KR20220068264A - 자율주행 자동차를 위한 제어 장치 - Google Patents

Abstract

자동차의 제어 장치로서, 액츄에이터에 대한 명령 신호를 생성할 수 있는 차량의 종방향 및 횡방향 이동의 컨트롤러(3, 8)를 포함하여, 차량은 보조-주행 또는 자동-주행 모드로 계획된 경로를 따라가고, 횡방향 컨트롤러로부터의 출력은 계획된 경로 상의 도로의 곡률로부터 얻은 원하는 요방향 각속도 및 측정된 종방향 속도와 측정된 조향각을 기초로 차량의 동적 거동 모델에 의해 추정된 차량의 현재 요방향 각속도 사이의 오차를 최소화하는 것을 기반으로 하며, 상기 장치는, 요방향 각속도의 측정된 값 및 추정된 값 사이의 비교의 함수로서, 차량의 실제 동적 거동과의 차이가 있는 경우 모델의 파라미터를 동적으로 수정할 수 있는 모듈(11)을 포함한다.

Description

자율주행 자동차를 위한 제어 장치

본 발명은 자율주행 차량의 제어 장치에 관한 것이다.

이는 특히 차량을 차선에 유지하고 차량의 속도 및 조향을 조절하는 기능을 포함하는 자동화된 차량 주행 분야에 적용된다.

자동화된 차량 주행의 목적은 특히 이동의 안전성과 효율성을 향상시키는 것이다. 이는 특히 능동 안전 시스템(active safety system)에 의존하며, 특히 제동 동작을 통해 자동차의 궤도 안정성을 제어하는 기능을 수행하는 ESP(electronic stability program)와 같이 위기 상황에서 자동차의 동적 거동을 수정하도록 조정된 주행 보조 시스템을 통합한다. 예를 들어, 자동차가 과도하게 높은 종방향 속도로 회전할 때 도로의 곡률을 준수하기 어려울 수 있고 자동차가 언더스티어(understeer)를 시작할 수 있다. 그러면 ESP 시스템이 자동으로 개입하여 운전자가 원하는 궤도 상에 차량을 유지한다. 일반적으로 차량이 운전자가 원하는 궤도에서 이탈하면, ESP 시스템은 차량의 궤도를 수정하기 위해 엔진 토크 설정값 및/또는 제동 토크 설정값 신호를 전송한다.

ESP 시스템과 같은 차량의 제어 시스템에 있어서, 차량의 요방향 각속도(angular yaw rate)는 차량의 횡방향 안정성을 유지하기 위해 알아야 할 핵심 파라미터이다.

차량의 횡방향 안정성은 사실 극단적인 횡방향 기동, 또는 눈이나 얼음 위에서와 같은 불리한 주행 조건에서의 횡방향 기동, 또는 타이어 압력의 갑작스런 손실이나 갑작스런 측면 바람의 경우에 탑승자의 안전을 위해 매우 중요하다. 따라서 차량 안정성 제어 시스템은 이러한 불리한 조건에서 차량의 횡방향 안정성을 개선하기 위해 사용된다. 이를 위해서는, 전술한 바와 같이 요방향 각속도가 차량의 안정성 제어 시스템이 인지할 필요가 있는 필수적인 변수이다. 이 변수는 차량에 내장된 전용 센서로 측정될 수 있다. 또한 이 변수는 횡방향 가속도계(lateral accelerometer) 및 휠(wheel) 속도 센서와 같은 다른 내장된 센서를 이용하여 추정될 수 있다. 차량의 안정성 제어 시스템은 측정되지는 않으나 제어에 필요한 요방향 각속도 정보를 추정할 수 있는 상태 관찰자(state observer)를 포함한다. 차량의 역학을 모델링한 모델을 기반으로 구성된 상태 관찰자는 차량의 속도와 횡방향 가속도를 수신하여 요방향 각속도를 추정한다.

차량의 안정성 제어 시스템에 구현된 알고리즘이 올바르게 기능하기 위해서는, 특히 시스템의 오작동 및 불안정성을 방지하도록 입력으로 수신되는 데이터가 정확해야 한다. 요방향 각속도를 포함하여 특정 개수의 이러한 데이터는 차량 고유의 동적 모델을 기반으로 관찰자에 의해 계산된다는 것은 이미 이해되었으며, 이는 이러한 관찰자는 항상 올바르게 작동해야 함을 의미하고, 즉 차량의 작동 범위는 항상 차량 모델이 검증된 응답 한계(response limit) 내에 있어야 한다. 다르게 말하면, 차량이 모델의 검증된 범위 내에서 계속하여 기능하는지를 영구적으로 판단할 수 있어야 하며, 따라서 제어 시스템이 자동화된 주행 모드에서 차량을 계속하여 관리할 수 있는지를 판단할 수 있어야 한다.

따라서, 자동화된 주행 차량은 차량을 올바르게 제어할 수 있는 적절한 입력이 필요하고, 제어 시스템의 공칭 거동(nominal behavior)이 더 이상 보장되지 않는 위기 상황을 감지할 수 있는 것이 필요하다.

출원 번호 FR1909681으로 출원인의 성명으로 제출된, 아직 공개되지 않은 특허 출원은 차량의 제어 시스템이 불안정한 상황에 반응하도록 설계되고, 차량의 물리적 한계에 도달할 수 있는 자동화된 주행 차량에 대한 출원을 대상으로 한다. 전형적인 예시는 회전에서 타이어와 지면 사이의 접지력(grip)에 의해 부과되는 물리적 한계를 고려할 때 차량이 분명히 너무 높은 속도로 진입할 수 있는 좁은 턴(turn)이다. 이 문서는 차량 모델이 전방에 위치한 모든 경로에 대해 자율 모드에서 차량의 미래 위치를 예측할 수 있고 차량의 주행 제한 위반 상황에 해당하는 차량의 미래 위치를 사전에 식별할 수 있어, 이러한 상황을 방지하도록 미리 판단을 내릴 수 있는 시스템을 설명한다.

그러나, 이러한 시스템은 차량이 차량의 주행 한계를 넘어 제어불가능한 상황에 놓이는 것을 방지하도록 조기에 효과적으로 반응할 수 있으나, 자동 주행 모드에서 차량의 작동을 손상시킬 수 있는 차량의 주행 조건에서의 갑작스럽고 예측불가능한 변화에 실시간으로 반응하도록 설계되지는 않았다. 특히, 특정 주행 상황에서 차량의 횡방향 안정성 제어 시스템에서 이용되는 차량 모델의 응답과 차량의 실제 거동 사이의 불일치가 있을 수 있으며, 이는 차량의 매우 불안정한 상태로 이어질 수 있다. 차량이 더 이상 자동 주행 모드에서 궤도를 수정할 수 없는 위험이 있는 이러한 상황은, 예를 들어 타이어-도로 접촉의 특성에 갑작스럽고 예측불가능한 변화가 있는 경우(예를 들어, 오일, 모래 또는 도로 상의 자갈의 존재는 휠의 접지력을 위태롭게 할 수 있음), 또는 갑작스러운 타이어 파열(blowout)의 경우에 발생할 수 있다. 이러한 상황에서 제어 시스템에서 사용되는 차량의 모델은 더 이상 유효하지 않을 수 있으며, 이는 차량의 안정성 제어 시스템의 모든 제어 로직이 모델의 사용에 의존하는 점을 고려하면 잠재적인 위험을 나타낸다.

또한, 이러한 주행 조건의 갑작스럽고 예측불가능한 변화에 대해 설명된 상황을 포함하는 모든 주행 조건에서, 자동 주행 모드에서의 차량의 횡방향 안정성 제어의 견고함을 향상시킬 필요가 있다.

또 다른 요구는 차량의 거동과 차량 모델의 응답 사이의 불일치로 인해 제어의 안정성이 더 이상 보장될 수 없는 상황을 실시간으로 감지할 수 있어야 한다는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 자율 또는 보조 주행을 구비한 자동차의 제어 장치에 관한 것으로, 계획된 궤도에 관한 정보를 저장할 수 있는 경로 계획 모듈, 출력으로서 가속 및 제동 액츄에이터에 명령 신호를 생성할 수 있는 차량의 종방향(longitudinal) 이동 컨트롤러, 및 출력으로서 조향 액츄에이터에 명령 신호를 생성할 수 있는 차량의 횡방향(lateral) 이동 컨트롤러를 포함하여, 차량은 차량의 보조 또는 자율 주행 모드에서 계획된 궤도를 따르고, 상기 횡방향 컨트롤러의 출력은, 계획된 궤도 상의 도로의 곡률로부터 구한 원하는 요방향 각속도와, 차량의 측정된 종방향 속도 및 측정된 조향각(steering angle)에 기초한 요방향 각속도의 추정을 상기 횡방향 컨트롤러의 입력으로 제공할 수 있는 차량의 동적 거동 모델로부터 추정된 차량의 현재 요방향 각속도 사이의 오차를 최소화하는 것을 기초로 하며, 추정된 요방향 각속도 값과 내장된 센서로 측정된 요방향 각속도 값 사이의 비교 함수로서 차량의 실제 동적 거동과 모델 사이에 편차가 있는 경우 모델의 파라미터를 동적으로 수정할 수 있는 차량의 횡방향 역학을 보정하기 위한 모듈을 포함하여, 모델에 의해 횡방향 컨트롤러에 제공된 상기 추정은 즉시 수정된다.

유리하게는, 보정 모듈은 추정된 요방향 각속도 값과 측정된 요방향 각속도 값 사이의 차이를 고려하는 조정 알고리즘에 의해 보정된 조향각을 추정하도록 조정되며, 모델의 출력은 모델의 입력으로서 제공되는 보정된 조향각을 기초로 수정된다.

유리하게는, 상기 장치는 차량의 횡방향 역학을 보정하기 위한 모듈의 출력에 연결된 안전 모듈을 포함하고, 상기 안전 모듈은 차량의 실제 동적 거동과 수정된 모델의 출력 사이의 차이에 기초하여 자동 모드에서 손상된 주행 상태를 감지하도록 조정된다.

유리하게는, 수정된 모델은 차량의 전륜 및 후륜에 가해지는 선형화된 횡력의 추정치를 제공할 수 있고, 상기 안전 모듈은 상기 선형화된 횡력을 수신할 수 있고 상기 선형화된 횡력을 차량에 내장된 센서에 의해 제공되는 데이터를 이용하여 계산된 횡력과 비교할 수 있다.

바람직하게는, 안전 모듈은 내장된 센서로 측정되는 요방향 각속도, 조향각 및 차량의 횡방향 가속도의 값에 기초하여 전륜과 후륜에 가해지는 횡력을 계산할 수 있는 연산 모듈(computation module)을 포함한다.

바람직하게는, 안전 모듈은 선형화된 횡력과 계산된 횡력 사이의 차이를 설정할 수 있고 상기 차이가 미리 정의된 임계값을 초과할 때 안전 모드를 활성화할 수 있는 비교기 모듈(comparator module)을 포함한다.

유리하게는, 상기 안전 모듈은 종방향 및 횡방향 컨트롤러에 대한 차량 보안 명령 신호를 생성할 수 있으며, 상기 보안 명령 신호는 상기 안전 모드가 활성화되는 경우 자동 모드의 명령 신호보다 우선한다.

바람직하게는, 상기 보안 신호는 차량의 정지를 명령하도록 조정된다.

유리하게는, 상기 안전 모듈은 상기 안전 모드가 활성화되는 경우 차량의 인간-기계 인터페이스(human-machine interface)에 대한 경보 신호를 생성할 수 있다.

본 발명은 또한 전술한 바와 같은 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차에 관한 것이다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 예시적이고 비제한적인 예로서 제공되고 첨부된 도면을 참조하여 제공되는 다음 설명으로부터 보다 명확하게 드러날 것이다.

도 1은 본 발명의 제어 장치의 구성(architecture)을 나타내는 도면이다.
도 2는 경사로에 대응하는 주행 조건에서 차량에 내장된 센서로 측정되고 차량 모델을 이용하여 계산되는 요방향 각속도의 시간의 함수에 따른 경향을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2와 유사하지만, 미끄러운 도로에 대응하는 상이한 주행 조건에서의 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 차량의 횡방향 역학을 보정하기 위한 모듈의 작동을 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 1에 도시된 안전 모듈의 작동을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 차량의 제어 장치(1)는 자율 주행 제어 모듈(2)을 포함한다. 이 제어 모듈(2)은, 차량에 내장된 속도 센서(4)로부터 얻은 차량의 현재 속도값, 및 특히 계획된 경로를 따라 계획된 기준 속도값을 포함하여 차량의 계획된 경로에 관한 정보를 저장하는 경로 계획 모듈(5)로부터 얻은 기준 속도값을 입력으로서 수신하는, 종방향 컨트롤러라 지칭되는 제1 컨트롤러(3)를 포함한다. 종방향 컨트롤러(3)는 현재값과 기준값 사이의 속도 오차를 최소화하기 위해, 차량의 대응하는 가속 및 제어 액츄에이터에 대한 엔진 토크 및 제어 명령 신호를 생성하도록 조정된다.

제어 모듈(2)은 또한, 횡방향 컨트롤러라 지칭되는 제2 컨트롤러(8)를 포함하고, 제2 컨트롤러는 입력으로서 도로의 곡률, 원하는 요방향 차량의 위치 모듈(9)로부터 얻은 위치 정보 및 차량의 현재 요방향 각속도 값을 포함하는 경로 계획 모듈(5)에서 획득된 정보로부터 얻은 각속도 값을 수신하고, 현재 요방향 각속도 값은 요방향 각속도의 추정을 제공할 수 있는 차량의 동적 거동 모델에 기초하여 계산된 값(10)에 대응하며, 본 발명에 따르면, 이는 차량의 횡방향 역학을 보정하기 위해 모듈(11)에 의해 동적으로 수정되며, 아래에서 보다 자세히 설명되는 바와 같이 특정 주행 상황에서 차량의 공칭 모델의 오차를 보정하도록 설계된다. 이러한 다양한 입력으로부터, 횡방향 컨트롤러(8)는 차량의 구동 휠의 조향각에 작용하는 차량의 조향 액츄에이터에 대한 조향각 명령 신호(12)를 생성하도록 조정되어, 원하는 요방향 각속도(곡률의 함수로서 도로 선형(alignment)에 대한 정보로부터 얻음)와 차량의 수정된 모델로부터 동적으로 획득된 현재 요방향 각속도 사이의 요방향 오차를 최소화한다.

보정 모듈(11)의 작용은, 예를 들어 휠-지면 접촉 특성과 같이 차량의 주행 조건을 갑자기 수정하는 예기치 못한 상황으로 발생되고 차량을 차량의 공칭 모델이 검증된 응답 한계를 벗어난 작동 범위로 인도할 수 있는, 공칭 모델에서의 모델링되지 않은 차량의 횡방향 역학을 고려하여 차량의 모델을 동적으로 보정함으로써, 횡방향 컨트롤러(8)에 정확한 요방향 각속도 값을 제공할 수 있는 것을 목표로 한다.

따라서 차량의 횡방향 컨트롤러(8)는 적절하게 보정된 모델의 출력에 의해 공급될 수 있고, 이러한 예기치 못한 조건을 포함하여 모든 주행 조건에서 제공되는 제어의 견고성을 개선할 수 있다. 그러나, 실제 값에 대응하는 차량의 요방향 각속도를 제공하는 모델의 보정은 차량에 가해지는 횡력의 잠재적 포화도(saturation)와 무관하며, 그럼에도 불구하고 이는 차량의 제어되지 않은 상태로 이어질 수 있다. 즉,모델에 적용된 보정 덕분에 차량의 횡방향 컨트롤러는 정확한 요방향 각속도가 제공될 수 있지만, 그럼에도 불구하고 차량은 차량의 가시적 주행 한계가 초과되기 때문에 자율 모드에서 더 이상 궤도를 수정할 수 없는 상황에 놓일 수 있다. 이러한 상황에서 차량 탑승자의 안전을 보장하는 조치를 취할 수 있도록, 차량의 횡방향 안정성에 대한 공칭 제어가 더 이상 보장되지 않는 이러한 위기 상황을 감지할 수 있는 것이 필요하다.

또한, 모델의 보정 모듈(11)에 의해 실행되는 요방향 각속도를 수정하는 제1 단계에 의해 횡방향 컨트롤러(8)에 정확한 입력이 제공되면, 안전 모듈(13)에 의해 실행되는 제2 단계는 차량의 물리적 주행 한계가 초과되는지 감지하는 것으로 구성된다. 최대 횡방향 수용력에 도달되는 경우, 제어에 이용되는 모델 및 차량은 동일하게 동작하지 않고 이에 따라 모델에 의해 추정된 횡력과 차량에 내장된 센서에 의해 측정된 데이터를 이용하여 계산된 횡력 사이에서 편차가 감지될 수 있다. 따라서, 안전 모듈(13)은 내장된 센서(14, 15, 16) 각각에 의해 측정되는 차량의 횡방향 가속도, 조향각 및 요방향 각속도의 입력값으로서 수신한다. 안전 모듈(13)은 또한 보정 모듈(11)에 연결된다. 따라서, 안전 모듈(13)은 보정 모듈(11)의 출력에서 수정된 모델로부터 얻은 선형화된 횡력을 차량에 내장된 센서로 측정된 요방향 각속도, 조향각 및 횡방향 가속도 값들을 이용하여 계산된 횡력과 비교함으로써 차량의 물리적 한계를 초과하는 것을 감지하도록 설계된다. 이러한 비교는 횡력의 포화도를 정확하게 식별하는 것을 가능하게 한다. 안전 모듈(13)은 출력에서 차량의 인간-기계 인터페이스(17)에 연결된다. 따라서, 비교 결과가 주어진 임계값을 초과하는 경우, 안전 모듈(13)은 차량의 인간-기계 인터페이스(14)에서 소리 및/또는 시각적 경보 신호의 생성을 명령한다. 안전 모듈(13)은 또한 차량의 종방향 컨트롤러(13) 및 횡방향 컨트롤러(8)에 연결된다. 안전 모듈(13)은, 예를 들어 차량을 정지함으로써 차량을 안전 상태에 둘 수 있는 차량의 액츄에이터에 작용하는 컨트롤러에 보안 명령 신호를 생성할 수 있어, 운전자가 경보 신호에 응답하지 않는 경우 탑승자의 안전을 보장할 수 있다.

요약하면, 차량의 제어 장치(1)는 한편으로 보정 모듈(11)을 통해 차량의 모델의 응답과 차량의 실제 거동 사이의 불일치를 수정함으로써 차량의 모델에 기초한 선형화된 횡력 및 요방향 각속도의 정확한 추정을 제공하도록 조정되고, 다른 한편으로 안전 모듈(13)을 통해 제어의 안정성이 더 이상 보장될 수 없이 갑자기 발생하는 주행 상황에 대응하는 차량의 자동 모드에서의 손상된 운전 상태를 감지하도록 조정되어, 일반적으로 차량을 멈추는 것과 같이 차량을 안전하게 할 수 있는 예방적 안전 절차를 적용하며, 이는 자동 모드에서 공칭 주행 명령보다 우선한다.

이제 보정(11) 및 안전(13) 모듈의 각각의 작동에 대한 보다 상세한 설명을 하도록 한다.

보정 모듈(11)은 한편으로는 횡방향 컨트롤러(8)를 위한 적절한 요방향 속도를 제공하고, 다른 한편으로는 안전 모듈(13)에서 비교될 수 있는 선형화된 횡력을 제공하도록 조정된다. 여기서 목표는 공칭 모델과 실제 차량 사이의 차이를 수정하여 횡방향 컨트롤러 및 안전 모듈을 위한 정확한 입력을 제공하는 것이다.

요(yaw) 및 드리프트(drift)의 관점에서 차량의 동적 거동을 설명할 수 있는 그 자체로 잘 알려진 자전거 모델(bicycle model)이 이용될 것이다. 따라서 차량의 요방향 각속도 및 횡방향 역학은 다음의 미분 방정식으로 설명될 수 있다:

상기 a, b는 각각 차량의 무게중심에서 전륜 및 후륜의 축까지의 거리이고, m은 차량의 중량이고, lz는 수직축(Z)에 대한 관성 모멘트이다.

는 각각 차량의 요방향 각, 차량의 경사각, 차량의 피치방향(pitch) 각이다. M_z, a_y 및 δ는 각각 전용 액츄에이터에 의해 부과된 요방향 모멘트, 횡방향 가속도 및 조향각이다. F_f, F_r은 휠/지면 접촉으로 인해 차량의 전륜 및 후륜에 가해지는 전방 및 후방 횡력이며, 이는 차량이 회전할 수 있도록 한다. 이들은 차량의 이동 속도, 슬립각 및 조향각(δ)에 따라 달라진다.

그러나, 자율 주행 자동차에서 횡방향 이동을 제어하기 위해, 이동 예측 및 횡방향 컨트롤러의 설계는 선형 차량 모델을 이용하고 비싸지 않은 센서에서 이용가능한 신호에만 의존하기 때문에 전술한 모델은 단순화되어야 한다. 이용되는 단순화는 우선, 차량이 휠에 가해지는 힘의 선형 범위 내에서 이용되는 경우 전륜 및 후륜에 가해지는 횡력은 횡방향 슬립각에 비례한다고 가정하여 얻는다. 또한, 작은 조향각은 cos(δ)=1 및 sin(δ)=δ와 같이 정의된다고 가정된다.

차량의 무게 중심에 대해 측정된 차량의 전체 속도 벡터와 차량의 종방향 사이의 각도를 β라 놓는다. 다음이 적용된다:

, 즉

여기서 V_x 및 V_y는 차량의 종방향 및 횡방향 축에서의 속도이다.

전술한 바와 같이, 차량의 요방향 각속도는 자율 차량의 횡방향 제어를 위한 핵심 변수이다. 따라서 이 변수를 정확하게 알아야 한다.

도 2 및 도 3은 차량에 내장된 센서에 의해 측정된 초당 도(degree) 단위의 요방향 각속도

의 시간의 함수 및 전술한 모델을 이용하여 계산된 요방향 각속도

, 의 시간의 함수로서 경향을 나타내는 그래프이고, 경사진 도로(도 2) 및 미끄러운 도로의 2개의 상이한 주행 조건에서 측정된 조향각(δ)을 이용한다. 도 2에 표시된 측정된 요방향 각속도 값과 계산된 요방향 각속도 값 사이의 편차는 사용된 모델이 기울기 또는 경사각의 영향을 고려하지 않는다는 사실 때문이다. 도 3에서 데이터는 편평하지만 미끄러운 도로에서 획득되고, 편차는 횡력의 포화도에 의해 발생한다. 이러한 편차는 특히 도 3의 45초 정도에서 나타난다. 측정된 요방향 각속도 값과 계산된 요방향 각속도 값 사이의 편차를 나타내는 이 2개의 예는 자율 차량의 모든 잠재적인 주행 상황을 고려하여 차량의 모델을 보정할 필요성을 명확하게 보여주며, 이에 따라 작동 안정성 및 견고성을 증가시킬 수 있다.

이러한 편차를 보정하기 위해, 차량의 실제 거동과 편차가 나타나는 이러한 특정 주행 상황에서 차량의 모델을 수정하는 것이 가능하도록 차량의 횡방향 역학을 보정하기 위한 모듈(11)이 제공되고, 따라서 횡방향 컨트롤러에 정확한 요방향 각속도 값을 제공한다.

도 4는 모든 주행 조건에서 차량의 모델(M)의 출력에서 요방향 각속도의 정확한 추정을 얻을 수 있게 하는 보정 모듈(11)의 작동을 나타내는 블록도이다.

차량의 횡방향 역학을 보정하기 위한 모듈(11)은, 모델(M)에서 루프(loop)를 구성하고 차량에 내장된 요방향 각속도 센서(16)로 측정된 요방향 각속도 값과 차량의 공칭 모델(M)에 기초하여 계산된 요방향 각속도 값 사이의 편차를 최소화하기 위해서 측정된 조향각(δ)을 수정하도록 조정되는 보정기(compensator, 110)를 포함한다.

보다 구체적으로, 보정 모듈(11)은 측정된 요방향 각속도(

), 차량의 내장된 속도 센서(4)로부터 획득된 차량의 이동 속도, 및 계획된 궤도에 대응하는 도로의 선형(alignment)에 관한 정보를 저장하기 위한 수단에 의해 제공되는 도로의 선형 상의 정보(경사, 기울기)를 입력으로 이용한다. 요방향 각속도(

)는 처음에, 차량의 종방향 속도 데이터 및 예를 들어 휠 조향각 센서에 의해, 도로 경사 및 기울기 정보를 우선적으로 고려하여 측정된 조향각에 기초한 모델(M)을 이용하여 계산된다.

이를 위해, 차량의 모델(M)의 파라미터는 전륜의 횡방향 강성(C_f), 후륜의 횡방향 강성(C_r), 차량의 무게 중심에서 전륜까지의 종방향 거리(a), 차량의 무게 중심에서 후륜까지의 종방향 거리(b), 차량의 중량 및 차량의 요방향 관성 모멘트(l_z)를 포함한다.

모델 보정기(110)는 모델을 이용하여 계산된 요방향 각속도(

) 및 측정된 요방향 각속도(

) 를 고려하여, 이러한 각각의 각속도 간의 비교를 기초로 보정된 조향각(δ_comp)을 제공하고 특히 이들 사이의 편차를 최소화한다. 이를 위해, 모듈(110)은 다음과 같이 보정된 조향각(δ_comp)을 계산함으로써 모델링되지 않은 차량의 역학을 얻기 위해 조정 파라미터 알고리즘을 구현한다.

여기서 C(Q)는 파라미터 조정 알고리즘(parametric adaptive algorithm, PAA)을 이용하여 라인 상에서 계산된 조정 파리미터(Q)를 기반으로 한 조정 컨트롤러이다.

보정된 조향각은 그 다음, 모델을 이용하여 계산된 요방향 각속도(

)가 측정된 요방향 각속도(

)를 향해 수렴되도록 차량의 모델(M)에 제공된다. 따라서 모델의 출력은 보정 모듈(11)을 이용하여 실시간으로 수정되고, 이에 따라 횡방향 컨트롤러(8)는 입력으로서 정확한 요방향 각속도 데이터를 수신한다.

요방향 각속도가 보정되면, 차량의 전륜 및 후륜에 가해지는 선형화된 횡력이 추정된다. 이러한 선형화된 횡력, 전방(F_{f_l})및 후방(F_{r_l}) 각각은 다음과 같이 추정된다:

따라서, 모델 보정기(110)에 의해 루프가 형성되는 차량의 모델(M)은 선형화된 시스템을 갖는 것을 가능하게 한다.

적절하게 추정된 이러한 선형화된 횡력은 안전 모듈(13)의 입력으로서 차량의 횡방향 역학을 보정하기 위한 모듈(11)에 의해 제공되고, 이는 차량의 내장된 센서를 이용하여 계산된 횡력과 비교될 것이다. 전술한 바와 같이, 이 비교의 목적은 차량의 모델과 차량의 실제 거동 사이에 편차가 있는 경우 차량의 물리적 주행 한계가 초과되는지를 감지하는 것이다.

도 5는 이러한 비교를 수행할 수 있게 하는 안전 모듈(13)의 작동을 나타내는 블록도이다.

안전 모듈(13)은 차량에 내장된 센서, 즉 횡방향 가속도 측정 센서(14), 조향각 측정 센서(15) 및 요방향 각속도 측정 센서(16) 각각으로 측정되는 차량의 횡방향 가속도 값, 조향각 및 요방향 각속도에 기초하여 전륜 및 후륜에 가해지는 횡력을 계산할 수 있는 연산 모듈(130)을 포함한다. 이러한 횡력, 전방(F_f) 및 후방(F_r) 각각은 다음과 같이 추정된다:

a_y는 측정된 횡방향 가속도에 해당된다.

센서 데이터에 기초하여 연산 모듈(130)에 의해 계산된 횡력 및 보정 모듈(11)에 의해 추정된 선형화된 횡력은, 이러한 각각의 계산된 횡력 및 추정된 횡력 사이의 비교를 수행할 수 있는 안전 모듈(13)의 비교기 모듈(131)에 의해 입력으로서 제공된다.

보다 구체적으로, 비교기 모듈(131)은 선형화된 횡력과 계산된 횡력 사이의 차이를 설정하고 이 차이를 미리 정의된 임계값(ε)과 비교한다. 이 차이가 미리 정의된 임계값을 초과하면, 비교기 모듈은 이로부터 차량의 자동 모드에서 손상된 주행을 제어의 안정성이 더 이상 보장될 수 없는 지점으로 추론한다. 또한 미리 정의된 임계값(ε)을 초과하면 안전 모드가 활성화된다. 이러한 안전 모드는, 한편으로 차량의 제어 불가능한 상태를 운전자에게 알리는 것을 목적으로 하는 차량의 인간-기계 인터페이스(17) 상의 경보 신호(132)를 생성하는 것을 포함한다. 동시에 임계값을 초과하는 것은 차량의 액츄에이터, 특히 조향 휠 및 제동 액츄에이터에 작용하는 컨트롤러에 보안 명령 신호(133)를 생성하고 전송하게 하여, 운전자가 반응하지 않는 경우 차량을 정지시키는 것으로 구성된 안전 상태로 차량을 인도한다.

1: 제어 장치
3: 종방향 컨트롤러
5: 경로 계획 모듈
8: 횡방향 컨트롤러
11: 보정 모듈
13: 안전 모듈
16: 내장된 센서
M: 모델

Claims (10)

1. 자율 또는 보조 주행을 구비한 자동차의 제어 장치(1)로서,
   계획된 궤도에 관한 정보를 저장할 수 있는 경로 계획 모듈(5), 출력으로서 가속 및 제동 액츄에이터에 명령 신호(6, 7)를 생성할 수 있는 차량의 종방향(longitudinal) 이동 컨트롤러(3), 및 출력으로서 조향 액츄에이터에 명령 신호(12)를 생성할 수 있는 차량의 횡방향(lateral) 이동 컨트롤러(8)를 포함하여,
   차량은 차량의 보조 또는 자율 주행 모드에서 계획된 궤도를 따르고,
   상기 횡방향 컨트롤러(8)의 출력은, 계획된 궤도 상의 도로의 곡률로부터 구한 원하는 요방향 각속도와, 차량의 측정된 종방향 속도 및 측정된 조향각(steering angle)에 기초한 요방향 각속도

   

   의 추정치를 상기 횡방향 컨트롤러(8)의 입력으로 제공할 수 있는 차량의 동적 거동 모델(M)로부터 추정된 차량의 현재 요방향 각속도 사이의 오차를 최소화하는 것을 기초로 하며,
   추정된 요방향 각속도 값

   

   과 내장된 센서(16)로 측정된 요방향 각속도 값

   

   사이의 비교 함수로서 차량의 실제 동적 거동과 모델 사이에 편차가 있는 경우 모델(M)의 파라미터를 동적으로 수정할 수 있는 차량의 횡방향 역학을 보정하기 위한 모듈(11)을 포함하여, 모델에 의해 횡방향 컨트롤러에 제공된 상기 추정은 즉시 수정되는, 자동차의 제어 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   보정 모듈(11)은 추정된 요방향 각속도 값

   

   과 측정된 요방향 각속도 값

   

   사이의 차이를 고려하는 조정 알고리즘에 의해 보정된 조향각(δ_comp)을 추정하도록 조정되며, 모델(M)의 출력은 모델의 입력으로서 제공되는 보정된 조향각을 기초로 수정되는, 자동차의 제어 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   차량의 횡방향 역학을 보정하기 위한 모듈(11)의 출력에 연결된 안전 모듈(13)을 포함하고, 상기 안전 모듈(13)은 차량의 실제 동적 거동과 수정된 모델의 출력 사이의 차이에 기초하여 자동 모드에서 손상된 주행 상태를 감지하도록 조정되는, 자동차의 제어 장치.
4. 제3항에 있어서,
   수정된 모델은 차량의 전륜 및 후륜에 가해지는 선형화된 횡력(F_{f_L}, F_{r_L})의 추정값을 제공할 수 있고, 상기 안전 모듈(13)은 상기 선형화된 횡력을 수신할 수 있으며 상기 선형화된 횡력을 차량에 내장된 센서(14, 15, 16)에 의해 제공되는 데이터를 이용하여 계산된 횡력(F_f, F_r)과 비교할 수 있는, 자동차의 제어 장치.
5. 제4항에 있어서,
   안전 모듈(13)은 내장된 센서로 측정되는 요방향 각속도, 조향각 및 차량의 횡방향 가속도의 값에 기초하여 전륜과 후륜에 가해지는 횡력(F_f, F_r)을 계산할 수 있는 연산 모듈(130)을 포함하는, 자동차의 제어 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   안전 모듈(13)은 선형화된 횡력(F_{f_L}, F_{r_L})과 계산된 횡력(F_f, F_r) 사이의 차이를 설정할 수 있고 상기 차이가 미리 정의된 임계값(ε)을 초과할 때 안전 모드를 활성화할 수 있는 비교기 모듈(comparator module, 131)을 포함하는, 자동차의 제어 장치.
7. 제6항에 있어서,
   안전 모듈(13)은 종방향 및 횡방향 컨트롤러에 대한 차량 보안 명령 신호를 생성할 수 있으며, 보안 명령 신호는 안전 모드가 활성화되는 경우 자동 모드의 주행 명령 신호보다 우선하는, 자동차의 제어 장치.
8. 제7항에 있어서,
   보안 명령 신호는 차량의 정지를 명령하도록 조정되는, 자동차의 제어 장치.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   안전 모듈(13)은 안전 모드가 활성화되는 경우 차량의 인간-기계 인터페이스(human-machine interface, 17)에 대한 경보 신호를 생성할 수 있는, 자동차의 제어 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 제어 장치(1)를 포함하는, 자동차.

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