도로와 철도 위에서의 자율 주행

By Alejandro Badolato, Founder and CEO, Autodrive Solutions, Madrid, Spain

자율 주행 자동차의 성공은 차량 자체의 변화는 물론 교통 인프라의 변화 모두가 필요합니다. Autodrive Solutions사는 도로나 철도 위의 플라스틱 코드 마커를 사용하여 차량의 위치를 정확하게 추적하는 기술을 개발 중입니다. 정확한 위치 추적은 교통 용량과 안전을 증진시키고, 열차 운행의 에너지 소비를 감소시킵니다. 또한 자동차 충돌 사고를 예방할 수 있으며, 레벨 5 자율 주행을 달성하기 위한 기반을 제공합니다. 이러한 시스템의 하드웨어를 제어하는 검증된 임베디드 소프트웨어를 만드는데 있어 시뮬레이션 및 모델 기반의 개발 코드는 매우 중요합니다.

Save PDF 구독하기
Autonomy on Roadways and Railways

"ANSYS SCADE는 회사가 RPS를 시장에 개발 및 도입에 걸리는 시간을 80%까지 단축하여 Autodrive Solutions사의 엔지니어들에게 그 절대적 중요성을 입증하였습니다."

coded paint

도로 위 페인트 점 비트 패턴을 읽는 레이더 위치 시스템

 

도로에서의 적용

오늘날 개발 중인 대부분의 자율 주행 솔루션은 개발 차량의 센서 및 임베디드 소프트웨어에 중점을 두어 차량이 올바른 결정을 내리도록 하고 있습니다. 감속, 제동, 회전, 가속 등 모든 것은 차량의 센서에서 실시간으로 얻는 정보에 의존합니다. 일부 추가 정보는 주변의 다른 차량과의 통신을 통해 얻기도 합니다.

Autodrive Solutions사는 안전한 자율 주행 교통수단은 사회적인 협동 솔루션에 달려있다고 생각합니다. 도로의 경우, 항공 교통관제 시스템처럼 중앙 호스트 데이터 센터를 설립하기 위해서는 각 지방 정부의 교통부서 간의 협력이 필요합니다. 중앙 호스트 컴퓨터는 도로 위의 차량으로부터 데이터를 수집하여 실시간으로 교통 흐름을 동기화합니다. 결국에는 도로 위의 신호등도 필요하지 않게 될 것입니다.

이를 실현하기 위해서는 모든 도로 위에 6 mm 두께의 원형 페인트점을 1 cm 간격으로 배치하여 매핑해야 합니다. 페인트 점은 각 차선마다 네 개의 점이 64줄로 배치되어 64비트의 디지털 코드를 형성하고, 차량의 위치를 센티미터 단위의 정확도로 알려줍니다. 이러한 중요한 데이터는 중앙 호스트와 공유됩니다.

autonomy

tiny radar

최종 제품에 사용 예정인 8 mm x 8 mm 사이즈의 저비용 레이더 프런트 엔드

 

페인트 점이 모든 도로 위에 적용되면, 매핑 차량은 도시의 모든 도로를 주행할 수 있습니다. 이를 통해 모든 64비트 패턴을 기록하여 센티미터 단위의 도로 기준 지도를 작성합니다. 이러한 모든 도로의 정확한 매핑은 매우 복잡하고 비용이 많이 드는 것처럼 보일 수 있지만, 기존 자동 차선 도색 트럭은 실선 대신 페인트 점을 그리도록 쉽게 수정할 수 있습니다. 로스앤젤레스 교통국으로부터 데이터를 제공받은 Autodrive Solutions사의 엔지니어는 LA에 있는 6 km/h로 운행하는 50대의 차선도색 트럭이 총 44,900 km의 도로를 2개월 만에 페인트 점으로 코딩할 수 있다고 증언했습니다.

실제 적용에서는 자율 주행 차량 아래에 장착된 4개의 밀리미터파(mm-wave) 레이더 감지기가 주행 시간 동안 4개의 페인트 점을 각각 읽습니다. 밀리미터파 레이더는 매 50μs 마다 지면과의 거리를 0.1 mm의 정확도로 측정할 수 있어 페인트 점을 읽을 수 있습니다. 이러한 방식으로 각 레이더는 차량이 주행하는 동안 지면의 정보를 고화질의 정보로 얻을 수 있으며, 페인트 점의 두께를 통해 점의 유무를 감지할 수 있습니다.

이렇게 모든 64비트의 코드를 읽으면 차량의 위치는 1 센티미터의 정확도로 정해집니다. 차량의 메모리에 저장된 도로 지도는 도로 모양을 미리 예측하고, 64비트의 코드를 모두 읽기 전에 행 단위로 읽음으로써 위치 정보를 업데이트합니다. 이는 다음 64비트의 코드 시퀀스가 이미 알려져 있기 때문에 가능합니다. 그러므로 차량은 도로 지도에 포함된 도로 모양을 이용하여 안전한 운행을 위한 최적의 경로를 설정할 수 있습니다.

레이더 위치 시스템(Radar Position System, RPS)의 극한의 정확도는 각 차량 사이의 벡터 정보를 전송함으로써 인접 차량 간의 데이터 공유를 가능하게 합니다. 이 방식으로 자율 주행 자동차는 자체 센서에서 얻은 정보뿐 아니라 100 m 앞을 주행하고 있는 차량으로부터 얻은 정보를 이용하여 차량 인식을 향상시킬 수 있습니다. 이로써 중앙 호스트 컴퓨터는 모든 차량으로부터 위치 정보를 받아 해당 지역의 교통 흐름을 통제합니다.

ship

paint drop bit code

64비트 페인트 점 코드는 RPS를 이용하여 정확한 도로 위치 정보를 제공합니다.

 

"지속적인 속도 조정으로 유럽 내 모든 열차가 소비하는 연간 8백만 유로의 에너지 비용 중 20%를 절감할 수 있습니다."

레이더 위치 시스템

Autodrive Solutions 사의 레이더 위치 시스템(Radar Position System, RPS)은 EU의 SUCCESS 협력단에서 개발한 저비용, 고해상도의 소형 밀리미터파 레이더 센서를 사용합니다. 완전히 통합된 표면 실장형 122 GHz 레이더 센서는 8 mm x 8 mm 크기이며 송수신 안테나와 SiGe 칩을 포함하고 있습니다. 자율 주행 차량의 섀시 아래에는 이러한 센서 4개가 비바람에 견디도록 밀봉되어 연결되어 있습니다. 이 시스템은 레이더가 122GHz의 매우 높은 주파수와 15GHz 이상의 큰 대역폭을 가지고 있기 때문에 재밍(jamming) 할 수 없어 매우 안전합니다. 악의적으로 트랙을 조작하면 기록된 도로 정보와 불일치가 발생하기 때문에 쉽게 감지할 수 있습니다.

RPS의 1cm 위치 결정 정확도를 달성하기 위해서는 지면의 1 cm 원에 레이더 전파를 집중시키기 위한 맞춤형 플라스틱 렌즈의 개발이 필요했습니다. Autodrive Solutions사의 엔지니어는 ANSYS HFSS SBR+를 활용하여 렌즈를 성공적으로 설계했습니다. ANSYS HFSS SBR+는 전기적으로 큰 사이즈의 플랫폼에서 방사 패턴, 전자장 분포 및 안테나 간 커플링 예측 등 안테나 성능의 시뮬레이션이 가능한 도구입니다.

mm 이하의 작은 파장과 큰 시뮬레이션 사이즈(약 100 λ x 100 λ x 400 λ) 때문에 컴퓨터 자원 최적화를 위하여 주어진 디드 소프트웨어 개발이 더욱중요했습니다. Autodrive Solutions사는 레이더 시스템 설계 경험은 많았지만, 크리티컬한 실시간 임베디드 소프트웨어 개발 경험은 거의 없었습니다. 그래서 그들은 ANSYS SCADE를 통해 자사의 소프트웨어에 대한 인증을 생성, 검증 및 취득했습니다.

Autodrive Solutions사의 엔지니어들이 이 작업을 수행할 때 SCADE는 회사가 RPS를 시장에 개발 및 도입하는 시간을 80%까지 단축하여 그 절대적 중요성을 입증하였습니다. 엔지니어들은 모델에 초점을 맞추고 문제를 해결하였으며, 그들이 개발한 하드웨어를 제어할 소프트웨어를 ANSYS SCADE를 통해 개발했습니다. 모델 테스트 결과에 문제가 발견되면, 그저 모델을 수정함으로써 문제를 해결할 수 있습니다. 그런 다음 ANSYS SCADE는 이 모델을 사용하여 검증된 KCG 컴파일러에서 코드를 생성하고, 몇분 내에 인증기관에서 요구하는 문서 및 추적성을 제공합니다. SCADE가 생성하는 소프트웨어는 중요 안전 어플리케이션에 필요한 임베디드 소프트웨어 인증 표준을 항상 충족시켰습니다.

철도에서의 적용

철도 산업 역시 자율 주행 시스템의 도입으로 해결 가능한 문제들이 존재합니다. 철로 위에 있는 열차의 위치를 정확히 추적하는 것은 생각보다 쉬운 일이 아닙니다. 플랫폼에서 열차가 스크린 도어 앞에 정확히 멈추기 위해 소비되는 비용은 기차역당 약 50만 유로입니다. 현재의 기술은 열차가 RFID 유닛을 통과할 때 프로그래밍된 제동 시스템이 자동으로 동작하도록 되어 있으며, 이 과정은 열차가 멈출 위치를 추정할 수 있습니다. 열차의 제동 비용이 많이 발생하는 이유는 제동 시스템이 객차의 수, 하중과 바퀴의 마모 상태 등 여러 변수의 영향을 받아서 이를 위한 각 열차의 지속적인 조정이 필요하기 때문입니다.

Autodrive Solutions사는 자사에서 도로용으로 만들었던 솔루션과 비슷한 솔루션을 개발했습니다. 철도의 경우, 페인트 점 대신에 철로를 따라 일정 간격으로 설치된 클러스터 위에 1 cm 또는 2 cm 높이의 플라스틱 막대기를 설치합니다. 1 cm 높이의 막대기는 디지털 0을 의미하며, 2 cm 높이의 막대기는 디지털 1을 의미합니다. 이 막대기들이 뭉친 클러스터는 철로 위 열차의 위치를 일련의 디지털 비트로 코드화하여 열차의 엔진칸 아래에 부착된 RPS 센서를 통해 읽을 수 있습니다. 이를통해 열차가 특정 두 위치 사이를 이동하는데 걸리는 시간을 측정하여 열차의 속력을 알 수 있으며, 열차의 하중에 맞춘 맞춤식 제동 프로세스를 적용할 수 있습니다. 기관사는 적응형 제동 시스템을 통해 열차가 멈추는 곳을 정확하게 제어할 수 있습니다.

또한 RPS는 두 열차 간의 간격을 줄여 안정적으로 운행할 수 있는 철도 교통량을 증가시킵니다. 오늘날 유럽에서는 철로가 400 m 단위의 "블록 섹션"으로 나누어져있으며, 한 섹션 안에 이미 열차가 있으면 다른 열차는 해당 섹션으로 진입할 수 없습니다. 안전을 위해 정한 400 m라는 거리는 병목 현상을 일으켜 한 지역을 지나가는 열차의 수를 제한합니다. 병목 현상은 열차가 느린 속도로 통과하는 기차역과 도심지역에서 빈번하게 발생합니다. Autodrive사의 정확한 RPS는 이 블록 섹션의 거리를 50 m까지 단축시켜 병목 현상을 크게 완화할 수 있습니다.

최종적으로 Autodrive사의 RPS는 철도 시스템의 에너지 효율 또한 높여주었습니다. 오늘날 유럽의 열차는 인접한 두 개의 RFID 비콘 사이를 일정한 속도로 운행합니다. 열차가 다음 구간에서 가속 또는 감속할 수 있다는 신호를 수신하면, 신호에 따라 속도를 조정합니다. RPS는 이보다 작은 간격으로 철로의 조건이 변경되는 것을 감지할 수 있습니다. 또한 경사가 오르막인지 내리막인지 파악할 수 있으며, 이러한 조건에 따라 다음 RFID 신호 수신까지 기다릴 필요 없이 속도를 즉시 조정할 수 있습니다. 지속적인 속도 조정으로 유럽 전 열차가 소비하는 8백만 유로의 연간 에너지 비용 중 20%를 절감할 수 있습니다.

Autodrive사는 마드리드의 지하철에서 RPS의 시제품을 성공적으로 테스트했으며, 또한 시속 330 km의 고속 열차에서 레이더의 측정 성능을 테스트했습니다.

Autodrive사는 ANSYS SCADE로 만든 임베디드 소프트웨어를 이용하여 2018년 중 EN 50128에서 정한 SIL4(Safety Integrity Level 4) 인증을 획득할 것으로 전망됩니다. 인증을 획득하면 이 기술을 유럽 철도 시장에 판매할 수 있게 됩니다.

railway RPS

철로 위의 플라스틱 막대기의 높이를 읽는 철도용 단일 RPS 유닛

 

railway RPS

열차용 단일 RPS 유닛

 

향후 계획

Autodrive Solutions사의 RPS는 앞으로 활주로 운행 및 하이퍼 루프에서의 속도와 제동을 최적화하는 등 항공 산업에 접목할 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 회사는 전 세계의 여러 도시에서 교통부뿐만 아니라 지하철 및 철도 당국과 협력하고 RPS를 사용하여 도로 및 철도 교통의 안전과 효율성을 향상시킬 수 있는 가능성을 모색하고 있습니다. ANSYS SCADE 및 ANSYS HFSS SBR+ 시뮬레이션은 전 세계에서 개발하는 모든 솔루션에 적용될 것입니다.

ANSYS에 문의하십시오.

문의하기
문의하기