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글 / 클레멘트(Dan Clement), 온세미(Onsemi)

오늘날의 자동차는 연식을 거듭하면서 더 많은 시스템과 도구(Gadget)들을 탑재하고 있다. 이 중 일부는 구매를 유도하거나 편안함을 높이기 위해 추가된다. 대표적인 예로는 무드 조명, 하이엔드 엔터테인먼트 시스템, 다양한 드라이브 모드, 카시트 위치 메모리 설정, 미러 위치 메모리 설정 등이 있다. 더불어 운전자와 승객의 안전을 위한 시스템이 탑재되며, 이는 주로 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS, Advanced Driver Assistance Systems)이라 불린다. 대표적인 예로는 어댑티브 크루즈 컨트롤(adaptive cruise control), 자동 긴급 제동장치(automatic emergency braking), 백업 카메라(backup cameras), 전방 센싱(forward sensing), 서라운드 뷰 카메라(surround-view cameras) 등이 있다.

지난 100년 동안 운전자 지원 시스템은 단순한 기계적 크루즈 컨트롤을 시작으로, 소프트웨어 및 메타버스로 알려진 증강/가상 현실에 의해 강화되면서 완전 자율주행 수준의 비전 기술까지 극적으로 발전했다. 국제자동차기술자협회(SAE International)는 오늘날 차량의 자율성을 레벨 2+로 정의한다. 레벨 2는 부분적인 자동화를 허용하지만 운전자는 여전히 주의를 기울여 언제라도 운전대를 잡도록 준비해야 한다. 그러므로 오늘날 차량의 자율성이 레벨 2+라는 것은  자율주행이 지나치게 복잡하고 업계의 예상보다 오래 소요되는 현실을 반영하고 있다. 참고로 레벨 5는 드라이버가 필요 없는 완전한 자율주행을, 레벨 0은 자율성이 아예 없음을 의미한다.

이 글은 ADAS의 역사에 대한 기고문 시리즈의 1부이며, 다양한 시스템에 대해 설명하고 있다. 마지막 시리즈에서는 앞으로의 ADAS 시스템과 더불어 자동차가 어떻게 하나의 기계에서 완전한 디지털 체험기기로 변화될 것인지 설명하려 한다.

크루즈 컨트롤

최초의 운전자 지원 시스템은 스피도스탯(Speedostat)으로 추측된다. 스피도스탯은 랄프 티터(Ralph Teetor)가 설계한 최초의 스피드 컨트롤 시스템이다(Steinken, 2020). 놀랍게도, 랄프 티터는 어릴 적부터 눈이 보이지 않았다. 그는 부족한 시력을 보완할 초인적인 촉각과 뛰어난 집중력을 발달시켰고, 이것이 그가 위대한 발명가이자 엔지니어가 될 수 있었던 이유라고 밝혔다. 스미소니언 매거진(Smithsonian Magazine)의 한 기사는 그의 삶에 대한 흥미로운 특집을 요약하여  다루기도 했다(Sears, 2018).

스탯(Stat)이라고도 불리는 스피도스탯은 1950년 8월 22일 특허를 받았으며, 차량의 구동축에서 파생된 기계식 조속기 메커니즘에 연결된 대시보드 속도 선택기로 구성된다. 조속기에 의해 구동되는 진공 펌프는 가속 페달을 밀어 올려 운전자에게 속도를 줄이라는 진동(haptic) 신호를 보내게 된다. 

특허 등록으로부터 5년 후, 스피도스탯을 다룬 파퓰러 메카닉스(Popular Mechanics)는 이에 대해 "추가 기능이 있는 전동식 가속기 또는 조속기이다. 자동차 오토 파일럿을 향한 여정을 더욱 앞당겨준다"고 설명했다(Sears, 2018).

크라이슬러(Chrysler)는 스피도스탯을 채택한 최초의 자동차 제조사이며, 1958년 이 기술을 오토파일럿(Auto-Pilot)으로 브랜딩했다. 캐딜락(Cadillac)도 동일한 기술을 사용했지만, 크루즈 컨트롤(Cruise Control)이라고 불렀다. 이 명칭이 일반화되어 오늘날 해당 기술을 가리키는 데 흔히 사용되고 있다(Teetor, 2020).

그림 1. 랄프 티터가 크루즈 컨트롤을 확인하는 모습(1957년). 

자동차 명예의 전당(Automotive Hall of Fame) 제공

티터의 스피도스탯이 대중적인 차량에서 성공을 거둔 직후, 실리콘 트랜지스터의 발명에 의한 집적 회로가 탄생하는 또 다른 기술 혁신이 일어나고 있었다. 단일 트랜지스터가 칩 상의 전체 회로로 고도화되면서, 다니엘 위즈너(Daniel Wisner)는 자동차 속도 제어(Speed Control for Motor Vehicles)라고 불리는 최초의 전자 크루즈 컨트롤을 발명해 특허(1971년)를 취득했다(Niemier, 2016년). 이 새로운 전자 속도 제어 장치는 심지어 경사진 곳에서도 폐루프(closed-loop)를 통해 속도를 조절하면서 전례 없는 기술을 보여줬다. 마침내, 크루즈 컨트롤로 알려진 이 발명품은 자동차를 완전히 바꿔놓았다. 그 인기가 높아지자, 1980년대 후반 모토로라(Motorola)는 다니엘 위즈너의 알고리즘을 실리콘 칩에 구현하여  제작했다. 많은 차량들이 오랫동안 이 칩을 사용했다. 칩의 부품번호는 MC14460이며, 이미 폐기된 지 오래지만, 알고리즘은 오늘날에도 흔하게 사용되고 있다.

그림 2. MC14460 크루즈 컨트롤 칩 데이터 시트 커버 페이지. hackaday.com 제공

그림 3. GM 크루즈 컨트롤 모듈은 기존의 진공 기반 시스템과 달리 스로틀 케이블을 제어하는 전기 구동 방식을 채택했다. LS 엔진(Engine) DIY 제공

크루즈 컨트롤의 그 다음 주요 혁신은 1990년대 초에 등장한 어댑티브(adaptive) 크루즈 컨트롤이며, 윌리엄 천드릭(William Chundrlik)과 파멜라 라번(Pamela Labun)이 발명했다(Steinken, 2020). 이 시스템은 일반적인 크루즈 컨트롤과 비슷하게 작동했으나, 거리 감지 센서를 구현해 느리게 주행하는 차량 뒤에서 속도를 줄이면서 속도 제어는 유지할 수 있도록 했다. 최초의 시스템은 레이저를 사용했지만, 이후 다양한 솔루션에서 레이더(radar), 라이다(LiDAR), 카메라를 포함한 다양한 종류의 센서를 사용하게 되었다.

잠김 방지 브레이크 시스템

항공 분야에서 유래된 잠김 방지 브레이크 시스템(ABS)도 흥미로운 역사를 가지고 있다. ABS는 크루즈 컨트롤과 마찬가지로 기계 시스템에서 시작됐다. (Unknown, Wikipedia, 2021)

1920년, 항공기와 자동차의 선구자인 가브리엘 보이신(Gabriel Voisin)은 항공기를 위한 기계식 ABS 시스템을 설계하고 실험했다. 이 시스템은 휠과 함께 회전하고 브레이크 시스템의 유압 밸브를 제어하는 플라이휠을 사용했다. 바퀴와 플라이휠이 모두 같은 속도로 회전할 때 시스템은 브레이크를 해제한다. 바퀴가 미끄러질 때처럼 갑자기 느려지면 플라이휠은 계속 더 빠르게 회전하며, 이 회전의 상대적 차이가 유압 브레이크 밸브를 열어 타이어가 다시 회전하게 한다. 이 시스템은 제동 거리를 최대 30%까지 줄였으며, 그동안 항공기가 비행할 수 없었던 조건에서 비행이 가능토록 했다. 이 시스템으로 인한 미끄럼 감소 또한 타이어 마모를 크게 줄였다.

항공기 외에도 1958년 로얄 엔필드 슈퍼 메테오(Royal Enfield Super Meteor) 오토바이가 최초의 ABS를 시험 운행했다. 완전 기계식 시스템은 ABS가 오토바이 사고의 일반적인 원인인 미끄러짐을 크게 줄여줌을 증명했다. 안타깝게도, 로얄 엔필드의 기술 책임자는 이 기술의 가치를 인식하지 못해 시스템을 폐기했다.

또 다른 완전 기계식 시스템은 1960년대에 퍼거슨(Ferguson) P99, 젠슨(Jensen) FF, 4륜 구동 포드 조디악(Ford Zodiac)을 대상으로 제한된 시험 운행을 거쳤다. 해당 시스템은 신뢰성이 낮고 너무 비싸 인기를 끌지 못했다.

최초의 완전 전자식 ABS는 1960년대 후반에 차량용이 아닌 콩코드(Concorde) 여객기용으로 개발됐다. 콩코드는 높은 가시성과 혁신적인 기술 개발로 전 세계의 관심을 끌었다. 콩코드 여객기는 이착륙에 긴 활주로를 필요로 하는데, ABS는 사고나 이탈 발생 시 기체가 활주로에서 미끄러지지 않도록 하기 위한 요구사항이었으며, 정기 운항에 필수적이었다. 콩코드의 이륙 속도는 250노트로 당시와 현재의 일반 민항기보다 훨씬 높다(Unknown, Heritage Concorde, 2021). 젖은  활주로에서 이륙이 거부당할 경우  ABS 제동 없이는 위험할 수 있었다.

전자식 ABS는 소비자용 차량 부문에서 최초로 1971년형 크라이슬러 임페리얼에 탑재됐다. 벤딕스 코퍼레이션(Bendix Corp.)은 해당 시스템에 대해 1970년 특허를 냈으며, 크라이슬러는 일반적으로 안티-스키드(anti-skid)라고 불리는 슈어 브레이크(Sure Brake)로 이를 브랜딩했다. 이 시스템은 신뢰성이 높았으며, 나머지 업계에서는 자체 버전을 도입하기 시작했다.

벤딕스 코퍼레이션에게는 유감스럽게도, 오늘날 ABS에 대한 공식적 인정은 피아트 리서치 센터(Fiat Research Center)의 마리오 팔라제티(Mario Palazzetti)에게 돌아갔다. 팔라제티는 시스템을 개선해 이후 ‘미스터 ABS’로도 유명해졌다. 보쉬 모빌리티 솔루션(Bosch Mobility Solutions)은 팔라제티의 시스템을 인수해 ‘ABS’로 명칭을 바꾸고, 표준 기능이 될 때까지 대량 생산 차량용으로 꾸준히 개선했다(Unknown, Did You Know Cars, n.d.).

ABS는 모든 자동차 제조사의 표준 기능이 됐고, 도로를 달리는 대부분의 차량이 이를 채택한다. 크루즈 컨트롤과 마찬가지로, ABS라는 용어도 이제 일반화됐다.

그림 4. 1970년대 메르세데스 벤츠(Mercedes-Benz)의 ABS 테스트. 스터프(stuff) 제공

트랙션 컨트롤

트랙션 컨트롤 시스템(TCS)은 휠 구동에 사용되는 동력량을 조절한다. 처음에는   차동제한장치(LSD)를 사용해 미끄러진 휠에 동력을 기계적으로 제한했다. 1970년대 초 차량에는 전자 TCS가 추가됐다. 트랙션 컨트롤은 휠 속도 및 휠 간 차이를 모니터링해 각 휠에 전달되는 동력의 양을 제어한다. 일부 시스템은 차량의 스로틀 또는 스파크 컨트롤을 제어했지만, 대부분은 결국 차량의 브레이크 시스템을 사용하는 데 집중했다. 실제로 대부분의 트랙션 컨트롤 시스템은 이전 섹션에서 설명한 ABS를 공유한다. 트랙션 컨트롤은 ABS와 마찬가지로 오늘날에는  표준 기능이 되었다.

스태빌리티 컨트롤

스태빌리티 컨트롤 시스템은 1990년대 초에 처음 등장했다. 보쉬는 1995년식 메르세데스 벤츠 S600 쿠페에 해당 시스템을 도입했다(Markus, 2020).

스태빌리티 컨트롤은 ABS 및 트랙션 시스템에도 통합돼 있어 차량이 운전자의 입력(스로틀 및 스티어링)에 어떻게 반응하는지 이해할 수 있는 센서를 추가한다. 스티어링 휠 센서의 데이터를 요(yaw) 센서 및 가속도계와 비교해 현재 차량이 어떻게 주행 중인지 계산할 수 있다. 스태빌리티 컨트롤은 이 정보를 사용해 제동, 스로틀 또는 서스펜션을 조정하여 핸들링을 개선할 수 있다. 

스태빌리티 컨트롤은 2012년 미국에서 표준 장비로 채택됐다. 트랙션 및 스태빌리티 컨트롤은 중요한 시스템이지만 ABS 및 어댑티브 크루즈 컨트롤만큼 잘 알려지거나 보여지지 않는 것 같다.

결론

이 기고문은 크루즈 컨트롤, ABS, 트랙션 컨트롤, 스태빌리티 컨트롤의 역사와 발전을 소개했다. 각 시스템의 역사는 독특하고 흥미로우며, 종종 초기 설계와 관련된 기계적 기원을 가진다. 이러한 시스템들은 시장에 출시되기까지 새로운 시스템의 개발, 테스트 및 검증에 수십 년이 소요되는 공통점을 가진다.

2부에서는 이밖의 다른 ADAS 시스템과 그 역사를 설명하려 한다. 마지막 기고문은 미래의 시스템과 소프트웨어 정의 차량을 향한 발전에 초점을 맞출 것이다.  

첨단 운전자 지원 시스템의 역사 2부 보기

참고문헌

• Blackstone, S. (2012, August 28). Business Insider. Retrieved from Adaptive Cruise Control Will Change Driving In America: https://www.businessinsider.com/how-adaptive-cruise-control-will-change-driving-in-america-2012-8

• Cuffari, B. (2018, November 6). Back-Up Cameras – Why They Have Become U.S. Law. Retrieved from AZO Materials: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=15688

• Howard, B. (2021, October 21). Blind spot detection: Car tech that watches where you can’t. Retrieved from Extreme Tech: https://www.extremetech.com/extreme/165742-blind-spot-detection-car-tech-that-watches-where-you-cant

• Kingston, L. (2018, June 11). Piston Heads. Retrieved from PH Origins: Autonomous emergency braking: https://www.pistonheads.com/features/ph-features/ph-origins-autonomous-emergency-braking/38171

• Markus, F. (2020, June 9). Traction Control vs. Stability Control Systems: What Is the Difference? Retrieved from Motortrend: https://www.motortrend.com/features/traction-control-vs-stability-control/

• Niemeier, H. (2016, February 11). The Collegian. Retrieved from Hillsdale alumnus inventor of cruise control: http://hillsdalecollegian.com/2016/02/hillsdale-alumnus-inventor-of-cruise-control/

• Schafer, T. a. (1971, Feb 1). SAE Mobilus. Retrieved from The Chrysler “Sure-Brake” - The First Production Four-Wheel Anti-Skid System: https://saemobilus.sae.org/content/710248/#abstract

• Sears, D. (2018, March 8). Smithsonian Magazine. Retrieved from The Sightless Visionary Who Invented Cruise Control: https://www.smithsonianmag.com/innovation/sightless-visionary-who-invented-cruise-control-180968418/

• Steinken, M. (2020, January 27). Adapt Automotive. Retrieved from Timeline: Milestones in ADAS Before 2010: https://www.adaptautomotive.com/articles/51-timeline-milestones-in-adas-before-2010

• Teetor, J. (2020, October 15). The Classic Cars Journal. Retrieved from Who was Ralph Teetor and why is he in the Automotive Hall of Fame?: https://player.vimeo.com/video/269276416?h=d6ae7e96c2

• Unknown. (2021, October 21). Cameron Gulbransen. Retrieved from Kids and Cars: https://www.kidsandcars.org/child_story/cameron-gulbransen/

• Unknown. (2021, October 11). Heritage Concorde. Retrieved from Concorde Landing Gear Braking Systems: https://www.heritageconcorde.com/landing-gear-braking-systems

• Unknown. (2021, October 21). Lovering Volvo Cars Nashua. Retrieved from Blind Spot Information System: https://www.loveringnashua.com/blind-spot-information-system.htm

• Unknown. (2021, October 11). Wikipedia. Retrieved from Anti-lock braking system: https://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_system

• Unknown. (2021, October 8). Wikipedia. Retrieved from CMOS: https://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

• Unknown. (2021, October 11). Wikipedia. Retrieved from Traction control system: https://en.wikipedia.org/wiki/Traction_control_system

• Unknown. (2021, October 21). Wikipedia. Retrieved from Backup Camera: https://en.wikipedia.org/wiki/Backup_camera

• Unknown. (n.d.). Did You Know Cars. Retrieved Dec 16, 2021, from The History of Anti-Lock Brakes: https://didyouknowcars.com/history-of-anti-lock-brakes/