Nikkei Automotive_2021.12 Features (p54~58)

자동차 멀미 없는 자율주행 레벨 3
히타치 아스테모가 목표로 하는 '숙련된 기술'

히타치 아스테모(Astemo)는 ‘레벨 3’이상의 자율주행에서 숙련 운전자와 같은 매끄러운 조작을 재현할 수 있는 소프트웨어 기술을 개발했다. 향후 일반도로를 대상으로 한 레벨3 이상의 자율주행에서는 ‘자동차 멀미’의 원인이 되는 불쾌한 흔들림을 최소화하는 ‘쾌적성’이 새로운 경쟁축으로 자리잡게 된다. 쾌적성의 향상을 목표로 하는 ADS의 개발 경쟁은 격렬함을 더하고 있다. 히타치 아스테모는 이번 신기술을 무기로 국내외 메가 공급업체에 대항한다.

히타치 아스테모가 개발한 기술은 차재 센서 정보 및 지도 데이터를 기본으로 한 ‘궤도 작성 기술’과 작성한 궤도를 정확하게 추종하는 ‘차량 제어 기술’을 조합한 것이다. 자율주행을 위한 ECU(전자제어 유닛: AD ECU)에 탑재해 이용한다.

히타치 아스테모의 AD ECU는 이미, 혼다가 플래그십(기함) 세단 ‘레전드’에 탑재한 레벨 3의 자율주행 기능 ‘트래픽 잼 파일럿’ 전용의 ECU로서 채택되고 있다. 다만 해당 ECU는 고속도로나 자동차 전용도로의 단일 차선에서의 ‘아이즈 오프’의 자율주행 기능 등의 실현을 지원하고 있지만, 자동차 멀미를 방지하는 쾌적성을 실현하는 기능에는 대응하고 있지 않다.

히타치 아스테모는 이번 기술을 탑재한 제품을 최신 AD ECU로서 국내외의 자동차 제조사에 제안해, 조기 채택을 목표로 한다. 히타치 아스테모 기술개발 총괄본부 차세대 섀시 개발본부에서 차량 통합제어 기술개발부의 시니어 매니저를 맡고 있는 우에노(上野) 씨는 “기존 ECU에 이번 신기술을 추가하는 것은 현시점에서는 생각하지 않고 있다”라고 말한다.

-- 쾌적성을 유지하기 어려운 일반도로의 자율주행 --
레벨 3의 ADS로 쾌적성이 문제가 되는 주행 사례로 커브를 주행할 때를 들 수 있다. 고속도로나 자동차 전용도로의 커브에서 차선 유지 지원(레인·킵·어시스트: LKA)이나 차선 중앙 유지(레인·트레이싱·어시스트: LTA) 기능을 사용할 때는 일정한 속도로 주행하는 경우가 많다. 고속도로나 자동차 전용도로는 커브가 비교적 완만하기 때문에 일정한 속도로 주행해도 불쾌한 흔들림의 원인이 되는 ‘가속도의 변화 (저크; jerk)’ 등을 억제하기 쉽다.

반면 일반 도로는 고속도로나 자동차 전용도로보다 굽이가 큰 커브(커브의 반경이 짧다)가 많다. 따라서 커브를 달릴 때 속도가 일정하면 저크가 크게 발생하기 쉽다. 또한 가파른 S자 커브가 연속되는 산길 등에서는 저크가 크게 발생하지 않고 일정한 속도로 주행하기란 쉽지 않다. 이것이 차내의 쾌적성을 해침으로써 자동차 멀미의 원인이 되기도 한다.

-- 숙련된 운전자의 조작을 재현 --
커브를 주행할 때만이 아니다. 일반도로를 주행하고 있으면 갓길에 많은 차량이 서 있거나 보행자가 보도에서 튀어나오는 경우도 있다. 스티어링을 조작해 이들 대상물과 충돌을 피할 때 감속이 불충분하거나 급감속을 하면 저크가 크게 발생하기 쉽다.

여기서 참고가 되는 것이 숙련된 운전자의 ‘기술’이다. 예를 들면 커브를 돌 때는 차선 폭을 효율적으로 사용해 완만한 궤도를 그리거나 커브의 곡률이나 커브로의 진입 속도 등에 따라 속도와 조타를 조정한다.

이런 조작으로 숙련된 운전자는 전후 좌우의 저크를 줄여 불쾌한 흔들림을 억제하고 있다. 히타치 아스테모는 이번 신기술로 “숙련된 운전자와 같은 매끄러운 조작의 재현을 목표로 했다”(우에노 씨)라고 한다.

히타치 아스테모가 개발한 기술은 앞에서 말한 것처럼 궤도 작성 기술과 차량 제어 기술을 제휴시킨 것이다. 이 중 전자의 궤도 작성 기술에서는 우선, 차량에 탑재한 센서로 수집한 정보나 카 네비게이션 시스템 등의 지도 데이터를 사용해, 차량 전방의 주행 가능한 영역을 작성한다.

-- 주행 가능한 영역 안에 최적인 궤도를 만든다 --
차량 전방의 가까운 범위는 카메라나 밀리파 레이더, LiDAR(레이저 스캐너) 등의 정보를 사용해, 먼 범위는 카 내비게이션이나 고정밀 3D(3차원) 지도 등의 데이터를 이용한다. 장기적으로는 주행가능 영역의 작성에 도로 인프라로부터 수집한 정보 등의 이용도 상정한다.

다음으로, ‘Dynamics Planning’이라는 궤도 계산 알고리즘을 이용해 주행 가능 영역 안에 최적의 주행 궤도를 만든다. 여기에서 말하는 주행 궤도란 목표 경로를 나타내는 복수의 점군과 각 점군에서의 차속을 말한다.

구체적으로는 주행가능 영역의 좌측 경계와 우측 경계의 정보(위치정보 등)를 바탕으로 최적의 궤도의 점군을 작성한다. 점군을 만드는 주기는 1초로, 한 번에 작성하는 점군의 간격은 150밀리초이다.

이들의 여러 점군으로 구성된 궤도는 도로의 폭 등을 유효하게 활용하고 커브에서는 가능한 한 완만한 경로를 그리도록 했다. 또한, 각각의 점군에서는 발생하는 가속도가 작고, 저크가 줄어들도록 속도를 최적화했다. 앞에서 말한 바와 같이 저크값(가속도를 미분한 값)을 작게 하면 불쾌한 흔들림의 발생을 억제하기 쉬워진다.

이러한 궤도를 작성하는 경우, 기존의 방법으로는 차량의 위치정보와 더불어 차량의 제원(질량이나 전체 길이 등)도 사용해 계산했다. 이 방법에서는 복잡한 계산이 필요하기 때문에 AD ECU는 높은 연산처리 능력이 요구된다.

이에 비해, 히타치 아스테모의 기술에서는 차량 제원(Specification)을 사용하지 않는다. 주행 가능 영역의 좌우의 경계 정보만을 사용하고, 심플한 계산 수법을 이용해 궤도를 작성할 수 있기 때문에 “AD ECU의 처리 부담을 줄일 수 있다”(우에노 씨)라고 한다. 처리 부담의 경감은 AD ECU의 비용 억제에도 기여한다.

-- 생성한 궤도를 정확히 추종 --
이러한 기술로 작성한 궤도를 정확하게 추종하는 것이 두 번째의 차량 제어 기술이다. 구체적으로는 첫 번째의 기술로 작성한 주행 궤도를 기반으로, 가감속이나 조타 등의 액츄에이터를 제어한다.

그러나, 목표 궤도에 맞춰서 액튜에이터를 움직이려고 하면 일반적으로 액튜에이터나 차량이 응답하는 시간 지연으로 궤도 추종의 정밀도가 떨어지는 과제가 있다. 히타치 아스테모의 차량 제어 기술에서는 AD ECU 내에서 차량 운동의 예측 시뮬레이션을 실시해, 액추에이터나 차량의 응답 지연을 보정할 수 있도록 했다. 이를 통해 고정밀 궤도 추종을 실현할 수 있다고 한다.

히타치 아스테모는 자사의 도카치(十勝) 테스트 코스(홋카이도)에서 실시한 실험으로, 신기술의 효과를 조사했다. 실험에서는 해당 테스트 코스로 설정한 주회 코스에서, 해당 기술을 탑재한 차량을 자동으로 주행시킨 것뿐만 아니라, 해당 차량을 일반 운전자가 메뉴얼 조작으로 주행하도록 했다.

-- 저크 약 20% 절감 --
자율주행을 했을 경우와 일반 운전자에 의한 주행에서 수 회에 걸쳐 랩타임을 측정하고 랩타임과 가로방향의 가속도(가로 G)가 같은 것을 몇 개 골라 저크값을 비교했다. 그 결과, “이번 기술을 사용해 자율주행을 시행하자, 일반 운전자에 의한 메뉴얼 조작의 주행보다 저크를 약 20% 줄일 수 있었다」(우에노 씨)라고 한다.

뿐만 아니라, 히타치 아스테모의 제어 기술에는 ‘주행 환경의 리스크’를 추정해 속도를 가감하거나 조타를 제어하는 시스템도 탑재되어 있다. 여기서 말하는 리스크란, 갓길에 정지하고 있는 차량 앞으로 보행자가 튀어나오거나 앞에서 달리던 차가 갑작스럽게 끼어드는 등의 위험성이다.

지금까지 주행 환경의 리스크를 예상할 경우에는 AD ECU 내에 2차원의 리스크 예상 맵을 만들어 대응하고 있었다. 여기에 이동에 따른 경과시간을 추가할 경우, 3차원이 되는 방대한 데이터를 처리할 필요가 있어 현재 기술로는 대응하기 어려웠다.

따라서 히타치 아스테모의 제어 기술에서는 차량 보행자 등을 대상으로 충돌 등 위험이 있는 영역의 위험만을 예측하도록 만들었다. 이로써 AD ECU의 처리 부하가 줄어들어 2차원의 예측 맵 상에서 대응할 수 있게 되었다. 이 리스크 추정 기술은 히타치 제작소와 공동으로 개발했다.

 -- 끝 --

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