자율주행 시스템

자율주행 시스템(autonomous driving system)은 자동차 스스로 일정한 환경속에서 운전환경을 감시하면서 운전 작업을 추진하게 하는 시스템을 가리킨다. 자율주행 시스템은 인공지능을 기반으로 카메라와 센서, GPS 정보 등을 이용하여 목적지까지의 운전작업을 추진한다.

개요

자율주행 시스템은 자동차에 탑재되어 자동차 스스로 자율주행을 추진하게 하는 시스템이다. 여기에서 말하는 자율주행은 자율주행 레벨 3단계~5단계를 가리킨다.

자율주행의 원리는 크게 위치확인, 인지, 판단, 제어로 나눌 수 있다. GPS 기술로 자동차의 위치를 확인하고 라이다, 레이더 및 카메라 등의 센서를 이용하여 차량 주변의 환경을 파악하며 이를 바탕으로 인공지능 기술을 활용하여 제어 방식을 결정하고 제어 즉 운전 작업을 추진하는 방식이다.

자율주행 시스템은 속도 유지, 적응도로 유지, 차로 유지, 차선 변경, 교차로 통과, 자동 주차, 주차장 무인 이동, 공사 구간 통과 등의 기능을 갖고 있어야 하며 이를 실현하려면 무인자동차 시스템, 정보인식 및 처리기술, 지능 제어 및 지능 운행 장치, 통합관제 시스템과 운행 감시 및 고장진단 시스템 등에 관한 기술이 필요하다.

자동차 자율주행 시스템은 1980년대에 미국과 유럽에서 처음으로 자율주행 자동차의 완전한 의미를 반영하는 수준으로 개발하였으며 2010년대에 도로 주행 테스트들을 추진하였다. 여러 나라에서도 도로 자율주행 테스트에 관련하여 허가들을 내주었으며 2014년에 SAE 인터내셔널은 자율주행 단계에 관한 6단계 분류 방법을 제출하고 각 단계에 따른 자율주행 시스템의 역할을 규정하였다. 일부 국가들에서는 자율주행 자동차를 대상으로 교통관제 시스템도 계획하고 있다.

역사

확실한 자율주행 자동차는 1980년대에 출현되었다. 1984년의 미국 카네기 멜론 대학교 Navlab 프로젝트와 ALV 프로젝트, 1987년의 메르세데스 벤츠와 독일 뮌헨 본데스비아 대학교(Bundeswehr University Munich)의 EUREKA 프로메테우스 프로젝트(EUREKA Prometheus Project)에서 자율주행 자동차를 선을 보인 뒤 메르세데스 벤츠, GM, 컨티넨탈 오토모티브 시스템, 오토리브(Autoliv), 보쉬, 닛산, 르노, 토요타, 아오디, 현대자동차, 볼보, 테슬라 모터스, 푸조 등 주요 자동차 제조사들과 연구 조직에서 자율주행 자동차의 프로토타입을 개발하였다. 2010년에 구글에서 자율주행 자동차를 개발하였으며 2013년 7월에 비스랩(Vislab)에서 자율주행 자동차 BRAiVE를 개발하여 공중에 개방된 혼합 도로에서 주행테스트를 추진하였다.

2013년에 영국정부에서 공중 도로를 이용하여 자율주행 자동차의 테스트를 추진하는데 허가를 내주었으며 전에는 개인 장소에서만 로보틱 자동차(robotic vehicle)의 테스트를 허용하였다. 2014년에 테슬라에서 반 자율주행 보조 시스템 방식의 자동 조종 장치(autopilot)를 자동차 제품에 설치하였다. 같은 해에 프랑스 정부에서도 2015년부터 공중 도로를 이용하여 자율주행 자동차를 테스트할 수 있다고 하였다.

유럽에 있는 벨기에, 프랑스, 이탈리아, 영국의 도시들에서 운전수 없는 차량을 대상한 교통운영시스템을 계획한다고 하였으며 독일, 네덜란드, 스페인도 교통도로를 활용한 로보틱 차량 테스트를 허용하였다. 2015년에 미국의 5개 주(네바다주, 플로리다주, 캘리포니아주, 버지니아주, 미시간주)에서 워싱턴 D.C.와 더불어 공중 도로에서 완전 자율주행 테스트를 허용하였다.

자율주행 6단계

자율주행은 실현 수준에 따라 여러 단계로 구분하며 각 제조사마다 단계를 구분하는 정도는 약간씩 다르지만, 일반적으로 국제자동차기술자협회(SAE; Society of Automotive Engineers)가 2014년에 배포한 J3016 표준(Recommended Practice: Taxonomy and Definitions for Terms Related to Driving Automation Systems for On-Road Motor Vehicles)에 기재한 자율주행 SAE 레벨 0~5단계(levels 0 ~ 5)를 따른다.

• 0단계: 아주 기초적인 자동차를 뜻한다. 인간이 직접 운전석에 앉아 조향, 가속·감속, 제동 등을 직접 제어하는 방식이다. 자동화된 시스템이 경고를 발생시키거나 순간적으로 개입할 수는 있지만, 차량을 지속적으로 제어할 수는 없다. 좀 더 확장된 관점에서 차선을 이탈하거나 앞차와의 간격이 좁을 때 경고음을 들려주는 기능 역시 이에 해당한다. 경고를 할 뿐, 모든 조작은 운전자가 직접 한다.
• 1단계: 조금 더 발전하여 본격적인 운전자 보조 시스템을 갖춘 자동차이다. 이 단계에서는 차량 제어 기능을 운전자와 자동 시스템이 공유해, 자동차가 제동, 조향, 가속·감속 등에 직간접적으로 개입한다. 차량의 속도를 일정하게 유지하는 크루즈 컨트롤, 스티어링을 자동화하는 주차 지원 시스템, 충돌을 경고하고 최대 제동 용량을 정하는 충돌 완화 시스템 역시 이 단계에 해당한다. 1단계에서도 사용자의 손은 계속 운전대 위에 있어야 한다.
• 2단계: 오늘날 도입되고 있는 '지능형 운전자 보조 시스템'(ADAS)에 해당한다. 1단계에서는 조향, 가속·감속, 제동 중 한 가지 기능만 자동화할 수 있었지만, 2단계부터는 이러한 조작 기능을 복합적으로 자동화할 수 있다. 사용자는 주행을 모니터링하고 언제든지 개입할 준비를 해야 하지만, 이 단계의 자동차는 차로 구분이 확실하고 대부분의 차량이 일정한 속도로 달리는 고속도로에서는 운전자의 조향을 직접 보조해 줄 수 있다. 사용자의 눈을 카메라로 감시해 교통 상황에 주의를 기울이고 있는지 확인할 수 있다.
• 3단계: 자동차가 직접 조향, 가속·감속, 제동 등을 스스로 할 수 있는 단계이다. 이를 통해 사고가 날 수 있는 상황을 피해 움직일 수 있으며, 운전자는 주변 상황에 크게 신경 쓰지 않아도 된다. 물론 최종 통제권은 운전자에게 있다. 차량은 비상 제동과 같은 상황을 처리할 수 있고, 공동 운전자의 역할을 한다. 사람은 운전석에 앉아서 모든 조작을 자율주행차에게 맡길 수 있지만, 특정한 위험 상황에서 자동차가 수동운전을 요청할 경우 운전대를 다시 잡아야 한다.
• 4단계: 스스로 안전한 자율주행을 할 수 있는 단계를 말한다. 예를 들면 스스로 달리던 자동차가 위급한 상황에 마주쳤을 때 운전자에게 직접 제어할 것을 요청하지만, 이때 운전자가 잠들었을 경우 자동차 스스로 속도를 줄이고 갓길에 정차하는 등의 제어가 가능한 수준이다. 운전자가 다시 제어권을 획득하지 못할 경우 차량이 안전하게 주행을 중단할 수 있어야 한다. 자동차 스스로 모든 것을 판단하기 때문에 자율주행 프로세서의 역할이 중요하다.
• 5단계: 인간의 개입이 전혀 필요 없는 완전한 수준의 자율주행 자동차를 뜻한다. 탑승자가 차에 올라타 목적지를 말하거나 내비게이션에 입력하면 목적지까지 자동으로 이동하는 자동차이다. 이 단계의 자동차는 운전석이 필요 없으며, 실내를 단순히 앉는 공간이 아니라, 이동형 사무실, 숙박시설, 여가시설 등으로 활용하는 것도 가능할 것이다.

적용기술

자율주행 시스템은 레이더, 라이다, GPS, 오도미터(odometer), 컴퓨터 시각(computer vision)을 비롯한 여러 가지 기술을 사용하여 자체 주변을 탐지한다. 고급 제어 시스템은 센서 정보를 이해하여 적정한 도로를 선택하고 장애물과 도로표식을 식별한다. 자율주행 시스템은 센서 데이터를 분석하여 도로에 있는 다른 차량을 구분하며 아래의 기술들이 탑재되어 있다.

• 라이다(LIDAR: Light Detection and Ranging) - 라이다는 레이저 펄스를 발사하고, 그 빛이 주위의 대상 물체에서 반사되어 돌아오는 것을 받아 물체까지의 거리 등을 측정함으로써 주변의 모습을 정밀하게 그려내는 장치이다. 라이다는 영어로 Light Detection And Ranging의 약자로 풀이되기도 하지만 그 이름의 기원을 따지면 "light"와 "radar(radio detection and ranging)"를 혼합하여 만든 합성어이다.
• 레이다(RADAR) - 무선탐지와 거리측정(Radio Detecting And Ranging)의 약어로 마이크로파(극초단파, 10cm~100cm 파장) 정도의 전자기파를 물체에 발사시켜 그 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 무선감시장치이다.
• 초음파 센서(Ultrasonic Sensors) - 초음파의 특성을 이용한 센세들을 가리키며 속도 측정, 거리측정, 농도/점성도 측정을 비롯한 여러 분야에서 역할하며 목적에 따라 여러 센서 종류들이 있다.
• 비데오 카메라(Video Camera) - 피사체(被寫體)의 빛이 렌즈를 통해 촬상 소자에 이미지를 만들고, 촬상 소자가 그 이미지를 전기신호로 변환해서 자기 테이프 등에 기록하거나 전송하는 장치를 가리킨다.
• GPS(Global Positioning System) - GPS 위성에서 보내는 신호를 수신해 사용자의 현재 위치를 계산하는 위성항법 시스템이다. 항공기, 선박, 자동차 등의 내비게이션장치에 주로 쓰이고 있으며, 최근에는 스마트폰, 태블릿 PC 등에서도 많이 활용되는 추세다.
• 관성 측정장치(IMU: Inertial Measurement Unit) - 자이로스코프와 수평 가속도계 및 수직 가속도계로 구성되는 관성 항법 체계의 핵심 장치로서 이동 물체의 속도와 방향, 중력, 가속도를 측정하는 장치이다. 자이로스코프는 정해진 기준방향을 감지하고, 가속도계는 속도변화를 측정하여, 이동 물체의 롤(Roll), 요(yaw), 핏치(pitch) 등을 감지한다. 가속도계는 이동 관성을, 자이로스코프는 회전 관성을, 지자계 센서는 방위각을 측정한다.
• CPU/Computer - 중앙에서 입력되는 명령어를 해석하고 연산한 뒤 그 결과를 출력하는 역할을 한다.

참고자료

• "Automated Vehicles for Safety", NHTSA
• "The Future of Mobility is Automated", TTTechAuto
• "J3016C: Taxonomy and Definitions for Terms Related to Driving Automation Systems for On-Road Motor Vehicles", SAE International

같이 보기

• 자율주행
• 자율주행 자동차

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