야에 적용되고 있으며, 특히, 센서 및 컴퓨터 하드웨어의 발전은 전투체계의 무인화를 가능하게 만들고 있다.
무인화 분야에서의 기술개발 방향을 살펴보면, 자율이동차량이 감시정찰 및 타격, 지휘통제, 폭발물 탐지/제거 등의 임무 기능을 수행하며, 개별 자율이동차량의 체계는 광대역 통신망으로 연동되어 다수의 자율이동차량이 가시선/비가시선 환경에서 체계적으로 임무를 수행한다.
경로점 주행을 위해서, 자율이동차량은 지휘통제차량이나 휴대용 통제장치에서 송신되는 경로점들을 수신받아 현재위치를 기준으로 자율이동차량이 추종할 수 있는 다음 경로점을 선택하며, 선택된 다음 경로점을 추종하기 위해 조향명령을 생성한다.
조향명령을 생성하는 방법으로는 일반적으로 두 가지 방법으로 구분된다. 하나는 모델 기반 접근방법(Model Approach)이고 다른 하나는 학습 기반 접근방법(Learning Approach)이다. 모델 기반 접근방법은 플랫폼의 동역학 모델을 사용하여 속도 및 조향을 제어하는 방법이고, 학습 기반 접근방법은 오프라인 상에서 특정학습을 수행하여 속도 및 조향을 제어하는 방법이다. 특정학습은 뉴럴 네트워크 등 학습방법을 사용하여 많은 시험으로부터 획득된 입력 속도 및 조향 명령, 자세 상태정보 및 노면 상태정보 등에 대한 출력 속도 및 조향값 정보들을 활용하여 이루어진다.
모델 기반 접근방법을 사용한 조향 제어의 성능은 모델의 정확도에 따라 성능이 많이 좌우된다. 모델 기반 접근방법은 실시간 제어를 하려면 선형화를 통한 모델의 간략화를 수반하며, 이에 따라 실제 자율이동차량에 적용시 신뢰성 및 안정성이 감소하게 된다. 또한 모델 기반 접근방법에 의하면, 주변 환경의 변화시에 경로점 추정 성능이 저하되는 문제점이 야기된다.
학습 기반 접근방법을 사용한 조향 제어는 학습한 환경에 대해서는 실용성을 보장하지만 학습되지 않은 환경에서서는 그 성능을 보장할 수 없게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 데이터 처리량이 보다 적어 실시간으로 조향명령을 생성하는 자율이동차량의 조향제어장치, 이를 구비하는 자율이동차량 및 자율이동차량의 조향제어방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 주변 환경의 변화에 자율적으로 적응하는 자율이동차량의 조향제어장치, 이를 구비하는 자율이동차량 및 자율이동차량의 조향제어방법을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 자율이동차량의 조향제어방법은, 자율이동차량의 위치 및 북쪽에 대한 상기 자율이동차량의 제1 헤딩각을 수신하는 단계와, 상기 자율이동차량의 위치를 기준으로 추종 경로점을 향하는 상기 자율이동차량의 제2 헤딩각을 산출하고 상기 추정 경로점에 대한 상기 자율이동차량의 회전반경을 연산하는 단계와, 상기 자율이동차량의 속도와 상기 연산된 회전반경을 이용하여 상기 회전반경을 추종하는 요레이트(yaw rate)를 계산하고 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 헤딩각을 이용하여 상기 조향명령을 보정하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 조향명령 생성단계는 기설정된 특성식을 이용하여 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하는 단계가 될 수 있다. 상기 특성식은 상기 조향명령 및 요레이트를 각각 독립 및 종속변수로 하는 다항식이며, 상기 다항식의 계수는 특정범위내에서 샘플링된 조향명령에 대하여 특정 노면상태에서 측정된 출력요레이트에 의하여 산출될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 조향제어방법은 상기 자율이동차량이 이동하는 노면상태에 대응하도록 상기 조향명령 또는 보정된 조향명령이 상기 특정범위내에서 최대값에 해당하면 상기 기설정된 특성식을 특정비율로 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 변경하는 단계는 검출 단계 및 갱신 단계를 포함한다. 검출 단계는 현재의 조향명령을 검출하고, 상기 현재의 조향명령을 상기 특정범위내에서 최대값과 비교하여 상기 최대값에 대응하는 최대요레이트를 검출한다. 갱신 단계는 상기 최대요레이트과 상기 샘플링된 조향명령이 최대값일 때의 최대출력요레이트를 이용하여 상기 기설정된 특성식을 갱신한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 조향제어방법은 상기 자율이동차량이 이동하는 노면상태에 대응하도록 상기 조향명령을 특정비율로 확대 또는 축소하는 단계를 포함한다. 상기 조향명령 생성단계는 기설정된 다항식을 이용하여 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하는 단계이고, 상기 확대 또는 축소하는 단계는 상기 다항식의 계수를 특정비율로 확대 또는 축소하는 단계이며, 상기 다항식은 샘플링된 조향명령과 상기 샘플링된 조향명령에 의하여 특정상태에서 출력되는 상기 자율이동차량의 출력요레이트를 이용하여 설정되며, 상기 특정비율은 상기 샘플링된 조향명령의 최대값에 대응하는 최대출력요레이트과 상기 조향명령의 최대값에 대응하는 최대요레이트의 비율이 될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 보정단계는 상기 제1 및 제2 헤딩각의 차이에 기설정된 이득을 곱한 값을 상기 조향명령에 더하는 단계가 될 수 있다. 상기 회전반경은 상기 자율이동차량이 상기 추종 경로점과 원호로 이어질 때 상기 원호에 대응하는 반경이 될 수 있다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 자율이동차량의 조향제어장치를 제공한다. 상기 조향제어장치는, 수신된 경로점들을 이용하여 현재 자율이동차량의 위치를 기준으로 상기 자율이동차량의 추종하는 추종 경로점을 선택하는 경로선택부와, 상기 자율이동차량의 위치를 기준으로 추종 경로점을 향하는 상기 자율이동차량의 제2 헤딩각을 산출하고 상기 추정 경로점에 대한 상기 자율이동차량의 회전반경을 연산하는 연산부, 및 상기 자율이동차량의 속도와 상기 연산된 회전반경을 이용하여 상기 회전반경을 추종하는 요레이트(yaw rate)를 계산하고 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하고 상기 제2 헤딩각과 북쪽에 대한 상기 자율이동차량의 제1 헤딩각을 이용하여 상기 조향명령을 보정하는 조향명령생성부를 포함한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 상기 조향제어장치를 구비하는 자율이동차량을 개시한다. 상기 자율이동차량은 자율이동이 가능하도록 이루어지며 주행수단이 장착되는 본체와, 상기 본체의 위치, 북쪽에 대한 상기 본체의 제1 헤딩각 및 경로점들을 수신하는 수신기와, 상기 본체의 위치를 기준으로 상기 경로점들 중 어느 하나를 추종 경로점으로 선택하며, 상기 본체가 상기 추정 경로점을 추종하도록 조향명령을 생성하는 상기 조향제어장치, 및 상기 조향명령을 전송받도록 이루어지며, 전송받은 조향명령에 따라 상기 주행수단을 제어하는 주행제어기를 포함한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 자율이동차량의 조향제어장치, 이를 구비하는 자율이동차량 및 자율이동차량의 조향제어방법은, 항법장치의 요레이트 정보와 이를 이용한 연산에 의하여 자율이동차량을 조향제어하므로 경제적이며, 계산량이 적어 실시간성을 가진다.
또한, 본 발명은 정규화된 입력 조향명령에 대한 출력 요레이트를 측정하고, 측정값을 근거로 특성식을 획득한 후, 상기 특성식을 이용하여 조향명령을 생성하므로서, 자율이동차량의 특성에 적합한 특성식의 모델링이 매우 간단하다. 이에 더하여, 본 발명은 실시간으로 획득되는 최대 조향명령에 대한 최대 요레이트 정보를 활용하여 기설정된 특성식을 확장 또는 축소함으로써, 자율이동차량의 노면 변화로 인해 생기는 경로점 추종 성능 저하 현상을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 자율이동차량의 사시도.
도 2는 도 1의 자율이동차량의 하드웨어를 나타내는 구성도.
도 3은 도 1의 자율이동차량의 소프트웨어를 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명과 관련한 자율이동차량의 조향제어방법을 나타내는 흐름도.
도 5는 도 4의 기본제어방법에 대응하는 상세 흐름도.
도 6은 회전반경 및 헤딩각의 산출을 위한 개념도.
도 7은 도 4의 적응제어방법에 대응하는 상세 흐름도.
도 8은 도 7의 적응제어방법에 대한 블럭 다이어그램.
도 9는 도 2의 제어장치의 상세 구조를 나타내는 블록다이어그램.
도 10은 자율이동차량의 특성식의 패턴을 나타내는 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 자율이동차량의 조향제어장치, 이를 구비하는 자율이동차량 및 자율이동차량의 조향제어방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 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 구성도이고, 도 3은 도 1의 자율이동차량의 소프트웨어를 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.
센서(121)는, 예를 들어 본체(110)의 위치와 북쪽에 대한 본체(110)의 제1 헤딩각을 감지하는 항법센서가 될 수 있다. 본체(110)의 위치는 절대좌표계에서 좌표값이 될 수 있으며, 제1 헤딩각은 본체(110)가 현재 진행하는 방향과 북쪽이 이루는 각이 될 수 있다.
무선통신 장치(122)는 무선통신을 위한 전자부품의 형태로 본체(110)에 내장될 수 있다. 자율이동차량(100)은 무선통신에 의하여 경로점들의 집합을 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 2 및 도 3을 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, 상기 자율이동자량에 적용될 수 있는 조향제어방법에 대하여 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명과 관련한 자율이동차량의 조향제어방법을 나타내는 흐름도이고, 도 5는 도 4의 기본제어방법에 대응하는 상세 흐름도이며, 도 6은 회전반경 및 헤딩각의 산출을 위한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 자율이동차량의 조향제어방법은 기본제어방법을 포함하고, 적응제어방법을 선택적으로 구비한다. 기본제어방법은 수신단계(S100), 연산단계(S200), 생성단계(S300) 및 보정단계(S400)를 포함한다.
도 4 및 도 5에 의하면 먼저, 자율이동차량의 위치 및 북쪽에 대한 상기 자율이동차량의 제1 헤딩각을 수신한다(S100). 예를 들어, 항법센서를 통하여 절대좌표계에서 자율이동차량의 위치와 진북에 대한 자율이동차량의 제1 헤딩각을 수신한다. 도 6을 참조하면, 제1 헤딩각(θh)은 자율이동차량의 헤딩 방향(hl)과 진북(N)의 사이각으로 정의된다.
이에 더하여, 수신단계(S100)는 경로점들의 집합을 통제장치로부터 수신하고, 경로점들로부터 추종 경로점을 선택한다.
연산단계(S200)는 상기 자율이동차량의 위치를 기준으로 추종 경로점을 향하는 상기 자율이동차량의 제2 헤딩각을 산출하고, 상기 추정 경로점에 대한 상기 자율이동차량의 회전반경을 연산한다. 도 6에 의하면 제2 헤딩각(θwp)은 자율이동차량에서 추정 경로점을 향하는 방향(rp와 wp의 잇는 선분)과 진북(N)의 사이각으로 정의된다.
회전반경은 상기 자율이동차량이 상기 추종 경로점과 원호로 이어질 때 상기 원호에 대응하는 반경으로 정의된다. 도시에 의하면, 자율이동차량의 위치가 rp, 자율이동차량의 헤딩 방향이 hl, 다음 추종할 경로점이 wp, hl에 수직인 법선이 hl'으로 정의된다. rp와 wp의 잇는 선분의 중점인 mp를 지나고 그 선분에 수직인 직선이 만들어진다면, hl'과 만나는 점 cp가 자율이동차량이 wp를 추종하기 위한 회전반경의 중심이 된다. 따라서 회전반경은 rp와 cp사이의 거리인 r으로 계산된다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 생성단계(S300)는 자율이동차량의 속도와 상기 연산된 회전반경을 이용하여 상기 회전반경을 추종하는 요레이트(yaw rate)를 계산하고, 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성한다.
자율이동차량의 현재 속도(Vdh) 기준으로 회전반경(rm)의 추종을 위한 요레이트가 아래 식 (1)과 같이 계산되어진다.
Figure pat00001
생성단계(S300)는, 예를 들어 기설정된 특성식을 이용하여 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하는 단계가 될 수 있다.
특성식은 상기 조향명령 및 요레이트를 각각 독립 및 종속변수로 하는 다항식이며, 상기 다항식의 계수는 특정범위내에서 샘플링된 조향명령에 대하여 특정 노면상태에서 측정된 출력요레이트에 의하여 산출된다.
다항식은 샘플링된 조향명령과 상기 샘플링된 조향명령에 의하여 특정상태에서 출력되는 상기 자율이동차량의 출력요레이트를 이용하여 설정된다. 예를 들어 다항식은 자율이동차량의 정규화된 입력 조향 명령(-100%∼+100%)에 대해 생성되는 출력요레이트에 대한 식이 될 수 있다. 다항식은 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%. 80%, 90%, 100% 샘플링된 입력 조향 명령에 대해 정상 상태의 요레이트들이 측정됨에 따라 얻어진다. 정상 상태는 자율이동차량이 일정한 속도로 주행하고 노면의 종류가 일정하고 상태(습도 등)가 균일한 상태를 의미한다.
측정된 값은 다항식의 형태로 근사화된다. 실험에 의하면 견마로봇과 같은 자율이동차량의 경우 3차식으로 근사화할 경우 가장 작은 오차를 보이므로, 특성 식의 형태는 다음 식 (2)와 같이 근사화된다.
Figure pat00002
식 (3)에서 c3, c2, c1은 3차식의 계수이고 θ‘은 요레이트이고 output은 정규화된 조향명령이다. 상수항은 요구하는 요레이트가 0일 때 조향명령이 0이 되도록 0으로 고정된다.
마지막으로, 제1 및 제2 헤딩각을 이용하여 조향명령을 보정한다(S400).
보정단계(S400)는 제1 및 제2 헤딩각의 차이에 기설정된 이득(K)을 곱한 값을 상기 조향명령에 더하는 단계가 될 수 있다. 이에 따라 제1 및 제2 헤딩각 사이의 오차(θerror)를 반영한 최종 조향명령은 아래 식 (3)으로 정의된다.
Figure pat00003
상기 최종 조향명령은 정상상태의 자율이동차량에 대하여 정확한 제어결과를 수반하게 된다. 이하, 속도, 노면의 종류 및 상태가 변경되는 경우에 보다 적응성이 높은 적응제어방법에 대하여 설명한다. 적응제어방법은 상기 특성식의 계수를 확대 또는 축소하도록 이루어진다.
도 7은 도 4의 적응제어방법에 대응하는 상세 흐름도이고, 도 8은 도 7의 적응제어방법에 대한 블럭 다이어그램이다.
도 4를 참조하면, 적응제어방법을 기본제어방법의 보정단계(S400)의 다음에 추가된다.
적응제어방법은 상기 자율이동차량이 이동하는 노면상태에 대응하도록 상기 조향명령 또는 보정된 조향명령이 상기 특정범위내에서 최대값에 해당하면 상기 기설정된 특성식을 특정비율로 변경하는 단계(S500)를 포함한다.
보다 구체적으로, 변경단계(S500)는 검출단계 및 갱신단계를 포함한다.
검출단계는 현재의 조향명령을 검출하고, 상기 현재의 조향명령을 상기 특정범위내에서 최대값과 비교하여 상기 최대값에 대응하는 최대요레이트를 검출한다.
갱신단계는 상기 최대요레이트과 상기 샘플링된 조향명령이 최대값일 때의 최대출력요레이트를 이용하여 상기 기설정된 특성식을 갱신한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 변경단계는 상기 자율이동차량이 이동하는 노면상태에 대응하도록 상기 조향명령을 특정비율로 확대 또는 축소하는 단계가 될 수 있다. 즉, 다항식의 계수가 특정비율로 확대 또는 축소되어진다.
본 도면들을 참조하면, 특정비율은 상기 샘플링된 조향명령의 최대값에 대응하는 최대출력요레이트(θ‘maxref)과 상기 조향명령의 최대값에 대응하는 최대요레이트(θ’max)의 비율(P)이 될 수 있다. 즉, 상기 비율(P)은 아래식 (4)와 같이 표현된다.
Figure pat00004
상기 비율(P)은 특성식(fNscYr)의 계수에 곱하여지며, 이를 통하여 특성식의 확장 또는 축소가 노면에 적응적으로 수행되며, 최종 조향명령의 계산이 이루어진다.이를 식으로 표현하면 다음 식(5)와 같다.
Figure pat00005
도 8에 의하면, 적응제어방법의 Plant(G)는 정규화된 조향명령을 입력으로 가지며 요레이트를 출력으로 가지는 차량 시스템으로 정의된다. Plant(G-1)는 임의 차량 시스템, 표준 노면 및 고정 속도에 대해 사전에 측정된 정규화된 조향명령에 대한 출력요레이트 측정을 통해 얻어지는 특정 요레이트에 대한 요구 조향명령의 관계 특성식(FNscYr)을 가지는 시스템이다.
측정으로 얻어진 특성식의 오차는 목표 헤딩과 실제 차량의 헤딩 사이의 차이를 이용한 제어를 통해 감소시키는 구조를 갖는다. 노면에 대해 특성식의 변화는 측정을 통해 얻어진 표준 특성식의 최대요레이트와 최대 조향명령에 대해 획득되는 실제 차량의 최대요레이트의 비율을 통해 특성식을 Plant(G-1) Estimator에서 가변시킴에 의하여 이루어지며, 이는 Plant(G-1)에서 갱신된다.
이하, 상기 자율이동차량의 조향제어방법에 의하여 구현되는 자율이동차량의 조향제어장치를 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 도 2의 제어장치의 상세 구조를 나타내는 블록다이어그램이다.
조향제어장치(130)는 자율이동차량의 위치를 기준으로 추종 경로점의 제2 헤딩각과 상기 자율이동차량의 회전반경을 산출하고, 상기 자율이동차량의 속도와 상기 산출된 회전반경을 이용하여 상기 회전반경을 추종하는 요레이트를 계산하고, 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하며, 상기 제1 및 제2 헤딩각을 이용하여 상기 생성된 조향명령을 보정한다.
조향제어장치(130)는 경로선택부(132a), 연산부(132b) 및 조향명령생성부(132c)를 포함한다. 상기 경로선택부(132a), 연산부(132b) 및 조향명령생성부(132c)는 자율제어컴퓨터(132, 도 2 참조)를 구성할 수 있다.
경로선택부(132a)는 수신된 경로점들을 이용하여 현재 자율이동차량의 위치를 기준으로 상기 자율이동차량의 추종하는 추종 경로점을 선택하고, 연산부(132b)는 상기 자율이동차량의 위치를 기준으로 추종 경로점을 향하는 상기 자율이동차량의 제2 헤딩각을 산출하고, 상기 추정 경로점에 대한 상기 자율이동차량의 회전반경을 연산한다.
조향명령생성부(132c)는 상기 자율이동차량의 속도와 상기 연산된 회전반경을 이용하여 상기 회전반경을 추종하는 요레이트를 계산하고, 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하고, 상기 제2 헤딩각과 북쪽에 대한 상기 자율이동차량의 제1 헤딩각을 이용하여 상기 조향명령을 보정한다.
상기 조향명령은 기설정된 특성식을 이용하여 생성되며, 상기 특성식은 상기 조향명령 및 요레이트를 각각 독립 및 종속변수로 하는 다항식이며, 상기 다항식의 계수는 특정범위내에서 샘플링된 조향명령에 대하여 특정 노면상태에서 측정된 출력요레이트에 의하여 산출된다.
또한, 상기 조향명령생성부(132c)는 상기 자율이동차량이 이동하는 노면상태에 대응하도록 상기 조향명령 또는 보정된 조향명령이 상기 특정범위내에서 최대값에 해당하면 상기 기설정된 특성식을 특정비율로 변경한다.
조향명령생성부(132c)가 이용하는 특성식과 특정비율은 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명한 조향제어방법에서 상세히 설명된다.
이하, 노면의 종류나 상태 변화에 적응하는 특성식이 정규화된 입력 조향명령에 대한 출력요레이트의 특성식에 대한 확장 또는 축소된 형태로 이루어진다는 것을 실제 잔디밭 및 야지에 대한 자율이동차량 특성식 비교를 통해서 설명한다.
도 10은 자율이동차량의 특성식의 패턴을 나타내는 그래프이다.
야지 노면은 일부 굴곡이 있고 낮은 풀과 높은 풀들이 있는 환경을 나타내며, 잔디밭 노면으로 비교적 균일하게 잔디가 심어져 있고 평평한 노면을 나타낸다.
도 10의 그래프는 조향 입력에 대한 조향 각속도를 나타내며, 별표는 잔디밭, 원은 야지에서 정규화된 입력 조향 명령에 대한 출력요레이트의 특성을 나타낸다. 세모는 야지의 그래프에 식(4)의 비율이 곱하여진 것이다. 본 그래프로부터 노면의 종류나 상태에 따라 그 특성식이 변하지만 그 패턴은 변하지 않고 기준 특성을 기준으로 확장 또는 축소하는 형태로 변한다는 것이 검증된다.
상기와 같은 자율이동차량의 조향제어장치, 이를 구비하는 자율이동차량 및 자율이동차량의 조향제어방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 자율이동차량의 위치 및 북쪽에 대한 상기 자율이동차량의 제1 헤딩각을 수신하는 단계;
    상기 자율이동차량의 위치를 기준으로 추종 경로점을 향하는 상기 자율이동차량의 제2 헤딩각을 산출하고, 상기 추정 경로점에 대한 상기 자율이동차량의 회전반경을 연산하는 단계;
    상기 자율이동차량의 속도와 상기 연산된 회전반경을 이용하여 상기 회전반경을 추종하는 요레이트(yaw rate)를 계산하고, 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 헤딩각을 이용하여 상기 조향명령을 보정하는 단계를 포함하는 자율이동차량의 조향제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조향명령 생성단계는,
    기설정된 특성식을 이용하여 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하는 단계인 자율이동차량의 조향제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 특성식은 상기 조향명령 및 요레이트를 각각 독립 및 종속변수로 하는 다항식이며, 상기 다항식의 계수는 특정범위내에서 샘플링된 조향명령에 대하여 특정 노면상태에서 측정된 출력요레이트에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 자율이동차량의 조향제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자율이동차량이 이동하는 노면상태에 대응하도록 상기 조향명령 또는 보정된 조향명령이 상기 특정범위내에서 최대값에 해당하면 상기 기설정된 특성식을 특정비율로 변경하는 단계를 더 포함하는 자율이동차량의 조향제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 변경하는 단계는,
    현재의 조향명령을 검출하고, 상기 현재의 조향명령을 상기 특정범위내에서 최대값과 비교하여 상기 최대값에 대응하는 최대요레이트를 검출하는 단계; 및
    상기 최대요레이트과 상기 샘플링된 조향명령이 최대값일 때의 최대출력요레이트를 이용하여 상기 기설정된 특성식을 갱신하는 단계를 포함하는 자율이동차량의 조향제어방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자율이동차량이 이동하는 노면상태에 대응하도록 상기 조향명령을 특정비율로 확대 또는 축소하는 단계를 더 포함하는 자율이동차량의 조향제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 조향명령 생성단계는 기설정된 다항식을 이용하여 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하는 단계이고,
    상기 확대 또는 축소하는 단계는 상기 다항식의 계수를 특정비율로 확대 또는 축소하는 단계이며,
    상기 다항식은 샘플링된 조향명령과 상기 샘플링된 조향명령에 의하여 특정상태에서 출력되는 상기 자율이동차량의 출력요레이트를 이용하여 설정되며,
    상기 특정비율은 상기 샘플링된 조향명령의 최대값에 대응하는 최대출력요레이트과 상기 조향명령의 최대값에 대응하는 최대요레이트의 비율인 것을 특징으로 하는 자율이동차량의 조향제어방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보정단계는,
    상기 제1 및 제2 헤딩각의 차이에 기설정된 이득을 곱한 값을 상기 조향명령에 더하는 단계인 자율이동차량의 조향제어방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 회전반경은 상기 자율이동차량이 상기 추종 경로점과 원호로 이어질 때 상기 원호에 대응하는 반경인 것을 특징으로 하는 자율이동차량의 조향제어방법.
  10. 수신된 경로점들을 이용하여 현재 자율이동차량의 위치를 기준으로 상기 자율이동차량의 추종하는 추종 경로점을 선택하는 경로선택부;
    상기 자율이동차량의 위치를 기준으로 추종 경로점을 향하는 상기 자율이동차량의 제2 헤딩각을 산출하고, 상기 추정 경로점에 대한 상기 자율이동차량의 회전반경을 연산하는 연산부; 및
    상기 자율이동차량의 속도와 상기 연산된 회전반경을 이용하여 상기 회전반경을 추종하는 요레이트(yaw rate)를 계산하고, 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하고, 상기 제2 헤딩각과 북쪽에 대한 상기 자율이동차량의 제1 헤딩각을 이용하여 상기 조향명령을 보정하는 조향명령생성부를 포함하는 자율이동차량의 조향제어장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 조향명령은 기설정된 특성식을 이용하여 생성되며,
    상기 특성식은 상기 조향명령 및 요레이트를 각각 독립 및 종속변수로 하는 다항식이며, 상기 다항식의 계수는 특정범위내에서 샘플링된 조향명령에 대하여 특정 노면상태에서 측정된 출력요레이트에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 자율이동차량의 조향제어장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 조향명령생성부는,
    상기 자율이동차량이 이동하는 노면상태에 대응하도록 상기 조향명령 또는 보정된 조향명령이 상기 특정범위내에서 최대값에 해당하면 상기 기설정된 특성식을 특정비율로 변경하는 것을 특징으로 하는 자율이동차량의 조향제어장치.
  13. 자율이동이 가능하도록 이루어지며, 주행수단이 장착되는 본체;
    상기 본체의 위치, 북쪽에 대한 상기 본체의 제1 헤딩각 및 경로점들을 수신하는 수신기;
    상기 본체의 위치를 기준으로 상기 경로점들 중 어느 하나를 추종 경로점으로 선택하며, 상기 본체가 상기 추정 경로점을 추종하도록 조향명령을 생성하며, 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따르는 조향제어장치; 및
    상기 조향명령을 전송받도록 이루어지며, 전송받은 조향명령에 따라 상기 주행수단을 제어하는 주행제어기를 포함하고,
    상기 조향제어장치는 상기 자율이동차량의 위치를 기준으로 상기 추종 경로점의 제2 헤딩각과 상기 자율이동차량의 회전반경을 산출하고, 상기 자율이동차량의 속도와 상기 산출된 회전반경을 이용하여 상기 회전반경을 추종하는 요레이트(yaw rate)를 계산하고, 상기 계산된 요레이트에 대응하는 조향명령을 생성하며, 상기 제1 및 제2 헤딩각을 이용하여 상기 생성된 조향명령을 보정하는 것을 특징으로 하는 자율이동차량.
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