[차량 통신 및 네트워크] 13, 14주차

13주차 1차시

차량에 탑재된 다양한 센서와 통신 기술 소개

엔진에 도입된 전자제어 시스템의 목적

- 유해 배출가스 저감

- 연비 개선

사용자가 원하는 토크와 동력이 나오도록 공기/연료 비를 설정하면서 동시에 다양한 센서 정보를 바탕으로 배출가스 저감과 연비개선 추구

 

자동차에는 ECU라는 엔진 컴퓨터가 들어있음

엔진이 최적으로 동작할 수 있도록 제어

 

자율주행차량 개요

자율주행차량(SDV)

ADAS(Advanced Driver Assist Systems)기술

전후좌우 사물과 차선, 표지판을 인식하는 방법

 

차량 측위 기술 (Localization)

- GPS

- GNSS

- 관성항법 장치

 

V2X와 5G 통신

ADAS 센서

초음파 센서, 레이다, 라이다, 오도메트리

 

GNSS

각국의 위성 측위, 항법 시스템을 통칭

현재 측위 기술은 여러 GNSS 신호를 동시에 이용

 

원리

미지의 위치 좌표와 네 개의 위성 자표

x, y, z는 지구 중심으로부터 측정되는 위도, 경도, 고도

신호 전파 시간

고정된 기준국을 추가한 DGPS를 이용하면 더 정호가한 위치 확인 가능

- 기준국에서 오차 보정 정보 송신

 

일반 GPS의 정확도 20m

맵 매칭을 이용해 가장 가까운 도로의 위치로 보정시 정확도 3m

DGPS의 정확도 1m

자율주행에서는 수십cm의 정확도가 요구됨

=> IMU(관성항법장치) 활용, V2X를 이용한 협력 항법

 

IMU

과거의 자이로스코프

현재는 MEMS를 이용한 가속도 센서

장점

언제든지 측정 가능

단점

오차 존재, 날씨, 온도, 기압에 따라 결과 달라짐, 일부 IMU는 기압계를 통해 자체적으로 압력 보정

 

V2X

차량이 다른것들과 정보를 교환하는 기술

센서들은 시야를 벗어나지 않은 영역 내에서만 활용 가능

V2X는 시야 제약 조건에 구애 받지 않음

 

C-V2X(Cellular-V2X)

LTE, 5G 네트워크 이용

추가 통신 인프라 필요 없음

경고, 속도 조절, 차선 등 리얼타임으로 업데이트

 

5G for C-V2X

latency가 100ms => 1ms로 줄어듦

5G data rate : 20Gb/s로 매우 높다.

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13주차 2차시

LIDAR 빛을 이용해 레이더처럼 사용하는

광원 하나를 가지고 광원이 보는 위치를 바꿔가며 주변을 탐지

차량의 꼭대기에 위치

 

자율주행을 위한 Sensor Fusion

Radar

RAdio Detection And Ranging

전파가 물체에 반사되어 돌아오는 신호를 이용해 방향, 거리, 크기, 속도의 정보를 얻음

장점

낮, 밤, 조명, 날씨와 무관하게 동작

고속에서도 잘 동작

대량생산 가능, 저가격화 가능

단점

비금속 개체에 대해서는 성능 저하

 

현재 레이다 기술

SRR 짧은거리용

LRR 긴거리용, 차세대 안전 장비 중 가장 핵심

주파수를 올리면 안테나 크기 줄고, 레이다 모듈 사이즈 줄고, 해상도 개선

 

LIDAR

Light Detection And Ranging

펄스 레이저광을 쏘고 반사된 광으로부터 거리와 속도 정보를 얻음

사람 눈에 손상을 주는 것을 방지하기 위해 클래스1 레이저 사용

라이다의 구조

레이저 다이오드, 포토 다이오드, 서보 기반 거울, 3D 매핑, 날씨

짧은 펄스는 분해능 우수

긴 펄스는 측정 거리가 김

레이저를 회전하면서 반사된 점들을 모아서 3D 이미지화

 

초음파 센서

가청주파수보다 높은 음파를 사용해 물체를 감지하고 거리 츠겆ㅇ

차량 내에 제스처 센서로도 활용

 

초음파 센서의 원리

초음파 펄스를 짧게 쏘고, 반사된 파형을 펄스로 변환하여 송신파와 반사파 사이의 시간차를 거리로 변환

 

자동차용 초음파 센서

4개의 센서를 이용

삼변측량을 통해 실제 거리와 위치를 파악할 수 있다.

초음파는 음파 송출 각도가 크다.

장점

저렴한 하드웨어

날씨, 낮/밤과 무관

비금속 물질도 잘 감지

단점

해상도 낮음

외부 소음에 영향 받음

 

카메라

현재는 어라운드 뷰, AR, ADAS를 적용

카메라의 구조

패시브 센서, 액티브 센서, 광학장치, 이미지 센서, 이미지 프로세서, 스테레오 카메라

장점

광범위한 정보 수집(차선 감지, 교통 신호 인식, 물체 감지)

레이다, 라이다보다 저렴한 가격

단점

주변광과 날씨에 민감

낮에도 직사광선에 의한 오작동 가능

 

Odometry Sensor

자동차의 이동 거리를 측정하는 센서

바퀴 회전수 * 타이어 둘레

wheel speed sensor라고도 함

passive wheel speed sensor

- 센서의 헤드에 장착된 영구 자석과 코일의 자기 선속이 금속 휠과의 거리 차이에 의해 교류 전압으로 나옴

active wheel speed sensor

- Hall sensor 이용(전류가 흐르는 도체에 자기장을 걸면 자기장의 방향에 따라 전압이 생성)

자석의 극성이 바뀌면 전압의 극성도 다라짐

파형의 주기로부터 회전수를 구할 수 있음

장점

저렴한 가격으로 정확한 이동 속도 측정

진동과 온도 변화에 둔감

단점

드리프트하거나 휠이 미끄러지면 오차 발생

오차가 누적됨

GNSS와 IMU의 값을 이용해 업데이트 필요

 

Actuator Interface

컴퓨터의 명령을 실제 물리적 움직임으로 변환

종방향(가속 페달, 브레이크)와 횡방향(조향각)제어를 모두 지원해야 함

 

Drive-by-Wire

소프트웨어적으로 모든 자동차 제어가 가능

외부 해킹에 의해 자동차가 제어될 수 있음, 보안이 매우 중요

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13주차 3차시

 

rain sensor

유리와 공기 사이의 굴절율 차이로 전반사 발생

물방울이 맺히면 전반사량 달라짐

적외선 이용

Automatic headlight sensor

빛의 세기에 따라 전류가 증가하는 포토다이오드 사용

비접촉 안전센서

스트립 커패시터에 물체가 가까워지면 커패시턴스가 변하는 것을 이용

Tire Pressure monitoring system

공기압, 규정값, 타이어 파열, 의무화, 압력 센서, 온도 센서, RF송수신기, 배터리 내장

에어백 센서

유효충돌 속도, 에어백, EFS, SIS, 좌석위치감지센서, 승객분류센서, 벨트착용감지센서

차량의 위성방송/위성통신

POINT-TO-POINT 통신, KT, SKYAUTO, SKYLIFE, 전자적 빔포밍 기술, 기계적 빔포밍 기술

SkyAuto

터널내에서 방송이 끊기는 문제를 해결하기 위해 LTE 서비스 추가

 

Skylife, skyauto, 접시안테나, 회전안테나

차량-인공위성 통신, 회전식 기계적 빔포밍, 고ㅗㄷ, 저궤도 위성, 핸드오프, 전자적 빔포밍, 한화 페이저

전자적 빔포밍

위상 배열 안테나, 위상 조정, 빔조향

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14주차 1차시

레이다 시스템 개론

레이다는 무선탐지와 탐지거리를 합한 용어

반사 신호는 방향, 위치, 속도 등 표적에 대한 정보를 제공

레이다는 기본적으로 송신기, 수신기와 송신, 수신 안테나로 구성

 

송신 에너지의 일부분이 표적에서 반사되며, 반사되는 신호는 레이다를 향해 다시 방사(후-재방사)

장애물이 있는 환경에서 다중 표적을 탐색, 감지, 추적하고, 지상과 해상의 클러터에서 표적을 구별하고,

모양과 크기로 표적을 식별하기 위해 정교한 레이다가 필요하다.

표적을 탐색하고 추적하기 위한 안테나 빔의 기계적 혹은 전기적 스캐닝이 필요하다.

 

기계적 스캐닝을 위해 모터 또는 짐벌 사용 => 가능하지만 속도가 느림

전기적 스캐닝 : 위상 배열 이용 => 고속과 고정 안테나를 사용할 수 있는 장점

 

군사적 레이다에서 주파수 선택성은 적을 감지하거나 추적을 피하는 데 중요

협대역 특성, 좁은 빔폭(고이득안테나), 중간레벨 이상의 송신출력 특성으로 동작

어떤 레이다 시스템은 센서로도 사용되는데, 가정이나 사무실 보안을 위한 침입자 감지 센서/레이다

 

레이다는 운용 위치, 동작 기능, 응용과 파형에 따라 분류 가능

1. 운용 위치 : 공중, 지상, 선박, 우주, 미사일 또는 스마트무기 등

2. 동작 기능 : 탐색, 추적, 탐색과 추적

3. 응용 : 교통제어, 기상, 지형 회피, 충돌 회피, 향행, 공중방어, 원격감지, 영상 또는 지도제작, 감시, 정찰, 미사일 또는 무기 유도, 거리 측정, 침입자 감지, 속도 측정(경찰 레이다) 등

4. 파형 : 펄스, CW(Continuous Wave), FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)

레이다 방정식, 듀플렉서, 스위치, 표적, 레이다 단면적

송신전력, Pt, Pr, 펄스 레이다, 첨두펄스전력, CW레이다, 평균전력

안테나이득, 안테나 유효면적, 접시 안테나 이득식, 안테나 효율, 안테나 개구면 크기

임피던스 부정합, 대기중 손실, 편파 부정합, 부정렬, 등방성 안테나, 전력밀도

Gt, 전력밀도, 표적, 레이다 단면적, 표적위치, 후방 산란, 반사되는 신호 전력밀도

레이다 수신 안테나, 레이다 방정식, Smin, 최대 허용 탐지거리, 최소 입력신호 레벨

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14주차 2차시

레이다 단면적

RCS, 입사각, 반사각, 유효면적, 단면적

표적의 모양, 오목한, 입사파, 스텔스폭격기, 나무, 플라스틱, 하워드 휴즈, 나무항공기

흡수 물질, 코팅

방위각, B-26폭격기, 항공기, RCS, 맥스웰, 수치적 방법

정확한 시스템 설계를 위해 측정 또는 레이다 탐지거리 계산을 위한 수치적 방법에서 더 정확한 값을 얻을 수 있음

 

펄스 레이다

각 펄스가 짧은 마이크로파 신호로 구성된 사각 펄스 열을 송신한다.

듀티 사이클, 첨두 전력, 표적 탐지 거리

탐지거리의 불분명함, 최대 탐지거리

Rmax, Tp, fp, 탐지거리, 불분명함, 펄스 레이다 ㅡㄹ록 다이어그램, 상향 변환기, 비디오 증폭기, 검파기

지속파 또는 도플러 레이다

움직이는 표적을 탐지하고 표적의 속도를 계산하는데 사용 가능

상대적인 움직임 => 주파수 이동 현상 이를 도플러 효과라고 하며,

이때 발생한 주파수 이동을 도플러 이동이라고 함

위상 편위, 도플러 각도 주파수 이동

표적의 상대속도, 송신 신호 주파수, 신호 주파수, 표적

도플러 SHIFT CONCEPT

가시영역, 도플러이동

지속파 레이다는 펄스 변조가 필요하지 않기 때문에 펄스 레이다에 비해 상대적으로 간단

CW, CW신호원/발진기, 듀플렉서, 귀환신호, 송신신호

필터 뱅크, 주파수 응답

주파수 식별, 서큘레이터, 하이브리드 커플러, 편파분리, 격리도

플리커 잡음, 슈퍼헤테로다인, CW 레이다

CW레이다

변조가 필요 없어 간단하며 저가로 제작 가능

움직이는 표적을 탐지하고 상대 속도를 측정하기 위한 많은 상업적 용도로 사용 가능

짧거나 적당한 탐지거리에서만 사용된다.

격리도, 출력전력, 송신기 신호 잡음, 송신 파형, 주파수 변조 CW, FMCW

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14주차 3차시

주파수 변조 CW 레이다

CW, FMCW, 협대역, 주파수 스펙트럼, 위상변조, 주파수 변조, 타이밍, 송신신호, 귀환신호

정지 표적의 경우

도플러 주파수 이동, 귀환신호, 비트신호, 탐지거리

주파수 변화율

변조율, 변조범위, fb

이동 표적

탐지거리, 상대속도

선형파형을 갖는 FMCW 레이다

선형변화, 전압제어 발진기, 바랙터 바이어스, 주파수 튜닝

이동 표적 탐지와 펄스 도플러 레이다

도플러 이동, cw, 고정 잡음원, 클러터, 이동 표적 탐지, MTI, 클러터

반송 주파수, 탐지거리, 상대속도

UWB 레이다

블루투스, UWB, 대역폭, 취약계층방치사고