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[자동차 이야기(25)] 전방 충돌방지 보조시스템 FCAS(Forward Collision-Avoidance Assist System)

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[자동차 이야기(25)] 전방 충돌방지 보조시스템 FCAS(Forward Collision-Avoidance Assist System)

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과거에는 자동차를 운행하면서 안전하고 빠르게 목적지에 도착하는 것을 목표로 자동차를 개발하고 만들어 왔다. 그러나 지금은 어떨까? 자동차는 이제 현대인들이 많은 시간을 보내며 매일 이용하는 생활필수품이 되었다. 과거에는 자동차가 단순한 이동수단이었다면 이제 자동차는 최첨단 기술의 집약체라고 해야 한다.

자동차 제조사에서는 단계적으로 운전자의 개입이 없는 완전 자율주행차를 목표로 새로운 기술을 적용시키고 있다. 현재까지 기술은 자율주행 5단계 중 3~4단계의 자율주행 기술이 적용되어 자동차 구입 고객의 선택폭이 넓어졌다. 현재 자동차에 적용되는 기술에는 기존에 자동차가 아닌 다른 곳에서 이용되던 기술이 대중화 되면서 전혀 새로운 기술이 자동차에 최초로 이용되어 출시되기도 한다.

이중에 이번에 소개하는 자동차 시스템은 자동차 운행시 예상치 못하게 만나게 되는 전방충돌로 인한 피해를 사전에 줄여주는 시스템으로 운전자가 미처 인지하지 못한 충돌을 회피하거나 충돌 위험시 경고문, 경고음, 시각, 청각 진동 등 다양한 방법으로 운전자에게 1차 경고와 더불어 2차 제동과 회피조향까지 작동되어 운전자와 탑승자의 안전에 도움을 준다. 이때 적용된 시스템들은 전방의 상황을 영상으로 감지하는 카메라, 전방의 물체를 확인하는 전방레이더 1개, 전방측면을 감지하는 레이더 2개, 뒤쪽에 접근하는 물체를 확인하는 후측방레이더 2개 등이 있다. 이와 같은 시스템이 충돌을 감지하게 되면 자동차에 필수적으로 장착된 브레이크 시스템과 조향시스템을 작동하여 충돌을 예방하게 된다.

◇ 전방 충돌방지 보조시스템 FCAS

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전방 충돌방지보조기능은 자동차 제조사별로 조금씩 다른 명칭으로 불리기도 하지만 작동하는 기능과 원리는 별반 다르지 않다. 자동차 전방 장애물에 대하여 충돌을 피하거나 충돌 위험을 줄여주기 위한 것으로 시스템의 구성은 전방의 상황을 영상으로 감지하는 카메라, 전방의 물체를 확인하는 레이더, 전방측면을 감지하는 레이더 2개, 뒤쪽에 접근하는 물체를 확인하는 레이더 2개, 이외에도 시스템이 작동하는 데는 자동차 속도를 감지하는 휠속도 센서, 스티어링의 움직임을 감지하는 조향각 센서, 차량의 수직측 회전을 감지하는 요레이트 센서, 엔진 컨트롤러, 브레크 제동을 하는 컨트롤러 등의 많은 센서와 컨트롤러 등이 유기적인 통신을 이용한 정보를 통하여 차량충돌 위험 단계에 따라 경고문 표시, 경고음 발생으로 충돌위험성을 단계별로 운전자에게 경고한다. 이와 동시에 브레이크제어를 하여 탑승자를 보호하며 주행안전을 보조하는 시스템이다.

또한 전방카메라와 전방레이더 외 전측방 레이더 및 후측방 레이더 감지로 양쪽 인접 차로의 차량 유무를 인식하여 차로 변경으로 충돌을 피할 수 없을 경우 충돌 위험 단계에 따라 경고문 표시와 경고음 등으로 충돌 위험을 운전자에게 조기에 알려주고, 충돌경고 및 긴급제동의 최대 작동속도를 상향시켜 탑승자를 보호하는 기능을 한다.

◇ 시스템 설정

전방충돌 보조시스템 설정은 자동차 주행을 위한 스위치 ON 상태에서 시스템스위치 ON 후 설정 메뉴에서 전방 충돌방지 보조 시스템을 설정하거나 해제할 수 있다. 이때 충돌 위험 상황에 따라 경고음이 울리거나, 브레이크 제어를 할 수 있도록 설정할 수 있다.

*주의 사항으로는 충돌경고를 선택하면 충돌위험 상황에서 경고음만 울리고 브레이크 제어는 되지 않는다. 따라서 운전자는 충돌위험시 직접 브레이크 제동을 해야 한다.
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시스템 설정 표시 H자동차(왼쪽)와 시스템 설정 스위치 H자동차.


◇ 시스템 작동 조건

전방 충돌방지 보조시스템 작동은 자동차 시동 후 전방충돌방지 보조, 또는 충돌 경고로 설정하고 각각의 감지센서(모듈)가 정상적으로 작동할 수 있는 상태이어야 한다. 각각의 센서(모듈)가 정상적이지 않을 경우 시스템이 작동이 안 된다는 경고사인을 클러스터에 표출한다. 시스템에 이상이 없는 상태에서 전방에 조건을 만족할 경우 시스템은 작동 상태가 된다. 전방에 충돌이 예상되는 차량, 보행자, 자전거 탑승자가 감지됐을 때 거리, 상대속도 및 운전자의 반응 여부에 따라 위험도를 판단하며 옆 차로 차량이 내차 옆에 있거나 전방 차량과 비슷한 위치에 있을 때 경고음 또는 브레이크제어를 한다.

◇ 시스템의 충돌경고는 1,2단계로

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전방 충돌 경고와 긴급 조향 표시.

1) 1차경고는 클러스터에 주의 경고문 표시와 동시에 경고음이 울린다, 옵션선택시 스티어링 휠이 진동하며 운전자가 인지하도록 하는 기능도 추가할 수 있다. 또한 내차의 속도가 30km/h 이하인 경우 차량의 속도는 감속상태 모드로 진입하게 된다.

2) 2차경고는 1차 경고 후에 충돌위험이 존재하고 전방 차량에 대해서 내차의 속도가 약 10~75km/h인 경우 충돌 직전에 브레이크제어를 최대로 작동시켜서 전방 차량과의 충돌시 충격을 저감하도록 한다.
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전방충돌 1차 경고와 긴급제동 2차 경고 H자동차(왼쪽), 전방교차충돌 1차 경고 H자동차(오른쪽).


◇ 시스템 미작동 주의사항

전방상황 및 차량 상태, 보행자 및 자전거 탑승자의 주행 방향이 내차의 주행방향과 반대방향 및 속도에 따라 작동하지 않거나 일부 경고만 작동할 수 있다. 또한 전방 및 주변 차량 상태에 따라 충돌 회피가 어려울 경우 작동하는 시점이 빨라진다.

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센서 감지 제한 경고 H자동차.

◇ 시스템 작동이 어려운 조건


아무리 좋은 시스템도 작동에 어려운 조건과 환경이 있다 각 센서가 감지하는 범위를 벗어났을 때 정상적인 작동은 어렵다. 자동차 제조사에서 작동이 어려운 상황을 안내한 것을 보면 작동이 안 되는 상황이 매우 많은 것을 알 수 있다. 결국 작동이 정상적이지 않는 것은 각 감지센서들이 정상적으로 감지하기 어려운 조건일 것이다. 예를 들면 커브구간, 경사로, 오르막 내리막, 급차선 변경시, 이외 공사구간, 도로낙하물 등이다. 특히 전방카메라는 이물질 등으로 렌즈 전방이 오염이 되어도 정상적인 감지를 못할 수 있다.

또한 레이더센서의 경우도 강한 전자기파, 또는 레이더 반사파물체가 존재하는 경우 등이 있다. 이외에도 작동 조건을 충족한 상황이 안 될 경우가 자동차 제조사별 상이한 것이 있다. 따라서 자동차 운전을 하기 전에 자동차 사용설명서를 꼼꼼히 숙지하고 이용해야 한다. 아무리 좋은 안전시스템이라도 운전자가 주의를 게을리 하거나 교통법규 준수와 예방운전을 하지 않는다면 교통사고의 위험은 항상 존재한다. 그러므로 무엇보다 중요한 예방운전을 습관화 해야 한다.
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전방 감지가 어려운 조건 H자동차.

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높은 언덕과 차로 변경시 H자동차


◇ 시스템 주요센서 역활

1) 전방카메라

전방의 차량과 보행자, 자전거탑승자 등을 촬영하여 감지하는 기능을 한다. 장착위치는 실내안쪽에 룸미러 뒤쪽 앞 유리창 중앙 상단에 장착되어 있다. 다른 센서들과 통신을 통하여 촬영정보를 주고받게 되어 있으며 작은 카메라이자 컴퓨터모듈이다. 주의할 점은 전방유리에 이물질로 오염이 심하거나 눈, 비 등이 카메라 시야를 방해할 경우에는 정상적인 감지 작동이 어렵기 때문에 청결한 관리가 필요하다.

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전방카메라.

2) 전방레이더(FCA Front Control Module)

모듈 내부에 레이더 전자기파를 이용하여 물체에 부딪쳐서 반사하는 신호를 해석, 전방 장애물과 거리, 속도를 측정한다. 전방 차량유무 속도 거리에 따라 최적의 가감 속도를 계산한다. 이후 가감속된 정보를 브레이크 컨트롤러(VDC모듈)로 전송한다.

자동차에 사용되는 레이더의 주파수 대역은 국제 표준화 되어 있는 주파수 중 다년간 상용화된 24Ghz 밴드에서 현재는 77GHz 전방영역과 76~81GHz의 광대역 영역을 사용하고 있다.

24GHz를 사용하는 영역에서는 주파수를 높이면 안테나와 모듈 사이즈를 줄일 수 있고, 사용대역폭을 넓게 할 경우 거리 분해도를 높일 수 있다. 또한 77GHz의 전방 중거리 레이더(MRR;Mid Range Radar)와 장거리 레이더(LRR;Long Range Radar)가 있으며 79GHz의 중심주파수를 가진 광대역 밀리미터파 레이더의 경우 작게는 90°에서 150°를 탐지하는 형태의 단거리 레이더(SRR;Short Range Radar)도 있다.

자동차에 사용되는 레이더 센서는 빛의 반사와 터널, 일출·일몰 등 환경변화의 조건에서 카메라보다 유리하며, 안개 또는 스모그 상황이나 눈·비 등의 기후변화 영향 등에 대한 감지 기능이 카메라보다 효과적이다, 따라서 자동차 제조사에서 추진하는 자율주행자동차는 전·후방은 LRR/MRR를 활용하고, 전방 좌우 SRR, 후방 좌우 SRR를 장착하여 최소 6개의 레이더를 이용한다.
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전방레이더.

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레이더 주파수 범위


3) 전측방레이더

전방 범퍼내측 좌우에 장착되어 있으며 레이더는 전자기파를 이용하여 전측방 좌우 차량의 유무를 감지하여 거리 및 속도를 측정한다, 레이더 전자기파는 대부분 24GHz 대역의 레이더를 사용하고 있다. 특히 시야 확보가 쉽지 않은 야간 혹은 우천 환경에서 차선을 변경할 경우, 위험경고 문구 및 경고음을 운전자에게 인식하도록 제공하여 안전하게 운전할 수 있도록 편의를 제공한다. 전측방레이더는 전방에 교차충돌을 예방하며 크루즈 컨트롤 보조기능과 고속도로 주행을 보조하는 기능도 있다.

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전측방 레이더.

4) 후측방레이더

후측방 범퍼내측 좌우에 장착되어 있으며 후측방 차량의 유무를 감지하여 거리 및 속도를 측정한다, 레이더 전자기파는 대부분 24GHz 대역의 레이더를 사용하고 있다. 특히 시야 확보가 쉽지 않은 야간 혹은 우천 환경에서 차선을 변경할 경우, 위험을 알려주어 운전자가 더욱 안전하게 운전할 수 있도록 편의를 제공한다.

후측방레이더 시스템은 세 가지의 기능이 있다. 첫 번째는 기본 기능인 사각지대 경보(Blind Spot Detection)로, 주행 중 후측방 사각지대의 차량을 감지해 운전자에게 경보해주는 기능, 두 번째는 차선변경 지원(Lane Change Assist) 기능으로, 주행 중 운전자가 차선을 변경할 때 후측방 부근에 접근하는 차량을 감지해 경보해주는 기능과 마지막은 후측방 접근 경보(Rear Cross Traffic Alert)로, 전방주차 후 후진으로 빠져나올 때, 좌우 측방향에서 접근하는 차량을 감지해 운전자에게 경보 해주는 기능을 가지고 있다.

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후측방 레이더와 경고.

◇ 전방 충돌방지 보조시스템 FCAS

이제 자동차는 단순히 이동수단의 기능뿐 아니라 운전자의 개입이 없어도 일정부분 자율운행이 가능한 단계에 접어들었다. 완전자율 운행으로 안전하게 목적지까지 가는 것이 머지않았다. 이렇게 되기까지 과학기술의 발전이 큰 몫을 하였음은 물론이다,

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FCAS 기능 작동개요 H자동차.

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류충효 신한대 기계자동차융합공학과 교수

지금의 기술수준으로도 스마트 도로교통 통제시스템과 더불어 완전자율주행도 가능하지만 문제는 제조비용 상승과 자율운행 자동차의 운행시 위급한 상황에서의 윤리적인 문제가 해결되기 전까지 정부기관, 이용자, 제조사, 보험사 등 관계 기관들의 합의가 이루어져야 할 것이다.

아무리 좋은 시스템과 편리한 기능도 이용자의 생명과 윤리적인 문제들의 해결이 간과되어서는 안 될 것이다. 또한 자동차 구입시 이용자의 용도에 맞는 차량선택과 이용자에게 필요한 옵션을 합리적으로 선택하여 안전하게 사용해야 한다.


류충효 신한대 기계자동차융합공학과 교수