멜렉시스, 광학기술을 이용한 첨단 HMI 개발
2013년 11월호 지면기사  /  글│멜렉시스(Melexis)

최근 출시되는 대형차, 중형, 소형차에는 거의 모두 내비게이션 등 운전 편의장치, 엔터테인먼트 시스템 및 안전 시스템이 기본으로 장착되고 있다. 운전자들이 빠르고 쉽게 이들 시스템들을 컨트롤하거나 정보를 용이하게 이용하도록 만들기 위해 자동차 제조사들은 더 쉽고 직관적인 인간-기계 인터페이스(HMI)를 개발하고 있다. 멜렉시스가 광학 방식의 HMI 시스템에 대해 이야기한다.


차량용 HMI의 조건
차량에서의 제어기능 증가로 인해 기계식 버튼으로만 돼 있는 대시보드 패널은 사라지고 있다. 또 많은 수의 스위치가 운전자를 혼란스럽게 만들기 때문에 그 수도 줄고 있다. 제조사 관점에서도 너무 넓은 대시보드 패널은 공간을 많이 차지하고 복잡한 문제들을 야기하기 때문에 바람직하지 않다. 스위치를 사용하는 것은 항상 쉬운 업그레이드를 제공하지 않으며, 기존 설계에 새로운 기능을 더하는 것을 어렵게 만든다.  
최신 차량의 구매를 고려하고 있는 소비자들은 센터 콘솔 유닛을 통해 사용하게 될 새로운 특성과 기능의 증가에 감탄하게 될 것이다. 그들은 첨단의 제어장치에서 매일의 일상에서 사용하며 익숙해져 있는 것과 비슷한 수준을 차에서도 기대하고 있다.  
다른 산업 분야에서와 같이 자동차에서도 터치스크린 기술의 활용은 갈수록 증대되고 있다. 차량용 터치스크린은 연간 판매대수가 2019년까지 3,570만 유닛으로 늘어날 전망이다. 그러나 터치스크린 자체가 사용하기 쉬운 HMI 장치임에도 불구 차량 내부의 설정과 사용 용이성 등과 관련해 추가적인 감지 시스템이 필요할 경우, 어떻게 처리해야할 것인가에 대해서는 확실한 방법이 없다.
안전에 관한 문제는 터치에 기반을 둔 제어 시스템을 개발토록 만들었고, 그 결과 안전하고 효율적인 HMI 구현, 통합을 위해 다양한 대안이 고려되고 있다.  

미 도로교통안전청(NHTSA)은 운전부주의를 유발하는 요인에 대해 조사를 수행했다. 여기에는 두 가지의 기본 요소가 영향을 준다.  

1. 운전자가 지닌 주의력의 총량은 HMI를 수행하기 위한 운전자의 시야, 인지력, 수동조작의 여력 등을 의미한다.
2. 어떻게 운전자는 운전 중 HMI를 작동하는가.

자동차제조연합(AAM)은 “화면을 가진 시스템은 운전자가 매우 짧은 시간 화면을 보는 것만으로도 하고 싶은 일을 할 수 있도록 설계돼야만 한다”라는 지침을 시작으로 가이드라인을 설정하고 있다.
터치에 기반을 둔 솔루션은 대체로 태블릿과 같은 포터블 기기에 적합하다. 자동차 환경에서는 터치가 가능한 화면을 사용하면 표시할 버튼이 너무 많아지는 문제가 생기기도 한다. 이러한 이유로 선진 브랜드 사이에서는 운전자의 주의가 분산되는 것을 막기 위해 터치 시스템을 사용하는데 많은 고민을 하고 있다.  
음성인식도 한 가지의 대안이 될 수 있다. 그러나 최근의 음성인식 기술이 많이 발달했음에도 불구 가끔 오류가 발생하며 사용자에게 실망을 주고 있다. 오류의 발생 횟수는 주변 잡음의 크기와 밀접한 관계가 있다. 명백히 차량 내부에는 상당한 주변 소음이 있다. 덧붙여 사투리나 발음상의 변형도 영향을 준다.



터치 기반 HMI를 위한 광학기술
광학기술은 터치 기반 HMI를 지원하는데 매우 효율적이다. 이 방식은 완전히 터치가 없는 방식이다. 이 기술의 응용분야는 아래와 같다.  

- 근접 감지
- 간단한 동작 감지, 예를 들면 좌/우 감지
- 운전자/조수석 구별, 예를 들면 인포테인먼트는 운전자의 주의를 산만하게 할 수 있으므로 조수석에서만 사용가능하도록 허용함

이러한 시스템을 설계하고 구현하는 데는 많은 어려움이 있을 것이다. 모든 광학에 기반을 둔 HMI는 다음 기능을 가지고 있어야 한다.

1. 배경 빛의 변화에 따른 대응 능력
2. EMI에 대한 강력한 보호
3. 모든 제조사 플랫폼 지원
4. 저렴한 부품 가격
5. PCB 상에서 최소의 공간
6. 소자 배치의 유연성

광학에 기반한 차량용 HMI를 위한 고객의 요구와 다른 방식을 사용하는 시스템의 동작에 대해 부족함이 없도록 멜렉시스는 매우 강건한 센서 인터페이스용 IC를 개발해 왔다. CMOS 기술 기반으로 멜렉시스의 근접과 동작감지용 IC인 MLX75030과 MLX75031은 외부의 빛을 최대한 억제하는 기술을 특징으로 한다.
이 기술은 외부에서 유입되는 고정된 빛과 빨리 변화하는 배경의 빛들을 제거해 정확한 측정을 할 수 있게 만든다. 또한 이 광학기술은 전자기적으로 안전성이 검증된 기술이며, 매우 작은 풋프린트(footprint)는 공간이 매우 좁은 경우에도 적합하다.
MLX7503x 시리스의 센서 IC는 여러 개의 채널과 근접 범위의 광학감지 시스템을 쉽게 구현할 수 있다. IC에는 두개의 독립적이고 동시 동작이 가능한 빛 감지 채널이 있다. 이들 채널은 타깃으로부터 반사된 신호를 받아서 동작한다(예를 들면 사용자의 손에서 반사된 신호를 받는다). 내장된 외부 빛 감쇄 회로는 외부 빛을 완벽히 차단한다.
그림 1은 MLX7530x를 사용한 HMI 내부 구조와 동작 원리를 보여준다. LED는 짧은 빛의 펄스를 내보내며 이 빛은 사용자의 손에 반사돼 포토다이오드에서 감지된다. 이 동작이 일어나는 동안 외부의 빛은 하드웨어에 의해 제거되며, 포토다이오드에 흐르는 전류는 16 bit의 디지털 출력으로 변환된다. 기구적인 배치에 대해서는 어떤 특별한 전자부품도 콘솔 설계에 필요치 않다. 단지 LED와 포토다이오드만이 콘솔의 표면으로 나오면 된다. LED와 포토다이오드 이외에는 콘솔 뒤쪽의 공간에 배치하면 된다.
MLX75030은 최대 전류 1 A로 LED를 구동할 수 있는 외부 스위치를 구동한다. 반면에 MLX75031은 LED 드라이버가 내장돼 있다. MLX75031로 동작 시 최소의 외부 소자로 동작할 수 있다. 내부 로직과 조정이 가능한 레지스터와 SPI 인터페이스는 단순하고 완벽한 프로그래밍 동작이 가능하도록 도와준다. 내장된 16 bit ADC는 디지털 출력을 만들어준다.
능동적인 빛과 외부 빛의 세기는 디지털로 변환돼 시스템 제어기로 입력된다(측정은 1초에 700번까지 가능하며 이로 인하여 원활한 동작이 가능하다). 그리고 외부의 마이크로컨트롤러의 소프트웨어 알고리즘을 통해 시스템은 각각의 동작을 구별할 수 있게 된다(예를 들면, 좌/우/상/하의 동작과 원형동작). 외부의 빛은 이미 MLX7530x에 의해 제거됐기 때문에 마이크로컨트롤러를 다른 작업에 사용할 수 있다.



운전자는 운전하는 동안 운전자 자신의 안전 혹은 탑승자를 위태롭게 하는 어떤 다른 일에 자주 관심을 가질 수 있다.
광학에 기반을 둔 근접 인식 시스템은 증강현실 터치스크린 방식의 HMI와 인포테인먼트 시스템 제어 요소의 새로운 미래를 제시한다. 이 기술은 운전자의 주의력을 분산시키지 않으면서 단순한 동작으로 컨트롤 할 수 있게 해준다. 일단 운전자가 이 기술에 익숙해지면 자동차 제조사들이 고비용의 멀티 터치 터치스크린을 풀 광학식 HMI로 대체하기 시작할 것이다.  AE


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