자율 주행 자동차 레이더:시뮬레이션을 통한 레이더 성능 향상

By Shawn Carpenter, Product Manager, High Frequency Electronics, ANSYS

레이더 시스템은 안전하고 안정적인 차량운행을 위한 중요한 센서 입력을 제공합니다. 레이더 시스템이 간섭 없이 작동하고, 지향 범위를 모두 포함시키며, 또 설치 효과를 완벽히 수행하고, 정확한 입력을 제어시스템에 제공할 수 있도록하기 위해서는 첨단 엔지니어 시뮬레이션의 사용이 필수적입니다.

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Autonomous Vehicle Radar

automotive sensors

car sensors 

자율 주행 자동차는 차량의 작동 특성과 주변 환경을 인지하는 제어 시스템의 눈과 귀 역할을 하는 차량용 센서의 지속적인 발전을 필요로 합니다. 이 센서는 차량환경의 현재와 개발 상태에 대한 데이터를 차량 제어 시스템에 제공하는 역할을 합니다. 정상적인 작동과 안정성은 센서 시스템의 정확도에 의존합니다.

차량 센서 중 4가지 주요 센서인 가시광선 카메라, 레이저 거리측정 장치(lidars), 초음파 센서, RF 거리측정 센서(radar)는 자율 주행 자동차의 환경 센서 자료에서 가장 중요한 역할을 합니다. 차량용 레이더는 차량 주변의 보행자, 다른 차량, 가드레일 등의 속도와 방향을 추적하는 것뿐만 아니라 원거리에 있는 물체 및 장애물을 탐지하기 위해서 밀리미터파 주파수를 사용합니다.

레이더 안테나의 시뮬레이션

이 예제는 슬롯 도파 관을 사용한 양면 인쇄 회로 기판(PCB, printed circuit board) 제작 기법 기반의 77GHz 차량용 레이더 센서의 개발을 보여줍니다.

slotted waveguide unit cell

ANSYS HFSS을 사용하여 확장 안테나 배열에서 슬롯 도파 관 단위 셀의 각 요소를 위한 적합한 차원을 신속하게 최적화 하였습니다.

waveguide array

일단 단위 방사 셀의 설계가 원하는 주파수에 최적화 되면, 전체 크기의 어레이를 신속하고 자동으로 배치할 수 있습니다. 어레이의 파워 방사 효율과 공간 방사 범위를 위해 필요한 최소한의 셀 개수를 결정하기 위해 시뮬레이션은 확장성이 우수한 자동화 기술을 사용합니다.

array simulation

어레이 설계가 이러한 성능 요건을 만족하면, 실제 재료와 제조공정을 시뮬레이션 하기 위해 제작을 위한 세부 사항(비아, 금속 두께, 도파 관 내에 전력 결합 구조 등)이 더해집니다. 또한, 해당 어레이의 제조 수율 평가하기 위해서 예상 제조공정의 허용 값에 대한 디지털 방식의 탐색 실험 계획법(DoE, design of experiments)이 실행됩니다. 비아, PCB 필터 그리고 변환(transition)들이 설계된 이 초기 어레이 설계는 모든 어레이 요소들에 전력이 공급되었을 때의 시뮬레이션 원거리 방사 패턴을 보여줍니다.

packaging simulation

패키징과 하우징이 센서의 성능에 주는 영향을 파악하기 위해 그 효과들을 살펴볼 수 도 있습니다. 패키징 내부 또는 주변의 금속은 어레이 방사 능력을 저하시키는 전자기 결합 현상을 유도할 수 있습니다. 레이돔과 다른 비금속성 패키징의 근접효과 역시 영향을 줍니다. 이러한 효과들은 시뮬레이션 모델을 통해 확인할 수 있으며, 실제 물리적 프로토 타입을 만들기 전에 모델을 통해 개선시킬 수 있습니다.

packaging environmental effects

패키징된 센서의 성능에 영향을 주는 비, 눈, 먼지 혹은 다른 물질 등과 같은 환경적 요소들 역시 고려될 수 있습니다. 0.1mm 두께의 얇은 물 혹은 얼음 층이 레이더 패키지에 주는 영향을 실험한 이 시뮬레이션은 물이 주 빔(main beam)에 주는 영향은 매우 적지만, 부엽(side love) 레벨을 4dB가량 높임을 보여줍니다. 이처럼 다른 환경적 조건 아래에서의 성능을 이해함으로써, 엔지니어들은 어레이 설계를 최적화 하고, 기존 설계에 적절한 여백을 만들 수 있습니다.

"자동차 제조업체가 자동차 레이더의 모든 이점을 얻으려면, 개발 일정과 성능 요건을 맞추기 위해 시뮬레이션을 사용하는 현명한 선택을 해야 합니다."

일반적으로, 자동차 능동 안전 시스템에는 3가지의 주요 레이더 시스템이 사용됩니다.

  • 단거리 레이더(SRR, Short-range radar): 충돌 근접 경고와 안전, 그리고 제한적인 주차의 보조 특성을 지원.
  • 중거리 레이더(MRR, Medium-range radar): 차량의 모서리 및 사각지대 탐지. 다른 차량의 차선 교차를 관찰 및 측면/모서리 충돌을 방지.
  • 장거리 레이더(LRR, Long-range radar): 전방 주시 센서, 적응형 순향 제어장치(ACC, adaptive cruise control), 그리고 조기 충돌 탐지 기능을 수행.

오늘 날의 차량용 레이더들은 20년전 항공 우주 산업과 방위 산업의 첨단 연구 에서만 찾아볼 기술들이 적용되고 있습니다. 칩-레벨 집적, 패키징, 센서 소형화, 부품 수 감소, 낮은 전력 소모와 고성능, 그리고 저비용을 포함한 이러한 기술을 이용해 완전한 이익을 얻고 싶은 자동차 회사들은 급박한 개발 일정과 높은 성능 요건을 맞추기 위해 반드시 모델링과 시뮬레이션을 사용해야 합니다.

레이더 시뮬레이션은 단일 레이더 부품(안테나와 어레이)을 설계하고, 모든 레이더 설치 및 차량을 포함한 시스템을 개발하거나, 또는 다중 레이더 시스템들, 차량 그리고 주변 환경을 포함한 가상 시스템 즉 디지털 프로토 타입을 만드는데 사용됩니다.

레이더 센서의 급격한 발달

고성능 레이더의 설계는 센서와 센서가 감지하고자 하는 세상의 인터페이스인 안테나로부터 시작되었습니다. 이상적으로, 이러한 안테나 시스템은 원하는 커버리지 각도의 한 방향을 향해 그 에너지를 집중시켜야합니다. 안테나 내부에서 혹은 센서 패키징 물질에 의해 에너지가 소멸되지 않도록 효율적으로 에너지가 방사 되어야 합니다. 또한, 전송 전력 증폭기와의 잘못된 매칭으로 에너지가 손실되지 않아야 합니다.

고주파 모델링과 시뮬레이션은 이러한 레이더 센서의 설계 및 개발에 엄청난 시간 절약 및 비용 절감의 효과를 줍니다. 시뮬레이션을 통해 엔지니어들은 아래와 같은 것들이 가능해 집니다.

  • 실제 제작과정 없이 컴퓨터를 통해 가상으로 안테나 토폴로지를 만들고 조정할 수 있습니다.
  • 다양한 구조적, 환경적 조건 아래서의 안테나 특성을 파악하기 위해 효과적으로 그리고 효율적으로 테스트 중인 안테나를 바꿀 수 있습니다.
  • 최소한의 노력과 비용으로 단품, 다중채널 안테나 어레이를 최적화 시킬 수 있습니다.
  • 최종적으로 실험 하기 위한 오직 하나의 프로토타입만 만들 수 있습니다.

차량과 레이더의 통합

센서 설계 또는 프로토 타입이 개발되면, 차량에 탑재하여 센서를 평가해야 합니다. 레이더 센서는 범퍼의 뒤 또는 차량의 페시아 안에 설치합니다. 차량 설계의 근접 효과는 레이더 에너지를 한 방향으로 집중시키는 안테나의 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 자동차 제조사들은 공기 역학적 측면과 소비자들을 위해 디자인 적인 측면을 모두 고려하여 범퍼와 페시아를 개발합니다.

아이러니하게도 디자인적으로 우수한 본체 고유의 특징은 본체 내부에 집적되거나 본체 뒷면에 숨긴 레이더의 성능에 부정적인 영향을 미칩니다. 과거에는 레이더와 페시아 그리고 레이더와 범퍼의 영향에 대한 효과는 센서 제조사와 자동차 제조사 사의 협업을 통해 평가되었습니다. 하지만 많은 시도와 오류를 거치며 프로토타입을 만드는 과정이 되풀이될 뿐이었습니다. 자동차가 재설계 될 때마다 기계들을 교체해야 했기 때문에 많은 개발 시간과 비용이 프로토타입에 투자되었습니다.

모델링과 시뮬레이션을 통해 이 과정이 9개월 이상에서 몇 일로 단축되었습니다. ANSYS HFSS SBR+은 유한 요소 ANSYS HFSS 모델의 고 정확도 결과를 포함한 모델들을 통합하고, 고주파 광선(ray) 추적 방식을 이용하여 더 큰 페시아와 범퍼와의 상호작용에 대한 시뮬레이션도 가능합니다. 탑재된 레이더 안테나의 시뮬레이션 결과를 통해 레이더 엔지니어는 안테나가 실제 페시아-범퍼 설계에 탑재되었을 때 각 레이더 서브 어레이들이 어떻게 도로 또는 주변 환경을 비출 지에 대해알 수 있습니다.

"레이더 시스템은 안전 시스템에서 핵심적인 역할을 하며 차량 제어 시스템 및 알고리즘 과 함께 테스트하여 안전한 작동을 검증해야 합니다."

radar sensor array
자동차 페시아(왼쪽)에 레이더 센서 어레이 모델을 탑재하고,
radar sensor array simulation
그 영향을 모델링하기 위해 ANSYS HFSS SBR+(shooting and bouncingrays)의 전자기장 필드 솔버를 사용하였습니다. 적절한 설치 위치에 레이더 센서 안테나 시스템을 위한 HFSS 유한 요소 시뮬레이션을 실행되고, 80° 출구 각에서HFSS SBR+ 시뮬레이션을 통해 광선 서브세트를 볼 수 있습니다.

레이더의 가상 주행 테스트

자율 주행 자동차 개발자들의 첫 번째 우선순위는 바로 보행자의 안전입니다. 레이더 시스템은 안전 시스템에서 핵심적인 역할을 하며 차량 제어 시스템 및 알고리 즘 과 함께 테스트하여 안전한 작동을 검증해야 합니다. 모델링과 시뮬레이션 없다면, 수백만 마일의 주행테스트를 해야만 합니다. 하지만, 오늘날의 대부분 자율 주행 자동차 개발자들은 디지털 프로토타입 방식으로 이 과정을 대체하고 있습니다. 모델링과 시뮬레이션을 통해서 상상할 수 있는 모든 시나리오가 테스트 가능합니다.

하지만, 차량용 레이더 시스템의 전파 성능 측정을 위한 고성능 모델링은 현 시점에서 매우 어려운 과제로 제시되고 있습니다.

레이더가 전기적 파장의 140만배 이상의 영역의 탐지해야 함에 따라 레이더 센서의 Full-physics 모델링과 시뮬레이션은 어마어마한 전자기파 분석 문제를 가지게 됩니다. 이는 중앙 제어 시스템이 레이더에 의해 업데이트되는 수, 포함된 안테나의 수, MRR 시스템의 거리 및 속도 해상도, 그리고 주변의 물체들의 상대 속도를 포함한 시스템 레벨의 요구사항에 의해 복합되어 나타납니다.

이러한 고려 사항들은 레이더 환경 영향에 의한 고성능 전파 모델링을 더욱 까다롭게 하면서, 이는 대처할 수 없는 문제이기도 합니다. ANSYS HFSS SBR+ 의 SBR 기술은 컴퓨터 자원과 모델링 시간 두 가지 관점 모두에서 높은 정확성과 효율성으로 이러한 문제들을 해결할 수 있는 full-physics 시뮬레이션을 가능하게 합니다.

Tx channel sensor simulation
Rx channel sensor simulation
ANSYS HFSS에서 시뮬레이션 된 송신 채널(왼쪽)과 수신채널(오른쪽)의 근거리 근접 센서는 HFSS SBR+ 페시아 영향 솔루션에서 여기(excitation)의 기초가 됩니다.
Receive channel subarray radiation pattern
수신 채널의 서브 어레이 방사 패턴(위)와
transmit channel radiation pattern
송신 채널의 방사패턴(아래)는 모듈이 격리되었을 때와 페시아 및 범퍼의 영향을 받을 때의 방사 패턴을 보여줍니다.

ANSYS HFSS SBR+을 통해 고성능 레이더 모델로부터 얻은 신호들을 종합적으로 재현할 수 있습니다. 가상 혁신을 조성하기 위해 현재 센서 공급자들로부터 사용 불가능한 새로운 파형에 대해서도 테스트를 가능하게 함으로써 시뮬레이션은 모든 대역폭에서 사용 가능합니다.

차량 제어 시스템이 너무 많은 목표물을 추적하면서 과부화 되는 현상을 방지하기 위해, 레이더 신호 처리 시스템은 하나의 물체로부터 나온 분산된 리턴 신호들을 지능적으로 분류해야 합니다. 이러한 분류는 관찰 영역으로부터 다른 속도를 가지며 표면에서 산란된 신호들의 도플러 변화를 처리함으로써 가능합니다. 연속된 범위에서 같은 속도를 가진 목표물의 레이더 신호는 같은 목표물로부터 온 것으로 분류됩니다. 거리 및 속도에 대해 목표물의 정확한 결정하려면 오랜 시간에 걸쳐 수많은 펄스들을 분석해야 합니다. ANSYS HFSS SBR+는 거리-도플러 맵을 개발하여 한 축에서는 목표물과의 거리를, 다른 축에서는 목표물의 추출된 속도를 나타냄으로써 이를 가능하게 하였습니다.

일반적인 차량용 레이더 센서는 1초당 5~30프레임 속도로 차량 제어 및 안전 시스템에 업데이트를 제공합니다.ANSYS HFSS SBR+의 속도와 정확도는 해당 환경에서의 차량 움직임을 완벽한 시뮬레이션 함으로써 시간에 대한 거리-도플러 맵을 구현해 냅니다. 완성된 자율 주행 자동차를 HFSS SBR+ 을 통해 시뮬레이션 함으로써 차량 제어 시스템과 능동 안전 시스템을 실험하기위한 디지털 프로토 타입을 만들어 낼 수 있습니다.

intersection simulation
복잡한 교차로 환경의 기하학적 구조에 움직이는 물체들의 속도가 표기되어 있습니다.
SBR
방사되어 산란된 모든 광선들이 레이더 송신 채널에 의해 추적되었습니다. 각각의 색은 각각의 광선 추적에 의해 감지된 반사된 수를 의미합니다.
Range-Doppler map
200개의 연속적인 300MHz 펄스에 대한 레이더 시스템의 거리-도플러 맵

완벽한 모델링 및 시뮬레이션 작업 흐름

레이더 센서 개발자, 자동차 제품 생산 기업, 능동 안전 시스템 개발자, 그리고 자율 주행 자동차 제어 시스템 개발자들은 ANSYS 솔루션을 사용하여 레이더 센서 모듈을 디자인하고 차량 탑재 성능을 연구하며, 역동적인 도로 상황에서의 동적 및 정적 물체에 대한 레이더 탐지 보고 로부터 많은 통찰력을 얻을 수 있습니다. 단일 부품에서부터 디지털 시스템 프로토 타입까지, ANSYS는 매우 도전적인 고주파 문제 해결을 위한 유일한 솔루션을 제시하고 있습니다.

radar range profile

0.5m 해상도를 가진 300MHz 대역폭 단일 레이더의 거리 프로파일. 레이더는 오버레이 상 왼쪽 하단에서 볼 수 있습니다. 거리프로파일은 레이더 시스템이 수신하는 모델링 된 환경에서의 모든 레이더 에코들의 비행 거리를 보여줍니다. 가장 강한 레이더 리턴값은 가로등, 차량의 표면, 차량 사이의 반사들로 인해 생기는 것을 볼 수 있습니다. 먼 거리의 표적보다 가까운 거리의 표적으로부터 오는 신호가 더 강하며, 길 아래에 있는 표적까지 탐지 가능합니다. 레이더는 파형의 해상도로 인해 동일한 차로부터 두 개 이상의 표적 반사 신호를 감지할 수 도 있습니다.

"레이더 시스템은 안전 시스템에서 핵심적인 역할을하며 차량 제어 시스템 및 알고리즘 과 함께 테스트하여 안전한 작동을 검증해야 합니다."

radar system

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