The number of vehicles around the world continues to gradually increase, but on the contrary, the fatality rate has been decreasing. This is because various technologies, such as in-vehicle sensors and improved computing performance, have been developing. With the help of this kind of technology, while moving away from passive safety systems such as airbags and seat belts in the past, more active safety systems such as automatic emergency braking and lane departure warning are being newly developed and applied. In particular, a collision avoidance system that reduces an accident rate by controlling both braking and steering together has recently emerged as a major field of active safety systems. Unfortunately, however, many related studies have limitations that it is difficult to properly cope with changes in road surface conditions that can frequently occur in real world. It is because those studies assume the tire-road friction coefficient, which plays a decisive role in collision avoidance, as a known constant value. Therefore, to overcome these limitations, a comprehensive collision avoidance system that estimates and applies tire-road friction coefficient in real-time is proposed in this dissertation.
First of all, a path planner and tracking controller capable of applying the friction coefficient change within the algorithm and providing real-time feedback of the result (Updated state variables of a vehicle) are proposed. In order to overcome the disadvantage that the spline based path planning method is light in calculation but difficult to reflect tire-road friction information, a path that induces the maximum physically possible lateral acceleration on the corresponding road surface is created by applying the curvature optimization algorithm proposed in this study. As for the tracking controller, the use of longitudinal tire force is optimized based on the currently generated lateral tire force, away from the traditional method of optimizing the use of tire force by taking into account the tire model and future steering references. This makes it easier to maximize the use of tire force and quickly feedback updated state variables to the friction coefficient estimator.
As the proposed path planner and tracking controller are designed to maximize the use of the tire-road friction force, estimating the tire- road friction coefficient in real-time plays an important role in ensuring the performance of the overall collision avoidance system. Therefore, a tire-road friction coefficient estimator capable of estimating the tire-road friction with high accuracy even during collision avoidance is proposed. In general, in addition to the fact that accurate estimation of the friction coefficient must be made in a short time, there is a limitation that sufficient excitation required for estimation is not continuously performed during collision avoidance. However, this problem is solved by combining the advantages of tire-road friction coefficient estimators using linear and nonlinear tire models.
Finally, the collision avoidance performance of the overall system combining the proposed collision avoidance system and the tire-road friction coefficient estimator is demonstrated. Looking at related studies on collision avoidance system and tire-road friction coefficient estimation, a detailed analysis of the interaction between the two has not been included, even though the two systems are closely related. However, in this study, the virtuous cycle of interaction between the collision avoidance system and the tire-road friction coefficient estimator is demonstrated by applying the estimated friction coefficient in real-time to the collision avoidance system and using the response of the system to estimate the friction coefficient again.
전 세계 차량의 숫자가 점차적으로 계속 증가하고 있지만 반대로 사고로 인한 치사율은 낮아지고 있다. 이는 차량 내 인지센서 및 컴퓨팅 성능 개선 등 다양한 제반 기술들이 발전하면서 과거 에어백, 안전벨트와 같은 수동적인 안전 시스템에서 벗어나 자동 긴급제동 장치, 차선이탈 경고 등 보다 능동적인 안전 시스템이 새롭게 개발 및 적용되고 있기 때문이다. 특히 최근에는 단순한 제동을 넘어서 조향까지 함께 제어하여 사고율을 경감시켜 주는 충돌회피 시스템이 능동 안전 시스템의 주요한 분야로 떠오르고 있다. 하지만 안타깝게도 많은 관련 연구들이 충돌회피에 결정적인 역할을 하는 타이어-노면 마찰계수에 대한 정보를 이미 알고 있는 일정한 값으로 가정함으로써 실제 일어날 수 있는 노면상황 변화에 적절히 대처하기 어렵다는 한계점을 지니고 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해 타이어-노면 마찰계수를 실시간 추정 및 적용하는 종합 충돌회피 시스템을 제안하고자 한다.
우선 마찰계수 변화를 알고리즘 내에 적용하고 이에 대한 결과(최신화 된 차량의 상태변수)를 실시간 피드백 할 수 있는 경로생성기 및 추종기를 제안한다. 기존 스플라인을 활용한 경로생성방법이 가벼운 계산량을 보이지만 노면 마찰정보를 반영하기 어렵다는 단점을 극복하기 위해 본 눈문에서 제안하는 곡률 최적화 알고리즘을 적용하여 노면에서 물리적으로 가능한 최대 횡방향 가속도를 유도하는 경로를 생성하도록 한다. 추종기 설계 간에는 타이어 모델 및 미래의 조향 레퍼런스를 고려하여 타이어 힘 사용을 최적화하는 기존의 방법에서 벗어나 현재 사용되고 있는 횡방향 타이어 힘을 기준으로 종방향 타이어 힘 사용을 최적화한다. 이로써 보다 간단하게 타이어 힘 사용을 극대화하고 최신화 된 상태변수를 마찰계수 추정기에 신속히 피드백 할 수 있도록 한다.
제안하는 충돌회피 시스템 내 경로생성기 및 추종기는 노면 마찰정보를 반영하도록 설계된 만큼 타이어-노면 마찰계수를 실시간 추정하는 것이 전체적인 충돌회피 시스템의 성능을 보장하는데 중요한 역할을 하게된다. 따라서 충돌회피 간에도 노면 마찰력을 높은 정확도로 추정할 수 있는 타이어-노면 마찰계수 추정기를 제안한다. 일반적으로 충돌회피 간 마찰계수 추정은 짧은 시간에 정확한 추정이 이루어져야 한다는 점과 더불어 추정에 요구되는 충분한 여기(Excitation)가 지속적으로 이루어지지 않는다는 한계점이 존재하는데 기존 선형 및 비선형 타이어 모델을 사용한 타이어-노면 마찰계수 추정기의 장점들을 결합함으로써 이러한 문제점을 해결한다.
마지막으로 충돌회피 시스템과 타이어-노면 마찰계수 추정기를 결합한 종합 충돌회피 시스템의 성능을 입증한다. 기존 충돌회피 시스템 및 노면 마찰 추정에 관한 연구들을 살펴보면 두 주제가 밀접히 연관되어 있음에도 불구하고 이 둘의 상호 작용에 대한 면밀한 분석이 담기지 않았다. 그러나 본 연구에서는 추정된 타이어-노면 마찰계수를 충돌회피 시스템 내에 실시간 적용하고 이에 대한 시스템의 작용이 다시 노면 마찰력을 추정하는데 사용되게 함으로써 충돌회피 시스템과 타이어-노면 마찰계수 추정기의 선순환적인 상호작용을 입증한다.
