차량충돌방지 시스템 - chalyangchungdolbangji siseutem

1차 충돌사고 후 자동차의 예측 불가능한 움직임을 제어할 수 있다면 2차 사고를 크게 줄일 수 있지 않을까? 현대차그룹이 지난 3월 출시한 기아자동차 4세대 쏘렌토를 시작으로 다중 충돌방지 자동 제동 시스템을 적용해 2차 사고 줄이기에 나섰다.

최근 현대·기아차는 사고를 사전에 방지하는 최첨단 ADAS 안전 기술을 탑재하고 있다. 뿐만 아니라 차체 안전성을 대폭 강화한 새로운 3세대 플랫폼 등 다양한 첨단 안전 기술과 장비를 탑재해 사고 시 탑승자의 상해를 최대한 줄이고자 한다. 최근에는 이와 맥락을 같이하는 눈에 띄는 신기술도 선보였다. 바로 충돌 후 추가로 발생할 수 있는 사고를 막아주는 기술인 ‘다중 충돌방지 자동 제동(Multi Collision Brake, 이하 MCB)’ 시스템이다.

기존의 안전 기술은 사고를 예방 또는 회피하거나 최초 사고 당시 피해를 줄이는 데 초점을 맞췄다. 반면 MCB는 최초 사고가 난 직후 상황을 생각한 기술로, 기존의 자동차 안전 범위를 조금 더 확장시킨 것이 특징이다. 기아차 4세대 쏘렌토와 제네시스 G80에 적용된 MCB의 개발 배경과 함께 작동 원리를 살펴봤다.

일반적으로 교통사고가 발생하면 여러 요인으로 인해 운전자는 통제력을 상실한다. 운전자가 의식을 잃을 수도 있고, 자동차가 망가져 운전자가 원하는 대로 움직이지 않을 수도 있으며, 외부 충격에너지로 인해 차가 예상치 못한 방향으로 이동할 수도 있다.

이처럼 교통사고 후 발생할 수 있는 변수는 무척 다양하다. 1차 사고 후 발생하는 2차 사고의 위험성과 치사율이 높은 것은 이런 변수 때문이다. 한국도로공사가 지난 2013년부터 2017년까지 조사한 고속도로 2차 사고 치사율은 52.7%로, 일반사고 치사율인 9.1%보다 무려 5배 이상 높은 것으로 나타났다.

2차 사고가 위험한 것은 무엇보다 사고가 난 차의 움직임을 주변 차들이 예측할 수 없다는 데 있다. 충돌한 자동차가 중앙선을 넘어 반대편 차로로 진입할 수도 있고, 도로를 이탈해 주행 중인 다른 차, 보행자, 가로수, 가드레일 등과 2차 충돌을 일으킬 수도 있기 때문이다.

인터넷 등에 2차 사고 예방법을 검색하면 나오는 공통된 내용이 있다. 사고가 난 차를 안전구역으로 이동시킨 후 비상 삼각대를 설치하고 자리를 피해 사고 신고를 하는 것이다. 그러나 여기엔 한계가 있다. 운전자의 몸과 의식에 이상이 없어야 하고, 자동차가 움직일 수 있는 상태여야 한다.

하지만 최근 여러 연구 결과를 통해 충돌사고가 발생한 차에 제동을 걸면 2차 사고를 크게 줄일 수 있다는 사실이 확인되고 있다. 미국 도로교통안전국(NHTSA)에 소개된 ‘2차 충돌 완화 제동의 안전성 평가’라는 제목의 논문에는 1차 충돌한 사고 차에 제동 기능을 제공하면 2차 사고를 최대 30%까지 줄일 수 있다는 내용이 담겨있기도 하다. 현대·기아차가 MCB를 개발해 적용한 것에는 바로 이러한 이론적 배경이 있다.

사고를 인지해 순식간에 자동 제동을 실시하는 MCB

MCB는 정면 및 측면 등 충돌사고로 인해 차량 에어백이 전개될 경우, 차에 적절한 자동 제동 기능을 작동시켜 2차 사고 등 다중 충돌을 경감시켜주는 안전 기능이다. 작동 조건에서도 알 수 있듯이 에어백이 전개될 정도로 강한 충돌이 발생했을 때 MCB가 작동하게 된다.

이를 위해 MCB 시스템은 여러 컨트롤러와 센서로 구성되며, 각 부분이 순차적으로 작동한다. 우선 사고가 발생하면 ACU(Airbag Control Unit, 에어백 제어 장치)가 충돌을 감지해 에어백을 전개시킨다. 이후 휠 센서와 IMU(Inertial Measurement Unit, 관성 측정 장치) 센서를 통해 차의 속도와 움직임을 실시간으로 파악하는 한편, 페달 센서를 통해서 운전자가 가속 및 제동 의지가 있는지를 확인한다. 즉 MCB 시스템은 충돌사고로 에어백이 전개된 이후 운전자의 페달 조작이 없거나 조작량이 적다고 판단하면 ESC(Electronic Stability Control, 전자식 자세제어 장치)에서 당시 속도와 차량 운동 상태에 따라 적절한 제동을 걸어 차를 안전하게 멈추게 한다.

이렇게 사고가 나는 찰나의 순간 MCB가 작동하기 위해, 순간적으로 시스템이 처리해야 하는 정보는 방대하다. G80이나 4세대 쏘렌토는 차량 내 데이터 통신 방식으로 정보 처리 속도가 초당 200Mb에 이르는 3세대 CAN 네트워크 방식이 적용됐다. 덕분에 1차 충돌 사고를 인지하고 각 컨트롤러와 센서의 정보를 수집해 ESC로 자동 제동을 실시하는 과정을 안정적으로 처리할 수 있다.

MCB가 발생시키는 제동력은 초당 5m/s(18kph)로 속도를 줄일 수 있는 정도로, 안정적으로 차량을 감속시키면서 사고 발생 지점으로부터 차의 이동을 최소화해 2차 사고 예방을 할 수 있다.

MCB가 원활하게 작동하기 위해서는 몇 가지 조건이 필요하다. 우선 주행속도가 180km/h를 넘어서는 안된다. 고속에서의 급작스러운 제동은 오히려 더 큰 사고를 야기할 수 있기 때문이다. 또한, 자동 제동 시 운전자가 가속 페달을 일정 강도 이상 밟으면 시스템 개입이 해제된다. 운전자가 또 다른 사고를 피하기 위해 제동 대신 가속을 할 수도 있는 상황을 염두에 둔 설정이다. 마지막으로 자동 제동이 작동하여 차량이 정지하게 되면 MCB의 목적이 달성된 것으로 파악하고 2초뒤 자동 제동을 해제한다.

여러 사실로 입증된 MCB의 2차 사고 방지 효과

MCB는 유럽에서도 2차 사고 예방에 효과가 있다고 인정 받고 있다. 유럽 시장에서 판매되는 차량의 안전성을 평가하는 기관인 유로앤캡(EuroNCAP; European New Car Assessment Program)의 경우, 성인보호 영역 충돌 테스트에서 MCB를 적용한 차에 1점을 부여한다. 또한 유럽 자동차 제조사의 한 연구 결과에 따르면 MCB를 적용한 차는 2차 사고로 인한 사망률은 연간 최대 8%, 중상자는 4%가 적은 것으로 확인됐다.

현대차그룹은 기아차 쏘렌토와 제네시스 G80 외에 내년까지 새로 출시하는 신차 16종에 MCB를 탑재할 계획이다. 또한 각 부품이 정상적으로 작동하지 못할 수도 있는 상황과 사고 시 차량의 이동 방향을 고려해 좀 더 안정적으로 제동할 수 있는 기술에 대해 구상하고 있다. 이와 같은 업그레이드된 MCB가 적용된다면 2차 사고로 인한 피해가 지금보다 더 줄어들 수 있을 것이다.

MCB 같은 안전 기술로 자동차의 안전성을 향상시키고자 하는 현대차그룹의 노력은 끊임없이 진행 중이다. 사고 발생 이전과 사고 상황을 넘어서 사고 이후까지 책임지고자 하는 안전 철학과 이를 바탕으로 한 기술 개발이 계속되고 있으며, 한층 안전한 자동차 생활도 불가능한 일은 아닐 것이다.

일반적으로 레벨 2 자율주행 기술을 ‘첨단 운전자 보조 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance System)’이라고 부르는데 세부적인 기술들을 알면 안전 운전에 더욱 효과적이다. 운전자의 안전에 편리함까지 더해주는 ADAS 기술을 현대자동차와 기아자동차 중심으로 파헤쳐봤다.

기존의 자동차 안전 기술은 사고 발생 후 탑승객의 상해를 저감하기 위한 안전벨트, 에어백 등의 수동형 기술 혹은 긴박한 순간에 사고 가능성을 줄여주는 ABS(Anti-lock Brake System; 브레이크 잠김 방지)와 ESC(Electronic Stability Control; 전자식 자세 제어) 같은 보조 기술이 전부였다. 그러나 ADAS 안전 기술은 기존 기술을 뛰어넘어 사고가 일어나기 전에 위험을 미리 감지하고 이를 회피할 수 있게 도와줌으로써 사고 자체가 일어나지 않도록 하는 것을 목표로 개발되고 있다.

미국 IIHS(고속도로안전보험협회)가 보험사 및 경찰 자료를 분석한 결과를 보면, ADAS의 주요 안전기술 중 하나인 전방 충돌방지 보조 장치(FCA: Forward Collision-Avoidance Assist)를 장착한 경우 사고율이 41%나 줄어든다고 나온다. 물론 아직까지는 사고가 발생하면 그 책임은 운전자에게 있다. 하지만 ADAS 안전 기술은 첨단 센서와 제어 장치를 통해 운전자가 인지하지 못한 위험까지 감지해 사고를 방지하거나 줄일 수 있도록 도와준다.

ADAS는 안전성 뿐만 아니라 운전 편의성도 대폭 높여준다. 운전자가 설정한 차속과 앞 차와의 거리에 맞춰서 차의 속도를 스스로 조절하면서 동시에 차로의 중앙을 따라 달리도록 해주는 현대·기아차의 ‘고속도로 주행 보조(HDA: Highway Driving Assist)’ 시스템이 대표적이다. HDA는 ‘한번도 안 써본 사람은 있어도 한번만 써본 사람은 없다’고 할 정도로 운전자의 운전 피로를 낮춰준다.

이처럼 ADAS 기술이 발전하고 신차에 기본 적용되는 경우가 늘고 있다. 하지만 정확한 사용법을 몰라 그 혜택을 충분히 누리지 못하는 운전자들도 적지 않다. ADAS가 어떤 상황에서 작동하는지, 시스템의 한계가 무엇인지 명확히 모르는 경우가 많기 때문이다. 물론 자동차 취급설명서에 관련 내용이 상세히 나와 있지만 취급설명서를 정독하기에 현대인들은 너무나 바쁘다. 그래서 운전자들이 주로 궁금해 하는 ADAS 관련 의문을 해소해 주기 위해 Q&A를 준비했다.

1편에서는 주로 안전과 관련된 전방 충돌방지 보조(FCA: Forward Collision-Avoidance Assist), 차로 이탈방지 보조(LKA: Lane Keeping Assist), 차로 유지 보조(LFA: Lane Following Assist) 시스템을 다룬다.

이어지는 2부에서는 운전 편의성을 높여주는 스마트 크루즈 컨트롤 (SCC: Smart Cruise Control), 내비게이션 기반 스마트 크루즈 컨트롤(NSCC: Navigation-based Smart Cruise Control), 고속도로 주행 보조(HDA: Highway Driving Assist) 시스템에 대한 궁금증을 해소해 볼 예정이다.

전방 충돌방지 보조(FCA: Forward Collision-Avoidance Assist)

전방 충돌방지 보조 시스템(FCA)은 전방의 자동차나 보행자, 자전거 탑승자와의 충돌 위험을 감지하면 경고를 울리고 운전자가 브레이크 조작을 하지 않을 경우 자동으로 브레이크를 제어해 피할 수 있도록 도와주는 주행 안전 기술이다. 현대·기아차는 안전을 최우선으로 고려해, 2018년부터 출시되는 완전 신차부터 FCA 시스템(전방 자동차와 보행자 대상)을 옵션이 아닌 기본 항목으로 제공하고 있다.

Q. 같은 차종인데, 옵션에 따라 어떤 경우는 FCA가 자동차와 보행자만 인식하고, 다른 경우는 자전거 탑승자까지 인식한다. 어떤 차이인가?

현대·기아차의 FCA는 전방 카메라를 기반으로 작동하며 전방의 자동차와 보행자를 인식해 충돌 가능성을 계산하고, 충돌이 예상될 경우 제동을 보조해 충돌하지 않도록 도와 준다. 현대·기아차는 뛰어난 학습기반 인식 기술을 바탕으로 자동차와 보행자 인식률을 세계 최고 수준으로 높였고 매우 빠른 반응 속도를 자랑한다.

여기에 덧붙여 현대·기아차는 전방 카메라와 더불어 전방 레이더까지 추가해 자동차와 보행자 뿐만 아니라 자전거를 탄 사람까지 인식할 수 있는 기술을 개발했다. 전방 레이더는 전파를 이용해 사물과의 거리를 측정하는 센서로, 탐지 거리가 길고 다양한 날씨 조건에서도 우수한 측정 능력을 발휘한다. 그래서 전방 카메라와 전방 레이더를 같이 사용할 경우 인식 대상과 범위가 넓어진다. 현재 현대·기아차는 동물이나 도로에 떨어진 박스 등 기타 물체에 대한 인식률을 높이기 위한 연구도 진행 중이다.

이렇게 FCA의 센서가 특정 대상을 선택적으로 인식하는 것은 빠르게 움직이는 자동차가 장애물을 실시간으로 판단해 브레이크를 신속하게 제어해야 하기 때문이다.

이에 따라 다양한 자동차와 사람의 움직임에 대한 특징을 제어 시스템에 미리 입력해 둔다. 그리고 전방 카메라와 전방 레이더를 통해 들어온 정보와 비교해 브레이크 제어 여부를 빠르게 판단한다. 하지만 동물이나 바위, 박스 등 불특정 사물을 모두 제어 시스템에 입력하는 데에는 물리적인 한계가 있을 수밖에 없다. 이런 이유로 우선 가장 중요한 자동차와 보행자, 자전거 탑승자부터 인식되도록 FCA를 개발했다. 그러나 ADAS 기술이 계속 발전하고 있기 때문에 앞으로 장애물 인식 범위는 매우 넓어지게 될 것이다.

Q. FCA-JT(Junction Turning; 교차로 대향차)는 뭐지?

최근 출시한 현대차 ‘더 뉴 그랜저’와 기아차 ‘3세대 K5’에는 국내 최초로 FCA-JT가 적용됐다. FCA-JT는 교차로 좌회전 시 맞은편에서 다가오는 자동차와의 충돌 위험이 예상되면 제동을 통해 위험을 줄여주는 역할을 한다. 기존의 FCA는 전방 충돌만 방지했다면, FCA-JT는 교차로에서 접근하는 차에 대해서도 제동을 한다는 데 의미가 있다. 이 모든 기능은 전방 카메라와 전방 레이더 센서 및 제어 기술을 바탕으로 한다.

일반적으로 교차로에서 좌회전을 할 때 차의 속도를 줄인다. 이에 착안해 FCA-JT의 작동 속도는 30km/h 이내로 한정된다. 반면, 맞은 편 자동차는 70km/h 속도로 다가 오더라도 인식이 가능하다. 그 이상의 속도일 경우 FCA-JT가 정확하게 작동하지 않을 수 있다. FCA-JT를 제대로 사용하기 위해 운전자가 명심해야 할 점은 반드시 좌회전 방향 지시등을 켜야 한다는 사실이다. 그래야 운전자의 좌회전 의도를 시스템이 알 수 있기 때문이다.

비슷한 것 같지만 엄연히 다른 차로 이탈방지 보조(LKA: Lane Keeping Assist)와 차로 유지 보조 (LFA: Lane Following Assist)

두 시스템 모두 자동차가 차로를 벗어나지 않도록 도와준다는 점에서 비슷하거나 같은 시스템처럼 보일 수 있다. 그러나 LKA와 LFA는 엄연히 다르다.

Q. 차로 이탈방지 보조 (LKA: Lane Keeping Assist)와 차로 유지 보조 (LFA: Lane Following Assist)는 어떻게 다른 것인가?

LKA는 자동차가 차로를 벗어날 것 같은 순간에 조향을 보조해 차량이 차로를 벗어나지 않도록 도와준다. 반면 LFA는 차가 차로 중앙을 유지하며 주행할 수 있도록 하는 기술이다.

LKA는 자동차가 차로를 벗어나려 할 때쯤 조향을 제어하기 시작한다. 하지만 LFA는 차가 차로 중앙에서 30cm만 벗어나도 작동하기 때문에 사실상 상시 작동 상태라고 봐야 한다. LFA가 LKA에 비해 훨씬 넓은 제어 범위를 갖고 있는 것은 이런 이유 때문이다.

운전자 입장에서 자동차가 차로를 이탈하지 않더라도 한쪽 차선에 치우쳐 주행하면 불안감을 느낄 수 있다. 또한, 자동차가 차로 중앙을 꾸준히 유지하며 주행하는 것을 선호하기 때문에 LKA 보다 LFA가 더 우수한 기능이라 여기기도 한다. 하지만 LKA는 자동차가 차로를 벗어나기 전 최종적으로 작동하기 때문에 편의성 측면에서 LFA보다 떨어지지만 안전을 위해 꼭 필요한 시스템이다.

자연스럽게 운전을 돕는 LFA는 최소한의 힘으로 스티어링 휠을 미세 조정하면서 차가 차로 중앙으로 달리도록 보조한다. 이 때는 운전자가 스티어링 휠을 돌려도 방해 받는 느낌이 거의 없다. 운전자가 조향을 할 때 ADAS 시스템이 강력하게 개입하면 스티어링 휠이 잠기는 듯한 느낌을 주고, 오히려 운전에 방해가 될 수 있으므로 운전자가 알아채기 힘든 약한 힘으로 제어를 한다.

이와 달리 LKA는 차가 차로를 벗어나 옆차로로 넘어가려는 순간에 보다 강한 힘으로 차로 이탈을 방지한다. 방향지시등을 켜지 않고 차로를 바꿀 때 스티어링 휠이 쉽게 돌아가지 않고 강하게 저항하는 듯한 느낌이 들 때가 바로 LKA의 작동 순간이다. 만약 이처럼 강한 힘이 항상 스티어링 휠에 가해진다면 자연스러운 운전이 힘들어질 수밖에 없다. LFA가 운전 편의에 초점이 맞춰져 있다면 LKA는 사고를 방지하는 최후의 보루인 셈이다.

Q. 두 시스템이 작동하는 속도와 주행 조건은 어떻게 다른가?

LKA와 LFA는 작동 속도도 다르다. ‘더 뉴 그랜저’의 LKA는 약 60~200km/h에서만 작동하는 반면, LFA는 약 0~200km/h 범위에서 작동한다. 자동차에 따라 이 속도 대역은 조금씩 다르다. 이처럼 LKA와 LFA가 작동하는 최저 속도의 차이가 큰 것은 원리 때문이다.

LKA는 카메라로 차선 정보만을 인식해 기능을 수행한다. 차로를 이탈하지 않기 위해서는 차선 정보만큼 중요한 것은 없기 때문이다. 하지만 앞 차 바로 뒤에 붙어서 운전할 경우 차선이 앞 차에 가려져 LKA 작동이 힘들다. 반면, 차의 속도가 어느 정도 높아지면 자연스럽게 앞 차와의 거리가 벌어진다. 그 순간부터 카메라가 차선을 인식할 수 있기 때문에 60km/h 이상에서 작동하도록 설정되어 있다.

특히 도심에서는 자동차들이 저속으로 운행할 뿐만 아니라 차선이 거미줄처럼 복잡하게 얽혀 있기 때문에 복잡한 차선을 제대로 감지해 정확한 제어를 하기 어렵다. 이런 이유로 기술의 신뢰성을 높이기 위해 LKA의 작동 속도를 60km/h 이상으로 제한했다. 물론 LKA를 쓸 수 있는 속도 범위를 더욱 넓히기 위한 연구 개발이 활발히 진행 중이다.

LFA는 차선을 인식해 차로 중앙을 유지하다가, 차선이 없어지면 앞 차를 추종하는 기능이 작동한다. 차선 정보뿐 아니라 탑승자를 최대한 안전하게 보호하기 위해 앞서 가는 차를 인식해 최대한 차로를 벗어나지 않도록 개발됐다. 물론 차선이 선명할 경우에는 차선 정보를 이용해 차로 중앙을 유지한다. 그러나 차선 인식이 힘들 경우 부가적으로 앞서가는 차의 정보를 같이 활용한다. LFA는 이러한 기술 덕분에 차선 인식이 어려운 60km/h 이하 속도에서도 차의 대열을 벗어나지 않도록 도와준다.

Q. 커브길을 돌 때 LFA 혹은 LKA가 해제되는 경우가 있는데 왜 그런 것인지?

급격한 커브길을 돌 때 LFA 혹은 LKA가 해제되는 경우가 있다. 이는 센서 감지 범위의 영향도 있지만 무엇보다 탑승자의 안전을 우선시 했기 때문이다.

기본적으로 LFA와 LKA 모두 차로를 유지 혹은 이탈하지 않기 위해 조향을 돕는다. 그러나 운전자가 의지를 갖고 스티어링 휠을 꺾는 상황에서는 시스템이 조향하려는 힘을 운전자가 충분히 이길 수 있도록 설정되어 있다.

예를 들어 주행 중인 차로 앞에 갑자기 어떠한 장애물이 있을 경우, 스티어링 휠을 꺾어서 차로를 벗어나야 한다. 이 때 운전자가 시스템의 조향 힘을 이기지 못하면 사고로 이어질 수 있는데, 이를 막기 위해 시스템의 힘을 운전자의 힘보다 낮도록 설정했다.

급격한 커브길을 돌기 위해서는 조향각이 커야 한다. 이 때, 제어 시스템은 차로를 유지하기 위해 스티어링 휠에 훨씬 큰 힘을 가한다. 그런데 만약 급격한 커브길에서 큰 힘으로 자동 조향이 되고 있는 중에 돌발 상황이 생겨 옆 차로로 긴급 회피를 해야 한다면 어떻게 될까? 운전자는 스티어링 휠의 강한 저항 때문에 제대로 조향을 하지 못해 충분히 피할 수 있는 장애물과 충돌할 수도 있다.

특히 팔 힘이 약한 여성 운전자의 경우 더욱 위험하다. 이 때문에 급격한 곡선로에서는 LFA와 LKA가 해제된다. 따라서 LFA나 LKA를 켜고 주행을 하더라도 커브길을 주행할 때에는 세심한 주의를 기울여야 한다.

1편에서는 주로 안전과 연관된 ADAS인 FCA, LKA, LFA에 대해 알아봤다. 특히 FCA는 일반적인 상황에서는 경험할 수 없지만, 절체절명의 순간에 단 한번만 작동해도 생명을 구할 수 있는 기술로 안전을 중요시 하는 운전자라면 꼭 놓치지 말아야 한다.

2편에서는 운전 편의성을 크게 높여주는 스마트 크루즈 컨트롤(SCC: Smart Cruise Control), 내비게이션 기반 스마트 크루즈 컨트롤 (NSCC: Navigation-based Smart Cruise Control), 고속도로 주행 보조 (HDA: Highway Driving Assist)에 대한 궁금증을 알아볼 예정이다.