자율주행의 핵심, MEMS 기반 관성 측정 장치
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자율주행의 핵심, MEMS 기반 관성 측정 장치
  • 마우저 일렉트로닉스
  • 승인 2020.10.19 08:35
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정밀 차량 위치 감지를 위한 센서 기술

[테크월드=선연수 기자] 완전 자율주행차는 미래 사회의 중요한 한 부분이 되리라는 것에는 의심의 여지가 없을 것이다. 자율주행차의 핵심 기능은 자동차에 이미 적용되기 시작했으며, 현재 많은 차량이 어느 정도의 자율주행 기능을 구현하고 있다. 이와 같은 적응형 크루즈 제어, 차선 모니터링, 자동 주차 등의 기술은 중급 차량에서도 쉽게 이용할 수 있다.

 

 

정확도 향상을 위한 기술 고도화

자율주행차 설계의 기초는 차량이 주행하는 동안 위치와 궤적을 항상 정확히 감지하는 능력이다. 이때 자동차 설계자의 과제는 ‘항상’에 있다. GPS의 경우 방대한 설치 기반에 근거해 대체로 정확하지만 GPS가 의존하는 신호는 100% 보장되지는 않는다. 고층 건물이 있는 도시나 악천후 상황에서 사라질 수도 있다.

이는 단순히 내비게이션이 불편한 것을 넘어 운전자가 회전할 시기를 놓칠 수 있어 차량 제어와 위치 결정에 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 이는 자동차 사고로, 생명의 위협까지 이어질 수 있다.

이를 해결하기 위해 차량 엔지니어링 팀은 GPS뿐만 아니라 라이다(LiDAR)와 같은 온보드 기술을 구현하기 시작했다. 라이다는 현재 우버 차량에 시험 적용 중이며, GPS에 비해 여러 가지 장점을 가진다. 그러나 혼잡한 교차로와 같이 복잡한 상황에서는 여전히 쉽게 혼란을 겪는 문제가 있다.

 

MEMS에 기반한 가속도계와 자이로스코프

설계자는 관성 측정 기법에 주의를 기울이고 있다. 이는 자동차에 지속적으로 정확한 위치를 제공해주기 위한 실행 가능성 있는 해결책 중 하나다. 미소전자기계시스템(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems)에 기반한 관성 측정은 가속도계와 자이로스코프를 사용해 차량의 이동을 측정한 후, 해당 정보를 처리해 항상 고도로 정확한 위치를 계산해낸다.

이 시스템은 위치 정보뿐만 아니라, 차량의 위치가 수평면인지 등 자동차의 방향을 감지할 수 있다. 이런 세부 사항들이 자율주행에 있어서 상당히 중요하다. 다양한 정보들을 바탕으로 차량 운전과 제동에 필요한 안정성이 보장된 최적화된 토크, 제동력을 인가할 수 있다.

온보드 자동차 센서는 주로 실리콘이지만, 토크나 제동력과 같은 일부 파라미터는 기계적으로만 측정할 수 있다. MEMS 센서는 미세 가공 기술을 사용해 전자 디바이스와 결합됨으로써 작고 기계 부품이 통합된 감지 시스템을 구현한다.

 

[그림 1] 차량은 MEMS에 기반해 가속도계와 자이로스코프로 차량의 정확한 위치를 계산한다

일반적으로 MEMS 기반 가속도계는 스프링 장력으로 제자리에 고정되는 진자, 유사하게 기계적으로 매달린 진자를 포함한다. 자동차가 움직이면 질량도 움직이며, 이 움직임은 흔히 용량성이나 압전 기술을 통해 전자 신호로 변환된다. 많은 자동차 애플리케이션 속 MEMS 디바이스는 각각 3축 가속도계를 포함하고 있어, 3개 평면에서 가속을 동시에 측정할 수 있다.

선형력을 측정하는 가속도계와는 달리, 자이로스코프 센서는 회전 속도를 제공하기 위해 초당 각도(°/s) 또는 초당 회전수(rps)로 각 속도를 측정한다. 이를 3축 가속도계와 결합해 관성 측정 장치(IMU, Inertial Measurement Units)를 구성하면 자동차의 움직임을 완벽하게 파악할 수 있다. 만약, IMU가 차량이 축을 중심으로 급히 회전하는 것을 감지하면, 전자 안전성 프로그램이 동력이나 제동을 특정 바퀴에 인가함으로써 자동차를 안정적인 궤도로 되돌려 잠재적 사고를 방지할 수 있다.

예로, 차량이 다른 차량이나 벽에 부딪혀 가속에 급격한 변화(사고)가 일어나면, 가속도계나 자이로스코프가 이를 감지해 전복 방지를 위한 조치를 취하게 된다. 시스템은 거의 즉각적으로 안전벨트를 조이거나 에어백을 펼치는 등의 부상 완화 절차를 자동으로 작동시킨다. 자동 호출을 통해 첫 번째 응답자에게 정확한 위치를 제공한 다음에는 연료와 전기가 차단돼 화재 가능성을 줄일 수 있다.

 

IMU 설계와 선택 시 고려사항

MEMS 기반 가속도계, 자이로스코프, IMU는 생명에 있어 중요한 역할을 하는 온보드 자동차 시스템의 핵심이 될 것이다. 애플리케이션에 적합한 디바이스를 선택하기 위해서는 디바이스 유형을 생각해야 한다. ‘애플리케이션에 가속도계와 자이로스코프가 필요한가, 아니면 둘 다 통합된 IMU가 필요한가?’, ‘가속도계는 단일 축이나 3축 유형이어야 하는가?’ 등의 질문을 할 수 있다.

전기적 성능 관점에서는 측정 범위, 분해능, 선형성, 안정성, 대역폭, 정확도와 같은 중요 사항을 고려해야 한다. 이는 정확도에 영향을 미치는 요인들로, 애플리케이션의 요구에 맞춰 따져봐야 한다. 정교한 디바이스는 출력 신호가 영향을 받지 않도록 캘리브레이션과 신호 컨디셔닝 하드웨어를 포함하고 있으나, 오프셋(가속도가 0일 때 존재하는 출력)과 장기적 드리프트와 같은 다른 파라미터도 고려할 필요가 있다.

에너지 효율, 연비도 현대 차량에 있어 중요한 부분이나 이런 디바이의 전력 소모는 mA(밀리암페어) 수준이라 문제가 되지 않는다. 그러나 오늘날 자동차 애플리케이션에는 높은 수준의 전기 잡음이 존재하며, 이런 전자파 간섭(EMI, Electro Magnetic Interference) 민감성은 작동과 정확도에 영향을 주기에 신경 써야 할 부분이다.

 

[그림 2] 전기적 성능 관점에서는 측정 범위, 분해능, 선형성, 안정성, 대역폭, 정확도와 같은 사항을 고려해야 한다

차량 주변 온도는 특히, 센서가 배치된 좁은 공간에서 더 높게 나타날 수 있어, 센서의 동작 온도는 이런 환경이 반영돼야 한다. 설계자는 절대적 최대 기계적 파라미터인 충격과 진동 복원력에 대한 값에도 주의를 기울여야 한다. 제품의 패키지를 선택할 때도 비용을 절감하고 신뢰성을 높일 수 있는지, 공간에 알맞은 크기인지, 최신 자동 생산 시스템(픽-앤-플레이스와 리플로우 솔더링)과 호환되는지 등을 살펴봐야 한다.

시스템과의 인터페이싱도 따져봐야 한다. 일부 디바이스는 아날로그 출력을 제공하지만, 다른 디바이스는 온보드 아날로그-디지털 컨버터를 포함하며 인기 있는 인터페이스 유형(SPI 또는 I²C 등)을 제공한다.

따라서 손쉽게 통합할 수 있도록 다른 시스템 하드웨어와 정렬할 필요가 있다. 출력 신호에 의존할 수 있음을 아는 것은 잠재적인 재난을 피하는 열쇠다. 몇몇 관성 측정 기기는 수집된 데이터의 무결성을 보장하는 자가 테스트를 추가적인 수준으로 제공하기도 한다. 이 기능은 자동차 안전 무결성 등급(ASIL)을 적용할 때 유용하다.

특히, 설계자가 기술에 익숙하지 않을 경우, 하드웨어와 소프트웨어를 모두 지원하는 툴을 제공하는 디바이스 공급업체를 선택해 기술을 익히는 것을 권장한다. 평가 키트, 브레이크아웃 보드와 같은 유용한 설계 툴은 설계 리스크와 제품 출시 기간을 크게 줄여준다.

 

관성 측정 기술 예시

[그림 3] 무라타의 SCA3300 IMU

예시 제품 중 하나로 무라타(Murata)의 SCA3300를 들 수 있다[그림 3]. 이는 입증된 용량성 3D-MEMS 기술을 사용하는 3축 가속도계에 기반한 고성능 IMU다. 단 1mA의 소비를 하며 최대 125℃ 온도에서 ±6g까지 측정할 수 있어 자동차 애플리케이션에 적합하다.

출력 신호는 낮은 수준의 잡음으로 강력한 바이어스 안정성을 보여주고 정확한 측정을 제공한다. 제품은 높은 안정성, 신뢰성, 품질 구현을 지원하기 위해 설계, 제조, 시험됐으며, 첨단 자가 진단 기능을 표준으로 포함하고 있다. 온보드 혼성 신호 ASIC은 편리한 범용 디지털 SPI에 신호 프로세싱을 수행한다. SCA3300는 7.6×3.3×8.6mm 크기의 12핀으로 모델링된 SMD 패키지로 제공된다.

 

[그림 4] TDK의 GYPRO MEMS 자이로스코프는 z축(요)을 중심으로 각 운동 속도를 측정한다

하이엔드 애플리케이션을 위해 설계된 TDK의 GYPRO MEMS 자이로스코프는 z축(요)을 중심으로 각 운동 속도를 측정한다. 이 제품은 SPI를 통해 높은 정확도의 24비트 출력을 지원하고, 0.1°/√hour 미만의 잡음 수준에서 0.8°/hour 이상의 안정성을 제공한다.

이에 적용된 임베디드 온도 센서는 즉각적인 보상을 지원하며, 지속적인 자가 테스트 기능은 항상 유효한 출력을 보장해준다. 다양한 버전으로 1800Hz의 높은 데이터 속도와 1ms의 낮은 지연을 지원하며, 초기 설계 지원은 다양한 아두이노 M0-호환 평가 보드에서 제공돼 프로토타이핑 과정을 간소화할 수 있다.

 

결론

움직임과 위치의 감지 정확도와 신뢰성을 높이는 것은 완전 자율주행차의 성공에 있어 중요한 사항이다. 특정한 상황에서 사람의 개입을 최소화하기 위한 ADAS 중심의 차량에서도 고려해야 할 요소다.

새로운 MEMS 기반 가속도계와 자이로스코프는 이런 까다로운 자동차 애플리케이션에 요구되는 내구성, 신뢰성, 광범위한 기능을 제공한다. 애플리케이션 기준에 적합한 디바이스를 신중히 선택하고 선택한 디바이스 제조업체로부터 설계 툴을 지원받음으로써, 설계자는 확신을 가지고 첨단 관성 측정 시스템을 배치할 수 있다.

 

글: 마크 패트릭(Mark Patrick)
자료제공: 마우저 일렉트로닉스

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 10월 호에 게재된 기사입니다.



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