KR20210128531A

KR20210128531A - 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20210128531A
Application number: KR1020200045894A
Authority: KR
Inventors: 김태홍
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2021-10-27
Also published as: US20210323579A1; CN113525417A

Abstract

자율주행 모드에서의 조향 제어 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치는 자율주행 시스템으로부터 입력된 지령 조향각을 이용하여 지령 조향각 가속도를 검출하는 지령 조향각 가속도 검출부; 조향축의 컬럼토크와 차량의 차속 및 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 이용하여 자율주행 모드를 해지할 지 여부를 판단하는 자율주행 판단기; 및 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러에 따른 게인값을 상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 출력을 기반으로 조절하여 조향각을 제어하는 조향각 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자율주행 모드에서의 조향 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING MOTOR DRIVEN POWER STEERING APPARATUS}

본 발명은 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자율주행 모드시 급조타가 필요한 상황에서 자율주행 모드를 해지하지 않으면서 조타성능을 향상시킬 수 있도록 한 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자율주행 중 충돌이나 다른 사고의 위험이 갑자기 발생할 경우 차량은 차속을 줄이거나 조향 제어를 통해 장애물 등을 회피해야 한다.

통상적으로 위험을 회피하기 위해서는 차속을 줄이는 것이 효과적이나 긴급한 상황에서는 급 조타가 필요한 경우가 생길 수 있다. 만일 자율주행 모드가 갑자기 해지되거나 정상적으로 동작하지 않으면 운전자가 위험해 질 수 있기 때문에 자율주행 모드는 계속 유지되어야 할 필요성이 있으며, 추가적으로 순간적으로 빠른 조타가 이루어지는 만큼 그 순간 동안은 응답성을 극대화시킬 필요성이 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2019-0098783호(2019.08.23)의 '차량용 핸들 제어 장치'에 개시되어 있다.

종래에는 자율주행 중 급조타가 이루어질 경우, 자율주행이 정상적이지 않다고 판단하여 자율주행 모드가 해지되도록 설계되었다.

이는 일반적으로 자율주행 중 급조타가 이루어지는 조건이 발생하지 않기 때문이다. 만일 급조타가 이루어질 경우 운전자는 크게 쏠리는 등 위험한 상황이 발생할 수도 있다. 그러나 상황에 따라서 긴급하게 회피하여야 하는 조건에서 급 조타가 이루어질 수 있도록 할 필요성이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 자율주행 모드시 급조타가 필요한 상황에서 자율주행 모드를 해지하지 않으면서 조타성능을 향상시킬 수 있도록 한 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치는 자율주행 시스템으로부터 입력된 지령 조향각을 이용하여 지령 조향각 가속도를 검출하는 지령 조향각 가속도 검출부; 조향축의 컬럼토크와 차량의 차속 및 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 이용하여 자율주행 모드를 해지할 지 여부를 판단하는 자율주행 판단기; 및 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러에 따른 게인값을 상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 출력을 기반으로 조절하여 조향각을 제어하는 조향각 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 지령 조향각 가속도 검출부는 상기 지령 조향각을 미분하여 지령 조향각 속도를 검출하는 제 1미분기; 상기 지령 조향각 속도를 미분하여 상기 지령 조향각 가속도를 검출하는 제 2미분기; 및 상기 제 2미분기로부터 출력된 상기 지령 조향각 가속도의 노이즈를 필터링하는 노이즈 필터링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자율주행 판단기는 컬럼토크의 주파수 성분 중 전동식 조향장치의 공진점과 유사한 진동에 대응되는 기 설정된 주파수 성분을 필터링하는 유사 진동 필터링부; 및 상기 유사 진동 필터링부에 의해 필터링된 상기 컬럼토크가 운전자 조타 개입으로 판단할 수 있는 조건을 만족하는지 여부에 따라 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 자율주행 모드 판단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자율주행 모드 판단부는 상기 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정시간 이상 지속되면 상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 토대로 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자율주행 모드 판단부는 상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 토대로 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자율주행 모드 판단부는 상기 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 상기 지령 조향각 가속도를 곱한 값이 기 설정된 자율주행 해지 금지 임계값과 비교하여 비교 결과에 따라 자율주행 모드를 해지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자율주행 모드 판단부는 상기 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 상기 지령 조향각 가속도를 곱한 값이 상기 자율주행 해지 금지 임계값 이하이면 자율주행 모드를 해지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 조향각 제어기는 상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 출력에 따라 컷오프 주파수를 조정하여 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러의 노이즈 성분을 제거하는 가변 하이패스필터; 상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 가변 하이패스필터의 게인을 조절하는 게인 조절부; 및 상기 게인 조절부에 의해 조절된 상기 게인에 따라 조향각을 제어하여 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러를 보정하는 조향각 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 가변 하이패스필터는 상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 지령 조향각 속도의 전달함수의 미분시간을 조정하여 상기 컷오프 주파수를 조정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 게인 조절부는 상기 차속에 따른 부하곡선 게인과 상기 지령 조향각 가속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 상기 게인을 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 조향 각속도의 부호 변경 회수를 토대로 진동을 검출하고 검출된 상기 진동에 따라 상기 컷오프 주파수 또는 상기 게인을 초기값으로 복귀시키는 진동 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법은 자율주행 시스템으로부터 입력된 지령 조향각을 이용하여 지령 조향각 가속도를 검출하는 단계; 조향축의 컬럼토크와 차량의 차속 및 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 이용하여 자율주행 모드를 해지할 지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러에 따른 게인값을 상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 출력을 기반으로 조절하여 조향각을 제어하는 단계를 포함하는 특징으로 한다.

본 발명의 상기 지령 조향각 가속도를 검출하는 단계는 상기 지령 조향각을 1차 미분하여 지령 조향각 속도를 검출하고, 상기 지령 조향각 속도를 2차 미분하여 상기 지령 조향각 가속도를 검출한 후, 상기 지령 조향각 가속도의 노이즈를 필터링하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자율주행 모드를 해지할 지 여부를 판단하는 단계는 컬럼토크의 주파수 성분 중 전동식 조향장치의 공진점과 유사한 진동에 대응되는 기 설정된 주파수 성분을 필터링하는 단계; 및 상기 컬럼토크가 운전자 조타 개입으로 판단할 수 있는 조건을 만족하는지 여부에 따라 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 단계는 상기 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정시간 이상 지속되면 상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 토대로 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 단계는 상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 토대로 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 단계는 상기 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 상기 지령 조향각 가속도를 곱한 값이 기 설정된 자율주행 해지 금지 임계값과 비교하여 비교 결과에 따라 자율주행 모드를 해지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 단계는 상기 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 상기 지령 조향각 가속도를 곱한 값이 상기 자율주행 해지 금지 임계값 이하이면 자율주행 모드를 해지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 조향각을 제어하는 단계는 상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 출력에 따라 가변 하이패스필터의 컷오프 주파수를 조정하여 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러의 노이즈 성분을 제거하는 단계; 상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 가변 하이패스필터의 게인을 조절하는 단계; 및 상기 게인에 따라 조향각을 제어하여 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 가변 하이패스필터의 컷오프 주파수를 조정하여 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러의 노이즈 성분을 제거하는 단계는 상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 지령 조향각 속도의 전달함수의 미분시간을 조정하여 상기 컷오프 주파수를 조정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 가변 하이패스필터의 게인을 조절하는 단계는 상기 차속에 따른 부하곡선 게인과 상기 지령 조향각 가속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 상기 게인을 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 조향 각속도의 부호 변경 회수를 토대로 진동을 검출하고 검출된 상기 진동에 따라 상기 컷오프 주파수 또는 상기 게인을 초기값으로 복귀시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치 및 방법은 자율주행 모드시 급조타가 필요한 상황에서 자율주행 모드를 해지하지 않으면서 조타성능을 향상시키고 이를 토대로 위험한 순간을 긴급하게 회피할 수 있도록 한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이패스필터의 형태 변화를 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각속도 부호 변경 예를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법의 순서도이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.

본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이패스필터의 형태 변화를 나타낸 도면이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각속도 부호 변경 예를 나타낸 도면이다.

도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치는 감지 모듈(10), 자율주행 판단기(20), 자율주행 시스템(30), 지령 조향각 가속도 검출부(40), 조향각 제어기(60) 및 진동 감지부(70)를 포함한다.

감지 모듈(10)은 자율주행 및 조향 제어에 필요한 정보를 감지한다. 감지 모듈(10)에는 조향축의 컬럼토크를 감지하는 컬럼토크 감지부(11), 차량의 차속을 감지하는 차속 감지부(12), 조향휠의 조향각을 감지하는 조향각 감지부(13), 조향휠의 조향 각속도를 검출하는 조향 각속도 검출부(14) 및 자율주행 시스템(30)의 동작에 필요한 주변 환경 정보를 감지하는 주변 환경 감지부(15)가 포함될 수 있다.

조향 각속도 검출부(14)는 조향 각속도를 조향휠에서 직접 검출할 수 있으나, 조향각 감지부(13)에 의해 감지된 조향각을 미분하여 검출할 수도 있다.

주변 환경 감지부(15)로는 라이다, 레이더, 초음파 센서 이미지 센서 등이 포함될 수 있다. 주변 환경 정보에는 도로 정보, 장애물 정보 및 날씨 정보 등이 포함될 수 있다. 주변 환경 정보는 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

자율주행 시스템(30)은 자율주행 모드시 주변 환경 감지부(15)로부터 입력된 주변 환경 정보를 토대로 차량의 자율주행 제어를 위한 지령 조향각을 출력한다.

자율주행 시스템(30)이 주변 환경 정보를 토대로 자율주행 제어를 수행하는 것은 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.

지령 조향각 가속도 검출부(40)는 자율주행 시스템(30)으로부터 입력된 지령 조향각을 이용하여 지령 조향각 가속도를 검출한다.

지령 조향각 가속도 검출부(40)는 제 1미분기(41)와 제 2미분기(42) 및 노이즈 필터링부(43)를 포함한다.

제 1미분기(41)는 자율주행 시스템(30)으로부터 입력된 지령 조향각을 미분(1차)하여 지령 조향각 속도를 검출한다.

제 2미분기(42)는 제 1미분기(41)에 의해 검출된 지령 조향각 속도를 2차 미분(2차)하여 지령 조향각 가속도를 검출한다.

노이즈 필터링부(43)는 제 2미분기(42)로부터 출력된 지령 조향각 가속도의 노이즈를 필터링한다.

자율주행 판단기(20)는 조향축의 컬럼토크와 차량의 차속 및 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 이용하여 자율주행 모드를 해지할 지 여부를 판단한다.

자율주행 판단기(20)는 유사 진동 필터링부(21) 및 자율주행 해지 판단부(22)를 포함한다.

유사 진동 필터링부(21)는 컬럼토크의 주파수 성분 중 전동식 조향장치의 공진점과 유사한 진동에 대응되는 기 설정된 주파수 성분을 필터링한다. 유사 진동 필터링부(21)로는 밴드 스탑 필터(Band stop filter)가 채용될 수 있다.

통상적으로, 의도치 않은 조타 개입시 전동식 조향 장치의 토션바 공진점과 유사한 진동이 감지될 수 있다. 이에, 유사 진동 필터링부(21)는 전동식 조향 장치의 토션바 공진점과 유사한 진동에 대응되는 주파수 성분을 필터링함으로써, 자율주행 해지시 해당 주파수 성분의 컬럼토크가 제거될 수 있다. 이에 따라, 의도치 않은 조타 개입으로 인해 자율주행 모드가 해지되지 않게 된다.

자율주행 해지 판단부(22)는 유사 진동 필터링부(21)에 의해 필터링된 컬럼토크가 운전자 조타 개입으로 판단할 수 있는 조건을 만족하는지 여부에 따라 자율주행 모드를 유지할지를 판단한다.

즉, 자율주행 해지 판단부(22)는 유사 진동 필터링부(21)에 의해 필터링된 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정시간 이상 지속되면 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 지령 조향각 가속도를 곱하고, 이 값을 기 설정된 자율주행 해지 금지 임계값과 비교하여 비교 결과에 따라 자율주행 모드를 해지한다.

이 경우, 자율주행 해지 판단부(22)는 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 지령 조향각 가속도를 곱한 값이 자율주행 해지 금지 임계값 이하이면 자율주행 모드를 해지한다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 유사 진동 필터링부(21)에 의해 필터링된 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지되면 운전자가 조타 개입을 하는 것으로 판단될 수 있다. 그러나 운전자가 조타 개입을 하지 않는 상황에서 자율주행 시스템(30)이 지령 조향각을 급속도로 변화시키는 경우에도, 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지될 수 있다. 이 경우, 실제로 운전자가 조타 개입을 하지 않았음에도 불구하고 자율주행 모드가 해지되어 큰 사고로 이루어질 수 있다.

이를 방지하기 위하여 자율주행 해지 판단부(22)는 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정기간 이상 유지되어도 차속과 지령 조향각 가속도를 통해 자율주행 모드가 해지되지 않도록 한다.

일반적으로 차량의 지오메트리(Geometry)에 따라 정차상태에서 조타시 차량 부하는 최대 부하가 되고, 차속이 약 5kph 수준에서 부하가 최소화되며, 주행속도가 점차 증가하면서 셀프 얼라이먼트 포스(Self-Alignment force)가 조금씩 증가하는 패턴을 보인다.

이러한 특징과 더불어 지령 조향각 가속도가 높을수록 컬럼토크가 증가하므로, 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지되어도 자율주행모드를 해지하지 않는다.

즉, 자율주행 해지 판단부(22)는 차속에 따른 차량의 부하 패턴 곡선의 부하량과 지령 조향각 가속도를 곱하고, 이 값이 자율주행해지 금지 임계값 이하일 경우에만 자율주행 모드를 해지하도록 한다.

이에 따라, 자율주행 시스템(30)이 장애물 회피 등을 위해 급조타를 수행하더라도 자율주행 모드가 계속 유지될 수 있으므로, 운전자가 조타개입을 하지 않더라도 안전하게 장애물 등을 회피할 수 있게 된다.

조향각 제어기(60)는 지령 조향각과 현재 조향각 간의 위치 제어 에러에 따른 게인을 지령 조향각 가속도 검출부(40)로부터의 출력을 기반으로 조절하여 조향각을 제어한다.

조향각 제어기(60)는 가변 하이패스필터(61), 게인 조절부(62) 및 조향각 제어부(63)를 포함한다.

가변 하이패스필터(61)는 지령 조향각 가속도 검출부(40)로부터의 출력에 따라 컷오프(Cut-off) 주파수를 조정하여 지령 조향각과 현재 조향각 간의 위치 제어 에러의 노이즈 성분을 제거한다. 이 경우, 가변 하이패스필터(61)는 지령 조향각 가속도 검출부(40)로터 입력된 지령 조향각 속도의 전달함수의 미분시간을 조정하여 컷오프 주파수를 조정한다.

통상적으로, 장애물 등을 순간적으로 회피하기 위해서는 조향각 제어 성능을 순간적으로 증폭시켜야 한다.

일반적인 자율주행 모드에서 조향각 제어 성능이 지나치게 높으면, 외부의 노이즈나 주변환경 등으로 인해 제어 안정성이 떨어져 진동 등이 발생하고, 조향각 제어 성능이 오히려 저하될 수 있다. 따라서, 반드시 필요한 시점에서 조향각 제어 성능을 최대한 높이는 것이 매우 중요하다.

이를 위해, 일반적으로 사용하는 P-PI제어기 조합의 위치제어기를 사용하지 않고 PI-P나 PID-PI를 사용하는 것이 효과적이다. 하지만 D제어기를 적용할 경우 지령 조향각의 노이즈나 외부 환경 또는 노이즈로 인해 진동이 발생할 수 있다. 일반적으로 D제어기를 추가하여 위치의 변화에 대한 응답성을 높아질 수 있으나, 이는 외란이나 외부 환경에서 유입되는 노이즈로 인해 증폭되어 진동을 유발할 수 있으므로 조향각 제어 성능이 오히려 저하될 수 있기 때문이다.

이를 방지하기 위하여 보통 D제어기 앞단에 로우패스필터(Low pass filter)나 form 보상기(Lag-compensator)를 적용한다. 하지만 구조가 복잡해지고 조타 상황에 따라 가변이 필요할 경우 변경해야 할 파라미터나 인자값들이 많아지게 된다. 즉, 조향각 제어 성능 확보를 위해, P-PI에서 P제어기단을 PI나 PID로 설계하여 PI-PI나 PID-PI구성을 이용할 수 있으나, 이보다 더 효율적이고, 조타 상황에 따라 조향각 제어 성능을 극대화시키며, 노이즈나 외란에 강하면서도 응답성을 크게 향상시킬 수 있는 방법이 필요하다.

통상적으로 PID제어기에서 D제어기에 로우패스필터나 래그 보상기를 적용하였을 때, 수식을 정리해 보면 G(s) = Kp(1+1/Ti×s+Td×s/(1+s×Td))로 나타낼 수 있다.

여기서, G(s)는 전달함수이고, Kp는 비례이득이며, Ti는 적분시간이며, Td는 미분시간이며, s는 복소수이다.

이를 각각 PID제어 게인을 분리하여 다시 풀어보면(즉 Kp를 I나 D제어기에 맞게 게인을 분리하면) G(s)=kp+Ki/Ti×s+Kd×s/(1+Td×s)로 나타낼 수 있고 이때 D제어를 다시 정리하면 (1/Td)/((1/Td)+s))×Td×Kp×s가 된다.

여기서, Ki는 적분이득이고, Kd는 미분이득이다.

한편, (1/Td)/((1/Td)+s)) 및 s는 1차 하이패스필터의 형태와 유사하다. 이를 응용하여 D제어기를 적용하지 않고 조향각 제어 성능 향상을 위해 가변 하이패스필터(61)와 게인 조절부(62)가 적용될 수 있다. 이 경우, 노이즈에는 강건하고 조향각 제어 성능이 크게 향상될 수 있다.

특히, 가변 하이패스필터(61)의 게인과 컷오프 주파수는 매우 중요하다. 통상적으로 하이패스필터의의 컷오프 주파수는 전동식 조향 장치, 예컨데 MDPS(MOTOR DRIVEN POWER STEERING)의 모터제어 대역폭을 적용하여 설정할 수도 있다. 그러나, MDPS의 토션바 공진점에 영향을 주지 않도록 하기 위해, C-MDPS의 경우 12Hz, R-MDPS의 경우 9Hz 정도를 컷 오프점으로 하여 공진점에 영향을 주지 않게 하이패스필터의 컷 오프 주파수를 설정하는 것이 중요하다. 참고로, MDPS의 안정성에 가장 큰 요인은 토션바이다. 이는 토션바의 강성이 가장 약하며 이로 인해 공진이 가장 쉽게 발생하는 지점이기 때문이다.

일반적으로 Td의 경우는 PID제어기에서 D제어기의 제어주기와 주파수를 정의할 수 있다. 전달함수의 (1/Td)/((1/Td)+s))×Td×Kp×s에 (1/Td)/((1/Td)+s))는 하이패스필터의의 형태와 같으며, 1/Td를 통하여 원하는 주파수로 설정이 가능하다. 즉 일반적인 하이패스필터의 전달함수는 s/(s+w)로 나타낼 수 있다. 여기서 w는 2πf로 여기서 f가 컷오프 주파수이다. 상기한 전달함수에서는 1/Td가 바로 w가 되므로, 가변 하이패스필터(61)는 원하는 주파수를 설정하기 위해서 Td값을 가변시켜 컷오프 주파수를 조정할 수 있다.

게인 조절부(62)는 차속에 따른 부하곡선 게인과 지령 조향각 가속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 게인을 조절한다.

게인 조절부(62)는 게인을 제어하기 위해서는 미분이득 Kd값을 가변시킨다. 정의된 바와 같이 전달함수 내에서 조향 각가속도가 빠를수록 Kd값을 증가시키고 낮을수록 Kd값을 감소시켜 조향각 제어부(63)의 게인응답특성을 가변시킬 수 있다.

게인을 결정하는 중요 요인은 차속과 지령 조향각 가속도이다. 차량의 부하와 MDPS에 걸리는 로드를 결정하기 위해서는 차속과 지령 조향각 가속도를 반드시 고려해야 한다.

이에 게인 조절부(62)는 차속에 따른 부하곡선 게인값과 지령 조향각 가속도 및 적절한 파라미터를 유지하기 위한 비율(ratio)를 곱하여 게인을 최종적으로 설정한다. 여기서, 비율은 실제 자율주행 조건에서 다양한 급조타 환경을 고려하여 다양하게 설정될 수 있다. 결과적으로 가변 하이패스필터(61)의 형태는 도 2 과 같이 변화된다.

조향각 제어부(63)는 게인 조절부(62)에 의해 조절된 게인에 따라 조향각을 제어하여 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러를 보정한다.

즉, 조향각 제어부(63)는 자율주행 시스템(30)으로부터 입력된 지령 조향각과 조향각 감지부(13)로부터 입력된 현재 조향각을 비교하여 조향각 에러를 가변 하이패스필터(61)에 입력한다.

아울러, 조향각 제어부(63)는 게인 조절부(62)로부터 입력된 게인에 따라 조향각의 응답특성을 향상시키고 지령 조향각과 현재 조향각 간의 에러를 최소화시킨다.

진동 감지부(70)는 조향 각속도의 부호 변경 회수를 토대로 한 진동에 따라 컷오프 주파수 또는 게인을 초기값으로 복귀시킨다.

통상적으로, 자율주행 중 급조타가 진행될 경우 외부 환경 등의 요인으로 진동 등이 발생할 수 있다. 이 경우 진동을 감지하여 과도한 게인 증가나 컷오프 주파수 변경을 방지해야 한다.

이를 위해 진동 감지부(70)는 진동설정시간 동안 조향 각속도의 부호 변경 회수를 실시간으로 모니터링한다. 예를 들어 도 3 에 도시된 바와 같이, 1초 동안의 카운터 시간동안 조향각속도의 부호가 총 3번이 변했을 경우는 1Hz의 노이즈가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

통상적으로 MDPS는 토션바의 강성이 가장 낮아 토션바의 공진 주파수에서 진동이 가장 잘 발생한다. 이는 보통 8 ~ 12Hz로써 예를 들어 1초당 17번 부호 변화가 발생했을 경우 8Hz의 진동이 발생한다는 가정이 가능하며, 이는 G게인이 과도하게 증가하거나 가변 하이패스필터(61)의 컷오프 주파수가 지나치게 낮아졌다고 가정할 수 있다. 따라서, 진동 감지부(70)는 조향 각속도의 부호 변경 횟수를 토대로 진동을 검출하고, 검출된 진동이 설정진동 이상이면 컷오프 주파수 또는 게인을 초기값으로 복귀시킨다.

여기서, 초기값은 일반적인 자율주행 모드에서의 G게인이나 컷 오프 주파수이다.

이를 통하여 급조타 상황의 경우 자율주행 해지를 차단하고, 조향각 제어부(63)의 성능을 가변 하이패스필터(61)를 통해 극대화시킴으로써 자율주행 차량이 긴급한 상황에서 장애물을 회피할 수 있도록 한다.

게다가, 가변된 가변 하이패스필터(61)를 다시 일반적인 자율주행 상황에 맞게 원복시키고 만일 급조타의 경우 상황에 따라 진동이 발생하였을 경우 진동을 감지하여 가변 하이패스필터(61)를 최적화시킴으로써 긴급 조타로 인한 부작용(Side effect)도 사전에 방지할 수 있다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법을 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법의 순서도이다.

도 4 를 참조하면, 자율주행 시스템(30)은 자율주행 모드시 주변 환경 센서로부터 입력된 주변 환경 정보를 토대로 차량의 자율주행 제어를 위한 지령 조향각을 출력한다(S10).

이어, 제 1미분기(41)가 지령 조향각을 1차 미분하여 지령 조향각 속도를 검출하고, 제 2미분기(42)가 지령 조향각 속도를 2차 미분하여 지령 조향각 가속도를 검출한 후, 노이즈 필터링부(43)가 지령 조향각 가속도의 노이즈를 필터링함으로써, 지령 조향각 가속도를 검출한다(S20).

한편, 유사 진동 필터링부(21)는 컬럼토크의 주파수 성분 중 전동식 조향장치의 공진점과 유사한 진동에 대응되는 기 설정된 주파수 성분을 필터링한다(S30).

이어 자율주행 해지 판단부(22)는 유사 진동 필터링부(21)에 의해 필터링된 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정시간 이상 지속되는지를 판단한다(S40).

S40 단계에서의 판단 결과 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정시간 이상 지속되면, 자율주행 해지 판단부(22)는 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 지령 조향각 가속도를 곱(S50)하고, 이 값을 기 설정된 자율주행 해지 금지 임계값 이하인지를 판단한다(S60).

S60 단계에서의 판단 결과 곱한 값이 자율주행 해지 금지 임계값 이하이면, 자율주행 해지 판단부(22)는 주율주행 모드를 해지한다(S70).

반면에, S60 단계에서의 판단 결과 곱한 값이 자율주행 해지 금지 임계값을 초과하면, 자율주행 해지 판단부(22)는 자율주행 모드를 계속 유지한다.

한편, 조향각 제어부(63)는 자율주행 시스템(30)으로부터 입력된 지령 조향각과 조향각 감지부(13)로부터 입력된 현재 조향각을 비교하여 조향각 에러를 가변 하이패스필터(61)에 입력한다.

이 경우, 가변 하이패스필터(61)는 지령 조향각 가속도 검출부(40)로부터의 출력에 따라 컷오프 주파수를 조정하고(S80), 조정된 컷오프 주파수에 따라 지령 조향각과 현재 조향각 간의 위치 제어 에러의 노이즈 성분을 제거한다.

이어, 게인 조절부(62)는 차속에 따른 부하곡선 게인과 지령 조향각 가속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 게인을 조절한다(S90).

이에 따라, 조향각 제어부(63)는 게인 조절부(62)에 의해 조절된 게인에 따라 조향각을 제어하여 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러를 보정한다(S100).

이 과정에서, 진동 감지부(70)는 진동설정시간 동안 조향 각속도의 부호 변경 회수를 실시간으로 모니터링하여 조향각의 진동을 검출하고(S110), 검출된 진동이 설정진동 이상인지를 판단한다(S120).

S120 단계에서의 판단 결과 진동이 설정진동 이상이면, 진동 감지부(70)는 컷오프 주파수 또는 게인을 초기값으로 복귀시킨다(S130).

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치 및 방법은 자율주행 모드시 급조타가 필요한 상황에서 자율주행 모드를 해지하지 않으면서 조타성능을 향상시키고 이를 토대로 위험한 순간을 긴급하게 회피할 수 있도록 한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.

10: 감지 모듈 11: 컬럼토크 감지부
12: 차속 감지부 13: 조향각 감지부
14: 조향 각속도 검출부 15: 주변 환경 감지부
20: 자율주행 판단기 21: 유사 진동 필터링부
22: 자율주행 해지 판단부 30: 자율주행 시스템
40: 지령 조향각 가속도 검출부 41: 제 1미분기
42: 제 2미분기 43: 노이즈 필터링부
60: 조향각 제어기 61: 가변 하이패스필터
62: 게인 조절부 63: 조향각 제어부
70: 진동 감지부

Claims

자율주행 시스템으로부터 입력된 지령 조향각을 이용하여 지령 조향각 가속도를 검출하는 지령 조향각 가속도 검출부;
조향축의 컬럼토크와 차량의 차속 및 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 이용하여 자율주행 모드를 해지할 지 여부를 판단하는 자율주행 판단기; 및
상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러에 따른 게인값을 상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 출력을 기반으로 조절하여 조향각을 제어하는 조향각 제어기를 포함하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 지령 조향각 가속도 검출부는
상기 지령 조향각을 미분하여 지령 조향각 속도를 검출하는 제 1미분기;
상기 지령 조향각 속도를 미분하여 상기 지령 조향각 가속도를 검출하는 제 2미분기; 및
상기 제 2미분기로부터 출력된 상기 지령 조향각 가속도의 노이즈를 필터링하는 노이즈 필터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 자율주행 판단기는
컬럼토크의 주파수 성분 중 전동식 조향장치의 공진점과 유사한 진동에 대응되는 기 설정된 주파수 성분을 필터링하는 유사 진동 필터링부; 및
상기 유사 진동 필터링부에 의해 필터링된 상기 컬럼토크가 운전자 조타 개입으로 판단할 수 있는 조건을 만족하는지 여부에 따라 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 자율주행 모드 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 자율주행 모드 판단부는
상기 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정시간 이상 지속되면 상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 토대로 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 주향 제어 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 자율주행 모드 판단부는
상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 토대로 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 자율주행 모드 판단부는
상기 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 상기 지령 조향각 가속도를 곱한 값이 기 설정된 자율주행 해지 금지 임계값과 비교하여 비교 결과에 따라 자율주행 모드를 해지하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 자율주행 모드 판단부는
상기 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 상기 지령 조향각 가속도를 곱한 값이 상기 자율주행 해지 금지 임계값 이하이면 자율주행 모드를 해지하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 조향각 제어기는
상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 출력에 따라 컷오프 주파수를 조정하여 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러의 노이즈 성분을 제거하는 가변 하이패스필터;
상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 가변 하이패스필터의 게인을 조절하는 게인 조절부; 및
상기 게인 조절부에 의해 조절된 상기 게인에 따라 조향각을 제어하여 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러를 보정하는 조향각 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 가변 하이패스필터는
상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 지령 조향각 속도의 전달함수의 미분시간을 조정하여 상기 컷오프 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 게인 조절부는
상기 차속에 따른 부하곡선 게인과 상기 지령 조향각 가속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 상기 게인을 조절하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치.
제 8 항에 있어서, 조향 각속도의 부호 변경 회수를 토대로 진동을 검출하고 검출된 상기 진동에 따라 상기 컷오프 주파수 또는 상기 게인을 초기값으로 복귀시키는 진동 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 장치.
자율주행 시스템으로부터 입력된 지령 조향각을 이용하여 지령 조향각 가속도를 검출하는 단계;
조향축의 컬럼토크와 차량의 차속 및 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 이용하여 자율주행 모드를 해지할 지 여부를 판단하는 단계; 및
상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러에 따른 게인값을 상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 출력을 기반으로 조절하여 조향각을 제어하는 단계를 포함하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 지령 조향각 가속도를 검출하는 단계는
상기 지령 조향각을 1차 미분하여 지령 조향각 속도를 검출하고, 상기 지령 조향각 속도를 2차 미분하여 상기 지령 조향각 가속도를 검출한 후, 상기 지령 조향각 가속도의 노이즈를 필터링하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 자율주행 모드를 해지할 지 여부를 판단하는 단계는
컬럼토크의 주파수 성분 중 전동식 조향장치의 공진점과 유사한 진동에 대응되는 기 설정된 주파수 성분을 필터링하는 단계; 및
상기 컬럼토크가 운전자 조타 개입으로 판단할 수 있는 조건을 만족하는지 여부에 따라 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 단계는
상기 컬럼토크가 설정값 이상으로 설정시간 이상 지속되면 상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 토대로 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 주향 제어 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 단계는
상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 토대로 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 단계는
상기 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 상기 지령 조향각 가속도를 곱한 값이 기 설정된 자율주행 해지 금지 임계값과 비교하여 비교 결과에 따라 자율주행 모드를 해지하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법.
제 17 항에 있어서, 상기 자율주행 모드를 유지할지를 판단하는 단계는
상기 차속에 따른 차량 부하 패턴 곡선의 부하량과 상기 지령 조향각 가속도를 곱한 값이 상기 자율주행 해지 금지 임계값 이하이면 자율주행 모드를 해지하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 조향각을 제어하는 단계는
상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 출력에 따라 가변 하이패스필터의 컷오프 주파수를 조정하여 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러의 노이즈 성분을 제거하는 단계;
상기 차속과 상기 지령 조향각 가속도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 가변 하이패스필터의 게인을 조절하는 단계; 및
상기 게인에 따라 조향각을 제어하여 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 가변 하이패스필터의 컷오프 주파수를 조정하여 상기 지령 조향각과 현재 조향각 간의 조향각 에러의 노이즈 성분을 제거하는 단계는
상기 지령 조향각 가속도 검출부로부터의 지령 조향각 속도의 전달함수의 미분시간을 조정하여 상기 컷오프 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 가변 하이패스필터의 게인을 조절하는 단계는
상기 차속에 따른 부하곡선 게인과 상기 지령 조향각 가속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 상기 게인을 조절하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법.
제 19 항에 있어서,
조향 각속도의 부호 변경 회수를 토대로 진동을 검출하고 검출된 상기 진동에 따라 상기 컷오프 주파수 또는 상기 게인을 초기값으로 복귀시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율주행 모드에서의 조향 제어 방법.