자율주행, 운전자와의 새로운 연결
크루덴, ADAS-HMI-HIL 통합 DIL 시뮬레이터

 

글│한 상 민 기자 _ han@autoelectronics.co.kr

“차에서 책을 읽는 것과 같은 모습이 자율주행차의 모습 중 하나입니다. 사실 이런 것은 우리가 이미 열차 내에서 편안하게 하고 있는 것이지만 열차가 일정한 속도를 유지하기 때문에 가능한 것입니다. 자동차는 속도의 변화가 크기 때문에 쉽지 않습니다. 자율주행차는 충돌방지와 같은 안전, 스스로 가는 기능 못지않게 안락함에 대한 주행경험이 중요합니다. 차와 사람 사이의 상호작용이 종전과 다릅니다. 때문에 드라이빙 시뮬레이터도 이에 맞게 조정돼야만 합니다.”
드라이빙 시뮬레이터 스페셜리스트 크루덴(Cruden)의 데니스 마커스(Dennis Marcus) 매니저가 말했다.

시범운행 중인 많은 저속 자율주행 셔틀에 대한 소감 중 하나가 바로 “초보자가 운전하는 것 같다”는 것이다. 이것은 차가 컴퓨터가 제어해 주행할 때 단순히 A에서 B로 가는 것이 아닌, A에서 B로 가는 동안 주행 경험이 얼마나 중요한 가를 말해준다. 단순하게 더욱 부드러운 주행으로 안심할 수 있고 멀미를 유발하지 않는 주행에 대한 것일 수 있고, 나아가면 우리가 원하는, 개인의 성향에 맞춤화된 주행경험이 요구된다는 것이다.

새로운 기술, 뉴 모빌리티 비즈니스 모델은 이동 중 소비시간에 대한 변화를 이끈다. 자율주행은 이동 중 읽고, 휴식하고, 수면을 취하고, 일하고, 사교 모임을 가질 수 있게 해줄 것이다. 자율주행 개발의 급속한 전개, 라이드 헤일링과 같은 이동성 서비스(MaaS), 증대되는 도시화, 전기화, 커넥티드 카 등 메가트렌드는 운전자의 승객화, 운전 패턴의 변화 그 이상이다. 이처럼 OEM과 티어 1은 역사상 가장 큰 도전에 직면하고 있다. 차의 기본 기능, 환경과의 상호작용뿐만 아니라 실제 운전자나 탑승자와의 상호작용, 이를 위한 시뮬레이션이 매우 중요해졌다.

업계에서는 이같은 미래의 상호작용에 대한 탐구 및 최적화를 위해 크루덴과 같은 드라이빙 시뮬레이터 스페셜리스트와 협력해 새로운 드라이버 인 더 루프(driver-in-the-loop, DIL) 시뮬레이션 방법을 개발, 적용하고 있다. 시뮬레이터를 사용해 다양한 차원의 운전자 데이터를 축적하고 실제와 같이 동작하고 반응하는 모델을 개발, 특정 시나리오에서의 피드백을 획득해 제품에 반영하기 위해 노력하고 있다.

마커스 매니저는 “크루덴 드라이빙 시뮬레이터의 목적은 운전자를 여러 이유로 설정한 시나리오, 다양한 엔지니어링 툴과 연결해주는 것입니다. 여기가 가장 중요한 것은 ‘운전자와의 연결’입니다. 엔지니어링 관점에서 드라이버를 연결하는 최고의 방법은 뇌를 연결하는 것이지만 이는 영화에서만 가능한 이야기이기 때문에 우리는 다양한 피드백 채널을 연결합니다. 예를 들어 차량의 가속과 감속에 대한 시각적, 스티어링 휠이나 시트에서의 햅틱이나 압박감, 균형감, 청각적 요소를 연결해 현실 같은 가상 환경을 제공합니다”라고 말했다.

F1에서 자율주행으로

크루덴 시뮬레이터의 시작은 모터스포츠다. 그러나 지금의 시뮬레이터에서 운전자는 포뮬러 원 드라이버와는 다른 존재다. 그들은 완벽하지 않을 뿐만 아니라 완전히 바뀐 자동차와 소통관계에 있다.

크루덴은 드라이빙 시뮬레이터 제작 경험이 무려 20년 이상인 이 분야의 스페셜리스트로, 특히 모션 기반 통합 솔루션의 선구자다. 마커스 매니저의 경력 상당 부분도 모터스포츠와 연결돼 있다. 크루덴의 첫 번째 드라이빙 시뮬레이터는 점점 더 엄격해지는 트랙 테스트에 대한 보상, 비용 절감을 추구하는 모터스포츠 영역에 판매됐다. 모터스포츠의 시뮬레이터는 레이싱 드라이버가 레이싱을 준비하는 과정에서 부분적으로만 사용됐다. 주 목적은 엔지니어가 보다 빠른 자동차를 개발하고 레이싱 준비 작업을 돕는 것이다. F1 드라이버들은 트랙 운전법을 배우기 위해 시뮬레이터가 필요한 것이 아니다. 시뮬레이터에서 소비하는 시간은 엔지니어들과 협력해 설계 변화를 평가하고 차량을 개인적 취향에 맞게 조정하기 위한 것이다.

“세계자동차연맹(FIA)의 극소수 테스트만이 시뮬레이션으로 이뤄집니다. F1 엔지니어는 보다 빠른 자동차를 개발하고 셋업 작업을 수행하기 위해 드라이빙 시뮬레이터를 사용합니다. 레이스는 머신 작동에 중대한 영향을 미치는 드라이버의 스킬을 통해 나오기 때문에 FIA는 드라이버가 언제나 차이를 만들 수 있는 방식으로 규정을 만듭니다. 때문에 시뮬레이션은 운전자를 포함하는 DIL이 중요합니다.” 마커스 매니저가 설명했다.

자동차 산업의 최초 드라이빙 시뮬레이터도 모터스포츠 애플리케이션과 유사하게 차량의 다이내믹스 연구에 사용됐다. 그러나 현재는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 자율주행 컨트롤러 개발을 위해 사용되기 시작했다.

그렇다면 자율주행, ADAS는 크루덴에게 어떤 의미일까? 드라이빙 시뮬레이터는 카 메이커에게 어떤 이점을 줄 수 있을까?
이에 대해 마커스 매니저는 “ADAS와 자율주행 시스템은 단지 ‘충돌하지 않는다’는 기능적인 의미일 뿐만 아니라, 차 안의 사람들이 ADAS나 자율주행 컨트롤러가 운전하는 방식을 좋아하지 않는다면 이 시스템을 사용하지 않거나, 차를 구매하지 않을 수 있다는 의미이기도 합니다. DIL 시뮬레이터를 사용하면 운전자가 ADAS나 자율주행 시스템을 사용하는 방식을 테스트하고 검증할 수 있습니다”라고 말했다.

ADAS의 시스템이 더욱 복잡해지면서 이에 따른 테스트 시뮬레이션 시스템 또한 중요해지고 있다. 개발된 차량의 기능에 따른 운전자의 각기 다른 생각, 다른 성, 연령, 기술적 능력 및 지능을 기반으로 운전자의 행동 패턴, 선호사항을 테스트하는 것이 필요해졌다. 엔지니어들은 기술적인 부분을 알지 못하는 일반 운전자들이 만족하며 사용할 수 있는 시스템을 만들어야 하기 때문에 차량과 인간의 결합이 더욱 중요해졌다.

드라이빙 시뮬레이터는 ADAS, 디스플레이 및 차량 조작 컨셉 등 HMI, HIL이 통합돼 새로운 시스템에 대한 적합성과 기능성을 개발 초기 단계에서부터 상세하게 테스트할 수 있게 한다. 개별 하드웨어와 소프트웨어의 기능 테스트와 함께 전체 시스템에 대한 도로 테스트의 연결고리 역할을 하는 것이다.

HIL-DIL 통합은 사전적으로 정의된 테스트 시나리오에 따라 달라진다. 차량에서 테스트하는 모든 시스템들은 HIL이지만 이것은 모두 운전자와 상호작용한다. 따라서 드라이빙 시뮬레이터를 통해 테스트하고 운전자와 상호작용하는 것을 테스트해 무엇이 어떻게 작용하는지 검증하는 것이 중요하다. 시뮬레이션 없이 휴먼 인 더 루프 테스트를 한다면 시제품을 만들고 프루빙 그라운드에서 바로 하면 되지만, 이 경우엔 현실적인 주행이 되지 못한다. 예를 들어, 트래픽이 없어도 실제처럼 운전하지 않고 매우 조심스러워 한다. 즉, 크루덴의 드라이빙 시뮬레이터는 엔지니어링이 아닌 최종 사용자에 대한 것이다.

“모든 것이 통합돼야만 하고 이것이 드라이빙 시뮬레이터의 존재 이유입니다. 일반적으로 매틀랩 시뮬링크를 미들웨어로 FMI(Functional Mock-up Interface) 인터페이스를 지원하고 API를 통해 고객 프로그램을 연결합니다. 시뮬레이터는 데이터 인풋-아웃풋, 데이터 인터랙션, 3D 환경 인터랙션이 중요합니다. 왜냐하면 운전자가 상황에 몰입할 수 있어야하기 때문으로 이를 위해 그래픽 퀄리티가 매우 좋아야만 할 뿐만 아니라 센서 시스템을 통해 다양한 3D 환경과 상호작용해야만 합니다.”

시각적 몰입감

그러면 크루덴의 드라이빙 시뮬레이터는 실제와 같은 시뮬레이션을 위해 얼마나 사용자에게 몰입감을 줄 수 있을까. 마커스 매니저는 비디오 게임과 비교했다.
비디오 게임은 일반적으로 디스플레이나 작은 영사 스크린에서 작동한다. 따라서 주변 환경에서 실제 세계의 일부를 볼 수 있다. 이 때 우리의 두뇌는 몰입감을 저하시키는 이것을 기록한다.

“비디오 게임에서 우리는 일반적으로 화면에 가깝습니다. 이것은 우리 눈이 수렴하고 가까이에 있는 것을 보려고 한다는 의미이지만 실제로 제시된 이미지는 멀리 떨어져 있습니다. 무의식적으로 의식은 몰입감을 저하시키는 이를 인식합니다. 크루덴이 사용하는 대형 프로젝션 스크린에서 운전자는 약 4미터 떨어진 스크린을 봅니다. 이것은 좀 더 자연스러운 느낌을 주는, 운전자의 눈이 먼 거리의 무언가를 보도록 조정된다는 의미입니다. 120 fps의 재생 속도를 가진 프로젝터를 사용해 빠르게 움직이는 비주얼의 콘트라스트를 높입니다. 비디오 게임은 일반적으로 더 낮은 프레임률을 사용합니다.”

시뮬레이션은 진짜가 아니기 때문에 한계가 있을 수밖에 없습니다. 때문에 다양한 수단을 통해 몰입감을 높이는 것이 중요하다. 이를 위해 크루덴은 시각, 청각, 터치, 모션 필링을 만든다. 또한 원뿔형 하이엔드 LED 프로젝션 시스템을 이용해 운전자가 어디를 보든지 항상 프로젝션 스크린만 볼 수 있도록 한다.

“모션 시스템에서는 운전자가 가속력을 느끼는 것이 중요합니다. 운전자는 눈에 의지해 속도와 위치 감각을 느끼기 때문에 시각 시스템이 가장 중요합니다. 모션 없는 시뮬레이터를 만들 수 있지만 시각 없는 시스템은 만들 수 없습니다. 모션과 관련된 또 다른 체크 사항은 워크스페이스가 제한된다는 점입니다. 즉, 설정된 모션 큐만 제공할 수 있습니다. 모션의 가장 중요한 부분은 시각적 시스템과 시간을 동기화하는 것입니다.”

크루덴 시뮬레이터의 역할은 시스템에 대한 전반적인 엔드 유저의 피드백에 대한 것이기 때문에 4가지 피드백 채널을 제공하면서 가능한 낮은 대기시간으로 피드백을 올바르게 동기화한다. 특히 모션과 비주얼에 있어 운전자가 느끼는 움직임, 운전자가 보는 움직임을 같게 한다.

“드라이빙 시뮬레이터는 운전자를 자동차 시뮬레이션에 연결된 하나의 주변장치로 간주해야 합니다. 즉, 드라이빙 시뮬레이터에 관한 것이 아니라, 실제 가치는 DIL 시뮬레이터를 고객의 엔지니어링 툴 체인과 통합하는 것입니다. 연구의 유형에 따라 툴의 유형이 다르며 각기 다른 툴들을 사용해야 합니다. 또 이러한 툴은 시간이 지남에 따라 변경되기 때문에 DIL 시뮬레이터가 다른 툴을 유연하게 통합하는 능력이 필수입니다.”

유즈 케이스

크루덴의 시뮬레이터들은 다양한 목적으로 광범위하게 사용되며 고객의 제품과 사용자 경험 개선에 기여하고 있다.
예를 들어, 마힌드라와의 경험은 전기차 관련 DIL 시뮬레이션의 훌륭한 사례다. 포뮬러 E에서 경쟁하는 마힌드라 레이싱 팀은 2017년 크루덴을 통해 포뮬러 E 시뮬레이터를 맞춤 제작해 다양한 설정, 전략 및 경주 시나리오를 테스트하면서 파워트레인, 배터리, 에너지 관리 최적화방법을 찾았다.

마커스 매니저는 “포뮬러 E 레이싱에서 드라이버는 차량의 에너지 소비, 에너지 재생, 배터리 온도 및 기어 변속을 위한 최적의 엔진 속도 등을 모니터링하고 조정해야합니다. 엔지니어들은 DIL 시뮬레이션을 통해 이러한 시스템을 미세 조정하고 드라이버와 상호작용합니다. 예를 들어 드라이버가 제동 순간 회생제동 활용을 결정하는데 이 경우 차가 느려질 수 있는 것처럼 운전자와 시스템 간 상호작용이 레이싱에 중요한 영향을 미칩니다”라고 설명했다.

중국 고객과는 HIL 브레이크 시스템이 통합된 시뮬레이터를 활용해 회생제동 중 부드러운 브레이크 페달감을 달성하는 작업을 했다. ECU가 회생제동을 특정 수준까지 사용한다고 결정하면 유압 브레이크에 가해지는 힘을 줄여야만 한다. 그렇지 않으면 제동이 너무 세게 돼 운전자가 매우 불편할 수 있다. 크루덴은 디스페이스(dSPACE)의 HIL 시스템과 AS2 시뮬레이터, 페달 박스, 브레이크부스트, 차체 자세제어 시스템(ESC), 오일 관련 캘리퍼 등을 통합했다.

현대모비스의 북미 기술센터와는 DDREM(Departed Driver Rescue and Exit Maneuver) ADAS 시스템 개발을 지원하고 있다. 이는 안면인식 등 운전자 모니터링 시스템을 통해 운전자가 운전 불능 상태로 확인되면 차량 스스로 안전하게 제어해 충돌위험을 줄이면서 정차하는 자동안전 기능이다. 레벨 2 시스템으로 차가 제어권을 받은 순간부터 완전 자율주행에 들어간다. 특히, 이 경우 시뮬레이터의 중요 역할은 실제 테스트가 거의 불가능한 상황에 대한 테스트를 가능하게 해주는 점이다. 이 외에도 크루덴의 시뮬레이터는 DDREM 개발에서, 예를 들어 ‘시스템이 제어권을 갖고 있는 상황에서 운전자가 깨어날 경우엔 어떻게 해야 할 것인가’와 같은 다양한 시나리오에 대한 테스트에 활용되고 있다.

“긴급한 상황에서 운전자와 ESC가 어떤 상호작용을 하는지와 같이 예측하기 힘든 위험한 상황에 대한 시나리오를 드라이빙 시뮬레이터와 HIL 테스트를 통합해 테스트할 수 있습니다.”

액티브 프론트 라이팅 시스템(AFLS)도 운전자의 경험이 중요하게 여겨지는 분야다. 따라서 이 부분도 크루덴의 DIL 시뮬레이터가 활용돼 개발 초기 단계부터 시스템을 테스트할 수 있다. 크루덴 시뮬레이터의 개방형 아키텍처를 통해 엔지니어는 서로 다른 헤드라이트를 시뮬레이션 하는 데 사용되는 소프트웨어, 차량 동역학, 센서 시뮬레이션 툴 등을 통합할 수 있다.

마커스 매니저는 “자율주행 레벨이 올라갈수록 기능 이상으로 주행경험에 대한 차와 사람 사이의 다양한 상호작용에 대한 연구, 테스트가 필요합니다. 자율주행차에는 운전자가 없습니다. 예를 들어, 어떤 회사는 차량 센서들이 주변 환경을 인식하고 있음을 확인시켜주기 위해 모니터에 감지된 오브젝트를 실시간으로 보여주는 등 어떻게 탑승자가 편안함과 안락함을 느낄 수 있을까에 대한 다양한 테스트를 진행하고 있습니다.”라고 설명했다.

DIL에 투자하는 OEM

크루덴은 현재 일련의 구성 옵션을 갖고 있는 3가지의 표준 시뮬레이터를 업계에 제공하고 있다. 대부분의 고객은 AS1과 TFT 디스플레이의 스탠더드 톱 프레임 기본 시뮬레이터로 시작한다. 그 다음 더 나은 비주얼을 위한 프로젝션 시스템과 높은 몰입도를 위한 섀시 모형을 추가할 수 있다.

넓은 워크스페이스, 섀시 목업을 포함하는 드라이버 유닛, 원뿔형 프로젝션 스크린, 서드파티 비히클 모델을 특징으로 하는 AS2는 차량 다이내믹스, HIL 통합, HMI ADAS 부문 테스트에 활용된다. DOF 360도 요(yaw), 섀시 목업 통합, 13개 프로젝터를 이용한 360도 프로젝션 시스템, 높은 해상도, 서드파티 비히클 모델 등을 특징으로 하는 프리미엄급 시뮬레이터 AS3는 최고 수준의 몰입감을 주는 DIL 테스팅, 차량 다이내믹스, ADAS HMI 테스팅 툴이다.

마커스 매니저는 “일반적인 시뮬레이터는 함께 제공되는 툴과만 작동하지만 크루덴 시뮬레이터는 개방형 아키텍처를 통해 다양한 엔지니어링 툴과 통합될 수 있고 제한된 공간, 예산에서 최상의 운전경험과 피드백을 제공할 수 있습니다”라고 말했다.




이 같은 강점을 통해 크루덴은 관련 업계에 100대 이상의 시뮬레이터를 판매했고, 이것들은 모두 고객을 통해 적극적으로 사용되고 있다. 예를 들어, BMW는 DIL 시뮬레이터에 대한 사용 경험, 시뮬레이션 가치를 가장 잘 이해하고 있는 OEM 중 하나로, ADAS, 자율주행 개발에 중점을 둔 14개 시뮬레이터, 사용성 연구 분야 연구원 157명을 포함하는 새로운 시뮬레이터 센터에 과감한 투자를 집행하고 있다. 실제 차량과 같은 움직임, 필링을 재현하면서 실제 주행상황과 같은 사실성의 고해상도 시뮬레이터를 통해, 예를 들어 자율주행 분야에서 가장 까다로운 도심 주행상황을 재현해 차량, 운전자, 탑승자 반응과 응답을 향상시킬 예정이다.

“드라이빙 시뮬레이터는 고객이 개발 중인 자동차가 원하는 경험을 제공할 수 있도록 만드는데 필수적인 툴입니다. 운전/승객 경험은 자동차 산업에서 자동차를 만들거나 파괴할 수 있는 결정적인 요소입니다. 엔지니어는 DIL 시뮬레이터를 사용해 개발주기 내내 운전자/승객 경험을 테스트하고 검증할 수 있습니다. 첫 번째 프로토타입을 사용할 수 있을 때까지 기다릴 필요가 없습니다. 또한 자율주행차는 실제 교통상황에서 실제 사람들과 테스트하기 어렵습니다. DIL 시뮬레이터는 이런 문제를 해결합니다. ADAS와 자율주행 개발의 결과로 점점 더 많은 OEM이 민첩한 개발 프로세스를 구현하고 있습니다. DIL 시뮬레이터는 이를 위한 필수 도구입니다.”