Nikkei Automotive_2023.6 Features (p69-73)

단안 카메라만 있는 저비용 센서
히타치계열, 일반도로의 자율주행에 조준

히타치 아스테모(Hitachi Astemo)는 복수의 단안 카메라만으로 자동차의 전방위를 감시하는 센서 시스템을 개발했다. 밀리미터파 레이더나 LiDAR(레이저 레이더)를 사용하지 않기 때문에 시스템 비용을 억제할 수 있는 것이 특징이다.

스테레오 카메라의 원리를 응용한 히타치 아스테모의 자체 기술로 실현했다. 일반도로의 '레벨2+'의 고도운전지원 시스템이나 특정 조건 하에서 일반도로의 '레벨3'의 자율주행 시스템을 위한 센서 시스템으로서 국내외의 차기 신형차(28~30년형)에 채택하는 것을 목표로 한다.

현재, 레벨2+의 고도운전지원 시스템이나 특정 조건 하에서의 레벨3의 자율주행 시스템은 이용 장면이 고속도로나 자동차 전용 도로에 국한된다. 이러한 시스템을 일반도로에서도 이용할 수 있도록 하기 위해서는 차량이나 이륜차, 자전거, 보행자 등 자동차 주위에 존재하는 많은 대상물을 확실하게 포착할 필요가 있다.

차량 주위를 감시하는 센서 중 하나가 밀리미터파 레이더이다. 다만 밀리미터파 레이더는 대상물의 존재와 대상물까지의 거리는 파악할 수 있지만 그 대상물의 종류(차량이나 자전거, 보행자 등)를 정확히 인식하기는 어렵다. LiDAR을 사용하면 대상물의 종류도 판별할 수 있지만 비용이 비싸다는 과제가 있다.

-- 카메라에 의한 전방위 센싱이 필요 --
일반도로에서 레벨2+의 고도운전지원이나 일정 조건 하에서의 레벨3의 자율주행을 실현하기 위해서는, 예를 들어 교차로에서 좌회전할 때의 보행자나 자전거 등의 사고 방지, 추월차선에서 옆으로 가깝게 접근해 온 차량과의 충돌 회피와 같은 복잡한 교통 상황에 대응해야 한다.

히타치 아스테모 기술개발총괄본부 차세대모빌리티개발본부에서 시니어 다이렉터를 맡고 있는 무라마쓰(村松) 씨는 "교통 환경이 복잡한 일반도로에서는 위험 회피를 위해 카메라를 통한 전방위 센싱이 필요하다"고 강조한다.

현재, 밀리미터파 레이더나 LiDAR보다도 비용이 저렴한 단안 카메라를 사용해 자동차의 전방위를 센싱하는 시스템은 실용화돼 있다. ‘어라운드 뷰 시스템’이 그 대표적인 예이다. 다만 이 시스템에서는 단안 카메라를 사용해 단안시로 대상물을 감지하기 때문에 대상물까지의 거리의 측정 정밀도(측거 정밀도)에 한계가 있다. 측거 정밀도를 높이려면 단안 카메라의 비용이 높아진다.

-- 2개의 단안 카메라로 스테레오 비전 --
이에 대해 히타치 아스테모가 개발한 자동차의 전방위를 감시하는 센서 시스템의 프로토타입(이하, 신시스템)은 통상의 단안 카메라를 사용한다. 히타치 아스테모의 특기인 스테레오 카메라의 측거 기능과, 히타치제작소와 공동 개발한 2개의 카메라를 자유롭게 배치할 수 있는 기술을 활용했다.

현행의 스테레오 카메라는 같은 수평 시야각(화각)의 2개의 단안 카메라를 평행으로 배치하여 모듈화한 제품이다. 2개의 카메라의 시차를 이용해 스테레오 비전을 가능하게 한다. 스테레오 비전을 함으로써 대상물까지의 거리나 대상물의 종류를 파악할 수 있다. 이번에 개발한 신시스템에서는 2개의 단안 카메라를 수평으로 배치하지 않고 스테레오 비전을 구현한 것이 특징이다.

구체적으로는 2개의 단안 카메라로 촬영하는 범위를 이동시키는 방식을 채택했다. 왼쪽 카메라로 오른쪽 전방을 촬영하고, 오른쪽 카메라로 왼쪽 전방을 촬영한다. 좌우 카메라로 촬영한 영상이 겹치는 범위에 있는 대상물을 스테레오 비전을 통해 입체물로서 인식한다.

신시스템의 단안 카메라 배치는 (1) 차량 앞부분에 3개, (2) 차량 좌우측 부분에 2개씩 합계 4개, (3) 차량 뒷부분에 1개로 되어 있다. 이 중 차량 앞부분의 1개의 단안 카메라는 장거리용으로 화각은 30도, 나머지 2개는 스테레오 비전용으로 화각은 120도다. 차량 측면 부분의 4개 카메라의 화각은 120도, 차량 뒷부분의 1개의 카메라의 화각은 30도다.

카메라의 탑재 위치는 차량 앞부분의 3개의 카메라가 프론트 윈도우 상부의 실내측, 차량 측면 부분의 4개의 카메라는 도어 미러, 차량 뒷부분의 1개의 카메라가 지붕 뒷부분의 샤크핀 안테나(Shark-Fin Antenna) 뒤쪽이다.

장거리용 카메라를 제외한 7개의 단안 카메라 중 이웃하는 2개의 단안 카메라를 사용하여 스테레오 비전을 시행한다. 예를 들면, 차량 앞부분의 2개의 단안 카메라로 스테레오 비전을 한 경우의 화각은 120도, 차량 측면 부분의 2개의 단안 카메라로 스테레오 비전을 한 경우의 화각은 현재 60도지만 향후 75도 이상으로 광각화할 예정이다.

또한 차량 측면 부분의 1개의 단안 카메라와 차량 뒷부분의 1개의 단안 카메라로 스테레오 비전을 한 경우의 화각도 90도 정도로 광각화할 계획이다.

<표> 단안 카메라의 주요 사양

이처럼 이웃하는 2개의 단안 카메라를 사용하여 스테레오 비전 구조를 하나의 카메라 시스템으로서 기능하게 함으로써 자동차의 전방위(360도)를 센싱할 수 있도록 하였다. 무라마쓰 씨는 “자차의 좌우에서 나란히 달리는 차량이나, 정체 시에 후방 차열에서 빠져나오는 이륜차, 교차로에서 자차의 후방에서 횡단해 오는 보행자나 자전거 등을 감지하기 쉬워진다”라고 말한다.

-- 시스템 비용의 대폭 삭감이 가능 --
전술한 바와 같이 신시스템은 밀리미터파 레이더나 LiDAR을 사용하지 않기 때문에 비용을 대폭 억제할 수 있다고 한다. 히타치 아스테모에 따르면, 예를 들어 LiDAR의 가격은 현재 개당 5만엔 정도지만 단안 카메라는 개당 5천엔 정도로 저렴하다. 센서 하나만 놓고 비교하면 비용은 10분의 1정도다.

게다가 사용하는 센서의 수에 따라 다르지만 “시스템 비용도 LiDAR를 사용하는 경우에 비해 10분의 1정도로 억제할 수 있다. 레벨3의 자율주행 시스템이라면 다중 계통 시스템(Redundant System)으로 사용하는 용도도 생각할 수 있다”(무라마쓰 씨).

다만 자율주행에 사용할 수 있는 고성능 LiDAR의 가격은 현재 5만엔 수준이지만 히타치 아스테모가 실용화를 내다보는 5년 후에는 이 LiDAR 가격은 2만~3만엔 정도까지 떨어질 가능성이 있다. 장기적으로 신시스템의 비용을 어디까지 낮출 수 있을지가 과제가 될 것 같다.

한편 인식 기능에서는 일반도로에서의 레벨2+의 고도의 운전지원과 특정 조건 하에서의 일반도로의 레벨3의 자율주행에서 필요한 대상물을 망라하고 있다.

구체적으로는 자동차나 이륜차, 보행자, 차선 등 기본적인 대상물과 함께 주변 차량의 행동을 예측하기 위해 필요한 방향 지시기나 브레이크 램프, 긴급차량 적색등 외에 신호등이나 도로표지판, 노변(Roadside), 주행 가능한 영역 등이 포함된다.

이 중, 선행차량의 방향 지시기나 브레이크 램프는 주로 차량 앞부분의 단안 카메라로 감지한다. 후방에서 접근해 오는 긴급 차량은 차량 뒷부분과 측면 부분, 앞부분의 단안 카메라를 사용해 연속적으로 포착한다.

-- 차량 옆쪽의 거리 측정 정밀도를 높이다 --
또한 신시스템은 차량 옆쪽의 측거 정밀도를 높일 수 있다. 히타치 아스테모는 기존의 어라운드 뷰 시스템을 사용한 경우와 신시스템을 사용했을 경우의 측거 정밀도를 LiDAR로 측정한 대상물과의 거리를 기준으로 비교했다. 그 결과, 어라운드 뷰 시스템의 측거 오차가 55%였던 반면에 신시스템의 오차는 1.5%라는 결과를 얻을 수 있었다고 한다.

히타치 아스테모 기술개발총괄본부 차세대모빌리티개발본부에서 시니어 매니저를 맡고 있는 이리에(入江) 씨는 "차량 옆쪽의 높은 측거 정밀도는 바짝 접근해 오는 차량과의 충돌 회피 대응 등에서 우위성이 있다"고 말했다.

-- 시스템의 신뢰성을 높이는 기능 --
실용화를 위한 과제 중 하나는 시스템의 신뢰성이나 내환경성을 어떻게 보장할 것인가이다. 차량의 외부(측면부와 후방)에 탑재하는 카메라 렌즈 표면에 물방울이나 오염 등이 묻거나 강설 시 카메라 전체가 가려지면 시스템이 제대로 작동하지 않을 수 있기 때문이다. 신시스템에는 이에 대응하는 기능을 탑재했다.

카메라에 부착된 오염 등을 와이퍼로 제거하는 방법은 이미 실용화돼 있지만 와이퍼는 망가지는 일이 있다. 그래서 신시스템에서는 AI(인공지능) 기술을 이용한 ‘자가진단 기능’을 통해 시스템의 오작동을 사전에 예측할 수 있도록 했다. 레벨2+의 고도운전지원 시스템에서는 조작 주체가 운전자다. 이 경우는 자가진단 기능을 통해 시스템의 오작동 발생을 사전에 예지해 운전자에게 알린다.

일정 조건 하에서 레벨3의 자율주행에서는 조작 주체가 시스템이 된다. 이 경우에도 오작동 발생을 사전에 예지해 운전자에게 알리고, 조작 주체를 운전자에게 돌아가도록 한다. “눈보라나 짙은 안개 등으로 주위의 시야가 제로(화이트 아웃)가 되었을 경우에도 대응할 수 있다고 생각한다”(히타치 아스테모).

-- 고성능 처리 칩이 필요 --
또 하나의 과제는 단안 카메라로 촬영한 이미지를 인식 처리하기 위해서는 고성능 칩이 필요하다는 것이다. 히타치 아스테모에 따르면, 단안 카메라의 이미지 인식 처리는 일반적으로 밀리미터파 레이더나 LiDAR를 사용할 경우의 인식 처리에 비해 처리 부담이 커진다고 한다.

게다가 자동차의 전방위를 센싱하기 위해 단안 카메라의 수가 늘어난다. 또한 신시스템에서 사용하는 단안 카메라의 화소수는 현시점에서 최대 800만 화소지만 촬상소자의 해상도는 높아지는 추세다. 히타치 아스테모는 "현재보다 더 높은 성능의 칩이 필요할 것으로 생각한다"고 설명했다.

전술한 바와 같이, 신시스템의 가장 큰 특징은 저렴한 비용에 있다. 저렴한 비용은 차량 가격이 저렴한 소형차나 경차에 탑재할 때 이점이 된다. 그리고 특정 조건 하에서 일반도로의 레벨3의 자율주행에서는 다중화(Redundancy) 시스템 중 하나로 사용하면 전체 시스템 비용을 줄이기 쉽다. 신시스템의 실용화를 위해서는 이미지 처리 칩의 고성능화와 저비용화를 양립하는 것도 열쇠가 될 것이다.

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