가상주행장치를 이용한 페달 오조작에 의한 급발진 감지 알고리즘 개발

1. 서 론

급발진(SUA: sudden unintended acceleration) 사고는 특정 국가나 차량에 국한되지 않고 전 세계적으로 발생하고 있으며, 운전자와 승객 그리고 주위에 심각한 피해를 초래하는 큰 사회적 문제로 대두되고 있다. 미국 도로교통안전국(NHTSA; National Highway Traffic Safety Agency)에 의하면¹⁾ 급발진사고는 “차량이 정지되거나 또는 낮은 초기속도에서 명백하게 제동력을 상실한 상태에서 의도하지 않고 예상하지 못한 고출력의 사고”로 정의하고 있다. 급발진의 원인은 대개 제동 장치의 작동 불능과 같은 시스템 결함, 운전자의 착오나 운전 미숙에 의한 오조작, 차량의 전기 전자적 결함 등으로 추정되는데, 현재까지 진행된 연구결과로^1,4,5) 볼 때 가장 유력한 원인은 브레이크를 밟아야 하는 상황에서 가속페달을 오조작하는 운전자의 실수라고 알려져 있다.

급발진 사고의 원인을 규명하기 위해서 다양한 방법을 이용한 분석이 시도되었다. 하용민 등²⁾은 40건의 급발진 사고에 대한 통계적 분석을 통하여 약 80 %의 원인이 오조작이었고 약 20 %는 판단이 불가능 하다고 분석하고, 급발진과 오조작을 간접적으로 증명할 수 있는 방법을 제시하였다. 여기서 분석한 오조작의 원인은 제동해야 할 상황에서 운전자의 실수에 의해서 가속 페달을 밟는 것인데, 그 원인을 세분하여 각각 운전자의 착각, 실수, 부주의, 인지 오류로 분류하였다.

임성근과 고명수³⁾는 급발진이 발생할 때 구동계와 구동계의 차체 연결부(Mount)에 작용하는 하중을 측정하고 이를 분석하여 급발진과 차체 연결부 작용하중의 상관관계를 규명하였다. 급발진에 영향을 받는 5가지 인자 - 엔진 회전수, 클러치 접합 속도, 클러치 전달 토크, 총 감속비, 클러치 디스크 쿠션량 - 을 선정하고, 이러한 인자의 변화가 차체 연결부에 작용하는 하중에 미치는 영향을 분석하였다.

정희석 등⁴⁾은 비디오 관찰법(Video ethnography)을 이용하여 실제 운전 상황에서 운전자가 페달을 조작할 때 발의 거동을 촬영하고 분석하였다. 대부분의 운전자는 발의 힐포인트(Hill point)를 브레이크 페달 쪽에 가까이 두고 “브이(V)”자 형태로 가속 및 브레이크 페달을 조작하지만, 지속적인 고속 주행 상황에서는 빈번한 가속 페달 조작으로 인하여 힐포인트가 가속 페달 쪽으로 이동하는 것을 발견하였다. 따라서 고속 주행 중 급제동이 필요할 때 가속페달을 오조작할 수 있는 위험이 증대된다고 분석하였다.

김영춘 등⁵⁾은 차량 OBD-II에서 제공되는 정보와 카메라 영상을 이용하여 급발진이 의심되는 사고의 차량상태를 분석하는 시스템을 개발하였고, 이를 이용하여 급발진 의심사고의 원인을 분석하였다. 급발진 사고의 원인을 크게 차량 결함과 운전자의 운전미숙에 의한 오조작 이라고 분석하였으나 급발진 사고의 정확한 원인을 규명하기 위해서는 분석을 객관화 할 수 있는 인자에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 언급하고 있다.

국토교통부에서 수행한 조사를 바탕으로 한국소비자 원에서 발간한 급발진 사례 조사 보고서에⁶⁾ 따르면 운전자 오조작에 의한 급발진은 제동, 감속 그리고 가속 상황 모두에서 발생하며, 운전자의 실수에 의해서 가속 및 브레이크 페달이나 기어 등을 잘못 조작하여 발생한다고 보고하고 있다. Table 1에는 오조작의 대표적인 상황과 이때의 차량의 운행상태와 운전자의 운전동작을 요약하고 있다. 구체적으로 보면 기어변속을 실수하거나, 가속페달을 서서히 밟아야 하는 상황에서 가속 페달을 급속하게 조작하거나, 브레이크 페달을 밟아야 하는 상황에서 가속페달을 오조작하는 세 가지 유형으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 세 가지 오조작 유형 중에서 가장 빈번하게 발생하는 브레이크 페달을 밟아야 하는 상황에서 가속페달을 오조작하는 경우에 초점을 맞추고자 한다.

Table 1

Summary of SUA situation due to mis-operation

차량 제작자나 연구 기관들은 오조작에 의한 급발진을 방지하기 위해서 다양한 노력을 기울이고 있는데, 이를 위한 선결조건은 차량의 운행상태⁸⁾와 운전자의 페달 조작과 관련된 정보를 이용하여 페달 오조작에 의한 급발진 여부를 감지할 수 있는 알고리즘⁹⁾이 있어야 한다. 이를 바탕으로 오조작에 의한 급발진시 운전자에게 경고를 주거나 강제적으로 가속을 중지하고 제동을 할 수 있다. 본 논문에서는 차량 거동과 운전자의 페달 조작에 대한 정보를 이용하여 오조작에 의한 급발진을 사전에 감지하는 알고리즘을 개발하고자 한다.

2. 가상 주행 장치

가속 페달 오조작으로 발생하는 급발진 상황에서 운전자 거동을 관찰하기 위해서는 운전자가 오조작을 인식하지 못하는 상태에서 급발진을 유발시켜야 한다. 실제 도로를 주행하며 급발진을 일으키는 것은 운전자와 차량 그리고 주위에 위험을 초래하므로 본 연구에서는 이러한 목적으로 특별하게 고안된 가상 주행 장치를 사용한다.

가상 주행 장치가 Fig. 1에 나타나 있다. 운전석은 실제 차량의 운전석을 이용하여 상, 하, 전, 후 네 방향의 위치조절이 가능하여 운전자가 원하는 위치에 앉을 수 있다. 핸들, 가속 및 브레이크 페달은 차량동역학 시뮬레이션 프로그램인 CarSim⁷⁾과 연동되어 주어진 교통 환경에서 운전자의 조향과 가속 및 제동 입력에 따라 원하는 경로를 주행한다. 핸들에는 주행상태에 따라 조향반력이 생성되어 운전자로 하여금 실제 차량 과 유사한 조향감을 느낄 수 있다.

Fig. 1

Driving simulator and signal flow

가속 페달과 브레이크 페달의 회전축은 페달 답력을 생성하는 독립된 2개의 서보모터에 연결되어 있다. 페달 각도는 서보 모터에 입력되고 서보 모터는 이를 이용하여 페달 토크를 생성함으로써 운전자에게 사실적인 페달 조작감을 제공한다.

페달 오조작에 의한 급발진은 운전자가 정상적 판단에 의해서 긴급하게 제동할 때 가상 주행 장치 조작자가 운전자 모르게 브레이크 페달과 가속 페달의 기능을 서로 맞바꾸어서 발생시킨다. 이 경우 운전자가 브레이크 페달을 밟더라도 차량은 운전자의 의도와 무관하게 급가속 되고, 운전자는 인지하지 못하는 상황에서 페달 오조작에 의한 급발진 상황에 빠지게 된다.

가속 페달과 브레이크 페달의 답력 특성(페달 각도－페달 토크 곡선)이 서로 다르므로 운전자가 페달 기능 맞바꾸기를 알아차리지 못하도록 하기 위해서 가속 페달과 브레이크 페달의 답력 특성도 서로 스위칭 한다.

3. 오조작에 의한 급발진 시나리오

페달 오조작에 의한 급발진은 시간적으로 여유가 있는 안정적인 상황보다 보행자가 갑자기 나타나거나 전방 차량이 급정지 하는 등 긴급한 상황에서 발생할 확률이 높다. 시나리오를 구성하는데 있어서 고려할 점은 복잡한 교통 환경에서 다수의 간섭차량을 등장시켜 운전 난이도를 높이고 운전에 집중하도록 함으로써 시험자가 예측하지 못하는 상황에서 급발진이 일어나도록 해야 한다는 점이다. 급발진이 발생하는 다양한 도로 조건과 교통환경을 고려하여 다음과 같은 3가지 급발진 시나리오를 정의하였다.

Fig. 2(a)의 시나리오 1에는 시험차량이 80 km/h의 속도로 직선 도로를 달리고 옆 차로의 간섭차량이 10 m 앞에서 70 km/h의 속도로 주행하고 있다. 시험차량과 간섭차량 간의 앞뒤 거리가 5 m로 좁혀지는 순간 간섭차량이 시험차량의 차로로 긴급 차로 변경(Cut-in)을 하여 시험차량 운전자가 급제동 하도록 유도한다. 이때 가상 시험 장치 조작자가 가속 페달과 브레이크 페달을 스위칭하여 오조작에 의한 급발진을 유도한다.

Fig. 2

Three SUA scenarios due to mis-operation

Fig. 2(b)의 시나리오 2는 시험차량이 40 km/h의 속도로 우회전 하는 도중 전방에 정지된 간섭차량에 의해 시야가 가려진 상태에서 간섭차량을 추월하는 순간 간섭차량 전방 5 m 앞의 횡단보도에서 보행자가 갑자기 튀어나와 긴급제동을 한다. 이때 가상 시험 장치 조작자가 가속 페달과 브레이크 페달의을 스위칭 하여 오조작에 의한 급발진을 유도한다.

Fig. 2(c)의 시나리오 3은 사거리 교차로에서 시험차량이 3대의 간섭차량과 함께 주행하는 상황이다. 시험차량 전방의 간섭차량 1과 시험차량 옆 차로의 간섭차량 3이 직진하면서 교차로를 통과할 때, 오른쪽 도로에서 간섭차량 2가 갑자기 우회전을 하여 간섭차량 1이 급정지하고 시험차량은 간섭차량 3으로 인하여 차로변경이 불가능하므로 급제동 하는 상황이다. 급제동 시 가속 페달과 브레이크 페달을 스위칭하여 페달 오조작에 의한 급발진을 유도한다.

4. 가상 급발진 시험

급발진 시험은 모두 80명(남자:51명, 여자:29명, 20대:36명, 30대:30명, 40대 이상:14명)의 시험자를 대상으로 수행하였다. 시험자에게 시험의 목적이 가상 주행 장치를 평가하기 위한 것이라고 설명하고 오조작에 의한 급발진에 대해서는 전혀 언급하지 않았다. 시험에 앞서 운전자가 가상 주행 장치 조작과 주행 코스에 적응할 수 있도록 충분한 연습 시간을 제공하였다. 운전자는 모니터에 나타나는 도로 상황을 보면서 운전하고, 운전자와 모니터를 공유하는 조작자는 모니터를 통해서 운전자에게 주행 속도와 방향을 지시한다. 조작자는 정의된 3가지 시나리오가 구현되는 위치에서 시험자가 정상적인 판단에 의해서 긴급하게 제동할 때 브레이크 페달을 가속 페달로 스위칭하여 오조작에 의한 급발진 상황을 유도한다.

Fig. 3은 시험에서 사용된 서울시에 위치한 도로를 모사한 가상 주행 코스로서, 코스 길이는 약 5.9 km이고 주행 시간은 운전자에 따라 600~620초가 소요된다. 시나리오 1, 2, 3에 의한 급정지 상황이 Fig. 3에 표시된 6곳의 위치에서 각각 1번씩 모두 6번 발생한다. 예들 들어 Fig. 3의 “Event 1”으로 표시된 2 곳의 직선구간에서 시나리오 1에 의한 급발진이 각각 1회씩 유도된다. 시험자가 오조작에 의한 급발진상황을 예견하고 미리 대비하는 것을 방지하기 위해서 시험자가 주행 코스를 1회 주행하고 시험은 종료된다. 가속 페달과 브레이크 페달의 기능 전환 시점은 운전자가 긴급 제동을 위해서 브레이크 페달을 밟으려는 순간에 운전자의 하지거동을 모니터로 감시하는 조작자가 기능 전환 버튼을 눌러서 이루어진다.

Fig. 3

Test drive course for virtual testing

5. 결과 분석

주어진 시나리오에 따라 운전자가 급정지할 때 브레이크 페달의 기능을 가속 페달로 스위칭하고, 스위칭된 가속 페달(원래 브레이크 페달이었으나 가속페달로 기능이 전환)의 각도, 각속도 그리고 답력을 10 msec. 간격으로 측정하였다.

Figs. 4 ~ 6은 각각 전체 실험자 80명에 대해서 시나리오 1, 2, 3의 오조작에 의한 급발진 상황에서 측정한 가속 페달의 각속도, 답력 그리고 페달 각도를 보여주고 있다. 또한 각 그림에는 코스 주행 중의 정상 가속상황에서 측정된 값도 나타내고 있다. 급발진과 정상가속 상황을 비교해 보면 페달 각속도와 페달 답력의 크기는 현저히 차이가 있지만 페달 각도는 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다.

Fig. 4

Angular velocity of acceleration pedal

Fig. 5

Force of acceleration pedal

Fig. 6

Angle of acceleration pedal

운전자 거동에서 주목해야 할 것은 시나리오 1, 2, 3의 페달 오조작에 의한 급발진 상황에서 대부분의 운전자는 당황하여 어찌할 바를 모르고 가속 페달을 빠른 속도로 강하게 계속해서 밟지만, 성별, 나이, 운전 숙련도 등에 따라 일부 운전자는 오조작을 인지하고 가속 페달에서 신속하게 발을 떼는 경우도 관찰된다. 즉 오조작에 의한 급발진 알고리즘을 개발함에 있어서 운전자에 따라서 대응하는 방식이 서로 다르다는 점을 고려해야 한다.

다음에는 각 시나리오 별로 운전자의 페달 조작 거동을 살펴보자. Figs. 7 ~ 9는 시나리오 1에 따라 오조작에 의한 급발진과 정상 가속 상황에서의 페달 각속도, 페달 답력, 페달 각도를 나타내고 있다. Fig. 7의 페달 각속도는 급발진 상황에서 오조작을 인지하고 발을 떼는 경우를 포함해도 최소값이 약 310 deg/sec인 반면, 정상 가속 상황에서는 최대값이 186 deg/sec로 큰 차이를 보인다. 페달 각속도는 상황인지 여부에 따른 운전자 반응과 무관하게 오조작에 의한 급발진과 정상가속을 구분할 수 있는 중요한 인자임을 알 수 있다.

Fig. 7

Acceleration pedal angular velocity for Scenario 1

Fig. 8

Acceleration pedal force for Scenario 1

Fig. 9

Acceleration pedal angle for Scenario 1

Fig. 8의 페달 답력도 급발진과 정상가속의 차이는 큰 것을 알 수 있다. 그러나 오조작에 의한 급발진 상황에서 일부 운전자는 오조작 상황을 인지하고 가속 페달에서 급히 발을 떼어 페달 답력이 감소하여 0이 된다. 이 경우 정상 가속시의 페달 답력과 구분하기가 어려우므로 페달 답력을 급발진 판단 인자로 사용하는 데는 한계가 있다.

Fig. 9의 페달 각도의 경우 급발진 상황과 정상가속상 모두 페달의 작동 범위 한계까지 도달하는 것을 알 수 있다. 따라서 페달 각도로서 정상가속과 오조작에 의한 급발진을 구분하기는 어렵다.

Figs. 10 ~ 12는 시나리오 2에 따라 오조작에 의한 급발진과 정상 가속에서 페달 각속도, 페달 답력, 페달 각도를 보여주고 있다. Fig. 10의 페달 각속도는 급발진 상황에서 오조작을 인지하고 발을 떼는 경우를 포함해도 급발진 상황에서의 최소값이 316 deg/sec.이고 정상 가속 상황에서 최대값은 263 deg/sec.이다. 페달 각속도는 시나리오 2에서도 오조작에 의한 급발진과 정상가속을 구분하는 중요한 인자임을 알 수 있다.

Fig. 10

Acceleration pedal angular velocity for Scenario 2

Fig. 11

Acceleration pedal force for Scenario 2

Fig. 12

Acceleration pedal angle for Scenario 2

Fig. 11의 가속 페달 답력은 급발진과 정상가속의 경우 큰 차이가 있지만, 시나리오 1의 경우와 마찬가지로 운전자에 따라서 오조작을 인지하고 발을 떼는 경우 차이가 없어지므로 급발진의 판단 인자로 사용하는 데 어려움이 있다. Fig. 12의 가속 페달 각도도 급발진 상황과 정상가속상황에서 모두 페달의 작동 범위 한계까지 도달하므로 정상가속과 오조작에 의한 급발진을 구분하지 못한다.

Figs. 13 ~ 15는 시나리오 3에서 따라 오조작에 의한 급발진과 정상가속 상황에서 페달 각속도, 페달 답력, 페달 각도를 보여주고 있다. Fig. 13의 페달 각속도는 급발진 상황에서 오조작을 인지하고 발을 떼는 경우를 포함해도 최소값이 324 deg/sec.이고 정상 가속 상황에서 최대값은 294 deg/sec.이다. 페달 각속도는 시나리오 3에서도 오조작에 의한 급발진과 정상 가속을 구분하는 인자이다.

Fig. 13

Acceleration pedal angular velocity for Scenario 3

Fig. 14

Acceleration pedal force for Scenario 3

Fig. 15

Acceleration pedal angle for Scenario 3

시나리오 3에서 측정된 Fig. 14의 페달 답력과 Fig. 15의 페달 각도는 시나리오 1, 2와 유사한 경향을 보이고 있으며 두 인자 모두 급발진과 정상가속을 구분하는 데 한계가 있다.

이상의 결과를 종합하면 운전자는 오조작에 의한 급발진 상황에서 정상적인 가속 상황에서 보다 가속페달을 빠르고 세게 밟는다. 급발진 상황에서 페달 각속도는 정상가속 상황에 비해 현저히 큰 값을 가지는 데, 오조작에 의한 급발진의 경우 페달 각속도의 최소값은 310 deg/sec.이고 정상가속 상황에서 페달 각속도의 최대값은 294 deg/sec.이므로 시험에 모사된 차량의 경우 가속 페달 각속도가 310 deg/sec.이상이면 급발진 상황이 이라고 판단할 수 있다. 그러나 이 값은 차량의 특성에 영향을 받는 인자이므로 차량에 따라서 다른 값을 가질 수 있다.

오조작에 의한 급발진 상황에서 일부 운전자는 상황을 인지하고 가속 페달에서 발을 떼기 때문에 페달 답력이 급격이 감소하여 정상 가속시 답력과 구분하기가 어렵다. 페달 각도는 급발진과 정상가속 모두 페달 작동 한계까지 도달하므로 두 가지 상황을 구분할 수 없다.

6. 오조작 감지 알고리즘

오조작에 의한 급발진 감지 알고리즘이 Fig. 16에 나타나 있다. 사용된 인자는 운전자의 브레이크페달 조작 여부를 나타내는 Brake ON/OFF, 가속 페달 조작 여부를 나타내는 Acc. ON/OFF, 가속페달의 각속도, 그리고 차량의 종방향 가속도이다. 차량의 종방향 가속도는 차량의 정지, 가속, 감속에 대한 정보를 제공한다.

Fig. 16

SUA detection algorithm

알고리즘에서 Brake ON은 브레이크 페달의 각도가 0보다 큰 경우로, 운전자가 브레이크 페달을 밟았는지의 여부를 판단하고 두 번째 인자인 Acc. OFF는 가속페달의 각도가 0인 경우로, 운전자가 가속페달에서 발을 떼었는지를 판단한다. w_acc. 는 가속페달의 각속도로 운전자가 브레이크 페달을 밟아야 하는 상황에서 실수로 가속페달을 조작하였을 때, 가속페달 각속도의 크기를 확인하기 위한 사용되는데 임계값 310 deg/sec.는 앞서 실시한 80명의 실험 결과에서 구한 값으로서 오조작에 의한 급발진에서 페달 각속도의 최소값이다.

a는 차량의 종방향 가속도로서 차량의 가속상황을 알기위해 사용된다. 알고리즘에서는 임계값으로 정상 가속 상황에서도 쉽게 도달하는 0.08 m/sec.²의 현저히 작은 값을 사용하였는데, 그 이유는 가상주행 장치를 이용하여 제어로직을 튜닝해 본 결과 너무 큰 가속도 값을 사용하면 급발진을 감지해 내는 시간이 지체되어 감지로직의 작동 민감도가 낮아지는 것을 방지하기 위함이다. 오조작이 아니라 사고회피 등을 위한 킥다운(Kick-down)이나 추월을 위한 급가속등 정상적 조작의 경우 가속 페달 각가속도 값이 310 deg/sec.를 넘지 않으므로 급발진으로 판정되지 않는다.

감지 알고리즘에서 사용된 페달 각속도나 차량 종방향 가속도의 임계값은 특정한 차량에 대한 값이므로 다른 차량모델에 적용되는 경우나 감지알고리즘의 정확도나 검지 민감도 등을 고려하여 바뀔 수 있는 값이다.

7. 결 론

본 연구의 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.

• 1) 가속 및 브레이크 페달을 스위칭 하여 운전자가 인지하지 못하는 상황에서 페달 오조작에 의한 급발진을 유발하고 이 때 운전자 페달 조작 거동을 관찰할 수 있는 가상 주행 장치를 제작하였다.
• 2) 오조작에 의한 급발진 상황에서 대부분의 운전자는 당황하여 가속 페달을 빠르고 세게 계속 밟는다. 그러나 일부 운전자는 오조작 상황을 인지하고 페달에서 발을 떼는 경우도 있다. 급발진이 발생할 때 반응은 운전자에 따라 달라지므로 감지로직을 이를 반영해야 한다.
• 3) 가속 페달의 각속도는 급발진을 판단하는 가장 중요한 인자이다. 운전자가 오조작을 인지하고 발을 떼는 경우를 포함해도 페달 각속도는 310 deg/sec.보다 큰 값을 가진다.
• 4) 페달 답력의 크기는 오조작에 의한 급발진과 정상가속의 경우 뚜렷한 차이가 있지만, 운전자가 발을 떼는 경우 차이가 없어진다. 이러한 이유로 페달 답력은 오조작에 의한 급발진을 판단하는 인자로서 제약이 따른다.
• 5) 페달 각도는 급발진과 정상가속의 경우 모두 작동 한계까지 도달할 수 있으므로 급발진 판단 인자로 사용할 수 없다.
• 6) 운전자의 가속 및 브레이크페달 조작 여부, 차량 종방향 가속도, 가속페달 각속도 등 최소의 인자를 이용하여 오조작에 의한 급발진을 감지할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 이 알고리즘은 오조작에 의한 급발진을 방지할 수 있는 장치 개발에 적용될 수 있다.

Acknowledgments

2015년도 강원대학교 대학회계 학술연구조성비로 연구하였음(관리번호-520150030).

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