차량용 레이더

By Clyde Callewaert, Principle RF Engineer, Autoliv Electronics, Southfield, USA

레이더 시스템은 오늘날 운전자 보조 시스템과 미래 자율 주행 자동차 분야에서 매우 중요한 역할을 수행합니다. 레이더 시스템은 요구되는 기능성과 안전성을 충족시키기 위해 매우 정확해야만 합니다. Autoliv사는 ANSYS의 전자기장 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 자동차 개발 단계의 초기에 다양한 레이더 적용 시나리오를 검증하여 신뢰성있는 시스템을 개발하고, 설계 수정 비용을 절감하고 있습니다.

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O the Radar

"Autoliv사는 일반적으로 범퍼 또는 다른 인접한 부품의 재질이나 형상 또는 사용되는 페이트 종류를 원하는 대로 변경할 수 없어도 차량 레이더 시스템에 대한 성능을 보장할 수 있어야 합니다."

radar sensor mounting

마운팅 브래킷(초록색 부분) 위에 레이더 센서가 장착된 범퍼의 평면도(top view)

차량 안전 및 자율 주행을 위해서는 차량의 외부 환경을 인식할 수 있는 레이더의 수가 증가되어야 합니다. 이러한 레이더 시스템의 패키징 설계는 프로토타입 차량이 성능 테스트를 거치기 전 개발 초기 단계에서 이루어집니다. 만약 엔지니어가 잘못 설계를 한다면, 패키징 과정을 다시 거치면서 약 1백만 달러의 비용이 소요되며, 차량 출시 또한 늦어질 수 있습니다. 세계 최고의 차량 안전 시스템 회사인 Autoliv사는 ANSYS HFSS를 사용하여 범퍼 및 주변 부품이 방사 패턴에 어떤 영향을 미치는지 예측하고, 프로토타입 단계 이전에 설계를 검증하여 비용 발생을 최소화하고 있습니다.

한 예로, 최근의 대부분 차량에는 후방 범퍼 양 끝에 플라스틱 판형태의 커버 안쪽에 레이더 센서가 장착되어 있으며, 인접한 차선에 있는 자동차의 위치와 진행 방향, 속도를 모니터링하는 사각지대 탐지 시스템을 갖추고 있습니다. 운전자의 사각지대에 자동차가 나타나면 사이드 미러에 있는 경고 표시등이 켜집니다. 또한 현재 많은 차량에는 앞 범퍼 가운데에도 레이더 센서가 장착되어 충돌 위험이 있을 때 전방 충돌 경고를 해줍니다. 완전 자율 자동차는 이보다 많은 레이더 시스템을 범퍼나 차체의 다른 부분에 장착할 것으로 전망됩니다.

레이더 시스템은 송신기를 사용하여 짧은 펄스의 전자기파 신호를 방출합니다. 펄스 신호를 보낸 후 송신기는 꺼지고 수신기가 켜져 주변 물체로부터 반사되어 돌아오는 신호를 감지합니다. 레이더 센서에서 방사된 전자파는 진행 경로 상에 있는 통과되어야 할 물체로 인해 예측하기 어려운 방식으로 왜곡됩니다. 근처에 있는 다른 물체에서도 수신기에 간섭을 일으키는 반사파가 만들어집니다. 그래서 새 차량에 레이더 시스템을 탑재할 때, 엔지니어는 범퍼와 장착 브래킷이 정확도를 방해하지 않도록 레이더 시스템을 배치해야 합니다. 이러한 과정을 통해 센서에서 원하지 않는 방향으로 전달되거나 범퍼에서 레이더로 반사되는 에너지를 최소화시키면서 수평방향으로 넓게 방사되는 상대적으로 강하고 안정적인 신호를 얻는 것이 가능합니다. 일반적으로 범퍼는 내구성, 안전성, 제작 가능성과 심미성 등 여러 요소를 고려해야 하기 때문에 복잡한 형상으로 만들어집니다. 센서 위치의 작은 변화만으로도 정확도 기준을 만족하거나 만족하지 못할 수 있을 만큼의 차이가 발생할 수 있습니다. Autoliv사는 차량 레이더 성능을 보장해야 하지만, 범퍼와 다른 주변 부품의 재질이나 형상 또는 사용되는 페인트를 원하는 대로 바꿀 수는 없습니다.

radar sensor position
radar sensor position
radar sensor position
radar sensor position
레이더 센서 위치 선정 시뮬레이션에 사용된 범퍼의 CAD 파일의 단면도
 

"만약 시험 운전 중에 Autoliv사의 엔지니어가 레이더의 위치 혹은 브래킷의 형상이 성능 요구 조건을 만족시키지 못한다는 것을 발견하면, 이 모든 과정이 다시 수행되어야 하며 그 비용은 약 1백만 달러에 달합니다."

모듈 디자인이 레이더의 정확도에 미치는 영향

차량의 출시일을 맞추기 위해 Autoliv사는 반드시 모듈 디자인을 먼저 만들어야 합니다. 시험이 가능한 차량이나 범퍼가 만들어지기 전에 이 과정에서 주로 범퍼를 고려한 센서의 최적 위치를 결정하고, 장착용 브래킷을 설계합니다. Autoliv사는 모듈 설계와 측정 장비를 통한 프로토타입 차량을 측정하며, 레이더의 정확도를 평가하기 위한 다양한 환경에서의 시험 운전에 상당한 투자를 합니다. 만약 시험 운전 중에 Autoliv 사의 엔지니어가 레이더의 위치 혹은 브래킷의 형상이 성능 요구 조건을 만족시키지 못한다는 것을 발견하면, 이 모든 과정을 다시 수행해야 하며 그 비용은 약 1백만 달러에 달합니다. 또한 추가 설계로 인해 8주에서 12주의 시간이 소요되며 이로 인해 차량출시가 지연될 수 있습니다.

sensor pattern no fascia
범퍼가 없는 경우 센서의 송신 방사 패턴
sensor pattern with fascia
범퍼가 있는 경우 센서의 송신 방사 패턴

차량의 레이더 성능 시뮬레이션

Autoliv 사는 프로토타입 제작 전에 ANSYS HFSS를 사용하여 레이더센서 모듈 설계를 연구 및 검증함으로써 이러한 잠재적인 문제를 방지합니다. HFSS는 많은 프로그램과 다양한 응용 분야에서 예측력을 입증했습니다. 시뮬레이션 과정은 브래킷과 범퍼 재질의 샘플을 얻는 것부터 시작합니다. 도파관 또는 유사-광학 기술을 이용하여 정확한 전자기 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 재질의 전기적 특성이 필요하기 때문입니다. 측정이 필요한 전기적 특성은 범퍼, 페이트 층, 브래킷 각각의 유전상수, 유전체 손실 계수입니다.

Autoliv 사의 엔지니어는 차량의 범퍼와 브래킷 등 주변 부품들의 형상이 포함된 OEM(Original Equipment Manufacturer) 사의 CAD 파일을 사용합니다. ANSYS SpaceClaim은 CAD 파일을 HFSS로 불러와 격자 생성을 원활히 수행할 수 있도록 변환 및 해석용 모델링에 사용됩니다. 해석 H/W 및 시간을 단축하고, 전자기적 정확도는 유지할 수 있도록 ANSYS SpaceClaim을 통해 범퍼 모델을 잘라서 사용할 수 있습니다. 엔지니어들은 이미 회사의 모든 레이더 시스템에 대한 ANSYS HFSS 모델을 만들어 보관하고 있으며, 차량에 사용될 레이더를 선택하고 Autoliv 모듈 설계 가이드라인에 따라 시뮬레이션 모델을 브래킷 내에 배치하는 초기 설계를 진행합니다. 그리고 엔지니어는 범퍼, 페인트, 브래킷에서 측정된 전기적 특성을 시뮬레이션 모델에 적용합니다. 시뮬레이션은 ANSYS HFSS, ANSYS HFSS-IE solver, ANSYS High-Performance Computing을 활용하여 수행 합니다.

"Autoliv사의 엔지니어들은 새로운 차량에 추가 설계 변경 없이 많은 레이더 시스템을 탑재하기 위하여 ANSYS HFSS를 사용했습니다"

정확도 요구 조건 충족하기

시뮬레이션 결과를 HFSS에서 후처리 한 후 신호대 잡음비(SNR), 시야각, 굴절에 대한 영향 및 펄스의 모호성 등의 레이더 성능을 평가하기 위한 알고리즘을 계산할 수 있는 MATLAB 프로그램으로 내보내집니다. 이러한 결과를 통해서 옆 차선의 30m 뒤에서 달려오는 오토바이가 있다고 가정할 때 목표물의 수평각에서의 RCS(Radar cross section)가 주어지면 최대 탐지거리를 결정 수 있습니다. 만약 예측된 성능이 최소 요구 사항을 충족시키지 못할 경우, 레이더를 재배치하는 등의 구조적 변경 대책이 필요하며 시뮬레이션 과정이 반복됩니다. 범퍼의 형상 또한 설계 과정 중 수정될 가능성도 있겠지만, 통상 수정 사항이 발생하면 Autoliv사의 엔지니어는 새로운 형상을 제공받은 후에 시뮬레이션을 재실행하며, 필요시에는 설계까지도 변경하게 됩니다.

정부 규제와 고객의 기대치를 충족시킬 만한 높은 정확도를 제공할 수 있는 레이더 센서를 차량에 탑재하는 일은 매우 어려운 작업입니다. Autoliv 사의 엔지니어들은 많은 레이더 시스템을 새로운 차량에 추가 설계 변경 없이 탑재하기 위해 ANSYS HFSS 전자기장 시뮬레이션 소프트웨어를 사용해 왔습니다. 또한 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 레이더 시스템의 정확도와 탐지 거리를 크게 향상시킬 수 있는 모듈 설계의 개선점을 얻을 수 있었습니다.

radar sensor bearing prediction error

예측 에러에 대한 시뮬레이션 대 실측 비교

 

anechoic room

범퍼 재질 측정을 위한 전자파 무반사실

 

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