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자율주행 춘추전국 시대, 고정형 LiDAR가 지배한다

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글 : 유일한(chepa@global-autonews.com)
승인 2018-07-11 01:59:28

본문

자율주행차의 개발 역사는 생각보다 오래되었고, 1980년대 중반부터 미국 DARPA의 지원 사업 등으로 인해 수많은 프로토타입 머신이 개발되었었다. 그러한 자율주행이 본격적으로 주목을 받기 시작한 것은 정말 얼마 되지 않지만, 어느덧 2021년을 기점으로 실제로 도로를 주행하는 자율주행차를 탑승할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 그러한 자율주행차의 급속한 발전에는 인공지능을 담당하는 컴퓨터의 발전과 함께 카메라와 레이더를 비롯한 센서류의 발전이 있었음을 간과할 수 없다.

 

그런 센서들 중에서 자율주행의 핵심을 담당하는 것이 LiDAR(단거리 레이저 레이더)이다. 자율주행을 연구하고 있는 자동차 제조사와 IT 회사들은 각각 자율주행의 방식은 다르지만, 고속도로 등 특정 상황에서 운전자가 개입하지 않는 레벨 3(SAE 기준) 이상의 자율주행에서는 반드시 LiDAR가 필요하다고 보고 있다. 테슬라는 LiDAR 없이 레벨 3 이상의 자율주행을 실현하겠다고 공언하고 있지만 힘들어 보인다.

 

그래서 그동안 개발되었던 자동차들은 모두 LiDAR를 적용하고 있었는데, 모든 방향의 장애물을 감지하기 위해 지붕에 주로 설치된데다가 크기도 상당하여 마치 ‘왕관’을 쓴 것 같았다. 그런데 올해부터는 이러한 문제도 대략적으로 해결될 것으로 보인다. 이제 왕관 형태의 기계식 LiDAR가 아닌 좀 더 작은 크기의 고정형 LiDAR(Solid-State LiDAR)가 서서히 등장하고 있기 때문이다. 특히 BMW가 고정형 LiDAR를 자사의 자동차에 적용하기로 결정하면서 기술과 시장이 상당히 커질 것으로 전망되고 있다.

 

LiDAR의 중요성

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LiDAR의 원리는 레이더와 같다. 차이점이 있다면 전파 대신 레이저를 사용하는 것인데, 이로 인해 ‘빛’과 ‘레이더’를 결합하여 LiDAR가 되었다. 레이저를 전 방향으로 발사한 후 다시 돌아오는 레이저를 감지해 대상을 3차원으로 인식하고, 이를 다시 데이터로 구현해 주변의 모습과 장애물을 판단하는 것이다. 현재까지 자율주행을 구현해내기 위해서는 카메라와 레이더, LiDAR를 조합해야 한다는 것이 중론이고, 현재 부분적으로 레벨 3 자율주행을 구현하는 아우디 A8은 물론 연구 중인 대부분의 자율주행차가 센서를 이렇게 조합하고 있다.

 

자율주행차에 있어 LiDAR가 중요한 이유는 ‘데이터의 현지화’가 가능하다는 것이다. 자율주행차의 위치를 파악하는 데 사용되는 GPS의 경우 일반 GPS는 오차가 상당히 크고, 핵심이라고 불리는 초정밀 GPS도 아직은 1m 정도의 오차를 갖고 있는 것으로 알려져 있다. LiDAR는 이 오차를 지름 10cm 이내로 낮춰준다. 또한 카메라 또는 단파 레이더가 구분할 수 없는 물체의 형태를 3차원의 형태로 정밀하게 측정할 수 있다. 자율주행차가 주변 상황을 판단하고 보완하는 데 있어 필수적이라는 것이다.

 

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현재는 웨이모로 독립된 구글의 자율주행차들을 살펴보면 지붕 상단에 왕관이 적용된 것을 볼 수 있을 것이다. 이런 형태의 LiDAR는 그동안 벨로다인에서 제작한 것을 사용해왔는데, 현재 고성능으로 알려진 벨로다인 HDL-64E LiDAR의 경우 판매 가격이 75,000달러(약 8,400만원)에 달한다. 자율주행차에 적용하기에는 지나치게 비싸고 과거보다는 저렴해진 편이지만 이러한 기계식 LiDAR는 매년 가격이 낮아지는 컴퓨터나 스마트폰과는 다르다. 내부의 정밀 부품들이 가격 하락을 방해하는 요인이다. 지붕에 적용하기 때문에 소형화와 자동차의 디자인 마무리에 불리한 면도 있다.

 

이러한 기계식 LiDAR의 단점을 해결하기 위해 등장한 것이 고정형 LiDAR이다. 그 형태 상 움직이는 부분이 없기에(일부 부품은 움직이기도 하지만 모두 고체 형태로 구분된다) 이러한 이름이 붙었는데, 회전하는 형태의 기계식 LiDAR와는 달리 크기와 가격 면에서 유리한 것으로 알려져 있다. 물론 기계는 회전하지 않아도 빛은 움직여야 하기 때문에 엔지니어들은 다양한 방식으로 감지를 위한 빛의 회전을 고안해냈다.

 

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그 첫 번째 방법으로 알려진 것이 현재 실험중인 자율주행차에 적용되고 있는 플래시 형태의 LiDAR이다. 간단하게는 사진을 찍을 때 터트리는 플래시를 생각하면 되는데, 플래시는 한 번만 터트려도 광범위하게 빛이 퍼지기 때문에 감지가 쉽다. 그런데 플래시 형태의 LiDAR도 단점이 있는데, 감지를 위해선 강한 플래시가 필요하고 감지 범위를 제한할 수 없다는 것이다. 또한 플래시 방식은 대부분 값비싼 갈륨비소를 이미지 인식 센서에 사용하기 때문에 가격이 극단적으로 낮아지기 힘들다.

 

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두 번째 방법은 레이더의 작동 방법을 응용한 것으로 쿼너지(Quanergy)에서 개발한 것이다. 1950년대 이후로 레이더에서 사용되는 기술인 ‘위상 배열’을 응용한 것인데, 한 방향으로 여러 개의 작은 안테나를 배열한 뒤 각 안테나에서 발산하는 신호의 타이밍 또는 위상을 제어해 전체적으로는 신호의 발산 방향을 조절하는 것이다. 쿼너지의 LiDAR는 신호 대신 레이저를 발사하고 그 타이밍을 조절해 레이저의 발사 방향을 조절할 수 있다. 그 결과 LiDAR는 손바닥 크기로 작아졌다.

 

쿼너지의 사장은 ‘현재는 900달러짜리 패키지이지만, 향후 단일 칩셋이 되면 100달러 이하로 가격을 낮출 수 있을 것’이라고 보고 있다. 그리고 렌즈를 원하는 형태로 변경할 수 있어 특정 장애물에 대한 확대 또는 축소가 가능하다고 한다. 또 다른 장점은 수명이 길다는 것으로, 기존의 기계식 LiDAR가 1,000~2,000시간 작동수명을 갖는 데 비해 쿼너지의 고정형 LiDAR는 10만 시간의 수명을 갖는다고 한다. 미국에서 한 명의 일반인이 평균적으로 1년간 293시간 동안 자동차를 이용한다는 것을 고려하면, 거의 반영구적으로 사용할 수 있는 것이다.

 

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세 번째 방법은 MEMS 방식이라고 부르며, 좌우로 움직이는 작은 거울을 사용해 레이저의 발사 방향을 조정하는 것이다. 이 방식은 엄격히는 ‘고정형 LiDAR’라고 부를 수 없지만, 작게 제작할 수 있기 때문에 이렇게 분류하고 있다. BMW의 자율주행차에 적용 예정인 이노비즈 테크놀로지(Innoviz Technologies) 그리고 레다테크(LeddarTech)에서 이 방식을 사용하고 있는데, 이노비즈의 센서는 약 1,000달러라고 한다. 이 방식의 단점은 충격과 진동에 취약하다는 것이다.

 

각각의 방식이 모두 특색을 갖고 있기에, 어떤 방식이 제일 발전된 방식인지를 결정하는 것은 불가능하다. 자율주행에 집중 투자를 하고 있는 앱티브(Aptiv)의 경우 3가지 방식에 모두 자금을 투자한 상태로 LiDAR가 장착되는 위치에 따라 방식을 결정할 것으로 예상된다. 한 가지 확실한 것은 고정형 LiDAR가 등장하면서 가격이 낮아지고 있다는 것으로, 앞으로의 자율주행은 좀 더 저렴하게 구현될 것으로 보인다.

 

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그리고 자동차용 LiDAR가 본격적으로 등장하게 되면, 그 응용 범위는 무궁무진해진다. 예를 들면 불과 연기 속에서 시야를 확보해야 하는 소방관이 헬멧에 LiDAR를 부착하면 구조 작업을 좀 더 원활하게 진행할 수 있다. 또한 로봇의 이동에도 도움을 주게 될 것이다. LiDAR 기술과 시장은 점점 더 커지고 발전해나가고 있다. 

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