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표제지 2

목차 5

국문요약 9

NOMENCLATURE 11

1. Introduction 13

1.1. Research Background 13

1.2. Related Work 16

1.3. Research Objectives and Contributions 17

1. 가상의 상위 제어 입력 생성 및 최적 분배 구조 제안 17

2. Phase 기반 가변 가중치 전략 제안 17

2. Path Generation 18

2.1. Cubic Spline Path 18

2.2. Local Coordinate Transformation 19

2.3. Lateral Error Calculation 19

3. Mathematical Model Definition 20

3.1. 4-Wheels Lateral Dynamics Model 20

3.2. Lateral Error Dynamics Model 24

3.3. Model Parameter Estimation 27

3.3.1. Lateral Error Differential Estimation 27

3.3.2. Vertical Tire Force Calculation 29

3.3.3. Lateral Tire Force Calculation 33

4. Control System Design 37

4.1. Control Architecture 37

4.2. Reference Generator 38

4.2.1. Trajectory Error 38

4.2.2. Calculate Desired Side Slip Angle 38

4.3. Upper Controller 40

4.3.1. PI Sliding Mode Control 41

4.4. Lower Controller 46

4.4.1. Cost Function Definition 46

4.4.2. Constraint Formulation 47

4.4.3. Phase Determine 49

4.4.4. Variable Cost Weight 51

5. Simulation Results 52

5.1. Simulation Environment 52

5.1.1. CarMaker 52

5.1.2. Simulation Scenario Environment 54

5.2. Test Result 57

5.2.1. Scenario 1: Front Obstacle Avoidance, Straight Road 57

5.2.2. Scenario 2: Front Obstacle Avoidance, Curve Road 66

6. Conclusion 75

References 76

Abstract 78

표목차 8

Table.3.1. Vertical Wheel Force 정합성 32

Table.3.2. Lateral Tire Force 정합성 36

Table.4.1. Adaptive Weighting of Q and R 51

Table.5.1. CarMaker Vehicle Model Specification 53

Table.5.2. Scenario 1 Simulation Condition 57

Table.5.3. Scenario 1 - Comparison of Side Slip Angle 60

Table.5.4. Scenario 1 - Comparison of Trajectory tracking 64

Table.5.5. Scenario 2 Simulation Condition 66

Table.5.6. Scenario 2 - Comparison of Side Slip Angle 69

Table.5.7. Scenario 2 - Comparison of Trajectory tracking 73

그림목차 7

Fig.1.1. Accident Types of Autonomous Vehicles 13

Fig.1.2. Necessary Distance to Avoid a Collision by Braking or Steering 14

Fig.3.1. 4-Wheels lateral dynamics model 20

Fig.3.2. Lateral Error Description 24

Fig.3.3. Static Vertical Wheel Force 29

Fig.3.4. Vertical Tire Force Result 31

Fig.3.4. Nonlinear Lateral Tire Force 33

Fig.3.5. Lateral Tire Force Result 35

Fig.4.1. Collision Avoidance Control System Architecture 37

Fig.4.2. Sign function and Saturation function 44

Fig.4.3. Friction Circle 47

Fig.4.4. Phase Transition for Collision Avoidance Control 50

Fig.5.1. CarMaker Vehicle Model 52

Fig.5.2. Matlab/Simulink - CarMaker Simulation Environment 53

Fig.5.3. Feasibility Regions for Collision Avoidance 54

Fig.5.4. Straight Road Scenario 57

Fig.5.5. Scenario 1 - Brake Wheel Force 58

Fig.5.6. Scenario 1 - Steering Angle 58

Fig.5.7. Scenario 1 - Vertical Tire Force 59

Fig.5.8. Scenario 1 - Side Slip Angle 60

Fig.5.9. Scenario 1 - Lateral Deviation Error 62

Fig.5.10. Scenario 1 - Yaw Angle Error 63

Fig.5.11. Curve Road Scenario 66

Fig.5.12. Scenario 2 - Brake Wheel Force 67

Fig.5.13. Scenario 2 - Steering Angle 67

Fig.5.14. Scenario 2 - Vertical Tire Force 68

Fig.5.15. Scenario 2 - Side Slip Angle 69

Fig.5.16. Scenario 2 - Lateral Deviation Error 71

Fig.5.17. Scenario 2 - Yaw Angle Error 72

초록보기

 자율주행 기술이 고도화됨에 따라 차량이 다양한 주행 환경에서 자율적으로 판단하고 대응해야 하는 상황이 증가하면서 안전한 주행을 보장하기 위한 충돌 회피 기술의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 특히 전방 장애물이나 주변 차량의 급작스러운 차선 변경과 같은 돌발 상황에서 신속하고 정확한 충돌 회피가 가능해야 한다. 기존의 조향 기반 충돌 회피 시스템은 전륜 조향을 이용한 긴급 회피 조작을 통해 충돌을 방지하는 방식이 주를 이루었다. 그러나 전륜 조향만을 활용하는 방식은 한계가 있으며 특히 높은 속도 영역이나 제약된 회피 공간에서는 효과적인 회피 성능을 확보하기 어렵다. 따라서 다중 액추에이터를 활용한 협조제어를 적용함으로써 충돌 회피 성능을 향상시킬 필요가 있다.

최근 차량의 샤시 시스템이 발전함에 따라, 후륜 조향과 각 륜 독립 제동을 활용한 협조제어가 가능해지고 있다. 이러한 추가적인 액추에이터를 효과적으로 활용하면 보다 최적화된 충돌 회피 경로 추종이 가능하다. 본 연구에서는 기존의 전륜 조향 기반 충돌 회피 방식에서 벗어나 후륜 조향 및 각 륜 제동을 고려한 최적 제어 할당 기법을 적용하여 급격한 곡률의 충돌회피 경로 추종 성능을 향상 시키고자 한다. 이를 통해 차량의 요레이트, 횡슬립각과 급격한 경로 변화에 따라 최적의 액추에이터 제어입력을 도출하고,다양한 주행 시나리오에서 안정적인 충돌 회피 성능을 확보하는 것을 목표로 한다.

본 연구는 자율주행 차량의 충돌 회피 상황에서 판단 및 경로 추종 알고리즘을 제안한다. 크게 경로 생성, 상위제어, 하위제어로 내용을 구성하였다. 경로 생성 파트에서 Road Preview Sensor 정보를 활용하여 충돌 회피를 위한 경로를 3차 다항식 Spline 방식으로 생성한다. 상위제어 파트에서 경로를 추종하기 위한 종방향, 횡방향 타이어 힘을 도출한다. 차량 모델 기반 제어를 수행하기 위해 경로 이탈거리를 포함한 4-Wheel dynamics 모델을 사용하였으며, 차량 횡슬립각과 경로 이탈거리, 요각을 기반으로 가상의 피드백 제어량을 도출한다. 하위제어 파트에서 상위제어에서 도출한 가상의 제어입력을 실제 액추에이터에 적용하기 위해 전, 후륜 조향각, 각 륜의 제동 힘을 도출한다. 최적화 문제 설정을 통해 비용함수, 타이어 마찰한계 기반 액추에이터 제약조건을 설정하고, 최종으로 조향 액추에이터 입력(전륜 조향각, 후륜 조향각), 각 륜의 제동 힘(Front Left, Front Right, Rear Left, Rear Right)를 도출한다. 또한 회피 경로의 곡률과 경로 이탈거리를 기반으로 각 액추에이터 제어 입력의 가중치를 가변으로 설정한다.

제안하는 충돌 회피 경로 추종 알고리즘을 검증하기 위해 Matlab/Simulink와 CarMaker를 활용하여 MiLS(Model-in-the-Loop Simulation) 검증을 진행하였다. 제어 성능 검증을 위해 회피 조향이 유효한 시나리오(직진 도로, 곡선 도로) 상황에서 검증하였다. 결과적으로, 본 연구에서 제시한 제어 전략을 통해 충돌회피 시 회피 경로 추종성과 충돌회피를 통한 차량 안정성 확보를 확인하였다.

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