자율주행 자동차의 눈 "라이다 VS 레이더"

[월드투데이 성연수기자] 자율주행자동차의 시대가 도래함에 따라 각국의 기업과 정부는 자율주행자동차를 새로운 성장 산업으로 지명하며 막대한 자본을 쏟아붓고 있다.

자율주행자동차에 활용되는 센서들은 반도체 기술의 발전과 함께 점점 더 소형화되며, 대량생산이 가능해져 원가가 절감되고 있다. 

한편, 하나의 소자가 다양한 기능을 수행할 수 있게 되었다. 스마트 센서는 전자 회로, 통신 기능, 마이크로프로세서 등이 일체화된 센서로서 소형화하고 네트워크화 되어 원하는 곳에 장착하기 용이해졌다.

또한 자동차의 전자화에 따라 보다 빠르게 센서 신호를 처리하고 더 큰 메모리가 필요하게 되었다. 이는 반도체 센서와 마이크로프로세서의 인공지능 스마트화를 불러일으켰다.

자율주행시스템을 위해서 필요한 자율안전시스템과 ADAS(Advanced Driver Assist System)은 기술 측면에서 인지, 판단, 제어 영역으로 세분화 된다.

인지 영역은 주변 차량 및 장애물, 도로 표식, 교통 신호 등을 인식하는 기술이며, 판단 영역은 인지 신호를 효율적으로 분석하고 행동 지시를 내리는 기술에 해당한다. 제어영역은 지시되 행동을 행하기 위한 조향, 가감속 등을 제어하는 액추에이터 기술이다.

이때 주변 환경 상황을 정확하게 인식하는 믿을 수 있는 센서 기술이 뒷받침 되어야 한다. 자율주행차량은 주로 라이다, 레이다 및 카메라 등 세 가지 유형의 광학 센서가 사용되고 있다. 여러 센서를 활용하여 각 센서의 장단점을 활용해 장거리 및 단거리의 주변 상황을 파악한다. 

카메라 센서는 객체를 형상 그대로 인지한다. 최근 딥러닝 기술과 결합하여 효과적으로 다양한 객체와 구별하게 되었다. 하지만 객체까지의 거리나 속도를 파악하기 위해 사용되는 원근법과 추적기법은 오차 발생률이 크며, 주변 환경에 민감하다는 단점이 있다.

차량용 레이더는 전자파를 송신하고 객체에서 반사되어 돌아온 신호를 토대로 거리, 속도, 각도를 추론하여 차량의 전방, 측방에 있는 상대 차량과 방해물 위치를 정확하게 바로 파악한다. 파악한 정보는 도로와 이동 객체로 구분해 3D 영상이나 클라우드 포인트로 표시하여 매우 정확한 그리드 맵을 만들 수도 있다.

전자파를 사용하기 때문에 외부 환경에 민감하지 않아 어두운 밤이나 안개 등의 악천후에도 활용할 수 있다.

최근 높은 해상도의 거리, 속도, 각도를 탐지하기 위해 76GHz ~81GHz의 주파수 대역을 사용한다. 하지만 아직 각도 해상도가 낮아 하나하나의 객체를 파악할 수 없어 다양한 객체의 종류를 구분하는 데 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 많은 수의 안테나를 사용한다.

레이더와 라이더가 물체를 보는 방식은 같지만 전파를 사용하는 레이더와 다르게 라이다는 빛을 매개체로 사물을 본다. 

라이다는 레이저를 송출하고 객체에 반사되어 신호가 돌아오는 시간을 이용해 거리를 파악하는 ToF(Time of Flight) 기술과 돌아오는 신호의 위상차를 이용해 거리를 파악하는 Phase Shift 기술이 있다. 현재 사용되는 대부분의 라이다 센서는 실시간으로 중장거리의 3차원 공간정보 파악하는 ToF 기술이 주로 사용된다.

이때 사용된 레이저는 매우 정밀한 각도로 스캔 되어 송신하기 때문에 각도 해상도가 매우 뛰어나다. 

하지만 비나 안개 등의 외부 환경에 성능이 점점 나빠져 고장이 일어나며, 속도를 정확히 탐지하는 데 어렵다는 단점이 있다.

현재 구글 웨이모의 자율주행 자동차에 대표적인 ToF 방식 기반의 회전형 라이다가 사용되고 있다. 모터를 구동하기에 회전형 라이다는 부피가 크다는 단점이 있어 최근 비모터식 배열형 라이다 개발을 통해 소형화를 이루고 있다.

현재의 자율주행자동차에는 2000여개의 시스템 반도체가 들어있으며 첨단 센서들은 자동차 곳곳에 위치하여 자동차 주변의 외부환경과 내부 상태를 실시간으로 파악하는 핵심적인 기능을 수행한다. 

또한 레이더나 라이더와 같은 지능형 센서 시스템뿐만 아니라 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 고안전시스템과 네트워크가 연결되어 자동차가 안전하게 자율주행하게 한다.

그러나 현재 자율자동차에 사용되는 내부 네트워크는 모든 장치와 연결할만한 대역폭을 제공하지 못하고 있다는 한계를 지니고 있다.

자율자동차 산업은 막대한 돈을 쏟아부으며 현재 벤츠, 아우디, 현대자동차, 포드, GM 등의 많은 자동차 기업뿐만 아니라 웨이모, 엔비디아 같은 IT 기업들의 관심을 받고 있다.

웨이모는 지난 3월 자사 직원들에 한해 자율주행 서비스를 제공했으며 테슬라의 1분기 매출은 187억6천만 달러(23조1천600억 원)로 작년 동기(103억9천만 달러)보다 81% 늘었다.