차세대 자동차 센서, 라이다의 기본

차세대 자동차 센서인 라이다 란 무엇인가요?

최근 몇 년 동안 자율 주행 자동차의 핵심 기술인 라이다 센서의 연구 개발이 전 세계적으로 진전을 이루었습니다. 이름은 "light detection and ranging"의 약자입니다.

라이다 센서는 근적외선과 같은 빛을 물체에 직접 비추어 물체를 스캔하고 수신기를 사용하여 산란광과 반사광을 수집합니다. 이를 통해 물체의 속도, 거리 및 모양을 측정할 수 있습니다.
원리는 레이더를 사용하여 전파를 전송하고 반사를 수신하여 물체까지의 거리를 측정하는 것과 동일합니다. 그러나 전파보다 파장이 훨씬 짧은 빛을 사용함으로써 라이다는 높은 정밀도로 거리를 측정할 수 있으며 레이더가 감지하기에는 너무 작은 물체의 모양도 결정할 수 있습니다.

라이다는 1960년대에 개발되었으며 항공 우주 분야에서 지형도 작성과 같은 응용 프로그램을 찾았습니다. 또한 구름 및 에어로졸과 같은 작은 입자를 감지하는 능력으로 인해 기상학에서도 사용됩니다. 그리고 최근 몇 년 동안 자율 주행 기술의 급속한 발전으로 인해 장애물, 다른 차량, 사람 등을 멀리서 감지하는 방법으로 라이다에 대한 관심이 높아졌습니다.

레벨 3 자율주행 확산 및 그 이후를 전망하며

자동차용 자율주행 시스템은 레벨 1부터 레벨 5까지 분류되며, 라이다는 레벨 3 이상의 자율주행 달성하기 위한 방법으로 여겨집니다. 레벨 1 및 레벨 2 자율주행 에서는 인간 운전자가 시스템을 계속 제어하며 시스템은 지원 역할만 합니다. 장애물과의 충돌이 임박했을 때 자동으로 제동하고, 고속도로와 같은 특정 조건에서 핸즈 오프 모드에서 차선 위치를 유지하고, 앞차를 따라가도록 속도를 조정하고, 느린 차량을 안전하게 추월하는 등 다양한 주행 동작을 지원합니다. 자율주행 레벨 1과 2를 가능하게 하는 시스템을 ADAS(Advanced Driver-Assistance Systems)라고 합니다.

이와 대조적으로, 이 시스템은 자율주행 레벨 3~5에서 주된 역할을 하는 인간 운전자를 대체합니다. 운전자는 시스템에 의존하여 차량을 운전할 수 있으며, 차량이 스스로 주행하는 동안 도로에서 눈을 떼고 다른 일을 할 수 있습니다.

2024년 현재 점점 더 많은 세계 주요 자동차 제조업체가 핸즈오프 드라이빙이 가능한 레벨 2 자율 주행 차량을 출시하고 있습니다. 그러나 전 세계적으로 사용할 수 있는 레벨 3 이상의 자율 주행 차량은 거의 없습니다. 일본에서는 국내 자동차 메이커가 2021년에 100대 한정 리스 전용 차량으로 단 한 가지 모델만 출시했지만 2023년에 생산이 종료되었습니다. 다른 자동차 제조업체는 아직 비슷한 시도를 하지 않았습니다. 전 세계 자동차 제조사들이 레벨 3 이상 자율주행 기술 개발을 위해 경쟁하는 가운데, 각국에서 미래를 준비하기 위해 교통 법규 개정을 추진하고 있습니다.

다른 센서에 비해 라이다의 장점

다음으로 라이다의 기본 사항을 설명하겠습니다. 자율주행 가능하게 하려면 도로상의 다른 차량, 보행자, 교통 표지판, 도로 차선, 장애물 등의 정보를 실시간으로 감지해야 합니다.자율 주행차에는 카메라, 밀리미터파 레이더, 초음파 센서, 라이다 등 다양한 센서가 장착되어 주변 정보를 수집합니다.각 센서마다 장단점이 있기 때문에 여러 센서를 사용합니다.AI와 결합하면 이미지 인식에서 카메라 성능이 크게 향상되지만 카메라는 여전히 단점이 있습니다.야간 및 악천후에서는 성능이 저하되고 물체까지의 거리를 정확하게 측정하기 어렵습니다.밀리미터파 레이더는 악천후에서도 물체까지의 거리를 측정할 수 있지만 모양을 정확하게 인식하지 못하고 전파 반사율이 낮은 물체와 근처 물체를 감지하는 데 어려움이 있습니다.반대로 초음파 센서는 약 10m 이내의 근처 물체만 감지할 수 있으며 주로 주차 중 전진 및 후진 시 소나에 사용됩니다.

반면, 라이다는 200~300m 거리에 있는 다른 차량, 장애물, 보행자 등의 물체까지의 거리를 정확하게 감지하고, 3D로 그 형태를 정확하게 파악할 수 있습니다. 카메라와 달리 야간에도 물체를 감지할 수 있습니다. 또한 고해상도 지도와 함께 사용할 경우, 라이다 차량의 위치를 일정하고 정확하게 유지할 수 있습니다. 따라서 레벨 3 이상의 자율주행에 필수적인 기술로 여겨집니다.

새로운 측거 기술 「FMCW 방식」의 장점

현재 라이다 센서는 ToF(Time of Flight)라는 방식을 사용하여 거리를 측정합니다. ToF 방식에서 라이다 센서는 빛 펄스를 방출하고, 수신기가 물체에 반사된 빛을 감지할 때까지 걸리는 시간을 측정하여 거리를 계산합니다. 하지만 이 방식은 다른 광원의 영향을 쉽게 받고 비나 안개와 같은 악천후에서는 성능이 저하되는 단점이 있습니다.

FMCW(주파수 변조 연속파)라는 측정 방식이 이러한 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대됩니다. FMCW에서 라이다 센서는 주파수 변조된 빛을 방출합니다. 빛이 물체에 반사되어 라이다 센서의 수신기로 돌아올 때, 그 주파수는 처음 방출된 빛과 다릅니다. 두 주파수 변조의 차이를 통해 물체의 거리와 속도를 계산할 수 있습니다.

ToF와 비교했을 때, FMCW는 약한 광 신호를 감지할 수 있고, 다른 광원, 비, 안개의 영향을 덜 받으며, 더 멀리 있는 물체까지의 거리를 측정할 수 있습니다. 또한, 다른 차량과 같은 물체가 차량에 접근하거나 멀어질 때 도플러 효과에 의한 주파수 변화를 이용하여 물체의 속도를 계산할 수 있다는 점도 큰 장점입니다. 이러한 장점 덕분에 FMCW는 차세대 라이다로 여겨지며 전 세계 연구 개발의 중심이 되고 있습니다.

라이다은 차세대 자율 주행 차량의 센서를 구동하는 유력한 경쟁자로 여겨지지만, 현재 일부 고급 차량에만 제한적으로 사용되고 있습니다. 그 이유는 크게 두 가지로 고성능 라이다이 수십만 엔으로 매우 비싸고, 대형 장치는 특정 영역에만 장착할 수 있어 외관 디자인에 제한이 있기 때문입니다.

Flash 라이다의 비용 및 크기 감소 잠재력

다양한 거리 측정 방식 외에도 레이저 광 및 광 스캐닝 방식 등 다양한 차이점을 가진 라이다 변형이 많이 있습니다. 현재 개발 중인 스캐닝 방식 중 하나는 "플래시"입니다. 기계식 LiDAR로 알려진 초기 유형의 라이다는 모터가 장착된 거울을 회전시켜 빛을 투사하여 넓은 영역의 물체를 스캔합니다. 반면 플래시 라이다 확산된 레이저 광을 투사하여 물체를 감지합니다. 플래시 라이다 모터 및 기타 가동 부품이 필요하지 않기 때문에 크기와 제조 비용을 절감할 수 있을 것으로 예상됩니다.

빛 조작 기술로 자율주행에 기여

덱세리얼즈는 빛을 자유롭게 조작하는 기술을 개발하기 위해 수년간 노력해 왔습니다. 그 결과, 차세대 자율주행 지원하는 라이다 기술 개발에 기여할 수 있는 풍부한 제품과 지식을 보유하고 있습니다.

디스플레이와 스마트폰에 널리 사용되는 당사의 무반사 필름은 라이다에 적용하여 플레어와 같은 빛의 노이즈를 억제하고 원하는 빛의 주파수에 대한 투과율을 높일 수 있습니다. 플래시 라이다 에는 광 확산의 정확한 제어가 필요하며, 프로젝터를 위해 개발한 디퓨저 기술도 여기에 적용할 수 있습니다. 또한 스마트폰 카메라 부품과 디지털 카메라 렌즈에 특수 접착제와 정밀 접합 수지를 사용하여 개발한 고정밀 고정 기술을 활용하여 라이다 및 차량 탑재 카메라와 같은 센서를 정확하게 고정하고 안정적인 감지를 가능하게 할 수 있습니다.

덱세리얼스는 사람들이 안전하고 편리하며 자유롭게 여행할 수 있는 미래를 향해 자율주행 기술 개발에 계속 기여할 것입니다.