자율주행 자동차를 완성하는 핵심기술들

 

자율주행 자동차를 완성하는 핵심기술들

 

자율주행 자동차를 완성하는 핵심기술들

 

자율주행 분야에서 세계 최고의 경쟁력을 갖고 있는 것으로 평가받는 구글의 웨이모(Waymo)와 제너럴모터스 산하 크루즈(Cruise)가 미국 캘리포니아주 차량국으로부터 자율주행 차량 상용화서비스 허가를 받은 것으로 최근 보도됐다.

 

실제 운행을 위해서는 최종 승인단계를 거쳐야하는 상태이지만 최초의 자율주행차 상용화로 기록될 가능성이 크다. 웨이모와 크루즈의 서비스는 비상 상황에 대비할 수 있는 보조운전자가 탑승한 상태로 운행해야 한다. 또 속도제한과 도시 일부 한정된 지역에서만 운행하는 조건으로, 완전자율주행을 이르는 레벨5 단계에 못미치는 수준이다.

 

 

 

자율주행차는 자동화 수준과 작동주체에 따라 운전자가 모든 것을 담당하는 레벨0부터 모든 환경에서 운전자의 개입이 필요없는 레벨5까지 6단계로 구분된다. 2014년 미국 국제자동차기술학회(SAE)가 제시한 구분 기준이 국제적으로 통용되는 추세다.

 

KPMG경제연구원은 지난해 발간한 보고서에서 우리나라 자율주행차 시장 규모가 2025년 약3조6193억 원에서 2035년 약26조1794억 원으로 연평균 40% 성장할 것으로 전망했다. 또 자율주행 기술과 인프라의 발전에 따라 2030년을 기점으로 완전 자율주행 자동차 시장 규모가 제한 자율주행자동차시장 규모를 넘어설 것으로 예상했다. 동 전망에 의하면 향후 10년 이내 완전 자율주행차량이 주류 모빌리티가 된다는 의미다. 그렇다면 자율주행시대를 구현하기 위한 핵심기술들은 어떤 것이 있을까.

 

소프트웨어를 뛰어넘는 하드웨어 기술, 드라이브 바이 와이어(DBW)

 

셰플러의 드라이브 바이 와이어(DBW)란?

사람의 손길을 필요로 하지 않는 무인자동차를 위해서는 기계식 메커니즘이 아닌 전자제어에 의한 차량 제어 기술이 필수적이다. 즉, 자율주행차량을 위해서는 디지털과의 융합 단계를 반드시 거쳐야하며, 이로 인해 수반되는 기술이 드라이브 바이 와이어 (Drive by Wire)다.

 

셰플러의 드라이브 바이 와이어(DBW)의 장점은?

 

드라이브 바이 와이어 기술이 적용되면 기계적인 연결 부품을 생략할 수 있어 실내 공간의 보다 효율적인 활용이 가능하다. 또 부품 연결 장치가 줄어들어 자동차 무게를 줄일 수 있으며, 이는 에너지효율 향상에도 유리하다. 뿐만 아니라 기계적인 시스템에 비해 응답성도 뛰어나 안전주행 효과도 발휘하게 된다. 충돌 사고가 났을 때도 기계의 연결 부품으로 인한 부상위험도 줄일 수 있다.

 

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[사진] 셰플러 휠 모듈의 스티어 바이 와이어

드라이브 바이 와이어 기술은 엔진, 주행, 브레이크 등 차량의 핵심기능 여러분야에 적용된다. 쓰로틀 바이 와이어 (Throttle By Wire)는 가속 페달에 적용되는 기능으로, 전자 제어로 최적의 공기량을 계산해 쓰로틀 개폐 지시를 통해 엔진 내부로의 공기흡입량을 제어하게 된다. 차량의 감속을 제어하는 브레이크 바이 와이어 (Brake by Wire), 조향축을 제어하는 스티어 바이 와이어 (Steer by Wire)도 마찬가지다. 드라이브 바이 와이어 기능이 고도화되면 완전 자율주행단계에서는 스티어링휠은 물론 브레이크와 엑셀페달도 불필요한 지경에 이르게 된다.

 

 

드라이브 바이 와이어 기술분야에서 앞선 성과를 보이고 있는 그룹은 독일의 셰플러다. 셰플러그룹은 지난 2018년 파라반(Paravan)의 ‘스페이스 드라이브(Space Drive)’를 인수해 셰플러파라반이라는 합작회사를 설립했다. 파라반은 장애를 가진 사람들도 혼자서 차를 운전할 수 있는 ‘스페이스 드라이브’ 기술과 자동차 섀시 시스템 솔루션 개발을 전문으로 하는 회사로, CEO 롤란트 아르놀트(Roland Arnold)는 세계 최초로 주행 허가를 받은 드라이브 바이 와이어 시스템을 개발한 주인공이다.

 

셰플러의 고도화된 자율시스템 기술, 지능형 코너 모듈 시스템

 

셰플러의 자율주행차를 위한 지능형 코너 모듈 시스템(휠 모듈 시스템)은 드라이브 바이 와이어 기술의 개념을 잘 설명해준다. 지능형 코너 모듈 시스템(Intelligent Corner Module)은 휠 허브 모터, 휠 서스펜션 및 전자식 스티어링 시스템 등이 포함된 단일 섀시 구조 시스템이다. 바퀴의 림(Rim)과 연결되어 독립적인 구동 및 조향 역할을 수행하게 된다.

 

 

지능형 코너 모듈 시스템이 혁신적인 성능을 보여주는 것은 ‘휠 허브 모터와 휠 허브 스티어링 기술 덕분이다. 휠 허브 모터는 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor, 영구자석 동기 속도형)모터로 주행 효율이 뛰어나며, 감속시 회생제동을 통해 생성된 전기 에너지를 배터리에 충전하는 발전기 역할을 수행한다.

 

 

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[사진] 지능형 코너 모듈 시스템이 적용된 미래형 모빌리티 셰플러 무버

 

휠 모듈의 스티어링은 전자식 스티어 바이 와이어 시스템이 적용됐다. 차량을 회전시키고 제어하며, 주행 중 좌, 우 각각 최대 45도 조향이 가능하고, 회전 반경이 5m미만인 협소한 공간에서도 방향전환 및 주차를 가능하게 하는 기술이다. 셰플러는 지능형 코너 모듈 시스템을 적용한 셰플러 무버 (SCHAEFFLER MOVER)라는 모빌리티 모델도 선보였다.

 

셰플러 무버는 완전 자율 주행 5단계를 구현한 미래형 모빌리티로, 지능형 코너 모듈 시스템이 네 바퀴에 모두 탑재돼 조만간 현실화될 완전 자율주행 자동차의 모습을 잘 보여주는 모델이다.

 

자율주행차의 눈 ‘라이다’(LiDAR)

자율주행을 구현하는 핵심기술은 주변 환경에 대한 인지(인식)기술, 정보와 신호를 처리하는 판단기술, 차체에 대한 제어기술 등 기능적으로 크게 3가지로 분류된다. 자율주행 차량의 주변 환경 인식을 위해서는 레이더와 라이다, 카메라, 초음파센서, GPS 등 다양한 종류의 센서가 복합적으로 활용된다.

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[사진] 미국 라이다 업체 벨로다인(Velodyne)

카메라 센서는 렌즈를 통해 시각적으로 주변 사물과 상황을 인식한다. 유일하게 색상인식이 가능한 센서로, 차선과 표지판을 읽고 질감 인식도 가능하지만 날씨에 취약하다는 단점이 있다. 레이더(RADAR, Radio Detection And Ranging)는 전자기파를 통해 거리와 속도를 측정하며, 날씨에 영향을 거의 받지 않지만 표지판 등 평면적 요소에 취약하다.

 

자율주행차의 눈이라고도 불리는 라이다(LiDAR, Light Detection And Ranging)는 전파 대신 레이저(광학 펄스)를 쏘아 반송신호의 특징을 측정한다. 레이저가 반사되어 돌아오는 시간과 강도를 분석하고 이를 통해 물체의 형태와 움직임, 온도, 농도 등을 파악할 수 있다.

라이다의 가장 큰 장점은 나노미터(nm) 수준의 짧은 파장을 이용해 공간 분해능력이 탁월하다는 점이다. 이에 따라 초당 수십 내지 수백만회에 걸쳐 레이저를 쏘아 주변 환경에 대한 정밀한 3차원 지도를 만들어내는 것이 가능하다.

 

이처럼 센서들은 저마다 고유의 장단점이 있어 자율주행 기술 개발회사들은 복수의 센서기술을 활용해 신뢰성을 높이는 방법을 적용한다. 또 카메라, 레이더, 라이다 각각 다수의 센서를 여러군데 부착해 활용하기도 한다. 현대자동차가 조만간 출시할 예정인 제네시스G90풀체인지 모델도 카메라, 레이더와 함께 전면 양측에 2개의 세트형 라이다가 장착되는 것으로 알려졌다. 삼성전자도 2026년 상용화를 목표로 기존 원통형이 아닌 초소형 모듈 형태의 세트형 라이다 개발에 들어간 상태다.

 

차량과 사물의 통신 V2X

자율주행차가 지정된 도로가 아닌 일반 도로에서 완전한 자율주행을 하기 위해서는 V2X기술이 수반되어야 한다. V2X(Vehicle to Everything communication)는 차량이 다른 차량 및 도로 인프라, 보행자 등 주변 사물과 지속적으로 정보를 교환하는 것을 말한다. 연결 대상에 따라 V2V(Vehicle to Vehicle), V2I(Vehicle to Infrastructure), V2N(Vehicle to Nom종 모바일기기와의 통신), V2P(Vehicle to Pedestrian) 등으로 나뉜다.

 

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[사진] 현대자동차 HMG 저널

앞서 카메라, 라이다, 레이저 등 센서는 차량 주변의 한정된 센서 영역 내에서만 유효하다는 제약이 있다. 이를 V2X기술을 활용해 시야 확보가 어려운 교차로나 기상 악화시 또는 갑작스런 사고나 보행자가 갑자기 뛰어든다던지 하는 급돌발 상황에서도 실시간으로 모든요소와 데이터를 주고받음으로써 보완할 수 있다. 나아가 V2X는 교통사고 예방과 교통 소통에도 도움을 줄 수 있다.

 

 

 

우리나라의 경우 그동안 차세대 지능형 교통시스템(C-ITS) 구축을 추진하면서 와이파이를 기반으로 한 WAVE방식으로 시범사업과 실증을 진행해왔으나 2022년까지 C-V2X에 대한 실증작업을 병행해 2024년께 단일표준을 결정한다는 계획이다. 중국은 이미 지난 2018년 이동통신기반 차량사물통신 C-V2X를 단일 표준으로 채택하고, 5G-V2X기술 개발에 적극 투자해오고 있다. 미국도 금년 7월 이 방식으로 결정함으로써 V2X방식이 차량 사물통신 글로벌 주류가 될 가능성이 커졌다.

 

WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)는 IEEE 802.11p가 정한 무선랜 기반 기술이며, C-V2X는 국제표준화단체3GPP에서 정한 기술로 셀룰러 통신을 기반으로 하고 있다. WAVE는 상대적으로 전송거리가 짧고 전송속도가 떨어져 궁극적인 완전 자율주행을 위해 국내에서도 5G를 활용한 V2X 기술이 주목받고 있는 상황이다.

 

세계 최초 레벨3 부분 자율주행차 안전기준 제정한 한국

 

우리나라에서는 지난해 7월부터 자동 차로유지기능이 탑재된 레벨3 자율주행차량의 판매가 가능해졌다. 세계 최초로 부분자율주행차(레벨3) 안전기준이 제정됐기 때문이다. 레벨3은 지정된 조건에서 자율주행이 가능하지만 특정상황에서 운전자가 개입하는 부분 자율주행 단계로, 국내 안전기준 상으로는 레벨3부터 자율주행차로 분류된다.

 

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[사진] 국토교통부 보도자료 21.3.24

기존에는 레벨2 수준의 첨단운전자지원장치(ADAS)를 운전자 지원 기능으로 분류해 차로유지 기능을 작동시키더라도 운전대를 잡은 채로 운행해야 했으나, 레벨3 안전기준 도입에 따라 지정된 작동영역 안에서는 손을 떼고도 차로유지 자율주행이 가능해졌다. 국토교통부는 자동 차로유지기능에 더해 추후 자동 차로변경기능(레벨3)과 자동주차(레벨4)도 포함시킨다는 방침이다.

 

현대자동차는 여기에 맞춰 제네시스G90 모델에도 자율주행 레벨3 수준의 고속도로 자율주행 시스템(HDP, Highway Driving Pilot) 기능을 탑재할 예정이다. HDP는 고속도로 진출입부터 자동 차로유지기능은 물론 차선변경까지 할 수 있는 기능을 담은 것으로 알려졌다.

 

 

완전 자율주행차량이 전국 방방곡곡을 누리기까지는 오랜 시간이 필요하다. 차량 기술 개발은 물론 각종 법령 정비 및 인프라까지 뒷받침되어야 하기 때문이다. 그러나 지정된 구역내에서의 셔틀형 시스템과 같은 제한적 운행은 수년내로도 도입될 가능성이 높다. 바야흐로 자동차를 보는 우리의 관점도 자동차문화도 변화해야할 시점인 것이다.

Nom종 모바일기기와의 통신), V2P(Vehicle to Pedestrian) 등으로 나뉜다.우리나라에서는 지난해 7월부터 자동 차로유지기능이 탑재된 레벨3 자율주행차량의 판매가 가능해졌다. 세계 최초로 부분자율주행차(레벨3) 안전기준이 제정됐기 때문이다. 레벨3은 지정된 조건에서 자율주행이 가능하지만 특정상황에서 운전자가 개입하는 부분 자율주행 단계로, 국내 안전기준 상으로는 레벨3부터 자율주행차로 분류된다.

 

 

 

(출처:https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=32571616&memberNo=46260553)