자동차 비전 시스템의 사각지대

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최신 자동차 제조사들은 패밀리카이든 상업용 운송 수단이든 관계없이 도로 안전성 향상을 위해 자동차 시스템을 도입하고 있다. 이 같은 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)은 ABS(잠김 방지 브레이크)와 같은 익숙한 기능에 차량 내 지능을 결합해 운전자의 능력을 보완하며, 점차 보편화되고 있다. 적응형 크루즈 컨트롤, 차선 이탈 경고, 보행자 감지 기능은 더 이상 고급 브랜드만의 전유물이 아니다. 이러한 기능들은 이제 주류 시장에 진입했다.

ADAS는 완전 자율주행차로의 디딤돌 역할을 하며, 여기서 안전은 여전히 주요 관심사이다. 카메라 기술은 ADAS 기술 도입의 핵심이다. 이러한 비전 시스템은 단순히 이미지를 포착하는 데 그치지 않고, 차량 내 시스템이 주변 환경을 인지하고 이해하며 반응할 수 있도록 지속적인 시각 정보를 제공한다.

자동차 비전 시스템의 안전상 중요성은 간단한 시나리오에서 확인할 수 있다. 시속 약 96.56km(60마일)로 주행 중인 차량이 교차로에 접근할 때 보행자가 도로를 건너기 시작했다고 상상해보자. 이상적인 상황에서는 전방 카메라가 이 움직임을 감지하고, 차량 내 ADAS가 카메라 출력을 받아 제동 로직을 작동시켜 사고를 방지한다. 고속도로 주행 속도에서 데이터가 1밀리초만 손상되어도 제동 거리가 수 미터 증가한다. 이 몇 미터가 안전하게 멈추는 것과 비극적인 충돌 사이의 차이를 만들 수 있다.

이 시나리오에서 발생할 수 있는 데이터 손상은 카메라 자체의 고장이 아닌 카메라와 프로세서 간의 연결 문제에서 비롯된다. 진동과 충격부터 전자기 간섭에 이르기까지 다양한 환경 조건이 이러한 전송 장애를 유발할 수 있다. 자동차 환경은 극한의 온도와 지속적인 기계적 스트레스로 인해 세계에서 가장 가혹한 환경 중 하나이다. 설계자는 이러한 가혹한 조건을 고려하여 설계해야 하며, 특히 중요한 순간에 데이터가 손실되지 않도록 해야 한다. 견고한 커넥터는 성공적인 비전 시스템 설계에 필수적이다.

이 글에서는 자동차 비전 시스템의 안전성을 보장하는 데 있어 신뢰할 수 있는 동축 커넥터의 역할에 대해 탐구하며, 견고한 연결성이 ADAS 및 자율주행 차량의 성능을 어떻게 뒷받침하는지 살펴본다.

전례 없이 방대해진 데이터

오늘날의 비전 시스템은 지속적으로 방대한 양의 데이터를 수신한다. 오늘날의 최신식 카메라 기술로 인해 데이터 양이 증가함에 따라 이는 더 큰 공학적 문제가 되고 있다. 800만 화소의 컴팩트 카메라는 초당 최대 60프레임으로 작동할 수 있다. 신호를 압축하더라도 이러한 카메라의 출력은 초당 약 7Gbps에 달한다. 현대식 차량에는 전체 파노라마 영상을 제공하기 위해 약 10대의 카메라가 장착될 수 있으므로 이 수치는 급속히 증가한다.^[1] 극단적인 경우 이 수치는 훨씬 더 높아진다. 따라서 ADAS 기능은 초당 수십 기가비트에 달하는 지속적인 데이터 흐름을 처리해야 한다.

최신 버전의 완전 자율주행 프로토타입에 대한 데이터 요구 사항은 더욱 높다. 비전 시스템은 레이더 및 라이다 시스템과 결합되어 기업용 네트워크에 필적하거나 이를 초과하는 데이터 전송률을 생성한다. 오토모티브 에지 컴퓨팅 컨소시엄(AECC)은 이러한 차량이 시간당 0.4~5 TB의 센서 데이터를 생성한다고 추정했다.^[2] 이러한 카메라의 증가된 데이터 수요는 차량 내 아키텍처와 더 넓은 자동차 인프라 모두를 형성하고 있으며, V2X(Vehicle-to-Everything) 시스템이 안전 증진을 위해 정보를 공유하고 있다.

차량 내 인식 시스템은 효과적으로 작동하기 위해 초저지연으로 운영되며 오류에 대한 허용 범위가 거의 제로에 가깝게 설계되었다. 단 몇 프레임의 중단만으로도 물체 인식 모델에 영향을 미칠 수 있다. 앞서 제시된 시나리오에서 묘사했듯이, 인식 과정에 있어 순간적인 지연조차도 용납될 수 없기 때문에 엔지니어들은 비전 데이터 전송을 단순한 IT 문제가 아닌 중대한 안전 문제로 간주해야 한다.

동축 케이블: 안전의 핵심

동축 케이블 연결은 이제 ADAS 및 자동차 카메라 시스템의 안전 기능에 필수적이다. 동축 케이블은 트위스트 페어 솔루션과 달리 중계기 없이도 수 미터 거리에서 멀티 기가비트 데이터 전송률을 안정적으로 전달할 수 있다. 카메라가 차량 주변에 점점 더 많이 장착되면서 중앙 처리 장치(CPU)로부터 멀리 떨어진 위치에 설치되는 만큼, 이러한 기능은 매우 중요하다.

동축 기술은 대역폭 외에도 여러 가지 장점을 제공한다. 많은 자동차 설계들이 팬텀 전원 공급 방식을 채택하고 있는데, 이는 동일한 케이블을 통해 영상 데이터와 전력을 동시에 전송할 수 있는 방식이다. 차량 설계자들이 지속적으로 더 많은 기능을 추가해야 하는 압박을 받는 상황에서, 동축 케이블을 이용해 전원을 공급하면 비전 시스템이 요구하는 성능을 유지하면서도 무게와 비용을 모두 절감할 수 있다. 동축 케이블은 전자기 간섭(EMI)에 대한 탁월한 저항력도 제공한다. 이는 고전류와 고주파가 원치 않는 효과를 유발할 수 있는 전기 구동계, DC/DC 컨버터, 고주파 안테나의 도입으로 인해 더욱 중요해졌다.

동축 기술은 자동차 비전 시스템에 검증된 솔루션이다. 높은 대역폭과 전력 공급 능력, 전자기 간섭(EMI) 저항성을 결합하여 낮은 지연 시간을 유지하고 신호 무결성을 보존한다. 그러나 더 큰 리스크는 케이블 자체에 있는 것이 아니라, 케이블을 종단 처리하는 커넥터에 있다.

취약점

커넥터 선택이 잘못되면 안정적인 비디오 전송이 불가능해져 데이터가 손상될 수 있다. 임피던스 불일치, 삽입 손실, 반사 현상의 영향을 피하려면 신중한 설계가 필수적이다. 차량 내부는 민감한 장비에 매우 가혹한 환경이며, 차폐가 제대로 되지 않은 커넥터는 간섭으로 인해 중요한 데이터 스트림에 오류가 발생하는 취약점이 될 수 있다.

자동차 환경은 커넥터의 안전한 작동에 직접적인 물리적 영향을 미친다. 커넥터가 지속적으로 받는 진동은 마모 부식으로 인한 장기적인 손상을 초래할 수 있다. 이러한 미세한 움직임은 성능을 크게 저하시키고, 극단적인 경우에는 간헐적 또는 영구적인 개방 회로를 만들 수 있다.

기계적 응력 또한 커넥터 성능에 영향을 미친다. 자동차 커넥터는 –40°C에서 +125°C에 이르는 극한 온도를 견디면서도 먼지, 습기 및 오염물질로부터 밀봉 기능을 유지해야 한다. 수년간의 진동과 지속적인 온도 변화에도 커넥터는 성능을 유지해야 한다. 이러한 기계적, 환경적, 전자기적 도전 요인들이 복합적으로 작용하여 커넥터는 자동차 비전 시스템에서 가장 중요하면서도 취약한 부품이 된다.

자동차에 적합한 카메라 연결

TE Connectivity (TE) 는 까다로운 환경에서의 통신 문제를 해결하는 데 수십 년간의 경험을 보유하고 있다. TE의 동축 케이블 제품군은 이러한 전문성을 고스란히 반영한다. 차량의 자율 주행 수준이 높아짐에 따라 커넥터 성능은 더욱 중요해지고 있다. TE의 자동차용 커넥터는 자동차 환경에서 흔히 발생하는 진동, 열, EMI를 견디면서 필요한 대역폭을 제공하도록 설계되었다.

오늘날 발전하는 비전 시스템을 위해 , FAKRA, MATE-AX 및 고성능 카메라 커넥터를 포함한 TE 카메라 솔루션은 카메라 연결 솔루션의 강력한 포트폴리오를 제공한다.

 TE FAKRA FAKRA 커넥터는 견고하고 표준화된 인터페이스와 멀티 기가비트 성능 제공 능력 덕분에 업계 전반에 걸쳐 널리 채택되었다. TE의 광범위한 FAKRA 포트폴리오 커넥터는 안전이 중요한 비전 시스템에 필요한 차폐 기능을 제공한다. 높은 데이터 대역폭과 소형화된 설계 솔루션이 요구되는 애플리케이션을 위해 MATE-AX 소형 동축 커넥터가 이러한 기능을 확장한다. 최대 9GHz를 지원하는 MATE-AX는 높은 진동 저항성을 갖도록 설계되었으며, 검증된 AMPSEAL 16 커넥터 시스템 의 일부로 IP67/IP69K 등급의 밀폐성을 제공한다. RTK031 및 RG174 케이블과의 호환성을 위한 50옴의 특성 임피던스를 갖춘 MATE-AX 커넥터 시스템은 카메라뿐만 아니라 텔레메트리, 안테나, ECU 및 V2X 시스템을 포함한 다양한 애플리케이션에 사용된다.

맺음말

자동차 비전은 단순히 고해상도 센서와 강력한 프로세서 이상의 의미를 지닌다. 물론 이러한 요소들도 중요하지만, 안전한 연결 고리가 없이는 ADAS가 약속하는 안전성을 구현할 수 없다. 자동차 환경은 장비와 인프라에 엄청난 부담을 주는 다양한 난제들을 안고 있다.

동축 케이블과 이를 연결하는 커넥터는 크기는 작지만 그 역할은 매우 중요하다. 카메라가 촬영한 모든 픽셀이 손상 없이 제시간에 도착하는지 여부를 결정짓는 핵심 부품이기 때문이다. 밀리초가 수 미터 거리의 차이를 낼 수 있는 상황에서 이러한 신뢰성은 생명을 좌지우지할 수 있다. 따라서 신뢰할 수 있는 커넥터를 설계하는 것은 센서, 프로세서, 알고리즘 설계만큼이나 중요하다.

출처

[1]https://www.edge-ai-vision.com/2020/05/how-many-cameras-do-we-need-29-says-waymo/
[2]https://www.nadimhossain.com/posts/7-hard-things-about-product-management-for-autonomous-vehicles-1/

데이비드 파이크(David Pike)는 인터커넥트(Interconnect) 업계에서 그의 열정과 전반적인 공학적 지식으로 널리 인정받고 있다. 그의 온라인 닉네임은 ‘커넥터 긱(Connector Geek)’이다.