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고장 주입 시뮬레이션 기반 자율주행 자동차의 안정성 분석 및 고장안전 사양 도출
박형철(Hyungchul Park),신민우(Minu Shin),권철현(Cheolhyeon Kwon) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.6
본연구는 고장 주입 시뮬레이션을 통해 자율주행 차량의 고장에 대한 잠재적 위험성을 분석하고, 이를 통해 고장 발생시 자율주행차량이 대응할 수 있는 안전 메커니즘을 도출하고자 하였다. 포괄적이면서도 철저한 고장 주입 시뮬레이션 수행을 위해, i)MATLAB Simulink 기반의 14 자유도 차량 동역학 모델 및 오픈소스 기반의 자율주행 알고리즘을 구현하고; ii)미국 도로교통안전국 문서를 기반으로 차량 핵심 부품 별 고장 유형 및 도로 주행 시나리오를 세분화하였다. 또한, 차량 거동의 위험성 평가를 위해 Responsibility-Sensitive Safety (RSS) 개념을 적용하여 주입한 고장과 주행 시나리오 조합에 대한 정량적인 분석을 수행하였다. 분석 결과를 바탕으로 기존 자율주행 알고리즘에 추가적인 고장 대응안전사양을 추가적으로 적용하였고, 시뮬레이션을 통해 그 유효성을 확인하였다. This paper employs the software-in-the-loop fault injection test (FIT) methodology to develop the fail-safe mechanism of an autonomous driving car against various fault scenarios. To perform the comprehensive and exhaustive FIT, we implement: i) MATLAB Simulink-based 14DOF vehicle dynamics model and open-source based autonomous driving algorithms; and ii) diverse fault types with different driving scenarios according to the National Highway Traffic Safety Administration documents. Besides, the responsibility-sensitive safety concept is adopted to quantify the threat of individual faulty scenarios. Based on the FIT results, we further implement the corresponding fail-safe requirements into the autonomous driving algorithm, whose effectiveness is validated through the simulation.
쿼드로터의 모터 고장 상황에서 모터 출력 제약을 고려한 다단계 고장허용 제어 계획
황은민(Eunmin Hwang),이강민(Kangmin Lee),권철현(Cheolhyeon Kwon) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.6
본 논문은 모터가 고장 난 쿼드로터의 고장허용전략을 연구하였다. 쿼드로터에서 하나의 모터가 완전히 고장이 나면, 나머지 3개의 정상 모터로 쿼드로터가 안정적으로 비행하기는 매우 어려우며, 정상 모터들도 출력의 제약 조건이 있고 쿼드로터의 복잡한 동역학적 거동으로 인해 적절한 제어 해를 구하기 매우 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 과도 단계, 자세 안정화 단계, 위치 안정화 단계로 나눈 ‘다단계 고장허용제어 계획’을 제안하였다. 과도 단계에서는 모터 출력 제약을 만족하면서 안정된 상태에 도달하게 만드는 Motion Planner를 새롭게 개발하였다. 자세 안정화 단계에서는 안정된 상태를 유지하려고 하며, 목표 위치가 주어지면, 위치 안정화 단계에서 모터 출력 제약을 고려하여 움직인다. 제안된 제어 계획 알고리즘은 이론적으로 그 안전성을 증명하고 시뮬레이션을 통해 검증하였다. This paper studies a fault tolerant strategy for a quadrotor subject to a complete rotor failure. The quadrotor with only three healthy rotors causes severe loss of stability making it extremely difficult to design an appropriate control command subject to healthy rotors’ output saturation and complex quadrotor dynamics. To address this problem, a multi-phase fault tolerant motion planning consisting of transient phase, attitudinal stabilizing phase, and positional stabilizing phase is proposed. In the transient phase, a novel motion planner is developed to satisfy the output constraint of healthy rotors while reaching a stable behavior. In the attitudinal stabilizing phase, the quadrotor maintains the stable attitude states. The quadrotor moves to the target waypoint considering the constraints of healthy rotors in the positional stabilizing phase. The proposed motion planning algorithm is theoretically proven to be stable and is further validated with simulation results.