스마트 자동차의 통합안전제어기술

1. 서론
자동차 기술 개발에 있어서 에너지 문제와 함께 핵심 키워드는‘안전하고 편리한 차세대 자동차’이다. 예전부터 자동차 업계는 사고 시 운전자를 보호하기 위하여 많은 연구를 진행해 왔으며, 차량 내 운전자 편의장치를 개발, 도입해 왔다. 그리고 최근에 능동 제어 장치가 도입, 차량이 능동적으로 주위 상황에 대처하는‘스마트 자동차(Smart Vehicle)’의 개발이 가속화되고 있다. 스마트 자동차는 기존 자동차에 위험 상황에서 사고를 회피 또는 사고 충격을 경감시켜주는 능동안전(Active Safety) 시스템과 운전자의 가/감속 입력 등을 대신하여 운전자의 운전 부하를 감소시켜 주고 편의성을 증대시켜 주는 운전자 지원(Driver Assistance) 시스템이 장착, 보다‘안전하고 편리한 차세대 자동차’를 현실화 시켜 나가고 있다.

글 / 이경수, 최재웅 (서울대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 6월호

<그림 1>에서 확인할 수 있듯이, 우리나라 1일 평균 교통사고 발생건수는 2010년 621.6건 , 2007년 579.9건, 2004년 604.8건 , 2001년 713.9건으로 이 수는 큰 변동 없이 유지되고 있다. 자동차 수의 증가를 고려하면 사고율은 감소하고 있지만 최근에는 그 감소율이 둔화되고 있음을 확인할 수 있다. 하지만 <그림 2>에서 확인 가능 하듯이 사고 수가 유지되고 있음에도 1일 평균 사망자수는 감소하고 있다.

이러한 사망률의 감소는 수동안전(Passive Safety) 시스템의 발전에 기인한 것으로 보인다. 에어백(Airbag), 안전벨트(Seat Belt) 등으로 대표되는 수동안전 시스템은 사고 발생 시 피해를 감소시켜 주는 기술을 의미한다.

미국에서의 자동차 사고로 인한 사망자수 추이는 <그림 3>과 같다. 차량의 주행 거리는 증가 추세를 보이고 있지만, 사망자수는 수동안전(Passive Safety) 기술의 발전으로 인하여 큰 증가를 보이지 않았다. 허나 약 4만 명의 사망자를 2000년대 중반까지 유지해왔다. 하지만 2000년대 중반 이후 사고를 방지하는 능동안전(Active Safety) 기술을 선보였고, 능동안전 기술과 수동안전 기술의 조합을 통하여 사고 피해를 줄여나가 2010년 약 3만 명 정도로 사고 사망자를 줄이는 것에 성공했다.

수동안전 시스템의 개발로 인하여 국내 사망자수의 감소 역시 나타나고 있지만, 외국의 예에서 확인 가능하듯이 능동안전 기술의 적극적인 적용으로 사고 자체를 회피함으로써 사망자수의 비약적인 감소를 가져올수 있을 것으로 보인다.

특히 <그림 4>에서 확인 가능하듯이 노인 운전자 교통 사고는 그 수와 점유율에 있어서 지난 10년간 지속적으로 상승하고 있다. 또한 노인 운전자의 경우는 사고 위험 상황에서 빠른 반사 신경을 보이기 어렵고, 사고 시에 그 위험성도 더 크다. 때문에 능동안전 시스템, 운전자 지원 시스템의 장착이 해법으로 제시되고 있다.

각국의 사고 유형은 <그림 5>와 같다. 국내의 사고 유형을 외국과 비교할 때 차량 단독 주행 중 사고율이 낮으며, 후방 추돌 사고의 비율이 높은 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 국내에서는 현재 보급률이 높은 전자식 안정성 제어(ESC, Electronic Stability Control) 기술보다, 현재 활발하게 연구가 진행 중이며 추후 보급률이 높아질 것으로 예상되는 자동 제동(AEBS, Automatic Emergency Braking System) 등의 기술에 의한 사고 감소 효과가 더 클 것으로 예상할 수 있다.

2. 스마트 자동차 안전 기술
사고 유형은 <그림 6>에서 보듯이 크게 주행 중 차량간 종 방향 충돌, 주행 중 횡 방향 충돌, 교차로 사고, 차량 미끄러짐 등 조작 불능 상태, 후진 중 충돌 등으로 구분할 수 있다.

종 방향 충돌의 경우에 있어서는 주행 중 추돌 사고가 가장 큰 비중을 차지한다. 운전자가 부주의 등 기타 요인에 의하여 전방 차량, 장애물, 보행자 등의 출현으로 인한 감속이 요구되는 상황에서 적절한 감속을 하지 못한 경우가 많다. 이런 경우에 능동안전 시스템 중 추돌 상황에서 제동을 통하여 추돌 속도를 감소시켜 그 피해를 경감하는 사고 피해 경감(PCS, Pre-Crash Safety) 시스템과 전방 충돌 위험 경보 시스템(FVCWS, Forward Vehicle Collision Warning System)이 개발, 보급되고 있다. 최근에는 저속 상황에서 사고를 완전히 회피할 수 있는 긴급 상황 자동 제동 시스템 (AEBS, Automatic Emergency Braking System) 이 개발∙보급되고 있다. 볼보(Volvo)의‘시티 세이프티’(City Safety), 닛산의 전면 추돌 방지 시스템(Forward Collision Avoidance Assist) 등이 이에 해당하며, 더 고속에서도 추돌 사고 회피를 위한 기술 개발이 진행 중이다.

종 방향 운전지원 시스템인 지능형 순항 제어(SCC, Smart Cruse Control) 또한 종 방향 충돌 사고 예방 효과가 있다. 이 시스템은 운전자를 대신하여 선행 차량과의 거리 및 속도를 측정하여 선행 차량과 적절한 거리를 자동으로 유지한다. 이 시스템은 운전자의 운전 부담을 경감시켜 주며, 동시에 위험 경감의 효과도 있다. 지능형 순항 제어는 모든 속도 영역과 도로 환경으로 그 적용이 확대되고 있다.

횡 방향 충돌의 경우에는 차선 변경 중 사고가 가장 높은 비중을 차지한다. 차선 변경 중 접근 차량을 인지하지 못하여 사고가 나는 경우이다. 사각에서 위험 차량이 접근할 경우, 사각 인지 경보(BSW, Blind Spot Warning) 시스템은 사각에서 접근하는 차량을 인지, 운전자에게 경보를 한다. 횡 방향 충돌의 또 다른 유형으로 의도치 않은 차선 이탈 사고가 높은 비중을 차지한다. 운전자가 졸음, 부주의 등으로 차선을 이탈하게 되어 사고가 나는 경우이다. 운전자가 의도 하지 않은 차선 이탈이 일어날 경우, 차선 이탈 경고 시스템 (LDWS, Lane Departure Warning System)이 작동하여 운전자에게 경보를 주게 된다. 최근에는 차선 이탈을 능동적으로 방지하는 차선 이탈 방지 시스템(LDPS, Lane Departure Prevention System)과 차선 유지 보조 시스템(LKAS, Lane Keeping Assistance System) 등이 개발 보급되고 있다.

차량의 주행 중 조작 불능 상태에 이르게 되어 일어나는 사고는 차량의 안정성 확보와 크게 연관되어 있다. 미끄러운 노면을 주행 중에 일반적인 노면과 같은 조작을 가하게 되면 차량이 지면 위에서 미끄러지면서안정성을 잃는다. 이러한 현상을 방지하고 안정성을 확보하기 위하여 전자식 안정성 제어(ESC, Electronic Stability Control) 기술이 적용되고 있다. 이는 차량의 차등 제동을 활용하여 차량의 오버스티어 (Oversteer), 언더스티어(Understeer) 현상을 방지하는 기술이다. 이 외에도 능동 조향 시스템(AFS, Active Front Steering), 가변 감쇠 제어 (CDC, Continuous Damping Control) 등 다양한 차량 섀시 제어시스템이 개발, 적용되고 있다.

후진 중 사고는 주차 보조 시스템과 밀접하게 연관된다. 운전자가 주차 중 사고를 일으키는 경우가 많기때문에 주차의 운전자 보조 시스템인 주차 조향 보조 시스템(SPAS, Smart Parking Assist System)이 적용되었다. 이 시스템은 주차 중에 조향 조작을 자동화하여 주차 시 운전 부하를 감소시켜, 주차 중 사고 가능성을 낮춰준다.

교차로 사고의 경우는 다른 사고 경우보다 더 복합적인 요인이 작용하는 경우가 많아 차량 자체에 장착한 외부 인지 센서들로는 상황을 정확히 인식, 대처하기 어렵다. 하지만 차량간 통신(V2V, Vehicle-to-Vehicle Communication), 차량-인프라간 통신(V2I, Vehicle-to-Infra Communication) 기술의 발달로 이를 이용한 교차로 사고 방지 기술이 개발되고 있다. 통신 기술의 발전과 적용으로 차량 장착 센서로는 검지가 어려운 전방 위험 상황, 교차로 위험 상황 등을 인식할 수 있게 되었으며, 이를 응용하여 위험 상황에 대처하는 연구들이 선진업체들을 중심으로 진행 중에 있다. 2011년 미국 교통성에서는 6개 도시의 차량간 통신 기반 안전 시스템의 시험 적용 프로젝트를 시작하였다.

3. 스마트 자동차 통합 안전 제어 기술
‘안전하고 편리한 자동차’의 개발을 위하여 여러 능동안전 시스템과 운전자 지원 시스템이 개발되었다. 위에서 언급한 여러 시스템을 차량에 적용시키기 위하여 차량용 ECU(Electronic Control Unit)를 비롯하여, 레이더 센서, 카메라, 초음파 센서 등 외부 센서 시스템을 장착하고, 전동식 파워 스티어링(MDPS, Motor Driven Power Steering), 차등 제동 시스템(Differential Braking System), 반 능동 서스펜션 시스
템(Semi-Active Suspension) 등 액추에이터 (Actuator) 시스템이 탑재되었다.

이와 같은 시스템은 앞에서 서술된 시스템 개별 기능의 구현을 위하여 장착되었다. 하지만 이와 같은 구조에서는 <그림 8-(a)>와 같이 상황 판단과 액추에이터의 제어량 결정이 개별적으로 이루어지게 된다. 이 과정에서 시스템간 충돌이 일어날 여지가 있다. 앞으로 더 많은 기능들이 개발, 구현될수록 이러한 문제는 심화될 것으로 보인다.

따라서 차세대‘스마트 자동차’는 능동안전 기능과 운전자 지원 기능들을 통합하여 충돌의 여지를 제거하고, 동시에 개별센서, 액추에이터 시스템의 협력으로 기능 향상 및 신기능 구현을 도모하고 있다.

통합 안전 제어 시스템은 인지, 판단, 제어 기술로 구분된다. 레이더, 카메라, 초음파 센서 등의 외부 센서 시스템의 정보를 통합하여 전방, 측방, 차선, 노면 상태 등 외부 환경 요인을 통합 인지한다. 통합된 인지 정보를 바탕으로 현재 전방 및 측방 충돌 위험, 차량 안정성, 차선 이탈 위험 등과 현재 운전자 상태를 인식하여 통합적으로 현재 상황을 판단한다. 다음 단계에서는 통합적으로 주변 위험을 인지하여 위험을 회피하기 위한 차량의 목표 거동을 결정한다. 제어 단계에서는 차량의 목표 속도, 횡 방향 거동 등이 결정되면, 그 목표 거동을 추종하기 위하여 모든 엑추에이터의 제어량을 결정한다.

최근에는 센서 기술과 차량간 그리고 차량-인프라간 통신 기술의 발전으로 인지 영역이 확장됨에 따라서 고속도로 자율 주행(Highway Autonomous Vehicle), 커넥티드 스마트 자동차(Connected Smart Vehicle), 충돌 안전 자동차(Crash-Free Vehicle) 등의 개발이 가속화되고 있으며, 나아가서는 준 자율 주행 차량(Semi-Autonomous Vehicle), 그리고 완전 자율 주행 차량(Autonomous Vehicle)의 개발도 진행되고 있다.

4. 결론
스마트 자동차(Smart Vehicle)는‘안전하고 편리한 자동차’의 요구에 대한 기술적 대답이다. 이를 실현시키기 위해서는 다양한 센서 신호를 종합하여 현재 상황에 대한 보다 정확한 정보를 산출해내는 통합 인지기술, 현재 정보를 종합하여 운전자 상태와 외부 차량과의 충돌 가능성 등 위험 정도를 판단하고 통합 제어기의 개입 여부를 판단하는 통합 판단 기술, 그리고 충돌을 비롯한 위험 상황을 회피하기 위하여 운전자를 보조, 또는 능동적으로 개입하는 제어 기술의 개발이 필요하다. 이외에 통합 제어 알고리즘 구현 기술과 센서, 제어기, 엑추에이터의 고장을 진단하고 대응하는 고장 안전(Fail-Safe)기술 등 기반 기술들의 확보가 필요하다.

스마트 자동차 분야의 선도기술을 확보하는 것이 향후 자동차 산업 경쟁력 확보에 중요한 요소가 될 것으로 보인다. 따라서 산업체-대학-연구소 간의 산학연 협력 관계의 구축을 통하여 국내 독자 기술 확보와 우수 인력 양성이 앞으로 필요할 것으로 보인다.