[기고] 안전성과 편의성을 높이는 차량 실내 센싱 솔루션

[테크월드뉴스=이재민 기자] 차량 실내 센싱(in-cabin sensing) 분야는 센서와 지능형 알고리즘을 결합한 다양한 애플리케이션과 함께 빠르게 발전하고 있다. 오늘날 차량내 센싱 기술의 발전을 견인하는 주요 요인은 크게 2가지다.

첫 번째 요인은 탑승자의 안전을 향상하기 위한 규제 강화다. 유로 NCAP 표준과 유럽 위원회(EC) 규정에서는 2022년까지 운전자 모니터링 시스템(DMS) 사용을 의무화하고 있으며, 미연방 교통안전위원회(NTSB)에서는 반자율 자동차에 DMS를 사용할 것을 권고한다.

또한 차선 유지 보조 시스템(LKAS)에 관한 UN 규정(R79)은 운전자의 손이 운전대 위에 올려져 있는지를 감지하는 HOD(hands on/off detection) 시스템을 2021년부터 이미 사용하도록 했다. 이와 함께 미국에서는 2022년에 아동 감지 시스템이 의무화된다. 이런 규정들이 시행되면 L2 이상의 운전자 보조 플랫폼으로 DMS와 점유 감지 기능이 표준 기능이 될 것이다.

두 번째 요인은 탑승자의 편의성 향상이다. 자동차 제조사들은 이를 자사 차량을 차별화할 수 있는 요소로 인식하고 있으며, 이를 위해 각종 첨단 기술들을 사용하고 있다.

DMS가 교통 사고를 줄이는 이유

안전성
유럽 교통 안전 위원회(ETSC)에 따르면, 2019년 유럽에서는 100만 명 중 51명이 교통 사고로 사망했다. 사고의 95%는 운전 부주의, 졸음, 스트레스, 피로 등과 같은 운전자 과실에 의한 것으로 조사됐다. 유럽 위원회는 “교통 사고로 인한 사망과 중증 상해를 2030년까지 50% 줄이고, 2050년까지는 제로로 만드는 것을 목표”로 하는 일련의 교통 안전 정책들을 발표했다.

오늘날 DMS는 이미 다양한 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)에 사용되고 있다. 예를 들어 LKAS에 HOD 시스템을 결합하면 운전대 위에 운전자의 손이 놓여 있는지 감지할 수 있어 운전자가 운전대를 잡지 않았을 경우에 경고할 수 있다. 또한 DMS는 운전자의 건강 상태, 운전자가 운전 중 적절히 주의를 기울이고 있는지도 감지할 수 있다.

심전도(ECG)나 피부전도도(EDA) 같은 생체 신호 모니터링(VSM) 기술은 운전자의 건강 상태와 스트레스 수준을 감지하고, 상태가 심각해지기 전에 조치를 취할 수 있게 한다. 예를 들어 VSM 시스템이 운전자가 졸음이나 피로로 인해 운전이 불가능한 상태임을 감지하면, ADAS가 안전을 위해 차량의 속도를 낮추고 갓길로 빠져 정차할 수 있다.

편의성

오늘날에는 운전자와 탑승자 경험을 향상시키는 것이 어느 때보다 중요해졌다. 이는 브랜드 인지도를 높이고, 소비자 충성도를 유지할 수 있는 방법이 됐다. 자동차 제조사들은 소비자들의 기대치가 갈수록 높아짐에 따라 운전자와 탑승자 경험을 향상시키기 위한 새로운 기능들을 추가하고 있다.

사용자 경험 향상의 핵심에는 맞춤화와 첨단 HMI가 자리잡고 있다. 자동차 제조사들은 차별화된 편의 기능을 사용해 자사 브랜드를 강화할 수 있다. 예로는 자동 기후 제어 기술 또는 운전자의 기분이나 감정 상태에 따라 조명을 조절하는 것을 들 수 있다.

터치프리 HMI 시스템은 운전자가 운전대에서 손을 떼지 않고도 원하는 기능들을 제어할 수 있게 해준다. 음성 제어 시스템과 더불어 눈동자 추적 기술을 사용한 더 정밀한 DMS가 기존의 터치 기반 인터페이스와 간극을 메워가고 있다. 차별화와 소비자 충성도 유지를 위해 보다 향상된 사용자 경험이 요구되는 것이다.

실제 적용 사례

차내 센싱은 다양한 애플리케이션을 포함한다. [그림 1]과 [그림 2]에서 애플리케이션 사례들을 볼 수 있다.

운전자 모니터링은 HOD 시스템 같은 기능을 사용해 규정을 충족할 수 있으며, 앞으로 자동차의 표준 기능으로 자리잡을 것이다.

생체 신호 모니터링은 새롭게 떠오르는 또 다른 기능으로서 운전자의 건강 상태, 스트레스 수준, 피로도 등을 모니터링할 수 있어 건강에 관심이 많은 운전자들의 요구를 충족할 뿐만 아니라 인구 고령화 추세 속에서 운전의 안전성을 향상할 수 있다. 생체 인증 기능은 좌석과 운전대 위치, 인포테인먼트 설정 등을 맞춤화 할 수 있으며, 차량의 소유자를 인증해 보안 기능도 제공한다.

다른 중요한 안전 기능은 점유 감지다. 이 기능은 탑승자가 차 안에 갇히는 사고가 발생했을 때, 즉시 운전자에게 통보하고 탑승자 수와 연령을 감지할 수 있다. 이 데이터를 응급 호출(eCall) 시스템과 결합하면 구조대가 현장에 도착하기 전에 정보를 추가적으로 알려줄 수 있다. 점유 감지의 대표적인 활용 사례로 아동 감지를 들 수 있다. 지역에 따라 이 기능을 의무화한 곳도 있다.

최신 HMI와 동작 제어는 사용자 경험을 향상시킨다[그림 2]. 예를 들어 오디오 트랙을 건너뛰는 것과 같은 간단한 기능들은 제어를 위해 버튼을 탐색하고 누를 필요 없이 간단한 제스처 동작만으로 실행할 수 있다.

이런 애플리케이션들을 어떻게 구현할까?

이런 애플리케이션들을 구현하기 위해서는 물리적 위치에 있어서든[그림 3], 필요로 하는 솔루션에 있어서든 어느 한 가지 센싱 솔루션만으로는 부족하다. 따라서 다양한 센싱 방식을 결합한 센서 융합이 필요하다.

또한 안전성 애플리케이션과 편의성 애플리케이션을 결합할 필요도 있다. 여러 기술들을 결합해 요구되는 안전성과 편의성 목표를 달성할 수 있다.

사용되는 기술들

ToF 기술

ToF(time of flight) 카메라는 앞서 열거한 애플리케이션들을 가능하게 하는 핵심 기술 중의 하나다. 차량의 대시보드나 천장에 ToF 카메라를 설치해 눈동자 추적 같은 DMS를 할 수 있다.

ToF는 고급 차량의 첨단 HMI나 동작 제어에 이미 도입되고 있으며, 최적의 설치 위치는 천장 콘솔이다. ToF는 아동을 감지할 뿐만 아니라 인체 위치까지도 감지할 수 있는 뛰어난 솔루션을 제공한다. 뒷좌석 감지용으로는 필요한 센서 위치가 달라진다([그림 3]의 보라색).

이미지 센싱 기술이 발전함에 따라 깊이 센싱에 ToF가 널리 채택되고 있다. 이것은 ToF가 폼팩터를 소형화하며 넓은 동적 범위가 가능하고, 직사광선에 대해 견고하게 동작할 수 있기 때문이다. ToF 고유의 장점 중 하나는 고해상도 거리 측정과 중간 해상도 명암 이미지(주변 빛에 민감하지 않은 2D 밝기 이미지)를 결합할 수 있다는 것이다.

아나로그디바이스(ADI)의 ToF 센서는 1Mpx(메가픽셀)로 현재 시장에서 가장 높은 해상도를 나타내며, 카메라의 시야각을 더 넓혀준다. 2D 카메라를 사용해 구현되는 많은 비전 애플리케이션에 3D(깊이) 정보를 결합하면 견고성 수준을 더욱 높일 수 있다. 이에 따라 편의성 애플리케이션에서는 사용자 경험을 향상시키고, 안전성 애플리케이션에서는 차별화를 도모할 수 있다.

차량 실내에는 많은 카메라가 다양한 용도로 사용되므로 깊이 측정에서 오차를 줄이기 위해서는 간섭 제거가 필요하다. 이는 시스템 차원에서 해결할 수 있으며, ADI는 하드웨어와 소프트웨어를 모두 포괄하는 시스템 차원에서 이 문제를 해결하도록 지원한다.

생체 인증 애플리케이션의 경우, ToF를 사용해 보안을 강화할 수 있다. 많은 실제 구현 사례들에서 입증되고 있듯이 시스템을 속이기가 매우 어렵기 때문이다.

ADI는 ToF 용으로 ToF 이미저(ADSD3100)와 레이저 드라이버(ADSD3000), 전원 레귤레이터(ADP5071) 등의 제품을 공급한다.

C²B(Car Camera Bus)

ADI는 2D 이미저든 3D ToF든 관계없이 다양한 카메라를 연결할 수 있게 해주는 차량 전용 카메라 링크 기술인 ‘C²B’를 개발했다. C²B는 차량 내부나 외부에 설치된 카메라들로부터 제어 정보와 함께 최대 2Mpx에 이르는 카메라 데이터를 전송할 수 있는 경제적인 솔루션이다.

임피던스 센싱

ADI는 다수의 VSM 솔루션을 제공하며 소프트웨어 파트너사들과의 긴밀한 협력을 통해 심박 변이도나 스트레스 측정 등의 기능을 위한 시스템 차원 솔루션을 제공한다. AD5941W는 HOD와 EDA 측정 둘 다 할 수 있는 통합 솔루션이다.

임피던스 센싱은 운전대 위에 손이 올려져 있는지를 감지할 뿐만 아니라 어느 정도 강도로 운전대를 잡고 있는지, 운전대 위에 손이 올려진 위치까지도 감지할 수 있는 견고하면서도 신뢰할 수 있는 솔루션이다. 또한 EDA 정보를 사용해 운전자의 현재 스트레스 수준을 측정할 수도 있다.

ADI는 다양한 산업 분야에서 이 기술과 관련한 경험과 전문성을 쌓아 왔다. 오늘날 많은 차량의 HOD 기능에 AD5933 고정밀 임피던스 컨버터가 사용되고 있다. AD5941W는 단일 디바이스로 여러 HOD 영역을 지원한다.

심전도(ECG)

또한 ADI는 임피던스 센싱 디바이스에 심전도 측정용 AD8232W 고정밀 증폭기를 결합하고, 단 2개의 디바이스만으로 이루어진 완전한 VSM 솔루션을 제공한다. ECG와 EDA를 결합하면 운전자의 건강 상태를 모니터링할 수 있으며, ECG는 생체 인증 애플리케이션도 구현할 수 있게 해준다.

맺음말

자동차 업계는 운전자와 탑승자의 안전을 높이기 위해 다양한 첨단 차내 센싱 애플리케이션을 도입하고 있다. 소비자들은 사용자 경험과 맞춤화된 편의 기능이 계속 향상되기를 기대한다.

정확하고 견고한 L2+/L3 운전자 지원 솔루션을 위해서는 센서 융합이 필요하다. ADI는 시장의 이런 센싱 요구를 충족하기 위해 노력하고 있으며, ToF 알고리즘(동작 제어, 눈동자 추적 등)이나 VSM(ECG 분석 등) 같은 소프트웨어 알고리즘 파트너사들과 협력해 포괄적인 시스템 솔루션을 제공한다.

글 : 안드레아스 펠코퍼(Andreas Pellkofer) 제품 애플리케이션 엔지니어,
고팔 카르남(Gopal Karnam) 시스템 아키텍트
자료제공 : 아나로그디바이스(www.analog.com)