운전자를 위한 차선 변경 지원: 협동 상태 기반 조향 햅틱 공유 제어

초록

본 논문은 운전자와 차선 유지 보조 시스템(LKAS) 간의 협동 상태를 ‘의도 일관성’과 ‘주도권 보유’ 두 축으로 정의하고, 각 축을 토크와 차량 횡속을 이용한 의사결정 지표(의사 전력)로 정량화한다. 협동 상태에 따라 보조 토크 이득을 동적으로 조정하고, 운전자가 차선을 변경하고자 할 때 보조 시스템이 목표 차선을 자동 전환하도록 설계하였다. 시뮬레이터 실험 결과, 제안 방법이 운전자의 토크·조향각 변화를 최소화하면서 차선 유지 성능을 크게 향상시켰다.

상세 요약

이 연구는 인간‑자동화 시스템 간의 ‘공유 제어(shared control)’를 구현하기 위해 ‘협동 상태(cooperative status)’라는 새로운 개념을 도입한다. 협동 상태는 (1) 주도권(initiative holder)과 (2) 의도 일관성(intent consistency)이라는 두 축으로 구성되며, 각각은 운전자와 보조 시스템이 차량 횡운동에 기여하는 토크와 차량 횡속을 곱한 ‘의사 전력(pseudo‑power)’을 통해 정량화된다. 운전자가 조향 휠에 가하는 토크가 차량 횡속에 미치는 영향을 ‘운전자 전력’, 보조 시스템이 제공하는 토크가 차량 횡속에 미치는 영향을 ‘보조 전력’이라 정의하고, 두 전력의 부호와 크기를 비교함으로써 현재 협동 관계를 실시간으로 파악한다.

주도권 축은 어느 쪽이 현재 차량 횡운동을 주도하고 있는지를 판단한다. 예를 들어, 운전자의 전력이 양(positive)이고 보조 전력이 음(negative)이면 운전자가 주도하고 보조 시스템은 저항하고 있음을 의미한다. 반대로 두 전력이 모두 양이면 양측이 동일한 방향으로 차량을 움직이고 있어 협력 관계에 있다고 본다.

의도 일관성 축은 두 전력의 부호가 일치하는지 여부로 판단한다. 부호가 일치하면 양측이 같은 목표(예: 차선 중앙 유지)를 공유하고 있음을 나타내며, 부호가 다르면 목표가 상충하고 있음을 의미한다. 이때 보조 시스템은 ‘의도 불일치’를 감지하면 보조 토크 이득을 감소시켜 운전자의 의도를 우선시한다.

논문은 이러한 협동 상태 추정을 기반으로 두 가지 제어 전략을 제안한다. 첫 번째는 ‘이득 튜닝(gain‑tuning) 제어’로, 의도 불일치가 감지되면 보조 토크 이득을 단계적으로 낮추어 운전자의 조향 입력을 방해하지 않도록 한다. 두 번째는 ‘차선 전환 전환(switching) 제어’로, 운전자가 차선 변경 의도를 보이면(운전자의 전력이 급격히 변하고 차량 횡속이 목표 차선 방향으로 이동) 보조 시스템이 목표 차선을 자동으로 전환하여 운전자의 의도와 보조 시스템의 목표를 일치시킨다.

시뮬레이터 실험에서는 12명의 피험자를 대상으로 ‘일반 LKAS’와 ‘제안된 협동 기반 LKAS’를 비교하였다. 실험 결과, 제안된 시스템은 차선 유지 오차(RMSE)를 평균 38% 감소시켰으며, 운전자의 조향 토크 평균값은 유의미한 차이가 없었다. 또한 차선 변경 시 조향 각도와 토크 변동이 최소화되어 운전자는 부드러운 차선 변경을 경험했다. 이러한 결과는 의사 전력 기반 협동 상태 추정이 인간‑자동화 시스템 간의 원활한 상호작용을 촉진하고, 보조 시스템이 상황에 맞게 유연하게 행동하도록 하는 데 효과적임을 입증한다.

본 연구는 협동 상태를 정량화하고 이를 실시간 제어에 반영함으로써, 기존의 고정 이득 기반 LKAS가 갖는 ‘과도한 개입’ 문제를 해결하고, 운전자의 주관적 의도와 시스템의 목표를 동기화하는 새로운 패러다임을 제시한다. 향후 실제 차량 적용을 위해서는 다양한 주행 환경(고속도, 급격한 차선 변동 등)과 운전자 특성(연령, 운전 습관) 등을 고려한 확장 연구가 필요하지만, 현재 결과만으로도 인간‑자동화 협동 제어 분야에 중요한 이정표를 제공한다.