2018년 우버 자율주행차 사고 이후, 눈, 비, 안개 등 안 좋은 날씨 조건에서도 자율주행이 가능하도록 하기 위해서 고성능 센서에 대한 관심이 높아지고 있다. 카메라와 라이다 센서는 안 좋은 날씨 조건에서 인식 성능이 크게 떨어지는 단점이 있다.1

이 때문에 4D 이미징 레이더의 적용이 주요 업체들에게 핵심 이슈가 되고 있다.1, 4-7, 9 4D 이미징 레이더는 전파를 사용하여 날씨 조건에 강인하고, 물체의 대략적인 형상을 인식할 수 있기 때문에 최근 주요 업체들의 자율주행에서 적용이 확대되고 있는 상황이다. 본 고에서는 4D 이미징 레이더의 적용과 발전 방향을 정리해 본다.

레이더 센서는 전파를 발생시킨 후 반사되는 파형을 분석한다. 빛을 이용하는 카메라, 라이다에 비해서 전파를 이용하기 때문에 날씨 조건이나 이물질 등에 강한 장점이 있다. 비나 눈이 올 때, 이물질이 묻었을 때 등 카메라나 라이다의 동작이 어려운 경우에도 레이더 센서는 어느 정도 성능을 낼 수 있다.1

 레이더 센서를 이용하면 주행하고 있는 차량의 속도를 쉽게 얻을 수 있는 것도 장점이다. 레이더 센서의 단점으로는 해상도가 매우 낮다는 점을 들 수 있다. 현재 차량에 장착된 레이더 센서의 성능은 객체 인식 측면에서 물체의 유무만을 판정할 수 있는 수준이다. 지난 2015년에는 레이더 기반 자동긴급제동장치(AEB)가 가드레일이나 금속 캔을 차량으로 오인식할 가능성이 있다는 이유로 대대적인 리콜이 진행되기도 했다.2

2018년 우버 자율주행 사고에서도 AEB 기능을 꺼놓은 점이 문제가 되기도 했으며, 테슬라는 레이더를 뺀 차량을 내놓은 이유로 같은 이유를 들기도 했다.3 최근에는 4D 이미징 레이더가 자율주행 핵심 센서로 떠오르고 있다. 4D 이미징 레이더는 전파를 송수신하는 안테나를 수평, 수직으로 배치하여 물체의 대략적인 모양을 인식할 수 있도록 하는 레이더 센서이다. 일반적으로 4D 이미징 레이더에서 4D의 의미는 보통 3차원 객체 인식에 더하여 객체의 속도를 인식할 수 있다는 것을 가리킨다.1, 4, 5 아직 해상도가 라이다에 비해서 많이 낮기는 하지만, 객체의 3D 포인트 클라우드 정보와 속도 정보를 얻을 수 있다. 기존 레이더 센서가 물체의 유무만을 판단할 수 있었다면, 4D 이미징 레이더는 대략적인 모양을 얻을 수 있는 장점이 있다. 4D 이미징 레이더를 적용할 경우 기존 레이더의 오인식 가능성을 크게 낮출 수 있는 장점과, 카메라나 라이다 센서에 비해서 날씨 조건에 강인한 장점이 있어서 인식 성능 향상과 사고 방지에 중요한 역할을 하게 될 것으로 전망된다. 또한, 대량 양산 시에 라이다 센서에 비해 가격이 저렴한 점도 장점으로 꼽힌다.

CES 2022에서는 마그나, NXP, 바야, 알비 등을 비롯해서 우리나라의 스마트레이더시스템, 비트센싱 등 여러 업체들이 4D 이미징 레이더를 전시했다. 마그나의 4D 이미징 레이더인 아이콘 레이더는 CES 2022에서 최고혁신상을 수상했다. 미국 캘리포니아의 전기차업체인 피스커는 5개의 아이콘 레이더를 적용한 전기차를 본격적으로 양산할 계획이다. 피스커와 마그나는 4D 이미징 레이더의 적용으로 차량 주행 안전성을 크게 높일 수 있을 것으로 전망했다. CES 2022에서 모빌아이는 4D 이미징 레이더를 통한 자율주행 안전성을 강조하기도 했다. 이처럼, 4D 이미징 레이더의 본격적인 적용은 자율주행 안전성을 높일 수 있을 것으로 보인다.

4D 이미징 레이더는 물체의 대략적인 모양을 인식할 수 있기 때문에 차량 내 사용자 인식이나 스마트홈의 사용자 관리에도 이용되고 있다. 우리나라의 스마트레이더시스템은 차량용 4D 이미징 레이더와 함께 현재 국내 병원에 공급하는 4D 이미징 레이더 시스템을 선보이기도 했다.

구글 웨이모는 2020년 3월 5세대 자율주행 센서 시스템을 발표하면서 4D 이미징 레이더를 도입했다. 당시 웨이모는 안 좋은 날씨 조건에서 4D 이미징 레이더를 이용해서 차량을 빠르게 인식할 수 있다고 밝혔다. 또한, 3D 포인트 클라우드를 이용해서 수백미터에서 오토바이의 인식이 가능하여 안전성을 높일 수 있다고 밝혔다. 

2020년 10월 고속도로와 도심 주행이 가능한 테슬라의 FSD V8 발표 이후, 웨이모의 입지가 약해진 게 사실이다. 이후 웨이모는 블로그 발표를 통해서 고성능 센서를 이용한 안전성 제고를 강조하고 있다. 2021년 8월 발표에서는 라이다와 더불어, 4D 이미징 레이더를 강조한 점도 눈에 띈다. 웨이모는 악천후와 열악한 조명 조건에서 라이다와 4D 이미징 레이더를 조합한 5세대 자율주행 센서 시스템이 자율주행 안전성을 크게 높여준다고 밝혔다.6

특히, 4D 이미징 레이더는 악천후에서의 객체인식, 안개 상황에서의 객체인식, 갑자기 튀어나오는 보행자 인식 등에서 큰 장점을 가질 수 있다고 설명했다. 카메라 전용 시스템이 어려움을 겪을 수 있는 상황을 극복할 수 있다는 설명이다. 2021년 11월 발표에서는 카메라와 라이다로는 어려운 안개 상황에서 4D 이미징 레이더를 이용하여 차량을 효과적으로 인식할 수 있음을 보였다.7

엔비디아와 모빌아이도 자율주행을 위해서 4D 이미징 레이더를 강화하고 있다. 엔비디아는 지난 3월 GTC 2022에서 레벨 4 수준의 자율주행 플랫폼인 하이페리온 9에서 4D 이미징 레이더를 대대적으로 확장한다고 밝혔다. 기존 하이페리온 8에서는 전면 1개의 4D 이미징 레이더를 적용했으나, 하이페리온 9에서는 4D 이미징 레이더를 크게 확장하여 측면, 후면을 포함하여 360도 인식이 가능하도록 했다.8

모빌아이는 4D 이미징 레이더를 직접 설계하여 내재화를 추진하고 있다. 모빌아이는 앞으로 레벨 4 진화를 위해서 4D 이미징 레이더가 안전성 제고에 크게 기여할 수 있을 것이라고 밝혔다.

4D 이미징 레이더 개발업체인 우리나라의 스마트레이더 시스템은 현재 4D 이미징 레이더, 카메라, 라이다, GPS 센서를 장착한 데이터 수집 차량을 운행하고 있다. 또한, 서울대학교 차량동역학 및 제어 연구실(지도교수 이경수)과 협력하여 4D 이미징 레이더를 적용한 자율주행차량을 테스트하는 중이다. 스마트레이더시스템은 시장조사기관인 욜(Yole)의 2019년 보고서에서 상용화 관점에서 세계 최고 수준의 기술력을 보유하고 있다고 평가된 바 있다. 스마트레이더시스템은 4D 이미징 레이더와 기존 자율주행 센서의 융합을 통해서 자율주행의 인식 성능과 안전성을 높일 수 있음을 보였다.9

중국의 G-PAL은 4D 이미징 레이더를 중심으로 한 자율주행차량을 발표하기도 했다. 라이다 센서 없이 카메라와 4D 이미징 레이더를 중심으로 구현하였으며 중국 상하이 자동차와 협력하여 2023년부터 상대적으로 저렴한 자율주행차의 상용화를 목표로 하고 있다.

CES 2022 모빌아이 발표에서는 4D 이미징 레이더의 장점이 크게 부각되기도 했다. 이 때문에 카메라와 4D 이미징 레이더를 조합한 저가형 자율주행차량의 가능성이 제기되기도 했다. 아직 4D 이미징 레이더의 해상도는 라이다 센서에 비해서 크게 부족한 게 사실이다. 이때문에 해상도를 높이고 대량생산을 통해서 가격을 낮추기 위한 노력이 계속되고 있다.

피스커의 양산을 시작으로 4D 이미징 레이더의 양산 차량 적용은 더욱 확대될 전망이다. 우리나라에서도 스마트레이더시스템, 현대모비스, 만도 등에서 4D 이미징 레이더의 적용을 위한 노력을 계속하고 있다. 자율주행의 안전성을 높여 줄 고성능 4D 이미징 레이더의 빠른 상용화를 기대해 본다.

※이 연구는 양영재단의 2021년 하반기 연구사업 지원으로 수행되었습니다.

1. H. Gu, 4D Imaging Radar: Sensor Supremacy For Sustained L2+ Vehicle Enablement, NXP White Paper, 2022.

2. J. Dowling, Carsguide, Subaru and Honda Issue Recalls for faulty AEB tech, https://www.carsguide.com.au/car-news/subaru-and-honda-issue-recalls-forfaulty-aeb-tech-33243, 2015.

3. J. Yoshida, EETimes, Uber Incident Part 2: Preliminary NTSB Report, https://www.eetasia.com/ 18052801-uber-incident-part-ii-prelinimary-ntsb-report/, 2018.

4. SmartRadarSymtem, SRS Autopilot Commercial Concept proof with 4D image Radar, ScienceON White Paper, 2021.

5. Aptiv blog, What Is 4D Imaging Radar?, https://www.aptiv.com/en/insights/article/what-is-4d-imaging-radar, 2021.

6. Waymo blog, How we’ve built the World’s Most Experienced Urban Driver, https://blog.waymo.com/2021/08/MostExperiencedUrbanDriver.html, 2021. 

7. Waymo Blog, A Fog Blog: Understanding a Challenge Inherent to Driving in San Francisco, https://blog.waymo.com/2021/11/a-fog-blog.html, 2021.

8. C. Wang and C. Maxim, Tasking NVIDIA DRIVE Chauffeur on the Road, NVIDIA GTC 2022 Keynote White Paper, 2022.