자율주행자동차의 사전적 의미는 “운전자가 차량을 조작하지 않아도 스스로 움직이는 자동차”이며 엔지니어링적인 의미는 “차량이 장착된 센서로부터 취득한 데이터를 가공하여 주위를 인지, 판단한 후 핸들의 모터와 액셀, 브레이크에 명령값(조향 각도와 가속도)을 입력하여 차량의 종횡방향을 제어함으로써 운전자의 전방주시의무가 없이 구동되는 자동차이다.즉, 정보를 취득하는 「센서」와 그것을 인지·판단하는 「브레인」, 그리고 제어에 필요한 「전자장치」에 의해서 자동차가 주행하는 것을 말하며, 운전자가 운전석에서 책이나 휴대 전화를 볼 수 있게 된다.
인지, 주변 환경을 어떻게 인지하는가?
일반적으로 사람이 운전할 때는 눈으로 차선, 신호등, 보행자 등을 보고 인지한다. 자율주행차에서는 이런 기능을 하는 것이 센서다. 라이더, 레이더, 카메라, GPS, 초음파 센서 등을 차량에 탑재해, 차량 주변 환경을 인지해, 어떻게 주행하는지에 대한 정보를 제공한다.
차량 위치 인지
우선 지도 내 차량 위치를 찾기 위해서는 GPS(Global Positioning System)와 정밀지도와의 맵 매칭을 이용한다. GPS를 이용한 위치 여부는 주변에 높은 구조물이 없는 환경에서는 정확하지만 도심과 같은 환경에서는 최소 23m에서 최대 50m까지 오류가 발생한다. 반면 도심 자율주행을 위해서는 50cm, 1도 이내의 절대좌표와 헤딩각(북쪽을 기준점으로 할 때 물체의 방향이 북쪽과 얼마나 회전각도를 갖고 있는지를 의미하며 + 각도는 반시계방향으로, – 각도는 시계방향으로 회전한다)을 얻어야 한다. 따라서 센서를 통해 인지된 차선, 건물, 도로구조물을 정밀지도에서 찾고, 인지된 거리를 정밀지도에서 거꾸로 계산해 지도 내 차량의 위치를 찾아내는 것이다.
주요 센서: 카메라, 레이더, 라이더
자율주요 센서로 항상 언급되는 것은 카메라(Camera), 레이더(Radio Detection And Ranging, RADAR), 라이더(Light Detection And Ranging, LiDAR)이다.
카메라는 물체에 대한 상세한 분류가 쉽고, 색상 구분이 가능하여 보행자, 차량(승용, 버스, 트럭 등 분류 가능), 오토바이 등 물체 정보와 신호기, 차선, 도로 마커, 횡단보도, 정지선 등 시각적인 정보를 인식하는데 이용된다. 비교적 저렴한 가격으로 2등급 자율주행 보조기술에 많이 쓰이지만 세계적으로 인텔에 인수된 모빌아이(Mobileye)가 자율주행카메라의 80% 이상을 독점하고 있다.카메라로 물체를 구분할 수는 있지만 해당 물체까지의 정확한 거리는 알기 어렵다. 정확한 거리를 알려면 레이더와 라이더 센서를 사용한다. 두 센서 모두 특정 신호를 물체에 쏴 반사하는 시간을 측정해 그 물체까지의 정확한 거리를 인지한다.레이더는 긴 파장을 사용하기 때문에 장거리에 있는 물체와의 거리를 측정할 수 있으며 특히 숨어 있는 물체를 인지할 수 있는 장점이 있어 정적인 물체와 동적인 물체 구분도 용이하다. 한편 정보를 박스 형태로 주기 때문에 물체의 형태나 외곽선, 색 정보를 파악할 수 없어 작은 물체를 식별하기가 어렵다.라이더는 막대한 Point Cloud 정보를 제공하기 때문에 정밀한 측정이 가능한 장점이 있어 주변 물체에 대한 위치와 속도 정보를 인지하고 주변 건물 및 도로 형태를 인지하는데 이용된다. 그러나 차단된 물체는 감지할 수 없고 센서부가 외부로 돌출해야 한다는 제약이 있다.각각의 센서로부터 인지된 결과는 센서 융합이라는 단계를 거쳐 각각의 센서가 인지하는 결과보다 인지도뿐만 아니라 신뢰도도 높아진다.
판단, 주행 전략을 어떻게 세울 것인가?인지 단계에서 차량이나 보행자 등의 주변 환경의 위치나 속도 정보를 파악하고, 판단 알고리즘에 의해 각 물체의 향후 이동 방향을 예측해, 정해진 경로를 어떻게 주행할지를 결정한다.
예를 들어 우회전 시의 교차로 상황을 파악하고 경로대로 가속해 나가는지, 감속해 가는지, 정차하는지를 판단한다. 우선 횡단보도 주변에 보행자가 많이 있을 것으로 보이는 장소를 관심영역으로 설정하고 횡단보도 및 관심영역의 상황을 파악해 자동차의 이동경로와 속도를 결정한다. 만약 관심 영역에 보행자 추정 물체가 없으면 기존 계획대로 우회전을 하고 보행자 추정 물체가 존재하면 감속해 보도보다 바깥쪽으로 주행하도록 경로를 수정한다. 횡단보도에 보행자가 존재하거나 관심 영역에서 횡단보도 쪽으로 움직이는 물체가 감지되면 정차한다.
제어, 조향각도와 가속도값을 통신하고 판단단계에서 정해진 대로 차를 움직이는 것이 제어단계이다. 판단에 의해 결정된 조향각도와 가속도값을 MDPS(Motor Driven Power Steering), EMS(Engine Management System), ESC(Electronic Stability Control)에 통신하여 제동, 엔진, 조향 제어함으로써 자동주행을 완성시킨다.
아직까지 자율주행차량(레벨 3단계 이상)은 상용화되지 않고 자율주행보조기능(차간거리제어, 차선유지, 자동긴급제동 등)만 대중화돼 있을 뿐 레벨 3의 자율주행차량은 상용화를 위한 개발과 실증이 상당히 진전되고 있다.
글·편집 a2z 홍보마케팅팀