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자율주행차 레이더의 성능을 높이는 시뮬레이션의 중요성 ④

지난 글에 이어 이번 글에서는 전면 레이더 성능 저하를 방지하는 설계를 위한 모델링, 시뮬레이션 활용법과 이를 통한 개발 프로세스에서의 이득에 대해 알아본다.

센서 디자인과 프로토타입이 개발되면 차량에 설치된 경우를 평가해야 한다. 대부분의 레이더 센서는 범퍼 또는 차량의 전방 범퍼 페시아에 장착된다. 차량 디자인의 근접 효과는 레이더, 특히 레이더 에너지의 초점을 제어하는 안테나의 성능에 영향을 준다. 

차량 제조사는 구매자의 만족을 위해 공기역학적, 인체공학적으로 범퍼와 계기판을 설계한다. 심미적인 목표를 충족한 바디 모양의 고유한 특징은 차량에 통합되거나 후면에 숨겨지는 레이더 센서의 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

과거의 차량에서 레이더-범퍼 페시아와 레이더-범퍼 상호작용의 영향은 센서 제조사와 차량 제조사의 협력으로 평가되곤 했다. 

예를 들어, 전면 LRR을 평가하기 위해서는 차량 제조사가 센서 개발사로부터 공급받은 레이더 센서 프로토타입이 장착된 범퍼 페시아 및 범퍼의 프로토타입을 제작해야 했다. 그리고 안테나 측정을 위한 전자파 무반사실에서 차량 전면에 설치된 프로토타입 센서에 전원을 공급하여 측정하는 순이었다.

범퍼 페시아와 범퍼 디자인의 영향이 레이더 작동을 저하시키는 것으로 판단되면 다음의 세 가지 작업 중 하나가 수행된다.

- 설치조건에 대한 영향을 최소화할 수 있도록 센서를 개선 
- 장착된 레이다 센서의 성능을 개선할 수 있도록 차량 전면을 변경 
- 센서 성능을 만족시키기 위해 범퍼/페시아 뒤의 레이더 센서 위치를 변경 

각각의 경우, 재작업 및 재설계가 필요한 프로토타입 개발에 시간을 투자해야 한다. 차량 전면을 재설계하는 경우 차량의 전반적인 심미성을 위해 차체의 모양을 변경해야 하는 잠재적 영향이 있다. 그리고 이러한 프로세스에는 막대한 시간과 인적 물적 자원이 소요된다.

모델링과 시뮬레이션을 활용하면 프로세스를 크게 단축할 수 있다. 레이더 센서의 디지털트윈(DW)은 차량 설계의 디지털트윈을 빠르게 평가하여 통합 센서와 차량 전면의 완벽한 가상 프로토타입을 제공한다. 판금을 절단, 도색이나 프라이밍이 필요하지 않으며 플라스틱 사출이 필요 없고 프로토타입 센서를 물리적으로 개발할 필요도 없다.

차량 제조사와 센서 개발사 간 협력은 CAD 모델의 효율적 교환만으로도 충분하다. 가상 센서 모델은 가상 차량 전면 디자인에 배치되고 모델링 및 시뮬레이션이 적용되어 원하는 위치에서 센서의 설치 성능을 평가할 수 있다. 

위치가 최적이 아닌 것으로 나타나는 경우 가상 센서를 통합 설계로 신속하게 이동한 후 다시 평가할 수 있다. 협력을 통한 페시아/범퍼 상호작용 모델링은 차량, 센서 제조사 사이에서 빠르게 표준 업무로 자리잡아 상당한 비용 절감과 함께 기능 설계를 정해진 일정 내에 제공할 수 있다.

레이더 센서에 대한 페시아 영향을 77GHz에서 모델링하는 것은 다소 큰 전자기적 문제가 발생될 수 있다. 77GHz에서 페시아, 범퍼 및 센서가 포함되어 있는 경우는 500배의 전기적 파장에 걸친 문제가 나타날 수도 있다. 

다중 반사 영향을 보기 위해 페시아와 범퍼 뒤쪽의 차량의 더 많은 부분이 모델링되는 경우 해석 대상은 훨씬 더 커진다. 상당한 규모의 고성능컴퓨팅(HPC) 리소스를 사용하지 않는 한, 이러한 문제는 공간에 대한 격자생성을 하는 전자기 분석 방법으로 해결하기 어려운 현실이다.

광선 추적 방식(Ray-tacing)을 사용하는 점근선 필드 솔버라는 새로운 유형의 고주파 전자기장 솔버가 이러한 규모의 센서-페시아 상호작용에 적합하다.

앤시스는 독립된 센서 시스템에 대해 별도로 계산된 결과를 광선 추적 방식을 사용하여 대형 페시아 및 범퍼와의 상호작용을 모델링할 수 있는 HFSS SBR+라는 SBR(Shooting and Bouncing Ray) 솔버를 제공하고 있다.

시뮬레이션 프로세스는 하이브리드 방식으로 정확도 높은 유한요소 방식으로 시뮬레이션된 독립된 센서 시스템의 결과를 상호영향 분석을 위한 SBR+ 시뮬레이션의 급전으로 쉽게 적용할 수 있다. 각 방사 안테나 시스템에 대해 유한 요소 시뮬레이션은 센서 주변 영역의 근거리장을 계산할 수 있다.

HFSS는 HFSS SBR+ 솔버에서 전류원으로 사용될 Tx 채널(좌측) 및 Rx 채널(우측)을 둘러싸는 근거리장을 시뮬레이션한다.

여기서 설계된 SIW 구조 레이더 센서 어레이를 예로 살펴보자. 방사체의 가장 왼쪽 열은 레이더 펄스를 내보내는 송신용 서브어레이로 사용된다. 가로 열방향의 배열은 모두 대형 수신 서브어레이로 사용된다. 송신용 서브어레이의 경우, 계산된 근거리장은 가장 강한 필드(적색 및 황색으로 표시)가 송신 안테나 바로 위의 영역에 나타난다.

이러한 근거리장은 SBR 시뮬레이션을 위한 광선 원이 연속되어 있는 표면으로 사용된다. 평행하게 구성된 수신용 서브어레이 해당하는 근거리장은 수신 서브어레이 시스템의 방사/수집 기능을 담당하게 된다.

두 모델 모두 HFSS SBR+ 시뮬레이션에서 사용되며 안테나 시스템의 시뮬레이션 소스로 사용한다. 하이브리드 FEM-SBR 분석의 결과는 고안된 페시아 범퍼 디자인 내부에 적용되었을 때 각 레이다 안테나 서브어레이가 도로 또는 주변 환경에 따라 레이다 신호가 어떻게 반응하는지를 시뮬레이션한 것이다.

레이더 센서 어레이 모델이 제안된 자동차 페시아에 설치되고(좌측), 설치된 조건에서의 상호작용을 모델링하기 위해 HFSS SBR+(shooting and bouncing ray) EM 필드 솔버가 적용되었다. 레이더 센서 안테나 시스템을 위한 HFSS 유한 요소 시뮬레이션은 그림처럼 적절한 위치에 적용되었고 HFSS SBR+ 시뮬레이션을 통해 광선의 서브셋이 80도 각도로 진행해 나가는 것을 보여준다(우측).

레이더 수신 안테나 서브어레이에 대한 결과는 독립적으로 계산된 센서(HFSS 유한 요소법 솔버에 의해 계산됨)에 대해서 그림의 왼쪽에 표시되었고, 오른쪽에는 제안된 차량 페시아에 설치된 센서 시뮬레이션이 표시되었다(HFSS SBR+에 의해 계산됨). 시뮬레이션은 눈에 띄는 부엽레벨의 증가와 함께 최대 방사 이득이 예상대로 감소함을 보여줄 수 있다.

송신 채널의 서브어레이도 이와 유사하게 계산되는 구조를 띈다. 레이더 센서와 페시아 사이의 상호작용에 대한 시뮬레이션 결과는 최대 이득 감소와 부엽레벨 증가를 보여준다. 

수신 채널 서브어레이 방사 패턴(좌측)과 송신 채널 방사 패턴(우측). 모듈 단품 상태에서의 방사패턴과 페시아와 범퍼에 적용된 방사패턴

또한, 이 해석 방법은 다중 채널 레이더로 확장하여 도착 과정의 방향에 대한 원거리장의 위상 오류를 관찰할 수 있다.

센서 및 제안된 자동차 범퍼 디자인에 대한 상호작용 모델링이 완료되면, 원거리장 결과를 또다른 시뮬레이션 수준인 전체 도로 환경에서의 상호작용 모델링에 사용할 수 있다.

 

글 : 숀 카펜터(Shawn Carpenter) / 프로덕트 매니저 / 앤시스

 

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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