충돌 후 궤적 복구를 위한 휴리스틱 조향·구동력 제어법

초록

본 논문은 충돌 직후 차량이 횡방향 및 요(yaw) 변동으로 이탈한 궤적을 빠르게 복구하기 위해, 일반화된 단일 트랙 Ackermann 모델에 적용 가능한 휴리스틱 조향각 및 구동력 함수를 제시한다. 시간 가변 종방향 속도를 고려하고 비선형 조향‑속도 결합항을 유지한 동역학 모델을 기반으로, 사인 파형에 단계 함수(윈도우)를 곱한 개방형 제어 신호를 설계한다. MATLAB 시뮬레이션에서 CG 충돌과 비 CG 충돌 두 시나리오를 검증했으며, 제어 적용 시 차량이 원래 직선 경로로 복귀함을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 기존의 충돌 회피·복구 연구가 “충돌이 없을 것”이라는 전제 하에 진행된 점을 비판하고, 실제 도로에서 발생할 수 있는 급격한 횡방향 충격 후의 복구 문제에 초점을 맞췄다. 차량 동역학은 Ghosh et al. (2023)에서 제안한 일반화된 Ackermann 단일 트랙 모델을 채택했으며, 이는 종방향 속도 vₓ가 시간에 따라 변하는 것을 명시적으로 포함한다. 특히 식(7)–(9)에서 조향각 δₛ와 종방향 속도의 비선형 곱항, 전·후 차축의 코너링 강성 Cα_f, Cα_r, 그리고 속도 의존 마찰계수 μ₀+μ₁vₓ² 등을 유지함으로써, 기존 연구에서 흔히 무시되는 비선형 상호작용을 보존한다. 이러한 모델링은 충돌 직후 급격히 감소하거나 증가하는 vₓ가 횡방향·요 동역학에 미치는 영향을 정확히 포착한다는 점에서 의의가 크다.

제어 설계는 완전히 개방형(open‑loop) 형태이며, 두 개의 사인 파형을 각각 다른 시간 구간에 적용한다. 조향각 δₛ(t)는 δ₁(t)와 δ₂(t)의 가중합으로 정의되며, δ₁은 차량을 목표 궤적으로 끌어당기는 “복구” 단계, δ₂는 복구 후 진행 방향을 유지하는 “정착” 단계 역할을 한다. 각 파형은 진폭 A₁, A₂와 주기 T₁, T₂, 위상 ϕ₁, ϕ₂, 그리고 시작·종료 시점 τ₀~τ₃에 의해 조정된다. 구동력 Fₓₜ(t) 역시 초기 충격력 F_i와 제어력 F_c(t)으로 분리되며, F_c는 동일한 사인·윈도우 형태로 설계된다. 이러한 구조는 파라미터 튜닝만으로 다양한 차량 파라미터와 충돌 조건에 적용 가능하도록 설계된 점이 특징이다.

시뮬레이션은 MATLAB 환경에서 일반화 모델과 전통적인 3‑DOF 단일 트랙 모델 두 가지에 대해 수행되었다. 초기 조건은 vₓ₀=30 m/s, v_y₀와 ω_z₀을 충돌 강도에 따라 설정한 두 시나리오(① CG에서의 순수 횡방향 충돌, ② 비 CG에서의 횡·요 복합 충돌)이다. 결과는 조향·구동력 제어를 적용했을 때 v_y와 ω_z가 빠르게 감쇠하고, ψ(요각)와 y‑좌표가 원래 직선 궤적으로 복귀함을 보여준다. 제어 미적용 경우에는 차량이 지속적으로 옆으로 미끄러지며 궤적 이탈이 심화된다. 특히 일반화 모델에서는 비선형 조향‑속도 결합이 강하게 작용하므로, 동일한 제어 파라미터가 아닌 모델‑특화 파라미터(A₁, K_dir, A_c 등)를 사용해야 함을 확인했다.

논문의 강점은 (1) 종방향 속도 변화를 명시적으로 포함한 비선형 모델 기반 복구 전략, (2) 간단한 사인·윈도우 형태의 휴리스틱 제어로 구현 용이성, (3) 두 모델에 대한 검증을 통해 제어 함수의 범용성 입증이다. 그러나 한계점도 존재한다. 제어가 완전 개방형이므로 외부 교란이나 모델 파라미터 변동에 대한 견고성이 낮으며, 실제 차량에서는 브레이크·스티어링 시스템의 물리적 제한(최대 조향각, 토크 제한)과 센서·통신 지연을 고려해야 한다. 또한, 충돌 후 차량 구조 손상이나 롤·피치 동역학을 무시한 가정은 고속 충돌 상황에서 현실성이 떨어진다. 향후 연구에서는 피드백 기반 적응 제어와 차량 동적 파라미터 추정, 그리고 실차 테스트를 통한 검증이 필요하다.