KR20160105255A - 차량 충돌 방지를 위한 지능형 신호등 제어 장치 및 방법 - Google Patents

차량 충돌 방지를 위한 지능형 신호등 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

차량 충돌 방지를 위한 지능형 신호등 제어 장치 및 방법을 공개한다. 본 발명은 교차로에 배치되어 기지정된 영역을 촬영하는 적어도 하나 이상의 카메라에서 획득된 영상을 입력받는 영상 입력부, 기지정된 방식으로 영상을 분석하여, 차량의 교차로 진입 여부 및 진행 방향을 판단하고, 차량의 진입 위치, 시간 및 속도를 산출하여, 차량 정보를 획득하는 차량 진행 분석부 및 차량 정보를 인가받고, 기저장된 교차로 정보와 차량 정보를 이용하여 교차로로 진입한 차량이 교차로를 이탈할 때까지의 예상 시간을 계산하며, 예상 시간에 따라 대기 도로에 대응하는 신호등의 신호 전환 시점을 제어하는 교차로 신호 제어부를 포함한다.

Description

차량 충돌 방지를 위한 지능형 신호등 제어 장치 및 방법{SMART TRAFFIC LIGHT CONTROL APPARATUS AND METHOD FOR PREVENTING TRAFFIC ACCIDENT}
본 발명은 신호등 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 교차로에서 차량의 상태에 따라 신호 전환 시간을 조절하여 차량 충돌을 방지하는 지능형 신호등 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
차량간 충돌 사고 중 교차로에서 발생하는 사고는 전체 교통 사고 중 대략 절반을 차지할 정도로 발생 빈도가 높다. 특히 전체 교통 사고 발생 건수가 점차로 감소하고 있음에도, 교차로에서의 교통 사고 발생 건수는 오히려 크게 증가하고 있는 추세이다. 또한 통상의 차량 충돌 사고와 달리 교차로에서는 서로 진행 방향이 다른 차량 간의 충돌 사고, 즉 측면 및 정면 충돌 사고가 많아 대형 사고나 인명 사고로 이어질 가능성이 매우 높다.
그리고 교차로 사고의 대부분은 신호등의 신호가 전환되는 과정에서 발생한다. 기존의 교차로 신호등은 교차로에 진입하는 차량의 상태에 무관하게 지정된 시간에 신호가 변환되도록 설정되어 있어, 교차로에 늦게 진입한 차량이 교차로의 신호가 전환된 이후에도 교차로를 미쳐 이탈하지 못하는 경우가 많다. 그러나 교차로의 다른 방향에서 신호 대기중인 차량은 신호가 전환되면, 주변의 차량 상태를 확인하지 않고, 즉각적으로 교차로로 진입하는 경우가 빈번하다. 따라서 교차로를 이탈하지 못한 차량과 새로이 교차로로 진입하는 차량 사이에 충돌 사고가 발생하게 된다.
상기한 신호 전환 과정에서 발생하는 교차로 사고를 방지하기 위해, 현재 대부분의 교차로 신호등 제어 장치는 신호등을 진행 신호인 녹색 신호에서 정지 신호인 적색 신호로 전환하거나, 적색 신호에서 녹색 신호로 전환하는 사이에 주의 신호인 황색 신호 구간을 추가로 설정하고 있다. 황색 신호 구간은 교차로에 진입하는 차량의 운전자가 신호가 곧 전환됨을 미리 인지할 수 있도록 하여, 이미 교차로에 진입한 차량 이외의 차량이 신호 전환 직전에 교차로에 추가로 진입하는 것을 방지한다.
또한 일부 교차로 신호등 제어 장치는 신호등의 신호가 전환되는 과정에 교차로의 모든 신호등이 기설정된 시간 동안 적색으로 표시되는 전(全)적색 신호 구간을 두어, 신호 대기 중인 차량이 교차로에 진입하는 시간을 지연함으로써, 교차로 내 차량간 충돌 사고가 발생하는 것을 방지하도록 하고 있다.
그러나 상기한 기존의 신호등은 교차로에 진입하거나 진출하는 차량의 상태와 무관하게 지정된 시간에 신호가 전환되도록 설정된다. 즉 녹색 및 적색 신호 구간뿐만 아니라 황색 신호 구간 및 전적색 신호 구간 또한 지정된 시간 동안 유지되고 다른 신호로 전환된다. 이에 교차로에 황색 신호 구간 및 전적색 신호 구간이 적용된 초기에는 사고율이 감소하지만, 신호등의 신호 전환 순서에 익숙해진 운전자들이 예측 출발을 하거나 주의 신호 구간인 황색 신호 구간에 교차로에 진입하는 등과 같이 악용할 소지가 있어, 운전자의 경각심을 고취하고 사고를 방지하는데 한계가 있다. 실제로 황색 신호 구간 및 전적색 신호 구간이 적용된 교차로는 시간이 흐름에 따라 사고율이 황색 신호 구간 및 전적색 신호 구간이 적용되기 이전과 비슷하거나 오히려 높아진 것으로 분석되고 있다. 또한 황색 구간 및 전적색 신호 구간이 교통 상황에 무관하게 일정하게 추가되므로, 차량의 신호 대기 시간 증가되어 교통 체증을 가중시키는 요인이 된다.
이에 운전자들의 안전과 원활한 교통 흐름을 제공하기 위해서 차량 간 충돌을 방지할 수 있는 방법에 대한 다양한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
기존에 제안된 다양한 차량간 충돌 방지 방법 중 하나로 IDS (Intersection Detection Support System)가 있다. IDS에서는 도로 주변에 설치된 무선 센서가 차량을 감지하여 메시지를 IDS 서버로 전송하고, IDS 서버는 수신된 메시지로부터 차량간 간격을 산출하여 교차로 내에 진입하는 차량 각각에 제어 메시지를 전송하여 차량을 제어함으로써, 차량의 충돌 사고를 방지한다. 그러나 IDS를 구현하기 위해서는 차량을 감지하기 위한 복수개의 무선 센서와 복수개의 무선 센서에서 생성한 메시지를 IDS 서버로 전달하는 집중형 통신 모듈, 차량 내에 구비되어 IDS 서버에서 전송되는 제어 메시지를 수신하는 수신 모듈 등이 구비되어야 한다는 한계가 있다. 특히 교차로로 진입하는 모든 차량에 수신 모듈이 구비되지 않으면, 실질적인 사고 방지 효과를 얻기 어렵다는 문제가 있다.
WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments)도 기존에 제안된 차량 충돌 방지 방법 중 하나이다. WAVE는 차량들이 위치와 속도에 대한 정보를 교환하여 좌회전이 가능한 2차선 도로에서 반대편 차량과의 충돌 가능성을 예측하고, 예측 결과를 운전자에게 HMI(Human Machine Interface)를 통해 차량 충돌을 경고하여 사고를 방지하는 방법이다. 그러나 WAVE는 2차선 이외의 n차선의 교차로에 대한 해결책을 제시하지 않으며, 차량의 감속도, 좌회전시의 속도 및 도로 폭 등을 일정한 값으로 계산하여 경고를 발생하기 때문에 다양한 조건의 교차로에 활용이 어렵다는 한계가 있다.
그리고 상기한 IDS와 WAVE 와 같은 차량 충돌 방지 방법은 서버와 차량 또는 차량들 사이의 무선 통신을 통해 신호등이 아닌 차량을 제어하여, 충돌을 방지하는 방법이다. 그러나 차량과의 무선 통신을 사용하는 방법은 각 차량에 무선 통신 모듈이 구비되어야 효율적으로 운용될 수 있다는 한계가 있을 뿐만 아니라, 통신 수행 시간이나 운전자의 반응 속도에 비해, 교차로 내에서 차량간 충돌이 발생하는 시간이 짧아 사고 방지 효과가 높지 않다는 문제가 있다.
한국 등록 특허 제10-1167580호 (2012.07.16 등록)
본 발명의 목적은 교차로에 배치된 카메라를 통해 획득된 영상을 이용하여 교차로의 차량 상태를 분석하고, 분석된 차량 상태에 따라 신호 전환 시간을 조절하여 차량 충돌을 방지하는 지능형 신호등 제어 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 지능형 신호등 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 지능형 신호등 제어 장치는 교차로에 배치되어 기지정된 영역을 촬영하는 적어도 하나 이상의 카메라에서 획득된 영상을 입력받는 영상 입력부; 기지정된 방식으로 상기 영상을 분석하여, 차량의 상기 교차로 진입 여부 및 진행 방향을 판단하고, 상기 차량의 진입 위치, 시간 및 속도를 산출하여, 차량 정보를 획득하는 차량 진행 분석부; 및 기저장된 교차로 정보와 상기 차량 정보를 이용하여 상기 교차로로 진입한 차량이 상기 교차로를 이탈할 때까지의 예상 시간을 계산하며, 상기 예상 시간에 따라 상기 교차로의 대기 도로에 대응하는 신호등의 신호 전환 시점을 제어하는 교차로 신호 제어부; 를 포함한다.
상기 교차로 신호 제어부는 상기 교차로 정보와 상기 차량 정보를 이용하여 상기 차량의 교차로 진입 지점과 이탈 지점을 판별하고, 차량이 상기 진입 지점으로부터 상기 이탈 지점까지 진행하는 궤적 거리를 획득하며, 상기 궤적 거리와 상기 차량의 속도 및 상기 진입 지점에 진입 시간을 이용하여 상기 예상 시간을 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 교차로 신호 제어부는 상기 교차로에 진입한 상기 차량 각각에 대한 상기 예상 시간이 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등을 상기 정지 신호에서 상기 진행 신호로 전환하기 위해 지정된 예정 시간을 초과하는지 판별하고, 상기 예상 시간이 상기 예정 시간을 초과하면, 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등의 상기 정지 신호를 지연하는 것을 특징으로 한다.
상기 교차로 신호 제어부는 상기 예상 시간과 상기 예정 시간의 시간차를 계산하여 지연 시간을 획득하고, 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등의 상기 정지 신호를 상기 지연 시간에 대응하는 시간 동안 지연한 후, 상기 진행 신호로 전환하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 지능형 신호등 제어 시스템은 교차로에 배치되어 기지정된 영역을 촬영하는 적어도 하나 이상의 카메라; 상기 교차로에 배치되어 상기 교차로 상의 지정된 도로에 대해 진행 신호 및 정지 신호를 표시하는 복수개의 신호등; 및 상기 카메라에서 획득된 영상을 입력받아 상기 영상을 기지정된 방식으로 분석하여, 상기 교차로에 진입한 차량의 진입 위치, 시간 및 속도를 포함하는 차량 정보를 획득하며, 기저장된 교차로 정보와 상기 차량 정보를 이용하여 상기 교차로로 진입한 차량이 상기 교차로를 이탈할 때까지의 예상 시간을 계산하고, 상기 예상 시간에 따라 대응하는 대기 도로에 대응하는 신호등의 신호 전환 시점을 제어하는 신호등 제어 장치; 를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 지능형 신호등 제어 방법은 영상 입력부, 차량 진행 분석부 및 교차로 신호 제어부를 포함하는 신호등 제어 장치의 신호등 제어 방법에 있어서, 상기 영상 입력부가 교차로에 배치되어 기지정된 영역을 촬영하는 적어도 하나 이상의 카메라에서 획득된 영상을 입력받는 단계; 상기 차량 진행 분석부가 기지정된 방식으로 상기 영상을 분석하여, 차량의 상기 교차로 진입 여부 및 진행 방향을 판단하고, 상기 차량의 진입 위치, 시간 및 속도를 산출하여, 차량 정보를 획득하는 단계; 상기 교차로 신호 제어부가 기저장된 교차로 정보와 상기 차량 정보를 이용하여 상기 교차로로 진입한 차량이 상기 교차로를 이탈할 때까지의 예상 시간을 계산하는 단계; 상기 교차로 신호 제어부가 상기 차량에 대한 상기 예상 시간이 대기 도로에 대응하는 신호등을 정지 신호에서 진행 신호로 전환하기 위해 기지정된 예정 시간을 초과하는지 판별하는 단계; 및 상기 예상 시간이 상기 예정 시간을 초과하면, 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등의 상기 정지 신호를 상기 초과하는 시간 동안 지연하는 단계; 를 포함한다.
따라서, 본 발명의 지능형 신호등 제어 장치 및 방법은 교차로에 진입한 차량이 교차로를 이탈하는 시간을 계산하고, 계산된 지연 시간만큼 신호등의 신호 전환을 지연하여 교차로 내의 차량 충돌 사고를 방지할 수 있다. 그리고 차량과 통신을 수행하지 않으므로, 차량에 별도의 추가 구성 요소를 필요로 하지 않는다. 또한 기존에 교차로에 배치된 카메라 및 신호등 제어 장치를 이용할 수 있어 비용 상승을 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라 다양한 조건의 교차로에 용이하게 적용할 수 있으며, 교통 체증을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호등 제어 시스템의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 교차로 신호 제어부가 교차로 상의 지연 시간을 계산하는 방법을 설명하기 위한 교차로의 모델의 일 예를 나타낸다.
도 3은 기존의 교차로에서 차량 충돌이 발생하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 신호등 제어 장치에 의해 신호등의 신호 전환을 제어하여 차량 충돌을 방지하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호등 제어 방법을 나타낸다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호등 제어 시스템의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 1에서 카메라부(10)는 적어도 하나 이상의(도1 에서는 일예로 m개)의 카메라를 구비하고, 각 카메라는 각 교차로의 지정된 위치에 배치되어 미리 지정된 영역을 촬영한다. 여기서 카메라부(10)의 카메라는 교차로에서 미리 지정된 영역을 촬영하기 위하여 복수개가 구비될 수 있다. 그러나 필요에 따라 카메라부(10)는 특정 지정 영역만을 촬영하기 위하여 하나의 카메라만을 구비할 수도 있다. 도 1에서 m이 1이 되는 경우 카메라부(10)가 하나의 카메라를 구비함은 물론이다. 여기서 카메라의 수를 나누는 기준은 카메라가 취득하는 영상의 개수가 될 수 있고, 만일 하나의 물리적 카메라 장치를 이용하더라도 복수개의 렌즈를 구비하여 복수개의 서로 다른 영상을 취득하는 경우에는 복수개의 카메라를 구비한 것으로 볼 수 있다. 또는 카메라부(10)는 어안렌즈 등을 장착한 카메라를 이용하여 광역의 영상을 획득한 후 교차로에서 미리 지정된 영역 별로 영상을 분할하여 복수개의 영상을 취득할 수도 있다. 이 경우는 복수개의 카메라를 이용하여 복수개의 영상을 획득하는 경우와 동일한 방식으로, 아래에서 상세히 설명하는 바 각 영상에 대하여 카메라의 식별자에 대응하는 식별자를 부여하여 처리될 수 있다. 본 발명에 따른 카메라부(10)는 위와 같이 적어도 하나 이상의 카메라를 이용하여 교차로의 지정된 영역을 촬영한 영상을 획득하는 모든 경우를 포함한다.
그리고 카메라는 촬영된 영상을 신호등 제어 장치(20)로 전송한다. 이때 카메라는 신호등 제어 장치(20)와 무선 및 유선으로 연결되어 영상을 전송할 수 있으나, 시스템의 안정성과 빠른 동작 속도를 위해 유선으로 연결되는 것이 바람직하다.
카메라부(10)의 카메라는 본 발명의 신호등 제어 장치를 위해 교차로에 추가로 배치될 수 있으며, 기존에 교차로에 카메라가 배치되어 있다면, 이미 배치된 카메라를 그대로 활용할 수 있다.
신호등 제어 장치(20)는 카메라부(10)의 적어도 하나 이상의 카메라로부터 영상을 인가받고, 인가된 영상에 포함된 차량을 판별한다. 그리고 판별된 차량의 속도와 위치를 분석한다. 특히 신호등 제어 장치(20)는 교차로에 진입하는 차량을 인지하고, 교차로에 진입한 차량이 교차로를 이탈하는데 필요한 시간을 기설정된 방식으로 계산한다. 그리고 신호등 제어 장치(20)는 계산된 시간만큼 신호 전환 시간이 지연되도록 신호등(30)으로 제어 신호를 출력한다.
신호등(30)은 신호등 제어 장치(20)의 제어에 따라 신호를 전환하여 교차로에 신규 차량의 진입을 통제한다.
즉 본 발명의 신호등 제어 장치(20)는 교차로 내에 진입한 차량이 교차로를 벗어날 때까지의 시간을 계산하고, 계산된 시간만큼 신호등(30)의 신호가 전환되는 것을 지연함으로써, 다른 차량이 교차로에 진입하지 못하도록 하여 차량간 충돌 사고가 발생하는 것을 방지한다.
신호등 제어 장치(20)를 상세하게 설명하면, 신호등 제어 장치(20)는 영상 입력부(21), 차량 진행 분석부(23) 및 교차로 신호 제어부(25)를 구비한다.
영상 입력부(21)는 카메라부(10)의 각 카메라로부터 전송되는 영상을 입력받는다. 이때 영상 입력부(21)는 적어도 하나 이상의 카메라에서 입력된 영상 중 교차로 신호 제어부(25)의 제어에 따라 지정된 카메라의 영상을 선택하여 차량 진행 분석부(23)로 전송할 수 있다. 영상 입력부(21)가 교차로 신호 제어부(25)의 제어에 따라 지정되는 카메라에서 입력되는 영상을 선택하여 전송하는 것은 차량 진행 분석부(23)가 교차로에 배치된 적어도 하나 이상의 카메라에서 획득된 모든 영상을 분석하지 않아도 신호 전환 지연 시간을 계산할 수 있기 때문이다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 신호등 제어 장치(20)는 교차로 내에 진입한 차량이 교차로를 벗어날 때까지의 시간을 계산하여 신호등의 신호 전환을 지연한다. 그러므로 현재 신호등(30)이 진행 신호(녹색 신호)로 표시되는 도로를 주행 중인 차량이 교차로를 벗어날 때까지의 시간을 계산하면, 신호등(30)의 신호를 전환하기 위한 지연 시간을 계산할 수 있다. 이에 영상 입력부(21)는 교차로 신호 제어부(25)에서 인가되는 선택 신호에 응답하여 현재 신호등(30)이 진행 신호로 표시된 도로를 감지하도록 지정된 카메라의 영상을 선택하여 차량 진행 분석부(23)로 전송함으로써, 신호등(30)이 정지 신호로 표시된 도로에 대한 분석을 수행하지 않도록 하여 신호등 제어 장치(20)가 효율적으로 동작하도록 한다.
그러나 경우에 따라서 영상 입력부(21)가 복수개의 카메라에서 입력된 영상을 모두 차량 진행 분석부(23)로 전송하도록 구성되어도 무방하다.
또한 영상 입력부(21)에는 영상을 전송하는 카메라 각각에 대한 식별자가 지정되어, 카메라 각각에서 입력된 영상에 카메라의 식별자를 추가하여 교차로 차량 진행 분석부(23)로 전송할 수 있다.
차량 진행 분석부(23)는 영상 입력부(21)에서 인가되는 영상을 분석하여, 영상 내에 차량이 포함되어 있는지를 판별하고, 만일 차량이 포함되어 있다면, 영상에 포함된 차량 각각의 속도와 위치 정보를 포함하는 차량 정보를 획득한다. 여기서 차량 진행 분석부(23)는 기존의 영상을 기반으로 한 패턴 인식 및 물체 추적 알고리즘을 이용하여, 영상에 포함된 차량을 식별하고, 식별된 차량의 위치, 속도, 교차로 진입 여부와 같은 차량 정보를 획득하여 교차로 신호 제어부(25)로 전송한다. 이때 차량 진행 분석부(23)는 차량 정보에 카메라 식별자를 포함하여 교차로 신호 제어부(25)로 전송한다.
여기서 차량 진행 분석부(23)가 인가된 영상으로부터 상기 차량 정보를 획득하는 방법은 기존의 다양한 영상 객체 인식(Object Recognition) 또는 추적(Tracking) 기술을 이용할 수 있다. 차량 진행 분석부(23)는 인가된 영상을 분석하여 차량 영상이 가지는 미리 정해진 특징(Feature) 정보를 이용하거나 용태(Appearance) 정보를 이용하여 차량 객체를 인식 또는 식별할 수 있다. 여기서 차량 진행 분석부(23)는 SIFT(Scale-invariant feature transform), SULF(Speeded Up Robust Features), HOG(Histogram of Oriented Gradients)를 비롯한 기존의 다양한 객체 인식 기술을 사용할 수 있다. 또한 차량 진행 분석부(23)는 기존의 다양한 객체 추적 기술을 이용하여 인식된 차량 객체가 영상의 각 프레임들 간에서 시간의 흐름에 따라 이동하는 위치를 추적하고, 추적한 위치 정보를 이용하여 차량의 속도 정보와 교차로 내 위치 정보를 획득할 수 있다. 예를 들면 차량 진행 분석부(23)는 Blob 트래킹 기법, 커널 기반 트래킹 기법, Countour 트래킹 기법, 필터 트래킹 기법, 특징 기반 트래킹 기법 등의 다양한 종류의 트래킹 기법을 이용할 수 있다.
여기서 차량 진행 분석부(23)는 미리 저장된 교차로 정보와 위와 같이 획득한 차량의 위치 정보를 이용하여 차량의 속도를 산출하고, 교차로 진입 여부 등을 포함하는 교차로 내 차량의 위치 정보를 획득할 수 있다. 여기서 차량 진행 분석부(23)는 한국 등록 특허 제10-1070448호, 한국 공개 특허 제10-2012-0082755호, 다중 카메라 환경에서 다중 객체추적 기술 연구 (한국정보과학회 2009 가을 학술발표논문집 제36권 제2호(C), 2009.11, 414-417)를 포함한 다양한 문헌에서 공지된 기술을 이용하여 차량 객체 인식, 추적을 수행하고 상기 차량 정보를 획득할 수 있다. 차량 진행 분석부(23)가 위에서 구체적인 이름과 함께 예시된 방법 이외에 다양한 공지된 객체 인식, 추적 기술을 이용하여 상기 차량 정보를 획득할 수 있음은 물론이며, 차량 진행 분석부(23)의 동작은 상기 예시된 기술들에 한정되지 않는다.
교차로 신호 제어부(25)는 카메라 중 현재 진행 신호로 표시된 신호등에 대응하는 카메라의 식별자를 선택 신호로서 영상 입력부(21)로 전송하고, 차량 진행 분석부(23)로부터 차량 정보를 인가받아 기저장된 교차로 정보와 함께 분석하여 교차로에 진입한 차량이 교차로를 이탈할 때까지의 지연 시간을 계산하고, 계산된 지연 시간에 따라 신호등(30)을 지연하여 신호 전환하도록 제어 신호를 출력한다.
도 2는 도 1의 교차로 신호 제어부가 교차로 상의 지연 시간을 계산하는 방법을 설명하기 위한 교차로의 모델의 일 예를 나타낸다.
도 2에서는 일 예로 A, B, C, D의 네 개의 도로가 교차하는 교차로를 도시하였으며, 교차로 정보와 차량 정보에 포함되는 정보에 대한 기호가 아래와 같이 정의될 수 있다.
N: 왕복 차로의 개수
d: 차로 폭
s: 횡단보도의 폭
K: 좌회전이 허용된 차로의 개수 (1 ≤ K ≤ N/2)
Xk: k번째 좌회전 차로의 차량이 교차로 내부에 진입하는 진입 지점
Yk: k번째 좌회전 차로의 차량이 교차로 외부로 벗어나는 이탈 지점
rk: k번째 좌회전 차로의 차량이 좌회전하는 원형 궤적 반지름의 길이
Lk: k번째 좌회전 차로의 차량이 진입 지점(Xk)을 진입해서 이탈 지점(Yk)을 이탈할 때까지 진행하는 궤적 거리
ek: k번째 좌회전 차로의 이탈 지점(Yk)을 완전 통과하기 위한 소요 시간
vk: k번째 좌회전 차로의 차량 속도
(여기서 k의 범위는 1 ≤ k ≤ K이다.)
T: 대기 도로의 신호등이 정지 신호로 전환된 이후, 진행 신호로 전환될 때까지의 설정 시간
Tred: 대기 도로의 신호등이 설정 시간 이후, 진행 신호로의 전환을 지연하는 지연 시간
그리고 본 발명에서는 교차로에서 차량이 진행 중인 도로를 진행 도로라 하고, 진행 도로 중 좌회전이 진행 중인 도로를 좌회전 도로라 하며, 직진이 진행중인 도로를 직진 도로라 한다. 그리고 적색신호에 의하여 차량이 정지 중인 도로를 대기 도로라 한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 신호등 제어 장치가 좌회전 도로에서 교차로로 진입한 차량을 기준으로 신호등을 제어하는 방법에 대해 설명하지만 본 발명은 직진 도로에 대해서도 유사하게 적용할 수 있다.
도 2를 참조하여 지연 시간을 계산하는 교차로 신호 제어부(25)의 동작을 살펴보면, 교차로 신호 제어부(25)는 우선 현재 진행 신호로 표시된 신호등에 대응하는 카메라를 선택하기 위한 선택 신호를 영상 입력부(21)로 전송한다. 교차로 신호 제어부(25)는 교차로에 배치된 신호등(30)을 제어하는 제어부로서 동작하므로, 현재 진행 신호로 표시된 신호등을 용이하게 구분할 수 있다. 교차로 신호 제어부(25)는 현재 진행 신호로 표시된 신호등에 대응하는 카메라의 식별자를 선택 신호로서 영상 입력부(21)로 전송할 수 있다.
또한 교차로 신호 제어부(25)는 신호등에 진행 신호에서 정지 신호로 전환되기 전에 주의 신호 구간이 지정되어 있다면, 주의 신호 구간에 선택 신호를 영상 입력부(21)로 전송하도록 설정될 수 있다. 이는 진행 신호 구간에 교차로에 진입하는 차량은 주의 신호 구간 동안에 교차로를 이탈할 수 있는 반면, 주의 신호 구간에 교차로에 진입한 차량의 경우에는 정지 신호로 전환된 이후에도 교차로 내에 있을 가능성이 크기 때문에, 주의 신호 구간에 교차로에 진입한 차량만을 분석할 수 있도록 하기 위함이다.
교차로 신호 제어부(25)는 차량 진행 분석부(23)로부터 차량 정보를 인가받고. 인가된 차량 정보에 포함된 카메라 식별자를 판별하여, 선택 신호에 대응하는 카메라의 식별자인지 판별한다. 교차로 신호 제어부(25)는 차량 정보에 포함된 카메라 식별자가 선택 신호에 대응하는 카메라 식별자로 판별되면, 인가된 차량 정보를 분석하여 지연 시간을 계산한다. 그러나 차량 정보에 포함된 카메라 식별자가 선택 신호에 대응하는 카메라 식별자가 아니면, 교차로 신호 제어부(25)는 선택 신호에 대응하는 카메라 식별자를 포함하는 차량 정보가 인가될 때까지 대기할 수 있다.
차량 진행 분석부(23)에서 인가된 차량 정보가 k번째 차로의 좌회전 진입점(Xk)에 도착하는 차량에 대한 정보인 것으로 가정하면, 원형 궤적 반지름의 길이(rk)는 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00001
그리고 원형 궤적 반지름의 길이(rk)가 계산되면, 궤적 거리(Lk)가 수학식 2에 따라 계산된다.
Figure pat00002
교차로 내에서 좌회전하는 차량의 궤적 거리(Lk)가 계산되면, 계산된 궤적 거리(Lk)와 좌회전 차로의 차량 속도(vk)를 이용하여 소요 시간(ek)이 수학식 3 과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00003
한편, 좌회전 도로의 신호등이 좌회전 신호인 상태에서 차량들이 좌회전을 하게 되며, 이때 대기 도로의 신호등은 정지 신호가 되어 차량 진행이 제한된다. 이후 좌회전 도로의 좌회전 신호가 정지 신호로 전환되는 반면, 대기 도로의 신호는 정지 신호에서 진행 신호로 변환되어 대기 차량의 교차로 진입이 이루어진다. 그러나 좌회전 도로에서 좌회전하는 차량이 교차로를 이탈하지 못한 상태에서, 대기 도로의 차량이 교차로 내로 진입하게 되면 차량 충돌의 가능성이 높아지게 된다.
여기서 대기 도로 방향의 신호등이 가장 최근 진행 신호(직진 또는 좌회전)에서 정지 신호로 변경된 시간을 SD,n-1이라 하고, 좌회전 도로 방향의 신호등에서 가장 최근에 정지 신호에서 진행 신호로 변경된 시간을 SL,n-1이라고 정의하면, 상기한 충돌 가능성이 높아지는 경우는 SD,n-1 = SL,n-1이 되는 경우이다.
그리고 대기 도로 방향의 신호등이 정지 신호에서 진행 신호로 전환되는 예정 시간을
Figure pat00004
이라 하면, 예정 시간(
Figure pat00005
)는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00006
대기 도로의 시간 구간[SD,n-1,
Figure pat00007
] 사이에 좌회전 도로에서 좌회전 신호에 의하여 k번째 차로에서 i번째 좌회전하는 차량을 Vn,k,i라 하고, 차량(Vn,k,i)이 좌회전 도로 방향의 신호등이 진행 신호로 변경된 시간(SL,n-1) 이후, 교차로의 진입 지점(Xk)을 통과할 때까지의 시간을 tn,k,i라 정의하고, 진입 지점(Xk)을 통과할 때의 속도를 vn,k,i라 정의하면, 차량(Vn,k,i)이 교차로의 이탈 지점(Yk)을 완전히 통과할 것으로 예상되는 예상 시간(en,k,i)은 수학식 3에 따라 수학식 5와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00008
그리고 교차로를 통과하는 i번째 차량의 안전을 위해 대기 도로의 정지 신호를 지연해야 하는 지연 시간(Tred,i)은 수학식 4 및 5를 이용하여 수학식 6으로 계산될 수 있다.
Figure pat00009
수학식 6은 교차로를 통과하는 i번째 차량을 위한 지연 시간을 나타내므로, 교차로에서 적용되어야 하는 실제 지연 시간은 교차로를 통과하는 모든 차량에 대해 계산된 지연 시간 중 가장 큰 값을 갖는 최대 지연 시간(Tred,max)으로 설정되어야 한다.
이에 실제 대기 도로의 정지 신호를 진행 신호로 전환할 전환 시간을 SD,n이라 하면, 전환 시간(SD,n)은 수학식 7로 계산된다.
Figure pat00010
수학식 7에서 α는 (α≥ 0)는 교차로 내 안전을 위하여 추가로 반영해 주는 보정 지연 시간으로 경험적으로 설정될 수 있다.
표 1은 수학식 6의 지연 시간(Tred,i)를 이용하여 전환 시간(SD,n)을 획득하는 알고리즘을 나타낸다.
Figure pat00011
도 3은 기존의 교차로에서 차량 충돌이 발생하는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 신호등 제어 장치에 의해 신호등의 신호 전환을 제어하여 차량 충돌을 방지하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4에서는 진행 신호에서 정지 신호로 전환 전에 주의 신호 구간이 포함되는 신호등을 예로 들어 설명한다.
먼저 도 3을 살펴보면, 하단에는 좌회전 도로가 진행 신호(녹색) 상태이고, 대기 도로는 정지 신호(적색) 상태이다. 이에 좌회전 도로의 차량은 교차로로 진입하여 통과하고, 대기 도로의 차량은 정지 상태로 대기한다. 그리고 대기 도로의 정지 신호는 설정 시간(T) 동안 유지된다. 좌회전 도로는 설정 시간(T) 이전에 주의 신호(황색)로 전환된다. 그러나 도 3에 도시된 바와 같이, 주의 신호 구간에도 교차로에 진입하는 차량이 존재할 수 있다.
교차로에 진입한 차량은 수학식 5에 의해 계산되는 예상 시간(en,k,i) 이후, 교차로를 이탈한다. 그리고 기존의 신호등 제어 시스템은 좌회전 도로의 신호등이 예정 시간(
Figure pat00012
)에 주의 신호에서 정지 신호로 전환됨과 동시에 대기 도로의 신호등이 정지 신호에서 진행 신호로 전환되어, 대기 도로의 차량이 교차로 내로 진입함으로써, 차량간 충돌이 발생한다. 즉 좌회전 도로에서 교차로로 진입한 일부 차량이 교차로를 이탈하지 않은 상태에서, 대기 도로의 차량이 교차로로 진입함으로써, 사고가 발생할 가능성이 높아진다.
그에 비해 도 4를 살펴보면, 본 발명의 신호등 제어 장치는 좌회전 도로의 신호등이 예정 시간(
Figure pat00013
)에 주의 신호에서 정지 신호로 전환되더라도, 교차로 내에 진입한 모든 차량이 교차로를 이탈할 때까지의 지연 시간(Tred)을 계산하고, 계산된 지연 시간만큼 대기 도로의 신호등이 정지 신호로 유지되도록 한다. 따라서 교차로 내의 차량이 교차로를 이탈할 때까지 대기 도로의 차량이 교차로로 진입하지 못하게 함으로써, 사고 발생 가능성을 크게 낮출 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호등 제어 방법을 나타낸다.
도 1을 참조하여, 도 5의 신호등 제어 방법을 설명하면, 먼저 영상 입력부(21)가 카메라부(10)의 적어도 하나 이상의 카메라에서 인가되는 영상을 입력 받는다(S10). 그리고 영상 입력부(10)는 입력된 영상 중 교차로 신호 제어부(25)에서 인가되는 선택 신호에 대응하는 영상을 선택하여 차량 진행 분석부(23)로 전송한다.
이때 교차로 신호 제어부(25)는 현재 신호등(30)이 진행 신호(녹색 신호) 또는 주의 신호(황색 신호)로 표시된 도로에 대응하는 카메라의 식별자를 선택 신호로서 영상 입력부(10)로 전송할 수 있다.
차량 진행 분석부(23)는 영상 입력부(10)에서 인가되는 영상을 기설정된 방식으로 분석하여 차량이 포함되어 있는지 판별하고, 차량이 포함되어 있으면, 챠랑의 영상에 포함된 차량 각각의 교차로 진입 시간 및 속도를 산출하고, 교차로 진입 시간 및 속도가 포함된 차량 정보를 교차로 신호 제어부(25)로 전송한다(S20). 이때 차량 정보에는 영상 입력부(10)가 영상에 포함한 카메라 식별자가 함께 포함되어 전송될 수 있다.
교차로 신호 제어부(25)는 차량 진행 분석부(23)로부터 차량 정보를 인가받아 분석하여, 각 차량의 교차로 통과 시간을 예상 시간(en,k,i)으로 산출한다(S30). 그리고 교차로 신호 제어부(25)는 적어도 하나의 차량의 교차로 예상 시간(en,k,i)이 대기 도로의 신호등을 정지 신호에서 진행 신호로 신호 전환을 위한 예정 시간(
Figure pat00014
)을 초과하는지 비교하여, 교차로 내의 차량 충돌 가능성을 판단한다(S40).
이후 교차로 신호 제어부(25)는 차량 충돌 가능성이 있다고 판단되면, 예정 시간(
Figure pat00015
)을 초과하는 차량의 교차로 통과 시간을 지연 시간(Tred)으로 계산하고, 계산된 지연 시간(Tred)만큼 대기 차로의 정지 신호를 지연하여 표시함으로써, 대기 차로의 차량이 교차로에 진입하지 못하도록 한다(S50)
결과적으로 교차로 내의 모든 차량이 교차로를 이탈할 때까지, 대기 차로의 차량이 교차로에 진입하지 못하도록 함으로써, 교차로 내의 차량간 충돌 사고가 발생하는 것을 방지한다.
상기에서는 교차로에서 좌회전 차량이 교차로를 이탈할 때까지의 예상 시간을 기준으로 지연 시간을 설정하는 것으로 설명하였으나, 이는 교차로 내에서 좌회전 차량에 대한 소요 시간을 계산하는 것이 직진 차량에 대한 소요 시간을 계산하는데 비해 더 복잡하기 때문에 예로써 설명한 것으로, 상기한 바와 같이, 본 발명은 교차로 내로 진입한 직진 차량에 대해서도 유사한 방식으로 신호 전환 시간을 지연하여 사고를 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 교차로에 배치되어 각각 기지정된 영역을 촬영하는 적어도 하나 이상의 카메라에서 획득된 영상을 입력받는 영상 입력부;
    기지정된 방식으로 상기 영상을 분석하여, 차량의 상기 교차로 진입 여부 및 진행 방향을 판단하고, 상기 차량의 진입 위치, 시간 및 속도를 산출하여, 차량 정보를 획득하는 차량 진행 분석부; 및
    기저장된 교차로 정보와 상기 차량 정보를 이용하여 상기 교차로로 진입한 차량이 상기 교차로를 이탈할 때까지의 예상 시간을 계산하며, 상기 예상 시간에 따라 상기 교차로의 대기 도로에 대응하는 신호등의 신호 전환 시점을 제어하는 교차로 신호 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호등 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 교차로 신호 제어부는
    상기 교차로 정보와 상기 차량 정보를 이용하여 상기 차량의 교차로 진입 지점과 이탈 지점을 판별하고, 차량이 상기 진입 지점으로부터 상기 이탈 지점까지 진행하는 궤적 거리를 획득하며, 상기 궤적 거리와 상기 차량의 속도 및 상기 진입 지점에 진입 시간을 이용하여 상기 예상 시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 신호등 제어 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 진입 시간은
    상기 차량이 상기 교차로로 진입한 진행 도로에 대응하는 상기 신호등이 진행 신호로 전환된 이후 상기 차량이 진입 지점을 통과할 때까지의 시간인 것을 특징으로 하는 신호등 제어 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 교차로 신호 제어부는
    상기 교차로에 진입한 상기 차량 각각에 대한 상기 예상 시간이 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등을 정지 신호에서 상기 진행 신호로 전환하기 위해 지정된 예정 시간을 초과하는지 판별하고, 상기 예상 시간이 상기 예정 시간을 초과하면, 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등의 상기 정지 신호를 지연하는 것을 특징으로 하는 신호등 제어 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 교차로 신호 제어부는
    상기 예상 시간과 상기 예정 시간의 시간차를 계산하여 지연 시간을 획득하고, 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등의 상기 정지 신호를 상기 지연 시간에 대응하는 시간 동안 지연한 후, 상기 진행 신호로 전환하는 것을 특징으로 하는 신호등 제어 장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 예정 시간은
    상기 진행 도로에 대응하는 상기 신호등이 상기 진행 신호로 전환된 시점부터 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등이 상기 정지 신호에서 진행 신호로 전환 되도록 지정된 시간까지의 시간 간격인 것을 특징으로 하는 신호등 제어 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 교차로 신호 제어부는
    상기 교차로의 신호등 중 상기 진행 신호 또는 주의 신호로 표시된 신호등에 대응하는 카메라의 식별자를 선택 신호로 상기 영상 입력부로 전송하고,
    상기 영상 입력부는
    상기 카메라에서 획득된 영상 중 상기 선택 신호에 대응하는 영상을 선택하여 상기 차량 진행 분석부로 전송하는 것을 특징으로 하는 신호등 제어 장치.
  8. 교차로에 배치되어 각각 기지정된 영역을 촬영하는 적어도 하나 이상의 카메라;
    상기 교차로에 배치되어 상기 교차로 상의 지정된 도로에 대해 진행 신호 및 정지 신호를 표시하는 복수개의 신호등; 및
    상기 카메라에서 획득된 영상을 입력받아 상기 영상을 기지정된 방식으로 분석하여, 상기 교차로에 진입한 차량의 진입 위치, 시간 및 속도를 포함하는 차량 정보를 획득하며, 기저장된 교차로 정보와 상기 차량 정보를 이용하여 상기 교차로로 진입한 차량이 상기 교차로를 이탈할 때까지의 예상 시간을 계산하고, 상기 예상 시간에 따라 대응하는 대기 도로에 대응하는 신호등의 신호 전환 시점을 제어하는 신호등 제어 장치; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호등 제어 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 신호등 제어 장치는
    상기 교차로 정보와 상기 차량 정보를 이용하여 상기 차량의 교차로 진입 지점과 이탈 지점을 판별하고, 차량이 상기 진입 지점으로부터 상기 이탈 지점까지 진행하는 궤적 거리를 획득하고, 상기 궤적 거리와 상기 차량의 속도 및 상기 진입 지점 진입 시간을 이용하여 상기 예상 시간을 계산하며, 상기 예상 시간이 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등을 상기 정지 신호에서 진행 신호로 전환하기 위해 지정된 예정 시간을 초과하면, 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등의 상기 정지 신호를 상기 초과하는 시간 동안 지연하는 것을 특징으로 하는 신호등 제어 시스템.
  10. 영상 입력부, 차량 진행 분석부 및 교차로 신호 제어부를 포함하는 신호등 제어 장치의 신호등 제어 방법에 있어서,
    상기 영상 입력부가 교차로에 배치되어 기지정된 영역을 촬영하는 적어도 하나 이상의 카메라에서 획득된 영상을 입력받는 단계;
    상기 차량 진행 분석부가 기지정된 방식으로 상기 영상을 분석하여, 차량의 상기 교차로 진입 여부 및 진행 방향을 판단하고, 상기 차량의 진입 위치, 시간 및 속도를 산출하여, 차량 정보를 획득하는 단계;
    상기 교차로 신호 제어부가 기저장된 교차로 정보와 상기 차량 정보를 이용하여 상기 교차로로 진입한 차량이 상기 교차로를 이탈할 때까지의 예상 시간을 계산하는 단계;
    상기 교차로 신호 제어부가 상기 차량에 대한 상기 예상 시간이 대기 도로에 대응하는 신호등을 정지 신호에서 진행 신호로 전환하기 위해 기지정된 예정 시간을 초과하는지 판별하는 단계; 및
    상기 예상 시간이 상기 예정 시간을 초과하면, 상기 대기 도로에 대응하는 상기 신호등의 상기 정지 신호를 상기 초과하는 시간 동안 지연하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호등 제어 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 예상 시간을 계산하는 단계는
    상기 교차로 정보와 상기 차량 정보를 이용하여 상기 차량의 교차로 진입 지점과 이탈 지점을 판별하는 단계;
    판별된 상기 진입 지점과 상기 이탈 지점을 이용하여 차량이 상기 진입 지점으로부터 상기 이탈 지점까지 진행하는 궤적 거리를 획득하는 단계; 및
    상기 궤적 거리와 상기 차량의 속도 및 상기 진입 지점 진입 시간을 이용하여 상기 예상 시간을 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호등 제어 방법.
  12. 제 10항 및 제 11항 중 어느 한 항에 따른 상기 신호등 제어 방법을 구현하기 위한 프로그램 명령어가 기록된, 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체.
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