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최적 제어 기반 자율 주행 차량의 최적 속도 프로파일 탐색 기법 연구
김택수(Tacksu Kim),박도현(Dohyun Park),이웅(Woong Lee),김남욱(Namwook Kim) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
차량 산업의 지속적인 발전으로 차량은 일상적인 이동 및 운송수단으로서 매우 중요한 역할을 하고 있지만, 교통량 증가로 인한 교통 혼잡 문제, 배기 가스로 인한 대기 오염 및 에너지 고갈 문제 등과 같은 문제점들이 함께 수면위로 떠오르고 있다. 교통 혼잡 문제를 해결하기 위해서 교통공학에서의 신호 및 교통흐름과 관련된 연구도 진행이 되고 있지만, 자율주행차량에서의 차량이 능동적으로 주변 상황을 관측하고 판단하여 제어하는 기술을 적용하여 문제를 해결할 수 있다. 자율주행차량은 운전자의 주행 부담을 줄일 수 있으며, 산업적인 측면에서는 트럭 등과 같은 상용차의 무인화를 통해 인건비 절감, 운전자의 주행 피로로 인한 사고 증감 등의 문제를 해결할 수 있는 솔루션이 될 수 있다. 한편, 대기 오염 및 에너지 고갈 등과 같은 문제를 해결하기 위하여 차량의 전동화를 통해 CO2 배출 감소 등의 연구가 이루어지기도 하였지만, 차량 시스템 단위에서의 제어 최적화로 주행 효율을 향상시킴으로써 에너지 소모량을 감소하는 연구 또한 마찬가지로 진행되고 있다. 이 논문에서는 후자에 해당하는 연구방향으로 차량 주행 효율을 향상시키고자 하였으며, 주행 상황을 스스로 제어할 수 있는 자율주행차량을 대상으로 주행 시 에너지를 최소화할 수 있는 주행 속도 프로파일을 탐색해 봄으로써 특정 조건에 대한 자율 주행 차량의 제어 방법을 제시해보고자 한다. 차량 시스템 효율을 높이기 위한 방법으로 최적 제어 이론인 동적 계획법(Dynamic Programming)과 폰트리야긴 최소화 원리(Pontryagin’s Minimum Principle) 등과 같은 이론을 적용하여 최적화할 수 있는데, 이 연구에서는 동적 계획법을 적용하여 내연기관 자율주행차량의 주행 소모 에너지를 최소화하고자 하였다. 동적 계획법은 연산량이 많기 때문에 실시간 제어에는 적합하지 않은 방법이지만 주어진 제한 조건하에서는 최적의 제어방법을 도출할 수 있는 방법으로, 특정 주행 상황을 가정하여 최적화된 솔루션을 탐색하고 자율주행차량의 최적 주행경로를 제시해보고자 한다. 내연 기관 차량에서의 연료 소모량 최소화를 목적함수로 설정하여 제어 파라미터인 엔진 작동점과 변속단을 제어함으로써 특정 초기속도, 최종속도가 주어진 제한조건에서의 cost를 최소화할 수 있는 주행 경로를 동적 계획법을 적용하여 탐색해보는 연구를 진행하였다. 〈수식 본문 참조〉