ADAS 센서

ADAS 및 자율 주행 기능은 차량 주변 환경에 대한 지속적인 정보 스트림을 제공하며, 이를 제공하는 것이 센서의 역할입니다.

센서는 운전자가 볼 수 있는 모든 것뿐만 아니라 운전자가 볼 수 없거나 미처 발견하지 못한 것까지 감지해야 합니다. 이미 다양한 종류의 센서가 사용되고 있으며, 기능, 비용 및 패키징 측면에서 각각 장단점이 있으며, 각 ADAS 기능에 두 가지 이상의 센서가 사용되는 경우가 점점 더 많아지고 있습니다. 각 센서 유형마다 장단점이 있기 때문에 서로 다른 기술을 결합하여 ADAS 기능을 개선할 수 있습니다. 이러한 센서 기술의 융합은 빠르게 표준이 되고 있으며, 여러 소스에서 유입되는 데이터를 정확하고 신속하게 처리하는 것이 과제가 되고 있습니다.

고려해야 할 또 다른 요소는 센서의 견고성과 내구성입니다. 일부 센서는 차량 내부에 장착할 수 있지만, 대부분은 차량의 가장자리, 범퍼 모서리, 그릴 뒤 등 취약한 부분에 외부에 장착해야 하므로 첨단 장비에 열악한 환경이 될 수 있습니다. 또한 자동차 보험 및 수리 업계에서는 차량이 사고를 당할 경우 고가의 센서 교체 또는 재보정 문제에 대한 우려를 제기하고 있습니다.

ADAS의 보급이 증가하고 자율 주행 차량의 개발이 진행됨에 따라 센서 기술의 발전 속도가 빨라지고 있습니다. 물체 감지 및 분류 측면에서 이미 사용 중인 많은 시스템은 아직 비교적 기본적인 수준에서 작동하고 있으며, ADAS 기능이 완전한 자율 주행 애플리케이션으로 도약하기까지는 갈 길이 멀다. 예를 들어, 현재 시스템은 매우 특정한 형태 이상의 보행자를 식별하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 큰 물건을 들고 있거나 키가 일정 수준 이하인 경우, 윤곽이 크게 달라지는 옷을 입은 사람을 인식하지 못할 수 있습니다. 그러나 기술이 발전함에 따라 이러한 한계는 필연적으로 해결될 것입니다.

현재 ADAS 센서 기술은 크게 네 가지 범주로 나눌 수 있으며, 이에 대해 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

레이더는 무선 탐지 및 거리 측정의 약자로, 전송된 전파가 경로에 있는 물체에서 반사되는 데 걸리는 시간을 측정하여 물체를 탐지하는 잘 알려진 기술입니다. 레이더는 제2차 세계대전을 앞두고 군사용으로 여러 국가에서 동시에 개발되었지만 오늘날에는 육상, 해상, 공중, 우주에서 다양한 용도로 사용되고 있습니다. 레이더는 몇 년 전부터 자동차 시스템에서 사용되어 왔기 때문에 하드웨어가 잘 발달되어 있고 상대적으로 저렴하여 자동차 제조업체에게 매력적인 기술입니다.

ADAS 애플리케이션의 경우 레이더는 단거리 레이더(SRR), 중거리 레이더(MMR), 장거리 레이더(LRR)의 세 가지 카테고리로 나눌 수 있습니다.
SRR 시스템은 전통적으로 24GHz 영역의 마이크로파를 사용했지만, 24GHz 주파수의 제한된 대역폭과 규제 요건의 변화로 인해 업계가 77GHz로 전환하고 있습니다. SRR의 유효 범위는 약 10미터이지만 최대 30미터로 사각지대 감지, 차선 변경 보조, 주차 보조 및 교차 교통 모니터링 시스템에 적합합니다.

MRR 및 LRR ADAS 기능은 이미 77GHz 주파수를 사용하여 속도 및 거리 측정에 상대적으로 더 높은 해상도와 더 높은 정확도를 제공합니다. MRR은 30미터에서 80미터 사이에서 작동하는 반면, LRR 시스템은 경우에 따라 최대 200미터까지 범위를 확장할 수 있어 어댑티브 크루즈 컨트롤, 전방 충돌 경고 및 자동 긴급 제동과 같은 시스템에 적합합니다. LRR의 단점 중 하나는 측정 엔젤이 거리에 따라 감소하므로 어댑티브 크루즈 컨트롤과 같은 일부 기능은 SRR과 LRR 센서의 입력을 결합한다는 것입니다.

레이더는 검증된 기술이라는 점 외에도 비, 눈, 안개와 같은 악천후와 야간에도 효과적으로 작동할 수 있다는 점에서 ADAS 사용에 있어 또 다른 주요 장점이 있습니다. 그러나 레이더는 물체가 무엇인지 식별할 수 있는 충분한 해상도를 제공하지 못하고 단지 물체가 있다는 것만 알려준다는 한계도 업계에서 잘 알려져 있습니다. 또한 자동차 애플리케이션에서는 시야가 제한적이기 때문에 적절한 커버리지를 제공하기 위해 차량에 여러 개의 센서가 필요합니다. 또한 24GHz 주파수를 사용하는 SRR은 여러 대상을 구별하는 데 어려움을 겪습니다.

초음파는 박쥐가 약 5천만 년 동안 사용해온 가장 오래되고 잘 알려진 ADAS 센서 기술이며, 초음파 시스템은 일반적으로 산업, 과학 연구 및 의학 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다.

초음파 센서(초음파 트랜스듀서라고도 함)는 유효 작동 범위가 약 2m로 비교적 짧기 때문에 일반적으로 저속 시스템에 사용됩니다. 한동안 주차 센서에 널리 사용되어 왔지만 주차 보조, 자동 주차 및 일부 사각지대 모니터링 애플리케이션과 같은 보다 복잡한 ADAS 기능에도 사용되고 있습니다. 초음파 센서는 비용 효율적이고 비교적 견고하고 신뢰할 수 있으며 야간이나 밝고 낮은 햇빛과 같은 기타 까다로운 조명 조건의 영향을 받지 않습니다.

그러나 기존 초음파 센서의 제한된 범위로 인해 일부 제조업체는 초음파 센서를 포기하고 단거리 레이더를 선호하고 있습니다. 특히 기존 주차 센서 기술과 추가적인 사각지대 감지 기능을 결합한 최신 후방 교차 교통/보행자 경보 시스템의 경우, 최근 초음파 기술의 발전으로 일부 센서의 범위가 8~10미터 정도로 확장되어 이러한 애플리케이션에 적합해졌지만 여전히 단거리 레이더를 선호하고 있습니다.

라이다는 1960년대에 기상, 측량 및 매핑 용도로 처음 개발되었지만 최근에는 ADAS 및 자율 주행 차량 개발 애플리케이션에 채택되고 있습니다. 대체로 Tesla를 제외한 자동차 업계는 라이다가 ADAS 및 자율 주행 애플리케이션에 가장 적합한 솔루션이라는 데 베팅을 걸고 있습니다.

라이다에는 두 가지 기본 유형이 있지만 둘 다 반사된 레이저 광선을 측정하는 기본 원리는 동일합니다. 첫 번째는 펄스 레이저가 회전하는 거울에 방출되어 레이저 빔을 여러 방향으로 방사하는 방식입니다. 이 시스템은 300미터 이상의 범위로 매우 효과적이며, 지붕에 설치할 경우 선명한 360° 시야를 제공합니다. 하지만 크기가 커서 양산 차량의 ADAS 기능에는 사용할 수 없으며 가격도 비쌉니다. 같은 테마의 보다 컴팩트하고 ADAS 친화적인 변형은 미세전자기계 시스템(MEMS) 기술 기반의 회전 거울을 사용하여 레이저 빔을 방사합니다.

두 번째 유형은 솔리드 스테이트 라이다로 알려져 있으며, 이 중 몇 가지 변형이 개발되고 있습니다. 하나는 광학 위상 배열을 통해 단일 레이저를 발사하여 빔을 여러 방향으로 향하게 하고, 다른 하나는 플래시 라이다라고 불리는 레이저의 단일 펄스 또는 플래시를 사용하여 이미지를 생성합니다.

두 가지 주요 시스템에는 각각 장단점이 있습니다. 솔리드 스테이트 라이다는 보다 견고하다는 점에서 차량용으로 선호되지만, 각각의 경우 방출된 레이저가 범위 내의 모든 물체에서 반사되어 고감도 광검출기에 수신된 후 정보가 주변 환경의 3D 모델로 변환됩니다.

라이다가 이처럼 강력한 도구가 될 수 있는 잠재력을 가진 것은 바로 3D 모델의 디테일과 해상도입니다. 적절한 분석 알고리즘을 갖춘 라이다 시스템은 고해상도 3D로 물체를 감지하고 물체를 구분하며 정확하게 추적할 수 있는 기능을 갖추고 있습니다. 라이다는 안개에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있지만 비와 눈 속에서도 잘 작동하며, 야간에는 기능에 영향을 받지 않습니다.

역사적으로 라이다는 양산 자동차 애플리케이션에 사용하기에는 엄청나게 비쌌지만, 기술이 개선되고 비용이 낮아지면서 ADAS 개발에서 점차 보편화되고 있습니다. 프로토타입 완전 자율 주행 자동차는 이미 부피가 큰 지붕 장착형 라이다 시스템을 효과적으로 활용하고 있지만, 이러한 설정은 상용 ADAS 애플리케이션에는 비실용적이고 비용이 엄청나게 비쌉니다. 당분간은 양산 차량에 보이지 않을 정도로 충분히 작고 가격이 저렴한 라이다 시스템은 측정 범위가 수백 미터가 아닌 수십 미터로 상대적으로 제한적이어서 저속에서만 효과적입니다.

카메라는 악천후와 조도가 낮거나 까다로운 조명 조건에서 성능이 저하될 수 있다는 한계가 있지만, 레이더나 초음파 센서에 비해 비교적 새로운 기술이지만 이미 그 성능과 활용도가 뛰어납니다. 다른 센서와 달리 카메라는 색상과 대비 정보를 식별할 수 있는 유일한 센서이기 때문에 도로 표지판과 노면 표시 정보를 캡처하는 데 이상적이며 보행자, 자전거, 오토바이 운전자와 같은 물체를 분류할 수 있는 해상도도 제공합니다. 또한 카메라는 비용 효율성이 매우 높기 때문에 대량 판매 차량 제조업체에게 특히 매력적입니다. 기술의 한계로 인해 카메라 센서의 데이터는 점점 더 다양한 조건에서 더욱 강력하고 신뢰할 수 있는 데이터 스트림을 제공하기 위해 레이더와 결합되고 있습니다.

카메라는 단안 및 양안 ADAS 애플리케이션에 모두 사용됩니다. 전방 단안 카메라 시스템은 차선 유지 보조, 교차 교통 경고 및 교통 표지판 인식 시스템과 같은 중장거리 기능에 사용됩니다. 후방 카메라는 주로 운전자를 위한 후진 보조 기능으로 널리 채택되고 있습니다. 대시보드에 장착된 화면에 차량 뒤쪽의 미러 이미지 뷰가 표시되며, 경우에 따라 스티어링 휠 움직임에 따른 위치 그래픽으로 증강되어 주차 안내를 제공하기도 합니다.

전방 양안 또는 스테레오 카메라는 최근에 개발된 제품입니다. 한 쌍의 카메라는 움직이는 물체까지의 거리와 같은 복잡한 깊이 정보를 계산하는 데 필요한 정보를 제공하는 본질적으로 3D 이미지를 제공할 수 있으므로 능동형 크루즈 컨트롤 및 전방 충돌 경고 애플리케이션에 적합합니다.

ADAS 개발의 발판을 마련한 또 다른 카메라 기술 분야는 열화상 카메라입니다. 열화상 카메라는 가시광선을 사용하는 대신, 또는 가시광선이 거의 없는 상황에서, 특히 시야가 좋지 않거나 야간에, 또는 바쁘고 복잡한 운전 환경에서 사람과 동물을 감지하는 데 이상적입니다. 이 기술은 약 10년 전 프리미엄 브랜드 모델에 패시브 나이트 비전 어시스트 시스템으로 처음 등장한 이후 자동차 업계 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있습니다.

열화상 카메라는 탐지 범위가 최대 300미터 정도이며 안개, 먼지, 낮은 해의 눈부심, 그리고 완전한 어둠에도 영향을 받지 않아 ADAS 개발자의 센서 기술 무기고에서 중요한 역할을 담당합니다.