차량용 다중센서 융합모듈로 사람도 차량도 안전하게 이동한다
-GPS, IMU, OBD 결합한 융합형 임베디드 위치기반 서비스-
"위치기반 서비스와 결합한 U-Transportation 기술로 교통사고도 차량정체도 없는 미래의 도로 만든다"
[연구자 레터]
위치기술 기반의 IMU 융합모듈은 GPS 신호와 차량 이동 정보를 종합해 개선된 위치 정보를 제공하여 다양한 위치기반 서비스를 가능하게 한다.
각종 센서가 보내오는 데이터를 신속하게 분석하는 고효율 알고리즘을 탑재하고도 크기는 100원 동전에 불과하고 전체 생산원가도 10달러 미만이다.
위성 신호가 도달하지 않는 지하에서도 차량의 위치를 파악하고 차량간 통신을 이용해 돌발 상황을 주변으로 전파하는 등 미래 U-Transportation 구현을 앞당길 것으로 기대된다.
1990년대 초반 우리나라 대통령 선거에 출마한 어느 후보자는 ‘고속도로를 2층으로 지어 토지보상비를 절감하고 건설 속도를 높이겠다’는 공약을 내세웠다.
획기적인 아이디어라는 평가도 있었지만 기술적인 어려움과 더불어 GPS와 관련된 문제점도 제기되었다.
‘위성항법장치’라 불리는 GPS(Global Positioning System)는 지구 궤도를 도는 여러 개의 위성으로부터 신호를 받아들여 실제 위치를 파악한다.
운전자들이 사용하는 내비게이션 시스템도 GPS 신호를 이용하지만 도로 윗부분이 가려져 있으면 전파가 전달되지 않아 이용이 불가능하다.
도로상의 위험 요소를 제거하고 교통 상황을 관리하는 미래형 교통 서비스가 실현되려면 각 차량의 위치를 끊임없이 실시간으로 수집해야 한다.
그러나 2층 고속도로가 아닌 도심 지역에서도 GPS 기능이 종종 무용지물 취급을 받곤 한다. 고가도로와 터널, 고층건물이 밀집해 있어 전파 수신이 어렵기 때문이다. 대안으로 등장한 것이 IMU(Inertial Measurement Unit) 즉 ‘관성측정장치’다.
속도 변화를 지속적으로 측정하는 IMU는 GPS 신호가 감지되지 않는 터널이나 지하에서도 5분에서 15분 내외의 일정 시간 동안 차량의 위치를 계산해낸다.
3축 가속도 센서와 자이로 센서 등을 함께 장착하면 입체적인 차원으로 차량 정보의 기록이 가능하다.
IMU는 고가의 장비에 속했지만 최근 각종 센서를 탑재한 스마트폰의 보급이 폭발적으로 늘어나면서 일반인들도 다양한 위치기반 서비스를 이용할 수 있게 됐다.
GPS, IMU, OBD 융합시킨 임베디드 기술
차량용 센서들은 반도체 제조 공정을 이용해서 만들어진다. 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 기술이 지속적으로 개량되면서 IMU의 성능은 높아지고 가격은 점점 저렴해지는 추세다.
그러나 차량의 위치기반 서비스를 위해서는 각종 센서들이 보내오는 수많은 데이터를 처리하는 고효율 알고리즘을 구축해야 한다.
또한 동시에 OBD(On Board Diagnostics)라 불리는 ‘자기진단장치’에서 전달되는 정보도 동시에 처리해야 한다.
결국 모든 기능을 소형 마이크로 컨트롤러에 이식해야만 차량과 기기에 내장이 가능하고 가격도 낮출 수 있다.
GPS 신호 감도가 떨어지는 곳에서도 차량의 위치를 계산할 수 있는 IMU와 OBD 융합기술
‘U-Transportation 기반기술 개발연구단’은 차량 자체의 속도 정보, GPS 정보, IMU 센서 정보, OBD 기술 등을 하나로 합쳐 차량의 위치를 정밀하게 파악하는 연구를 진행해왔다.
차량용 다중센서 융합기술은 하드웨어와 소프트웨어를 모두 직접 개발해 연결시키는 첨단기술이다.
유럽에서도 CVIS(Cooperative Vehicle Infrastructure System)라는 명칭 하에 민관 합동으로 진행되고 있다.
위드로봇(주)는 2009년부터 연구를 시작하여 알고리즘 개발 및 다양한 부가 서비스까지 구현해냈다.
차량의 돌발 상황을 자동으로 감지해 뒤따라오는 차량에게 전파하는 서비스도 한 예다.
이후 융합 알고리즘의 성능을 개선하여 5편의 특허를 추가로 도출해냈다. 차량의 주행 상태를 정차, 직선주행, 회전의 3가지로 나누어 각각 알고리즘을 구현한 덕분에 더 낮은 가격에서도 더 높은 성능을 개선할 수 있었다.
uT-IMU 융합모듈은 100원짜리 동전 크기의 원칩에 모든 알고리즘을 이식하고도 원칩의 가격은 1달러에 미치지 못한다.
현재 남양주에 위치한 테스트베드에서 40대가 넘는 차량에 장착해 정밀 테스트중에 있다.
또한 인터페이스에 있어서도 물리적인 연결방식을 기존 GPS와 동일하게 만들어 일반 장치에도 손쉽게 장착할 수 있도록 개선했다.
덕분에 국내 완성차 업체와 연구기관에 기술을 이전해 5억여만 원의 매출을 달성했다.
uT-IMU 장치와 융합 알고리듬 특허
차량의 움직임을 3D 그래픽으로 구현한 시뮬레이터
U-TSN통합시스템
사람과 차량 모두가 안전한 미래의 도로
차량용 다중센서 융합기술을 이용하면 다양한 교통서비스가 가능하다. 여러 차량의 주행 정보를 종합해 구간별 통행량, 특정 구간의 시간대별 정차 회수를 파악함으로써 교통상황을 예측하고 정체를 예방할 수 있다.
도로 하부에 설치해야 하는 기존의 루프 검지기로는 구현하기 힘든 기능이다.
또한 직선 구간의 평균 속도를 산출하고 도로 설계상의 위험요소를 알아내 효과적인 교통 인프라 구축에 도움이 된다.
도심의 도로를 점차 지하화하려는 최근의 추세에도 적합하다.
GPS 전파가 미치지 않는 지하도로에서도 일반도로와 동일한 수준의 위치기반 서비스를 제공할 수 있기 때문이다.
언제 어디서나 높은 수준의 위치기반 교통 서비스를 제공한다는 U-Transportation의 취지와도 부합한다.
위치 파악의 정확도가 높아질수록 무인 차량 개발의 속도도 높아질 것으로 보인다.
미래의 도로에서는 전방의 교통 데이터가 실시간으로 제공되므로 정체의 원인을 궁금해하지 않아도 된다.
교통 패턴 분석에 따른 예상치를 미리 공지하므로 정체 구간을 피해갈 수도 있어 주유비 절감 효과가 높아진다.
융합모듈에는 각종 센서가 내장되어 초당 100회씩 차량의 데이터가 저장되므로 사고가 발생했을 때도 걱정을 덜 수 있다.
당시의 상황을 정밀하게 시뮬레이션 해볼 수 있어 가해 차량과 피해 차량의 판별이 쉬워지기 때문이다.
이 기술은 차량 이외에 자전거와 보행자에 적용하기에도 적당하다. 실내와 실외상관 없이 위치를 파악할 수 있는데다가 기기의 소형화와 생산원가 절감 덕분에 누구나 구입과 이용이 가능하다.
차량용 다중센서 융합기술이 보편화되면 차량은 신속하고 정확하게, 사람은 안전하고 편안하게 미래의 도로 위를 이동하게 될 것이다.
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