Artificial Potential Field를 이용한 차량의 충돌 회피 경로 계획 및 제어

Abstract

본 연구는 선행 차량의 동적인 움직임에 의해 주행 환경이 변하는 도로 상황에서 선행 차량과의 1차 충돌을 회피하고 긴급 제동으로 인한 2차 충돌을 방지하기 위한 연구로 시작되었다. 최근 첨단 운전자 지원 시스템 (Advanced Driver Assistance System)뿐 만 아니라 자율주행차량에 대한 연구가 국내외에서 활발하게 수행되고 있다. 복잡한 도로 환경에서 운전자가 안전하게 주행하기 위해서는 충돌 회피에 대한 연구가 필수적이다. 전방 차량과의 충돌 피해를 경감시키기 위해 제동을 이용한 자동 긴급 제동 시스템 (Autonomous Emergency Braking)이 존재하지만 기존의 제동만을 이용한 충돌 회피 시스템의 경우, 제동 토크의 한계로 인하여 특정 상황에서 완벽하게 충돌을 회피할 수 없다는 한계점이 존재한다. 또한 자동 긴급 제동 시스템에 의한 충돌 회피가 수행될 경우, 후방 차량과의 2차 충돌이 발생할 가능성이 있다. 따라서 조향과 제동을 이용한 선행 차량과의 충돌 회피 제어가 필수적으로 고려되어야 한다.

본 연구에서는 모바일 로봇 분야에서 활발하게 연구되었던 APF(Artificial Potential Field)를 차량 플랫폼에 적합하도록 포텐셜 함수(Potential Function)를 구성하고 충돌 회피를 위한 경로 계획(Path planning)을 제안한다. 제안된 알고리즘은 DGPS(Differential Global Positioning System), LIDAR(Light Detection and Ranging), Radar, WSS(Wheel Speed Sensor)와 같은 센서들로부터 얻은 정보들을 이용하여 Potential Field를 구성하고 구성된 Potential Field에 기울기 하강(Gradient descent)을 적용하여 경로 계획을 수행하는 Path planning 부분과 계획된 경로를 추종하기 위하여 종방향 및 횡방향 제어를 수행하는 Path Tracking 부분으로 구성된다. APF에 기반한 충돌 회피 경로 계획의 유효성을 검증하기 위해 급격한 주행 상황의 시나리오를 구성하였고 MATLAB/Simulink 2017b와 CarSim 8.2.1를 이용하여 시뮬레이션을 수행하고 결과를 분석하였다. 그 결과 안전하게 선행 차량을 회피하는 것을 보임으로써 APF 기반 충돌 회피 경로 계획의 유효성을 증명하였고, 종방향 및 횡방향 제어 충돌 회피 시스템을 단일 횡방향 제어 충돌 회피 시스템과 비교하여 안전성 측면에서 분석하였다.

본 연구는 실제 도로에서 발생할 수 있는 선행 차량의 긴급 제동 상황과 옆 차선 차량의 Cut-in 상황에서 활용될 수 있으며, 추후 자동 주차, 교차로 등과 같은 다양한 상황에서 적용 가능한 경로 계획 방법으로 확장 가능할 것으로 예상된다.