자율주행 자동차

동기

자동차에 관심이 많습니다. 요즘 많은 기업들이 자율주행 자동차 개발을 위한 연구에 관심을 가지고 중국에서는 이미 자율주행차가 상용화 되었고 테슬라 현대자동차 에서도 개발을 하고 있습니다. 자율주행 자동차 상용화가 먼 미래가 아니라는 생각에 자율주행 자동차에 대해 더 알아보고자 합니다.

 

자율주행 자동차의 장점

혼잡한 도로는 경제의 막대한 비용일 뿐만 아니라, 배기가스의 대량 배출로 온실가스와 공기 오염의 주요 원인이다. 자율주행 자동차는 이산화탄소 배출을 감소시키고, 효율적인 에너지를 사용 가능하게 하며 효율적이고 빠른 물류 운송 등의 다양한 장점을 제공한다. 또한, 운전자의 보험 부담을 낮추게 하여 자동차 수요를 늘리는 하나의 요인으로 작용할 수 있다.

 

자율주행 자동차의 문제점

자율주행자동차를 위해 필수적으로 요구되는 또 다른 중요한 이슈로 안전 및 보안문제가 있다. 안전과 관련된 큰 과제 중 하나는 부분적 자율주행자동차가 시장에 도입되고 완전 자율 주행자동차에 이르기까지 15년 또는 그 이상의 기간 동안 지속될 과도기에서, 자율주행 자동차와 일반 자동차들이 어떻게 안전하게 공존할 것인지에 대한 여부이다. 자율주행자동차 기술이 발전함에 따라 발생하는 새로운 유형의 사고들에 대비해야 한다.

(예: 차량 통제가 운전자에게 넘어가는 도중의 사고, 자율주행자동차와 일반 차량 간에 일어나는 사고, 보행자 및 자전거 등과 같은 다른 도로 이용자로 인한 사고들 등) 자율주행 시스템으로부터의 정보, 경보 및 간섭 등으로 인해 운전자가 주의를 빼앗겨 사 고가 일어날 수 있는 가능성이 있다. 보행자 및 자전거 이용자의 사망자 수는 유럽연합 내 모든 도로 사망자의 29%를 차지하는 반면, 현재 보행자나 자전거 이용자들은 자율주행자동차와 연결 및 정보 교류를 위한 장치를 보유하고 있지 않다.

 

자율주행 자동차의 배경 및 전망

자동차 안전기술의 도입은 교통사고 사망자 수를 크게 줄여왔다. 또한, 현재 자율주행자동차 수준은 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)에서 자율주행으로 진화하는 단계이다. ADAS는 발생할 수 있는 사건 및 사고에 대하여 자동차가 주변 환경을 인식, 판단하고 운전자에게 알려주어 운전자를 돕고 보완하며, 궁극적으로는 운전자를 대체하여 차량을 제어할 수 있도록 개발된 다양한 장치 및 시스템이다.

기존의 차량 보조 시스템의 주목적이 교통사고 시 충격 완화인 수동형 안전시스템이었던 반면, ADAS는 운전자 정보 제공을 비롯하여 차량 사고 예방 및 사고 회피 등의 기능 을 하는 능동형 안전시스템이다. 현재의 자율주행자동차 단계는 ADAS라고 할 수 있는 1단계를 넘어, 초기 자율주행이라고 할 수 있는 2단계로 넘어가는 중이라 할 수 있다. 완성차와 전장부품업체들이 차선 이탈 경보 (LDW), 어댑티브 크루즈 컨트롤 (ACC) 등은 고급차 위주로 적용하고 있으며, 차간 거리 및 차선 자동유지 등의 기술은 개발 완료 단계에 도달하였다.

3년 이내로 자율주행자동차 2-3단계가 전 세계적으로 상용화될 가능성이 높은 것으로 전망 되는데, 이는 사고 시 책임소재가 상대적으로 명확하고, 센서, 소프트웨어 등의 관련 기술 들이 이미 상용화되었기 때문이다. 아직 일반적인 주행조건에서 완벽한 수준의 3단계 자율주행자동차(제한적 자율주행자동차)가 검증 및 상용화된 사례는 없다.

2020년에 제한적 자율주행자동차가 상용화될 것으로 전망되며, 자율주행을 위해 차량에 옵션으로 부착할 수 있는 패키지는 이르면 2019년에 이용 가능할 것이라는 분석도 있다. 자율주행자동차는 주행차로 및 차량 간 거리유지, 교통체증 저속구간 자율주행, 다차선 자동변경, 합류로 및 분기로 자동주행 등을 지원하는 방향으로 발전해나갈 전망이다.

 

자율주행 자동차 상용화를 위해 필요한 법률

일반 자동차와는 달리 자율주행자동차의 경우 아직 관련 법제도 및 규제가 존재하지 않고 있다. 자율주행자동차 테스트 및 출시에 있어 기존 법제도 및 규제의 정비가 요구된다. 자율주행자동차 운행에 따른 법적책임을 비롯하여, 면허 및 보험에 대한 법규 보완 및 정확한 기준 설정은 필수적이다. 예를 들어 교통사고가 발생했을 경우, 우선순위를 자기 차량, 상대 차량, 보행자 중 누구에게 둘 것인지 정하는 법률이 필요하다.

 

과학 분야

초음파 센서

1) 초음파 센서란? 사람의 귀에 들리지 않을 정도로 높은 주파수(약 20 KHz 이상)의 소리인 초음파가 가지고 있는 특성을 이용한 센서이다.

2) 초음파란? 초음파란 주파수가 가청주파수 20kHz보다 커서 인간이 청각을 이용해 들을 수 없는 음파를 말한다. 초음파는 파장이 짧아서 직진성이 강하며, 일부 동물들은 초음파를 듣거나 발생시킬 수 있다. 초음파는 사람의 귀에 들리지 않는 신호를 전달할 수 있으므로, 리모콘이나 카메라의 초점을 맞추는 용도 등에 이용된다.

또한 초음파는 파장이 짧으므로, 물체에 부딪혀 반사되어 나오는 초음파를 통해 형태를 세밀하게 파악하는 데 많이 이용한다. 특히 물 속에서 음파가 잘 진행한다는 점을 이용하여 물 속의 물체나 지형을 파악하는 데 사용하며, 우리 몸 속을 진단하는 데도 사용한다. 더불어, 작은 영역에 역학적인 에너지를 집중할 수 있어서 분자를 혼합하는 등에 이용한다. 이 중에서 파장이 짧아 물체에 부딪혀 반사되는 초음파의 특성을 이용한 것이 초음파 센서인 것이다.

 

CMOS 이미지 센서

1) CMOS 이미지 센서란? 휴대전화 카메라 및 디지털 카메라 등에 사용되는 영상 소자 부품인 이미지 센서의 일종으로, 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS)를 이용한 센서이다. CCD 이미지 센서는 빛에 의한 전자를 그대로 출력하기 때문에 노이즈가 적고 이미지 품질이 우수하다는 특징이 있다. 이에 비해 CMOS는 발생된 전자를 전압으로 바꾸어 출력시키는 방식으로, 처리 속도가 빠르고 소비 전력이 낮기 때문에 휴대폰 및 디지털 카메라 등의 휴대 단말에 적합하다. 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS)란 렌즈로 들어오는 빛에너지를 감지해 전기에너지로 변환시키는 부품이다.

2) 빛과 에너지란? 빛이란 비교적 파장이 짧은 전자기파로, 과거에는 가시광선만 빛이라고 생각하였으나 현대에는 빨간색 가시광선보다 파장이긴 적외선과 보라색 가시광선보다 파장이 짧은 자외선, 자외선보다 파장이 더 짧은 X선 등의 전자기파를 포함한다. 반사, 굴절, 간섭, 회절 및 도플러효과 등 파동의 특징을 보인다. 파장이 비교적 짧아 직진하며, 다른 매질의 경계면을 만나면 일부는 반사되고 일부는 굴절된다. 빛이 파동과 입자 중 어느 것인가에 대한 논란은 오래전부터 끊임없이 제기되었었다. 17세기에는 빛의 입자설과 파동설이 서로 대립하였으나 18세기 뉴튼의 지지에 힘입어 입자설이 우세하게 된다.

 

레이더 센서

1) 레이더 센서란? 전파를 감지 또는 검지하는 센서를 말하며 보통 전파센서 라고도 불린다. 전파센서에는 마이크로파 센서, 밀리파센서, MF, HF대의 전자파를 사용한 근접 센서 등이 있다.

2) 전파란? 전파란 전기력선과 자기력선으로 이루어지는 일종의 유동에너지로서, 파장이 0.1mm 이상인 전자기파를 말한다. 1979년 전파의 정의는「현재 인공적으로 유도됨이 없이 공간을 전파하는 3,000GHz 이하의 전자기파」로 규정되었다고 한다. 전파는 공기 중에서도 진공 속과 거의 같은 속도로 퍼지기 때문에, 먼 거리에서도 아주 짧은 시간에 통신이 가능하다.

이러한 성질을 이용하여 전파는 주로 라디오·지상파 텔레비전·레이다 등의 전자기파를 이용하여 신호와 정보를 보내는  전기 통신에서 사용된다. 전파의 속도는 빛의 속력으로 이동하는데 물체를 통과하면서, 그 물체의 투자율과 유전율에 따라 그 속도가 둔화된다. 또한 전파는 파장에 따라 초저주파·초장파·장파·중파·단파·초단파·극초단파 등으로 나뉜다. 각각의 전파는 파장에 따라 퍼져 나가는 방법과 범위 등의 차이가 생기기 때문에, 각각의 파장에 따라 고유한 용도로 쓰이게 된다.

파장은 도중에 산과 건물 등의 장애물이 있을수록 방해를 받아 수신이 약해지게 되는데, 파장이 짧을수록 방해를 더 많이 받게 된다. 때문에, 파장이 긴 전파는 장애물 뒤쪽에도 도달할 수 있기 때문에 장애물이 많은 곳에서 사용하는데 적합하고, 파장이 짧은 전파는 장애물 뒤쪽에 도달하지 못하기 때문에 장애물이 많은 곳에서 사용하기에 부적합하다.

 

라이다 센서

1) 라이다 센서란? 우선, 라이다는 레이저를 목표물에 비춰 사물과의 거리 및 다양한 물성을 감지할 수 있는 기술이다. 주변 사물, 지형지물 등을 감지하고 이를 3D 영상으로 모델링할 수 있다. 스스로 운행하는 자율주행차가 현실화되면서 자율주행차의 눈 역할을 해줄 기술로 ‘라이다센서’가 주목받고 있다.

라이다는 ‘Light Detection And Ranging(빛 탐지 및 범위 측정)’ 또는 ‘Laser Imaging, Detection and Ranging(레이저 이미징, 탐지 및 범위 측정)’의 약자로 펄스 레이저를 목표물에 방출하고 빛이 돌아오기까지 걸리는 시간 및 강도를 측정해 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성을 감지하는 기술이다. 라이다로 구성한 고정밀지도는 물체가 어디에 위치해 있는지 보여줄 뿐만 아니라 어떤 물체인지 식별하는 것도 가능하다.

2) 펄스란? 펄스란 맥박처럼 짧은 시간에 생기는 진동현상을 말한다. 즉, 극히 짧은 시간만 흐르는 전류를 말하는데, 충격전류와 비슷하며 일반적으로는 신호로써의 기능을 완수하는 비교적 약한 간헐전류를 가리킨다.

 

전장 제어 장치(ECU)

전장 제어 장치(ECU)란 인간의 뇌와 같은 역할을 하는 장치로서 관련 소프트웨어들과 함께 센서에서 전달된 데이터들을 해석, 가장 적합한 솔루션을 판단하는 역할을 수행하며, MCU(Micro Control Unit), 디지털 신호 처리 장치(Digital Signal Processor, DSP), CAN(Controller Area Network) 트랜시버 등으로 구성된다.

최근 다양한 ADAS 기술이 동시에 적용되면서 차량에 탑재되고 있는 ECU의 숫자가 크게 늘고 있고, 다양한 센서와 시스들이 서로 복잡하게 연계됨에 따라 이를 통합적으로 제어할 수 있는 ECU의 중요성이 커지고 있다. 기존의 상용화되어 있는 ADAS 기술의 경우, 주로 단일 센서가 적용되고 주어진 상황이 비교적 단순하였기 때문에 ECU 기술을 구현이 상대적으로 수월했다. 그러나 보다 높은 자율주행 단계에서는 주변의 차량 및 장애물 등을 비롯한 보행자, 신호등, 교통 표지판 등 고려 대상이 많을 뿐만 아니라 다양한 돌발 상황이 발생할 수 있어 ECU의 종합 판단 및 제어 능력이 요구된다.

 

임베디드 소프트웨어

임베디드 소프트웨어란 차량에 내장된 소프트웨어란 의미로, 각 자율주행자동차 기술의 목적에 맞는 특수한 기능을 수행하도록 다양한 전장 장치들을 구동, 관리 및 제어해주는 역할을 한다.

자율주행자동차를 위한 임베디드 소프트웨어는 크게 ECU를 지원하는 운영체제 및 센서 네트워크를 위한 초소형 운영체제, 그래픽 시스템 및 메모리 파일 시스템과 데이터베이스 관리 시스템 등으로 구성된다.

자율주행자동차에 있어 소프트웨어의 오동작, 지연 및 작동 중지는 심각한 결과를 초래할 수 있기 때문에, 본 기술은 안전성과 관련하여 고도의 신뢰성이 요구된다.

자동차 임베디드 시스템 및 소프트웨어의 기술 혁신을 위하여, 전 세계 여러 완성차업체 및 부품업체들이 협력하여 차량용 소프트웨어 플랫폼인 *오토사(AUTomotive Open System ARchitecture, AUTOSAR)7)를 공동 개발하며 표준화를 진행하고 있다. 차량용 소프트웨어의 재사용성, 확장성 및 호환성을 개선하고, 자동차 생산비용 절감 및 새로운 자율주행자동차 기능 개발의 발판을 마련하는 것을 주요 목표로 한다.

*오토사(AUTomotive Open System ARchitecture, AUTOSAR)란? 개방형 자동차 표준 소프트웨어 구조로써, 복잡한 여러 전자 제어 시스템을 통합하고 표준화한 개방형 자동차 소프트웨어이다.

 

액추에이터

액추에이터란 인간의 손, 발과 같은 역할을 하는 장치로써, ECU의 명령에 따라 차량을 제어하며, 제동 장치 ABS (Anti-lock Braking System), 차체 자세 제어 장치 ESC (Electronic Stability Control), 조향 장치 MDPS (Motor Driven Power Steering), 액티브 에어백 및 안전벨트 등으로 구분된다.

액추에이터는 일반적으로 압축공기나 전기모터, 유압 등에 의해 작동하며, 미래의 자율 주행자동차의 경우 전기모터를 활용하는 액추에이터 부품이 크게 증가할 것으로 전망된다.

 

V2X

V2X란 자율주행자동차 및 도로 등의 인프라에 적용 가능한 모든 형태의 통신방식을 뜻하며, 신뢰성 있는 통신 기술을 사용하여 자율주행자동차 간 (Vehicle to Vehicle, V2V) 및 도로 인프라(Vehicle to Infrastructure, V2I)와의 주행정보 교환 등이 필수적이다.

각 자율주행자동차에서 수집한 그리고 인프라에서 지원되는 정보 공유를 통해, 도로 실제 상황 정보를 100%에 가깝게 반영함으로써, 안전성과 효율성을 극대화하는 것이 가능하다. V2X 기술을 통해 교통사고를 최대 80%까지 감소시킬 수 있을 것이라는 연구 결과가 있으며, 또한 본 기술을 통해 도로 위 위험 사항을 0.5초 전까지 경고해 줄 수 있을 경우 충돌 사고를 크게 예방할 수 있을 것으로 예상된다.

완전 자율주행자동차 기술 구현을 위해서는 센서의 제약조건을 보완할 수 있는 V2X의 개발이 크게 요구된다. 그 외에도 자동차-보행자 간 통신(V2P) 및 보다 높은 효율성을 위한 차량-네트워크 간 통신(V2N)의 필요성이 대두되고 있다.

 

참고자료

구글

국회도서관자료