Autonomous Vehicle Radar; 시뮬레이션을 통한 레이더 성능 향상

2018년 07월호 지면기사  /  글│ 숀 카펜터(Shawn Carpenter), 제품 담당 매니저, 고주파 전자기기 ANSYS



레이더 시스템은 안전하고 안정적인 차량 운행을 위한 중요한 센서 입력을 제공한다. 이러한 레이더 시스템이 간섭 없이 작동하고, 지향 범위를 모두 포함하며, 설치 효과를 완벽히 수행하고, 정확한 입력을 제어 시스템에 제공하려면 첨단 엔지니어링 시뮬레이션을 사용해야 한다.


자율주행차는 차량의 작동 특성과 주변 환경을 인지하는 제어 시스템의 눈과 귀 역할을 하는 차량용 센서의 지속적인 발전을 필요로 한다. 센서는 차량 주변 정보를 제어 시스템에 제공하는 역할을 한다. 정상적인 작동과 안정성은 센서 시스템의 정확도에 달려 있다.

차량용 센서 중 4가지 주요 센서인 가시광선 카메라, 레이저 센서(LiDAR), 초음파 센서, RF 거리측정 센서(Radar)는 자율주행차에서 가장 중요한 환경 센서 데이터를 제공한다. 차량용 레이더는 차량 주변의 보행자, 다른 차량, 가드 레일 등의 속도와 방향을 추적하는 것뿐만 아니라 원거리에 있는 물체와 장애물을 탐지하기 위해 밀리미터파 주파수를 사용한다.

레이더 안테나 시뮬레이션

이 예제는 슬롯 도파관을 사용한 양면 PCB(Printed Circuit Board) 제작 기법 기반의 77GHz 차량용 레이더 센서의 개발을 제시한다.

일반적으로 자동차 능동안전 시스템에는 3가지 주요 레이더 시스템이 사용된다.
- 단거리 레이더(Short-Range Radar, SRR): 충돌 근접 경고와 안전, 제한적인 주차보조지원
- 중거리 레이더(Medium-Range Radar, MRR): 차량의 모서리 및 사각지대 탐지. 다른 차량의 차선 변경 관찰 및 측면/모서리 충돌 방지
- 장거리 레이더(Long-Range Radar, LRR): 전방 주시 센서, 적응형 순항제어장치(Adaptive Cruise Control, ACC), 조기 충돌탐지 기능을 수행

오늘날의 차량용 레이더는 20년 전 항공우주 산업과 방위 산업의 첨단 연구에서만 볼 수 있었던 기술들이 적용되고 있다. 칩-레벨 집적, 패키징, 센서 소형화, 부품 수 감소, 낮은 전력소모와 고성능, 저비용을 포함한 이러한 기술을 이용해 완전한 효과를 얻고 싶은 자동차 회사들은 급박한 개발 일정과 높은 성능 요건을 맞추기 위해 반드시 모델링과 시뮬레이션을 사용해야 한다.

레이더 시뮬레이션은 단일 레이더 부품(안테나와 어레이)을 설계하고, 모든 레이더 설치 및 차량을 포함한 시스템을 개발하거나, 또는 다중 레이더 시스템들, 차량과 주변 환경을 포함한 가상 시스템, 즉 디지털 프로토타입을 만드는 데 사용된다.






레이더 센서의 발달


고성능 레이더 설계는 센서와 센서가 감지하고자 하는 세상의 인터페이스인 안테나로부터 시작됐다. 이상적으로 이러한 안테나 시스템은 원하는 커버리지 각도의 한 방향을 향해 그 에너지를 집중시켜야 한다. 안테나 내부에서 혹은 센서 패키징 물질에 의해 에너지가 소멸되지 않도록 효율적으로 에너지가 방사되어야 한다. 또한 전송 전력 증폭기와의 잘못된 매칭으로 에너지가 손실되지 않아야 한다.

고주파 모델링과 시뮬레이션은 이러한 레이더 센서의 설계 및 개발에 엄청난 시간 절약과 비용절감 효과를 제공한다. 시뮬레이션을 통해 엔지니어들은 다음과 같은 것들이 가능해진다.

- 실제 제작과정 없이 컴퓨터를 통해 가상으로 안테나 토폴로지를 만들고 조정할 수 있다.
- 다양한 구조적, 환경적 조건으로 안테나 특성을 파악하기 위해 효과적으로 그리고 효율적으로 테스트 중인 안테나를 바꿀 수 있다.
- 최소한의 노력과 비용으로 단품, 다중채널 안테나 어레이를 최적화할 수 있다.
- 최종적으로 실험하기 위한 오직 하나의 프로토타입만 만들 수 있다.




차량과 레이더의 통합


센서 설계 또는 프로토타입이 개발되면, 차량에 탑재해 센서를 평가해야 한다. 레이더 센서는 범퍼의 뒤 또는 차량의 페시아 안에 설치한다. 차량 설계의 근접효과는 레이더 에너지를 한 방향으로 집중시키는 안테나 성능에 영향을 줄 수 있다. 자동차 제조사들은 공기 역학적 측면과 소비자들을 위해 디자인적인 측면을 모두 고려해 범퍼와 페시아를 개발한다.

아이러니하게도 디자인적으로 우수한 본체 고유의 특징은 본체 내부에 집적되거나 본체 뒷면에 숨긴 레이더의 성능에 부정적인 영향을 미친다. 과거에는 레이더와 페시아, 레이더와 범퍼의 영향에 대한 효과는 센서 제조사와 자동차 제조사와의 협업을 통해 평가됐다. 하지만 많은 시도와 오류를 거치며 프로토타입을 만드는 과정이 되풀이될 뿐이었다. 자동차가 재설계 될 때마다 기계들을 교체해야 했기 때문에 많은 개발시간과 비용이 프로토타입에 투입됐다.



모델링과 시뮬레이션을 통해 이 과정이 9개월 이상에서 단 며칠로 단축됐다. ANSYS HFSS SBR+는 유한요소 ANSYS HFSS 모델의 매우 정확한 결과를 포함한 모델들을 통합하고, 고주파 광선(ray) 추적 방식을 이용해 더 큰 페시아와 범퍼와의 상호작용에 대한 시뮬레이션도 가능하다. 탑재된 레이더 안테나의 시뮬레이션 결과를 통해 레이더 엔지니어는 안테나가 실제 페시아-범퍼 설계에 탑재됐을 때 각 레이더 서브 어레이들이 어떻게 도로 또는 주변 환경을 비출 지에 알 수 있다.

레이더의 가상 주행 테스트

자율주행 개발자들의 첫 번째 우선순위는 바로 보행자의 안전이다. 레이더 시스템은 안전장치에서 핵심적인 역할을 하며 차량 제어 시스템 및 알고리즘과 함께 테스트해 안전한 작동을 검증해야 한다. 모델링과 시뮬레이션이 없다면, 수백만 마일의 주행 테스트를 해야만 한다. 하지만, 오늘날 대부분의 자율주행 개발자들은 디지털 프로토타입 방식으로 이 과정을 대체하고 있다. 모델링과 시뮬레이션을 통해 상상할 수 있는 모든 시나리오를 테스트할 수 있다.



하지만, 차량용 레이더 시스템의 전파 성능 측정을 위한 고성능 모델링은 현 시점에서 매우 어려운 과제로 제시되고 있다. 레이더가 전기적 파장의 140만 배 이상의 영역을 탐지해야 하므로, 레이더 센서의 Full-physics 모델링과 시뮬레이션은 어마어마한 전자기파 분석 문제를 가지게 된다. 이는 중앙제어 시스템이 레이더에 의해 업데이트되는 수, 포함된 안테나 수, MRR 시스템의 거리 및 속도 해상도, 주변 물체들의 상대속도를 포함한 시스템 레벨의 요구사항에 의해 복합적으로 나타난다.

이러한 고려사항들은 레이더 환경 영향에 의한 고성능 전파 모델링을 더욱 까다롭게 하면서, 이는 대처할 수 없는 문제이기도 하다. ANSYS HFSS SBR+의 SBR 기술은 컴퓨터 자원과 모델링 시간 두 가지 관점 모두에서 높은 정확성과 효율성으로, 이러한 문제들을 해결할 수 있는 full-physics 시뮬레이션을 가능하게 한다.




ANSYS HFSS SBR+를 통해 고성능 레이더 모델로부터 얻은 신호들을 종합적으로 재현할 수 있다. 가상 혁신을 조성하기 위해 현재 센서 공급자들로부터 사용 불가능한 새로운 파형에 대해서도 테스트를 가능하게 함으로써 시뮬레이션은 모든 대역폭에서 사용 가능하다.

차량 제어 시스템이 너무 많은 목표물을 추적함으로 인한 과부화 현상을 방지하기 위해 레이더 신호처리 시스템은 하나의 물체로부터 나온 분산된 리턴 신호들을 지능적으로 분류해야 한다. 이러한 분류는 관찰 영역으로부터 다른 속도를 가지며 표면에서 산란된 신호들의 도플러 변화를 처리함으로써 가능하다. 연속된 범위에서 같은 속도를 가진 목표물의 레이더 신호는 같은 목표물로부터 온 것으로 분류된다. 거리 및 속도에 대해 목표물의 정확한 결정하려면 오랜 시간에 걸쳐 수많은 펄스들을 분석해야 한다. ANSYS SBR+는 거리-도플러 맵을 개발해 한 축에서는 목표물과의 거리를, 다른 축에서는 목표물의 추출된 속도를 나타냄으로써 이를 가능하게 했다.


▲0.5m 해상도를 가진 300MHz 대역폭 단일 레이더의 거리 프로파일. 레이더는 오버레이 상 왼쪽 하단에서 볼 수 있다. 거리 프로파일은 레이더 시스템이 수신하는 모델링된 환경에서의 모든 레이더 에코들의 비행거리를 보여준다. 가장 강한 레이더 리턴값은 가로등, 차량의 표면, 차량 사이의 반사들로 인해 생기는 것을 볼 수 있다. 먼 거리의 표적보다 가까운 거리의 표적으로부터 오는 신호가 더 강하며, 길 아래에 있는 표적까지 탐지 가능하다. 레이더는 파형의 해상도로 인해 동일한 차로부터 두 개 이상의 표적 반사 신호를 감지할 수도 있다. 


일반적인 차량용 레이더 센서는 1초당 5~30프레임 속도로 차량 제어 및 안전장치에 업데이트를 제공한다. ANSYS HFSS SBR+의 속도와 정확도는 해당 환경에서의 차량 움직임을 완벽하게 시뮬레이션 함으로써 시간에 대한 거리-도플러 맵을 구현한다. 완성된 자율주행차를 HFSS SBR+를 통해 시뮬레이션 함으로써 차량 제어 시스템과 능동안전 시스템을 실험하기 위한 디지털 프로토타입을 만들어 낼 수 있다.

완벽한 모델링 및 시뮬레이션 작업 흐름

레이더 센서 개발자, 자동차 OEM, 능동안전 시스템 개발자, 자율주행차 제어 시스템 개발자들은 ANSYS 솔루션을 사용해 레이더 센서 모듈을 설계하고 차량 탑재 성능을 연구하며, 역동적인 도로상황에서 동적/정적 물체에 대한 레이더 탐지 보고로부터 많은 통찰력을 얻을 수 있다. 단일 부품에서 디지털 시스템 프로토타입까지, ANSYS는 매우 도전적인 고주파 문제해결을 위한 솔루션을 제시한다.
 

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