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글 / 덴 클레멘트(Dan Clement), 온세미(Onsemi)

2부에서는 1부에 이어 다양한 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)과 그 역사를 소개한다. 1부는 크루즈 컨트롤, 잠김 방지 브레이크 시스템(ABS), 트랙션 컨트롤, 스태빌리티 컨트롤에 대해 다뤘다. 2부는 충돌 방지 시스템, 자동 긴급 제동장치(Automatic Emergency Braking, AEB), 백업 카메라, 사각지대 경고, 첨단 전방 조명 및 타이어 공기압 모니터링에 대해 설명한다.

충돌 방지와 자동 긴급 제동장치(AEB)

AEB는 차량이 위험 하거나 운전자의 반응 상태 등을 감지해 위험한 상황에서 충돌 위험을 최소화하기 위해서 자동으로 브레이크를 동작 시키는 기능을 의미한다. 주차, 차선 변경 또는 보행자 등을 포함한 전방 충돌 감지 시 작동할 수 있어 ‘전방 충돌 감지’라고도 불린다.

기존의 혁신적 기능들과 마찬가지로 AEB 시스템도 긴 역사를 가지고 있다. 2차 세계대전 당시 RCA 엔지니어 나다니엘 코만(Nathaniel Korman)이 레이더 기반 시스템을 연구한 것이 그 시초이다. 전쟁이 끝난 후 RCA는 비군사적(non-military) 애플리케이션을 탐색하고 있었다. 코만은 교통 흐름 개선에 초점을 맞춘 속도 조절용 레이더 기반 시스템을 연구했다. 당초에는 열차 시스템에 주력하면서 선로 흐름을 개선하고 교차로의 수용량을 늘리고자 했다. 이후 그는 도로 위에도 동일한 시스템을 적용할 수 있을 것으로 생각했다. 

코만은 “이 시스템은 제어 대상 차량에 장착된 레이더 시스템을 활용한다. 레이더 시스템은 선행 차량과의 거리에 따라 전압을 발생시킨다. 이를 차량 속도에 따른 기준 전압 과 비교하고, 그 결과에 따라 차량이 제어된다"고 설명했다(Kingston, 2018). 특허는 1948년에 제출돼 1955년 등록 완료됐다.

시간이 지나 업계는 군사·항공 이외의 분야에서 레이더의 가치를 깨닫게 됐다. 안개가 자주 끼는 미시간 호수 근처에 살던 조지 라시드(George Rashid)는 최초의 자동 차량기반 레이더 제어 브레이크 시스템을 발명했다. 레이더가 안개를 투시할 수 있고 신뢰성이 높았기에, 라시드는 안개와 관련된 사고나 위험에 대한 해결책으로 이 시스템을 개발했다. 또한 라시드는 운전자가 쉽게 피로해지고 장시간 주행 시 집중이 흐려지기 쉬운 오늘날의 고속도로 시스템에도 이를 적용할 수 있다고 보았다. 더불어, 그는 고령 운전자들의 반응 속도가 느려지는 데에 도움을 줄 기술의 가능성에 관심을 보였다.

라시드의 시스템은 충돌 위협을 감지하면 차량의 스로틀을 멈추고 브레이크를 동작시킨다. 이 시스템은 성공적인 테스트를 거쳐 사고를 줄이는 능력을 입증했지만, 상용화 사례는 찾아볼 수 없다. 시스템이 장착되지 않은 다른 차량과 연쇄 충돌 사고가 발생할 경우, 그 책임소재가 큰 걱정거리였기 때문이다. 더 큰 문제는 해당 시스템이 사용하는 진공관의 부피가 크고 장기적인 안정성에 의심의 소지가 있어 시스템을 상용화하기 어려웠다.  

라시드 사후 그의 아들이 투자자를 찾아 상업적으로 더욱 매력적인 트랜지스터 기반 솔루션을 전파하면서 이 시스템에 활력을 불어넣었다. 트랜지스터와 집적회로는 1970년대 중반부터 상용화 및 소형화되기 시작했다. 작고 강력한 이 솔루션은 매력적이었지만, 라시드의 아들은 돈과 명성을 지나치게 즐겼고, 결국 투자자와 비즈니스 커뮤니티를 그 기술로 속이기까지 했다. 

다행히, 라시드의 특허는 많은 자동차 기업들이 자체 시스템을 개발하는 데에 참고가 됐다. 그 중 가장 유명한 초기 모델은 할리 얼(Harley Earl)과 빌 미첼(Bill Mitchell)이 설계한 제너럴 모터스(GM)의 1959년식 컨셉트 카이다.

그림 1. 할리 얼과 빌 미첼이 디자인한 제너럴 모터스의 1959년 캐딜락 사이클론 컨셉트 카. 

피스톤 헤즈(Piston Heads) 제공

사이클론 컨셉트 카는 레이더 기반 충돌 감지 시스템을 갖추고 있었다. 당시의 로켓과 항공 기술을 반영한 전면 덮개가 레이더를 두드러지게 했다. 이 시스템의 레이더는 차량 앞에 있는 물체까지의 거리를 계산하여 운전자에게 물체와 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 경고했다. 경고에 따라 행동하는 것은 여전히 운전자의 책임이지만, 이 컨셉트 카는 상용화를 향한 중요한 단계였다.

1960~70년대에는 여러 회사들이 다양한 유형의 충돌 방지 시스템을 설계했다. 엔지니어들과 규제 당국은 운전자가 시스템에 과도하게 의존해 사고가 줄지 않고 오히려 더 증가할 수 있음을 매우 우려했다. 그들은 광범위한 테스트 기간 동안 이러한 행태를 관찰했다. 미국 고속도로 교통안전국(NHTSA)은 적어도 1980년대는 돼야 이 시스템이 채택될 수 있으리라 주장했다(Kingston, 2018). 

1990년대에 이르러, 해당 시스템은 시장에 출시됐다. 1992년 미쓰비시(Mitsubishi)는 데보네어(Debonair) 모델을 통해 다른 물체가 차량에 너무 가까이 접근할 때 운전자에게 경고하는 ‘거리 경고(Distance Warning)’라 불리는 레이저 기반 시스템을 선보였다. 얼마 지나지 않아, 디아만테(Diamante) 모델을 통해 ‘전면 거리 제어(Preview Distance Control)’라는 폐루프(Closed-loop) 시스템을 출시했다. 이 시스템은 운전자가 감지된 충돌을 피할 수 있도록 스로틀을 닫아 반응 시간을 증가시켰다.

1990년대에 다른 자동차 기업들도 공격적으로 자체 시스템을 개발했다. 그들은 이러한 ‘전방 센싱 충돌 감지’ 시스템을 자동 브레이크 및 크루즈 제어 기능과 결합할 수 있음을 빠르게 깨달았다. 

혼다(Honda)는 2003년 레이더 기반 자동 제동 시스템인 ‘충돌 완화 제동 시스템(Collision Mitigation Braking System)’을 출시한 최초의 회사이다. 도요타(Toyota), 메르세데스(Mercedes), 볼보(Volvo) 등도 단기간에 비슷한 발전 양상을 보였다.

그림 2. 1990년대 메르세데스 벤츠의 ‘디스트로닉(Distronic)’ 시스템. 피스톤 헤즈 제공

2012년 어느 글에서 어댑티브 크루즈 컨트롤(ACC)과 자동 긴급 제동장치(AEB)를 대중에게 소개했다(Blackstone, 2012). 이 글은 ACC와 AEB의 동작 방식을 자세히 다뤘다. 그 중에서도 최고의 섹션은 자동차로 출근하는 동안 편히 앉아 ‘월스트리트 저널’을 읽게 될 미래에 관한 것이다. 현재에도 이는 목표로 남아있으며, 지난 9년 동안 많은 진전이 있었지만 주행 과정을 철저히 확인할 수 있게 되려면 아직 갈 길이 멀다.

오늘날의 자동차 업계가 완전 자율주행을 위한 경쟁에 치달으면서, 보다 정교한 전방 감지 기술에 대한 수요 또한 높아졌다. 초기 시스템은 단지 수십 미터 만을 볼 수 있었다. 하지만, 현재의 시스템은 고성능 다이내믹 레인지 카메라, 장거리 라이다 또는 레이더 및 빠른 머신 비전 프로세싱 덕분에 최대 300m 이상을 볼 수 있다.

이 섹션에 설명된 제동 및 크루즈 컨트롤 기능 외에도 다른 기능에서 전방 감지 시스템을 사용한다. 일부 단순한 시스템은 차선 유지 보조 시스템 또는 차선 이탈 경고 시스템을 활용하여 현재 차선을 벗어나는 경우에만 운전자에게 경고한다. 전자식 핸들(Drive by Wire)의 도입 덕분에 핸들을 자동으로 조정하여 차선을 유지하도록 하는 기능에도 전방 감지 데이터가 사용될 수 있다. 이는 레인 키퍼(lane keeper) 또는 레인 센터링(lane centering)이라 불린다. 테슬라 ‘오토파일럿(Autopilot)’과 같은 레벨 2 이상의 시스템은 자율주행이 가능하다. 그러나 지금까지 대부분의 사람들이 알고 있듯이, 논란이 되고 있는 이 기술명은 오해의 소지를 가진다. 위키피디아 페이지에서 이에 관한 다양한 추가 자료를 확인할 수 있다.

백업 카메라

첫 번째로 알려진 백업 카메라 활용사례는 1956년식 뷰익(Buick) 센츄리온(Centurion) 컨셉트카이다. 여기에 백 미러를 대체하기 위해 운전석 TV 화면에 영상을 보여주는 후방 TV 카메라를 장착했다.

그림 3. 후방 백업 카메라를 장착한 1956년식 뷰익 센츄리온 컨셉트 카. 존 로이드(John Lloyd) 제공

이는 훌륭한 아이디어였으나, 시장에서는 전면적 배포를 금지했을 것으로 추측된다. 사실, 당시에는 이 시스템이 제대로 동작하지 않는다고 생각되었다(Unknown, Wikipedia, 2021). 이후 알려진 활용사례는 실험용으로 설계된 1972년식 볼보 안전 차량이다.

도요타는 일본 독점 판매된 1991년형 소어러 리미티드(Soarer Limited)에 백업 카메라를 장착한 최초의 OEM 업체이다. 1997년까지 생산된 이 시스템은 컬러 스크린과 스포일러에 장착되는 CCD 카메라를 탑재했다.

2000년에 닛산 인피니티(Nissan Infiniti)는 백업 카메라를 제공했다. 2001년 미국에서 제공됐던 이 시스템의 LCD 화면에 있는 컬러 선은 이미지 상의 물체까지의 거리를 추정했다. 이와 더불어 다른 애프터마켓 솔루션도 개발됐다.

2015년 캐딜락(Cadillac)은 고해상도 광시야 백업 카메라를 제공해 운전자가 차량 후방과 옆 차선까지 더 멀리 볼 수 있도록 했다. 2017년까지 스바루(Subaru)와 캐딜락은 백업 카메라와 후방 자동 긴급 제동장치를 결합했다.

또한 일부 차량은 초음파 또는 단거리 레이더를 결합하여 이미지 데이터를 강화하기 위해, 혹은 누군가가 갑자기 차량에 접근하는 경우에 근접 경고(proximity warning)를 제공했다.

미국에서 발생한 카메론 굴브란센(Cameron Gulbransen)의 비극은 이 시스템이 대중에게 도입되고 법제화되게 한 주요 원인이다. 2002년, 두 살배기 캐머런 굴브란센은 자택 진입로에서 후진하던 아버지의 대형 SUV에 사고로 치어 치명상을 입었다(Unknown, Cameron Gulbransen, 2021). 결국 본 사건은 해당 문제와 관련해 상징적인 사건이 되었다. 이후 10년 동안의 사회적 운동에 힘입어, 마침내 2018년 5월 1일 이후 생산되는 모든 차량에 백업 카메라를 기본 장착하도록 규정하는 미국 법이 제정됐다.

사각지대 경고

사각지대 경고(Blind Spot Warning, BSW) 시스템을 개발한 볼보는 2003년에 사각지대 정보 시스템(Blind Spot Information System, BLIS)을 도입했다(Unknown, Loving Volvo Cars Nashua, 2021). BSW 시스템은 다양한 방식으로 구현 가능하며 레이더, 초음파, 카메라를 다양하게 조합할 수 있다. 일부 BSW 시스템은 차량과 지원되는 전체 ADAS 기능에 따라 비상 제동, 차선 유지를 비롯해 다른 기능과 결합될 수 있다. 대부분의 시스템은 사이드 미러의 경고등처럼 단순하다.

또 다른 사각지대는 전면유리와 문 사이에 있다. BSW는 문제를 완전히 해결하지는 못하지만 사고 예방에 도움이 된다. 2019년 당시 14세의 앨레인 가슬러(Alain Gassler)는 이 기사에서 설명한 바와 같이 새로운 해결책을 고안했다. 이 해결책은 좀 더 개선될 필요가 있지만, 시야를 방해하는 사각지대로 인한 가시성 문제를 해결할 수 있었다.

그림 4. 사각지대 해결책으로 25,000달러 상금을 받은 엘레인 가슬러. CNN 제공

그녀의 해결방안은 카메라와 프로젝터를 사용해 빠진 정보를 사각지대에 덮어쓰는 것이었다. 관련 유튜브 동영상은 프로젝트의 세부 내용을 보여준다.

그림 5. 사각지대 시스템 작동 유튜브 캡쳐 화면

그녀의 독창성에도 불구하고 차량에 이 시스템이 도입되진 않았지만, 아마 미래에는 변화가 생길 것이다. 한편, 오늘날 도로 위 대부분의 시스템은 위에서 설명한 레이더 및 카메라를 사이드 미러에 내장한다.

첨단 전방 조명 시스템

AFLS 또는 AFS으로 불리는 첨단 전방 조명 시스템(Advanced Front Lighting Systems)은 다양한 속도와 도로, 날씨 조건에 따라 전조등의 강도와 방향을 조절하고 변경할 수 있다. 헬라(Hella)의 유튜브 영상은 이러한 기능들을 개략적으로 보여준다.

1911년경 개발된 초기의 전기 전조등은 상향등 기능이 없었고, 운전자가 켜고 끄기 위해 차에 타고 내려야 했다. 캐딜락은 1915년경 계기판에 기계식 스위치를 최초로 탑재했다. 이러한 초기 시스템은 조정 기능을 제공하지 않아 오직 켜고 끄기만 할 수 있었고, 방향과 높이가 고정돼 있었다(Unknown, The Retrofit Source, 2021).

1920년대 중반, 특정 조건에서 특정 양의 빛을 필수로 요구하는 규정에 따라, 상향등과 하향등을 모두 지원하는 이중 필라멘트 헤드라이트가 발명되었다. 자동차 기업들은 풋 페달 컨트롤을 통해 상향등과 하향등을 오가며 새로운 전조등을 제어하도록 했다. 유수의 자동차 기업은 1950년대와 1990년대 사이에 전방의 교통상황을 감지하는 센서를 사용해 상향등과 하향등을 전환하는 자동 기능을 구현했다. 

1930년대, 윌리스(Willys), 터커(Tucker) 및 기타 제조업체는 핸들에 기계적으로 연결된 중앙의 ‘사이클롭스(cyclops)’ 헤드라이트와 좌우 고정 헤드라이트로 구성된 어댑티브 헤드라이트 시스템을 구현했다. 이 추가 조명은 운전대가 가리키는 방향대로 빛을 비추었다 (Laukonen, 2019).

1990년대까지 헤드라이트의 주요 혁신은 조명 기술 그 자체였다. 할로겐 조명이 도입된 후 1990년대에는 고휘도 방전(High-Intensity Discharge, HID)으로 전환됐으며, 최종적으로는 발광 다이오드(LED)로 전환됐다. LED는 훨씬 더 효율적이며 오래 지속된다. 앞으로 발전을 거듭할 수록 LED가 차량의 주요 조명으로 자리잡을 것이라 전망된다. 

고급 자동차들은 2000년대부터 전자식 어댑티브 전방 조명 시스템을 구현하기 시작했다. 첫 번째 시스템은 마이크로 스테핑 모터를 사용해 조명을 조정하고 LED 컨트롤러를 사용해 개별 LED를 선택적으로 차단했다. 이러한 시스템은 이제 완전한 전자식으로 전환되고 있다. 

이와 관련된 또 다른 시스템은 현대식 강수 및 조도 센서 모듈이다. 강수 및 조도 센서는 젖은 전면 유리를 감지해 와이퍼(강수 센서)를 제어하고 상향등과 하향등을 포함한 헤드라이트(조도 센서)를 제어한다. 카메라를 통해 이 기능을 구현하려는 기업도 있지만, 현재로서는 강수 및 조도 센서 모듈을 사용하는 것이 효율적이다.

그림 6. 강수 및 조도 센서 모듈 예시. 헬라(Hella) 제공

타이어 공기압 모니터링

1970년대에 미국 NHTSA는 타이어 공기압 모니터링 시스템인 TPMS의 도입을 고려했다. 공기가 적절히 들어간 타이어를 사용하는 것이 좋지만, 당시 이에 대한 적절한 자동화 시스템이 개발되지 않았다. 또한 1970년대 인디애나 주립 대학(Indiana State University)의 연구에 따르면 공기압이 낮은 타이어는 제동 및 핸들링 감소로 인해 교통 사고 원인 중 1.5%를 차지했다. 굿이어(Goodyear)는 이 사실을 독립 연구를 통해 발견했다(G, 2016).

그림 7. TPMS 모듈 예시. 카아이디(CARiD) 제공

1970년대 후반 오일 쇼크 당시, 타이어 공기압 모니터링 문제가 다시 불거졌지만 이번에는 안전이 아닌 연료 소비가 원인이었다. 공기압이 적절한 차량의 당시 주행거리는 평균 3~4% 증가했다. 1980년대 초, TPMS 기술이 개선됐지만 정확성이나 신뢰성이 뛰어나진 않았다. 비용 또한 차량 한 대당 최대 200달러(현재 가치 1,423달러)로 높아 불황기에는 탑재하기 어려웠다.

TPMS를 장착한 최초의 차량은 1987년식 포르쉐(Porsche) 959였다. 이 슈퍼카는 최첨단 하이엔드 퍼포먼스 모델로서도 흔치 않은 다양한 첨단 기능을 가지고 있었다. TPMS를 최초로 탑재한 것 외에도 ABS, 유압 댐퍼(안티 롤 바 대체), 자동 서스펜션 조정, 전자식 높이 조정, 댐핑 제어와 더불어 기타 고급 기능도 갖췄다(Huffman, 2012). 

또한 포르쉐 959는 타이어 공기압 모니터링이 필수인 런플랫 타이어를 사용한 최초의 차량이다. 런플랫 타이어는 펑크가 난 상태에서도 성능이 양호해 운전자가 타이어가 펑크 난 것을 알아차리지 못할 수 있다. 당연히 공기가 빠진 런플랫 타이어는 매우 빠른 속도를 낼 수 있는 고성능 차량의 운전자에게 추가적인 위험을 일으킬 수 있다.

그림 8. 포르쉐959. 카아이디 제공

타이어 공기압 모니터링은 1999년 쉐보레 콜벳(Chevrolet Corvettes)을 시작으로 표준 기능이 돼 왔다. 쉐보레 콜벳은 런플랫 타이어를 사용했기 때문에 TPMS가 필수적이었다. TPMS는 이후 보다 표준적인 차량에도 탑재되기 시작했다.

그러나 본격적인 대중화는 미국 정부의 2000년 TREAD(타이어 리콜 강화, 설명 책임 및 문서화) 법으로 인해 주도됐을 가능성이 높다. 이 법은 포드 익스플로러(Explorer)의 파이어스톤(Firestone) 타이어와 관련된 논란에서 비롯됐다. 포드 익스플로러는 분명히 안정성 문제를 인지했고, 이를 차량 재설계 대신 공기압이 낮은 파이어스톤 타이어를 사용해 해결하려 했다. 불행히도 타이어 역시 설계에 문제가 있었으며, 타이어 펑크로 인한 전복 사고로 수백 명의 사망자와 수천 명의 부상자가 발생했다.

TREAD 법에 따르면 각 바퀴의 TPMS는 시동 중에 운전자에게 고장을 알리고 시스템을 자체 점검하며 사용자 매뉴얼에 문서화해야 한다. 2007년 9월 1일부터 이 시스템은 10,000파운드 미만의 모든 차량에 필수 탑재되도록 규정됐다(Unknown, Schrader TPMS Solutions, 2021).

거의 14년이 지난 현재 TPMS 미장착 차량은 도로에서 거의 찾아볼 수 없게 됐다. 대부분의 국가에서도 TPMS를 필수 사항으로 요구하면서 전 세계적으로 표준 안전 기능이 되었다.

결론

이 글에서는 충돌 회피 및 자동 긴급 제동장치, 백업 카메라, 사각지대 경고, 첨단 전방 조명 및 타이어 공기압 모니터링의 역사를 살펴보았다.

마지막 3부에서는 운전자 및 승객 모니터링, 서라운드 뷰 및 V2X에 대해 살펴볼 예정이다. 소프트웨어 정의 차량 및 차량의 완전한 디지털화에 대해서도 설명할 예정이다. 마지막으로 증강현실, 가상현실, 메타버스와 같은 트렌드가 미래 자동차에 어떤 영향을 미칠지 소개하고자 한다.

첨단 운전자 지원 시스템의 역사 1부 기사 보기

참고문헌

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• Huffman, J. P. (2012, October 24). Road and Track. Retrieved from Porsche 959: Yesterday’s Tomorrow: https://www.roadandtrack.com/new-cars/car-technology/news/a18695/porsche-959-yesterdays-tomorrow/

• 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

• Laukkonen, J. (2019, November 27). Lifewire. Retrieved from Adaptive Headlights See Around Corners: https://www.lifewire.com/what-are-adaptive-headlights-534820

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