[車블랙박스]카메라부터 초음파까지…안전한 자율주행, 4개 센서에 달렸다

[서울=뉴시스] 현대모비스가 독자 개발한 센서를 시험하고 있는 모습 (사진=현대모비스 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스] 최희정 기자 = 자율주행차는 전통적인 차량과 다르다. 인간처럼 사고하고 스스로 운행해야 한다.

자율주행차 운행 원리도 인간과 동물들의 사고 과정과 크게 다르지 않다. 인간이 감각 뉴런(신경세포)을 통해 감각을 느끼듯 자동차도 카메라, 레이더, 라이다, 초음파 등 센서들이 주변 환경 요소를 인식한다. 각 상황에 맞춰 프로그래밍 되어있는 제어기는 인간의 중추신경계와 같은 역할을 한다. 이 제어기가 자동차 각 부품에 명령을 내려 마치 인간이 두 발로 움직이듯 자동차는 스스로 움직인다.

생각과 움직임에 밑바탕이 되는 것은 눈·코·입 등 감각기관을 통해 수집되는 정보다. 수집된 주변 정보가 부정확하면 이후 중추신경계의 판단과 그로 인한 움직임이 잘못될 가능성이 크다. 자율주행차가 인간의 도움없이 스스로 안전하게 운행하기 위해서 고도화된 센싱 능력이 필요한 이유다.

자율주행차, 카메라·라이다·레이더·초음파 등 센서로 주변 인식

자율주행차는 크게 카메라, 라이다, 레이더, 초음파 등 네 가지 센서를 통해 주변 환경을 인식한다. 인간의 눈, 코, 입, 귀가 각각의 역할이 있듯 이 센서들도 전문 분야가 있다.

카메라 센서는 주변 물체를 식별한다. 다른 센서들과 비교해 카메라 센서는 주변 물체가 사람인지, 차량인지, 사물인지 파악하는데 이용될 수 있다. 그러나 카메라 센서는 어두운 공간이나 악천후 상황일 때는 촬영이 어려워 물체식별에 어려움이 있다. 이를 위해 라이다 같은 기술이 필요하다. 하지만 카메라 센서 해상도도 시간이 지날수록 높아지며, 기상상황이 안 좋아도 정확한 물체 식별이 가능해지고 있다.

국내 종합부품사인 현대모비스는 과거 차선을 인식하는 데만 사용되던 카메라 센서를 가드레일, 연석, 자갈, 잔디를 인식하는 기술 개발에 성공해 양산 중이다. 기존에는 평면만 인식이 가능했으나 평면이 아닌 상승된 구조물까지도 식별이 가능해졌다. 또 기존 화각을 약 50도에서 100도까지 넓혀 전후방 카메라만으로도 측면 차량을 인식할 수 있다.

라이다 센서와 레이더 센서는 모두 파동을 외부 물체에 보내고, 각 물체에 의해 산란된 신호를 수신한다. 레이더는 전자기파를 물체에 보내 거리·속도를 측정한다. 라이다와 비교해 가격은 저렴하지만 물체의 정확한 형태를 인식하는 것은 어렵다.

라이다는 레이저를 물체와 주고받으며 3차원 지도를 만들어낸다. 라이다는 특히 대부분 사용하는 905㎚의 짧은 파장을 이용해 레이더보다 공간 분해능력이 훨씬 정밀하다. 레이더는 차량 내부에 장착돼 카메라와 함께 사용되지만, 라이다는 차량 외부에 장착돼 360도로 초당 수십 바퀴를 돌며 주변과 레이저를 주고받는다. 레이더보다는 정확성이 높지만 가격이 비싸고, 소비전력이 높다는 점이 큰 단점으로 꼽힌다.

차량용 레이더는 보통 77~79㎓ 대역의 주파수를 이용한다. 식별할 수 있는 거리에 따라 단거리·중거리·장거리 레이더로 구분한다. 100m 이하의 거리 물체를 중장거리 레이더는 200~300m 물체까지 식별 가능하다. 단거리 레이더는 장거리 레이더보다는 멀리 식별할 수는 없지만, 더 넓은 화각으로 물체를 명확히 탐지할 수 있다.

자동차는 필요성에 따라 각 종류의 레이더를 사용한다. 예를 들어 장거리 레이더는 일반적으로 전방 센서에 적용되며, 앞 차와의 간격을 유지해주는 어댑티브 크루즈 컨트롤 기능을 돕는다. 단거리 레이더는 근접 충돌 경고를 하는 것에 많이 쓰인다.

[서울=뉴시스]테슬라 모델Y

차량용 레이더가 77㎓ 주파수 대역을 사용하는 이유는 안테나 사이즈와 관련이 있다. 77㎓ 전파의 파장 길이는 3.9㎜로 매우 짧다. 안테나 길이는 파장 길이와 비례해 레이더 모듈을 작게 만들 때 유리하다. 또한 77㎓는 파장이 1㎜~1㎝로 짧은 밀리티터파인데 파장이 짧기 때문에 해상도가 높다. 전파는 파장이 짧고 진동수가 많은 전파일수록 감쇄효과가 커져 전파가 멀리가지 못한다. 때문에 77㎓의 전파는 휴대전화 같은 장거리 통신보다는 200~300m의 차량용 레이더 용도로 사용되고 있다.

레이더와 라이다가 주로 원거리 물체 인식에 사용됐다면, 초음파 센서는 가까운 물체를 인식하는데 사용된다. 주로 자율 주차를 할 때 필요하다. 초음파는 음파를 이용하는데, 비가 와도 사용이 가능하며 심지어 물 속에서도 사용 가능하다. 다른 센서들과 비교해 가격도 저렴하다. 그러나 고속에서는 측정이 어렵고, 감지 거리가 짧다는 단점이 있다. 이러한 이유로 주로 주차 시 외부 장애물을 식별하는데 사용된다.

안전하고 정확한 운행하려면 4개 센서가 어우러져야

자율주행차가 안전하고 정확한 운행을 하기 위해서는 각 감각기관들의 특징이 적절히 어우러져야 한다. 레이더만으로는 물체의 정확한 식별이 불가하고, 카메라는 혼자서 원근감을 정확히 판별하기에는 아직 한계가 있기 때문이다. 자동차 산업에서 이 같은 다양한 센싱 기술을 종합적으로 연구하고 개발하는 것은 미래 경쟁력 확보에 필수적인 요소다.

현대모비스는 글로벌 라이다 1위 업체인 벨로다인에 투자를 밝힌 바 있다. 2012년 설립된 루미나는 토요타, 다임러, 볼보 등과 적극적인 파트너십을 유지하고 있다. 이 밖에도 발레오, 이노비즈, 쿼너지 등 다양한 글로벌 라이다 회사들이 자동차 업계뿐만 아니라 IT업계와도 협업 중이다.

자율주행은 복잡한 시스템을 구성하는 각 유닛을 유기적으로 제어할 수 있는 통합 솔루션이 반드시 필요하다. 이에 따라 현대모비스는 현대차와 공동으로 센서뿐 아니라 다양한 자율주행차 핵심 기술을 개발하고 있다. 최근에는 카메라와 레이더 등 자율주행 센서를 활용해 차량 충돌이 예상되면 좌석벨트와 에어백을 자동 조절해주는 안전 신기술을 개발했다.

[서울=뉴시스] 현대모비스 초단거리 레이더 센서 (사진=현대모비스 제공) *재판매 및 DB 금지

현대모비스 관계자는 "카메라와 내비게이션 정보를 연동해 과속방지턱 등에서 차체 높이를 조절하는 신기술을 선보인 것도 이러한 일환"이라고 설명했다.

구글 자율주행 기술 자회사인 웨이모를 비롯해 볼보와 아우디 등 자동차 업계 대부분이 카메라, 레이더, 라이다 등 다양한 센서들로부터 수집되는 정보들을 통합 처리하는 '센서 퓨전'을 채택하고 있지만, 일부 업체들은 비용 등을 고려해 하나의 센서만 이용한 자율주행기술을 개발 중이다.

미국의 테슬라가 대표적이다. 일론 머스크 테슬라 CEO(최고경영자)는 라이다의 가격이 비싸고, 소비전력이 크다는 이유로 라이다 없이 카메라 센서만 이용한 자율주행차를 만들겠다고 선언한 바 있다.

테슬라 뿐만 아니라 독일 다임러도 라이다를 사용하지 않고 카메라와 밀리미터파 레이더만으로 자율주행 기술을 확보하는 연구를 진행 중이다. 국내에서는 자율주행 스타트업 포티투닷(42dot)이 라이다 없이 카메라와 레이더의 센서 퓨전 기술만으로 자율주행 기술 개발을 이어가고 있다.


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