자율주행

자율주행(Automatic Driving, 自律走行)은 운전자가 직접 자동차를 운전하지 않고, 자동차 스스로 도로에서 주행하는 것을 의미한다. 일반적인 주행상황에서 목적지까지의 경로상 부분 자동화 또는 완전 자율주행이 가능한 시스템을 의미한다. 이러한 자율주행 기술이 탑재된 차량을 자율주행 자동차라고 부르며 무인자동차라는 용어와도 혼용되고 있다. 하지만 기본적으로 자율주행 자동차는 사람이 타는 것을 목적으로 하고 있기 때문에 안전성, 정숙성, 안락함 등이 보장되어야 한다는 측면에서 무인자동차의 개념과 다르다. 자율주행 기술의 상용화는 시점의 문제일 뿐 미래 자동차산업의 생존 경쟁에 있어 핵심 기술로 인식되고 있다. 자율주행 자동차의 전세계 연간 판매량을 2025년 23만 대에서 2035년 1,180만 대에 이를 것으로 예측하고 있으며 부분 자율주행이 가능한 차량을 포함할 경우 2024년 110만대에서 2035년 4,200만대로 약 38배 성장을 예상하는 등 기업들의 경쟁이 더욱 치열해질 것으로 전망된다.

자율주행 단계

자율주행은 시스템이 운전에 관여하는 정도와 운전자가 차를 제어하는 방법에 따라 비자동화부터 완전 자동화까지 점진적인 단계로 구분된다. 2016년 국제자동차기술자협회가 분류한 레벨 0단계부터 5단계를 글로벌 기준으로 통하고 있으며, 레벨 0은 비자동화, 레벨 1은 운전자 보조, 레벨 2는 반자율주행으로 부분 자동화이며 레벨 3은 조건부 자동화, 레벨 4는 고도 자동화, 레벨 5는 완전 자동화인 완전자율주행 단계이다. 레벨 0 비자동화는 운전자가 차량의 운전 및 속도 제어를 모두 담당해서 직접 상황을 파악하고 운전하는 단계로, 자율주행 기술이 없는 단계이다. 비상시에 도움을 주는 차선이탈경고, 사물 감지 등은 자율주행 기능에 포함되지 않는다. 레벨 1은 운전자 보조로, 자율주행 기술이 조금씩 사용되는 단계이다. 운전자가 핸들에 손을 대고 있는 것을 전제로 하여 자율주행 시스템이 특정 주행 모드에서 조향 또는 감속, 가속 중 하나를 수행한다. 시스템이 차량의 속도, 제동 등을 제어하고 일정 속도를 유지하는 기능 등이 레벨 1에 해당되며 스마트 크루즈 컨트롤, 차로 유지 보조 등이 포함된다. 레벨 2 부분 자동화는 레벨 1보다 완전한 자율주행 자동차에 가까워진 단계이다. 운전자가 개입하지 않아도 시스템이 자동차의 속도와 방향을 동시에 제어한다. 하지만 조종의 주체는 여전히 운전자에게 있으며 특정한 상황에서 자동차가 스스로 방향을 바꾸거나 간격 유지를 위해 속도를 제어할 수 있다. 또한 레벨 1과 동일하게 시스템이 운전자의 가속, 감속과 조향을 보조하고 고속도로 주행 보조, 원격 스마트 주차 보조 등을 한다. 레벨 3 조건부 자동화는 운전자의 개입이 더욱 감소하여, 돌발 상황이 발생하여 자율주행 모드의 해제가 예상되는 경우에만 시스템이 운전자의 운전을 요청한다. 레벨 2까지는 운전자가 전방을 주시하고 운행 방향을 바꾸는 등 개입을 해야했지만, 레벨 3부터는 시스템이 스스로 앞차를 추월하거나 장애물을 감지하고 피할 수 있다. 또한 시스템이 교통사고나 교통 혼잡을 감지하여 피할 수 있고 교통 혼바 시 저속 주행, 고속도로 주행, 자동 차로 변경 등을 한다. 레벨 4는 레벨 3과 마찬가지로 시스템이 전체 주행을 수행하지만, 위험 상황이 발생했을 때에도 시스템이 안전하게 대응해야 한다. 시스템은 운행 구간 전체를 모니터링하며 안전 관련 기능들을 스스로 제어한다. 운전자는 출발 전에 목적지와 이동 경로만 입력하면 되며, 수동 운전으로 복귀하지 못할 때에도 시스템이 안전하게 자율주행을 해서 시스템이 정해진 도로와 조건 하에 운전을 하게 된다. 레벨 5는 완전 자동화 단계로 운전자 필요 없이 탑승자가 목적지를 말하면 사람이 개입하지 않고 시스템이 스스로 판단하여 운전하게 된다. 이 단계에서는 운전석이나 엑셀, 브레이크, 스티어링 등의 조작장치가 필요하지 않게 되며 시스템이 모든 도로와 조건에서 운전한다.

기술 원리

자율주행 자동차는 기본적으로 도로 위의 사물의 유무를 판단하고 그것을 넘어 단순 장애물인지 사람인지까지 판단할 수 있어야 한다. 또한 주변 상황을 정확하게 판단하고 감지하여 어떻게 움직여야 하는지 판단해서 마치 사람이 운전하는 것처럼 가속 페달 밟는 정도, 브레이크 페달을 밟는 정도, 스티어링 휠 각도 등을 조절해 주어야 자율주행을 할 수 있다. 이렇게 자율주행 자동차가 주변 상황을 판단하기 위해서는 다양한 기술이 필요한데 여기서 필요한 기술이 인지, 판단, 제어, 측위 등이 있다. 먼저, 인지는 카메라, 레이더, 라이다 등의 정밀 센서 등을 이용해서 차량 주변 상황을 읽고 감지해 내는 기술이다. 여기서 카메라, 레이더, 라이다는 자율주행 자동차에서 대부분 사용하고 있는 정밀 센서이며 상용화된 자율주행 자동차는 주변 상황을 인지하는 데 사용하고 있다. 또한 이렇게 세 가지 센서를 묶어 자동차가 인지할 수 있도록 해주는 것을 센서 퓨전이라고도 부른다. 판단은 인지 기술로 얻어낸 정보를 바탕으로 분석하여 자동차가 어떤 동작을 취해야 하는지 결정을 하게 만드는 기술인데, 인공지능(AI) 기술을 적용한다. 제어는 자율주행 자동차가 인지를 통해 상황에 대한 정보를 받아들이고 판단을 통해 다음 행동을 어떻게 취해야 하는지 결정을 하고 난 뒤, 최종적으로 차를 움직이게 하는 가속페달, 브레이크 페달, 스티어링 휠 등을 조작하는 것을 말한다. 마지막으로 측위는 동작을 위한 정보로, 차가 도로의 어디에 있는지를 알아내는 기술로, 평상시에 많이 사용하고 있는 GPS 기술을 활용한다. 자율주행 자동차의 외부인식장치에 대해 추가로 설명하자면, 외부인식 장치에는 GPS, 레이더, 라이다, 카메라, 초음파 센서, 컴퓨터 시스템이 존재하며 GPS는 차량의 경로와 위치를 판단하고, 레이더는 전후방의 차량을 인식하며, 라이다는 자동차의 주변 환경을 360도로 인식한다. 또한 카메라는 차량 앞에 있는 사물이 어떤 사물인지, 혹은 사람인지 아닌지 파악하고, 초음파 센서는 차량 주변에 있는 근접 차량을 인식을 하며 컴퓨터 시스템은 외부인식 장치를 통해 얻은 데이터를 기반으로 자동차의 움직임을 제어해주는 역할을 한다. 더불어 자율주행 자동차가 주행하기 위해서는 통신 문제가 해결되어야 하는데 센서는 자동차 주변에 관한 정보밖에 제공하지 못한다. 자동차가 적절한 주행 경로를 판단할 수 있기 위해서는 좀더 확장적인 주변 맵이 필요한데, 근처의 다른 도로 사용자들과 인프라가 제공하는 정보를 사용해서 생성할 수 있다. V2V와 V2I 통신은 무선 통신이나 셀룰러 시스템을 사용할 수 있는데, 어떤 프로토콜이 가장 적합할지는 아직 결정되지 않았다. 안전성을 높일 수 있도록 높은 데이터 전송 속도와 낮은 지연시간으로 동작해야 하며 자동차를 악의적인 공격자가 해킹하지 못하도록 방어할 수 있는 높은 수준의 보안 또한 필요하다. 차세대 차량 모델로 사용하기 위한 다양한 형태의 V2V, V2I 기술을 개발하기 위해서 자동차 제조사, 일차 협력사, 실리콘 회사, 통신 회사들이 손을 잡고 협력하고 있다. 특히, 근거리 전용 고속 패킷 통신 시스템(DSRC, Dedicated Short-Range Communications)은 일부 논란에도 불구하고 가장 널리 알려진 차량간 통신 기술이다. 이 기술은 1999년부터 자동차 분야에 도입되어 왔으며 802.11p 무선 통신 프로토콜을 기반으로 하는 근거리 전용 고속 패킷 통신 시스템은 국가에 따라서 5.8GHz~5.9GHz 대역으로 동작하며 거리는 최대 300미터까지 이른다. 지연시간이 대략 5ms로 비교적 낮으므로 안전성 측면에서 다른 통신 기술들과 비교해서 훨씬 유리하다. 토요타(Toyota Motor Company), 제너럴모터스(GM), 포드(Ford)를 비롯한 많은 회사들이 근거리 전용 고속 패킷 통신 시스템을 자사의 통신 목표를 달성하기 위한 경제적인 기법으로 인식해 왔지만 널리 알려져 있고 비용이 낮다는 점에도 불구하고 여전히 몇몇 단점들을 포함하며, 이 때문에 도입이 제한되어 왔다. 근거리 전용 고속 패킷 통신 시스템은 대역폭이 국가들마다 다르므로 글로벌 시장을 겨냥해서 통합 작업이 좀더 까다롭고 보안 문제가 존재한다. 데이터를 암호화한다고 하더라도, 근거리 전용 고속 패킷 통신 시스템은 재밍, 오경보, 중간자 공격 같은 공격에 취약한 것으로 드러나고 있다. 또한 시제품으로 개발되고 있는 자율주행 자동차는 라이다 이미징 같은 센싱 메커니즘으로부터 생성되는 정보만 해도 이미 Gbps 대에 이르고 있지만 근거리 전용 고속 패킷 통신 시스템은 지원할 수 있는 데이터 속도가 Mbps 대로 낮다. 더불어 포드가 셀룰러 네트워크에 집중하기로 결정한 데서도 확인할 수 있는데 많은 자동차 회사들이 인프라는 잘 갖춰져 있으나 자율주행 자동차를 지원하기 위해서 필요로 하는 성능을 제공하지 못하기 때문에 LTE, 4G 기술은 건너뛰고 있다. LTE 네트워크는 피크 데이터 속도가 300Mbps에 불과하고 평균적인 지연시간이 약 50ms로 자율주행 자동차를 지원하기에 턱없이 부족하기 때문에 많은 회사들이 V2V와 V2X 시스템의 토대를 형성하기 위한 기술로서 차세대 5G 네트워크로 눈을 돌리고 있다. 5G는 자율주행 자동차가 필요로 하는 막대한 정보 양에도 불구하고 버퍼링이나 특정한 정보 패킷으로 우선순위를 부여하는 것을 필요로 하지 않고 데이터가 자유롭게 흐를 수 있게 할 것이다. 그렇지만 무엇보다도 5G의 가장 큰 장점은 극히 낮은 지연시간으로 자율주행을 위해서 특히 중요한 요소이다. 사람이 도로 상의 어떤 사건을 인지하고 반응하기 위해서는 대략 1초가 걸린다. 따라서 시속 100킬로미터로 주행하고 있다고 했을 때 사람은 28미터 정도 지나서야 브레이크를 밟고 속도를 늦출 수 있다. 하지만 고속 5G 통신을 사용한 커넥티드 카는 1천 배 더 빠르게 반응할 수 있어서, 불과 수 센티미터밖에 지나지 않아서 제동 절차를 시작할 수 있는 것이다. 하지만 5G도 보안과 관련하여 중측적 보안, 영역간 보안, 단대단 보안, 설계 시에 보안 등에 주의를 기울여야 한다.

참고자료

• 현대자동차㈜, 기아자동차㈜, 〈자율주행 기술개발 현황〉, 《에이치엠지저널》, 2016-01-05
• 〈자율주행 단계〉, 《네이버 지식백과》
• 현대자동차㈜ 공식 홈페이지 - https://www.hyundai.co.kr/TechInnovation/Autonomous/Roadmap.hub
• 이준희 기자, 〈자율주행 자동차의 원리는 어떻게 될까?〉, 《코딩월드뉴스》, 2021-02-21
• 마우저 일렉트로닉스 마크 패트릭, 〈(기고) 자율주행 기술: (4) 자율주행차를 가능하게 하는 'V2V/V2I' 통신〉, 《인공지능신문》, 2021-02-07

같이 보기

• 완전자율주행
• 반자율주행
• 자율주행 자동차
• 전기자동차
• 테슬라

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