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[오토저널] 실차 기반 자율주행 시뮬레이션 연구 동향

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2022-08-10 12:13:11

본문

2020년 국토교통부는 Lv.3 부분 자율주행차량의 양산 허가를 위한 안전기준을 세계최초로 제정하였고,1 곧 이어 Lv.4 자율주행차 제작 안전 가이드라인을 발표하여 자율주행 안전성 및 사회적 수용성을 높이기 위한 13개의 안전항목을 제시하였다.2

이처럼 정부 차원의 제도적 기반 마련이 활발히 이루어지고 있는 이유는 자율주행 단계 증가에 따른 차량사고의 책임 소재가 운전자가 아닌 차량에 있기 때문이다. 작동범위가 자동차 전용도로에 국한되었던 ADAS와 달리 도심로를 포함한 모든 도로에서 작동해야 하는 자율주행의 경우 다양한 위험 상황에 대한 대처가 필수적이다. 따라서 기존보다 엄격한 제도와 승인절차가 수반되어야만 자율주행차량을 이용하는 탑승자의 안전을 보장할 수 있다.

발전하는 자율주행시스템의 안전성을 평가하고 상용화를 승인하기 위해서는 기존 실차 평가(주행시험장 및 실도로)와는 달리 다양하고 복합적인 위험 상황에 대한 시뮬레이션 기반의 실차 평가가 필요하다. 평가를 위한 실제 환경 구현이 어려운 경우 이를 가상환경으로 구현하고 실차와 연동하는 실차 기반의 시뮬레이션(VILS : Vehicle-In-the-LoopSimulation)은 자율주행 시스템의 안전성을 확보하는 중요한 방법이 될 것이다. 

본 고에서는 실차 기반 시뮬레이션의 개념과 구성 그리고 국내·외 연구 사례 대해 살펴보고자 한다.


실차 기반 시뮬레이션(VILS)이란?
실차 기반 시뮬레이션(VILS)은 가상의 주변환경과 실제 차량을 연동한 시뮬레이션 방법으로 MILS, SILS, HILS와 같은 기존의 검증 방법과 달리 실차의 동특성을 반영한 평가가 가능하다. 또한, 주변 객체와 환경이 가상으로 표현되기 때문에 반복성과 재현성을 확보함과 동시에 충돌 사고에 대한 위험성을 크게 줄일 수 있다. 

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기존 바디 및 샤시제어시스템, ADAS의 경우 상용화 직전의 단계에서 실차 평가를 통한 안전성 검증이 가능했지만, 다양한 교통 및 위험 상황에 스스로 대응해야 하는 자율주행시스템의 경우 실차 평가에 어려움이 있다. 실차 평가를 위한 많은 외부 요인을 준비하더라도 특정 상황에 대한 반복재현성의 부재로 인해 정확한 평가가 불가능하다. 이러한 한계로 인해 VILS를 활용한 자율주행 차량의 평가는 국내외적으로 양산 과정에서 필수적인 요소로 주목받고 있다.

자율주행 시뮬레이션을 위한 VILS 환경은 가상 시뮬레이터, 검증차량, 통신 인터페이스, 정밀지도 총 4가지로 구성된다<그림 2>.

가상 시뮬레이터는 가상환경 모듈, 동기화 모듈을 포함한다. 가상환경 모듈은 가상의 주변 환경과 주행 시나리오 구현을 위한 교통 객체와 도로 모델을 제공한다. 동기화 모듈은 검증 차량의 위치와 자세를 가상환경 내에 동일하게 구현하고 이를 시각화하는 역할을 한다. 

검증 차량은 자율주행 ECU와 GNSS/IMU 장비, 대상 차량을 포함한다. 자율주행 ECU는 가상환경 정보를 활용하여 실제 차량을 제어하는 데 필요하며 실시간성을 확보하여야 한다. GNSS/-IMU 장비의 경우 가상 시뮬레이터 동기화 모듈에 필요한 차량의 거동 정보 계측을 위해 활용한다. 대상 차량은 자율주행 시스템을 적용하고자 하는 실제 차량을 의미하며 대상 차량은 주행시험로나 샤시 다이나모 위를 주행하게 된다.

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통신 인터페이스는 가상 시뮬레이터와 검증 차량 간 유기 적인 연동을 위한 통신 구조를 의미한다. 정밀지도는 cm 단위의 정밀한 위치와 도로 객체 속성 정보를 제공하는 전자지도이다. 정밀한 제어를 요구하는 높은 수준의 자율주행에서 정밀지도는 필수적이며 이를 기반으로 실제와 동일한 디지털 가상 주행 환경을 제작하여 다양한 도로를 대상으로 한 시나리오 구현이 가능하다.


국외 연구 동향
자율주행 시스템 개발 과정에서 VILS가 차지하는 비율과 중요성이 높아지고 있으며 해외 여러 기업에서 VILS를 적용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 독일 IPG Automotive는 자율주행 차량의 HIL 테스트와 실주행 테스트를 비교할 수 있는 VILS 기술을 상용화였으며, 테스트 운전자가 실제 차량을 주행하는 것과 동일한 상황을 모델링하고 운전자에게 증강 현실 영상을 재현하여 실제 차량을 이용하여 가상 환경의 테스트 시나리오 재현할 수 있는 기술을 구현하였다3 <그림 3>.

또한, 유로 NCAP 시나리오를 검증할 수 있는 VILS 평가 환경을 이용하여 차량 안정성 평가가 가능하도록 하였다. 이를 BMW, PSA와 같은 완성차 업체의 ADAS 기능에 적용하여 양산 차량의 성능 평가를 진행하였다.

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마찬가지로 독일 dSPACE 또한 가상 시뮬레이션 영역과 실제 차량 주행 영역의 동기화를 위해 충돌 위험이 높은 ADAS 및 자율주행 기능을 분석 및 검증하는 VILS 평가 시스템을 개발 및 상용화하였다.4 스페인 IDIADA는 ADAS와 자율주행 시스템 개발을 목적으로 VILS 검증 환경을 통해 가상 센서 데이터 주입에 따른 차량 거동, 가상 위험 요인 등에 대한 실험이 가능한 평가 시스템을 개발하였다. 추가적으로 자율주행 차량의 성능을 시험하기 위한 다수의 복합 교통 시나리오 제공하는 서비스를 진행 중이다.

중국의 포털 기업 바이두는 VILS를 활용하여 자사의 자율주행 플랫폼인 ‘아폴로(Apollo)’의 성능 테스트를 진행하였다. VILS를 활용한 극한 환경에서 진행한 시뮬레이션을 바탕으로 2020년 12월, 베이징 내 자율주행 도로 테스트를 통과하였다.


국내 연구 동향
우리나라도 해외 여러기업과 마찬가지로 연구 기관 및 기업에서 적극적으로 VILS를 활용한 연구를 진행하고 있다. 한국건설기술연구원은 도로안전성능 실증을 목적으로 VILS 환경을 기반으로 한 실차와 가상차량에 대한 상황 시나리오를 구성하고, 정상 기상과 악천후 기상조건에서의 실증 운전자와 가상주행 환경 간의 상호작용을 검토하는 연구를 진행하였다.

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현대모비스에서는 가상환경 시뮬레이션을 통해 실증 한계가 존재하는 시나리오에 대한 실험을 진행하였으며, 자동 긴급제동장치, 차선지원시스템과 관련된 시나리오를 사용해 VILS 환경에서 테스트함으로써 충돌 위험과 같은 실증 한계를 극복하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 정부 기관인 국토교통부와 교통안전공단의 주도하에 ‘실차 시뮬레이션 기반의 시스템 안전성 평가 기술’ 연구 과제를 2021년에 시작하였으며, 본 과제는 한국자동차안전연구원과 총 9개의 산·학·연 기관이 참여하고 있다. 본 과제를 통해 Lv.4 자율주행 시스템 평가 및 검증을 목표로 하는 VILS 평가 환경 구축 연구가 진행되고 있으며, 이를 국내 자율주행차 제작사, 부품사 및 대학 등 다양한 기관에서 활용 가능하도록 하는 것을 목표로 개발 중에 있다.

지금까지 실차 기반 시뮬레이션(VILS)의 특징 및 효과, 국내·외 연구 동향을 살펴보았다. 많은 연구에서 VILS를 활용한 자율주행 시스템의 개발 및 평가가 활발하게 이루어지고 있는 것을 볼 수 있었으며, 복잡하고 위험한 상황 시 자율주행 시스템의 안전성을 평가하기 위해선 VILS를 활용한 검증이 필수적이라는 것을 확인할 수 있었다.

국제 자율주행 안전기준 제·개정을 담당하는 UNECE WP.29 GRVA에서도 물리적 평가가 어려운 상황일 경우 시뮬레이션을 활용한 Lv.4 이상 자율주행차량의 안전성 평가 방안을 강조하고 있다.5 이로 미루어 볼 때 시뮬레이션을 기반으로 한 자율주행 시스템의 국내·외적인 평가 규제가 빠른 시일 내에 만들어 질 것으로 예상된다. 이처럼 점차 대두되고 있는 시뮬레이션의 중요성에 힘입어 실차의 동특성을 포함하고, 다양한 상황의 반복재현성을 보장하는 VILS 평가 기법은 완전 자율주행 양산 가속화에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.


글 / 박기홍 (국민대학교)
출처 / 오토저널 2022년 4월호 

<참고자료>
1. MOLIT(Ministry of Land. Infrastructure and Transport), World's First Partially Autonomous Vehicle (Level 3) Safety Standards Established, http://www.molit.go.kr/USR/NEWS/m_71/dtl.jsp?id=95083365, 2022.
2. MOLIT(Ministry of Land. Infrastructure and Transport), Level 4 Autonomous Vehicle Manufacturing Safety Guidelines, https://www.molit.go.kr/USR/policyData/m_34681/lst.jsp, 2022.
3. IPG Automotive, White Paper - The Vehicle-in-the-Loop Method, pp.1-13, 2021.
4. dSPACE, How to do Vehicle-in-the-Loop Simulation, https://www.dspace.com/en/pub/home/news/engineers-insights/blogvehicle-in-the-loop-im.cfm, 2022.
5. VMAD, New Assessment/Test Method for Automated Driving (NATM) Guidelines for Validating Automated Driving System (GRVA VMAD-24-03-rev3), pp.1-73, 2022​

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