3.7 차량 인터페이스 및 액추에이터

1. 개요

차량 인터페이스 및 액추에이터 하위 시스템은 자율주행 소프트웨어의 제어 명령을 차량의 물리적 운동으로 변환하는 최종 실행 계층이다. 이 계층은 자율주행 컴퓨팅 플랫폼과 차량의 기존 전자 제어 장치(Electronic Control Unit, ECU) 사이의 인터페이스를 포함한다.

2. 차량 통신 인터페이스

2.1 CAN (Controller Area Network)

CAN은 자동차 내부 ECU 간 통신에 사용되는 표준 직렬 통신 프로토콜이다(ISO 11898). 자율주행 시스템은 CAN 버스를 통해 차량의 조향, 가속, 제동 ECU에 제어 명령을 전달하고, 차량 상태 정보(속도, 조향각, 페달 위치 등)를 수신한다. CAN의 최대 데이터 전송률은 1 Mbps이다.

2.2 CAN FD (CAN with Flexible Data-Rate)

CAN FD는 CAN의 확장 규격으로, 데이터 필드의 크기를 8바이트에서 64바이트로 확대하고 데이터 전송률을 최대 8 Mbps까지 향상시켰다(ISO 11898-1:2015). 자율주행 시스템에서 증가하는 데이터 전송 요구에 대응하기 위해 CAN FD의 채택이 확대되고 있다.

2.3 차량 이더넷 (Automotive Ethernet)

100BASE-T1, 1000BASE-T1 등의 차량용 이더넷은 고대역폭 센서 데이터(카메라 영상, 라이다 포인트 클라우드)의 전송에 사용된다. CAN 대비 현저히 높은 대역폭(100 Mbps~1 Gbps)을 제공하며, 센서와 컴퓨팅 플랫폼 간의 통신에 채택이 확대되고 있다.

3. 액추에이터

3.1 전동식 조향 장치 (EPS)

전동식 조향 장치(Electric Power Steering, EPS)는 전기 모터를 이용하여 조향 보조력을 제공하는 시스템이다. 자율주행에서는 EPS의 전기 모터에 직접 제어 명령을 전달하여 자동 조향을 수행한다. 자율주행용 EPS는 이중화된 모터 및 제어기를 탑재하여 단일 고장 시에도 조향 기능을 유지하는 안전 설계가 요구된다.

3.2 전자식 제동 시스템

자율주행에서 사용되는 전자식 제동 시스템은 다음과 같다.

• ESC(Electronic Stability Control): 각 바퀴의 제동 압력을 독립적으로 제어하는 시스템이다.
• iBooster: 전기 모터 기반의 브레이크 부스터로, 전자적 제어 명령에 의한 자동 제동이 가능하다. 유압 백업 시스템을 포함하여 전기 시스템 고장 시에도 제동 기능을 유지한다.
• EMB(Electro-Mechanical Brake): 각 바퀴에 전기 모터를 직접 장착하여 제동력을 생성하는 방식이다. 유압 배관이 불필요하며 응답 속도가 빠르나, 아직 양산 적용이 제한적이다.

3.3 전자식 스로틀 제어 (ETC)

전자식 스로틀 제어(Electronic Throttle Control)는 가속 페달의 물리적 연결 없이 전자 신호로 스로틀 밸브를 제어하는 시스템이다. 자율주행 시스템은 ETC를 통해 엔진 출력(내연기관) 또는 모터 토크(전기차)를 제어한다.

4. Drive-by-Wire 기술

Drive-by-Wire(DbW)는 기계적 연결을 전자 신호로 대체하는 기술의 총칭이다. 조향(Steer-by-Wire), 제동(Brake-by-Wire), 가속(Throttle-by-Wire)을 포함한다. DbW 기술은 자율주행 시스템이 차량을 전자적으로 제어하기 위한 필수 기반 기술이며, 기계적 연결의 제거로 응답 속도 향상과 설계 자유도 증가의 이점을 제공한다.

DbW 시스템은 기계적 백업이 없으므로, 전자 시스템의 고장에 대비한 이중화 설계가 안전에 필수적이다. 센서, 제어기, 액추에이터, 전원 공급 등 핵심 구성 요소의 이중화가 요구된다.

5. 참고 문헌

• Isermann, R. (2014). Mechatronic Systems: Fundamentals. Springer.
• ISO. (2015). ISO 11898-1:2015 Road vehicles — Controller area network (CAN).

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