자율 주행 자동차 시뮬레이션

경로 계획 및 제어

자율 주행 자동차의 핵심 기능 중 하나는 경로 계획과 제어이다. 경로 계획은 차량이 시작 지점에서 목표 지점까지 안전하고 효율적으로 이동할 수 있는 최적의 경로를 찾는 과정이며, 제어는 이 경로를 따라 차량의 움직임을 정확하게 수행하도록 하는 역할을 한다. 이 절에서는 경로 계획 알고리즘의 구현과 차량 제어 시스템의 설정 방법을 다룬다.

경로 계획 알고리즘

경로 계획 알고리즘은 자율 주행 자동차가 주행 환경 내에서 최적의 경로를 찾도록 돕는다. 대표적인 알고리즘으로는 A* 알고리즘, Dijkstra 알고리즘, RRT (Rapidly-exploring Random Tree) 등이 있다. 이들 알고리즘은 서로 다른 특성과 장단점을 가지고 있어, 시뮬레이션의 목적에 맞게 선택하여 사용할 수 있다.

A* 알고리즘

A* 알고리즘은 휴리스틱을 사용하여 탐색 효율을 높인 최단 경로 탐색 알고리즘이다. 휴리스틱 함수 $h(\mathbf{n})$ 는 현재 노드 $\mathbf{n}$ 에서 목표 노드까지의 추정 거리를 나타낸다. A* 알고리즘은 다음과 같은 점수 함수를 사용하여 노드를 평가한다.

$f(\mathbf{n}) = g(\mathbf{n}) + h(\mathbf{n})$

여기서 $g(\mathbf{n})$ 는 시작 노드에서 현재 노드 $\mathbf{n}$ 까지의 실제 거리이다. A* 알고리즘은 이 점수를 기준으로 우선순위 큐를 관리하며, 최단 경로를 효율적으로 탐색한다.

// A* 알고리즘의 간단한 구현 예제
public List<Node> AStar(Node start, Node goal) {
    PriorityQueue<Node> openSet = new PriorityQueue<Node>();
    openSet.Enqueue(start, 0);
    Dictionary<Node, Node> cameFrom = new Dictionary<Node, Node>();
    Dictionary<Node, float> gScore = new Dictionary<Node, float>();
    gScore[start] = 0;

    while (openSet.Count > 0) {
        Node current = openSet.Dequeue();
        if (current == goal) {
            return ReconstructPath(cameFrom, current);
        }

        foreach (Node neighbor in current.Neighbors) {
            float tentative_gScore = gScore[current] + Vector3.Distance(current.Position, neighbor.Position);
            if (!gScore.ContainsKey(neighbor) || tentative_gScore < gScore[neighbor]) {
                cameFrom[neighbor] = current;
                gScore[neighbor] = tentative_gScore;
                float fScore = tentative_gScore + Heuristic(neighbor, goal);
                openSet.Enqueue(neighbor, fScore);
            }
        }
    }

    return new List<Node>(); // 경로를 찾지 못한 경우
}

RRT 알고리즘

RRT 알고리즘은 고차원 공간에서도 효율적으로 작동하는 경로 계획 알고리즘이다. 랜덤 샘플링을 통해 공간을 탐색하며, 빠르게 경로를 생성할 수 있는 장점이 있다. RRT는 복잡한 장애물이 있는 환경에서도 유용하게 사용된다.

$\mathbf{x}_{\text{new}} = \mathbf{x}_{\text{nearest}} + \delta (\mathbf{x}_{\text{rand}} - \mathbf{x}_{\text{nearest}})$

여기서 $\mathbf{x}_{\text{nearest}}$ 는 현재 트리에서 $\mathbf{x}_{\text{rand}}$ 에 가장 가까운 노드이며, $\delta$ 는 이동 거리의 작은 값이다.

// RRT 알고리즘의 간단한 구현 예제
public List<Node> RRT(Node start, Node goal, int maxIterations, float stepSize) {
    List<Node> tree = new List<Node>();
    tree.Add(start);

    for (int i = 0; i < maxIterations; i++) {
        Vector3 randPoint = GetRandomPoint();
        Node nearest = FindNearest(tree, randPoint);
        Vector3 direction = (randPoint - nearest.Position).normalized;
        Vector3 newPos = nearest.Position + direction * stepSize;
        Node newNode = new Node(newPos);

        if (!IsCollision(newPos)) {
            tree.Add(newNode);
            newNode.Parent = nearest;

            if (Vector3.Distance(newPos, goal.Position) < stepSize) {
                return ReconstructPath(tree, newNode);
            }
        }
    }

    return new List<Node>(); // 경로를 찾지 못한 경우
}

차량 제어 시스템

경로 계획 알고리즘을 통해 생성된 경로를 따라 차량을 움직이기 위해서는 효과적인 제어 시스템이 필요하다. 일반적으로 PID 제어기, 모델 예측 제어기(MPC) 등이 사용된다.

PID 제어기

PID 제어기는 비례(Proportional), 적분(Integral), 미분(Derivative) 제어를 결합하여 오차를 최소화하는 제어 방법이다. 차량의 속도와 방향을 제어하는 데 효과적으로 사용된다.

$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_d \frac{d e(t)}{dt}$

여기서 $e(t)$ 는 현재 오차, $K_p$ , $K_i$ , $K_d$ 는 각각 비례, 적분, 미분 게인이다.

// PID 제어기의 간단한 구현 예제
public class PIDController {
    public float Kp;
    public float Ki;
    public float Kd;
    private float integral;
    private float previousError;

    public PIDController(float kp, float ki, float kd) {
        Kp = kp;
        Ki = ki;
        Kd = kd;
        integral = 0f;
        previousError = 0f;
    }

    public float Update(float setpoint, float measuredValue, float deltaTime) {
        float error = setpoint - measuredValue;
        integral += error * deltaTime;
        float derivative = (error - previousError) / deltaTime;
        previousError = error;
        return Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;
    }
}

모델 예측 제어기 (MPC)

MPC는 미래의 상태를 예측하여 최적의 제어 입력을 결정하는 고급 제어 방법이다. 차량의 동적 모델을 기반으로 하여 경로를 따라 주행할 수 있도록 제어한다.

$\mathbf{u}^* = \arg\min_{\mathbf{u}} \sum_{k=0}^{N} \left( \mathbf{x}_k - \mathbf{x}_{\text{ref},k} \right)^T Q \left( \mathbf{x}_k - \mathbf{x}_{\text{ref},k} \right) + \mathbf{u}_k^T R \mathbf{u}_k$

여기서 $\mathbf{x}_k$ 는 현재 상태, $\mathbf{x}_{\text{ref},k}$ 는 참조 상태, $Q$ 와 $R$ 은 상태와 제어 입력의 가중치 행렬이다.

// MPC 제어기의 간단한 구현 예제 (의사 코드)
public Vector3 MPCControl(Vector3 currentState, List<Vector3> referencePath, int horizon) {
    // 미래의 상태를 예측하고 최적의 제어 입력을 계산
    // 이 부분은 실제 구현 시 최적화 라이브러리와 연동 필요
    Vector3 optimalControl = new Vector3();
    // 최적화 과정
    return optimalControl;
}

차량 동작 모델링

자율 주행 자동차 시뮬레이션에서 차량의 물리적 움직임을 정확하게 모델링하는 것은 매우 중요하다. 차량의 움직임은 동역학 모델과 운동학 모델을 통해 구현할 수 있다.

동역학 모델

동역학 모델은 차량의 질량, 관성, 마찰력 등을 고려하여 실제 물리 법칙을 기반으로 차량의 움직임을 시뮬레이션한다. 이 모델은 차량의 가속, 제동, 회전 등을 현실적으로 표현할 수 있다.

$\mathbf{F} = m \mathbf{a}$

여기서 $\mathbf{F}$ 는 차량에 작용하는 힘, $m$ 은 질량, $\mathbf{a}$ 는 가속도이다.

// 동역학 모델의 간단한 구현 예제
public class VehicleDynamics : MonoBehaviour {
    public float mass = 1500f; // kg
    public Vector3 velocity;
    public Vector3 acceleration;

    void FixedUpdate() {
        Vector3 force = CalculateForces();
        acceleration = force / mass;
        velocity += acceleration * Time.fixedDeltaTime;
        transform.position += velocity * Time.fixedDeltaTime;
    }

    Vector3 CalculateForces() {
        // 엔진 출력, 제동력, 마찰력 등을 계산
        Vector3 engineForce = GetEngineForce();
        Vector3 brakeForce = GetBrakeForce();
        Vector3 frictionForce = -velocity.normalized * frictionCoefficient;
        return engineForce + brakeForce + frictionForce;
    }
}

운동학 모델

운동학 모델은 차량의 속도와 방향을 기반으로 움직임을 제어한다. 이 모델은 주로 경로 추종과 같은 제어 문제에서 사용된다.

$\mathbf{x}_{k+1} = \mathbf{x}_k + \mathbf{v}_k \Delta t$

여기서 $\mathbf{x}_k$ 는 현재 위치, $\mathbf{v}_k$ 는 현재 속도, $\Delta t$ 는 시간 간격이다.

// 운동학 모델의 간단한 구현 예제
public class KinematicController : MonoBehaviour {
    public float speed = 10f; // m/s
    public float steeringAngle = 0f; // degrees

    void Update() {
        float deltaTime = Time.deltaTime;
        Vector3 direction = transform.forward;
        transform.position += direction * speed * deltaTime;
        transform.Rotate(0, steeringAngle * deltaTime, 0);
    }
}

테스트 시나리오 및 검증

자율 주행 자동차 시뮬레이션의 신뢰성을 높이기 위해 다양한 테스트 시나리오를 구성하고, 이를 통해 알고리즘과 제어 시스템을 검증하는 과정이 필요하다. 이 절에서는 시나리오 설계 방법과 검증 절차에 대해 설명한다.

테스트 시나리오 설계

테스트 시나리오는 자율 주행 자동차가 직면할 수 있는 다양한 상황을 포함해야 한다. 주요 시나리오로는 다음과 같은 것들이 있다.

일반 주행: 도로에서 정상적으로 주행하는 상황.
교차로 통과: 신호등이 있는 교차로에서의 주행.
장애물 회피: 도로에 장애물이 나타났을 때의 회피.
야간 주행: 조명이 어두운 환경에서의 주행.
날씨 조건: 비, 눈, 안개 등 다양한 날씨 조건에서의 주행.

// 테스트 시나리오 예제: 장애물 회피
public void SetupObstacleAvoidanceScenario() {
    // 도로와 장애물 배치
    GameObject road = Instantiate(roadPrefab, Vector3.zero, Quaternion.identity);
    GameObject obstacle = Instantiate(obstaclePrefab, new Vector3(50, 0, 0), Quaternion.identity);

    // 차량 배치
    GameObject vehicle = Instantiate(vehiclePrefab, new Vector3(0, 0, 0), Quaternion.identity);

    // 시뮬레이션 시작
    StartSimulation();
}

검증 절차

검증 절차는 시뮬레이션 결과를 분석하여 시스템이 기대한 대로 동작하는지 확인하는 과정이다. 주요 검증 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다.

시각적 검토: 시뮬레이션 영상을 통해 차량의 주행 상태를 직접 확인.
데이터 로깅 및 분석: 주행 데이터(속도, 위치, 센서 데이터 등)를 기록하고 분석하여 알고리즘의 성능을 평가.
자동화된 테스트: 스크립트를 통해 반복적인 테스트를 수행하고 결과를 자동으로 검증.

// 데이터 로깅 예제
public class DataLogger : MonoBehaviour {
    public List<float> speedLog = new List<float>();
    public List<Vector3> positionLog = new List<Vector3>();

    void Update() {
        speedLog.Add(vehicle.GetComponent<VehicleDynamics>().velocity.magnitude);
        positionLog.Add(vehicle.transform.position);
    }

    public void SaveLog() {
        // 로그 데이터를 파일로 저장
    }
}