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자동운전차량의 기준주행속도 생성 시스템 및 방법 { system and the method of generating reference speed for automatic driving vehicle }
본 발명은 자동운전차량의 기준주행속도 생성 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 자동운전차량의 속도제어에 요구되는 성능한계 및 승차감을 고려한 차량의 기준주행속도를 생성하는 시스템 및 그 생성 방법에 관한 것이다.
현재 전동차 등의 다양한 자동운전차량에 대해 국내외에서 연구개발이 수행되고 있고 이미 상용화된 차량도 운행되고 있다. 이와 같은 자동운전차량의 중요한 기능 중에 하나는 자동운전차량의 속도제어이다. 이때, 자동운전차량의 주행속도는 자신의 주행위치에 따른 목표속도를 준수해야 한다. 자동운전을 위해서 노선에서는 각 구간의 노선조건(곡선부, 위험지역, 교량 등)을 고려하여 구간제한속도가 설정된다. 따라서, 차량은 주행 중 구간별 목표속도를 이산적으로 수령하게 되고 차량은 현재속도에서 목표속도까지 가속하거나 감속하여야 한다. 이와 같은 자동운전차량의 주행속도를 제어하기 위해 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 속도제어에 요구되는 기준속도를 저크상수를 계산된 시간동안 2번 적분하여 기준속도 값을 얻는 방식을 사용하였다. 이때, 자동운행차량의 가속도는 상수 저크량을 적분하는 아래의 식(1)을 통해 구하고, 자동운행차량의 속도는 가속도를 적분하는 아래의 식(2)를 통해 구한다. (1) (2) 그런데, 이와 같은 속도제어방법의 경우 저크 및 가속한계를 만족하는 기준속도를 생성할 수는 있지만, 2번 적분하는 동안 적분오차가 누적되어 정확한 목표속도 기준 값과 오차가 발생하게 되고 부드러운 승차감을 얻기 어렵다. 또한, 적분에 요구되는 구간시간의 정확한 계산을 필요로 하며, 이러한 구간 속도적용방식에서는 곡선부 등에서 진입 전 최대 곡선부를 고려하여 충분히 감속한 후 곡선부 등에 진입해야 하므로 차량안전을 위한 세심한 구간목표속도설정이 요구되어 차량 성능을 최적으로 활용할 수 없는 단점이 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 차량이 감속하거나 가속할 때 승차감 및 차량성능한계를 고려한 가속 및 저크한계 내에서 운행되도록 자동운전차량의 속도제어에 요구되는 성능한계 및 승차감을 고려한 기준주행속도의 생성 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은; 자동운전차량의 추진 및 제동을 담당하는 차량구동시스템의 현재시간, 현재속도, 앞축 조향각, 뒤축 조향각 등의 관측정보를 관측하는 정보관측기와; 상기 정보관측기를 통해 관측되는 관측정보를 이용해 기준지령속도를 생성하는 프로파일 생성기와; 상기 프로파일 생성기에서 생성된 기준지령속도 프로파일을 이용해 상기 차량구동시스템의 추진토크 및 제동지령을 위한 제어신호를 출력하는 제어기;로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동운전차량의 기준주행속도 생성 시스템을 제공한다. 이때, 상기 프로파일 생성기는; 기준속도( )를, 로 연산하되, 상기 t는 현재시간, V s 는 현재속도, 는 목표속도, 는 구동시간 상수이며; 곡선회전부 제한속도( )는, 앞축의 회전반경( ), 뒤축의 회전반경( )을 로 연산하고 앞축의 회전반경( )과 뒤축의 회전반경( ) 중에 가장 작은 회전반경을 선택하되, 은 휠 축간거리, 은 각각 앞축과 뒤축의 휠 조향각이며; 상기 기준속도( )와 곡선회전부 제한속도( ) 중 작은 속도를 기준지령속도( )로 선정하는 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 구동시간 상수( )는, 가속도 한계( )를 에 대입하여 얻어지는 구동시간( )과, 저크 한계( )를 에 대입하여 얻어지는 구동시간( ) 중에 긴 시간인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은; 자동운전차량의 속도 제어를 위한 상수 설정 및 변수를 초기화하는 제1단계; 상기 제1단계 후, 정보관측기를 통해 현재시간(t), 현재속도(V s ), 앞축 조향각( ), 뒤축 조향각( ) 등의 관측정보를 입력받는 제2단계; 상기 제2단계를 통해 자동운전차량의 목표속도의 변동 여부를 비교하는 제3단계; 상기 제3단계를 통해 자동운전차량의 목표속도가 변동된 경우 구동시간( )을 초과했는지 여부를 판단하는 제4단계; 상기 제4단계를 통해 구동시간( )이 초과하지 않은 경우에는 목표속도( )를 기준속도( )로 설정하고, 상기 제4단계를 통해 구동시간( )이 초과한 경우에는 기준속도( )를 로 연산하는 제5단계(상기 t는 현재시간, Vs 는 현재속도, 는 목표속도, 는 구동시간 상수이다.);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동운전차량의 기준주행속도 생성 방법도 제공한다. 이때, 상기 제2단계 후, 상기 관측정보를 이용해 곡선회전부 제한속도( )를 산정하는 제6단계; 및 상기 제5단계에서 산정된 기준속도( )와 상기 제6단계에서 산정된 곡선회전부 제한속도( )를 비교하여 작은 속도를 기준지령속도( )로 결정하는 제7단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 곡선회전부 제한속도( )는, 앞축의 회전반경( ), 뒤축의 회전반경( )을 로 연산하고, 앞축의 회전반경( )과 뒤축의 회전반경( ) 중에 가장 작은 회전반경을 선택하되, 은 휠 축간거리, 은 각각 앞축과 뒤축의 휠 조향각이며; 상기 기준속도( )와 곡선회전부 제한속도( ) 중 작은 속도를 기준지령속도( )로 선정하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 제3단계를 통해 목표속도가 변동되지 않은 경우에는 변경시점의 데이터인 현재속도(V s ), 목표속도( ), 구동시간( )를 저장하는 제8단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 자동운전차량에서 자동속도제어에 요구되는 기준지령속도를 생성시에 차량의 성능가속한계, 승차감한계, 횡가속한계를 모두 만족하는 속도지령을 생성할 수 있다. 따라서, 상기 기준지령속도 프로파일을 이용하면 자동운전차량의 가감속 및 곡선부 운행시 승객의 차량승차감 및 운행안정도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 자동운전차량의 속도 프로파일 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자동운전차량의 속도 제어를 위한 시스템 구성도이다.
도 3 내지 도 5는 기준속도 프로파일의 생성 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 자동운전차량의 속도제어 흐름도이다.
본 발명에 따른 자동운전차량의 기준주행속도 생성 시스템 및 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
도 2에 의하면, 본 발명에 따른 자동운전차량의 기준주행속도 생성시에는 자동운전차량을 감속하거나 가속할 때 승차감 및 차량성능한계를 고려한 가속 및 저크한계 내에서 운행되어야 하며, 이를 위해 자동운전차량은 위의 성능조건을 만족하는 기준속도지령을 실시간으로 발생하여야 한다. 이를 위해 본 발명은 차량 주행 중 목표속도가 주어지거나 곡선부를 통과하는 경우 차량의 성능한계(가속도), 승차감한계(저크), 횡가속한계(곡선부 속도) 등을 고려하여 기준주행속도를 생성하는 방법을 제시한다. 이와 같은 자동운전차량의 주행속도 제어를 위해서는 전동차와 같은 자동운전차량의 추진 및 제동을 담당하는 차량구동시스템(100)의 현재시간, 현재속도, 앞축 조향각, 뒤축 조향각 등의 관측정보를 관측하는 정보관측기(200)와; 상기 정보관측기(200)를 통해 관측되는 관측정보를 이용해 기준지령속도를 생성하는 프로파일 생성기(300)와; 상기 프로파일 생성기(300)에서 생성된 기준지령속도 프로파일을 이용해 상기 차량구동시스템(100)의 추진토크 및 제동지령을 위한 제어신호를 출력하는 제어기(400)를 이용한다.
이하에서는 상기 정보관측기(200)를 통해 관측되는 관측정보를 이용해 프로파일 생성기(300)에서의 기준주행속도의 도출 과정을 설명한다. 먼저, 차량성능한계인 가속한계와 승차감한계인 저크(jerk) 한계를 고려한 기준속도( )를 산정하는 경우이다. 이 경우, 부드러운 속도, 가속도, 저크 곡선을 형성하기 위해 Sin함수를 사용한다. 속도, 가속도, 저크곡선 각각의 식을 정리하면 아래의 식(3) 내지 식(5)와 같다. (3) (4) (5) 이때, 상기 식(3) 내지 식(5)에서 는 속도, 는 가속도, 는 저크, 는 현재시간, 는 구동시간이다. 상기 식(3) 내지 식(5)는 단위 구동시간 동안 '1'에 도달하는 식으로서, 상기 식(3) 내지 식(5)를 이용하여 현재속도와 목표속도에 관련한 식으로 수정하면 아래의 식(6)과 같다. (6) 여기서 는 기준속도, 는 시작속도, 는 목표속도이다. 위 식에서 는 아래의 식(7)과 같이 결정되는 구동시간 상수이다. 이때, 가속도 한계에 의해 결정되는 구동시간( )은 아래의 식(7)과 같다. (7) 또한, 저크 한계에 의해 결정되는 구동시간( )은 아래의 식(8)과 같다. (8) 이때, 상기 식(7)의 는 가속도 제한값이고, 식(8)의 는 저크 제한값이다. 따라서, 구동시간상수( )는 아래의 식(9)와 같이 최종적으로 가속한계와 저크한계 구동시간 중 가장 긴 시간이 선택된다. (9)
다음으로, 프로파일 생성기(300)에서 곡선회전부 제한속도( )를 산정하는 경우를 설명한다. 이때, 곡선부 회전반경( )과 주행속도( ), 횡가속도( )는 아래의 식(10)과 같다. (10) 이때, 상기 식(10)에서 횡가속도 제한은 차량에 따라 차이가 있으며 통상 상수로 제시된다. 상기 식(10)을 이용하여 아래의 식(11)로 정리하면 곡선부 제한속도( )를 횡가속도 제한값( )에 의해 제한될 수 있다. (11) 이때, 회전반경( )은 차륜 조향각을 알면 아래의 식(12)와 같이 계산할 수 있다. , (12) 이때, 은 앞축의 회전반경, 은 뒤축의 회전반경, 은 휠 축간거리, 은 각각 앞축과 뒤축의 휠 조향각이다. 따라서 아래의 식(13)과 같이 앞축의 회전반경( )과 뒤축의 회전반경( ) 중에 가장 작은 회전반경이 선택된다. (13)
이상의 식(3) 내지 식(9)를 이용하여 기준속도( )를 산정하고, 식(10) 내지 식(13)을 이용하여 곡선회전부 제한속도( )를 산정한 후, 최종적으로 자동운전차량의 최종적인 기준지령속도를 산정하게 된다. 결국 최종 기준지령속도는 아래의 식(14)와 같이 기준속도( ), 곡선회전부 제한속도( ) 중 가장 작은 속도에 의해 결정된다. (14) 상기 식(14)를 통해 결정되는 기준지령속도( )는 차량의 성능가속한계( ), 승차감한계( ), 횡가속한계( )를 모두 만족한다.
이상의 식들을 이용해 기준속도 프로파일의 생성 예가 도 3 내지 도 5에 도시된다. 이때, 도 3 내지 도 5는 시작속도인 가 0km/h이고, 목표속도인 가 35km/h이고, 가속도 제한값인 가 1.2m/s2 이고, 저크 제한값인 가 0.8m/s 3 인 조건을 기준으로 생성되는 것으로, 도 3은 기준속도 프로파일의 생성 예이고, 도 4는 기준속도의 가속도 특성을 도시한 예이고, 도 5는 기준속도의 저크 특성을 도시한 예이다.
이하, 도 2 및 도 6을 참고로 본 발명에 따른 자동운전차량의 속도 제어 과정을 설명한다. 먼저, 정보관측기(200)는 자동운전차량의 추진 및 제동을 담당하는 차량구동시스템(100)의 현재시간, 현재속도, 앞축 조향각, 뒤축 조향각 등의 관측정보를 관측한다. 이와 같은 정보관측기(200)의 관측정보는 기준지령속도 생성을 위해 프로파일 생성기(300)는 상기 관측정보를 이용해 기준지령속도 프로파일을 생성한다. 즉, 상기 프로파일 생성기(300)는 관측정보를 이용해 기준속도 프로파일을 생성하기 위해 자동운전차량의 가속한계, 저크한계, 횡가속한계 등의 상수 설정 및 변수를 초기화한다.(S100) 상기 단계(S100)를 통해 연산을 위한 상수 설정 및 변수를 초기화한 후, 정보관측기(200)를 통해 현재시간(t), 현재속도(V s ), 앞축 조향각( ), 뒤축 조향각( ) 등의 관측정보를 입력받는다.(S102) 상기 단계(S102)를 통해 관측정보를 입력받으면, 자동운전차량의 목표속도의 변동여부를 비교한다.(S104) 상기 단계(S104)를 통해 목표속도가 변동되지 않은 경우에는 변경시점의 데이터인 현재속도(V s ), 목표속도( ), 구동시간( )을 저장한다.(S106) 상기 단계(S106)를 통해 자동운전차량의 목표속도가 변동된 경우에는 현재 진행시간(t)에서 이전 진행시간(t c )를 뺀 값을 구동시간( )으로 나눈 단위시간 변동값(dt)을 구하고(S108), 그 단위시간 변동값(dt)이 '1'보다 작은지를 비교함으로서 구동시간( )을 초과했는지 여부를 판단하게 된다.(S110) 상기 단계(S110)를 통해 구동시간( )이 초과하지 않은 경우에는 목표속도( )를 기준속도( )로 설정한다.(S112) 상기 단계(S110)를 통해 구동시간( )이 초과한 경우에는 전술한 식(6)을 이용해 기준속도( )를 생성한다.(S114) 한편, 상기 단계(S102)를 통해 정보관측기(200)로부터 현재시간(t), 현재속도(V s ), 앞축 조향각( ), 뒤축 조향각( ) 등의 관측정보를 이용해 곡선회전부 제한속도( )를 산정한다.(S116) 그리고, 상기 단계(S112) 또는 단계(S114) 중에 어느 하나의 단계를 수행하여 산정된 기준속도( )와, 상기 단계(S116)의 수행을 통해 산정된 곡선회전부 제한속도( )를 비교하여 작은 속도를 기준지령속도( )로 결정한다.(S118) 또한, 상기 단계(S118)를 수행한 후에는 생성된 기준지령인 기준지령속도( )는 제어기(400)로 전송하며, 상기 제어기(400)는 상기 기준지령을 이용해 차량구동시스템(100)에 자동운전차량의 추진 또는 제동을 위한 제어신호를 출력하여 자동운전차량을 제어한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
100: 차량구동시스템
200: 정보관측기
300: 프로파일 생성기
400: 제어기 |
