레이더, 자동차의 눈
2021-08-24
글: 도날 맥카시(Donal McCarthy), 오토모티브 레이더 제품 라인 디렉터 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
더 빠르고 더 높은 분해능의 레이더 센서는 자동차 안전과 운전자 시야를 향상함으로써 차세대 운전자 지원(ADAS) 기술을 실현해 왔다. 글로벌 투자자들이 어디에서 수익을 올리는지 안다면, 자동차 업계에서의 승자는 시장을 흔드는 다음 세 가지 메가트렌드를 수용하고 완성하는 자가 될 것이다:
▶ 최종적으로 자율주행차(AV)가 일반도로의 운행 허가를 받게 될 것이라는 전망과 함께 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)의 확산 ▶ 전기화
▶ 개인의 자동차 소유라는 전통적인 개념에 도전하는 서비스로서의 모빌리티
이 트렌드가 왜 중요한지는 자동차 거대 기업인 포드(Ford)와 연간 생산량이 40만 대에도 못 미치는 테슬라(Tesla)의 시가총액을 비교해 보면 쉽게 알 수 있다. 테슬라는 전략의 기반을 배터리 구동 트랙션, 자율주행, 그리고 테슬라 브랜드의 차량공유 서비스를 지원하는 로봇택시 기능과 같은 분야에서의 혁신에 두고 있다. 포드는 수익의 상당 부분을 고출력 내연기관을 특징으로 하는 전통적인 미국 픽업 트럭에서 거둬들인다. 포드는 2017년 생산량이 6백만 대를 넘어섰지만 2019년 말 시가총액이 370억 달러에 불과한 반면, 훨씬 작은 규모의 테슬라는 440억 달러를 기록했다.
서비스로서 모빌리티(mobility-as-a-service)의 채택은 우버(Uber)와 같은 종류의 서비스 기업들이 개척한 비즈니스 모델과 소프트웨어 혁신에 의해 주도되었고, 점점 더 확산하는 자동차 전기화는 테슬라의 배터리 기가팩토리(Gigafactory) 같은 생산 혁신에 의존한다. 그러나 운전자 지원에서 혁신의 초점은 하드웨어와 소프트웨어 기술, 좀 더 구체적으로 말하면 정교한 센서 시스템과 인공지능의 결합에 있다.
모든 주행 지원 시스템은 부분적으로 다양한 형식의 인식 기술에 의존한다. 완전 자율주행차에서 라이다(LIDAR)와 비주얼 카메라 같은 광학 기술은 전자기 모션 센서(가속도계, 자이로스코프, 자기계)와 RF/마이크로파 시스템(레이더, 위성 위치추적)과 함께 작동한다. 놀랍게도, 레이더 기술은 처음으로 대중의 관심을 끈 것이 제2차 세계대전 무렵일 정도로 오래된 기술이지만, 오늘날 자동차 기술에서 가장 흥미진진한 발전의 한 부분을 맡고 있다. 실제로 오늘날 도로를 달리는 자동차 범퍼에는 많은 수의 24GHz 레이더 센서가 장착돼 있다. 아나로그디바이스(ADI)만 하더라도 현재까지 사각지대 감지, 자동 차선 변경, 자율 비상 제동(AEB) 등의 용도로 자동차 제조사에 약 3억 개의 디바이스를 공급했다.
그림 1. 자동차의 눈, 수퍼레이더와 이미징 레이더
하지만 새로운 ADAS 개발 시, AEB 및 적응형 크루즈 제어(ACC) 같은 기능의 발전을 통한 더 높은 수준의 운전자 지원 시스템을 요구함에 따라 아나로그디바이스와 같은 공급사들은 안전과 편의성을 염두에 두고 더 높은 정밀도, 더 긴 탐지거리, 더 빠른 감지, 더 완벽한 기술에 대한 비전을 제공하는 새로운 레이더 시스템을 개발하고 있다. AEB와 ACC 같은 운전자 지원 시스템은 생명을 구하고 사고를 예방한다. 이러한 시스템을 탑재한 자동차는 공식적인 신차안전도평가(NCAP)에서 더 높은 안전 점수를 획득한다. AEB와 자율 비상 스티어링 시스템은 모두 점점 더 늘어나고 있는 레벨 2 또는 레벨 3(L2/L3) 운전자 지원 기술 범주의 자동차 시장에 대응하기 위해 범위와 복잡성이 계속 진화하고 있다. 예컨대 새로운 NCAP 규격은 보행자, 즉 NCAP 용어로는 ‘취약한 도로 사용자’에 대한 보다 향상된 감지를 요구한다. 새롭게 개발되고 있는 AEB 시스템은 도심지와 고속도로 환경 모두에서 더 빠른 주행 속도에서 제동 기능을 제어할 수 있어, 일반적인 상황보다 더 복잡한 환경에서도 신뢰성 있게 동작한다.
시장은 특히 고속도로 주행 시 운전자의 수고를 덜어주는 기술을 원하는 자동차 구매자들의 요구에 응답하고 있다. 메르세데스벤츠 S 클래스와 같은 프리미엄 자동차는 이미 앞차와의 거리를 지능적으로 제어하는 기능과 자동차의 차선을 유지하는 액티브 스티어링 지원 등 제한적인 고속도로 오토파일럿 기능을 제공한다. 자동차 OEM들은 이러한 기능들을 더 광범위하고 보다 복잡한 상황에 적용할 수 있도록 끊임없이 기능을 향상시키고 있다. 이에 따라 뛰어난 성능을 제공하는 레이더 센서에 대한 수요가 더욱 커지고 있다.
운전자를 직접적인 차량 제어로부터 완전하게 떼어놓는 더 높은 수준의 L4 및 L5 자율주행으로 나아가기 위해서는 차량 주변에 대한 360도 뷰를 실시간으로 제공하는 감지 시스템을 개발해야 한다. 이러한 로보택시를 위한 제어 시스템은 상상할 수 없을 만큼 복잡할 것이고, 레이더, 카메라, 라이다 센서 같은 개별 센서들로부터 생성된 입력을 결합하고, 잘못된 감지로 인한 위험을 제거할 수 있는 리던던시가 필요할 것이다.
비주얼 카메라는 사람, 동물, 도로 표지판과 같은 물체를 인식하는 데 사용할 수 있다. 라이다 기술은 풍부한 포인트 클라우드를 생성하는데, 자동차와 외부 물체와의 거리를 곧바로 측정하고 물체의 크기를 측정하여 외부 세계에 대한 고해상 3D 맵을 만든다.
그러나 끊임없이 확대되고 있는 레이더 센서의 고유한 기능은 L4 및 L5 시스템에서 이러한 다른 유형의 센서들을 결정적으로 보완한다. L2 및 L3 활용 사례에서 레이더는 크기, 비용, 성능 특성의 최고의 조합으로 실제로 가장 광범위하게 사용되는 센서 유형이다.
무엇보다, 레이더는 4D 감지를 수행한다. 레이더는 한 번의 조사로 밀리미터파 펄스가 반사되는 물체의 거리, 속도, 각도, 고도를 측정할 수 있다. 또한 레이더 센서는 라이다 센서와 비주얼 카메라의 동작이 불완전하거나 불가능한 비, 안개, 눈과 같은 조건에서도 동작이 가능하다.
더 우수한 성능, 혁신적 통합
현재 개발 중인 자동차 레이더 시스템은 향후 언젠가는 오늘날의 레이더 기술을 투박하고 구식으로 보이게 만들 것이다. 하지만 오늘날 전방 범퍼에 장착되는 레이더 센서는 앞차와의 거리와 속도를 측정하는 능력은 탁월하다.
완전한 고속도로 오토파일럿 시스템은 독일의 아우토반에서 안전하게 운행할 수 있어야 한다. 일례로 아우토반에서는 승용차보다 작아 감지하기 어려운 모터사이클이 180km/h 이상의 속도로 추월 차선에서 접근할 수도 있다. 따라서 이러한 위험 상황을 빠르고 정확하게 감지하려면 오토파일럿의 레이더 시스템은 보다 정확하고, 더 빨리, 그리고 더 먼 거리에서 감지할 수 있어야 한다.
크기와 비용에 대한 자동차 산업의 엄격한 제약을 충족하면서 이처럼 우수한 기능을 제공할 수 있으려면 반도체 기술, RF 시스템 동작, 신호 처리에서 혁신이 요구되는데, 이들 분야는 아나로그디바이스가 탁월한 경쟁력을 나타내는 분야이다.
아나로그디바이스가 출시한 76GHz ~ 81GHz 마이크로파 IC(MMIC) 송신기 및 수신기를 포함한 차세대 레이더 제품은 새로운 Drive360® 28nm CMOS 기술 플랫폼을 기반으로 한다. 레이더에 SiGe 반도체 기술을 사용하는 업계의 관행들과 차별화된 ADI의 Drive360 플랫폼은 다음과 같은 뛰어난 장점들을 제공한다:
▶ 높은 출력 전력, 낮은 리턴 잡음으로 더 먼 거리에서 물체 감지 가능
▶ 낮은 위상 잡음과 높은 IF 대역폭을 통해, 이전의 레이더 센서에서는 감지하기 어려웠던 모터사이클이나 유아 보행자와 같은 작은 물체 감지를 위한 초정밀도를 제공
▶ 고성능 위상 변조로, 레이더 센서가 현장의 여러 물체들을 보다 효과적으로 식별
▶ 초고속 펄스 전송으로, 180km/h로 접근하는 모터사이클과 같이 빠르게 움직이는 물체에 더 빠른 반응 제공
또한 CMOS 기술의 사용은 레이더 디바이스에 높은 수준의 디지털 기능 통합을 지원함으로써 첨단 레이더 시스템의 비용과 크기를 줄일 수 있게 한다. 오버샘플링 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 초저잡음 디지털 PLL 클록과 같은 기능에 적용된 아나로그디바이스의 핵심적인 IP는 차세대 77GHz 레이더 센서의 동작 속도, 분해능, 안전성을 높일 수 있게 해준다.
첨단 반도체 기술, 아날로그 전문지식, 시스템 소프트웨어 기능의 결합은 레이더 기술이 차세대 자동차에 장착되는 ADAS 기능을 확장할 수 있게 한다. 아나로그디바이스는 현재는 물론 향후 10년 동안에도 레이더 개발의 중심에 있을 것이다.
저자 소개
도날 맥카시(Donal McCarthy)는 ADI의 오토모티브 레이더 제품 라인 디렉터이다. 코크대학에서 전기공학을 전공하고, 보스턴대학에서 M.B.A.를, 더블린에 있는 아일랜드 경영연구소에서 마케팅 학위를 받았다. MACOM에서 설계 엔지니어, 히타이트에서 필드 세일즈 엔지니어 및 마케팅 직책을 거쳐, 아나로그디바이스에서 마케팅 매니저와 디렉터 직책을 맡았다. 문의: donal.mccarthy@analog.com
