LiDAR를 통한 진정한 자율 주행 구현

LiDAR 기술은 최근 몇 년간 자율 주행 분야에서 핵심 도구 중 하나로 자리 잡았습니다. 레이저 빔을 방출하고 반사된 신호를 수신하여 거리를 측정하고 고정밀 3D 지도를 생성하는 센서로서 LiDAR는 뛰어난 환경 인지 기능을 제공합니다. 이 글에서는 자율 주행 분야에서의 LiDAR 애플리케이션 개발과 onsemi에서 출시한 관련 솔루션을 소개합니다.

전통적인 카메라와 레이더에 비해, LiDAR는 다양한 조명 및 날씨 조건에서도 주변 환경의 세부 사항을 정확하게 포착할 수 있습니다. 이 기능은 진정한 자율 주행 기능을 구현하는 데 핵심 요소가 됩니다. 거리와 물체를 정밀하게 측정함으로써 LiDAR는 차량의 내비게이션 및 장애물 회피 능력을 강화할 뿐만 아니라, 전반적인 운전 안전성과 신뢰성을 높입니다.

자율 주행 애플리케이션에서 LiDAR의 개발 궤적은 초기 탐구 단계에서 널리 채택되는 단계로 발전해 왔습니다. 처음에 LiDAR 시스템은 주로 지형 매핑 및 목표물 감지와 같은 과학 연구와 군사 목적으로 사용되었습니다. 기술이 발전함에 따라 LiDAR는 점진적으로 자율 주행 분야에 도입되었습니다. 초기에 LiDAR는 주로 실험 환경에서 개념 검증 및 테스트를 위해 사용되었습니다.

첫 세대 LiDAR 시스템은 주로 고비용이고 부피가 큰 장비로 구성되었으며, 차량의 지붕에 설치되는 경우가 많았습니다. 이 시스템은 회전하는 거울이나 회전하는 레이저를 통해 차량 주변의 360도 시야를 커버하며, 포인트 클라우드 데이터를 생성했습니다. 그러나 초기 LiDAR 시스템은 높은 비용, 큰 크기, 그리고 높은 전력 소비로 인해 대규모로 상업화하기 어려웠습니다.

기술 발전으로 LiDAR 센서의 비용이 점차 감소하고 크기가 더 작아지며 성능이 지속적으로 향상되었습니다. 고체형 LiDAR의 출현은 중요한 이정표였습니다. 이 기술은 기계 부품의 사용을 줄여 시스템의 복잡성과 비용을 낮추는 동시에 신뢰성과 내구성을 높였습니다. 또한, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) LiDAR 및 광위상 배열(OPA) LiDAR과 같은 새로운 기술이 등장하기 시작하여 자율 주행에서 LiDAR의 적용을 더욱 추진하고 있습니다.

기술이 성숙해짐에 따라 주요 자동차 제조업체와 기술 회사들은 대규모 도로 테스트 및 검증 작업을 시작했습니다. Waymo, Uber, Tesla와 같은 회사들은 실제 도로 조건에서 LiDAR 시스템의 성능과 신뢰성을 테스트하는 데 막대한 투자를 했습니다. 이러한 테스트는 복잡한 교통 환경에서 LiDAR의 감지 능력을 검증했을 뿐 아니라 자율주행 알고리즘의 발전과 최적화를 촉진하기도 했습니다.

최근 몇 년 동안 LiDAR 기술이 상업적 응용으로 점차 이동하면서 점점 더 많은 자율 주행 차량과 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)이 LiDAR 센서를 통합하기 시작했습니다. Velodyne, Luminar, Innoviz 등 주요 LiDAR 제조업체는 대량 생산 차량에 적합한 여러 LiDAR 제품을 출시했습니다. 이러한 제품은 안전성 강화, 차량의 환경 인식 능력 향상, 고도 자동화를 달성하는 데 중요한 역할을 합니다.

LiDAR 기술이 계속 발전하고 비용이 더욱 감소함에 따라, LiDAR는 자율 주행 차량에서 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 미래의 LiDAR 시스템은 더 작고, 비용 효율적이며, 높은 성능을 보유하면서 카메라와 레이더와 같은 다른 센서와 함께 작동하여 더욱 포괄적이고 신뢰할 수 있는 환경 인식을 실현할 것입니다. 이것은 완전한 자율 주행의 실현을 가능하게 하고 자동차 산업에 깊은 변화를 가져올 것입니다.

LiDAR 애플리케이션 시장의 수요를 인식하여, onsemi는 선도적인 자동차 LiDAR 제조업체 Innoviz와 협력하여 자동차 시장을 겨냥한 Innoviz의 첫 상업용 LiDAR 제품인 InnovizOne을 출시했습니다. InnovizOne은 LiDAR 센싱 기술을 활용한 제품으로, 카메라와 레이더와 같은 다른 센서 모달리티와 결합하여 승용차에서 진정한 핸즈프리, 아이즈오프 자율 주행을 가능하게 합니다.

InnovizOne은 onsemi의 ArrayRDM-0112, 12채널 실리콘 포토멀티플라이어(SiPM) 어레이를 통합하여 반사된 레이저 펄스를 감지하고 주변 환경까지의 거리를 측정함으로써 업계에서 중요한 발전을 이룩했습니다. 고볼륨 CMOS 실리콘 파운드리 공정을 기반으로 하는 SiPM 기술은 1550 nm 단파 적외선 LiDAR에 사용되는 고비용 검출기에 비해 명확한 장점을 가지고 있습니다. SiPM은 매우 높은 이득을 활용하여 단일 광자를 감지하며, 이는 LiDAR 거리 측정을 제한하는 저감도 어밸런치 포토다이오드 검출기보다 우수합니다.

Innoviz는 주로 고성능 LiDAR를 가능한 가장 낮은 비용으로 제공하여 자동차 OEM의 광범위한 채택을 가능하게 하는 데 중점을 두고 있습니다. 이는 905nm 기반 근적외선 직접 시간 비행(dToF) LiDAR 아키텍처를 사용하여 달성됩니다.

2018년, BMW와 Magna는 차세대 승용차 플랫폼을 위한 LiDAR 기술 공급업체로 InnovizOne을 공동 선정했습니다. 몇 년간의 개발 끝에 InnovizOne은 2023년에 대량 생산에 들어갔습니다. BMW는 자사의 플래그십 7 시리즈 차량(예: i7)에 LiDAR를 장착하여 BMW Personal Pilot을 가능하게 했으며, 이를 통해 2024년 봄 독일에서 Level 3 "눈을 떼고" 자율 주행을 시작했습니다. Innoviz는 최근 BMW가 중국 시장의 주류 5 시리즈 차량에도 InnovizOne을 확장할 것이라고 발표했습니다. 이 흥미로운 발전은 LiDAR가 고급 럭셔리 차량 뿐만 아니라 주류 모델에도 적합해지고 있음을 의미하며, 안전한 자율 주행 센서를 대중 시장에 제공하고 있습니다.

InnovizOne은 자율주행 응용 프로그램에서 대규모 생산과 신뢰할 수 있는 작동을 목표로 하는 로봇 택시, 셔틀 및 배송 서비스와 관련된 자동차 제조업체와 기업을 위해 특별히 설계된 솔리드 스테이트 LiDAR 센서 솔루션입니다. 이 자동차 등급 센서는 레벨 3-5 자율주행 차량에 원활하게 통합될 때 승객과 보행자의 안전을 보장할 수 있도록 견고하고, 경제적이며, 신뢰할 수 있고, 저전력, 경량, 고성능으로 설계되었습니다.

InnovizOne은 햇빛과 날씨 조건에 적응할 수 있으며, 최대 250미터 거리에서 풍부한 3D 포인트 클라우드를 제공합니다. Innoviz의 인식 소프트웨어와 결합하면, 센서는 뛰어난 물체 감지, 분류 및 추적을 탁월한 각도 해상도로 구현합니다.

InnovizOne은 자동차 업계의 최고 기준을 충족하도록 설계되고 개발된 인식 소프트웨어와 매끄럽게 통합되며, ISO 9001:2015 인증과 ISO 26262(기능 안전성)의 초기 구현을 포함하여 필요한 인증과 승인을 획득했습니다. 이는 ASIC, 감지기, MEMS와 같은 구성 요소뿐만 아니라 LiDAR 하드웨어 및 소프트웨어 시스템에 적용됩니다. Innoviz는 공급망 전반에서 IATF 16949 요건을 충족하는 제조업체를 선정했으며, 소프트웨어 개발을 위해 ASPICE 표준을 따릅니다.

InnovizOne은 0.1°x0.1° (HxV)의 각 해상도를 지원하며, 사전에 구성된 10 또는 15 FPS의 프레임 속도와 1m에서 250m까지의 감지 거리를 제공합니다. 최대 115°x25° (HxV)의 시야각(FoV)을 제공하며, 45x111.4x97.9 mm (HxWxD) 크기를 가지며 ISO 26262 ASIL B(D) 표준을 준수합니다.

InnovizOne은 LiDAR 시야의 중심에 사전 구성된 관심 영역(ROI)을 특징으로 하며, 레이저 에너지가 집중되어 탐지 거리를 확장합니다. ROI는 20°x8° (HxV) 크기로 측정되며, 데이터 인터페이스의 대역폭, 해상도 또는 프레임 속도에 영향을 미치지 않습니다. InnovizOne은 픽셀당 여러 반사를 반환할 수 있으며, 레이저 펄스가 빗방울, 눈송이 또는 경로 상의 여러 물체에 닿을 때 3D 환경의 여러 포인트를 기록하고 저장합니다. 이는 중요한 기능입니다.

지속적인 픽셀 기능 덕분에 InnovizOne의 LiDAR 스캔 패턴에는 간격이 없어 안전한 자율 주행 차량 인식 시스템 구축에 필수적입니다. 이것이 없으면 시스템이 충돌과 관련된 도로 표면의 작은 물체나 3D 포인트 클라우드 데이터 내 간격에 위치한 사람들을 놓칠 수 있어 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다.

InnovizOne은 전체 수직 시야각(FoV)에 걸쳐 균일하게 분포된 수직 해상도를 제공하여, 센터(수평선)만 집중하고 가장자리로 갈수록 데이터가 감소하는 센서와 비교할 때 더 많은 데이터를 캡처할 수 있는 기능을 제공합니다. 또한, InnovizOne의 수직 시야는 장착 공차와 차량 적재와 같은 다양한 주행 조건을 지원하기 위해 패닝 기능을 제공합니다. 직사광선, 반대편 차량의 눈부신 불빛, 비와 같은 악천후와 같은 다양한 환경 조명 조건을 처리할 수 있으므로 모든 주변 광원에 적응할 수 있습니다. InnovizOne은 소비자 차량, 로봇 택시, 셔틀, 배송 서비스, 트럭 운송, 물류, 보도 배송, 산업용 드론 및 중장비를 포함한 다양한 분야에 적용될 수 있습니다.

onsemi는 자동차 NIR(근적외선) 향상 LiDAR 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 실리콘 광증배기(SiPM)인 ArrayRDM-0112A20-QFN을 출시했습니다. 이 SiPM은 가시광선에서 근적외선 파장에 이르기까지 빛을 감지할 수 있는 고이득의 단광자 감도 센서입니다. ArrayRDM-0112A20-QFN은 시장을 선도하는 RDM 공정을 기반으로 개발된 단일 칩 1 × 12 SiPM 픽셀 배열로, LiDAR 및 3D 직접 시간 비행(dToF) 레이징 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 905/940 nm NIR 파장에서 높은 광자 감지 효율(PDE)을 달성하도록 특별히 설계되었습니다.

ArrayRDM-0112A20-QFN 어레이는 견고한 QFN 패키지로 제공되며, 12개의 개별 픽셀에 액세스할 수 있습니다. 자동차 LiDAR 애플리케이션의 요구사항을 충족하기 위해 이 제품은 AEC-Q102 표준을 준수합니다. ArrayRDM-0112A20-QFN은 높은 이득과 감지 효율을 특징으로 하며, 자동차 표준을 충족합니다. 이 제품은 905 nm에서 16%의 PDE를 가진 1 × 12 픽셀 어레이 형식을 사용하고, 30 V 바이어스 전압에서 작동하며 픽셀 크기가 0.47 mm x 1.12 mm에 불과합니다. QFN 패키지(10 mm x 5.2 mm)에 장착되어 있습니다.

제품 개발을 가속화하기 위해 onsemi는 이 제품을 위한 평가 보드(ArrayRDM-0112A20-GEVB)도 개발했습니다. ArrayRDM-0112A20-QFN은 3D 거리 측정 및 센싱, 자동차 LiDAR, 산업용 LiDAR, 소비자용 3D 이미징 및 로봇공학에 적용할 수 있으며, 대표적인 최종 제품은 스캐닝 LiDAR 시스템입니다.

자율 주행에서 LiDAR의 발전은 기술적 발전과 시장 수요의 상호 작용을 보여줍니다. 초기의 고비용 실험 장비에서 오늘날의 대량 생산 응용 제품에 이르기까지, LiDAR는 기술적 병목 현상을 지속적으로 극복하며 진정한 자율 주행을 실현하는 데 강력한 지원을 제공합니다. onsemi는 자동차용 NIR(근적외선) 향상 LiDAR 응용 제품에 적합한 SiPM 기술을 도입했습니다. 이 기술은 자율 주행 기술의 응용 비용을 낮추고 LiDAR의 성능을 향상시키며 다른 차량 시스템과의 통합을 개선할 수 있습니다. 따라서, 이는 자율 주행 응용 제품을 개발하는 데 이상적인 선택입니다.