자동차의 눈, 레이더 센서
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자동차의 눈, 레이더 센서
  • 아나로그디바이스
  • 승인 2020.09.16 09:27
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[테크월드=선연수 기자] 

레이더 센서는 더 빠르고 더 높은 분해능으로 자동차 안전과 운전자 시야를 높여줌으로써 차세대 운전자 지원(ADAS) 기술을 실현해 왔다. 글로벌 투자자들은 수익을 어디서 창출해내는지 안다면, 자동차 업계에서는 시장을 흔드는 다음의 3가지 메가트렌드를 수용하고 완성하는 자가 승자가 될 것이다.

- 자율주행차(AV)가 최종적으로 일반도로의 운행 허가를 받게 될 것이라는 전망, 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)의 확산

- 전기화

- 자동차의 개인 소유라는 전통적인 개념에 도전하는 서비스 성격의 모빌리티

 

포드를 뛰어넘는 테슬라, 자동차 산업의 트렌드

트렌드의 중요성은 거대 자동차 기업 포드(Ford)와 연간 생산량이 40만 대도 못 미치는 테슬라(Tesla)의 시가총액을 비교해보면 쉽게 알 수 있다. 테슬라는 배터리 구동 트랙션, 자율주행, 테슬라 브랜드의 차량공유 서비스를 지원하는 로봇택시 기능 등 혁신적인 분야에 전략적 기반을 두고 있다. 포드는 여전히 수익의 상당 부분을 고출력 내연기관이 특징인 전통적인 미국 픽업 트럭에서 거둬들인다. 포드는 2017년 생산량 6백만 대를 넘어섰으나 2019년 말 시가총액이 370억 달러에 불과한 데 비해, 테슬라는 훨씬 작은 규모에도 440억 달러의 시가총액을 기록했다.

서비스로서 모빌리티(Mobility-as-a-service)의 채택은 우버(Uber)와 같은 형태의 서비스 기업들이 개척한 비즈니스 모델과 소프트웨어 혁신에 의해 주도됐다. 점점 더 확산되고 있는 자동차 전기화는 테슬라의 배터리 기가팩토리(Gigafactory)와 같은 생산 혁신에 의존한다. 그러나 운전자 지원에서의 혁신 초점은 하드웨어와 소프트웨어 기술, 더 구체적으로 말하자면 정교한 센서 시스템과 인공지능(AI)의 결합에 맞춰져 있다.

 

단순 센서를 넘어 ADAS, 자율주행까지

모든 주행 지원 시스템은 부분적으로 다양한 인식 기술에 의존한다. 완전 자율주행차에서 라이다(LiDAR), 비주얼 카메라와 같은 광학 기술은 전자기 모션 센서(가속도계, 자이로스코프, 자기계)와 RF/마이크로파 시스템(레이더, 위성 위치추적)과 함께 작동한다.

놀랍게도, 레이더 기술이 대중의 관심을 처음 끈 것은 제2차 세계대전 무렵일 정도로 오래된 기술이지만, 오늘날 자동차 기술에서 발전의 가장 흥미진진한 영역을 차지하고 있다. 오늘날 도로를 달리는 자동차 범퍼에는 수많은 24GHz 레이더 센서가 장착돼 있다. 아나로그디바이스(이하 ADI)가 제조사에 공급한 디바이스 수만 하더라도 사각지대 감지, 자동 차선 변경, 자율 비상 제동(AEB) 등의 용도로 약 3억 개에 달한다.

 

레이더 기술은 제2차 세계대전 무렵 처음으로 대중의 관심을 끌었으며, 오늘날 자동차 기술에서도 첨단 영역을 차지하고 있다

새로운 ADAS 개발 시, AEB와 적응형 크루즈 제어(ACC)와 같은 기능의 발전을 통해 더 높은 수준의 운전자 지원 시스템이 요구되고 있다. 이를 충족하기 위해 ADI와 같은 공급사들은 안전과 편의성을 염두에 두고 더 높은 정밀도, 더 긴 탐지거리, 더 빠른 감지, 더 완벽한 기술에 대한 비전을 제공하는 레이더 시스템을 개발하고 있다.

AEB, ACC와 같은 운전자 지원 시스템은 생명을 구하고 사고를 예방할 수 있다. 이를 탑재한 차량은 공식적인 신차안전도평가(NCAP)에서 더 높은 안전 점수를 획득한다.

AEB와 자율 비상 스티어링 시스템은 레벨 2 또는 레벨 3(L2/L3) 운전자 기술 범주를 지원하며, 점점 더 복잡해지는 자동차 기술 시장에 대응하기 위해 범위와 복잡성이 계속 진화하고 있다. 예컨대 새로운 NCAP 규격은 ‘취약한 도로 사용자’ 즉, 보행자에 대해 더 우수한 감지 성능을 요구한다.

새로 개발되고 있는 AEB 시스템은 도심지와 고속도로 환경 모두에서, 빠른 주행 속도 속에서도 제동 기능을 제어할 수 있다. 이는 일반적인 상황보다 더 복잡한 환경에서도 신뢰성 있는 동작을 보여준다.

특히 시장 내에서는 고속도로 주행 시 운전자의 수고를 덜어주는 기술 수요에 응답하고 있다. 메르세데스벤츠 S 클래스와 같은 프리미엄 자동차는 앞차와의 거리를 지능적으로 제어하는 기능, 자동차의 차선을 유지하는 액티브 스티어링 지원 등 제한적인 고속도로 오토파일럿 기능을 이미 제공하고 있다.

자동차 OEM들은 이런 기능들을 더 광범위하고 보다 복잡한 상황에 적용할 수 있도록 끊임없이 개선해나가고 있다. 이에 따른 뛰어난 성능의 레이더 센서에 대한 수요도 높아지고 있다.

 

4D로 맵핑하는 레이더 센서

직접적인 차량 제어로부터 운전자를 완전히 떼어놓는 수준의 L4, L5 자율주행으로 나아가기 위해, 실시간으로 차량 주변에 대한 360도 뷰를 제공하는 감지 시스템을 개발해야 한다. 로보택시를 위한 제어 시스템은 상상할 수 없을 만큼 복잡할 것이다. 레이더, 카메라, 라이다 센서와 같은 개별 센서들로부터 생성된 입력을 결합하고, 감지 오류로 인한 위험을 제거할 수 있는 리던던시가 필요할 것이다.

 

레이더센서는 물체의 거리, 속도, 각도, 고도를 측정해 4D를 감지해낸다

비주얼 카메라는 사람, 동물, 도로 표지판과 같은 물체 인식에 사용할 수 있다. 라이다 기술은 풍부한 포인트 클라우드를 생성하는데, 자동차와 외부 물체와의 거리를 곧바로 측정하고 물체의 크기를 측정함으로써 외부 세계에 대한 고해상 3D 맵을 만든다.

레이더 센서는 끊임없이 확대되고 있는 고유한 기능을 통해 L4, L5 시스템에서 다른 유형의 센서들을 결정적으로 보완해준다. L2, L3 활용 사례 속 레이더는 크기, 비용, 성능 특성에 있어 최선의 조합으로써 가장 광범위하게 사용되고 있다.

무엇보다도 레이더는 한 번의 조사로 밀리미터파 펄스가 반사되는 물체의 거리, 속도, 각도, 고도를 측정할 수 있어 4D를 감지해낸다. 또한, 라이다 센서와 비주얼 카메라의 동작이 불완전하거나 불가능한 비, 안개, 눈과 같은 조건에서도 동작할 수 있다.

 

아우토반 달리는 오토바이도 감지해야

현재 개발 중인 자동차 레이더 시스템은 언젠가 지금의 레이더 기술을 투박한 구식으로 보이도록 만들 것이다. 그러나 오늘날 전방 범퍼에 장착되는 레이더 센서는 앞차와의 거리와 속도를 측정하는 능력이 탁월하다.

완전한 고속도로 오토파일럿 시스템은 독일의 아우토반에서도 안전하게 운행돼야 한다. 아우토반에서는 승용차보다 작아 감지하기 어려운 모터사이클이 180km/h 이상의 속도로 추월 차선에서 접근할 수도 있다. 이런 위험한 상황을 빠르고 정확히 감지하기 위해서는 오토파일럿의 레이더 시스템이 더 정확하고, 더 빠르게, 더 먼 거리에서도 감지할 수 있어야 한다.

 

레이더 솔루션의 개선과 결합

크기와 비용에 대한 자동차 산업의 엄격한 제약을 충족하면서 동시에 우수한 기능을 제공하기 위해 반도체 기술, RF 시스템 동작, 신호 처리 분야에서 혁신이 요구된다. 이를 위해 ADI는 76~81GHz 마이크로파 IC(MMIC) 송신기와 수신기 등 Drive360 28nm CMOS 기술 플랫폼에 기반한 차세대 레이더 제품을 선보이고 있다. 이는 기존 SiGe 반도체 기술을 활용한 제품과는 차별화된 장점을 제공한다.

ADI는 ▲높은 출력 전력, 낮은 리턴 잡음으로 물체 감지 거리 확대 ▲낮은 위상 잡음, 높은 IF 대역폭을 통해 기존 레이더 센서로 감지가 어려웠던 모터사이클, 유아 보행자 등 작은 대상을 감지하기 위한 초정밀도 제공 ▲고성능 위상 변조로 레이더 센서가 여러 물체를 더 효과적으로 식별 ▲초고속 펄스 전송으로 180km/h로 접근하는 모터사이클과 같이 고속 이동 물체에 더 빠른 반응 등의 성능을 지원한다.

CMOS 기술을 사용해 레이더 기기에 높은 수준의 디지털 기능 통합을 지원함으로써, 시스템의 비용과 크기를 줄일 수 있다. ADI는 오버샘플링 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 초저잡음 디지털 PLL 클록과 같은 기능에 핵심적인 IP를 적용해 차세대 77GHz 레이더 센서의 동작 속도, 분해능, 안전성을 높일 수 있도록 한다.

첨단 반도체 기술, 아날로그 전문지식, 시스템 소프트웨어 기능의 결합을 통해 레이더 기술은 차세대 자동차에 장착되는 ADAS 기능 확장에 앞장서고 있다.

글: 도날 맥카시(Donal McCarthy) 오토모티브 레이더 제품 라인 디렉터

자료제공: 아나로그디바이스

 

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 9월 호에 게재된 기사입니다.


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