첨단 운전자 보조 시스템

첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Driver Assistance System, ADAS)은 운전 중 발생할 수 있는 수많은 상황 가운데 일부를 차량 스스로 인지하고 상황을 판단, 기계장치를 제어하는 기술이다. 복잡한 차량 제어 프로세스에서 운전자를 돕고 보완하며, 궁극으로는 자율주행 기술을 완성하기 위해 개발됐다.

개요

교통사고 제로를 위한 자율주행 자동차의 개발 핵심은 능동적 안전 기술의 발전에 있다. 교통사고 유형을 연구 분석해온 자동차업체는 운전 부주의로 인한 교통사고가 90% 이상을 차지한다는 데 중점을 두고 운전자가 부주의로 위급한 상황에 대처하지 못해도 자동차 스스로 보행자나 다른 차량과의 충돌을 방지하는 첨단 운전자 지원 시스템 개발에 역점을 기울였다. 그 결과 첨단 운전자 보조 시스템이 등장했다. 첨단 운전자 보조 시스템은 차량 주변의 위험한 상황을 정확히 인식하는 카메라와 다목적 센서 및 위급한 상황을 정확히 분석하는 컴퓨터 네트워크 알고리즘 기술을 기반으로 한다. 자동차 앞 유리에 장착된 스테레오 카메라, 사이드미러에 달린 카메라, 앞·뒤 범퍼에 장착된 초음파센서, 장·단거리 레이더 등이 사물의 움직임을 정확하게 인식하고 차량용 컴퓨터 회로망이 위급한 상황임을 식별하면 안전을 위해 운전자에게 주의 경보를 주거나 자동차 스스로 긴급 제동해 교통사고를 방지한다. 모든 카메라와 센서가 거미줄처럼 서로 얽히고 엮여서 수많은 정보를 교환하고 분석하며 위험 상황에 능동적으로 대처하는 것이다. 결국, 첨단 운전자 보조 시스템의 핵심은 모든 센서를 융합하는 데 있다. 한마디로 운전자가 예측하지 못한 상황을 먼저 예측하는 정교한 안전장치인 것이다. 첨단 운전자 보조 시스템의 기술은 카메라와 센서 및 제어장치의 정밀함, 즉 기계적 성능의 발전에 따라 진화하고 있다.

완전자율주행과 첨단 운전자 보조 시스템의 차이는 바로 운전자의 필요 유무라고 할 수 있다. 첨단 운전자 보조 시스템은 운전자를 보조하는 역할을 하지만 완전자율주행은 운전자를 완전히 대체하는 것을 목표로 하고 있기 때문이다. 2017년 첨단 운전자 보조 시스템 기술 수준은 Level 1 ~ Level 2 또는 2.5단계에 해당했다. 이 단계에서 가장 널리 보급된 첨단 운전자 보조 시스템은 센서를 이용, 물체를 감지하여 운전자에게 경고음으로 알려주어 주차를 쉽게 할 수 있도록 하는 주차보조 시스템이다. 또한, 일정한 속도와 차량 간 거리를 유지해주는 크루즈 컨트롤도 많이 이용됐다. 2020년 첨단 운전자 보조 시스템은 미국 자동차공학회(SAE, Society of Automotive Engineers)에서 정의한 자율주행 L4, L5 수준으로 진화하고 있으며 도로 위에서의 역할이 더욱 중요해지고 있다. 모든 자동차에 첨단 운전자 보조 시스템 기술 전부를 적용하는 것은 비용 효율적이지 않을 수 있으나, 더욱 많은 자동차에 운전자 보조 기능이 탑재돼야 한다. 첨단 운전자 보조 시스템 기능을 효과적으로 활용하기 위해 데이터를 효율적으로 수집, 처리하고 교통 상황에 실시간으로 대응할 수 있어야 한다.

첨단 운전자 보조 시스템 기술은 궁극적으로는 완전자율주행을 목표로 발전하고 있다. 한편, 첨단 운전자 보조 시스템의 기술이 발전하여 완전자율주행에 가까워질수록 이를 위한 소스 코드의 양은 더욱 늘어나고 더욱 복잡하게 작동되게 될지도 모른다. 결국, 많은 오류를 소프트웨어에 내포할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 첨단 운전자 보조 시스템 기술의 성숙을 위한 기본 조건은 안전을 위한 검증의 충분성이라고 할 수 있다. 자동차 운행 중에 발생할 수 있는 문제 중에는 인명 피해를 일으킬 수 있는 심각한 문제가 상당수 포함되어 있음으로 반드시 다양한 방법의 S/W 검증을 통하여 문제점들을 최소화해야 한다. 안전과 편의를 위해 발전하는 기술들이 충분한 검증을 통해 안전 보장이 되지 않는다면, 운전자는 물론 보행자에게 거부감을 일으킬 수도 있다. 발전하는 첨단 운전자 보조 시스템의 기술과 함께 기술 안전도에 대한 검증 역시 진행된다면 자동차는 운전자 보조 시스템뿐만 아니라 완전자율주행까지 더욱 편리하고 안전한 운행수단이 될 수 있다.

첨단 운전자 보조 시스템의 종류

• 차량 자동 항법 장치 (In-vehicle navigation system) : 일반적으로 GPS와 TMC를 사용하여 교통 상황을 업데이트한다.
• 적응형 순향 제어 장치 (Adaptive Cruise Control or Smart Cruise Control) : ACC는 차량 전방에 장착된 레이다를 사용하여 앞차와의 간격을 적절하게 자동 유지하는 시스템이다.
• 차선 유지 보조 시스템 (Lane Departure Warning System or Lane Keeping Assist System) : LDWS는 방향지시등을 켜지 않고 차선을 변경하는 경우를 감지하여, 해당 사항을 운전자에게 알려서 주고, 능동형 차량 안전 시스템을 동작시킨다.
• 차로 이탈방지 보조 시스템 (Lane Keeping Assist) : LDW의 확장된 개념으로 차로 이탈 위험은 물론 조향까지 제어하는 시스템.
• 사각지대 경고 장치 (Lane Change Assistance or Blind Spot Detection : 접근하는 자동차 그리고 사각지대에 위치한 자동차에 대한 정보를 운전자에게 제공하는 장치로 사각지대에 있는 자동차 등을 인지하지 못하고 차선을 변경하거나 근접하는 자동차로 인해 사고위험이 감지되는 경우 미연에 사고를 방지하기 위한 안전장치이다.
• 주차 조향 보조시스템 : 주차 조향보조시스템(Intelligent Parking Assis System, IPAS)는 차량 스스로 주차 위치를 탐색하고 운전자는 변속기와 페달만 작동하면 주차가 가능하다.
• 지능형 속도 적응 시스템 (Intelligent speed adaptation or intelligent speed advice)
• 지능형 전조등 제어 (Adaptive Front Light Control) : 변화하는 도로에 대해 최적의 시야를 제공하는 지능형 전조등.
• 보행자 보호 시스템 (Pedestrian Protection System)
• 자동 주차 시스템 (Automatic Parking)
• 교통 표지판 인지 시스템 (Traffic Sign Recognition)
• 운전자 졸음 방지 시스템 (Driver Drowsiness Detection)
• 차량 통신 시스템 (Vehicular Communication Systems)
• 경사로 주행 제어 (Hill Descent Control)
• 전기차 주행 경고음 (Electric Vehicle Warning Sounds used in hybrids and plug-in electric vehicles)
• 로우빔 보조 시스템 (Low Beam Assist) : 야간 환경에서 전방 가시거리를 확보할 수 있도록 차량의 추가 램프 작동을 제어하고 로우빔의 방향을 조절해주는 시스템.
• 하이빔 보조 시스템 (High Beam Assist) : 야간 환경에서 마주 오는 차량, 가로등, 주변 상가 등에서 발생하는 광원여부를 감지해서 하이빔 작동을 조절해주는 시스템.
• 전방충돌 경고 시스템 (Forward Collision Warning) / 전방 충돌방지 보조(Foward Collision-Avoidance Assist) : 앞차와의 충돌 위험을 미리 감지해 운전자에게 경고해주는 시스템. FCA의 경우 충돌 경고뿐만 아니라 차량의 제동과 조향까지 제어해준다.
• SCC (Smart Cruise Control) : 스마트 크루즈 컨트롤 시스템이란 전방 차량과 안전한 거리를 유지하며 운전할 수 있도록 가감속을 제어해주는 시스템. 주행편의성은 높이고 운전의 피로도는 낮춰준다.
• NSCC (Navigation-based Smart Cruise Control) : 내비게이션 기반 스마트 크루즈 컨트롤. 내비게이션의 첨단 운전자 보조 시스템 지도를 이용해 제한 속도 및 도로 곡률에 맞춰 주행속도를 제어해주는 기능이다.
• 고속도로 주행 보조 시스템 (Highway Driving Assist) : 고속도로에서 오랜시간 주행해야 하는 운전자를 위한 주행편의 시스템. 전방의 센서와 카메라를 이용해 앞차와의 거리 및 속도를 감지하여 주행 및 조향을 제어한다.
• RVM (Rear View Monitor with e-Mirror) : 후방 차량이나 장애물과의 충돌을 막기 위해 운전자에게 후방의 상황을 보여주고, 룸미러보다 더 넓은 후방 영역을 보여주며 사각지대 영역을 줄여주는 주차/주행 안전시스템.
• 어라운드 뷰 모니터링 시스템 : 어라운드 뷰 모니터링 시스템(AVM: Around View Monitor) 차량 주변 상황을 시각적으로 보여준다.
• 자동 긴급제동 시스템 : 자동 긴급제동 시스템(AEB: Autonomous Emergency Braking)은 충돌 위험시 운전자가 제동장치를 밟지 않아도 스스로 속도를 줄이거나 멈춘다.

첨단 운전자 보조 시스템의 핵심기술

적응형 크루즈 컨트롤

적응형 크루즈 컨트롤(Adaptive Cruise Control 또는 Active Cruise Control, ACC)은 교통 환경에 따라 속도를 조절할 수 있는 기능이다. 차량 앞쪽에는 레이더 시스템이 있으며, acc 장착 차량은 운전자의 개입 없이 자율적으로 교통상황에 맞춰 속도를 낮추거나 높일 수 있다. 속도가 낮은 차량이 감지되면, acc 시스템은 주행 속도를 낮추고 acc 장착 차량과 전방 차 사이의 거리, 또는 시간 간격을 제어한다. 시스템이 acc 장착 차의 경로에 차가 없는 것을 감지하면, acc 시스템은 미리 설정된 크루즈 컨트롤 주행 속도로 차를 가속한다.

운전자가 지정한 속도를 유지하는 크루즈 컨트롤은 눈부시게 진화했다. 앞차와의 거리나 상대 속도에 따라 스스로 속도를 제어하는 어댑티브 크루즈 컨트롤(스마트 크루즈 컨트롤)은 2021년 출시된 신차에선 탑재되지 않은 차를 찾아보기 어려울 정도로 보편화했다. 2021년 크루즈 컨트롤은 내비게이션이나 센서에서 수집한 정보를 기반으로 더 똑똑하게 작동한다. 제한속도에 맞춰 알아서 속도를 줄이거나, 전방 교통 상황에 맞춰 속도를 조절한다. 고속도로 나들목 등 급회전 구간에 접근하면 미리 속도를 줄이는 식이다. 단순히 속도를 높이고 줄이는 데 그치지 않는다. 평소 운전자의 습관과 성향을 파악, 크루즈 컨트롤에서도 마치 원래 운전자가 차를 모는 것처럼 자연스러운 움직임을 재현한다. 여기에 서스펜션 등에서 전달된 노면 정보에 따라 속도와 거동을 제어하는 기능도 상용화됐다. 작동의 질까지 고려할 정도로 첨단 운전자 보조 시스템 기능이 발전했다. 2021년의 첨단 운전자 보조 시스템은 자율주행차의 영역 바로 코앞까지 와 있다. 테슬라와 BMW, 현대차 등 일부 브랜드는 크루즈 컨트롤 상태에서 운전자가 방향지시등을 켜면 차가 스스로 차선을 변경하는 기능을 일부 탑재한다. 여기에 독일계 고급 브랜드를 중심으로 리모컨 등으로 차 밖에서 자동으로 주차할 수 있는 기능도 속속 선보이고 있다.

스마트 크루즈 컨트롤

과거 운전자가 원하는 속도를 설정하면 거기에만 맞춰 속도를 유지했던 크루즈 컨트롤은 전방에 차가 나타나면 충돌을 피하고자 브레이크를 밟아야 했다. 일단 브레이크를 밟으면 크루즈 컨트롤은 해제된다. 그리고 다시 기능을 활성화해야 한다. 미국처럼 오래 운전을 해도 앞서 달리는 차를 만나기 힘든 운전환경에서 이 같은 크루즈 컨트롤은 어느 정도 유용하지만 한국처럼 교통량이 많은 곳에서는 사실상 무용지물이었다. 그러나 2020년부터 기술이 발전해 속도를 조절해 줄 뿐 아니라 앞차와의 거리까지 자동으로 조절해 주는 스마트 크루즈 컨트롤(SCC: Smart Cruise Control)로 대부분 대체됐다. 크루즈 컨트롤 기능으로 일정한 속도로 주행하다 내 차보다 느린 앞차가 나타나면 자동으로 차의 속도를 줄여 주고, 앞차가 사라지면 다시 원래 설정된 속도로 주행하는 게 SCC의 주된 기능이다. SCC는 앞차와의 거리를 감지하기 위해 전방 레이더 센서를 활용한다.

SCC는 앞차와의 거리에 맞춰 속도를 자동으로 조절하며 주행하게 해 준다. 그런데 앞차가 완전히 정지해서 내 차가 그 뒤에 멈추면, 기존 SCC는 경고와 함께 그 기능이 해제된다. 하지만 스탑앤고(정지 및 재출발) 기능이 있는 SCC는 앞차가 정지하면 기능이 해제되지 않고 그에 맞춰 멈췄다가 앞차가 출발하면 다시 출발한다. 이 기능은 가다 서다를 반복하는 차량 정체 상황에서 진가를 발휘한다. 단, 앞차가 정지 후 약 3초 이내에 출발하지 않으면 앞차를 따라서 출발하지 않는다. 이때는 가속 페달을 살짝 밟거나 스위치를 조작하면 차가 출발하고 동시에 스탑앤고가 다시 활성화된다(가속 페달 외 작동 스위치는 차종마다 다를 수 있음). 앞차가 약 3초 이상 멈출 때 앞차를 따라가는 기능이 일시적으로 중단되는 이유는 승객의 안전을 최우선으로 고려했기 때문이다. 일정 시간 이상 정지해도 스탑앤고 기능이 중단되지 않으면 교차로 등의 복잡한 도로에서 운전자가 전방을 주시하지 않은 채 차가 출발할 경우, 신호가 바뀌어 사고가 발생할 수도 있기 때문이다. 운전자는 편리한 첨단 운전자 보조 시스템 기능을 활용하더라도 이런 기술적인 설정을 고려해 항상 전방을 주시하면서 차를 운행해야 한다. SCC 스탑앤고 기능을 수행하기 위해서는 기존 SCC가 전방 레이더만 이용하는 것에 비해 앞차의 인식 성능을 향상하기 위한 전방 카메라가 추가로 필요하다.

자동 긴급제동

긴급상황 자동 브레이크(Autonomous Emergency Braking, AEB)는 첨단 운전자 보조 시스템 기능 중 가장 많이 보급되고 잘 알려진 것이다. 보행자 또는 차량의 충동·추돌 등 사고 발생이 예상되면 브레이크를 직접 작동하여 사고를 방지한다. 2006년 볼보가 최초로 양산화에 성공, 이후 대부분의 자동차 회사들이 채택한 기술이다. 볼보는 안전기능 패키지 ‘시티 세이프티'를 통해 시속 50㎞ 이하의 속도에서 앞차와 충돌 위험이 감지되면 차가 스스로 멈춰 세우는 기술을 선보였다. 차가 외부환경을 인식하는 센서기술이 눈부시게 발전하면서, 자동 긴급제동 기술 역시 더욱 정교해지고 다양한 상황에 대응토록 변화했다. 양산차 분야에서 2021년 첨단 운전자 보조 시스템 장치들은 차와 사람, 자전거, 오토바이 등의 사물을 정확히 인식해 충돌 상황에서 차의 속도를 줄이거나 충격위험을 최소화하도록 거동한다. 여기에 교차로에서 반대편 차선을 달리던 차가 차선을 넘어오는 경우까지 명민하게 인식하거나, 2차·3차 사고를 피하도록 회피하는 수준으로 발전했다. 긴급제동 시스템은 운전자의 실수(휴먼 에러)를 보정해준다는 점에서 첨단 운전자 보조 시스템의 안전성을 상징하는 대표적인 기술로 자리 잡았다. 전방 장애물뿐만 아니라 후진 시 장애물 인식은 물론 사각지대에서 접근하는 차에 대해서도 반응하는 기능들이 최근 출시된 신차에 다수 탑재될 정도로 대중화된 기술이기도 하다.

전방 충돌방지 보조

전방 충돌방지 보조(FCA: Forward Collision-Avoidance Assist) 시스템은 전방의 자동차나 보행자, 자전거 탑승자와의 충돌 위험을 감지하면 경고를 울리고 운전자가 브레이크 조작을 하지 않을 경우 자동으로 브레이크를 제어해 피할 수 있도록 도와주는 주행 안전 기술이다. 현대·기아차는 안전을 최우선으로 고려해, 2018년부터 출시되는 완전 신차부터 전방 자동차와 보행자 대상 FCA 시스템을 옵션이 아닌 기본 항목으로 제공하고 있다. 현대·기아차의 FCA는 전방 카메라를 기반으로 작동하며 전방의 자동차와 보행자를 인식해 충돌 가능성을 계산하고, 충동이 예상될 경우 제동을 보조해 충돌하지 않도록 도와준다. 현대·기아차는 뛰어난 학습기반 인식 기술을 바탕으로 자동차와 보행자 인식률을 세계 최고 수준으로 높였고 매우 빠른 반응 속도를 자랑한다. 여기에 덧붙여 현대·기아차는 전방 카메라와 더불어 전방 레이더까지 추가해 자동차와 보행자뿐만 아니라 자전거를 탄 사람까지 인식할 수 있는 기술을 개발했다. 전방 레이더는 전파를 이용해 사물과의 거리를 측정하는 센서로, 탐지 거리가 길고 다양한 날씨 조건에서도 우수한 측정 능력을 발휘한다. 그래서 전방 카메라와 전방 레이더를 같이 사용할 경우 인식 대상과 범위가 넓어진다. 현재 현대·기아차는 동물이나 도로에 떨어진 상자 등 기타 물체에 대한 인식률을 높이기 위한 연구도 진행 중이다. 이렇게 FCA의 센서가 특정 대상을 선택적으로 인식하는 것은 빠르게 움직이는 자동차가 장애물을 실시간으로 판단해 브레이크를 신속하게 제어해야 하기 때문이다. 이에 따라 다양한 자동차와 사람의 움직임에 대한 특징을 제어 시스템에 미리 입력해 둔다. 그리고 전방 카메라와 전방 레이더를 통해 들어온 정보와 비교해 브레이크 제어 여부를 빠르게 판단한다. 하지만 동물이나 바위, 상자 등 불특정 사물을 모두 제어 시스템에 입력하는 데에는 물리적인 한계가 있을 수밖에 없다. 이런 이유로 우선 가장 중요한 자동차와 보행자, 자전거 탑승자부터 인식되도록 FCA를 개발했다. 그러나 첨단 운전자 보조 시스템 기술이 계속 발전하고 있기 때문에 앞으로 장애물 인식 범위는 매우 넓어지게 될 것이다.

차로 이탈방지 보조와 차로 유지 보조

장거리 운행이 많은 운전자, 갓 면허를 딴 초보 운전자 등에게 첨단 운전자 보조 시스템 기능 중 차선이탈방지 보조(LKA: Lane Keeping Assist)와 차선 유지보조(LFA: Lane Following Assist)는 든든한 동반자다. 초기 차선이탈경고장치(LKS)는 운전자가 방향지시등을 켜지 않고 차선을 옮기면 졸음운전 등 운전에 집중하지 못하는 상태라고 차가 판단, 빛과 소리 및 진동 등으로 운전자 주의를 환기하는 역할을 했다. 자동차 업계는 여기서 한발 더 나아가 차가 스스로 원래 차선으로 돌아오거나(LKA), 차가 아예 차로 중앙을 유지토록 돕는(LFA) 기능까지 양산화에 성공했다.

LKA는 자동차가 차로를 벗어날 것 같은 순간에 조향을 보조해 차량이 차로를 벗어나지 않도록 도와준다. 반면 LFA는 차가 차로 중앙을 유지하며 주행할 수 있도록 하는 기술이다. LKA는 자동차가 차로를 벗어나려 할 때쯤 조향을 제어하기 시작한다. 하지만 LFA는 차가 차로 중앙에서 30cm만 벗어나도 작동하기 때문에 사실상 상시 작동 상태라고 봐야 한다. LFA가 LKA보다 훨씬 넓은 제어 범위를 가진 것은 이런 이유 때문이다. 운전자 입장에서 자동차가 차로를 이탈하지 않더라도 한쪽 차선에 치우쳐 주행하면 불안감을 느낄 수 있다. 또한, 자동차가 차로 중앙을 꾸준히 유지하며 주행하는 것을 선호하기 때문에 LKA보다 LFA가 더 우수한 기능이라 여기기도 한다. 하지만 LKA는 자동차가 차로를 벗어나기 전 최종적으로 작동하기 때문에 편의성 측면에서 LFA보다 떨어지지만, 안전을 위해 꼭 필요한 시스템이다. 자연스럽게 운전을 돕는 LFA는 최소한의 힘으로 스티어링 휠을 미세 조정하면서 차가 차로 중앙으로 달리도록 보조한다. 이때는 운전자가 스티어링 휠을 돌려도 방해받는 느낌이 거의 없다. 운전자가 방향을 바꿀 때 첨단 운전자 보조 시스템이 강력하게 개입하면 스티어링 휠이 잠기는 듯한 느낌을 주고, 오히려 운전에 방해가 될 수 있음으로 운전자가 알아채기 힘든 약한 힘으로 제어를 한다. 이와 달리 LKA는 차가 차로를 벗어나 옆 차로로 넘어가려는 순간에 더욱 강한 힘으로 차로 이탈을 방지한다. 방향지시등을 켜지 않고 차로를 바꿀 때 스티어링 휠이 쉽게 돌아가지 않고 강하게 저항하는 듯한 느낌이 들 때가 바로 LKA의 작동 순간이다. 만약 이처럼 강한 힘이 항상 스티어링 휠에 가해진다면 자연스러운 운전이 힘들어질 수밖에 없다. LFA가 운전 편의에 초점이 맞춰져 있다면 LKA는 사고를 방지하는 최후의 보루인 셈이다. LFA는 차선을 인식해 차로 중앙을 유지하다가, 차선이 없어지면 앞차를 추종하는 기능이 작동한다. 차선 정보뿐 아니라 탑승자를 최대한 안전하게 보호하기 위해 앞서가는 차를 인식해 최대한 차로를 벗어나지 않도록 개발됐다. 물론 차선이 선명할 경우에는 차선 정보를 이용해 차로 중앙을 유지한다. 그러나 차선 인식이 힘들 경우 부가적으로 앞서가는 차의 정보를 같이 활용한다. LFA는 이러한 기술 덕분에 차선 인식이 어려운 60km/h 이하 속도에서도 차의 대열을 벗어나지 않도록 도와준다.

장점

안정성

첨단 운전자 보조 시스템의 가장 큰 장점은 객체와 차량 환경을 모두 감지할 수 있다는 것이다. 안정적으로 교통 상황을 예측할 수 있는 것이다. 기존의 자동차 안전 기술을 사고 발생 후 탑승객의 상해를 저감하기 위한 안전벨트, 에어백 등의 수동형 기술 혹은 긴박한 순간에 사고 가능성을 줄여주는 브레이크 잠김 방지(Anti-lock Brake System, ABS)와 전자식 자세 제어(Electronic Stability Control, ESC) 같은 보조 기술이 전부였다. 그러나 첨단 운전자 보조 시스템 안전 기술은 기존 기술을 뛰어넘어 사고가 일어나기 전에 위험을 미리 감지하고 이를 회피할 수 있게 도와줌으로써 사고 자체가 일어나지 않도록 하는 것을 목표로 개발되고 있다. 컨슈머 리포트(Consumer Reports)가 공개한 미국 고속도로 안전보험협회(IIHS, Insurance Institute for Highway Safety)가 2017년 실시한 조사에 따르면, 전방 충돌 경고와 자동 응급 제동 장치를 갖춘 자동차가 해당 시스템을 갖추지 않은 차에 비해 전방 추돌 사고 발생률이 50% 더 낮은 것으로 나타났다. 단순한 수준의 첨단 운전자 보조 시스템 애플리케이션조차 갖추지 않은 자동차들은 가장 높은 사고 발생률을 보였다. 물론 사고가 발생하면 그 책임은 운전자에게 있다. 하지만 첨단 운전자 보조 시스템 안전 기술은 첨단 센서와 제어 장치를 통해 운전자가 인지하지 못한 위험까지 감지해 사고를 방지하거나 줄일 수 있도록 도와준다. 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS, Advanced Driver Assistance System)이 사고를 줄이고 생명을 구할 수 있는 기능이라는 것이 입증되고 있다.

첨단 운전자 보조 시스템 고려사항

첨단 운전자 보조 시스템을 위한 지능적 센싱

기존에는 첨단 운전자 보조 시스템 용도로 수집된 이미지 데이터를 컴퓨터 비전 알고리즘을 사용해 처리, 분석해왔다. 그러나 첨단 운전자 보조 시스템 기능이 점점 고도화되고, 도로 위에서 운전자와 자동차가 마주하는 여러 상황에 민첩하게 대응하기 위해, 개발자들은 컴퓨터 비전 이상의 추가적인 툴을 필요하게 됐다. 모든 상황에서 첨단 운전자 보조 시스템이 일관성 있게 작동하도록 유지하는 것은 간단한 일이 아니다. 갑작스러운 악천후, 위험한 도로 상태 등 예기치 않은 상황에서도 자동차가 즉각 대처할 수 있어야 한다. 자동차가 주변 상황을 감지, 해석하고 이에 민첩하게 대처할 수 있는 역동적인 시스템을 개발해, 운전자를 위해 능동적으로 보조하는 이른바 ‘비행기의 부기장’과 같은 역할을 수행하도록 할 수 있을 것이다. 이런 시스템을 위해서는 필요한 데이터를 수집하고, 컴퓨터 비전과 효율적인 딥러닝 기술 등을 사용해 데이터를 실시간으로 처리할 수 있어야 한다. 첨단 운전자 보조 시스템 솔루션을 구현하기 위해서는 각종 센서로부터 얻은 데이터를 유용한 정보로 변환하고, 이를 받아들인 자동차가 즉각적으로 조치할 수 있도록 해야 한다. 센서는 기본적으로는 카메라, 레이더, 초음파 등이 있으며, 라이다(LiDAR), 나이트 비전 열화상 카메라와 같은 복잡한 시스템들도 있다. 센서 데이터로부터 추출된 특징을 고선명 지도 데이터와 비교해 차량의 위치도 측정할 수 있다. 자동차는 뒷좌석을 데이터 센터나 서버로 바꾸지 않고도, 초당 60번씩 시스템에 도착하는 각종 센서 데이터들을 실시간으로 융합, 분석할 수 있어야 한다.

SoC를 통한 시스템 고도화

운전자가 신체 감각들을 통해 받아들인 다양한 정보들을 동시에 처리하고, 안전한 운전을 위한 의사결정을 즉각적으로 내릴 수 있듯이, 모든 첨단 운전자 보조 시스템 애플리케이션이 이런 기능을 능동적으로 수행할 수 있어야 한다. 고성능 SoC(System on Chip)를 사용하면 전력, 열, 부품, 통합 비용 등의 여러 제약 조건들 속에서도 프로세싱을 동시에 처리할 수 있다. 즉, 기존 첨단 운전자 보조 시스템 기능 수준을 낮추지 않고도, SoC 솔루션을 사용해 단순한 시스템(적은 수의 센서, 낮은 해상도의 제품)부터 복잡한 구성의 시스템까지 모두 구현해낼 수 있는 것이다. 애플리케이션 성능을 만족한다는 것은 차량의 여러 기능 중 단 한 가지에 대한 해결일 뿐이다. 다양한 차종을 지원하기 위해서는 최대한 낮은 비용으로 시스템을 개발할 수 있어야 한다. 자동차의 소프트웨어 복잡성이 기하급수적으로 높아지고 있다. 이미 코드 규모는 1억 5,000만 라인에 달하며, 개발 비용과 유지보수 비용도 늘어나고 있다. 차량 시스템의 상황 인식 능력이 좋아질수록 안전성에 대한 요구도 높아지고 있으며 엄격한 품질, 신뢰성 요건을 충족해야 한다. 이것이 현 자동차 시장의 요구이자 실정이다. 이 모든 요구는 적합한 SoC를 사용함으로써 충족시킬 수 있다. 다양한 애플리케이션들의 요구에 따라 메모리, 입·출력, 프로세싱 코어와 같은 것들을 적절히 조합해 시스템의 BOM 목표를 달성할 수 있다.

통합 첨단 운전자 보조 시스템 프로세서 플랫폼

텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments, 이하 TI)는 앞서 말한 첨단 운전자 보조 시스템의 요구를 충족하기 위해 자신토 7(Jacinto 7) 프로세서 플랫폼을 개발했다. 자동차 주변 전 방향을 모니터링하는 센싱 성능을 탑재하고 전력, 시스템 비용을 최적화하는 등 전체적인 시스템을 고려한 플랫폼이다. 플랫폼은 TDA4VM과 DRA829V 프로세서와 전처리 데이터와 결합한 온 칩 분석 자료로 효율적인 시스템 성능을 보여준다. 안정성과 관련한 기능들도 단일 디바이스로 통합해 제공하며, 고속 자동차 인터페이스를 지원해 데이터 관리 성능을 향상했다. TI는 자신토 7 프로세서 플랫폼을 통해 첨단 운전자 보조 시스템과 게이트웨이 시스템으로서 현실적인 성능을 제공하고 비용을 절감해, 첨단 운전자 보조 시스템 기술에 대한 접근성을 높인다.

첨단 운전자 보조 시스템 센서

Strategy Analytics에 따르면 첨단 운전자 보조 시스템의 글로벌 시장규모는 2023년경 438억 달러에 달하는데, 이 중에서 센서 매출액이 168억 달러에 이를 만큼 첨단 운전자 보조 시스템 시장에서 센서가 차지하는 비중은 절대적이다. 첨단 운전자 보조 시스템은 크게 인지, 판단, 제어 등 세 분야의 기술로 구성된다. 여기에서 센서와 관련된 것은 인지 영역이다. 인지 영역은 센서(Sensor)를 사용해 장애물, 도로 표식, 교통신호 등을 인식하는 기술을 말한다.

• 인지 영역 : 인지 영역은 카메라(Camera), 레이더(Radar), 라이다(LiDAR), 위치측정(GPS), 자이로스코프(속도, 방향 변화 측정) 등의 센서를 사용해 장애물, 도로 표식, 교통신호 등을 인식을 통해 주행이나 주차 시 발생할 수 있는 사고의 위험을 알려주고 차량이 운전자를 대신해 부분적으로 제동하고 조향을 제어하는 기술이다.
• 판단 영역 : 판단 영역은 인지 신호들을 효율적으로 분석해(소프트웨어 알고리즘 + ECU/DCU) 차량의 행동 지시를 내리는 기술에 해당한다.
• 제어 영역 : 제어 영역은 지시된 행동을 추종하기 위해 조향, 가·감속 등을 제어하는(액추에이터) 기술을 포함한다.<ref name="이나리">

카메라

카메라(Camera)는 레이더·레이다를 통해 파악할 수 없는 정확한 형상 정보를 확인할 수 있다. 그래서 첨단 운전자 보조 시스템 시스템에서 가장 기본이 된다. 교통 표지판의 인식, 사각지대 탐지, 차선 이탈 등을 판단하기 위해서는 카메라를 통한 데이터의 정확한 분석이 필수이다. 스테레오(Stereo) 방식의 카메라를 이용하면 렌즈 간 시각차를 통해 물체를 3차원으로 인지하여 형상 정보에 거리정보까지 얻을 수 있는데, 물론 이렇게 하면 가격이 상승하므로 단안(Mono) 카메라를 통해 여러 기능을 동시에 수행할 수 있도록 하기도 한다. 카메라의 이미지 처리 기술을 기반으로 하는 모빌아이는 카메라 기반의 이미지 처리 알고리즘과 첨단 운전자 보조 시스템 기능을 작동시키는 제품을 출시하고 있는데, 2018년 EyeQ5라는 이름의 차량용 프로세서를 발표하기도 했다.

레이더

레이터(Radio Detection And Ranging Rader)는 허공에다 전자파를 쏜 다음, 어떤 물체에 부딪혀 돌아오는 반사파를 측정하여 탐지된 물체의 방향·거리·속도 등을 파악하는 시스템이다. 전파를 이용하기 때문에 기상환경이나 밤낮을 구별하지 않고 안정적으로 거리를 측정할 수 있다. 카메라를 보완하는 역할을 한다고 전해지는 건 이 때문이다. 레이더는 측정 거리와 측정 각도를 동시에 늘리는 게 어렵기 때문에 첨단 운전자 보조 시스템 기능에 따라 장거리용 레이더와 중/단거리용 레이더로 나누어 적용된다. 기술 측면에서 차량용 레이더는 데이터의 정확성을 높이기 위해 측정 거리와 측정 각도, 주파수 대역폭의 확대를 목표로 발전하고 있는 한편 경량화·소형화·저가화를 위한 노력도 이루어지고 있다.

라이다

라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR)는 레이더와 기본 원리는 같지만 발사하고 수신하는 대상이 전파가 아니라 고출력의 펄스 레이저이다. 이를 통해 거리 정보를 획득한다. 이 점이 레이더와 다르다. 라이다 센서에서 끊임없이 레이저 광선을 쏘아 되돌아오는 속도를 측정하는 라이다는 거리를 계산하는데 1초에 수백만 번의 광선을 쏜다. 미국의 달 탐사 초기에 달의 지형을 알아내기 위해 사용되는 등 지리학적으로 활용됐던 라이다가 처음 자동차에 사용된 것은 2005년경이다. 미 국방부가 주최한 자율주행차 경진대회인 다르파(DARPA)에서 스탠리(Stanley, 스탠퍼드 대학과 폭스바겐이 공동으로 만든 자율주행차량)는 5개의 라이다를 차량 지붕에 설치하여 우승하는 영광을 안았는데, 이 무렵부터 현재 대표 라이다 회사인 벨로다인(Velodyne)이 라이다안전기술의 발전은 자동차의 역사 자체라고 해도 과언이 아니다. 첨단 운전자 보조 시스템이 등장하면서 자동차는 탑승객의 안전을 수동적으로 대비하는 것이 아니라 적극적으로 지켜주는 방향으로 발전했다. 첨단 운전자 보조 시스템의 보급은 미래 자동차 시대를 대비하는 완성차 업체들에게도 중요하다. 소비자들이 잘 만든 첨단 운전자 보조 시스템에 익숙해질수록 자율주행차에 대한 막연한 불안감이 줄어들기 때문이다.앞에 도로에 관심을 두고 개발과 활용에 뛰어들었다. 라이다는 360도 회전하는 센서에서 받아들이는 정보로 진행 방향에 따라 앞에 도로가 어떤지, 신호등은 무엇인지 등을 예측하고, 실시간으로 변화하는 도로 상황을 확인하여 사람이 길을 건너가는지, 다른 차들이 어떻게 움직이는지를 알아내고 움직임을 예측하여 운행에 반영한다.

각 센서의 통합

첨단 운전자 보조 시스템 센서인 카메라·레이더·라이다는 각각의 장단점이 분명히 존재하기 때문에 통합센서를 개발하는 추세로 바뀌고 있다. 자율주행은 안전과 직결되므로 오류가 없는 정보를 전달하기 위해 첨단 운전자 보조 시스템 센서에서 용장성(Redundancy)을 추구하는 경향이 있는데, 3가지 센서를 통합하여 안정성을 높이고자 하는 것이다. 그러나 이종의 센서 간 다른 데이터를 공급할 경우 어떤 것에 최우선 가치를 두는가 하는 문제는 남게 된다.

전망

2018년 첨단 운전자 보조 시스템이 적용된 기술을 살펴보면 자동차 스스로 앞차와의 거리와 차선을 유지하며 주행할 뿐만 아니라 카메라가 교통표지판을 읽고 인지해 규정 속도에 맞춰 속도를 줄이거나 내비게이션 지도와 연동해 교차로나 코너에 진입하기 전에 속도를 낮추는 경지에 이르렀다. 앞으로는 클라우드 서버를 기반으로 내비게이션 경로상의 위험 상황을 미리 인지하고 대비할 수 있을 정도로 발전할 수 있다. 예를 들어 앞서가던 차량이 미끄러지며 차체자세제어장치가 작동하거나 긴급 제동장치가 작동했다면 이 정보가 자동차업체의 중앙 클라우드 센터로 전달되고 즉시 내비게이션 지도에 사고위험 지역으로 표시되는 동시에 근처에 도달하기 전에 자동차 스스로 속도를 낮춰 사고에 대비할 정도로 발전할 것이다. 이처럼 운전자에게 잠재적인 위험 요소를 미리 전달해 사고를 예방하는 기술은 향후에 모든 자동차끼리 서로 데이터 통신이 가능해지는 커넥티드 카 기술과 연계되어 발전하며 상대 차량이 보이지 않는 교차로나 골목길 모퉁이에서 일어나는 충돌 사고마저 사라지게 할 것이다. 이처럼 첨단안전기술은 빠르게 변하고 있다. 출시 시기에 따라 다르지만, 요즘 출시하는 대부분 자동차는 기본으로 첨단 운전자 보조 시스템을 포함하거나 옵션으로 선택할 수 있다. 현대기아자동차는 첨단 운전자 보조 시스템 기술을 소형차부터 대형차까지 적용하고 있다. 수입차의 경우 값비싼 중·대형차에만 첨단 운전자 보조 시스템이 장착되어 있다. 가격이 너무 비싸지기 때문이다. 수입 자동차업체보다 현대기아자동차가 안전을 위한 첨단기술을 차체 크기에 차별 없이 고르게 적용하고 있던 셈이다. 2018년 현대기아자동차에 적용된 첨단 운전자 보조 시스템 관련 첨단 안전 기술과 편의 장비는 자동 긴급제동(AEB), 전방충돌방지 보조(FCA), 전방충돌 경고(FCW), 차선이탈방지(LKA), 차로이탈경고(LDW), 차로유지보조(LFA), 차선 유지지원(LKAS), 후측방 충돌 회피(ABSD), 어라운드 뷰 모니터링(AVM), 하향등 제어 보조(LBA), 운전자 주의 경고(DAW), 스마트 크루즈 컨트롤(SCC) 등이다. 국내에서 현대기아자동차의 지능형 주행 안전기능은 수입차보다 성능이 우수한 편이다. 국내 교통체계와 잘 맞기 때문이다. 2017년 국내 교통사고 사망자는 4,185명이었습니다. 자동차 탑승 중 사망자가 전체의 34%를 차지했고 보행자 사망사고가 40%에 이르고 있다. 첨단 운전자 보조 기술의 발전은 자동차 교통사고로 인한 사망자가 없는 사회로 나아가는 지름길이 될 것이다. 첨단 운전자 보조 시스템 관련 기술과 산업은 갈수록 빠르게 발전할 전망이다. 시장규모는 2016년 160억 달러에서 2021년 370억 달러까지 성장할 것으로 예상된다. 자동차업체는 첨단 운전자 보조 시스템 부품 모듈의 소형화와 가격 경쟁에 온갖 힘을 쏟을 것으로 보인다. 국내 자동차업체는 경쟁력 확보를 위해 핵심 부품의 자체 개발에 힘써야 한다.ref name="이승용"/>

시장조사기관 욜디벨롭먼트(Yole Développement)에 따르면 2020년 첨단 운전자 보조 시스템 시장은 82억 달러에 이를 것이며, 연평균 21%로 성장해 2025년에는 224억 달러 규모를 형성할 것으로 전망했다. 첨단 운전자 보조 시스템의 핵심은 센서다. 첨단 운전자 보조 시스템은 전방충돌방지, 차선이탈방지 등 인지 영역을 중심으로 카메라, 레이더, 라이다 수요가 증가하고 있기 때문이다. 2020년 첨단 운전자 보조 시스템 시장 매출의 거의 절반은 레이더(38억 달러)와 카메라(35억 달러)가 차지하고 있다. 지금까지 레벨2는 카메라와 레이더가 일부 고급 차량을 중심으로 적용되었지만 향후 미들레이지와 엔트리급의 차량으로 적용이 확대되면 성장이 더 빠르게 상승할 것으로 본다. 2025년까지 카메라는 81억 달러, 레이더는 91억 달러 매출 규모로 성장이 전망된다. 2020년 라이다(LiDAR)의 매출은 4,000만 달러가 예상되며, 이는 카메라와 레이더보다 현저히 작은 규모다. 그러나 앞서 언급했듯이 자율주행 레벨3부터는 라이다의 도입이 필수적이기 때문에 앞으로 성장 가능성이 높다. 라이다는 2020년부터 무려 113%라는 연평균 성장률을 기록하며 2025년 17억 달러 규모를 형성할 것으로 전망된다. 판단영역을 담당하고 있는 첨단 운전자 보조 시스템 컴퓨팅은 13억 달러 매출이 생성될 것으로 전망된다.<ref name="이나리">

같이 보기

• ADAS
• 자율주행

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