According to a recent official survey, over 10,000 people are killed annually in the traffic accidents in Korea and most of them are known to be caused by some mistakes of the drivers. Therefore, more active safety measures, such as collision warning/avoidance systems, are needed so as to accommodate the mistakes of the drivers. Collision warning systems basically assist the driver when he/she makes an error such as improper looking, misjudgment, drowsiness, control miss upon facing a collision. However, there is a doubt on whether the driver, who makes such an error, can carry out a proper evasive maneuver immediately after a warning in an emergent situation. There is also another doubt on whether the driver reacts to a wrong way by taking advantage of the warning system and thus reduces the safety margin against crashes.
A great deal of effort has been concentrated on the longitudinal control for the collision avoidance of the road vehicles. In an emergency as well as in a normal situation, however, the steering control can be a very effective alternative as observed in the practice of manual evasive driving. In the reported methods of emergency lateral control, it is found that the dynamic motions of the neighboring vehicles are often ignored, which may result in some danger of $2^nd$ collision. Therefore, it is necessary to assess the surrounding traffic situation to prevent $2^nd$ collision that can occur just after escaping from the 1st collision situation.
In this thesis, the collision avoidance problem of the road vehicle is formulated to cope with the dynamic situations caused by the neighboring vehicles. Specifically, a hierarchical control scheme is suggested as a feasible solution. It can be divided into three sub-problems that comprise a layer in a hierarchy. In designing the overall system, we start from the vehicle kinematic model. From the characteristics of the vehicle, path is designed for the controlled vehicle to track with little tracking error, and consequently to minimize clearing time. And the robust lateral controller is designed with preview optimality. Finally decision maker is designed based on the mixed system of the vehicle, the path-generator and the controller.
Vehicle model especially, linear single-track model with steering actuator dynamics is derived for the controller design. More detailed explanation of the vehicle model is also given. And the collision avoidance steering control problem is formulated as a robust tracking problem for the parameter varying plant with the input constraints. A preview optimal controller is designed to solve this problem. In the preview control, preview time is one of the main design factors and the effect of the preview time is analyzed and the closed-loop system’s stability with the preview control with time-varying preview time of which the minimum value is positive is proved. And the feasibility of the proposed controller in real-time control is examined. Robust lateral controller with preview optimality is designed. In this, parameter variation of the road adhesion factor and the mass of the vehicle is concerned. And it is remarked that the external disturbance caused by the side wind gust can be handled as an unmatched input matrix uncertainty in the robust control design. It is also noted that the main parameter variation due to the longitudinal velocity can be handled by the gain scheduling method.
Requirements of the path for the road vehicle are explained. The continuous-curvature path with simple closed-form equation: SCP(Single cartesian polynomial)-curve is adopted as a path for the vehicle. Simulation result verifies that the continuous curvature path is superior to the discontinuous curvature path. Utilizing this SCP-curve, the path-generation problem for the normal lane change and the active collision avoidance are formulated as an optimization problem. Examples are given to design a path either for the normal lane change or for the emergency lane change involved in the active collision avoidance. Modified curves to handle the situation change are also derived. To select a path for the current driving state and the driving command, clearing-time LUT is derived. It is shown that the clearing-time and the lane-change-time have limit values that change with the given longitudinal velocity. And the design in the curved segment of the road is derived. The importance of the design procedure for the path selection and the controller tuning is explained.
Eight-neighborhood-configuration is defined to describe the dynamic traffic situations given by the neighboring vehicles. Three time indices: time-to-collision, lane-time-to-collision, and clearing-time, which are used for evaluating the safety of the maneuver, and the safety level function are defined. And the decision-making problem for active collision avoidance is formulated as an optimization problem. Software driving simulator called DevACAS is introduced. Finally, proposed active collision avoidance system is verified in the three representative case studies using DevACAS. Also, the sensor systems for the decision maker of the active collision avoidance are summarized and modification of the decision-making considering the sensor error is remarked.
도로교통안전협회의 조사에 의하면 전국적으로 일년에 만 명 이상이 교통 사고로 인하여 목숨을 잃는다고 한다. 또한, 이러한 사고의 대부분이 운전자의 과실에 의한 것이라고 하므로, 이러한 운전 조작 과실을 효과적으로 줄이기 위한 능동적인 의미의 대안인 충돌 경고 및 회피 시스템이 필요 불가결하다고 할 수 있다. 충돌 경고 시스템은 운전자의 전방 주시 태만이나 판단 미숙, 또는 졸음 운전 시에 운전자에게 경고를 통해서 위험 상황을 알리기만 하는 시스템이므로 이와 같은 충돌 상황을 야기한 당사자인 운전자가 경고를 받고서 즉각적인 대처를 할 수 있을 것이가 또한 한 걸음 더 나아가서는 이러한 경고를 잘못된 방향으로 반응해서 안전성을 오히려 해치지 않을 것인가에 대해서는 찬반론이 있는 상태이다.
반면 기존의 충돌 회피 시스템은 차량 종방향 제어에 치중되어 연구되어 왔다. 하지만, 위급상황에서는 조향 조작이 매우 효과적인 대응 방안 중의 하나라는 사실을 일상적인 운전 경험을 바탕으로 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 조향 제어를 다룬 충돌 회피 시스템에 대한 연구는 미미한 상태이고, 일부 논문에서 조차 주위 차량의 동적인 움직임을 고려해서 문제를 다루고 있지 않다. 그러므로 현재 주행 중인 차선에서의 첫번째 위기 상황을 회피할 때 이로 말미암은 2차 충돌의 위험성을 고려해서 충돌 회피를 하기 위해서 주위 차량들의 위험도를 평가하는 것이 필요하겠다.
본 논문에서는 주위 차량에 의한 동적 교통 환경을 다룰 수 있는 능동 충돌 회피 문제가 설정되었다. 계층 구조의 충돌 회피 시스템이 구현 가능한 하나의 해로서 제시 되었으며, 각 계층에 해당하는 3개의 부속 문제들로 나뉘어 진다. 전체 시스템의 설계를 위해서 차량의 기구학적 모델을 고려한 경로에 대한 연구를 바탕으로 추종 오차가 작고 차선 탈피에 걸리는 시간이 최소가 되도록 하는 경로가 설계되었다. 이러한 경로와 차선의 곡률 정보를 예견 정보로 사용하는 강인한 조향 제어기가 설계되었다. 마지막으로 차량의 모델, 조향제어기, 그리고 경로를 하나로 묶인 시스템으로 보고서 의사 결정자를 설계하였다.
차량 조향 제어를 위해서 차량의 2자유도 선형 모델이 유도되었으며, 충돌 회피를 위한 조향 제어 문제가 입력 제한 조건을 만족하면서 파라미터 변화에 강인한 추종 제어기를 설계하는 문제로 설정되었다. 최소값이 양수인 시변 예견 시간을 갖는 최적 예견 제어기가 설계되었으며, 안정성이 증명되었다. 실시간 제어의 가능성이 검증되었다. 현재는 도로 마찰 계수와 차량의 무게를 파라미터 변화로 보고 문제를 풀었으며 외란 항으로 동작하는 횡풍 및 측정 가능한 파라미터 변화인 속도의 변화에 대응하는 방안에 대하여 기술하였다.
차량을 위한 경로를 위해서 요구되는 사항 들에 대해 연구되었으며 연속 곡률을 갖는 5차 방정식 형태의 경로가 채택되었다. 모의 실험 결과 불연속한 곡률을 갖는 경로에 비하여 월등한 성능을 보임을 알 수 있다. 또한 수식의 정연함으로 말미암아서 일반적인 차선 변경 및 충돌 회피를 위한 차선 변경을 위한 차선 생성 문제가 최적화 문제로 설정되었다. 예제들을 통해서 이 문제를 푸는 방법이 설명되었다. 또한, 동적 상황을 고려하기 위해서 변형된 경로가 유도 되었다. 실제 적용을 하기 위해서 차량의 종방향 속도와 종방향 가속 명령에 해당하는 차선 탈피 시간이 참조표로 정리되었다. 이 표를 보면 해당하는 종방향 속도 및 가속도에서 차선 탈피 시간 및 변경 시간이 한계 값을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 곡선 주로에서의 경로 설계 방안이 제시되었으며, 차량의 기구학적 특성을 고려한 경로 선택과 이를 이용한 제어기 설계 절차의 중요성이 설명되었다.
주위 차량에 의한 동적 교통 상황을 기술하기 위해서 팔방계가 정의 되었다. 충돌 시간, 차선 충돌 시간, 그리고, 차선 탈피 시간이 동작의 안전도를 측정하기 위해서 정의 되었고, 안전도 함수가 정의 되었다. 능동 충돌 회피를 위한 의사결정 문제가 최적화 문제로 정의 되었다. 소프트웨어 모의 시험기인 DevACAS를 만들어졌으며, 제안된 전체 능동충돌회피 시스템이 3개의 대표적인 교통 상황에 대해서 적용 됨을 보였다. 또한, 충돌 회피 시스템을 위한 센서 시스템에 대해서 정리하였으며 차량간 통신이 없을 경우, 밀리미터 레이다 및 도로의 비콘 등을 이용한 혼합 센서 방법을 사용함으로써 센서는 한계 오차 범위를 갖도록 모사 될 수 있다는 것을 보였고 이를 위해서 의사결정자의 변경 방안이 제시되었다.
