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[오토저널] 자율주행자동차의 주행 알고리즘 개발을 위한 조향 구동모듈 소개

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2021-05-20 19:44:37

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핸들 구동모듈의 필요성
다가오는 자율주행자동차 시대에 발맞추어 많은 연구기관에서 관련된 알고리즘을 개발하고 있다. 자율주행알고리즘은 크게 3부분으로 나뉠 수 있는데 먼저 차량의 자기위치와 외부상황을 인지하는 부분, 인지된 데이터들과 차량의 내부상태를 기반으로 사용자와 교감하거나 차량의 주행을 관장하는 인공지능 부분, 그리고 인공지능으로부터 주어진 차량의 주행명령을 실행하는 하드웨어 부분이 있다. 특히 차량에 설치되는 비전센서와 GPS 등의 센서를 이용하여 차선인식과 장애물과 같은 주변환경 인식기술은 활발하게 연구되는 분야이다. 이러한 기술은 차량의 주행상태를 결정하는 인공지능의 시각에 해당하는 분야로 중요한 위치에 있다. 이러한 차량주행환경에 대한 인식기술과 이를 기반으로 한 자율주행 알고리즘은 수많은 실제자동차 실험으로 검증되어야 한다.

그러나 이러한 자율주행 알고리즘을 테스트하기 위하여 사용되는 실체 차량 플랫폼은 많은 개조비용과 기술노하우가 요구된다. 특히 자동차 메이커와 연구협약에 따라 차량을 제공받는 경우를 제외하고는 차량의 모든 조작 장치를 자율주행 알고리즘에서 접근하는데 한계가 있다. 특히 자율주행알고리즘이 차량의 동작을 결정할 때 주행속도와 더불어 차량의 조향각도가 매우 중요하다. 조향각도는 속도에 따라 차량의 거동에 결정적인 영향을 주는 요소로써 그 값에 따라 차량의 주행 안정성이 결정된다. 이러한 차량의 주행방향을 결정하는 조향장치의 경우 전자식 파워 스티어링 시스템(EPS 혹은 MDPS)에 탑재된 모터를 직접 제어함으로써 가능하나 차량의 전자식 제어장치(ECU)에 연결되어 있어 어떠한 외부와의 접속이 허용되고 있지 않다.

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이러한 점은 많은 자율주행 알고리즘이 실제 차량에 검증되기에 어려운 점으로 부각되고 있다. 이러한 문제를 해결하고 개발되는 자율주행알고리즘을 실제 자동차에서 테스트하기 위하여 본 고에서는 <그림 1(a)>와 같이 기존의 전자식 제어장치를 사용하지 않고 조향이 가능한 핸들 구동모듈을 소개한다.

핸들 구동모듈의 특징
자율주행 알고리즘의 실차 테스트를 위한 핸들 구동모듈의 주요한 특징은 1) 먼저 <그림 2>와 같이 기존의 자동차 조향 시스템에 대한 구조적인 변경없이 쉽게 설치가 가능하다. 이는 기존의 자율주행 알고리즘의 실증테스트를 위하여 실차를 준비하는 비용이나 시간을 줄일 수 있다. 특히, 이 핸들 구동모듈은 컴팩트한 구조로 인하여 요구되는 설치공간이 적어 운전자의 활동에 영향을 주지 않는다. 더구나 기존의 전자제어장치(ECU)를 사용하지 않고 조향이 가능하기 때문에 대부분의 자동차에 적용가능하다.

2) 두번째로 이 핸들 구동모듈의 경우 정밀한 조향각 제어가 가능하다. 특히 고정밀도를 갖는 소형 각도센서를 부착하여 기존의 차량에 적용된 전자식 파워 스티어링의 경우, 그 모터의 파워가 운전자의 스티어링 휠 동작을 보조하기 위하여 적용되었으므로 그 파워가 단독으로 스티어링 휠을 조작하기에 한계가 있다. 뿐만 아니라 스티어링 휠 각도 센서를 이용하여 조향각 제어를 사용해야 하므로 그 정밀도도 한계가 있다.

3) 무엇보다 조향 구동장치는 자율주행모드 중 긴급상황 발생시 운전자의 핸들조작을 인식하여 수동 조작(오버라이드) 의도를 인지할 수 있다. 이 기능은 자동차가 자율주행 모드로 주행 중 운전자의 판단에 의하여 긴급하게 스티어링을 조작해야 할 경우에 사용되며 조향 구동장치는 신속하게 의도를 인식하고 자율주행모드를 해제할 수 있도록 한다. 이러한 운전자 의도는 응급상황시 운전자가 조작하는 스티어링 휠의 토크를 측정함으로써 인지가 가능하다.

특히 이 핸들 구동모듈은 토크센서 없이 운전자의 토크를 추정하는 알고리즘이 탑재되어 있다. 이를 통하여 시제품의 제작단가를 낮추고 핸들 구동모듈의 시스템을 보다 간단하게 구성할 수 있다. 이외에도 핸들조작으로 수동조작을 인식하는 방법은 긴급 상황 시 차량내부에 설치된 비상버튼을 이용한 자율주행모드를 해제하는 방법보다 훨씬 직관적이고 효과적이다. 본 고에서 제안하는 조향 구동장치의 상세제원은 <표 1>과 같다. 

상세 구조 및 조향각 제어 알고리즘
본 고에서 소개하는 핸들 구동모듈의 상세 구조는 <그림 1(b)>와 같다. 구성요소는 먼저 핸들을 직접적으로 구동하는 모터(300W급)와 기어(감속비 5:1)가 있다. 특히 선정된 기어비는 핸들을 조작하는데 소요되는 모터파워와 수동 운전 시 역구동에 의하여 발생되는 기어의 마찰 저항토크를 고려하여 선정되었다. 또한 설치된 구동 모터를 직접 제어할 수 있는 산업용 모터제어기를 내장하여 불필요한 배선과 전장구성을 줄였다.

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그리고 핸들의 회전 각도를 직접측정을 위하여 기존의 조향시스템에 내장된 각도센서(SAS)를 사용하지 않고 별도의 각도센서(절대 엔코더)가 모듈 내부에 부착되어 있어 정밀한 각도측정 및 제어가 가능하다.

이러한 각도센서와 모터를 이용하여 자율주행 시스템에서 주어지는 조향각을 추종하기 위하여 구성된 제어 알고리즘은 <그림 3>과 같다. 이 제어알고리즘은 먼저 시스템이 외란에 강인한 제어성능을 확인하기 위하여 산업용 서보모터 제어기에 적용되는 외란관측기가 적용되어 있으며 이를 기반으로 다양한 조향각 입력 프로파일을 추종하기 위하여 피드백 및 피드포워드 제어기를 적용하였다. 이외에도 핸들 구동모듈의 주요 특징인 운전자 의도감지 기능은 앞서 언급된 외란관측기를 기반으로 구성할 수 있다. 

이러한 방법은 기존에 시도되던 조향각과 실제 측정되는 조향각의 차이를 이용한 방법보다 안정성이 높으며 정확하게 운전자의 의도를 감지할 수 있다.

핸들 구동모듈을 이용한 차량 주행실험
본 고에서 제시된 핸들 구동모듈의 성능을 검증하기 위하여 <그림 4>와 같이 차선변경의 주행 시나리오를 이용하여 자율주행 실험을 하였다. 이 실험에서는 브레이크/가속 페달을 동작하는 별도의 구동기를 추가로 설치하여 운전자의 조작을 모사하였다. 이 그림에서 나타난 것과 같이 핸들 구동모듈이 주어진 조향각을 추종하는 것을 확인하였다.

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뿐만 아니라 <그림 5>는 핸들 구동모듈의 사용자 의도감지를 검증하기 위한 실험을 나타낸다. 여기서 자율주행 모드 시(사인파 조향각 제어) 운전자가 핸들을 조작할 때(운전자 개입) 이를 인식하여 자율주행 모드가 해제되는 것을 알 수가 있다.

조향 구동모듈의 확장성
본 고에 소개되는 핸들 구동모듈은 다양한 차종에서 적용 될 뿐만 아니라 농기계의 분야에도 확장이 가능하다. 특히 농기계의 자율주행은 농업인들의 부담을 경감하고 생산성 증대를 위하여 활발히 연구되고 있다. 기존의 상용화된 대표적인 핸들 구동모듈을 보면 <그림 6>과 같이 Topcon의 포지셔닝 시스템이 있다. 이 제품은 농기계의 자율주행을 위하여 핸들과 모터가 일체형으로 결합된 형태이고 조향각 제어와 별도의 모니터링 장비가 필요하다. 이는 고가의 구축비용이 소요되고 핸들을 포함하여 기존의 구조물을 교체해야 하는 단점이 있다. 반면에 본 고에서 소개되는 모듈은 기존의 구조물 교체없이 스티어링 칼럼에 부착할 수 있으며 모터제어기도 내장하여 구성된다.

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기대효과
이와 같이 본 고에서 소개되는 조향 구동모듈은 자율주행 알고리즘을 검증하기 위하여 기존차량의 조향 시스템에 대한 구조변경 없이 사용 가능하다. 특히 일반 개발자들에게 접근하기 어려운 차량의 전자제어장치(ECU)를 이용하지 않기 때문에 초기 개발 비용과 시간을 대폭 절감할 수 있다. 이는 나날이 변화되는 자율주행관련 기술개발에 빠르게 대응할 수 있고 완성도 높은 자율주행 알고리즘 개발을 촉진할 것으로 기대된다.

글 / 최정현 (대구경북과학기술원)
출처 / 오토저널 2021년 2월호 (http://www.ksae.org)   
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