자율주행 센서

왜 배우는가: 자율주행차는 주변 물체의 위치와 속도를 파악해야 판단과 제어를 할 수 있으며, 이를 담당하는 것이 센서이다. 레이더, 라이다, 초음파센서, 카메라는 감지 원리와 기상·거리 특성이 서로 달라 하나만으로는 완전한 인지가 어렵다. 그래서 센서별 장단점 비교와 센서퓨전의 필요성을 함께 설명할 수 있어야 한다.

출제 이력: 제137회 3교시 3번, 제128회 2교시 2번, 제116회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자율주행 센서는 차량 주변 물체의 거리, 속도, 형상 정보를 전파·빛·음파·영상으로 얻는 인지 장치이다.

자율주행 학습에서 먼저 익혀야 할 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 자율주행 센서
• 레이더
• 라이다
• 초음파센서
• 실화상카메라
• 원적외선카메라
• 비행시간 방식
• 센서퓨전

2. 개념 풀이

자율주행 센서는 차량이 도로 환경을 인지하기 위해 외부 정보를 받아들이거나 외부로 신호를 보내는 장치의 총칭이다. 차량의 판단과 제어는 센서가 만든 정보에 의존하므로, 센서의 감지 원리와 한계를 알아야 기능별 적용 기준을 설명할 수 있다. 감지 방식은 스스로 신호를 내보내는지에 따라 능동 센서와 수동 센서로 나뉜다. 레이더, 라이다, 초음파센서는 신호를 직접 발사하고 되돌아오는 반사파를 받는 능동 센서이며, 실화상카메라와 원적외선카메라는 외부의 빛이나 열을 받아들이는 수동 센서이다.

능동 센서는 신호를 직접 발사하고 반사파로 거리를 구하며, 수동 센서는 외부의 빛이나 열을 받아들인다.

감지 원리는 크게 두 가지로 나뉜다. 첫째는 비행시간 방식이다. 레이더, 라이다, 초음파센서는 신호를 보낸 시점과 반사파가 돌아온 시점의 차이로 거리를 구한다. 신호가 물체까지 갔다가 돌아오므로 왕복 시간을 2로 나누어야 하며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$d = (c × t) ÷ 2$

식에서 d는 물체까지의 거리(m), c는 신호의 전파 속도(m/s), t는 발사부터 수신까지 걸린 시간(s)이다. 전파와 레이저는 빛의 속도인 약 3×10^8 m/s로 진행하고, 초음파는 공기 중 음속인 약 340m/s로 진행한다. 같은 시간차라도 신호 종류에 따라 환산 거리가 크게 달라지므로 센서별 전파 속도를 구분해야 한다.

둘째는 도플러 효과이다. 레이더는 반사파의 주파수가 물체의 접근이나 이탈에 따라 변하는 현상을 측정하여 상대 속도를 얻는다. 이 때문에 레이더는 앞차와의 접근 속도를 거리와 함께 바로 계산할 수 있다. 차량용 레이더는 77GHz 대역의 밀리미터파를 주로 쓰며, 이 대역의 짧은 파장은 작은 움직임도 정밀하게 잡아낸다.

카메라는 렌즈로 모은 가시광선을 이미지 센서에 맺어 영상을 만들고, 영상처리와 인식 알고리즘으로 차선, 신호등, 보행자를 구분한다. 실화상카메라는 사람이 보는 것과 비슷한 가시광 영상을 얻으므로 표지와 차선 인식에 강하다. 원적외선카메라는 가시광선이 아니라 물체가 스스로 내는 열복사를 감지하여 온도 분포를 영상으로 바꾼다. 따라서 어두운 밤이나 안개 속에서도 체온을 가진 보행자와 동물이 주변과 대비되어 나타난다.

라이다는 레이저 펄스를 주변으로 빠르게 쏘아 반사된 신호를 수신하고, 각 방향의 거리 값을 모아 점군을 만든다. 점군은 주변 물체의 3차원 형상을 나타내므로 차량과 장애물의 윤곽을 입체로 파악하는 데 쓰인다. 라이다는 파장이 짧은 빛을 쓰므로 레이더보다 방향 분해능이 높다.

초음파센서는 음파를 발사하여 반사파가 돌아오는 시간으로 거리를 구한다. 음파는 빛이나 전파보다 훨씬 느리므로 감지 거리가 짧고 응답 속도에도 한계가 있다. 대신 소자가 작고 가격이 낮아 차량 후방과 측면의 근거리 감지에 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

자율주행 기능은 경고 알림에서 자동 제동과 자동 조향으로 확대되었다. 첨단운전자지원시스템(ADAS)이 운전자에게 정보만 주던 단계에서 차량이 직접 제어하는 단계로 넘어가자, 센서가 물체를 놓치면 제어 결과가 곧바로 안전 문제로 이어진다. 이 때문에 주행 환경을 한 가지 센서로 완벽히 인지하기 어렵다는 점이 분명해졌고, 센서별 장단점을 정확히 알아야 기능을 설계할 수 있게 되었다.

카메라 단독 사용에는 한계가 있다. 카메라는 색과 형상 정보가 풍부해 차선과 표지판 인식에 강하지만, 주변 밝기와 역광, 야간 조도에 민감하다. 거리는 영상을 분석해 간접적으로 추정하므로 정밀한 거리 측정에도 불리하다.

초음파센서는 저렴하고 근거리 물체 감지에 안정적이지만 감지 거리가 짧다. 그래서 주차 보조나 저속 구간의 장애물 감지처럼 가까운 거리에서만 필요한 기능에 주로 쓰인다. 초음파만으로는 고속 주행에 필요한 전방 원거리 정보를 얻을 수 없다.

레이더는 전파를 쓰므로 비와 안개를 투과하는 장점이 있어 악천후에서도 거리와 속도를 측정할 수 있다. 다만 라이다보다 파장이 길어 물체의 형상을 세밀하게 구분하기 어렵다. 라이다는 근거리에서 정밀한 3차원 형상을 얻지만, 빗방울과 먼지에 신호가 흩어지고 시야가 가려지면 측정 품질이 떨어진다.