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종방향 자율주행을 위한 성능 지수 및 인간 모사 학습을 이용하는 구동기 고장 탐지 및 적응형 고장 허용 제어 알고리즘
오세찬,이종민,오광석,이경수,Oh, Sechan,Lee, Jongmin,Oh, Kwangseok,Yi, Kyongsu 한국자동차안전학회 2021 자동차안전학회지 Vol.13 No.4
This paper proposes actuator fault detection and adaptive fault-tolerant control algorithms using performance index and human-like learning for longitudinal autonomous vehicles. Conventional longitudinal controller for autonomous driving consists of supervisory, upper level and lower level controllers. In this paper, feedback control law and PID control algorithm have been used for upper level and lower level controllers, respectively. For actuator fault-tolerant control, adaptive rule has been designed using the gradient descent method with estimated coefficients. In order to adjust the control parameter used for determination of adaptation gain, human-like learning algorithm has been designed based on perceptron learning method using control errors and control parameter. It is designed that the learning algorithm determines current control parameter by saving it in memory and updating based on the cost function-based gradient descent method. Based on the updated control parameter, the longitudinal acceleration has been computed adaptively using feedback law for actuator fault-tolerant control. The finite window-based performance index has been designed for detection and evaluation of actuator performance degradation using control error.
종방향 자율주행을 위한 유한 기억 기반 인간 모사 학습을 이용하는 적응형 되먹임 제어 알고리즘 개발
오세찬(Sechan Oh),오광석(Kwangseok Oh) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
자율주행 시스템은 차량이 스스로 주행할 수 있는 기술이며 탑승자에게 편의성을 제공한다. 자율주행을 위해서는 자율적 가속 및 감속 그리고 선회를 위한 종방향 제어 입력과 횡방향 제어를 위한 조향 제어 입력이 필요하다. 차량의 안정한 제어를 위해 제어 알고리즘의 개발 및 성능 평가가 활발히 이루어지고 있다. Qiu. W 외 4명은 선행 차량을 추종하는 자율주행 차량을 위해 고정 차두 시간 전략을 이용하여 종방향 요구 가속도를 도출하는 모델 예측 제어기를 제안하였다. Chen. C 외 3명은 자율주행 차량의 경로 추종을 위한 라그랑지안 변수 기반 랴푸노브(Lyapunov) 함수를 기반 계층적 적응 제어기를 제안하였다. 본 연구에서는 종방향 자율주행을 위한 유한 기억 기반 인간 모사 학습을 이용하는 적응형 되먹임 제어 알고리즘을 제안한다. 종방향 목표 가속도 도출을 위해 제어 오차와 되먹임 이득을 이용하여 되먹임 제어기를 설계하였다. 되먹임 이득은 유한 기억에 저장된 제어 오차와 목표 가속도를 기반으로 최소 자승법을 이용해 실시간으로 추정되었다. 유한 기억 공간은 제어 성능 평가를 위해 설계된 목적함수 값의 변화율에 따라 새로운 정보의 기억 여부가 결정되도록 알고리즘이 설계되었다. 목적함수 값의 변화율이 양수인 경우는 MIT규칙 기반 적응된 목표 가속도를 기억 공간에 저장되고 최소 자승 기반 목표 가속도 도출을 위해 사용된다. 제안된 알고리즘은 Matlab/Simulink 기반 설계되었고, 합리적 평가를 위해 CarMaker 소프트웨어를 연동하여 성능 평가가 수행되었다. 평가 결과 선행 차량을 합리적으로 추종하는 결과와 목적함수의 값이 0에 가까운 값으로 수렴하는 결과를 확인하였다. 그러므로 제안된 알고리즘은 향후 대상 시스템의 정보 없이 자율주행을 가능하게 하는 제어 알고리즘으로 이용될 것으로 기대한다.
다중 제약조건을 고려하는 4륜 독립 조향 차량의 요 변화율 추종을 위한 적분 제어 기반 모델 예측 고장 허용 제어
오세찬(Sechan Oh),김민준(Minjun Kim),이병림(Byungrim Lee),오광석(Kwangseok Oh) 한국자동차공학회 2021 한국 자동차공학회논문집 Vol.29 No.6
This paper presents an integral action-based model predictive fault-tolerant control algorithm for four-wheel independent steering vehicles with multiple constraints. The model predictive control algorithm was designed for calculation of four-wheel independent steering angles with physical and fail-safe constraints. To compute the realistic steering angles, boundary constraints for the wheel angle limit and inequality constraints for the wheel angle change rate were applied to the control algorithm. An equality constraint with a proper countermeasure for wheels in failure was designed for fault-tolerant control. Integral control inputs were added to the model predictive control input using the yaw rate error for the convergence property of the yaw rate error. The proposed algorithm was developed in a Matlab/Simulink environment, and the performance evaluation was conducted using a commercial software under the assumption that faults can be detected and the faulty wheels are locked when the steering system fault occurs.
제어 입력 기반 예측된 종방향 속도를 이용하는 자율주행 자동차의 차선 변경을 위한 모델 예측 조향 제어 알고리즘
오광석(Kwangseok Oh),오세찬(Sechan Oh) 한국자동차공학회 2021 한국 자동차공학회논문집 Vol.29 No.7
Steering control when changing lanes involving autonomous vehicles is the most important task of autonomous driving for driving strategy and safety. This paper presents a model predictive steering control algorithm for changing lanes among autonomous vehicles by using a control input that is based on predicted velocity. Two model predictive control algorithms have been designed for longitudinal and lateral autonomous driving with physical constraints. The model predictive longitudinal controller computes optimal longitudinal accelerations that use relative information between subject and preceding vehicles. Based on the optimal accelerations from the longitudinal controller, longitudinal velocities have been predicted, and the predicted velocities have been used to compute the optimal steering angle for changing lanes through a model predictive controller. The proposed model predictive control algorithms for lane change behavior have been constructed in a Matlab/Simulink environment. A performance evaluation has been conducted by using a commercial software(CarMaker) to ensure reasonable evaluation under variable lane change conditions of the subject vehicle.
자율주행 자동차의 가상 예견 지점을 이용하는 스키드 조향 기반 차선 변경을 위한 휠 속도 제어 알고리즘 개발
김학주(Hakjoo Kim),오세찬(Sechan Oh),오광석(Kwangseok Oh) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
자율주행 자동차는 사용자의 편리와 안전을 위해 완전 자율주행 (Level 5)을 목표로 지속적인 연구가 진행되고 있다. 자율주행 자동차는 환경 센서인 카메라 및 레이더 그리고 라이다를 기반으로 설계된 주행 경로와 차량의 횡방향 위치 및 각도 오차를 이용하여 횡방향 제어가 수행된다. 횡방향 제어 기반 자율주행 자동차의 안정성을 확보하기 위해 차선 유지 보조 시스템인 LKAS(Lane Keeping Assistance System)와 차선 변경 시스템인 LCS(Lane Change System) 등 다양한 연구들이 진행되었다. Jianjun Hu<sup>1)</sup>등은 모델 예측 제어기 기반 자율주행 자동차의 차선 감지 및 경로 추종 제어의 정확성과 안정성을 확보하였다. Wonbin NA<sup>2)</sup> 등은 차선 변경 시스템을 위한 충돌 위험 지표인 TTC(Time To collision)를 고려한 최적 제어전략을 제안하였다. 본 연구에서는 스키드 조향(Skid steer) 기반 자율주행 자동차의 차선 변경을 위한 가상 예견 지점을 이용하는 3차 함수 기반 경로생성 알고리즘 및 목표 휠 속도 도출 알고리즘을 제안한다. 카메라 또는 GPS를 이용해 자 차량과 목표 경로와의 상대 위치를 획득할 수 있다고 가정하였고, 획득된 위치 정보와 요 각도를 이용하여 차선 변경을 위한 3차 다항식 기반 주행 경로를 설계하였다. 설계된 주행 경로를 기반으로 차량의 질량 중심 기준 순간 회전 중심의 반경을 도출하였고 스키드 조향 기반 차선 변경을 구현하기 위해 기하학적 해석을 이용하여 각 휠의 요구 속도를 도출하였다. 도출된 각 휠의 요구 속도를 기반으로 PID 제어기를 이용해 차선 변경을 위한 휠 속도 제어가 수행되었다. 개발된 알고리즘은 CarMaker와 Matlab/Simulink 환경을 연동하여 성능평가가 수행되었다. 향후 제어 성능 고도화를 위한 적응형 휠 속도 제어 기법 개발 및 다양한 주행 조건에서의 고장 허용 차선 변경 알고리즘 개발을 계획하고 있다.