인간은 동물을 가축으로 사용하기 시작한 약 6천년 전부터, 이후 500년 후 바퀴가 발명되기까지 상품과 사람을 이동시키는 보다 효율적인 수단을 지속적으로 발전시켜 왔다.

이러한 개발 노력은 자동차와 도로, 철도와 선박을 거쳐 항공기에 이르렀다. 오늘날의 변화와 혁신의 속도는 더욱 빨라지고 있으며, 훨씬 더 큰 기회를 제공하고 있다.

이 글은 오늘날 운송 시스템 엔지니어(Vehicle System Engineer)가 직면한 주요 3개 화두인 ▲전동화(Electrification) ▲첨단운전자보조시스템(ADAS) ▲존(구역) 아키텍처(Zonal Architecture)에 대해 짚어보고 디자인 단에서 해결해야 할 도전과제를 2회에 걸쳐 알아보고자 한다.

◆안전성
운송 설계에서 가장 중요한 요소는 안전 솔루션으로 안전성은 별도의 주제로 다뤄져야 한다. 배터리관리시스템(BMS)은 온도를 모니터링하고, 충전율을 제어하여 최적의 성능을 제공할 수 있어야 한다. 

ADAS 시스템은 차량뿐만 아니라 다른 모든 차량·보행자를 위해 안전한 동작이 보장되어야 한다. 영역 아키텍처의 신호 속도와 무결성을 통해 안정적인 주행을 지원할 수 있어야 한다.

현재 엔지니어들의 최우선 관심사는 전동화다. 2021년 650만대의 전기차(EV)가 판매된 것을 고려하면 놀라운 일은 아니다. 전기차 보급률은 승용차 시장이 상업용 전기자동차 시장을 능가하고 있다. 그러나 상업용 시장 또한 혜택을 얻게 될 것이다.

전동화는 차량에 동력을 공급하는 것 이상의 다양한 혜택을 제공할 수 있다. 트랙션 컨트롤(Traction Control), 스마트 서스펜션(Smart Suspension), PAS(Power-Assisted Steering) 및 스마트 조명 등은 모두 전동화의 혜택을 받은 기능들이다.

그러나 이러한 발전 또한 장애물이 없는 것은 아니다. 제조업체와 소비자 모두 비용과 주행거리, 인프라, 무게 및 열과 같은 문제를 우려하고 있다.

핵심은 최적의 상충 지점을 찾는 것이다. 가령 비용과 무게를 줄이는 것은 가장 작고, 가장 비용 효율적인 솔루션을 찾는다면 간단히 해결될 수 있다. 하지만 설계자들은 혹독한 환경에 사용되는 부품의 품질과 전력 처리 능력도 고려해야 한다. 이러한 비용과 무게 및 품질에 대한 고려사항들은 서로 상충되는 경우가 많다.

이러한 장애물을 극복하기 위해서는 운송 산업의 혹독한 환경을 견딜 수 있는 전력 부품과 마이크로컨트롤러, 메모리 및 커넥터 등 첨단 기술 기반의 솔루션이 필요하다.

◆ADAS
ADAS는 운전자가 사고를 예방하거나 사고가 발생했을 때 사고의 심각성을 완화하는데 도움을 줄 수 있다. 이 시스템은 다양한 센서와 카메라를 이용해 물체와 보행자, 다른 차량 및 도로 상태 등을 감지하고 운전자에게 경고를 보내거나 자동으로 조치를 취하게 된다.

대체로 ADAS를 새로운 개념으로 생각하지만 이미 1950년대에 ABS(Anti-lock Braking System)가 채택되면서 사용되었던 개념이다. 이후 이 시스템은 어댑티브 크루즈 컨트롤(Adaptive Cruise Control, ACC), 차선이탈 경고, 충돌방지·사각지대 감지 등과 같은 기능이 추가되면서 발전해 왔다. 

이러한 기능은 최신 차량에 통합되면서 운전자에게 주변 환경에 대한 추가 정보를 제공하는 것은 물론 주행 기능의 특정 부분을 자동화함으로써 안전성을 높이고 운전자의 작업부하를 줄일 수 있도록 설계되었다.

예를 들어 ACC는 레이더, 카메라를 이용해 차량과 전방 차량 간의 거리를 감지하여 차량의 속도를 자동으로 조정함으로써 안전거리를 유지할 수 있도록 해준다. 차선이탈 경고 시스템은 운전자가 차선을 벗어나기 시작하면 경고를 보내고, 충돌방지 시스템은 잠재적 사고 가능성을 감지하여 브레이크를 작동시킴으로써 충돌을 피하거나 완화할 수 있도록 해준다.

전반적으로 ADAS 기술은 추가 정보를 제공하고, 주행 기능의 특정 부분을 자동화함으로써 도로에서 운전자와 탑승자의 안전을 향상시킬 수 있도록 설계되었다. 엔지니어들은 이러한 시스템의 기능을 이해하고, 실제 주행 조건에 적용될 수 있도록 안정적이며 정확하고 안전하게 설계하는 것이 매우 중요하다.

6개의 ADAS 레벨은 이러한 시스템의 성능과 기능을 정의하고 있는 표준기술 사양이다. 이 레벨은 SAE(Society of Automotive Engineers)에서 제정했으며 일반적으로 SAE J3016 표준이라고 한다. 각 레벨은 자동화 및 정밀화의 증가 정도에 따라 구분된다.

- 레벨 0, 자동화 없음: 이 레벨은 ADAS 기능이 없는 기존 차량을 나타낸다. 운전자가 모든 운전 작업을 책임진다.

- 레벨 1, 운전자 지원: 이 레벨에는 어댑티브 크루즈 컨트롤과 차선이탈 경고 및 자동 비상제동 등과 같은 기능이 포함되어 있다. 이러한 기능은 어느 정도의 자동화 기능을 제공하지만, 여전히 운전자가 차량 작동에 주의를 기울이고 책임을 져야 한다.

- 레벨 2, 부분 자동화: 이 레벨에는 차량을 차선 중앙에 유지할 수 있는 차선 센터링 및 자동 차선변경 등과 같은 보다 첨단 기능이 포함되어 있다. 이 레벨에서도 운전자는 여전히 경각심을 가지고 필요 시 차량을 제어할 준비가 되어 있어야 한다.

- 레벨 3, 조건부 자동화: 이 레벨의 차량은 특정 조건에서 조향, 제동, 가속을 포함한 대부분의 운전 작업을 수행할 수 있다. 그러나 운전자는 조건이 변경되는 즉시 차량을 제어할 수 있도록 준비가 되어 있어야 한다.

- 레벨 4, 고도의 자동화: 이 레벨은 대부분의 운전 작업을 사람의 개입 없이 차량이 수행할 수 있다. 그러나 악천후나 도로공사 등과 같은 특정 상황에서는 여전히 운전자가 차량을 제어해야 할 수도 있다.

- 레벨 5, 완전 자동화: 이 레벨은 사람의 개입 없이 모든 운전 작업을 수행할 수 있는 완전 자율주행 차량을 나타낸다. 운전자가 핸들이나 페달을 조작할 필요 없이 차량이 모든 주행 조건을 처리할 수 있다.

◆ADAS 설계 단에서의 도전과제
일부 차량은 레벨 3 자동화 수준에 도달해 있지만 시장에 출시된 차량 중 레벨 4 또는 레벨 5에 도달한 차량은 없다. 현재 많은 제조사가 더 높은 수준의 자동화 기능을 갖춘 차량을 개발하기 위해 노력하고 있다.

이러한 시스템은 높은 수준의 기술적 복잡성이 요구되고 다양한 주행 조건에서 안전하고 안정적으로 동작해야 하기 때문에 ADAS 시스템 설계 시 엔지니어들은 여러 문제에 직면할 수 있다. 

- 센서 융합: ADAS 시스템은 카메라, 레이더, 라이다 및 초음파 센서 등 다양한 센서를 이용하여 차량 주변의 데이터를 수집한다. 여러 센서의 데이터를 통합하여 주변 환경을 일관되게 묘사할 수 있도록 융합하는 것은 상당히 까다로운 작업일 수 있다. 이러한 작업을 위해 신중한 보정 및 동기화와 함께 센서 선택이 중요하다.

- 실시간 프로세싱: ADAS 시스템은 운전자에게 정확한 정보 및 응답을 적시에 제공할 수 있도록 방대한 양의 데이터를 실시간으로 처리해야 한다. 이를 위해서는 데이터를 신속하게 분석하고, 의사결정을 내릴 수 있는 고성능 컴퓨팅 플랫폼과 정교한 알고리즘이 필요하다.

- HMI(Human-Machine Interface): ADAS 시스템은 운전자에게 차량 상태 및 주변 환경의 잠재적 위험에 대한 명확하고, 간결한 정보를 제공해야 한다. 운전자에게 효과적으로 정보를 전달하는 사용이 편리한 직관적인 인터페이스를 구현하는 것 또한 어려운 과제가 될 수 있다.

- 보안: ADAS 시스템은 인터넷에 연결돼 있어 사이버공격에 대한 잠재적 취약성을 가지고 있다. 따라서 ADAS 설계자들은 시스템의 안전을 보장하고, 침입 및 해킹 시도를 방지할 수 있어야 한다.

- 환경 변동성: ADAS 시스템은 악천후와 열악한 조명, 예측할 수 없는 도로 조건 등 다양한 환경 조건에서도 안정적으로 동작해야 한다. 시스템이 이러한 조건에서 효과적으로 동작하도록 보장하는 것 또한 어려운 과제가 될 수 있다.

이러한 과제들을 해결하기 위해서는 고도의 기술 전문성과 엄격한 테스트 및 검증이 필요하다. 또 올바른 센서와 마이크로컨트롤러, 메모리 및 커넥터 제품을 찾는 것도 성공적인 ADAS 설계를 위해 필수적이다.

글: 제이미 피더슨(Jamie Pederson) / 테크니컬 콘텐츠 매니저 / 애브넷(Avnet)