ADAS, 자율주행의 역사와 최신 애플리케이션
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ADAS, 자율주행의 역사와 최신 애플리케이션
  • 양대규 기자
  • 승인 2019.01.11 17:22
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ADAS와 자율주행차 혁신의 근간인 핵심 부품 기술

[테크월드=양대규 기자] 자율주행차라는 개념은 1939년 뉴욕 세계박람회에서 처음 등장했으며, 이후 많은 획기적인 발전이 있었다. 그후 수십 년이 흘러 최근에 이르러서야 표준 부품들을 이용해 90% 완성도의 자율주행차 제작이 가능해졌다. 하지만 99%의 자율주행차를 만드는 것은 이보다 10배는 더 힘들고, 완성도를 99.9%로 끌어올리기는 그보다 10배 더 어렵다. 다시 말해, 현재 상당수 자동차가 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)을 탑재하고는 있지만, 혼잡한 고속도로에서도 충분히 사용할 수 있다고 받아들여질 만큼 높은 수준의 안전성과 보안성을 갖춘 완전한 자율주행 차량을 만드는 일은 차량 운행과 관련한 기본적인 모든 책임이 운전자에게 있는 자동차를 만드는 것보다 훨씬 더 힘들다.

하드웨어 발전, 특히 반도체 처리 성능과 센서 기술의 향상이 ADAS를 실현하는 데 있어서 중심을 차지했지만, 진정한 ‘비결’은 다른 곳에 있었다. 인공 지능(AI)의 발전이 자동차 자체의 전자 시스템과 다른 차량, 그리고 주변 환경 간의 신호 교환에 따라 상황을 안전하고 신속 정확하게 처리할 수 있게 하는 시스템 소프트웨어가 바로 그것이다.

ADAS – 항공기에서부터 자동차까지

항공기는 장시간 자율 비행을 할 수 있다. 이는 하늘이 지상의 도로보다 훨씬 더 안전하다는 것을 보여줄 뿐이며, 주된 이유도 물체 간에 훨씬 많은 공간이 있기 때문이다. 하지만 오늘날 자동차 ADAS의 기초를 이루는 많은 기술이 항공기에 뿌리를 두고 있다. 예컨대 전자적 방식의 플라이 바이 와이어(Fly-by-Wire) 기술은 1958년에 요격기 아브로 캐나다 CF-105 애로우(Avro Canada CF-105 Arrow)에 처음 도입했으며, 자이로스코프에 의존하는 이 기술의 안정화 시스템은 소형화된 형태로 오늘날 ADAS 시스템에 사용되고 있다. 항공기 헤드업 디스플레이는 1937년에 처음 개발된, ‘반사경’이라고 하는 시차가 없는 광학 조준경 기술에서 유래됐다. 자동차 최초의 헤드업 디스플레이는 1988년 제너럴모터스(GM)의 올즈모빌 커틀라스 수프림(Oldsmobile Cutlass Supreme)에 선보였고, 곧이어 1989년에 닛산 240SX에 도입했다.

자동차 ADAS의 발전은 운전을 더 안전하고, 더 좋은 경험으로 만들어주는 적응형 또는 예측 기술에 초점을 맞추고 있다. 이런 시스템을 설치하고 작동하면, 운전은 사실상 ADAS와 운전자 사이의 협력 활동이 된다. 주행 동작을 하고 경고를 보내는 것은 시스템이지만, 여전히 차량에 대한 전반적인 책임을 지는 것은 운전자이다. 미래에는 시스템이 인간보다 더 빠르고 더 우수한 결정을 내리는 단계까지 발전할 것이다. 이는 의사 결정의 책임 소재에 대한 흥미로운 윤리적 질문을 제기한다.

오늘날의 ADAS에 사용되는 부품 사례

오늘날 자동차에 사용되는 전자 회로의 수는 매우 방대할 뿐 아니라 나날이 증가하고 있다. ADAS의 주요 측면은 카메라와 레이더, 초음파 또는 기타 다른 센서에서 발생하는 데이터를 처리해 잠재적인 문제에 대해 운전자에게 경고하거나 또는 차선 규칙을 유지하고 전방의 차량에 가까이 가지 않도록 하거나 주차 과정을 자동으로 수행하면서 운전자를 보조하는 다양한 역할을 포함한다. 이런 시스템은 일반적으로 전력 관리, 다양한 통신 인터페이스, 디스플레이 드라이버와 전원장치, 그리고 범용, 기능 안전을 위한 마이크로컨트롤러(MCU)를 통합하고 있다.

현재 ADAS에 사용되고 있는 몇 가지 부품들을 살펴보기로 하자. 이들 부품들은 미래에 자율주행차의 발전을 이끄는 근간이 될 것이다.

초음파 센서는 주차 거리를 계산하고 물체를 감지하는 데 사용된다. 텍사스인스트루먼트(Texas Instruments, TI)는 초음파 신호용으로 AEC Q-100 인증을 획득한 신호 컨디셔닝 인터페이스, PGA450-Q1을 선보이고 있다. 이 디바이스는 에코 신호를 처리해 초음파 트랜스듀서와 물체 사이의 거리를 계산하고, 결과 데이터를 LIN 2.1 네트워크를 통해 전송한다. 다이어그램에서 보듯이 한 쌍으로 사용되는 이 디바이스는 선택된 트랜스듀서-트랜스포머 쌍에 따라 1m 이하~최대 7m까지의 거리를 1cm 정확도로 측정할 수 있다. 각 디바이스는 전압 레귤레이터, ADC, 8비트(8051 기반) MCU, 오실레이터, LIN 2.1 물리적 인터페이스와 통신 프로토콜을 통합하고 있다. MCU와 프로그램 메모리가 있어 PGA450-Q1을 최종 애플리케이션을 위해 구성할 수 있다.

[그림 1] 이 초음파 센서 프로세서는 최대 7m 범위까지 1cm 정확도로 물체를 감지할 수 있다.

자동차 조명에서도 혁신이 이뤄지고 있다. 온세미컨덕터(ON Semiconductor)의 NCV78763 전원 안정기와 듀얼 LED 드라이버 제품을 예로 들어보자. 이 듀얼 출력, 부스트-벅 DC-DC 컨버터는 최대 60V에서 2개의 LED 스트링을 구동할 수 있다. 상향등, 하향등, 주간 주행등, 방향 지시등, 안개등을 비롯한 자동차 전면 헤드라이트 애플리케이션에 사용된다. 안전 모니터링을 위한 온칩 진단 기능을 내장하고 있어 MCU의 작업 부하를 덜어줘 시스템 자원에 여유를 제공한다. 뿐만 아니라 전류 모드 전압 부스터 컨트롤러를 내장해 입력 필터 설계를 간소화하고 BOM을 줄여준다. SPI 인터페이스를 통해 여러 개의 AEC 인증 칩을 통합하고 구성해 다양한 LED 조명 구성을 위한 유연한 플랫폼을 제공한다.

[그림 2] 온세미컨덕터의 자동차 헤드라이트용 듀얼 출력 드라이버는 최대 60V에서 2개의 LED 스트링을 구동할 수 있다.

타이어 압력 모니터링(TPM)은 현재 많은 차량에 탑재되고 있는 중요한 안전 기능이다. NXP 반도체가 제공하는 저전력 유선 또는 무선 센서 디바이스, FXTH8715(NXP에 인수되기 전 프리스케일 제품)는 특별히 이런 용도를 위해 설계됐다. 이 제품은 7x7x2.2mm QFN 패키지에 압력·온도 센서, XZ듀얼 축 또는 Z축 가속도계, 125kHz LF 수신기, 315/434MHz RF 송신기와 8비트 MCU를 결합했다. 이 디바이스는 100~1500kPa의 정확한 압력 측정이 가능해 중장비 트럭, 버스, 건설 차량에도 사용할 수 있다.

[그림 3] NXP의 통합 타이어 압력 모니터링 시스템 ‘FXTH8715’

수동 부품 제조사들도 자동차 애플리케이션을 염두에 두고 제품 개발에 가세하고 있다. 금속산화물 바리스터 또는 전압 종속 저항은 전자 회로에 손상을 줄 수 있는 과도·서지 전압으로부터 부품이나 시스템을 보호하기 위해 사용하는 중요한 디바이스이다. AVX의 바리스터 제품 2종은 특히 자동차 애플리케이션을 위한 제품으로, 고신뢰성 엔진 제어 유닛과 보다 양호한 자동차 실내 전자장치 환경 모두에 적합하다. VC 또는 VG 시리즈 트랜스가드(TransGuard) 멀티레이어 바리스터(MLV)는 AEC-Q200 인증을 획득한 아연 산화물 부품으로서 양방향 보호 기능을 제공한다. 이들 제품은 5.8V~85V DC 전압 정격, 0.05~7.3J(Joules)의 서지 에너지 정격, 그리고 최대 2000A의 피크 서지 전류 정격을 갖는다. 또한, 1ns 이하의 빠른 속도로 과도 전압에 응답하므로 오늘날의 ADAS 시스템이 요구하는 핵심 보호 기능을 제공하며, 미래의 자율주행 차량에서는 더욱 중요한 부품이 될 것으로 보인다.

물론 신뢰성과 관련해 어떤 전자 시스템 커넥터에나 잠재적인 취약점이 있다. 델파이커넥션시스템즈(Delphi Connection Systems)는 전기차와 전자 배전 시스템을 위한 커넥터를 100여 년 이상 제공해 온 가장 널리 알려진 업체 중 한 곳이다. 앞서 언급한 헤드램프 애플리케이션의 경우, 할로겐 적외선 램프와 함께 사용되는 델파이 APEX HIR2 커넥터는 출력 세기가 높아 메인 빔과 변환 빔 조명에 많이 이용된다. 하지만 출력이 높다는 것은 그만큼 높은 동작 전력과 상당한 발열을 의미하므로 이들 커넥터는 최대 190°C의 전구 단자 동작 온도에 맞게 설계되고, 커넥터와 단자는 150°C까지 테스트된다. 또한, 단자에서 열 에너지 전도율을 극대화하기 위해 은 도금이 사용되며, 커넥터의 연결 밀봉은 습기나 다른 오염물질의 유입을 방지할 수 있도록 견고하게 유지된다.

지금까지 자율주행 자동차를 실현할 수 있게 해주는 몇 가지 부품 기술들을 살펴보았다. 또한 차량과 차량 간(V2V), 차량과 주변 인프라 간(V2I), 그리고 클라우드와의 무선 통신은 이런 새로운 종류의 자동차를 가능하게 하는 필수적인 기본 기술이 될 것이다.

글: 마크 패트릭(Mark Patrick) 마우저 일렉트로닉스

자료제공: 마우저 일렉트로닉스