[미래자동차응용] 자율주행 자동차 개요

 

자동차는 단순한 이동수단을 넘어, 기술과 사회 변화가 가장 빠르게 반영되는 대표적인 시스템이다. 과거에는 엔진과 기계 구조가 핵심이었다면, 현재의 자동차는 전자제어, 소프트웨어, 통신, 인공지능 기술이 결합된 복합 시스템으로 발전하고 있다.🚗

 

이 글에서는 먼저 자동차가 법·표준·일반적인 관점에서 어떻게 정의되는지 살펴보고, 사용되는 동력원과 기본적인 구조를 정리한다. 이어서 엔진, 차체, 샤시와 같은 물리적 구성 요소뿐만 아니라 전자 조향·전자 제동과 같은 제어 기술이 자동차에서 어떤 역할을 하는지 살펴본다.🔧

 

또한 스마트 자동차와 자율주행 기술의 개념을 중심으로, 자율주행이 어떤 원리로 동작하며 단계별로 어떻게 발전해왔는지 정리한다. 마지막으로 자율주행과 관련된 법·제도, 그리고 SDV(Software Defined Vehicle)라는 새로운 패러다임을 통해 자동차 산업이 소프트웨어 중심으로 어떻게 변화하고 있는지를 함께 정리하고자 한다.

 

1. 자동차 정의와 구조

2. 자율주행 기술 개요

3. 자율주행 법규와 표준

 

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① 자동차 정의와 구조

자동차의 정의

• 자동차 정의
  • 자동차 관리법에 의해,
    • 원동기에 의하여 육상에서 이동할 목적으로 제작한 용구 또는 이에 견인되어 육상에서 이동할 목적으로 제작한 용구
  • 한국공업규격에 의해,
    • 원동기와 조타장치를 구비하고 그것을 승차해서 지상을 주행할 수 있는 차량
  • 국제표준(ISO)에 의해,
    • 원동기를 갖추고 노상을 주행하는 차량으로서 4개 또는 2개 이상의 차륜을 가지며 궤도를 이용하지 않고 사람이나 화물을 운반하거나, 견인하며 특수용도에 사용하는 차량
  • 일반 정의:
    • 차체에 설치된 엔진의 동력을 이용하여 레일에 의하지 않고 도로상을 자유롭게 주행할 수 있는 운반기구
• 자동차 동력 구분
  • 가솔린 자동차(Gasoline fueled automobile)
    • 가솔린 엔진을 가진 자동차
    • 현재 가솔린 엔진은 자동차 원동력의 주력
  • 디젤 자동차(Dissel-powered automobile)
    • 디젤 엔진을 가진 자동차
    • 디젤 엔진은 버스, 트럭 등의 대형 차량용의 엔진으로 널리 사용되어 왔으나 최근에는 소형차에도 사용
  • LPG 자동차(Liquefied petroleum gas automobile)
    • LPG가스(액화 석유가스)를 연료로 사용하는 엔진을 가진 자동차
    • 영업용 자동차에 많음
  • LNG 자동차(Liquefied natural gas automobile)
    • LNG 가스(액화 천연가스)를 연료로 사용하는 엔진을 가진 자동차
    • 대형버스에 많음
• 친환경 자동차
  • 전기 자동차(EV: Electric Vehicle)
    • 전동모터(motor)와 배터리를 전원으로 가진 전기 자동차
  • 하이브리드 자동차(Hybrid Vehicle)
    • 엔진과 배터리를 결합하여 저연비, 저공해를 실현한 자동차
  • 연료 전지 전기 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle)
    • 연료의 화학에너지를 직접 전기에 에너지로 변화하는 연료전지에서 동력을 얻는 전기자동차

 

자동차의 구조

https://m.blog.naver.com/suresofttech/220684329502

• 엔진
• 차체(Body)
  • 메인 차체(main body): 차체의 골격으로 하중, 충격, 진동에 충분히 견디어야 함
  • 차체 외장: 메인 차체에 설치되어 자동차의 스타일을 표현함
  • 차체 내장: 자동차의 거주성, 운전성, 안정성을 위한 장치
• 샤시(Chassis)
  • 엔진(Engine): 자동차 주행을 위해 동력을 발생하는 부분
  • 동력전달장치(Powertrain): 엔진 발생한 동력을 바퀴까지 전달하는 장치
  • 조향장치(Steering system): 조향 핸들로 조향바퀴의 방향을 바꾸어 자동차를 직진 또는 선회시키는 장치
  • 제동장치(Brake system): 주행 중의 자동차를 감속 또는 정지시키는 장치
  • 현가장치(Brake system): 보디를 차축에 결합하는 부분으로 충격이나 흔들림을 막아주는 장치
  • 프레임(Frame): 자동차의 골격으로 프레임에 보디를 장착
• 제어 기술
  • 전자 조향 장치(Electric Power Steering, EPS = MDPS)
    • 모터를 이용한 전동식 파워 스티어링 방식
    • 전자제어로 모터를 구동하기 때문에 유압 방식과 달리 연비에 영향이 적고 오일 교환도 불필요
    • 부품 수가 적어 공간 확보에도 유리하며 가격도 저렴
    • 자율주행 자동차에 탑재되어 차선 유지 및 주차 보조 등의 기능 구현에 필수
  • 전자 제동 장치(Intergrated Dynamic Brake, IDB)
    • 마스터 부스팅 방식: 풋 브레이크 → 바퀴에 힘 전달 → 디스크 드럼 조임 → 브레이크 동작
    • ABS(Anti-lock Brake System): 급제동 시에 미끄러짐을 방지
    • TCS(Traction Control System): 출발, 가속 시에 구동력 제어
    • ESC(Electric Stability Control): ABS, TCS와 조향 정보를 통합한 장치
    • 통합 제동 장치(IDB): 유압식 마스 부스터 대신에 전자식 부스터와 전자제어장치를 통합한 새로운 형태의 브레이크 시스템
      • 부품 경량화, 연비 절감하는 친환경적 제품
      • 자율주행에서도 사고 예방과 충돌 방지 기능 (긴급 자동 제동 시스템 등)

 

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② 자율주행 기술 개요

스마트 자동차의 정의

• 기존 기계 중심에서 벗어나 전자, IT, 인공지능 등 다양한 ICT 기술이 융복합된 새로운 트렌드
• 단순한 ‘이동수단’이 아닌 고객이 ‘생활공간’으로 느낄 수 있도록 안전, 편의, 환경의 자동차 고유 핵심가치가 조화롭게 실현된 혁신적인 자동차
• 스마트 자동차의 핵심가치:
  • 안전
  • 편의: 휴식, 대화, 업무를 하면서도 이동 가능
  • 환경: 사람이 운전하는 것보다 안전한 서비스 제공
• 스마트 자동차 시스템 구조
  • 사람 운전자의 역할 점진적 축소
  • 스마트 자동차 시스템의 역할 점진적 확대

 

자율주행 기술 원리

• 위치 인식 기술: GPS와 정밀지도 기반의 위치 인식 (cm 수준의 오차 허용)
  • GPS 인공위성
  • 정밀 지도
  • 도로 특징점
• 주행 환경 인식 기술: 차선, 차량, 보행자, 신호등, 교통 표지판, 장애물, 도로영역 등 주행 환경 인식
• 경로 계획 및 판단 기술:
  • 전역 경로 생성(Global Path Planning): 출발지부터 목적지까지 가장 빠르고 안전하고 편리하게 이동할 수 있는 경로 계획
  • 지역 경로 생성(Local Path Planning): 다른 차와 충돌하지 않는 가장 안전한 패스를 판단, 선택, 제어
  • 다양한 케이스의 데이터를 AI 학습하여 더 복잡한 상황 판단 로직 개발
• 제어 기술:
  • 전자 조향 장치
  • 전자 제동 장치
• V2X(Vehicle to everything) 기술: 교통 안전, 도로 정체 개선, 고도 자율주행을 위한 차량용 무선 통신 기술
  • C-ITS(Cooperative-Intelligent Transport Systems): 차량이 주행 중 운전자에게 주변 교통상황과 급정거, 낙하물 등의 사고 위험 정보를 실시간으로 제공하는 시스템

 

자율주행 단계

• OOD(operational design domain): 자율주행 자동차가 운전할 수 있는 설계 영역 정의
• Level 0 ~ 2
  • 기존 양산 자동차
  • 차선 유지 기능, 앞차 추정 기능
  • 운전 책임의 주체는 사람 운전자
• Level 3 ~ 5
  • 스마트카 시스템이 운전의 주체
  • Level 3: 스마트카 시스템이 운전 불가할 경우, 사람 운전자에게 제어권 전환
  • Level 4:
    • 사람 운전자에게 제어권 전환하지 않음
    • 스마트카 시스템이 운전할 수 없는 상황일 경우 스스로 극복해야 함 (갓길 정차, 원격지원센터 도움 요청 등)
  • Level 5:
    • 자율주행 자동차의 능력이 사람 운전자를 완전히 대체함
    • 궁극적인 의미의 자율주행 자동차

https://brunch.co.kr/@nostalgia9/434

 

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③ 자율주행 법규와 표준

자율주행 법규

• 독일의 무인자율주행차법
  • 무인자율주행차 운행 허가 요건:
    • 지정 구역 내에서 인간의 개입 없이 운행 가능해야 함
    • 인간 생명 보호를 최우선으로 하는 사고방지시스템 및 유사시 위험을 최소화할 수 있는 기술적 조건을 갖추어야 함
  • 관련 당사자들의 의무:
    • 보유자는 시스템 관리, 법규 준수, 사고 시 1차적 배상책임 및 보험가입 의무 부담
    • 기술감독관은 유사시에 운전에 개입하여 탑승자 및 다른 교통참여자들의 안전을 확보할 의무 부담
    • 제작사는 시스템 안전성 및 보안에 관한 의무 부담
  • 자율주행 관련 필수 데이터 저장 및 제공 의무
    • 보유자는 자율주행과 관련된 13가지 필수 데이터 저장
    • 교통사고 등 자율주행시스템의 한계 상황이 발생한 경우 연방 자동차국에 해당 정보를 제공할 의무 부담
• 13종 필수 저장 데이터
• 자율주행 임시운행 허가 제도 개정
  • A형
    • 기존 형태의 자율주행 자동차
    • 비상 상황 시 대처를 위해 운전석에 운전자가 탑승
  • B형
    • 자율주행셔틀
    • 운전석이 없고 시험운전자가 내부에 탑승
  • C형
    • 무인자율배송
    • 시험운전자가 탑승하지 않고 외부에서 원격으로 관리

 

SDV(Software Defined Vehicle)

• 소프트웨어로 하드웨어를 제어하고 관리하는 자동차
• 소프트웨어를 통한 기능의 다양화와 기술 발전이 빠른 속도로 이뤄지며 소프트웨어 중심으로 변화
• SW 재사용성 증가
• 원가 절감 및 개발 일정 단축 요구
• OEM과 Tier-1 협업 필요
• 인공지능(AI)
• 원격 소프트웨어 관리(OTA, Over-The-Air)
  • Software OTA and Firmwaren OTA
• 사이버 보안
• Cloud/Edge Computing
• 통합 ECU
  • 프로세서 고도화, AI 기술 적용
• 전자 아키텍처
  • 차량용 소프트웨어 및 클라우드 등으로 구성
  • 자율주행, 인포테인먼트
• 서비스 플랫폼
  • Mobility & Connectivity 서비스 통합
  • 3rd Party 사업자까지 고려
• AUTOSAR(AUTomotive Open System ARchitecture)
• ROS(Robot Operating System)
• SOAFEE(Scalable Open Architecture for Embedded Edge)
• DevOps
  • 비용 효율성을 위해 디지털 트윈 개발 환경 구축 필요
  • 실제 자동차가 아닌 가상 환경에서 평가 검증