9.6 제어 시스템의 응답 시간 요구사항
1. 제어 시스템의 역할
Level 4 자율주행의 제어 시스템은 판단 모듈이 생성한 궤적을 차량의 조향(steering), 가속(throttle), 제동(braking) 입력으로 변환하여 실행하는 역할을 수행한다. 제어 시스템의 응답 시간(response time)은 궤적 추종의 정밀도, 비상 상황에서의 반응 속도, 전체 시스템의 안전성에 직접적인 영향을 미친다.
2. 제어 루프 주기 요구사항
2.1 횡방향 제어(Lateral Control)
횡방향 제어는 조향각을 조절하여 차량을 계획된 경로에 정렬시키는 것이다. 차선 추종(lane keeping)의 정밀도는 조향 제어의 갱신 주기에 직접적으로 의존한다.
| 주행 속도 | 권장 제어 루프 주기 | 비고 |
|---|---|---|
| 저속 (< 30 km/h) | 50 ms (20 Hz) 이내 | 주차, 저속 기동 |
| 중속 (30–80 km/h) | 20 ms (50 Hz) 이내 | 도심 주행 |
| 고속 (> 80 km/h) | 10 ms (100 Hz) 이내 | 고속도로 주행 |
고속 주행에서는 미세한 조향 지연도 횡방향 위치 오차를 발생시키므로, 10 ms 이하의 제어 루프 주기가 요구된다.
2.2 종방향 제어(Longitudinal Control)
종방향 제어는 가속과 제동을 조절하여 계획된 속도 프로파일을 추종하는 것이다. 종방향 제어의 갱신 주기는 일반적으로 20–50 ms(20–50 Hz)가 요구된다. 비상 제동 시에는 가능한 최소 지연으로 제동 명령이 전달되어야 한다.
3. 종단간 시스템 지연(End-to-End System Latency)
자율주행 시스템의 종단간 지연은 센서의 데이터 획득부터 차량의 물리적 반응(바퀴 회전, 제동력 발생)까지의 전체 지연을 의미한다. 이 지연은 다음 요소들의 합으로 구성된다.
| 지연 요소 | 전형적 범위 | 비고 |
|---|---|---|
| 센서 데이터 획득 | 10–100 ms | 센서 유형에 따라 상이 |
| 데이터 전송 | 1–10 ms | 차량 내 통신 인터페이스 |
| 인지 처리 | 30–100 ms | GPU 기반 심층 학습 추론 |
| 판단 처리 | 10–50 ms | 궤적 계획 알고리즘 |
| 제어 계산 | 1–5 ms | 제어 알고리즘 실행 |
| 액추에이터 응답 | 50–200 ms | 조향 모터, 제동 시스템의 기계적 응답 |
| 총 종단간 지연 | 약 100–500 ms |
비상 상황에서의 종단간 지연은 전체 시스템 안전성의 핵심 지표이다. 시속 100 km/h에서 300 ms의 종단간 지연은 약 8.3 m의 추가 주행 거리에 해당하며, 이는 정지 거리 계산에 반드시 반영되어야 한다.
4. 비상 제동(Emergency Braking) 응답 시간
비상 제동은 제어 시스템에서 가장 엄격한 응답 시간이 요구되는 기능이다. Euro NCAP AEB(Autonomous Emergency Braking) 시험 기준에서는 충돌 위험 감지로부터 최대 제동력 도달까지의 시간이 평가된다.
Level 4 시스템에서 비상 제동의 응답 시간 요구사항은 다음과 같다.
- 인지-판단 지연: 장애물 감지로부터 비상 제동 결정까지 100 ms 이내
- 제동 명령 전달: 제동 결정으로부터 제동 시스템 명령 도달까지 10 ms 이내
- 제동 시스템 응답: 제동 명령으로부터 최대 제동력 도달까지 150 ms 이내(유압 제동 기준)
- 총 비상 제동 응답 시간: 약 260 ms 이내
전자식 제동 시스템(EMB, Electro-Mechanical Brake)은 유압식 대비 빠른 응답(약 80–100 ms)을 제공하여, 총 비상 제동 응답 시간을 단축할 수 있다.
5. 제어 시스템의 이중화
Level 4 자율주행에서는 주 제어 시스템의 고장 시에도 차량을 안전한 상태로 전환할 수 있는 이중화된 제어 경로(redundant control path)가 필수적이다.
5.1 조향 이중화
전동식 파워 스티어링(EPS)의 이중화는 이중 모터, 이중 ECU(Electronic Control Unit), 이중 전원 공급 구조로 구현된다. 주 EPS가 고장하더라도 보조 EPS가 기본적인 조향 기능을 유지하여 차량을 안전하게 노견에 정차시킬 수 있어야 한다.
5.2 제동 이중화
주 제동 시스템(ESC/ABS)의 고장에 대비하여, 독립적인 보조 제동 시스템(예: 전자식 주차 제동의 동적 활용, 독립 유압 회로)이 요구된다. 보조 제동 시스템은 최소한 차량을 안전하게 정지시킬 수 있는 제동력을 제공하여야 한다.
5.3 전원 이중화
조향과 제동 시스템의 전원이 차단되지 않도록 이중 전원 공급 구조가 필요하다. 주 배터리 외에 보조 전원(이중 배터리 또는 DC-DC 컨버터)이 핵심 제어 시스템에 전원을 공급한다.
6. 제어 시스템의 결정론적 실행(Deterministic Execution)
제어 알고리즘은 설정된 주기 내에 반드시 실행이 완료되어야 하며, 실행 시간의 변동(jitter)이 최소화되어야 한다. 이를 위해 실시간 운영체제(Real-Time Operating System, RTOS) 또는 하드웨어 기반 안전 제어기(safety controller)가 사용된다. 비결정적(non-deterministic) 지연이 발생하는 범용 운영체제(Linux 등)에서의 제어 실행은 안전 관련 기능에 부적합하며, 실시간성이 보장되는 전용 연산 환경이 필요하다.
참고문헌
- Euro NCAP. (2023). Euro NCAP Assessment Protocol — Safety Assist. European New Car Assessment Programme.
- ISO. (2018). ISO 26262: Road vehicles — Functional safety. International Organization for Standardization.
- Paden, B., Čáp, M., Yong, S. Z., Yershov, D., & Frazzoli, E. (2016). A survey of motion planning and control techniques adopted in self-driving vehicles. IEEE Transactions on Intelligent Vehicles, 1(1), 33–55.
버전: v1.0, 2026-04-11