3. 상용화된 ADVANCED DRIVER ASSISTANCE SYSTEMS
3.1 ADAPTIVE CRUISE CONTROL AND STOP&GO
먼저 크루즈 컨트롤(Cruise Control)은 우리 나라 말로 정속 주행장치이다. 대부분 외산차에는 달려있는 장치로 말 그대로 일정속도로 세팅을 해놓으면 악셀페달을 밟지 않아도 계속적으로 그 속도가 유지되는 장치이다. 어댑티브 크루즈 컨트롤 ACC(Adaptive Cruise Control)은 기존의 크루즈 컨트롤(CCS) 기능에 ‘Follow-to-Stop’ 기능이 추가돼 설정된 속도 및 앞차와의 거리를 유지하는 것은 물론, 앞차의 속도에 따라 완전히 정차했다가 출발할 수도 있는 장치이다. 일반적으로 차량 전방에 장착된 레이저나 레이더 센서로 차간거리를 실시간 측정해, 엔진 및 브레이크를 스스로 제어함으로써 일정한 속도를 유지하며, 전방에 차량이 있으면 적정 차간거리를 유지할 수 있도록 설계된 최첨단 주행편의 시스템이다. 고속도로 등 비정체 구간에서 장거리 운전 시 운전자의 피로도를 낮추어주며, 일정한 출력을 유지하기 때문에 연료 소모량이 적어 연비향상에 도움을 준다.
그림 SEQ 그림 \* ARABIC 7 ACC-Stop&Go, Martinez [2]
ACC는 주로 고속도로상에서처럼 차량들의 속력 변화가 크지 않고 차량간 거리변화가 크지 않은 곳에서의 주행편의 시스템인 반면 Stop&Go는 도시 내부의 차량 순환처럼 가감속이 빈번하여 가고 서는 동작이 빈번히 일어나고 차량간 간격이 좁은 경우의 제어이며, 선행차량의 급정거시에도 충돌없이 선행차량을 따라갈 수 있도록 하는 자율주행-사고회피 시스템이다. 일반적으로 과거의 여러 연구들이 이 두 주제를 독립적으로 다루었으나 2004년에 종료된 프랑스 국가 연구 프로젝트의 ARCOS의 일환으로 진행된 [2]의 연구는 이 둘을 하나의 통합된 시스템으로 제어하는 방법을 제안하였다. 차간 거리의 역학 특성이 Damper의 물리적 특성과 유사함을 사용하여 Damper모델에 연결된 가상 차량의 가속도를 계산하여 실제차량에 Feedforward 방식으로 제어하는 방법이다(그림 1).
좀 더 향상된 연구로 [5]에서 실용적인 부분을 많이 다루었다. 실제 시스템의 상용화를 위해서는 저렴한 센서의 사용이 불가피하고 저렴한 센서의 경우 측정 데이터에 노이즈가 많이 포함되게 된다. 특히 측정데이터의 시간 미분값이 필요한 경우 노이즈의 영향으로 알맞은 시간 미분 값을 구하기가 쉽지 않다. 따라서 알맞은 측정데이터 프로세싱이 불가피하게 됩니다. 둘째, 도로특성(마찰특성, 기울기)과 바람(돌풍)의 영향은 실제 차체 제어에 있어서 상당한 영향을 미치는 요인들이며, 이 부분들은 수학적 모델링이 쉽지 않고 각 모델에 필요한 파라미터 값들도 장소와 시간에 따라서 변하는 값들이기 때문에 이미 정해놓은 값들로는 강건한 제어가 불가능 하다. 이런 요인들의 알맞은 제어를 위해 Model-free control 기법이 적용되었다.
Stop&Go 의 경우 가 감속의 변화가 빈번하고 급정거까지 다루어야 하는데, 이런 경우 실시간으로 정확하게 엔진과 브레이크를 제어하는것이 꼭 뒷받침 되어야 한다. 그런데 일반적으로 엔진과 브레이크는 아주 복잡한 시스템으로 정확한 수학적 모델을 얻는 것이 불가능하며, 모델기반 제어 방법은 정확한 응답을 얻는데 응답 도달 시간이 필요하다. 게다가 실제 파라미터들은 시간이 흘러감에 따라 그 값이 변하므로 모델은 점점 실제 운동과 달라지게 된다. 이런 상황에서 동일한 제어방법을 사용하면 긴급한 상황에서 원하는 제어가 즉각 되지 못하여 위험한 상황을 초래할 수도 있다. 이런 문제를 다루기 위해서, [6]에서 Model-free 기법을 적용한 엔진/브레이크 제어 시스템을 다루었다.
그림 SEQ 그림 \* ARABIC 8 Continental사의 ACC
실제 상용화된 제품으로는, 현대 제네시스에 채택된 독일의 Contineltal Teves 사의 ACC [7] 가 있고, 같은 독일의 Bosch사의 ACC [8]도 있다. BMW 5 Series 세단에는 속도 적용 범위를 완전 정지 상태에서 시속 180km까지 확대시킨 Stop&Go [9] 기능이 포함되었다. DaimlerChrysler는 지능형 차간 거리 Stop & Go 제어 시스템을 개발 및 상용화 했으며. 우리 나라엔 만도에서 ACC에 해당하는 SCC(Smart Cruise Control) 시스템과 Stop&Go에 해당하는 TJA(Traffic Jam Assist, 그림 3)을 상용화 하였으나 실제 자세한 성능은 알 수 없다 [10].
그림 SEQ 그림 \* ARABIC 9 만도사의 TJA
최근, 자동차가 지능화되어 가면서 여러 가지 다양한 기능들을 갖추고 있다. 이러한 기능 중 하나로 자동 주차 시스템이 있다. 여러 주차중 특히 평행주차는 가장 어려운 기술로 공간지각 능력과 상당한 운동신경을 요구하기 때문에 여성들이나 노인들이 가장 힘들어하는 운전 형태이다. 자동주차 시스템의 동작 방식은 다음과 같다. 먼저, 카메라, 레이저, 레이더 또는 초음파 센서로 주차 공간을 찾고 주차공간이 충분이 넓은지 시스템이 판단을 내린다. 공간이 충분히 넓을 경우 운전자가 주차 보조 모드에 놓고 주차 시작 위치에 차를 이동시키면, 제어기는 주차 경로를 만들고, 전자 조향 장치에 의해 주차가 이뤄지게 된다. 이때 가속페달은 운전자가 직접 제어하거나 자동으로 제어된다. 주로 대부분의 연구와 상용화 제품이 평행주차를 위한것이며 최근에는 직각 자동 주차 시스템도 등장하고 있다. 이번 섹션에서는 자동주차 분야에서의 선구자적 연구와 유럽의 여러 상용화된 자동주차 시스템을 알아본다.
그림 SEQ 그림 \* ARABIC 10 세가지 형태의 주차 : 평행주차, 직각주차, 대각선 주차
3.2.1 APPROACH OF LAUMOND [1]
프랑스 뚤루즈에 있는 LAAS연구소의 Jean-paul Laumond은 자동차 모션 플래닝 분야의 선구자이다. 그는 일찌감치 1994년에 이미 일반화된 자동 평행 주차 솔루션을 제시하였다. 여기서 일반화란 주차공간의 넓이에 구애받지않고 그에 알맞은 앞뒤 방향 전환이 포함된 주차 경로를 자동 생성하고 경로를 자동으로 따라가게끔하여 주차가 이루어지게 하는 방법이다. 알고리즘의 기본원리를 알아보자면,
*첫째, 자동차의 논홀로노믹 특성을 무시한채 첫 지점과 마지막 지점을 연결하는 홀로노믹한 경로를 생성한다.
*둘째, 생성된 경로는 여러 작은 샘플로 나누어 논홀로노믹 특성에 맞는 경로로 연결하여 자동차가 첫 지점에서 마지막 지점까지 운동학적 특성에 맞추어 움직일 수 있게 한다.
이 방법은 최초의 일반화된 솔루션이자 이론적으로 알고리즘의 복잡성을 기술한 첫 연구결과 이다. 그러나 생성된 주차 경로는 일반적으로 우리가 주차하는 형태와 조금 다르고, 길이에 있어서 최적은 아니라는 단점이 있다.
그림 SEQ 그림 \* ARABIC 11 Laumond의 자동평행주차
세계 최초의 평행주차 프로토타입은 프랑스 INRIA연구소에서 90년대 중반에 이루어 졌다 [3]. Ligier의 전기 자동차가 실험에 쓰였으며, 가속 페달까지 자동으로 제어되는 시스템이다. 이 연구는 나중에 T자형 직각 주차로 확대되었다 [4].
지금부터는 유럽에서 상용화된 시스템들을 알아보겠다.
3.2.2 BOSCH PARKING ASSISTANT [11]
보슈사의 오랜 기술력을 바탕으로 개발된 이 시스템은 초음파 센서를 이용한 시스템이다. 2006년에 Citroen사의 C4 Picasso에 장착되어 시장에 첫선을 보였다.
이 시스템은 주차 공간으로 부터 1.8미터의 거리에서 까지 주차공간 탐색이 가능하다. 2가지 타입의 시스템이 완성차 회사에 제공될 수 있는데, 첫번째는 자동 조작없이 운전자에게 알맞은 지시만 내리는 가이드 형식의 제품 그리고 두번째는 자동으로 조향장치를 제어하는 시스템이다. 둘다 가속 페달은 운전자의 몫이다.
그림 SEQ 그림 \* ARABIC 12 BOSCH사의 자동평행주차 시스템
자동차 길이보다 최소 80 cm 큰 주차공간까지 주차가 가능하며, 즉 좁은 공간에서의 앞뒤 방향전환이 포함된 Mutiple movement 주차가 가능한 제품인 듯하나 관련 동영상은 아직 찾지 못하였다. 좁은 도로에서도, 언덕진 주차공간에서도, 커프진 주차공간에서도 아무문제없이 주차가 가능하다. 실시간으로 주변상황을 측정하고 순차적으로 주차경로를 생성하는 형태로, 현재의 주변상황은 다음 조작을 계산하는데 반영된다. 또 하나의 장점은 최대 시속 30 km까지 정확한 주차공간 탐색이 가능하다는 점이다. 그리고 사용된 스마트 알고리즘에 의해서 10초안에 주차가 가능하다고 한다.
3.2.3 VALEO Park4U [12]
프랑스의 발레오사의 Park4U는 가장 성공적인 상용화된 사례이다. 이미 6종의 Volkswagen 모델에 장착이 되었고, Audi A3와 Skoda Superb에도 장착이 되었다. 곧 미국 Ford사의 Lincoln MKS와 MKT 모델의 포함하여 총 18종의 모델에 장착이 될 예정이다.
이 제품 역시 초음파 센서를 사용하여 주차공간을 찾고, 차 앞뒤로 각각 최소 70cm의 여유만 있으면 주차가 가능하다. 다른 제품들처럼 핸들은 자동 제어되지만 가속페달은 운전자의 몫이다.
초음파 센서가 주차공간 측정을 할때 인도와 주차 공간 사이의 턱이 너무 높으면 턱과의 충돌이 없게끔 주차경로를 생성하고, 턱이 없으면 앞차와 일찍선이 되도록 주차경로를 생성한다. 주차공간 측정시 속도는 시속 30km 를 넘으면 안되며 주차공간으로 부터 50cm와 150cm사이에 있어야 한다. 자동 주차 중에 속도가 시속 7km가 넘거나 운전자가 핸들을 조작하면 주차가 중단된다.
2009년에 발표된 좀더 향상된 Park4U는 앞뒤 40cm의 여유만 있으면 주차가 가능하고 커브길에 위치한 주차공간에도 주차가 가능하다고 한다. 그리고 주차공간에서 차를 빼는 작업도 자동으로 될 것이라고 한다.
3.2.4 intellitech Xpark [13]
프랑스 intellitech사의 Xpark은 Fuzzy logic을 이용한 상용화 제품이다. Fuzzy logic을 사용하여 주차 전문가의 스킬을 학습하여 주차에 응용한 방법이다. 실제 사람의 운전 행태를 학습한 형태이기 때문에 그 결과 또한 사람의 주차 방식에 가장 흡사하다. 일반적 방법과 달리 주차 경로 생성과 경로 추종이 필요없는 방식이다. 제안된 4가지 제품을 차례대로 알아보자면 :
xpark SENSE : 주차공간을 측정하고 측정시, 측정된 주차공간 크기에 따라 어려운 정도를 (easy, medium, hard, very hard) 로 나타내어 준며, 공간의 크기가 주차하기에 충분한 크기인지 알려준다. 그리고 주차중 발생할 수 있는 위험한 장애물들에 대한 경고도 해준다.
xpark COACH : 주차를 위한 최적의 방법을 오디오와 비쥬얼한 인터페이스를 사용하여 운전자에서 코치해주는 제품이다.
xpark STEER : 다른회사 제품들처럼 조향장치만 자동으로 제어해주는 제품이다.
xpark DRIVE : 조향장치와 가속페달 모두 자동으로 제어하는 완전한 자동주차 제품이다. 좁은 공간에서의 앞뒤 방향전환이 포함된 Mutiple movements 주차가 가능한 제품으로 주차도중 나타날수 있는 예상치 못한 장애물들도 피할 수 있다.
그림 SEQ 그림 \* ARABIC 13 intellitech사의 xpark
3.3 ROAD FRICTION ESTIMATOR [17]
위에서 알아본 시스템들처럼 자동차 차체의 가속도를 제어하는 시스템에서는 도로의 최대 마찰 계수를 아는 것이 매우 유용하다. 예를 들어 Stop&Go시스템을 사용중에 앞차가 급정거를 했다고 생각하자. 이때 충돌을 피하기 위해 시스템에서 내린 브레이킹 가속력이 현재 도로에서 도달할 수 있는 최대 가속력보다 높을 경우 원하는 가속력을 낼 수가 없기 때문에 충돌을 피하기 어려울 지도 모른다. 이밖에도 ABS나 ESP 같은 시스템에서도 도로의 최대 마찰력 계수를 알면 시스템을 최적화 시키고 성능을 향상시킬 수 있다. 그런데 그러기 위해서는 현재 자동차가 달리고 있는 도로의 최대 마찰계수를 실시간으로 정확하게 추정하는 기술이 필요하다. 이러한 기술에 대한 특허를 프랑스의 자동차 회사 PSA에서 등록하였다. 이 기술은, 비나 눈등으로 인한 위험을 현저히 줄여 줄수 있다. 실시간으로 현재 도로의 마찰계수를 알면 그로부터 이론적인 최소 정지거리 계산이 가능하고, 즉 최소 안전거리 유지가 가능해진다. 이 특허에서는 기존의 ABS 기술에서 사용된 아이디어를 반대로 이용하고 새로이 덧붙이는 센서없이 기존에 사용되는 센서를 가지고 마찰계수를 실시간으로 추정한다. 사용된 기본 방법은 다음과 같다.
첫째, 먼저 자동차의 진행방향 가속도를 결정한다.
둘째, 자동차의 한 바퀴의 회전가속도를 결정한다.
셋째, 자동차의 한 바퀴의 회전가속도의 변화에 따른 자동차의 진행방향 가속도의 변화를 이용하여 도로의 마찰 특성을 추정한다.
3.4 BEAMATIC PREMIUM [20]
그림 SEQ 그림 \* ARABIC 14 BeamAtic Premium
프랑스 Valeo사가 지난해 시장에 내놓은 BeamAtic Premium는 lighting 분야의 혁명이라고 볼 수 있다. 기존의 turning lighting 시스템들은 자동차가 커브에 들어섰을때 헤드를 커브방향으로 돌려주어 시야를 좀더 확보해주는데에 그쳤지만, 이 제품은 다른 차량에 아무런 방해 없이 최적의 시야를 확보해주는 점에서 가히 혁신적이라 할 수 있다.
야간에는 교통량이 적은 반면 충분한 시야 확보가 어려워 오히려 사망사고 확률이 더 높다. 특히 운전자들은 반대방향 차량이나 옆차선 차량의 운전자들을 불빛의 눈부심으로 부터 방해를 주지 않기 위해서 단거리 라이터만 작동시킨채 운전하는게 일수다. 만약 다른 차량의 곤간을 제외한 부분을 모두 비출 수 있다면 어떨까? 이런 고민을 해결한 제품이 바로 BeamAtic Premium 이다.
이 기술은 카메라를 이용한 비젼기술이 합쳐진 기술이다. 카메라를 사용하여 반대방향으로 접근하는 차량이나, 같은 방향으로 진행중인 앞차를 발견하고 실시간으로 다른 차량의 위치를 제외한 부분만 빛을 쏘아서 최대의 시야를 확복하고 다른 차량은 방해하지 않는 기술이다. 곧 AUDI사의 차량에 장착되어 시장에 나올 예정이다.
참고문헌
[1] J.-P. Laumond, P. E. Jacobs, M. Taix et R. M. Murray, ‘A motion planner for non-holonomic mobile robots’, IEEE Trans. Robotics and Automation, Vol. 10 (5), October, 1994.
[2] J. Martinez and C. Canudas-de-Wit, ‘ASafeLongitudinal Control for Adaptive Cruise Control andStop-and-GoScenarios’, IEEETrans. Control SystemsTechnology, Vol. 15, pp. 246-258, 2007
[3] I. E. Paromtchik and C. Laugier, ‘Autonomous parallel parking of a non=holonomic vehicle,’ in Proc. IEEE Intelligent Vehicles Symp., 1996, pp.13–18.
관련 동영상 : http://www.youtube.com/watch?v=6yS_inHMJJI
[4] I. E. Paromtchik, ‘Steering and Velocity Commands for Parking Assistance, Int. Conf. Robotics and applications, 2004, Honolulu, USA
관련 동영상 : http://www.youtube.com/watch?v=k0czQoj9Dqs.
[5] J. Villagra, B. d’Andr´ea-Novel, S. Choi, M. Fliess and H. Mounier, ‘Robust stop-and-go control strategy: an algebraic approach for nonlinear estimation and control ’,"International Journal of Vehicle Autonomous Systems (2009)
[6] Sungwoo CHOI, Brigitte d’ANDREA-NOVEL, Michel FLIESS, Hugues MOUNIER and Jorge VILLAGRA, Model-free control of automotive engine and brake for Stop-and-Go scenarios, Proc. European Control Conf., Budapest, Hungary, 2009
[7] Contineltal ACC
[8] BOSCH ACC
http://www.bosch.de/start/content/language2/html/734_4404.htm
[9] BMW ACC-Stop&Go
http://www.bmw.com/com/en/newvehicles/5series/sedan/2007/allfacts/ergonomics/acc_stop.html
[10] 만도 SCC-TJA, SPAS
http://www.mando.com/200909_mando/product/lab_movie.asp
[11] BOSCH Parking Assitant
[12] Valeo Park4U
http://www.valeo.com/innovation/fr/home/#fr/home/driving-assistance/products/park4u/?brief
[13] intellitech Xpark
[14] Rt-maps
http://caor.ensmp.fr/french/recherche/sti/Rtmaps.php
http://www.intempora.com/ENG/index.php?nav1=acc
[15]SiVIC
[16]CATS
http://imara.inria.fr/contracts/cats
[17] http://www.freepatentsonline.com/EP2082939.pdf
[18] http://caor.ensmp.fr/french/recherche/sti/BoiteNoire.php
[19] LOVE
http://love.univ-bpclermont.fr/index.php
[20] BeamAtic® Premium
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