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지능형자동차 인식시스템 개발동향

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2014-10-31 06:20:40

본문

1. 서론

2000년대 들어서면서 전자기술의 발전, 교통안전관련 법규의 강화, 그리고 소비자들의 요구로 인해 지능형시스템들의 차량 적용이 급속히 증대되고 있다. 단순히 운전시계를 확보해주는 전후방모니터링 카메라 시스템부터 차선이탈을 경보해주는 시스템, 앞 차와의 안전거리를 자동으로 확보해주는 시스템 등 운전자 안전/편의를 위한 다양한 형태의 ADAS(Advanced Driver Assistance System)가 적용되기 시작했다. 최근에는 전방추돌 위험 상황에서 자동으로 제동장치가 작동하여 추돌을 막아주거나 추돌피해를 경감시켜주는 적극적인 형태의 안전시스템이 적용되고 있으며 이는 센서인식 기술의 급속한 발전에 기인한다고 볼 수 있다. 또한 최근 자동차분야에서 관심거리로 부각된 자율주행으로 인해 인식기술에 대한 관심도도 한층 높아지고 있다.

글 / 엄재용 (현대기아연구개발본부)
출처 / 오토저널 8월호

지능형차량시스템의 일반적인 구성은 센서인식부분, 차량제어부분, 그리고 HMI(Human Machine Interface, 운전자가 시스템을 설정하거나 운전자에게 안내/경보해 주는 기능) 부분으로 크게 나누어 볼 수 있다. 본 고에서는 센서인식시스템의 개발동향에 대하여 살펴보고자 한다. 여기서 센서인식시스템이란 센서 부분과 ECU(Electronic Control Unit), 인식알고리즘의 결합체를 의미하며, 이들은 자동차 환경과 기능에
맞게 최적화 개발이 이루어져야 한다.

2. 주행환경인식

현재 ADAS 센서인식시스템은 레이더, 카메라 및 초음파센서가 중심이 되어 다양하게 상품화되고 있지만 이를 주도한 것은 카메라시스템이다. 레이더를 활용한 다양한 안전/편의 기능은 오래전부터 개발되어 왔지만 가격적인 측면에서 실용화에 부담이 되었고, 초음파 센서는 가격적인 면에서 이점이 있지만 검지범위나 성능면에서 타센서 대비 취약하였다. 상대적으로 가격부담이 적으면서 검지범위나 성능면에서 일정 부분을
커버할 수 있는 카메라시스템은 전후방 모니터링과 같은 간단한 시계보조 기능에서 소비자들을 만족시키면서 차량용 카메라 기술 발전에 도화선이 되었다. 현재는 차선인식, 야간광원인식, 차량인식, 교통표지판인식, 보행자인식 기술 등이 개발되어 보다 복잡하고 다양한 형태의 지능형자동차 인식시스템으로 자리매김하였을 뿐만 아니라 레이더나 초음파센서 시스템과도 효율적으로 결합되어 ADAS 전반에 걸친 상품화에 선도
적 역할을 하게 되었다.

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레이더를 기반으로 하는 ADAS 시스템도 다양한 형태로 개발되어 왔으나 가격에 대한 부담으로 채택율은 기대에 못 미쳤지만, 후측방경보 시스템에 대한 소비자 선호도 증대와 최근 유럽 및 북미의 NCAP(New Car Assessment Program) 안전등급평가규정 강화에 따른 AEB(Autonomous Emergency Braking) 적용이 레이더시스템 적용 증대의 실질적인 계기가 되었다.

2.1 AEB 적용을 위한 센서인식기술 개발의 변화

차량추돌회피를 위한 필요성은 오래 전부터 대두되었고 연구되어 왔으며, 또한 최근 스마트폰을 사용하는 보행자 증대로 보행자에 대한 안전운전 필요성도 더욱 증대되고 있는 상황이다. 하지만 그간 AEB를 상품화하기엔 센서인식기술이 충분치 못하였으나, 유로 NCAP 규정 강화가 센서인식기술의 발전과 변화를 촉진하는 계기가 되었고 그 대표적인 기술이 센서퓨전 기술과 스테레오 비전 기술이다.

AEB 적용이 급속히 확산되면서 레이더 및 카메라 인식기술도 한층 발전되고 있고 상품화되고 있지만 소비자에게 보다 신뢰성 있는 안전상품을 제공하여야 한다는 측면에서 레이더/카메라 센서퓨전 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 센서퓨전은 각각의 센서가 가지고 있는 장점을 효과적으로 결합함으로써 단점을 극복할 수 있게 된다. 만약 전방카메라가 다른 목적으로 이미 차량에 장착되어 있다면 기존의 카메라 정보를 활용하는 레이더/카메라 센서퓨전 효과는 더욱 증대될 것이다.

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또한 최고 성능의 레이더를 사용해도 극복하기 어려운 문제들이 저사양 레이더를 사용해서도 센서퓨전기술을 적용함으로써 보완될 수 있다. 한편 센서퓨전의 혜택을 누리기 위해서는 각각에 대한 Fail-safe 성능을 확보하여 각 센서시스템의 오작동이 서로간에 영향을 주지 않도록 보다 철저한 강건설계가 필요하다.

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스테레오 비전기술은 두개의 카메라 영상정보로부터 만들어진 Disparity Map을 기반으로 3차원 정보를 추출하여 단안카메라 대비, 보다 정확하고 신뢰성 있는 물체정보를 추정하는 기술이다. 이와 같은 기술은 이미 오래전부터 개발되어 왔으나 최근 차량 주
행환경이라는 조건을 만족시키기 위하여 소형화, 장착성 및 실시간성 확보, 특히 보행자인식 성능 확보를 위한 기술개발이 한창이다.

스테레오 비전 기술은 센서퓨전 대비 저가격이 될 것으로 전망되지만 레이더가 갖고 있는 원거리 인식성능을 갖고 있지 못하므로 어떤 기능을 타겟으로 센서인식시스템을 갖출 것인지가 종합적으로 검토되어야 한다.

3. 운전자 상태 모니터링

자동차업계는 차량 충돌사고 가능성을 판단하기 위하여 주행환경 인식기술 개발에 대부분의 노력을 기울이고 있지만, 졸음/피로/부주의/음주/건강상태 등 운전자의 상태를 알 수 있다면 미연에 사고를 방지할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다. 아래 도표에서 보여주듯이 상당부분의 대형교통사고 원인은 졸음, 부주의, 음주 등 비정상적
인 운전자 상태에 기인한다. 특히 최근 운전중 스마트폰 사용자가 증가함에 따라 운전자상태 감시의 필요성이 더욱 증대되고 있다.

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카메라를 기반으로 운전자의 얼굴을 직접 모니터링하는 것이 운전자의 졸음이나 부주의상태를 가장 정확하게 판단할 수 있는 방법이다. 그러나 졸음이나 부주의 자체가 사람에 따라 주관적인 요소이기 때문에 판단 결과에 불확실성이 존재하며, 따라서 소비자가 비용을 지불할 가치를 제공하기 위해서는 불확실성을 최소화하기 위한 추가적인 노력이 필요하다.

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최근 들어 주행데이터 분석만을 통하여 운전자 상태를 판단하고 경보하는 기능들이 적극 적용되고 있다. 전방카메라의 차선인식 데이터와 차량신호(가속/제동, 조향각, 조향토크 등)를 분석하여 운전자의 부주의상태를 추정하기 때문에 운전자 모니터링 카메라를 사용하는 비용적 부담을 줄일 수 있지만 운전자상태 추정성능에 있어서는 한계가 있을 수 밖에 없다.

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뇌파, 심전도, 혈류량 측정 등 다양한 생체신호를 바탕으로 한 운전자상태 모니터링 기술도 개발되어 왔다. 이러한 기술들은 기존의 의학기술에 기반하고 있으므로 차량의 노이즈 환경에서 적절히 작동하는데는 어려움이 있으며 향후 해결해야 할 과제이다. 또한 웨어러블 디바이스 보급이 확산될 경우 웨어러블 디바이스에 장착된 센서를 기반으로한 운전자상태 추정기술도 기대해 볼 수 있다. 한편 음주운전을 제한하기 위하여 적외선을 이용한 혈중알코올 농도 측정 연구도 활발히 진행되고 있으며, 호기식 측정방식은 이미 스웨덴, 일본 등지에서 법규화가 적용되어 있다.

4. 융합시스템

자동차가 지능화되면서 다양한 형태의 정보 Source가 계속해서 더해지고 있으며, 차량 외부의 정보도 연결가능한 형태로 개발되고 있다. 과거에 생각했던 융합은 센서퓨전과 같이 ADAS 센서정보들을 결합하여 성능과 상품성을 개선하는 개념이었다면, 이제는 ADAS 시스템 외부의 다양한 정보도 적극 활용하여 소비자에게 보다 나은 가치를 제공하는 개념으로 발전되고 있다.

4.1 지도기반 시스템

내비게이션 시스템 보급이 확대되면서 도로맵이나 인프라에 대한 지도정보를 이용하는 지능형차량 개발이 점차 활기를 띠고 있다. 특히 ADAS 맵이라는 형태로 내비게이션 맵이 발전되면서 정확한 3차원 도로정보 및 교차로/진출입로 정보, 제한속도, 신호등위치, 스쿨존, One-way 등 다양한 정보 제공이 가능해졌으며, 이를 활용해 운전자에게 더 큰 가치를 제공해 줄 수 있는 지능형차량 개발이 가능하게 되었다. 급커브구간을 미리 인지하여 자동감속을 해주거나, 터널 진입전에 헤드램프를 점등시켜 주는 등 안전/편의 관련 활용분야는 매우 다양하며, 이러한 융합기술들은 자율주행 기술 개발에도 유용하게 사용될 수 있다.

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에너지효율을 높이고 탄소가스 배출량을 줄이려는 노력은 자동차업계에서 가장 심혈을 기울이고 있는 분야로써, 도로구배에 따른 배터리 충방전을 최적제어하는 에코드라이빙 기술에도 활용될 수 있다.

4.2 V2X 시스템

자동차 전용 통신기술을 바탕으로 주행안전성 및 편의성 증대를 위한 노력은 2000년대 들어서면서 지속적으로 연구되어 왔다. 레이더나 카메라 등 기존의 ADAS 센서 검지영역을 벗어나는 지역에서 발생하는 위험상황을 인지할 수 있기 때문에 최근 안전에 대한 요구가 증대하면서 관심이 고조되고 있다. V2V (Vehicle-to-Vehicle) 시스템으로는 급브레이크 경보, 교차로지원, 서행 및 정지차량 경보, 응급차량경보, 사고/도로공사 경보 등이 있으며, V2I(Vehicle-to-Infrastructure) 시스템으로는 교통신호정보, 날씨/도로정보, 노면상태/도로장애물정보 제공 및 IC/JC 합류지원 등이 있다. 북미에서는 2010년부터 NHTSA 주관하에 CAMP 컨소시엄을 중심으로 다양한 연구가 진행되었고, 2014년 2월 V2V 법규화 계획을 발표하였다.

유럽에서는 C2C-CC 컨소시엄을 중심으로 2016년 V2X 시스템 상용화를 목표로 한 DAY1 어플리케이션 개발에 박차를 가하고 있으며, 우리나라도 그간의 연구결과를 기초로 C-ITS 시범사업(2014~2016)을 계획 중 에 있다.

V2X 시스템 활성화의 기본요소는 단말기 보급이므로 단말기 보급을 유도하기 위하여 소비자들에게 어필할 수 있는 서비스가 무엇인지를 고민하여야 한다. 단말기의 점진적인 보급을 고려해 볼 때 V2V 어플리케이션보다는 소비자에게 즉시 혜택이 돌아가는 V2I 기반의 DAY1 서비스가 우선적으로 적용되어야 한다. 또한 고속도로를 중심으로 기 구축되어 있는 DSRC 인프라를 활용한 서비스 개발에도 노력하여야 한다. 현재는 하이패스(통행료징수) 서비스만이 활성화되어 있지만 추가적인 서비스가 개발 적용될 경우 V2X 단말기 보급을 가속화시킴은 물론, 향후 WAVE 기반의 V2X 서비스를 실용화/발전시킬 수 있는 토대가 될 것으로 전망된다.

V2X 시스템의 실용화를 위하여 몇가지 선결되어야 할 과제가 있다. 자동차 시장의 글로벌화가 일반화되어 있는 상황에서 지역간(북미-유럽-아시아) 통신/어플리케이션 사양 표준화를 위한 Harmonization, 주파수 간섭을 피하기 위한 전용주파수 할당, 운전자 프라이버시 및 데이터보안 등의 문제가 그것이다.

V2X보다 광의의 개념으로 자동차가 차내의 통신모듈 뿐만 아니라 스마트폰 등을 통해 외부 차량이나 인프라와 정보를 주고 받으면서 운전자에게 안전/편의 기능을 제공하는 커넥티드카에 대한 연구도 최근 활발히 진행되고 있다. 스마트폰은 기존의 모바일 통신망을 사용하기 때문에 추가적인 인프라 투자 부담은 없지만, 통신이 끊기거나 지연 발생이 우려되므로 안전 어플리케이션보다는 편의/인포테인먼트 기능 위주로 우선 전개되리라 예상된다.

또한 범용통신매체를 사용한다는 점에서 자동차의 안전을 해칠 수도 있는 해킹에 대한 대비가 더욱 완벽하게 이루어져야 하며, 이를 위하여 커넥티드카 관련 보안 및 기술표준을 위한 관련 업체 및 유관 정부부처간의 긴밀한 협력이 요구된다. 커넥티드카 기술은 향후 클라우드 컴퓨팅 기반의 서비스나 빅데이터 분석을 통한 고객가치 증대에도 기여할 것으로 기대된다.

5. 결론

ADAS 시스템 기술의 핵심은 레이더, 카메라 등 고사양 센서를 기반으로 하는 센서인식 기술이다. 센서성능은 날로 발전하고 있고 소형화/저가화 되고 있으며, 센서구성 아키텍처는 날로 복잡해지고 있는 상황에서 진정으로 소비자 가치를 증대시키기 위한 시스템은 무엇인가에 대한 진지한 고민이 필요하다. 또한 효율적인 개발을 통하여 시스템 가격을 낮춤으로써 안전시스템 보급에도 노력하여야 한다. 이를 위하여 하드웨어
부터 소프트웨어까지 전 개발과정에서의 최적화가 필요하다. 카메라시스템의 경우 렌즈, 이미지셀, ISP 최적화, 카메라제어, 검출알고리즘, 경보알고리즘, 실시간성을 위한 영상플랫폼 개발 등에서 최적화가 이루어져야 하며, 품질을 확보하기 위하여 소프트웨어에 대한 무결성이 요구되고 있다.

복잡해지는 센서인식시스템의 아키텍처 최적화도 반드시 필요한 부분이다. 원가절감을 위한 노력뿐만 아니라, 센서퓨전, Fail-Safe 성능, 개발효율성, 정비성, 향후 자율주행까지의 확장성도 고려된 최적화가 이루어져야 한다. 소프트웨어를 센서유니트에 포함시킬지 아니면 별도 ECU에 위치시킬지 여부를 결정하는 일부터, 어떤 형태의 ECU 플랫폼으로 개발해 나갈지 등에 대하여 토탈코스트 관점에서 면밀한 장단점 분석이 필요하다. 다양한 사양의 DSP와 H/W 엔진, FPGA 적용, ASIC화 개발 등을 포함하는 최적 아키텍처 결정은 급속도로 변화하고 발전하는 전자기술로 인해 쉽지 않은 일이다.

최근 우후죽순처럼 각 부품사들로부터 소개되어지는 인식시스템들은 모두 가격경쟁력을 갖춘 고사양 제품들로 소개되지만, 자동차업체들은 최신기술 적용에 따른 브랜드 기술이미지 제고와 신뢰성 있는 안전품질제공이라는 두마리 토끼를 잡기 위하여 신중한 판단을 하여야 한다. 한편 지능형시스템에 대한 과도한 신뢰에 따른 방심운전은 결코 안된다는 사회적 공감대 또한 요구된다.
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