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KR-102961496-B1 - VELOCITY CONTROL DEVICE AND METHOD FOR REDUCING MOTION SICKNESS IN AUTONOMOUS VEHICLES

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Abstract

본 발명은 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 장치는 자율주행 중 차량의 경로를 감지하고 상기 경로의 곡률 및 상기 차량의 현재 위치를 포함하는 경로정보를 수집하는 경로정보 수집부; 상기 경로정보를 기초로 상기 경로 상 곡선로의 곡률 반경에 따른 목표 속도를 계산하고 LQR(Linear Quadratic Regulator) 최적제어를 통해 상기 목표 속도로 주행하기 위한 목표 가속도를 산출하는 목표 가속도 산출부; 상기 산출된 목표 가속도의 입력을 필터링하여 멀미를 유발하는 특정 저주파수 성분을 저감시키는 멀미 유발 요소 저감부; 및 상기 필터링된 목표 가속도로 상기 차량의 가감속 제어를 수행하는 속도 제어부;를 포함한다.

Inventors

  • 이천환
  • 이수민

Assignees

  • 전남대학교산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20250415

Claims (11)

  1. 자율주행 중 차량의 경로를 감지하고 상기 경로의 곡률 및 상기 차량의 현재 위치를 포함하는 경로정보를 수집하고 상기 차량 주변의 주행 환경과 상기 차량의 동적 상태를 종합적으로 인식하여 상기 차량이 주행해야 할 경로의 곡률, 경로 형태, 차선 구조 및 차량 위치를 포함하는 상기 경로정보를 실시간으로 생성하며 도로 영상의 차선 세그먼테이션을 통해 차선 데이터를 추적하고 상기 차선 데이터를 기반으로 상기 차량의 주행 가능한 경로를 예측하며 중심 차선 혹은 차선 간 중간선을 기준으로 경로 곡률 및 예상 이동 궤적을 계산하여 상기 차량이 추종해야 할 중심 경로, 경로의 곡률, 반경 및 구간별 형태 정보를 산출하는 경로정보 수집부; 상기 경로정보를 기초로 상기 경로 상 곡선로의 곡률 반경에 따른 목표 속도를 계산하고 상기 목표 속도와 상기 차량의 현재 속도 간 차이 및 상기 차량의 위치를 입력으로 하는 LQR(Linear Quadratic Regulator) 최적제어를 통해 상기 목표 속도로 주행하기 위한 목표 가속도를 산출하되, LQR 제어기를 통해 상기 차량의 위치 및 속도를 상태 변수로 하고 상기 목표 가속도를 제어 입력으로 하여 비용 함수를 최소화하는 최적이득을 Riccati 방정식을 통해 구하고 상기 비용 함수를 최소화하는 상기 제어 입력을 계산하는 목표 가속도 산출부; ISO 2631-1에서 정의한 멀미 유발 주파수 대역을 차단하도록 설계된 버터워스(Butterworth) 구조의 대역저지 필터(Band-Stop Filter)를 포함하되 상기 필터 는 저역 통과 필터(LPF)와 고역 통과 필터(HPF)를 병렬 구성하여 0.08㎐ 이하를 컷오프 (cutoff)로 하는 저역 통과 필터와 0.4㎐ 이상을 컷오프로 하는 고역 통과 필터의 두 출력을 가중 합성(amplified sum)하여 중간 주파수 성분을 제거하도록 구현하고, 상기 산출된 목표 가속도의 입력을 필터링하여 멀미를 유발하는 특정 저주파수 성분을 저감시키는 멀미 유발 요소 저감부; 및 상기 필터링된 목표 가속도로 상기 차량의 가감속 제어를 수행하고 상기 차량의 실제 속도 및 가속도를 모니터링하고 상기 모니터링 정보를 목표 가속도 산출부 또는 멀미 유발 요소 저감부에 피드백하여 제어 정확도 및 승차감을 향상시키는 폐루프 구조를 포함하는 속도 제어부;를 포함하는 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 경로정보 수집부는 상기 차량에 탑재된 GPS 또는 IMU를 통해 주행 중인 상기 차량의 현재 위치, 속도 및 자세를 포함하는 동적 상태 및 경로에 관한 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 경로정보 수집부는 카메라를 통해 주행 중인 상기 차량의 전방 도로를 촬영하여 도로 영상을 생성하고 상기 도로 영상에서 경로 형태 및 차선에 관한 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 목표 가속도 산출부는 상기 차량의 현재 위치에서 상기 곡선로까지의 거리를 계산하고 계산한 거리가 기설정된 영역에 들어올 경우 하기 수학식 1에 따라 상기 곡선로의 곡률반경(k)에 따른 상기 목표속도( )를 계산하는 것을 특징으로 하는 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 장치. [수학식 1] 여기서, 는 목표 횡방향 가속도이다.
  5. 제1항에 있어서, 상기 목표 가속도 산출부는 상기 목표 속도와 상기 차량의 현재 속도 간 차이를 최소화하기 위해 선형 이차 비용 함수에 기초한 LQR 제어기를 적용하여 상기 목표 가속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 장치.
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  9. 자율주행 차량의 속도제어 장치에서 수행되는 속도제어 방법에 있어서, 경로정보 수집부를 통해, 자율주행 중 차량의 경로를 감지하고 상기 경로의 곡률 및 상기 차량의 현재 위치를 포함하는 경로정보를 수집하고 상기 차량 주변의 주행 환경과 상기 차량의 동적 상태를 종합적으로 인식하여 상기 차량이 주행해야 할 경로의 곡률, 경로 형태, 차선 구조 및 차량 위치를 포함하는 상기 경로정보를 실시간으로 생성하며 도로 영상의 차선 세그먼테이션을 통해 차선 데이터를 추적하고 상기 차선 데이터를 기반으로 상기 차량의 주행 가능한 경로를 예측하며 중심 차선 혹은 차선 간 중간선을 기준으로 경로 곡률 및 예상 이동 궤적을 계산하여 상기 차량이 추종해야 할 중심 경로, 경로의 곡률, 반경 및 구간별 형태 정보를 산출하는 경로정보 수집단계; 목표 가속도 산출부를 통해, 상기 경로정보를 기초로 상기 경로 상 곡선로의 곡률 반경에 따른 목표 속도를 계산하고 LQR(Linear Quadratic Regulator) 최적제어를 통해 상기 목표 속도로 주행하기 위한 목표 가속도를 산출하되, LQR 제어기를 통해 상기 차량의 위치 및 속도를 상태 변수로 하고 상기 목표 가속도를 제어 입력으로 하여 비용 함수를 최소화하는 최적이득을 Riccati 방정식을 통해 구하고 상기 비용 함수를 최소화하는 상기 제어 입력을 계산하는 목표 가속도 산출단계; 멀미 유발 요소 저감부를 통해, ISO 2631-1에서 정의한 멀미 유발 주파수 대역을 차단하도록 설계된 버터워스(Butterworth) 구조의 대역저지 필터(Band-Stop Filter)를 포함하되 상기 필터 는 저역 통과 필터(LPF)와 고역 통과 필터(HPF)를 병렬 구성하여 0.08㎐ 이하를 컷오프 (cutoff)로 하는 저역 통과 필터와 0.4㎐ 이상을 컷오프로 하는 고역 통과 필터의 두 출력을 가중 합성(amplified sum)하여 중간 주파수 성분을 제거하도록 구현하고, 상기 산출된 목표 가속도의 입력을 필터링하여 멀미를 유발하는 특정 저주파수 성분을 저감시키는 멀미 유발 요소 저감단계; 및 속도 제어부를 통해, 상기 필터링된 목표 가속도로 상기 차량의 가감속 제어를 수행하고 상기 차량의 실제 속도 및 가속도를 모니터링하고 모니터링 정보를 목표 가속도 산출부 또는 멀미 유발 요소 저감부에 피드백하여 제어 정확도 및 승차감을 향상시키는 폐루프 구조를 포함하는 속도 제어단계;를 포함하는 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 방법.
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Description

멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 장치 및 방법{VELOCITY CONTROL DEVICE AND METHOD FOR REDUCING MOTION SICKNESS IN AUTONOMOUS VEHICLES} 본 발명은 자율주행 차량의 승차감 개선 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 가감속 과정에서 멀미를 유발하는 특정 주파수 대역의 가속도를 저감시키고 승차감을 확보할 수 있는 차량의 속도제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 자율주행 기술의 발전에 따라 운전자 개입 없이 스스로 주행 경로를 인식하고 제어하는 차량이 상용화되고 있다. 이러한 자율주행 차량은 목적기반 자동차로 이용될 수 있으며, 용도에 따라 여객, 화물 운송, 무인 스토어, 의료 서비스 등 다양한 활용성을 가질 수 있다. 자율주행 차량이 용도에 따라 적극적으로 활용되기 위해서는 용도에 맞는 안정적인 승차감 확보에 대한 높은 신뢰성이 중요하다. 그러나, 자율주행 차량의 경로 추종 성능 향상은 차량의 동적 거동을 강화시키는 결과를 낳았고 이는 승차감을 저해할 가능성도 함께 내포하고 있다. 특히, 자율주행 차량에서는 모든 탑승자가 수동적 승객이 되므로 일반 차량보다 멀미 증상이 빈번하게 발생하며 그 강도도 더 클 수 있다. 멀미는 시각 정보와 전정기관의 가속도 감지 간 불일치, 즉 감각 정보 간 불일치(sensory conflict)에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다. 특히, ISO 2631-1 국제 표준에 따르면, 0.16㎐ 이하의 저주파수 가속도 성분은 승객에게 멀미를 유발하는 주요 요인으로 작용한다. 기존의 멀미 저감 기술은 디스플레이, 진동, 사전 경고 등 탑승자에게 외부 정보를 제공하는 간접적 방법에 주로 의존하였으나, 이는 탑승자의 주의 집중을 요구하고 이동의 자유를 제한할 수 있는 한계가 있다. 따라서 멀미를 저감하는 직접적 방법으로 저주파수 성분을 포함한 차량의 가속도 응답을 최소화하는 차량의 속도제어 기술이 필수적으로 요구된다. 도 1은 본 발명에 따른 자율주행 차량의 속도제어 시스템을 설명하는 도면이다. 도 2는 도 1의 속도제어 장치의 시스템 구성을 설명하는 도면이다. 도 3은 도 1의 속도제어 장치의 기능적 구성을 설명하는 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 방법을 설명하는 순서도이다. 도 5는 본 발명에 따른 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 과정의 일 실시예를 설명하는 도면이다. 도 6은 도 5의 대역저지 필터의 구성을 설명하는 도면이다. 도 7은 본 발명에 따른 자율주행 차량의 전방 곡선로 주행 과정의 일 실시예를 설명하는 순서도이다. 도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 자율주행 차량의 속도제어 방식의 멀미 저감 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다. 한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다. 본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다. 기존 차량과 달리 자율주행 차량에는 운전자가 없어 승객이 차량 움직임에 더 민감해지고 멀미가 발생할 가능성이 높아질 수 있다. 이 상태는 주로 전정 입력과 시각 정보 간의 감각적 갈등으로 인해 발생하며 가장 높은 민감도는 0.16㎐의 낮은 주파수에서 발생한다. 멀미의 심각성은 가속 노출의 크기, 빈도 및 지속 시간에 영향을 받는다. 본 발명은 LQR(Linear Quadratic Regulator)과 대역저지 필터(Band-Stop Filter)를 결합하여 0.16㎐ 주파수 범위에서 가속도를 억제하는 종방향 제어를 통한 자율주행 차량의 멀미 완화 제어 전략을 제안한다. 이하에서, 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 자율주행 차량의 속도제어 시스템을 설명하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 자율주행 차량의 속도제어 시스템(100)은 사용자 단말(110), 속도제어 장치(130) 및 데이터베이스(150)를 포함할 수 있다. 사용자 단말(110)은 사용자에 의해 운용되는 단말 장치에 해당할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 사용자는 하나 이상의 사용자로 이해될 수 있으며, 복수의 사용자들은 하나 이상의 사용자 그룹으로 구분될 수 있다. 하나 이상의 사용자들 각각은 하나 이상의 사용자 단말(110)에 대응될 수 있다. 즉, 제1 사용자는 제1 사용자 단말, 제2 사용자는 제2 사용자 단말, …, 제n(상기 n은 자연수) 사용자는 제n 사용자 단말에 대응될 수 있다. 또한, 사용자 단말(110)은 자율주행 차량의 속도제어 시스템(100)을 구성하는 하나의 장치로서 속도제어 장치(130)와 연동하여 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 과정에 참여할 수 있는 컴퓨팅 장치에 해당할 수 있다. 예를 들어, 사용자 단말(110)은 속도제어 장치(130)와 연결되어 동작 가능한 스마트폰, 노트북 또는 컴퓨터로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고, 태블릿 PC 등을 포함하여 다양한 형태의 디바이스로도 구현될 수 있다. 한편, 사용자 단말(110)은 속도제어 장치(130)와 네트워크를 통해 연결될 수 있고, 복수의 사용자 단말(110)들은 속도제어 장치(130)와 동시에 연결될 수도 있다. 속도제어 장치(130)는 차량의 주행 경로를 고려하여 승객의 멀미를 저감할 수 있도록 속도제어하는 컴퓨터 또는 프로그램에 해당하는 서버로 구현될 수 있다. 여기에서, 차량은 자율주행 기능을 포함하여 구현될 수 있고, 이 경우 자율주행을 위한 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 즉, 자율주행 차량은 센서를 통해 상황을 인식하고 전자제어장치(ECU) 등에서 그 상황에 대한 주행전략 등을 판단해 기계장치들을 제어하며 움직인다. 이때, 외부환경 인지에 사용되는 센서는 대표적으로 IMU, GPS, 카메라 등으로 구성된다. 자율주행 차량은 목적기반 자동차로 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 속도제어 장치(130)는 차량에 포함되어 구현될 수 있으며, 해당 차량의 자율주행 중 도로 조건 및 곡률 환경에 따라 속도를 제어하여 멀미 유발 요인을 줄이도록 구현될 수 있다. 또한, 속도제어 장치(130)는 사용자 단말(110)과 유선 네트워크 또는 블루투스, WiFi, LTE 등과 같은 무선 네트워크로 연결될 수 있고, 네트워크를 통해 사용자 단말(110)과 데이터를 송수신할 수 있다. 또한, 속도제어 장치(130)는 본 발명에 따른 멀미 저감을 위한 자율주행 차량의 속도제어 방법을 수행하기 위하여 독립된 외부 시스템(도 1에 미도시함)과 연결되어 동작하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 속도제어 장치(130)는 인공지능 서비스를 제공하는 인공지능 시스템과 연동하여 동작할 수 있다. 데이터베이스(150)는 속도제어 장치(130)의 동작 과정에서 필요한 다양한 정보들을 저장하는 저장장치에 해당할