Steeringless Drifting: Differential-Torque Control of a Four-Wheel Independently Driven Vehicle

자동차가 단순히 앞으로 주행하거나 스티어링 휠로 방향을 트는 것이 아니라, 얼음 위에서 춤추는 무용수처럼 옆으로 미끄러지거나, 완벽한 원을 그리며 회전하거나, 타이어가 비명을 지르는 동안 피겨 에이트(8자 모양)를 그리며 질주할 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 단지 영화 속 영웅들을 위한 스턴트가 아닙니다. 이는 "자율 주행 차량 제어"라고 불리는 진지한 연구 분야이며, 특히 자동차가 한계치까지 몰렸을 때 어떻게 안정성을 유지할 것인가에 초점을 맞추고 있습니다. 보통 자동차가 드리프트를 시작하면 이는 안전 시스템이 즉시 차단하려고 노력하는 위험한 통제력 상실 상태가 됩니다. 하지만 연구자들은 이제 질문을 던집니다. 만약 우리가 의도적으로 자동차를 드리프트하게 만들고, 그 상태를 안전하게 유지할 수 있다면 어떨까? 이를 위해 그들은 "타이어 포화(tire saturation)"(타이어가 너무 심하게 미끄러져 더 이상 접지력을 발휘할 수 없는 상태)와 "요 모멘트(yaw moment)"(자동차를 중심축 기준으로 회전시키는 힘)를 이해해야 합니다. 전통적인 자동차는 앞바퀴를 돌려 방향을 바꾸는 데 의존하지만, 새로운 종류의 전기차 구조는 게임의 판도를 바꾸고 있습니다. 이러한 차량들은 각 바퀴에 하나씩, 총 네 개의 독립된 모터를 가지고 있으며 스티어링 휠이 없습니다. 바퀴를 돌리는 대신, 이들은 어떤 바퀴는 속도를 높이고 어떤 바퀴는 속도를 줄임으로써 자동차를 제어합니다. 이 논문은 이러한 "스티어링리스(steeringless)" 자동차가 가장 어려운 춤 동작인 '제어된 지속적 드리프트'를 수행할 수 있는지 탐구합니다.

이 연구의 저자인 셰ン 자오(Sheng Zhao)와 그의 팀은 매혹적인 퍼즐을 해결하고자 했습니다. 스티어링 휠 없이 네 개의 독립된 모터의 힘만으로 자동차를 드리프트 시킬 수 있을까요? 일반적인 자동차에서 드리프트는 앞바퀴를 돌리고 가속 페달을 밟아 뒷타이어의 접지력을 잃게 할 때 발생합니다. 하지만 스티어링리스 자동차에서는 바퀴가 정면을 향해 고정되어 있습니다. 바퀴를 돌릴 수 없습니다. 그렇다면 어떻게 미끄러지게 만들 수 있을까요? 팀은 영리한 해결책을 제안했습니다. 좌우 바퀴 사이의 출력 차이를 이용하여 회전력을 만드는 것입니다. 스케이트보드 위에 서 있는 사람을 생각해 보십시오. 만약 왼쪽 발을 오른쪽보다 더 세게 밀면 몸이 회전하게 됩니다. 자동차도 똑같이 작동합니다. 네 개의 바퀴에 전달되는 토크(비틀림 힘)를 정교하게 조절함으로써, 자동차는 회전하도록 강제하는 "요 모멘트"를 생성할 수 있으며, 동시에 타이어는 자연스럽게 옆으로 미끄러지며 드리프트를 만들어냅니다.

각 바퀴에 정확히 얼마만큼의 전력을 보낼지 결정하기 위해, 팀은 자동차를 평평한 표면 위의 강체 블록처럼 취급하여 수학적 모델을 구축했습니다. 그들은 "드리프트 평형(drift equilibrium)"을 계산했는데, 이는 기본적으로 완벽하고 안정적인 슬라이드를 위한 레시피와 같습니다. 이 레시피는 자동차가 충돌하지 않고 드리프트를 유지하기 위해 얼마나 빨리 달려야 하고 얼마나 회전해야 하는지를 정확히 알려줍니다. 그들은 자동차를 드리프트 상태로 유지하려면 한쪽 측면의 모터가 반대쪽 모터보다 더 열심히 작동하여 지속적인 힘겨루기를 만들어내야 한다는 것을 발견했습니다. 또한 그들은 "펄스 앤 홀드(pulse-and-hold)" 제어기를 설계했습니다. 무거운 그네를 움직이려고 노력하는 장면을 상상해 보십시오. 먼저 강한 밀기(펄스)를 주어 움직임을 시작하게 한 다음, 적절한 속도로 계속 움직이도록 작고 정밀한 밀기(홀드)를 줍니다. 자동차도 마찬가지입니다. 드리프트를 시작하기 위해 바퀴 속도의 빠른 폭발적 변화(펄스)를 사용하고, 그 후에는 일정한 속도로 유지하기 위해 균형 잡힌 전력의 혼합(홀드)을 사용합니다.

팀은 두 가지 방식으로 아이디어를 테스트했습니다. 첫째는 컴퓨터 시뮬레이션에서, 둘째는 실제 차량 크기의 10분의 1인(1:10 스케일) 소형 로봇 자동차를 사용하여 테스트했습니다. 컴퓨터 세계에서, 그들은 자동차가 약 20도의 "사이드슬립 각도(sideslip angle)"(자동차가 가리키는 방향과 실제 이동 방향 사이의 각도)를 유지하며 안정적인 원형 드리프트를 성공적으로 수행하는 것을 확인했습니다. 또한 피겨 에이트 패턴을 수행하며 한 방향에서 다른 방향으로 전환하는 모습도 관찰했습니다. 실제 로봇 자동차로 실험했을 때도 결과는 매우 유망했습니다. 작은 로봇은 원을 그리며 회전하고 피겨 에이트 코스를 통과하며 약 20도의 사이드슬립 각도로 드리프트를 유지했습니다. 데이터에 따르면 자동차는 매우 작은 오차로 경로를 추적할 수 있었으며, 이는 "펄스 앤 홀드" 전략이 현실 세계에서도 작동함을 입증했습니다.

하지만 이 논문은 이것이 아직 실제 크기의 자동차를 위한 해결된 문제라고 주장하지 않도록 주의를 기울였습니다. 결과는 시뮬레이션과 소형 프로토타입 실험을 바탕으로 합니다. 연구진은 현재의 방식이 자동차의 특정 수학적 모델에 의존하고 있으며, 도로 조건의 변화나 타이어 마모와 같은 실제 환경 요인이 방해가 될 수 있다고 언급했습니다. 그들은 향후 연구에서 수학 공식에만 의존하기보다 데이터로부터 직접 자동차의 행동을 학습하는 인공지능을 사용할 수 있다고 제안합니다. 그러나 현재로서 이 연구는 중요한 점을 증명합니다. 즉, 네 바퀴에 전력을 영리하게 배분하는 것만으로 스티어링 휠을 전혀 돌리지 않고도 자동차를 드리프트시키는 것이 전적으로 가능하다는 것입니다. 이는 자율 주행 차량이 비상 상황에서 어떻게 기동하거나 기존 자동차는 할 수 없는 복잡한 과업을 수행할 수 있는지에 대한 새로운 관점을 열어줍니다.