자동차와 전기 전자 컴퓨터
기계에서 AI까지
- 초기 자동차: 순수한 기계장치의 집합으로 출발
- 1898년 최초의 전기 헤드램프
- 1930년대 최초의 자동차용 라디오
- 1979년 최초의 Trip Computer
- 디지털 디스플레이를 통해 평균 속도, 운행 거리, 도착 예정 시간 확인
- 1980년대 최초의 디지털 엔진 제어 시스템
- 기계 기술만으로 만족시킬 수 없는 연비와 환경 규제 만족
- 가장 오랜 역사와 복잡도를 가진 자동차 제어 컴퓨터 시스템
- 1990년대 전자 제어를 통한 차량 안전성 강화
- ABS, TCS 등이 ESC(Electronic Stability Control)로 발전
- 2000년대 센서 기술 발전
- 카메라를 이용한 전방 상황 인지
- 레이더를 이용한 선행 차량과의 거리 정보 인식
- 주변 차량의 상태나 노면 정보, 교통 체계에 대한 인식 가능
- 첨단 운전자 보조 시스템 ADAS 개발
- Lane Keeping Assist System, Adaptive Cruise Control, Autonomous Emergency Braking
- 2004년 최초의 장거리 자율주행대회 DARPA Grand Challenge
- 본격적인 자율주행 기술 연구의 출발점
- 2005년 두 번째 DARPA 개최
- 구글은 우승팀 멤버들을 영입하여 자율주행 자동차 개발
- 2010년 Google 자율주행 자동차 공개, 추후 Waymo로 분사
- 도심 환경을 대상으로 한 Urban Challenge
- 2010년 우리나라에서도 현대자동차가 자율주행대회를 개최하기 시작
- 2015년 테슬라는 소프트웨어 업데이트를 통해 오토파일럿을 제공
- 아직 운전자 보조 시스템에 가깝다.
- 2016년 오토파일럿 기능 오작동으로 사망 사고 발생 후 모빌아이와 파트너십이 종료되었다.
- 이후 생산된 테슬라 자동차에는 엔비디아 인공지능 기반 자율주행 컴퓨터가 탑재되고 있다.
- 엔비디아의 End-to-End 딥러닝
- 인지, 판단, 제어 전 과정에 인공지능이 적용된다.
- 자동차가 스스로 학습하고 판단한다.
차량 제어 도메인별 전자제어 시스템
- In-Vehicle Infortainment: 사용자와 직접 상호작용하는 시스템
- 운전자에게 필요한 운행 정보와 엔터테인먼트 제공
- 계기판 Instrument Cluster와 AVN(오디오, 비디오, 네비게이션) 시스템으로 구성
- 사용자에게 시각과 청각으로 정보 제공
- 사용자는 버튼으로 쉽게 조작
- 상호작용이 운전에 방해되지 않도록 세심한 설계 필요
- 음성이나 제스처로 조작하는 기술 연구
- Vehicle Control System: 자동차의 움직임을 제어하는 시스템
- 자동차에 내장된 수십대 이상의 컴퓨터
- 네트워크로 연결되어 자동차의 움직임을 제어
- 자동차는 인류가 개발한 가장 복잡한 형태의 컴퓨터 시스템
- Powertrain Domain
- 동력을 생성하고 바퀴까지 전달
- 엔진과 변속기로 구성
- Engine Management System과 Transmission Management System은 CAN으로 연결
- EMS는 내연기관 동작 사이클을 제어하기 위해 엔진에 부착된 센서와 연결되어 있다.
- TMS는 기어 변속 시점을 결정하고 그에 따라 기어를 이동시켜 변속한다.
- 엔진과 변속기 대신 모터와 배터리가 탑재되어 전기차를 개발하는 E 파워트레인 등장
- Chassis/Safety Domain
- 조향과 제동, 서스펜션 제어
- 정지 상태에서 바퀴를 돌리는 것은 힘들기 때문에 보조를 위해 파워 스티어링이 있다.
- 노면 상태에 따라 현가를 조절하는 액티브 서스펜션 시스템이 있다.
- 제동은 안전과 직결되어 일찍부터 ABS(1970) 등 컴퓨터에 의한 제어가 이루어졌다.
- Body Domain
- 차체에 부착된 여러 기능 포함
- 스마트키, 타이어압력 모니터링, 도어 잠금, 윈도우, 와이퍼 등 편의장치들을 통합하여 제어한다.
자동차 전자제어 시스템
자동차 전자제어 시스템의 구성요소
- 자동차에 탑재된 100개 이상의 ECU는 차량 내부 네트워크를 통해 연결되고 상호 협조하여 자동차를 제어한다.
- 센서
- 요구사항: 높은 안정성, 낮은 부품 원가, 터프한 작동 환경, 작은 크기, 높은 정밀도
- 가속페달 포지션 센서는 이중화하여 안전성을 보장한다.
- 스로틀 포지션 센서는 2개 이상의 시그널이 측정된다.
- 매스 에어 플로우 센서는 공기의 양을 측정한다.
- 액추에이터
- 연료 분사 장치: 솔레노이드를 동작시켜 정밀하게 연료 분사
- 점화플러그: 피스톤 상사점에서 점화하여 폭발
- EPS 모터: 조향을 쉽게 하도록 돕는다.
- ECU: 싱글보드에 MCU가 탑재된 작은 임베디드 컴퓨터
- ECU들은 차량 내부 네트워크를 통해 연결된다.
In-Vehicle Network
- CAN
- 실시간으로 빠르게 정보 교환
- point-to-point가 아닌 BUS 구조이므로 모든 ECU들이 전부 서로 연결된다.
- 하나의 ECU가 메시지를 전송하는 동안 다른 ECU는 전송할 수 없다.
- 메시지 ID 기반의 버스 중재 방식을 제공하여 메시지 충돌을 해결하고 전송의 실시간성을 보장한다.
- 서로 연관된 ECU는 그룹을 형성하여 독립된 BUS를 구성하고 게이트웨이를 두어 그룹 간 연결된다.
- LIN: 저속 통신
- MOST: 멀티미디어 데이터 전송
- FlexRay: Time-triggered 방식의 고성능 실시간 네트워크
- Ethernet: 대용량 데이터 전송을 위한 고속 네트워크
지능형 자동차와 커넥티드카
지능형 자동차
- 스스로 판단하고 결정할 수 있는 자동차
- 지능형 자동차를 위한 센서 기술
- LiDAR: 레이저를 사용하여 장애물과의 거리를 정밀하게 측정
- 고가이기 때문에 양산 차량에 탑재하기 어렵다.
- 비나 눈이 올 경우 레이저가 산란되어 사용할 수 없다.
- RADAR: 전파 반사를 이용하여 주변 사물 거리 측정
- 도플러 효과를 이용하여 물체의 속도 탐지
- 고가의 양산 차량에 탑재된다.
- 라이다 수준의 정밀한 인식이 불가능하다.
- 카메라: 연속된 영상 이미지를 얻을 수 있는 센서
- 이미지 처리 난이도가 높고 빛의 변화가 심한 곳에서 사용이 불가능하다.
- 센서 퓨전 기술이 매우 중요하다
- LiDAR: 레이저를 사용하여 장애물과의 거리를 정밀하게 측정
- ADAS: 첨단 운전자 보조 시스템
- 초기: 운전자가 파악하지 못한 위험 상황 경고 기능
- LDW: 전면 카메라를 이용하여 차량이 차선을 벗어나면 경고
- FCW: 레이다를 이용하여 앞차와의 추돌이 예상되면 경고
- BSD: 후면 카메라나 레이더를 통해 사각지대 차량이 보이면 경고
- 발전: 자동으로 조향이나 가속
- AEB: 앞차와의 추돌 상황을 파악해 자동으로 제동
- ACC: 앞차와의 거리를 측정해 자동으로 가속, 감속
- LKAS: 카메라를 이용하여 자동으로 조향
- 조향, 가속, 제동 모두 최종적으로는 ECU에 의해 제어된다.
- 초기: 운전자가 파악하지 못한 위험 상황 경고 기능
커넥티드카
- 자동차에 통신 모듈이 장착되어 자동차 자체가 인터넷에 연결된 것
- 기존과는 다른 수준의 인포테인먼트 기능을 제공한다.
- Over The Air Update: 인터넷을 통해 ECU 소프트웨어 업그레이드
- eCall: 사고 발생 시 자동으로 긴급 구조 기관에 전화 연결
- Extended Vehicle: 자동차 내부 데이터를 원격 서버로 전송하여 문제를 진단하는 기능
- V2X (Vehicle to Everthing): 자동차가 무선으로 다른 차량과 도로 인프라에 연결되는 것
- V2V: 급정거 위험 방지
- V2I: 신호 정보 전달
- 무선랜 기술을 자동차에 맞추어 개량한 WAVE 통신 기반
- 미러링크: 스마트폰 화면을 자동차 스크린에 띄우는 역할
- Car Play: 애플 스마트폰 화면을 최적화하여 보여주는 것
- Android Auto: Car play와 함께 이미 양산차에 탑재되어 있다.
- 커넥티드카와 차량 보안
- 자동차가 인터넷에 연결되는 순간 심각한 보안 문제 발생
- 해커에 의해 바이러스가 ECU에 감염되면 심각한 문제가 된다.
- 자동차 내부 네트워크가 해킹되면 주변 차량과 보행자에게도 큰 위협이 된다.
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