GPS 신뢰 저하 환경에서의 LiDAR 기반 주행가능영역 인식 및 자율주행 시스템 = A LiDAR-Based Drivable area Detection and Autonomous Driving System under GPS Reliability Degradation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes an autonomous driving system that integrates LiDAR-based drivable-area perception with GPS reliability assessment to enable stable driving even when GPS reliability deteriorates or is lost due to environmental factors. The system evaluates GPS reception status in real time using GNSS fix type, the number of satellites, and HDOP, and defines three driving modes accordingly: NORMAL, DEGRADED, and DISABLE. In the NORMAL mode, polynomial candidate paths are generated in a Frenet frame with respect to a pre-built global reference path, and a Linear Quadratic Regulator (LQR) controller tracks the selected reference path. In the DEGRADED mode, road–grass boundaries and structural boundaries are extracted using LiDAR intensity and height information; these boundaries are transformed into boundary obstacles in the Frenet frame and incorporated into a collision-aware cost evaluation so that the selected path reduces the risk of boundary collisions. In the DISABLE mode, GPS information is not used; instead, a centerline is generated from the left and right boundaries of the LiDAR-perceived drivable area and used as the reference path. Path tracking is performed in a LiDAR-based relative coordinate frame by computing the lateral offset to the generated centerline and applying the same LQR structure without relying on GPS. The proposed system is validated on a real vehicle platform equipped with a MID-360 LiDAR and a GNSS/INS sensor suite in a non-structured outdoor environment containing road–grass and structural boundaries, and experimental results confirm stable path tracking and collision-free driving across GPS reliability variations and mode transitions.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅲ
• 그 림 목 차 ⅳ
• ABSTRACT ⅵ
• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 관련 연구 3
• 1.2.1 카메라 기반 주행 가능 영역 인지 3
• 1.2.2 LiDAR 기반 주행 가능 영역 인지 3
• 1.2.3 경로 생성 4
• 1.3 연구 목적 5
• 1.4 논문 구성 5
• 2. LiDAR 센서 기반 환경 인지 7
• 2.1 데이터 전처리 7
• 2.1.1 PassThrough 기반 관심영역 추출 8
• 2.1.2 Global Path Planner 기반 관심영역 내 포인트 클라우드 추출 8
• 2.2 반사 강도 기반 주행 가능 영역 인지 9
• 2.2.1 포인트 클라우드 축적 10
• 2.2.2 반사 강도 기반 격자 지도 생성 11
• 2.2.3 마스크 필터 13
• 2.2.4 주행가능 영역 추출 16
• 2.3 구조물 기반 주행 경계 인지 19
• 2.3.1 고도 기반 격자 지도 생성 및 장애물 셀 정의 19
• 2.3.2 이웃 격자 밀도 기반 필터 20
• 2.3.3 경계 포인트 추출 및 경계 곡선 모델링 21
• 3. GPS 신뢰도 판단 및 경로 생성추종 22
• 3.1 GPS 신뢰도 판단 및 모드 전환 22
• 3.2 경로 생성 24
• 3.2.1 전역 경로 생성 25
• 3.2.2 Frenet Frame 기반 지역 경로 생성 26
• 3.3 경로 추종 32
• 3.3.1 경로 추종 오차 모델 32
• 3.3.2 피드백 LQR 제어 34
• 3.3.3 GPS 신뢰도 모드별 LQR 제어 동작 36
• 4. 실험 및 결과 37
• 4.1 실험 환경 37
• 4.2 시나리오 실험 결과 38
• 4.2.1 정상 GPS 환경에서의 주행 시나리오 39
• 4.2.2 GPS 정밀도 저하 환경에서의 보정 주행 시나리오 42
• 4.2.3 GPS 신호 상실 환경에서의 구조물 기반 주행 시나리오 49
• 5. 결론 56
• 참고문헌 58