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뉴스에서 많이 들어 본 단어, '자율 주행'. 도대체 자율 주행하는 자동차란 무엇일까? 다가오는 기술? 자동차의 정해진 발전 수순?
아우디에서 2019년에 발표한 자료에 따르면, 9개국의 설문자 2만 1천 명 중 82%가 자율 주행에 대해 흥미로워하고 있으며 60%가 자율 주행 기술에 대해 이미 들어본 적 있다 응답했다. 자율 주행 기술에 대해 잘 알고 있는 인원은 30%로 이는 자율 주행을 둘러싼 사회적 논의와 합당한 결과를 이끌어 내기에는 충분하지 않은 수다. 때문에 이번에는 자율 주행이란 무엇인지, 자율 주행이란 직관적인 단어 아래 숨은 내용들을 간략하게 보고자 한다.
자율 주행 자동차의 시작
우선 자율 주행(Autonomous Driving)이란 무엇일까?
자율 주행이란 말 그대로 운전자의 별다른 조작 없이 스스로 판단하여 주행하는 것을 의미한다. 기술이 극도로 발전한 2020년에는 특히 자율 주행의 화제성이 짙어졌지만, 자율 주행 자동차(Autonomous Vehicle)라는 아이디어의 컨셉 자체는 81년 전인, 1939년 뉴욕 세계박람회에서 미래의 도시 모습 묘사한 디자이너 노먼 벨 게디스(Norman Bel Geddes)라는 인물에 의해 처음 등장했다.
이후 1977년 일본 쓰쿠바 기계공학 연구소에서 최초의 자율 주행 자동차가 개발되었고, 본격적인 연구는 2000년 대에 들어서는 DARPA(미국방 고등 연구 계획국)이 DARPA Grand Challenge(다르파 그랜드 챌린지)에서 이루어졌다. 초기에 다르파 그랜드 챌린지는 2015년까지 미국 지상군 병력의 1/3을 자동화한다는 목표를 이루기 위해 개최한 무인 자동차 경주 대회였으나, 다르파 그랜드 챌린지가 세계 최초의 무인 자동차 장거리 대회였던 만큼 무인 자동차 분야에서 학문적이고 상업적인 연구 진척 향상에 도움이 되었다.
그러나 자율 주행이라도 모두 같은 수준의 자율 주행을 하는 것이 아니다. 자율 주행에도 단계(Level)이 있는데, 자율 주행 단계의 표준을 정리한 SAE(Society of Automotive Engineers)의 공식 자료를 보면 다음과 같다.
자율 주행의 단계
SAE의 자료에서 볼 수 있듯이, 자율 주행의 단계는 레벨 0부터 레벨 5까지 총 6단계가 있다.
레벨 0은 운전자가 손과 발, 눈을 이용해 차량을 직접 운전하고 제어하는 단계로 차량에 탑재된 시스템은 비상 상황에 대한 경고만 주고 자율 주행 기능이 전혀 없다.
레벨 1은 특정 주행 모드에서 시스템이 가속과 감속 또는 조향을 수행한다.
레벨 2는 특정 주행모드에서 시스템이 조향 및 가속과 감속을 모두 수행한다.
즉, 레벨 1은 한 가지 기능만을 수행하고 레벨 2는 레벨 1 기능이 2가지 이상 결합된 단계로, 모두 ADAS(Advanced Driver Assistance System) 영역이다.
레벨 3(hands-off)이상 부터는 자율 주행의 영역으로, 레벨 3은 운전자가 언제든지 운전할 상황이 된다는 가정 하에 제한적인 상황에서 목적지에서 목적지까지 가는 기능을 수행한다. 주행 환경을 인식하고 차량 제어를 수행하지만 유사시 운전자에게 운전권을 넘겨 줄 수 있는 상태가 레벨 3이다.
레벨 4(eyes-off)는 레벨 3과 같이 차량의 주행 시스템이 존재하지만 위험 상황에서 운전자가 운전하지 않고 자율 주행 차량이 그러한 상황에 대응해 운전자를 안전하게 지키는 완벽한 자율 주행이다. 또한, 레벨 4는 상황에 따라 레벨 2~3으로 변화가 가능하다는 특징이 있다.
마지막으로 레벨 5는 스티어링과 페달 등 운전자가 직접 조향하고 차량을 제어하는 장치가 없는 자율 주행 단계를 의미한다. 레벨 4와 레벨 5의 차이점은 여기서 있는데, 레벨의 변위가 가능하냐 아니냐가 관건이다.
자율 주행의 원리 파악하기
그렇다면 이제 본론으로 돌아가서, 자동차는 어떻게 자율 주행하는 것일까?
먼저, 전역 경로 파악(Localization): Where am I?의 단계에서 시작한다. 자율 주행 자동차는 GPS와 카메라, 레이더, 라이다 등을 통해 현재 자신이 어디 있는지 인식하고 목적지까지 가기 위한 길의 구성과 루트를 정확히 아는 과정을 거친다.
다음으로, 지엽 경로 생성(Perception): Where Obstacles are?의 과정을 거친다. 자율 주행 자동차는 경로 파악 단계에서 얻은 정보(목적지까지 가는 길과 가기까지의 장애물(횡단보도, 방지턱 등))들을 바탕으로 장애물을 어떻게 피하는지 판단하고 어떤 경로로 갈 것인지 계획을 세우는 등의 주행 전략을 세운다.
이후, 행동 관리(Behavior Management)와 제어(Control)를 한다. 자동차는 생성된 경로를 바탕으로 차선을 변경할지 속도는 어느 정도로 가야 할지 앞에 장애물이 있는지 주행 상황을 판단하며 주행하고, 판단에서 그치는 것이 아니라 계산한 결과를 구동부에 전달함으로써 토크는 어느 정도 출력할지, 조향은 어느 방향으로 얼마나 각도를 줄지, 추월을 하기 위해 속도를 얼마나 올릴 것인지 등의 차량 제어를 한다.
이렇게 자율 주행 자동차는 인지→판단→제어의 3 단계를 거쳐 자동차를 원하는 목적지까지 움직인다.
이러한 자율 주행의 로직을 거치기 위해서 자동차는 다양한 센서들을 필요로 한다. 대표적으로 GPS 센서와 카메라는 물론이고, 중·장거리 전방 레이더 센서와 초음파 센서와 같은 단거리 센서, 동특성 검지 센서와 위치 및 변위 검지 센서 등 주행 상황을 판단하고 운전자의 안전을 지키기 위해서는 서술한 것 외에도 많은 센서를 자동차에 탑재하고 있다.
자율 주행에 대한 관심이 높아지는 만큼, 레벨 3~4 이상의 자율 주행 시스템을 탑재하기 위해 테슬라와 구글, 현대자동차, 볼보, 아우디, 벤츠, 포드 등 기존 자동차 회사와 다양한 분야의 기업들의 노력 또한 치열한 추세이다.
현재 우리나라는 자율 주행이 국가사업으로 선정되어 2024년에는 레벨 4 수준의 자율 주행 자동차 상용화 화를 계획 중에 있다. 만약 이 계획이 성공적으로 간다면 우리나라는 세계에서 최초로 레벨 4 자율 주행 자동차를 상용화한 국가가 될 것이다.
물론 자율 주행 자동차에 따른 장단점은 있다. 가장 큰 장점이라면 아무래도 거동이 불편한 사람들의 운송수단이 될 것이라는 점이다. 또한 운전자가 조작할 필요가 없게 되어 차체에서 사라질 부품들 덕에 자동차 실내는 이전보다 자유로운 배치가 가능해지고 자동차가 다양한 공간적 장소로써 사용이 가능하게 된다. 그리고 운전자의 반응에 의해 사고를 피하는 것이 아닌, 센서가 미리 파악하고 대응함으로써 사고율이 낮아질 수 있다.
그러나 '운전자가 운전하지 않는다.'라는 명제는 심각한 사회적 논란을 야기한다. 자율 주행 자동차가 사람을 치는 사고가 나면 누구의 잘못인가? 회사를 처벌해야 하는가, '탑승객'을 처벌해야 하는가 하는 법규의 문제와 센서로 정보를 받고 차량이 운행하는 네트워크 과정에서 해커가 차량을 해킹해 올바르게 운전하지 못하게 방해하거나 사고를 일으키면 생길 위험성과 윤리적인 문제들이 남아있다.
이에 따른 사회적 합의와 법 제도 등의 인프라가 부족한 실정이다. 그럼에도 자율 주행의 시대는 서서히 다가오고 있으며 자율 주행의 기술을 개발함으로써 얻을 기술 간 연계의 이점과 이익은 상당하다. 때문에 우리는 너무 낙관적으로도, 너무 회의적으로도 바라보지 말고 자율 주행의 발전을 윤리적 입장에서 성숙하게 비판하는 자세가 필요하다 생각한다.
글:김윤경 에디터(yoonk7022@naver.com)
사진:Audi, Wikipedia, SAE, Volkswagen, Volvo
카테고리:퓨처 모빌리티
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