자율주행자동차의 사전적 의미는 ‘운전자가 차량을 조작하지 않아도 스스로 움직이는 자동차’이며 엔지니어링적인 의미는 ‘차량이 장착된 센서로부터 취득한 데이터를 가공해 주변을 인지, 판단한 뒤 핸들의 모터와 액셀, 브레이크에 명령치(조향각도와 가속도)를 입력해 차량의 종횡방향을 제어함으로써 운전자의 전방 주시의무 없이 구동되는 자동차’다.즉 정보를 취득하는 ‘센서’와 이를 인지·판단하는 ‘Brain’, 그리고 제어에 필요한 ‘전자장치’에 의해 자동차가 주행되는 것을 말하며 운전자가 운전석에서 책이나 휴대전화를 볼 수 있게 된다.
인지, 주변 환경을 어떻게 인지하는가?
일반적으로 사람이 운전을 할 때는 눈으로 차선, 신호등, 보행자 등을 보고 인지한다. 자율주행차에서는 이런 기능을 하는 게 바로 ‘센서’다. 라이다, 레이더, 카메라, GPS, 초음파 센서 등을 차량에 탑재해 차량 주변 환경을 인지하고 어떻게 주행할 것인지에 대한 정보를 제공한다.
차량 위치 인지
우선 지도 내에서 차량 위치를 찾는 것은 GPS(Global Positioning System)와 정밀지도의 맵 매칭을 이용한다. GPS를 이용한 위치 인지는 주변에 높은 구조물이 없는 환경에서는 정확하지만 도심과 같은 환경에서는 최소 2~3m에서 최대 50m까지 오류가 발생한다. 반면 도심 자율주행을 위해서는 50cm, 1도 이내 절대좌표와 헤딩각(북측을 기준점으로 했을 때 물체의 방향이 북쪽과 얼마나 회전각도를 갖고 있는지를 의미하며 +각도는 시계방향으로, -각도는 회전한다)을 취득해야 한다. 따라서 센서로부터 인지된 차선, 건물, 도로 구조물을 정밀 지도로 찾고 인지된 거리를 정밀 지도로 역계산하여 지도 내에 차량의 위치를 찾는 것이다.
주요 센서: 카메라, 레이더, 라이더
자율주행의 주요 센서로 항상 언급되는 것은 카메라(Camera), 레이더(Radio Detection And Ranging, RADAR), 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR)다.
카메라는 물체에 상세한 분류가 용이하고 색상 구분이 가능해 보행자, 차량(승용, 버스, 트럭 등 분류 가능), 오토바이 등 물체 정보와 신호등, 차선, 도로 마커, 횡단보도, 정지선 등 시각적인 정보를 인지하는데 이용된다. 비교적 저렴한 가격에 레벨2 자율주행 보조 기술에 많이 쓰이고 있지만 세계적으로 인텔에 인수된 모빌아이(Mobileye)가 자율주행 카메라의 80% 이상을 독점하고 있다.카메라로 물체를 구분할 수는 있지만 해당 물체까지의 정확한 거리를 알기 어렵다. 정확한 거리를 알기 위해서는 레이더와 라이다 센서를 사용한다. 두 센서 모두 특정 신호를 물체에 쏴 반사되는 시간을 측정해 해당 물체까지의 정확한 거리를 인지한다.레이더는 긴 파장을 사용하기 때문에 장거리에 있는 물체와의 거리를 측정할 수 있고, 특히 숨겨져 있는 물체를 인지할 수 있는 장점이 있어 정적인 물체와 동적인 물체의 구분에도 용이하다. 반면 정보를 박스 형태로 주기 때문에 물체의 형태나 외곽선, 색상 정보를 파악할 수 없어 작은 물체를 식별하기가 어렵다.라이다는 막대한 포인트 클라우드 정보를 제공하기 때문에 정밀한 측정이 가능한 장점을 가지고 있으며 주변 물체에 대한 위치와 속도 정보를 인지하고 주변 건물이나 도로 형태를 인지하는데 이용된다. 그러나 숨겨져 있는 물체는 감지할 수 없어 센서부가 외부로 돌출해야 한다는 제약사항이 있다.각각의 센서로부터 인지된 결과는 센서 융합이라는 단계를 거쳐 개별 센서가 인지하는 결과보다 인지율뿐만 아니라 신뢰도도도 높이게 된다.
판단, 주행 전략을 어떻게 세울까?인지 단계에서 차량이나 보행자 등 주변 환경의 위치와 속도 정보를 파악하면 판단 알고리즘을 통해 각 물체의 향후 이동 방향을 예측하고 정해진 경로를 어떻게 주행할지에 대해 결정한다.
예를 들어 우회전 시 교차로 상황을 파악하고 경로대로 가속해 나갈지, 감속해 나갈지, 정차할지를 판단한다. 먼저 횡단보도 주변에 보행자가 많이 있을 것으로 추정되는 곳을 관심 영역으로 설정하고 횡단보도와 관심영역의 상황을 파악해 자동차의 이동 경로와 속도를 결정한다. 만약 관심 영역에 보행자 추정 물체가 없다면 기존 계획대로 우회전하고 보행자 추정 물체가 존재하면 감속해 보도보다 바깥쪽으로 주행하도록 경로를 수정한다. 횡단보도에 보행자가 존재하거나 관심 영역에서 횡단보도 쪽으로 움직이는 물체가 감지되면 정차한다.
제어, 조향 각도와 가속도 값을 통신해 판단 단계에서 결정된 대로 차량을 움직이는 게 제어 단계다. 판단에 따라 결정된 스티어링 각도와 가속도 값을 MPPS(Motor Driven Power Steering), EMS(Engine Management System), ESC(Electronic Stability Control)에 통신해 제동, 엔진, 조향 제어로 자율주행을 완성한다.
아직 자율주행차(레벨 3 이상)는 상용화되지 않았고 자율주행 보조기능(차간거리제어, 차선유지, 자동긴급제동 등)만 대중화됐으며 레벨 3 자율주행차는 상용화를 위해 개발 및 실증이 한동안 진행되고 있다.
지음·편집 a2z 홍보마케팅팀