자율주행차량 통합비상조치 시스템 특허 기술분석
Copyright Ⓒ 2022 KSAE / 199-04
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Abstract
The integrated minimal risk maneuver(MRM) system for autonomous vehicles is a technology that reduces the risk of accidents in emergency situations. This system is an essential element for technically completing the level 4 autonomous driving. In this paper, the integrated MRM system is defined, and the necessary technologies for this system are classified into six categories: fault diagnosis, emergency strategy, human-machine interface, electronic control unit, simulation and driving test, and integrated traffic control. Based on the domestic patent data, the trend of the integrated MRM technology is analyzed by using the year, applicant, and international patent classification. We then summarized preoccupied technologies and proposed technologies that require preoccupation according to the explanation and claims.
Keywords:
Autonomous vehicle, Minimal risk maneuver, Minimal risk condition, Out of operational design domain, Patent analysis, R&D strategy키워드:
자율주행차, 비상조치, 최소위험상태, 자율주행동작영역 이탈, 특허 분석, 연구개발 전략1. 서 론
기술 개발 단계에서 특허, 표준, 학술지 등을 통한 기술 조사 및 분석은 개발 동향과 핵심기술을 파악함으로써 개발 방향을 설정하고 시장 및 지식 재산권을 선점 할 수 있는 전략을 수립하기 위한 중요한 단계이다. 자율주행차 기술에 대해 국내 특허를 기반으로 특정 국제특허분류(International Patent Classification, IPC)를 통해 연도별 출원 및 등록, 출원인 경향이 분석된 바 있다.1) 국내외 자율주행 기술 분야 특허의 출원인 분석을 통해 기존에 자동차 산업계에서 이루어지던 단독 기술 개발 형태에서 점차 업체 간 기술협력 네트워크가 다양해짐을 알 수 있다.2) 자율주행차 관련 유망 기술과 표준 반영 가능성이 높은 기술을 도출함으로써 표준화에 대한 대비 및 시장 확보 방안을 마련할 수 있다.3)
SAE는 자율주행 단계를 6단계로 분류하고 있으며, 최근에는 3단계 조건부 자동화에서 4단계 고도 자동화로 기술 혁신이 이루어지고 있다. 자율주행시스템 3단계에서는 운전자가 긴급상황을 감지하고 대처 가능하지만, 4단계는 자율주행시스템이 기능을 수행해야 한다.4)
최소위험조건(Minimal Risk Condition, MRC)은 자율주행차가 긴급상황에서 사용자나 자율주행시스템이 비상조치를 수행함으로써 사고 위험이 최소화된 상태이다.4,5) 비상조치(Minimal Risk Maneuver, MRM)는 긴급상황에서 최소위험조건으로 전환하기 위해 수행하는 행위이다. Fig. 1과 같이 긴급상황에서 1회 또는 다회의 비상조치를 통해 최소위험조건으로 전환된다. 통합비상조치 시스템은 자율주행시스템 오류 또는 자율주행동작영역(Operational Design Domain, ODD) 이탈 등의 긴급상황 판단, 비상조치 행위 결정, 비상조치를 수행하는 기능을 포함한다. 국제 표준 SAE J3016과 ISO22736에서는 자율주행차가 비상조치 시스템을 갖추도록 명시하고 있다.
Transition to MRC through MRM
통합비상조치 시스템에 대한 기술 및 특허의 심도 있는 분석이 필요하다. 본 연구에서는 최근 10년간의 국내 특허 데이터를 기반으로 통합비상조치 시스템의 기술 동향과 요소 기술 전략을 비교 분석한다. 연도별 출원 경향, 기업과 연구 기관의 진입 현황을 정리하고, 국제특허분류 코드와 특허 명세서 분석을 통해 핵심 기술 6가지를 도출한다. 또한 핵심기술 별 주요 특허 요약을 통해 지식 재산권 선점 현황과 필요 기술을 제안함으로써 기술 전략 수립 및 시장 진입을 지원하고자 한다.
2. 통합비상조치 시스템 기술 구성
SAE 레벨 3 이상의 자율주행차는 시스템 장애, 자율주행동작영역 이탈 등으로 자율주행이 불가능할 경우, 충돌 위험이 없는 최소위험조건으로 전환하기 위하여 비상조치를 수행하여야 하며, 이를 통합비상조치 시스템으로 정의한다.
통합비상조치 시스템의 특허의 국제특허분류 코드 빈도와 특허의 기술 내용을 그룹화하여 6가지 주요 기술을 분류하고, 세부 기술을 도출하였다. 그 결과는 Fig. 2와 Table 1과 같다. 통합비상조치 시스템의 제어부는 ① 고장 진단, ② 비상조치전략 수립, 비상조치를 위한 구동제어를 수행한다.6-8) 조향과 제동을 포함하는 구동제어 기술은 자율주행시스템에서 개발되어야 할 기술로 분류하여 통합비상조치 시스템의 주요 기술에서 제외한다. 비상조치전략은 기능적으로 경로계획, 고장허용제어, 구동제어로 구분된다.
Integrated MRM system’s configuration
Classification of autonomous vehicle’s MRM system
통합비상조치 시스템의 하드웨어 기술로는 고장 진단 결과 및 제어권 전환 정보를 운전자와 타차량에 전달하기 위한 ③ Human-Machine Interface(HMI)가 있다. 또한, ④ 전자제어장치(Electronic Control Unit, ECU)의 구조, 성능에 대한 최적화가 필요하며, 사이버 보안 위협에 대응하는 것 역시 중요 기술이다.
통합 비상조치 시스템 개발을 위한 ⑤ 모의실험&시험평가를 주요 기술로 도출하였다. 고장 상황 시나리오 설계와 상황 모사, 모의실험과 실차시험을 위한 환경 구성, 평가 결과의 분석 기법은 시스템의 신뢰성과 성능을 높일 수 있다.
통합비상조치 시스템 운영을 위해서는 안전관제 센터가 필요하다. Fig. 2와 같이 자율주행차량에 긴급상황 발생 시 안전센터는 차량 또는 병원, 보험회사 등의 기관과 V2X를 통해 정보를 수집, 분석, 판단함으로써 차량의 흐름을 제어할 수 있다.
3. 통합비상조치 시스템의 특허 동향 분석
본 분석은 한국과학기술정보연구원(Kisti)에서 운영하는 과학기술 지식인프라 통합 서비스(ScienceOn)의 특허 데이터베이스를 사용하였다.9) 포기되거나 거절된 특허는 검색범위에서 제외한다. 출원 년도는 2011년에서 2020년를 대상으로 대한민국에서 출원된 건을 분석하였다. 자율주행 기술이 적용되는 로봇, 휠체어, 드론, 비행, 선박은 검색에서 제외하였다. 자율주행만을 검색어로 하였을 때 1,705건이 검색되는 것에 비해 고장, 위험, 비상 등의 비상조치와 연관된 검색어 추가 시, 114건의 결과만 검색되어 자율주행기술 중 통합비상조치 관련 기술은 출원 비중이 낮았다.
3.1 연도별 출원 현황
통합비상조치 시스템 관련 특허를 연도별 출원 건수로 분석하였다. 2011년에서 2020년도에 출원된 특허를 대상으로 분석하였다. Fig. 3과 같이 2012년 이후 2019년까지 매년 증가세를 보이고 있으며, 2019년에 급격하게 증가하여 출원 수는 41, 누적출원수는 114건에 이른다. 출원 이후 1년 6개월 후 공개되므로 2020년 7월 이후 특허 출원은 검색되지 않았으며, 이를 고려하면 2020년에 특허 출원이 감소한 것으로 볼 수는 없다.
Patent applications by year
3.2 주요 출원인 분석
자율주행시스템과 통합비상조치 시스템의 주요 출원인을 각각 Figs. 4, 5와 같이 비교 및 분석하였다.
Autonomous driving system applications by applicants
MRM applications by applicants
자율주행차는 OEM이 출원을 주도 하고 있지만 V2X, 센서, 데이터 처리, 알고리즘 등의 다양한 요소 기술이 필요함에 따라 학교, 국가 연구소, 인터넷 관련 회사, 중소기업, 도로공사 등과 같이 출원인의 다양성을 보이고 있다. 엘지전자, 만도 등의 Tier1인 업체에서 2015년 이후로 자율주행차 특허 출원을 활발히 진행하고 있다.
통합비상조치 시스템 역시 현대자동차, 기아자동차가 최다 출원을 기록하고 있다. 현대모비스와 엘지전자가 유사한 출원 건수를 보이고 있다. 인포뱅크, 현대오트론과 같은 차량용 임베디드 소프트업체에서도 자율주행차의 비상조치 관련 특허를 2019년 이후 출원하고 있다.
해외업체로는 2016년 구글에서 분사된 웨이모(Waymo)로 자율주행 기술력과 성숙도 면에서 가장 우수한 선두업체이다. 바이두(BAIDU) 역시 주목할 만한 업체로 ‘아폴로 고’ 자율주행 무인택시를 중국 내 5개 도시에서 운행 및 확대 계획에 있으며, 자율주행 전기 트럭 사업을 진행하고 있다. ‘바이두 유에스에이 엘엘씨’ 이외에도 ‘바이두닷컴 타임즈 테크놀로지(베이징) 컴퍼니 리미티드’에서도 자율주행 특허를 29건 출원하였다. 중소기업으로는 ㈜스프링클라우드가 2017년 설립된 자율주행 관련 기업으로 모빌리티, 데이터 서비스, AI 솔루션 기술을 바탕으로 자율주행 셔틀과 이동우체국, 배달 로봇 등의 사업으로 2년간 33건의 출원을 활발히 진행하였다.
3.3 국제특허분류 코드 별 출원 현황
통합비상조치 시스템 개발을 위한 핵심 기술을 분석하고자 출원된 특허의 국제특허분류 빈도수를 확인하였다. 대다수의 특허가 2개 이상의 국제특허분류 코드를 사용하고 있으며, 특허 114건에 대해 상위 8개의 코드를 정리하면 Table 2와 같다. 94건의 특허가 차량의 운전 및 부품을 제어하는 일반적인 기술인 B60W로 분류된다. 비전기적 변량제어 특히 차량의 위치, 방향, 진로 제어, 피드백, 비교기를 사용하는 기술인 G05D가 50회로 2위로 나타난다. 다음으로 차량 부품과 제동 제어가 상위에 위치하는 것으로 분석되었다. 자율주행차의 비상조치를 위해서는 신호 장치 및 회로 기술인 B60Q과 데이터 처리 시스템 또는 방법인 G06Q, 안전 관제를 가리키는G08G 또한 주요 기술로 분석된다.
Patents classification according to IPC code of MRM
4. 통합비상조치 관련 기술 동향
특허 분석을 통해 회사 및 연구소의 기술 개발 동향과 전략 기술의 로드맵을 예측할 수 있다. 현대⋅기아 자동차 주식회사는 2019년 특허 3건에서 통합비상조치 시스템 관련 용어와 개시, 동작, 종료 상태를 정의하였다.10-12) 시스템 적인 관점에서 고장 발생 가능 부품과 상황, 필요 동작과 기능을 분류한 것으로 자율주행 4단계를 대비하는 기술 개발 동향을 살펴 볼 수 있는 주요 예이다. 이장에서는 2장에서 도출한 6가지 통합비상조치 시스템 기술에 대해 주요 특허의 명세서 분석을 통해 기술 개발 동향과 지식재산권 선점 상황, 선점이 필요한 기술을 제안한다.
4.1 고장 진단
자율주행차에서 제동, 조향을 포함하는 구동부와 카메라, 초음파, Lidar, Radar를 포함하는 센서부의 고장 진단은 중요한 기술이다. 고장 판단을 위해 신호의 기 설정된 임계값과의 비교, 유사 기능 부품 또는 복수개 동일 부품의 신호 값 비교 기술이 주로 사용된다. 자율주행 제어에 다수 적용되고 있는 기계학습은 고장 진단에도 활용되고 있다. 사전 정의된 정밀진단 구간에서 정상상태의 엔진, 타이어 구동, 조향등의 소리 정보를 사전에 수집 및 학습하고 차량내 메모리에 저장 또는 안전관제에 송신함으로써 고장 판단의 기준 값으로 활용할 수 있다.8) 자율주행시스템 사고발생 시 책임소재 판단에도 기계학습이 활용 될 수 있다. 운전자의 운전 습관을 기계학습하고 운전 패턴을 기반으로 자율주행시스템을 제어함으로써 사고발생시 공급자가 책임소재를 회피할 수 있도록 활용될 수 있다.13) 하지만 이는 책임소재를 판단하기 위한 법적 기준 설정 문제와 사고 책임이 운전자에게 전가되는 문제로 확대될 수 있다.
제동 장치 고장 판단에는 운전자의 페달 조작, 엔진, 가속페달, 브레이크, 장애물 여부 등의 정보를 활용한다.12) 운전자의 페달 조작 영향을 배제하기 위해 최소 마찰제동력을 먼저 작동시켜 제동장치의 고장을 판단할 수 있다.14)
자율주행차량에서 조향장치 고장 시, 제동장치와 같은 리던던시 보유 또는 다른 장치로의 대체가 어렵다. 현재 조향 장치만의 고장 판단과 비상전략에 대한 기술 선점은 타 기술에 비해 적다. 자율주행차량의 전체적인 고장 판단과 대처에 대한 포괄적인 특허에서 조향장치 고장 판단 필요성 및 고장 시 감속, 정지의 보수적인 비상전략 조치만 청구되고 있다.12)
자율주행차량에는 구동 제어와 환경 감지를 위한 다수의 센서가 활용된다. 센서를 포함하는 자율주행시스템의 구조를 구체화하고,15) 센서의 커버리지와 중요도를 고려한 가중치 부여, 임계값 또는 다른 센서와의 비교를 통해 고장을 판단하는 방법이 제안되었다.15,16)
4.2 비상조치 전략
비상조치 개시 조건을 선정하기 위해 고장 부분, 개수, 위치, 종류를 조합하여 심각도를 산출하고 심각도 결과를 기반으로 자가 점검 후 자율주행을 지속, 비상조치 수행, 또는 수동 주행으로 전환할 수 있다.15,17) 비상조치 전략을 경로 계획과 부품의 고장허용제어, 제어권 전환으로 분류하고, 출원된 기술을 요약 및 선점이 필요한 기술을 제안한다.
비상조치 수행 시 정차를 위한 안전지대가 필요하며, 네비게이션, 센서, 안전관제와의 통신 신호 조합을 통해 안전지대를 선정할 수 있다.18) 갓길 유도 또는 긴급 차선, 서비스 스테이션으로 이동시키기 위해 장애물, 도로 제한 사항, 예상 연료, 탑승자 하차를 고려하고 최적의 경로를 계획하는 기술이 출원되었다.15,19,20)
제동장치 고장에 대한 비상조치 전략과 자율주행시스템 고장 시 제동장치를 활용한 비상조치 전략의 제안이 활발히 진행되고있다. 차량의 안전성과 부가 기능 구현을 위한 전자제어 주행 안정 장치(Electronic Stability Control, ESC)와 전자식 파킹 브레이크(Electronic Parking Brake, EPB) 등의 제동장치 기술과 주제동장치와의 협조 제어를 통해 최소위험조건 상태로의 유도가 가능하다.14,21) 또한, 친환경차량에 장착된 모터를 활용하여 회생 제동력을 발생시켜 목표 제동력에 도달하도록 대처할 수 있다.21) 안전관제와 통신을 통한 구조 요청 후, 선행 자율주행차량과 도킹을 통한 협조 제어 기술과 함께 차량 바퀴와 물리적으로 연결된 손잡이를 차량 내에 설치하여 수동으로 제동력을 인가하는 방안이 청구되었다.22)
센서 고장에 대한 비상조치로 각 센서가 담당하는 영역을 정의하고, 고장 시 제한 영역과 도로 여건을 고려한 주행 전략 정보가 청구되었다.20) 센서 고장 시 다른 센서 신호를 활용하여 대체하거나 안전관제로부터 송신되는 데이터에 기반하여 비상조치를 수행할 수 있다.23)
자율주행 또는 비상조치 수행에서 수동 주행으로의 제어권 전환과 그 역으로의 전환이 고려되어야 한다. 전환 순간 이질감 저하와 안전성이 보장 되어야한다.24,25) 수동 주행으로 전환 시 운전자의 준비 상태를 판단하기 위해 조향, 제동, 시선 조건을 설정하고 만족되지 않았을 때 운전자와 안전관제에 위험을 알린다.26) 수동 주행으로의 모드 전환은 운전자의 요구 또는 자율주행동작영역으로의 접근 시 이루어진다. 차량 위치와 주행 상태를 기반으로 하여 차선 병합, 교차로, 터널, 교통사고 다발지역 또는 추월, 차선변경, 고속 운행과 같은 상황에서는 안전성을 고려하여 모드 전환이 허용되지 않아야 한다. 또한, 수동 주행 전환의 성공 여부를 확인하고 전환 실패 시 자율주행이 지속되어야 한다.27) 수동주행에서 자율주행모드로의 전환은 운전자의 주행패턴을 기계학습하여 졸음, 건강상 이유로 운전 형태가 비정상적일 때 이루어질 수 있다.27) 운전자 식별 및 운전권 회수 시 알람에 대한 청구가 없어 운전권 회수로 인한 거부감 및 사고 발생 가능성은 기술적 보완과 추가적인 선점이 필요하다. 제어권 전환은 중요 기술 임에도 이에 대한 국내 특허 출원이 저조한 현황이므로 전환 기준 설정, 전환 시 자율주행 제어기와 구동장치 제어에 대한 기술 선점이 필요하다.
4.3 HMI
비상조치 시스템과 운전자의 인터페이스를 위한 데이터 처리 방법과 알림 방법에 대한 출원이 이루어지고 있다. 비상조치시스템은 운전자의 조향, 브레이크 조작 여부, 시선 등을 실시간 감지하여 제어에 활용하며, 시각, 청각, 촉각 등의 수단을 통해 운전자에게 위험 상황, 수동 주행 제어권 전환 준비에 대한 알림을 제공한다.10,15) 또한, 라이트, 사운드 방출을 통해 타 차량에 경고할 수 있다.26)
4.4 전자제어장치
통합비상조치 시스템을 포함하는 차세대 통합 제어 시스템으로 대용량 데이터 송수신과 신호처리 담당 프로세서, 자율주행을 위한 경로 계획과 환경 인식을 위한 차량 제어 유닛, 고장을 판단하고 대처하는 안전 제어 유닛의 구조가 제안되었다.18) 이는 기능의 독립성을 보장하고 협조 제어를 통한 안전성 향상에 기여할 수 있다. 제어부 고장 시 대체할 수 있는 백업 또는 복수개의 복제 모듈을 이용하는 특허는 가격 측면에서 효용성이 낮지만 전자제어장치 고장 판단과 복제 모듈 선별 방법에 특이성이 있다.28,29)
전자제어장치의 세부 기술인 사이버 보안은 무선 업데이트 시 해킹 방지와 차량 정보 보안을 위해 필요하다. 이는 특허가 아닌 자동차 기능 안전 국제 표준(ISO 26262)과 자율주행자동차 사이버보안 표준(SAE J3061) 동향 파악을 통해 필요 기술을 도출하여야 하며 필수적인 적용과 테스트가 이루어져야 시장 진입이 가능하다.
4.5 모의실험과 시험 평가
자율주행차량의 고장 안전성을 평가 및 검증하기위한 환경 구성과 방법에 대한 기술도 선점 되어있다. 모의실험은 주행 시나리오와 고장 상황, 도로 상황을 모사하여 실제 주행을 통한 검증 전 진행하는 필수 단계이다. 전자제어장치 단품 검증을 위한 Hardware-In-the-Loop Simulation 장치, 실차 연계 시뮬레이션, 다이나모 기반 차량 실험 환경 구성을 통해 단계적으로 통신, 센싱, 자율주행 알고리즘, 통합비상조치 시스템 검증이 가능하다.30)
시험장 및 실제 도로 환경에서 실차 시험 평가에 대해 출원된 특허는 없다. 단품과 모의 실험 환경에서의 검증은 이루어지고 있지만 실제 환경에서 검증 할 만한 기술 개발 단계까지 이루어지지 않았음을 예측할 수 있다.
자율주행시스템의 오류 또는 자율주행동작영역 이탈의 긴급상황은 실제 환경에서 재연 및 평가가 어려운 기술이다. 따라서 모의실험 또는 가상환경에서의 실차 시험 평가에 필요한 긴급상황 환경 모사, 평가 항목, 평가 시나리오, 평가 도로 설정, 평가 결과 기준 설정 등은 차후 국제표준으로 지정될 수 있다. 표준화 선점과 세계시장 우위 선점을 위해 평가 기술에 대한 특허 출원 및 기술 경쟁력 향상이 필요하다.
4.6 안전관제
안전관제 기술에는 자율주행차량의 이벤트 저장, 자동차 및 주변 환경 정보 수집, 데이터 처리, 운행 정보 송신, 네트워크 보안 기술 등이 포함된다. 차량의 사고 전후 차량 정보를 저장장치에 기록하고 이를 원격 서버에 전송하는 Event Data Recorder(EDR)은 자율주행차량에 그대로 사용하기에 부적합하다. 자율주행 시스템을 인식, 판단, 제어 서브시스템으로 구분하고, 비상조치 개시 원인에 따라 EDR 저장 방식, 트리거 방법, 저장 시간 등을 다르게 하는 방법과 함께 EDR 시스템을 포함하는 시스템의 다양한 구조 변형이 가능하다.12) 안전관제의 서버는 차량 자체, 모바일, 외부 장치가 될 수 있으며 차량의 정보, 교통량, 날씨, 보행자 정보, 주요 건물의 위치와 궤적, 보험 및 경찰 정보 등의 데이터 베이스를 이용하여 데이터 처리 및 분석을 통해 위험 식별, 평가, 패턴 학습, 보고서 생성 등의 역할을 할 수 있다.31) 처리 및 분석된 정보를 기반으로 통신을 통해 비상조치 개시 차량 또는 주변 차량에 경로, 구조, 협조 운행 등의 명령 정보와 긴급 경고를 송신한다.17,24) 차량내 통신 모듈의 오류 판단 및 오류 발생 시 데이터 처리 방식, 암호화 기술 역시 필요하다.32)
5. 결 론
자율주행차량의 통합비상조치 시스템 개발을 위한 세부 기술을 분류하고 출원된 특허를 통해 세부 기술 및 지식재산권 선점 동향을 분석하였다. 실효성이 떨어지거나 포괄적인 내용의 청구로 오직 지식 재산권 선점 목적을 위한 특허가 존재하는 반면, 세부적인 기술과 예제를 통해 통합비상조치 시스템 개발 적용에 유용한 기술을 명시하는 특허가 존재하였다. 통합비상조치 시스템 구성과 센서, 제동장치의 고장 판단과 활용을 통한 비상조치 전략에 대한 출원은 활발히 이루어지고 있다. 반면, 조향장치 고장에 대한 비상전략 조치 전략과 제어권 전환에 대한 기술 개발과 지식재산권 선점이 부족한 상태로 분석된다. 출원된 기술, 특히 제어 로직에 대한 기술 개발 현황과 적용 여부는 파악하기 어렵다. 하지만 주요 또는 특이 기술에 대해서는 동일한 출원인, 발명자에 대한 후속 출원 추적을 통해 기술 개발 진행 여부, 선행 기술 추적과 회피에 활용할 수 있다. 통합비상조치 시스템의 평가 기술은 향후 국제표준화가 선정될 가능성이 크므로 표준화 선점을 위한 지식재산권 확보가 필요하다.
Acknowledgments
이 논문(저서)은 2020학년도 경북대학교 신임교수정착연구비에 의하여 연구되었음.
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