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[오토저널] 자율주행 자동차를 위한 조향 시스템의 변화

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2022-09-27 09:51:53

본문

자율주행 자동차 Trend
자율주행 자동차 연구 개발의 시작은 약 100년, 짧게는 50년 전부터 연구, 개발되어왔으나 최근 카메라, LIDAR, 레이다 및 Computing Power, AI의 획기적인 발전과 함께 기술 가능성이 높아져 연구개발이 본격적으로 이루어지고 있으며 시장 출시와 서비스 확대 등의 실용화가 일부 진행되었고 향후 크게 성장할 것으로 예상된다.

자율주행 자동차의 개발 예시들을 살펴보자면 미국 알파벳의 자회사인 Waymo가 총주행거리나 기술적으로 선두로 여겨지며 샌프란시스코에서 회사 직원들을 대상으로 운전자 없는 자율주행 차량 서비스를 시작했으며 Ford의 자회사인 Argo AI 또한 플로리다주 마이애미와 텍사스주 오스틴에서 안전 운전자 없는 자율주행차 시범운행을 시작하였다. 중국의 경우 최대 IT 기업인 BAT(바이두, 알리바바, 텐센트) 및 국영자동차기업들의 투자로 Pony AI, AutoX, DiDi와 같은 자율주행스타트업들의 거침없는 기술개발의 횡보가 기사화 되고 있으며, 한국의 경우 현대차가 앱티브와의 합작을 통해 모셔널을 설립하고 자율주행기술 개발을 진행하여 미국 캘리포니아주 산타모니카에서 아이오닉5 전기차를 활용한 레벨4 자율주행 배송서비스를 올해 5월부터 시작하였다.

자율주행자동차는 SAE J3016에서 정의한 레벨4부터 운전행위 즉 DDT(Dynamic Driving Task) 그리고 OEDR (Object and Event Detection and Response)에서 운전자가 완전히 자유로울 수 있어 자율주행자동차의 사업영역인 Robotaxi, 자율주행 배달서비스, 무인셔틀버스, 자율주행 물류서비스 등이 가능하게 된다. 자율주행 레벨4 또는 레벨5의 전망은 여러가지 견해로 보고되고 있으나 Frost & Sullivan 자료에 따르면 전세계 자동차시장에서 2025년에는 약 4% 그리고 2030년이 되면 약 15%를 점유할 것으로 예상된다.

자율주행 자동차의 효용성을 보자면 NHTSA 조사 결과 현재의 자동차 교통사고 원인의 90%가 운전자의 부주의로 발생하며 사고를 막을 수 있다면 약 4천억 달러의 경제적 절감효과가 예상되며 현재 Ownership 차량에서의 활용도가 5~10%이지만 자율주행자동차의 Usership Model로 차량을 공유 시 활용도가 75%로 크게 증가 할 것으로 예상된다. 그래서 높은 가격대에 형성되는 자율주행자동차가 Robotaxi 또는 무인 배송서비스에서 먼저 적용될 것으로 예상되며 자율주행 자동차내에서는 모든 승객이 탑승자가 되어 이동 중 회의, 쇼핑, 오락, TV/영화 시청 등의 다양한 활동들을 즐길 수 있을 것으로 예상된다. 

하지만 위의 낙관론과 더불어 현재 일부 상용화된 자율주행 차량과 서비스에서 다양한 문제점들도 기사화 되고 있는데 지나치게 안전을 보수적으로 고려하여 십자로에서 좌회전을 하지 못하거나 갑작스러운 정차로 인한 후방추돌사고, 포장 중인 아스팔트에 진입하여 빠져나오지 못하는 사건 그리고 전방 트럭의 흰 배경을 하늘로 인식하여 추돌하는 등의 많은 사건과 사고들이 기사화 되고 있어 시장출시시기 그리고 기술완성도에 대한 많은 낙관적 전망과 더불어 비관적 전망의 갑론을박이 공존하고 있다.

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현재 시점에서 분명해 보이는 것은 자율주행 레벨2 더 나아가 레벨3는 개발이 완료되어 시장에서 빠르게 적용되고 있으며 레벨4 기능에 대해서도 자율주행 사용영역인 ODD(Operational Design Domain)내에서 시범운행 또는 안전운전자 동행하에서 서비스가 출시되고 있어 센서, 액추에이터, 컴퓨팅(AI) 기술의 발전과 함께 전체 경로 중 자율주행이 차지하는 영역이 예를 들면 현재 주차/저속주행, 고속도로, V2X 고도화 영역에서 향후에는 일반 도심, 교외지역 등으로 지속적으로 확장될 것으로 보인다.

Steering System의 변화
앞서 설명한 자율주행 자동차(Autonomous Vehicle) 추세와 더불어 Connectivity, Shared Mobility, Electric Vehicle 즉 C.A.S.E라는 Megatrend에서 Steering System을 연구, 개발하는 Engineer들은 새롭게 발생하는 여러 고객 요구사항과 사용환경에서의 Use Case들을 고민하지 않을 수 없을 것이다.

위의 C.A.S.E 변화에 따라 발생하는 요구사항으로는 Steering System의 높은 안전성, 탑승자 공간 확보, 안락함 증대, 다양한 부가기능, 고출력 시스템 등으로 파악되며 이를 반영하여 SbW(Steer by Wire), RWS(Rear Wheel Steering), 4WIS(4 Wheel Independent Steer), New HMI(Human Machine Interface)와 같은 신제품 개발이 필요하며 Redundant System, 고전압 E/E System, 자율주행 제어로직, 통합제어기술 등과 같은 신기술 연구가 필요할 것이다.

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SAE J3016에서 정의한 자율주행 레벨에 대응하는 Steering System을 살펴보자면 레벨0~1까지는 기존 Hydraulic Power System이 적용될 수 있으며, Lane Centering 또는 Traffic Jam Assist 기능이 적용되는 레벨2~3까지는 전기전자시스템을 활용한 EPS System이 그리고 더 나아가 완전자율주행 기능 그리고 고장 발생 시, Fallback 방안을 대비한 System을 구현하기 위해 레벨4~5에서는 SbW System의 적용이 필요하며 SbW의 초기 형태에서는 Steering Wheel에 Interface되는 SFA(Steering Feedback Actuator) 그리고 Road Wheel를 실제로 구동시키는 RWA(Road Wheel Actuator)로 구성 되며 향후 기술발전과 함께 SFA는 조이스틱 또는 Touch Screen Interface와 같은 형태의 HMI로 발전할 수 있을 것으로 예상된다.

만도 SbW의 특징과 고객가치
만도는 2012년부터 EPS System 고장 시 급속한 조향 보조력 손실로 인한 위험을 방지하기 위한 목적으로 개발한 전기/전자 시스템 이중화(E/E Redundancy) 기술을 활용하여 조향 클러치가 없는 ‘전기 신호식 지능 조향 시스템’ 컨셉인 ‘Pure Play’ SbW 시스템 개발을 검토하였고, 2016년부터 본격적으로 SbW 개발을 진행하여 2022년 10월 목표로 제품 양산을 준비하고 있다. 매년 국내, 해외에서 Summer & Winter Ride Session 행사를 개최했으며, 금년에도 한국자동차공학회 춘계학술대회에서 SbW 그리고 IDB 제품이 적용된 차량으로 성공적인 Ride Session을 진행하였다.

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SbW는 SFA를 통해 운전자 조향명령을 전기 신호로 RWA로 전달하여 모터 구동을 통한 Rack Force를 생성함으로써 조향 제어를 하며, 안정적인 조향을 위해 SFA에서 적합한 운전자 반력을 생성하여야 한다.

SbW 적용을 통해 최종 소비자인 운전자 또는 탑승자에게 제공되는 가치로는 1) 조향 클러치 또는 Mechanical Linkage 부재(즉, 전기 신호식 지능 조향 System, SbW)로 인한 Layout 설계 자유도 증가와 더불어 다양한 바디 플랫폼에 적용가능, 2) 자율주행모드에서 Steering Wheel을 고정하는 Quiet Mode를 통해 탑승자 피로방지, 3) Foldable System 구현과 함께 차량 공간활용 증대, 4) Fail Operational E/E Architecture 적용으로 완전 자율주행 지원, 5) 제어로직으로 구현되는 Variable Gear Ratio를 통한 Steering Ratio를 차속 및 상황별 구현 등을 제공할 수 있다.

SbW의 System Architecture
SbW라는 신제품을 개발하기 위해서는 해당 제품이 적용될 수 있는 환경에서의 많은 Use Case와 고객의 요구사항들을 그리고 시장, 기술동향을 분석하고 국내외 표준, 법규들을 분석하여 System Architecture에 반영하는 Process를 실시하여야 한다. ‘Pure Play’ SbW로써 그리고 자율주행에서 운전자가 조향, 제동 System 작동의 제어루프에서 빠져있을 수 있으므로 고장 발생에서도 Fail Operational한 성능 을 유지하기 위해 많은 Use Case 그리고 Fault Case를 검토하여 Safety Architecture 그리고 E/E Architecture에 반영하는 Process가 필수적이다. <그림 4>의 개념도는 System Engineering과 Project Management의 개념을 비교하는 다이어그램으로써 Project라는 큰 관점에서 교집합이 있을 수 있으나 System Engineering은 좀더 제품과 기술에 집중한다고 할 수 있다.

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앞서 언급된 System Architecture 관련, <그림 5>과 <그림 6>은 SFA System에서 적용 가능한 Architecture를 설명한다. 과거 EPS System에 적용되었던 ‘Base Architecture’는 모든 Signal, Power Circuit들이 Single로 구성되어 있어 SbW System에서 전원, Angle, MCU Fault에 대해 Loss of Control이 발생하여 운전자에 의한 조향을 불가능하게 만들 수 있으며, Inverter, 모터, MPS(Motor Position Sensor)의 Fault에 대해 Loss of Feedback Torque를 발생시켜 조향 불안정성을 야기시킬 수 있다. ‘3 Architecture’의 경우 앞서 언급된 ‘Base Architecture’와 다르게 Sensor Signal Redundancy를 구현하여 Sensor Angle 그리고 MPS의 Single Fault에 대해서는 정상 구동을 할 수 있으나 여전히 전원, MCU, Inverter등의 Fault에 대해 Loss of Control 그리고 Loss of Feedback Torque를 발생시킴을 알 수 있다.

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<그림 6>은 SFA System의 Single Fault에서도 여전히 Steering Control 그리고 Feedback Torque를 확보할 수 있는 Architecture에 대해 설명한다. ‘4A Architecture’로 명명된 Redundant Backup System은 모터를 제외한 모든 Circuit 또는 Signal들이 이중화되어 있어 모든 Single Fault에 대해 Loss of Control이 발생치 않으며 모터 외 Single Fault에 대해 100% Feedback Torque를 생성한다. 또 다른 Option인 ‘4B Architecture’는 Redundant Parallel System으로 모터 내 Circuit(또는 Winding)까지 이중화 설계가 되어 모든 Single Fault에 대해 Loss of Control이 발생치 않으며 모든 Single Fault에 대해 최소한 50% Feedback Torque를 생성시킨다.

상기의 소개와 같이 자율주행 자동차 그리고 이에 적합한 System으로 소개한 SbW 개발에서 필수적인 Fail Operational이라는 과제를 Redundant System을 적용시켜 Single Fault에 대해 정상 작동을 구현할 수 있었으며 Double Fault 그리고 Multiple Fault를 대비한 설계, Steerby-Brake 또는 후륜 조향 등의 통합제어를 통해 Fail Operational 하도록 또는 Risk Mitigation(Limp Aside, Limp Home 등)이 가능하도록 지속적으로 연구, 개발 중이다.​

글 / 남궁주 (만도)
출처 / 오토저널 2022년 8월호
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