교통 관리를 활성화시키는 mmWave 레이더

  • 2018-02-06
  • 글 | 킨간 가르시아(Keegan Garcia) / 레이더 분석 프로세서 마케팅 매니저, 텍사스 인스트루먼트




하드웨어 및 소프트웨어 설계를 간소화하여 진입 장벽을 낮추는 단일칩 레이더 솔루션

교통 시스템은 전세계의 사람들과 화물들을 신속하고 효율적이며 안전하게 이동시키는데 꼭 필요한 요소이다. 따라서 교통 시스템 및 관련 인프라는 운행 지역의 데이터를 수집하고, 그 환경을 감지해 실시간 변화들에 대처할 수 있어야 한다. 교통 분야 엔지니어는 이 데이터를 이용해 통계를 작성하고 미래 인프라 투자에 대한 목표를 세우며, 운전자는 이 데이터로 자신의 경로를 관리할 수 있다.

지능형 교통 시스템 시장이 2022년까지 636억 달러에 달할 것으로 예상되면서, 이 정보의 가치는 분명해졌다. 그러나 교통 모니터링 시스템이 다양한 조건에서 교통 효율성 및 안전성을 증가시키지만, 설계자는 다음과 같은 여러 가지 센싱과 관련된 문제들에 직면하게 된다.

•위치 및 속도 측정: 교통 데이터가 유용하려면 교통 장소(위치)와 흐름(속도)에 대한 정보가 있어야 한다. 이 정보는 교차로 정지선부터의 거리 또는 다가오는 차량의 속도를 포함할 수 있다.
•전천후 작동: 교통 인프라 센서는 주로 실외에 설치되기 때문에, 날씨에 상관 없이 작동할 수 있어야 한다. 그리고 비, 눈, 안개 및 먼지와 같은 불리한 기상 조건에서뿐만 아니라, 주간 광과 야간 광 모두에서 작동할 수 있어야 한다.
•먼 거리의 고속 물체 감지: 센서는 빠르게 움직이는 차량들을 먼 거리에서도 감지하고 측정할 수 있어야 한다. 예를 들어, 시스템이 교차로에서 더 멀리 떨어져 있는 차량들까지 감지할 수 있다면, 녹색 및 황색 등의 지속 시간을 보고 다가오는 차량들을 보다 잘 예측할 수 있다.
•정밀성과 성능 측정: 교통 모니터링 인프라가 효과적으로 작동하려면, 차선 위치, 센서로부터의 차량 거리 및 속도를 정밀하게 파악해야 한다.



오늘날의 교통 모니터링 기술


오늘날의 교통 모니터링 애플리케이션에는 다양한 감지 기술들이 사용되고 있다. 이것들은 서로 다른 시장의 기능을 수행하고, 저마다의 장단점을 가지고 있다:

•인덕티브 루프 센서: 이 솔루션에서는 절연 전기 유도 와이어가 도로를 지나간다. 전기 펄스가 와이어에 흐르는데, 차량이 그 위로 지나갈 때 생기는 인덕턴스 변화로 차량이 공간을 차지하거나 통과하는 것을 알 수 있다. 이 인덕티브 루프 센싱은 일반적인 센서이지만, 몇 가지 단점을 가지고 있다.
첫째, 루프가 설치된 곳 주변의 “존재”만 감지하기 때문에 다가오는 교통을 예측하기가 어렵다. 둘째, 이 시스템의 규모상 각 구역과 차선 마다 고유한 루프가 있어야 하므로, 비용이 많이 들고 시스템을 구현하기가 복잡하다.
그렇지만 가장 불리한 점은 이러한 시스템을 설치하거나 수리하려면 도로 지면을 파내야 한다는 것이다. 이러한 시스템의 유지관리 주기(1-2년)가 짧고 빈번하다는 점까지 감안하면, 인덕티브 루프 시스템의 전체 비용은 급속도로 늘어나게 된다.



•카메라 및 비전 기반 센서:
비디오 이미지 프로세서와 카메라, 비전 기반 센서를 사용해 CMOS 카메라 센서에서 이미지 데이터를 포착한다. 그 다음에 이미지를 분석해 교통 상황을 분석한다.
이 시스템은 교차로 및 고속도로의 교통 상황을 측정할 뿐만 아니라 운영자에게 실시간 비디오를 전송하는 강력한 도구가 될 수 있다.
그렇지만 주야 사이클, 그림자, 악천후 등과 같은 변화하는 환경 조건들은 이러한 시스템의 “보는” 능력에 직접적인 영향을 주게 된다. 또한 이러한 비전 문제들로 첨단 신호 처리 및 알고리즘이 필요해지고 시스템의 복잡도가 크게 증가하게 된다.



mmWave 레이더 기반 교통 모니터링


교통 모니터링 시장에서 주목 받고 있는 기술 중 하나는 레이더이다. 특히, 밀리미터파(mmWave) 기술 기반의 솔루션이 그렇다. mmWave만의 고유한 장점들, 예를 들어 빛이나 기상 조건에 덜 민감하고, 비전 기반 기술에 비해 범위가 넓으며, 정밀성이 높다는 점들은 교통 모니터링 애플리케이션에서 매우 잘 발휘된다.

따라서 교통 관리 시스템이 직면한 감지 문제에서 mmWave 레이더는 여러 가지 방식으로 교통 효율성 및 안전성을 개선시킬 수 있다.

•전천후 작동: 레이더 애플리케이션 및 RF 신호 전파에 익숙한 사람들이라면, 레이더가 변화하는 환경 조건에 덜 민감하다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 그러나 mmWave는 야간, 연기, 안개, 비와 같은 불리한 기상 조건을 뚫고 감지할 수 있다. 또한 이 능력은 통제할 수 없는 가변 환경에서 mmWave 센서가 확실하고 일관된 실외 감지를 할 수 있게 해준다.

•먼 거리 고속 물체의 감지: mmWave 센서는 77GHz 범위 내에서 고속 FMCW(Frequency-modulated continuous wave) 레이더를 사용하는데, 이것은 기존 레이더 시스템에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있다. 안테나 설계와 RF 처프(chirp) 구성의 조합은 이 77GHz 레이더 시스템이 100km/h 이상의 속도로 자동차와 같은 목표물을 150m 이상 거리에서도 감지할 수 있게 해준다.

•물체 계측의 정밀성: 프로세싱 능력이 통합된 고속 FMCW 레이더는 한 장면에서 거리와 시선 속도, 다수 목표물 반사면의 각도를 1초 안에 여러 번 측정할 수 있다. 이것은 mmWave 솔루션을 사용하는 교통 모니터링 시스템이 실시간으로 다수의 차량들을 높은 거리 및 속도 분해능으로 쉽게 파악하고 추적할 수 있게 해준다.



레이더 설계 문제의 극복


레이더 솔루션의 구현에는 몇 가지 어려운 점들이 있다. 오늘날의 레이더 솔루션은 복수의 개별 컴포넌트들이 있어야 전체 솔루션을 만들어낼 수 있다. 여기에는 RF 프론트 엔드와 디지털 프로세싱 백 엔드가 포함된다.

이산 레이더 시스템에는 MCU와 같은 중앙 컨트롤러가 있어야 제어 신호를 모든 개별 컴포넌트들에 보낼 수 있다. 이것은 전자기 간섭(EMI) 효과를 발생시켜 “잡음 많은” 시스템을 만든다.

이렇게 통합이 부족하게 되면 설계의 복잡도가 증가하게 되고 시스템의 크기, 비용, 전력소비 측면에서 불리해진다. 또한 분리 레이더 시스템은 변화하는 조건 및 애플리케이션의 필요에 따라 소프트웨어 문제도 야기할 수 있다.

76~81GHz 주파수 대역에서 작동하는 최신형 mmWave 솔루션은 ARM 코어 기반의 강력한 MCU에 DSP를 통합시켜 이러한 단점들을 극복하고 있다. 단일칩 솔루션에서는 개별 프론트 엔드, ADC(Analog-to-digital converter), 프로세싱 부품들 간 고속 데이터 전송을 해야 할 필요가 없다.

프로세싱 체인은 DSP에서만 구현되지만, ARM 프로세서는 트랙킹 로직, 물체 분류, 교통 통계의 보고, I/O 기능, 센서 관리와 같은 더 고차원의 프로세싱 관리 기능들에서도 활용될 수 있다.

물체 감지 및 트랙킹은 교통 환경을 파악하고 분석하는데 꼭 필요한 수단이다. 그리고 단일칩 솔루션은 실시간 지능으로 물체를 감지, 추적, 분류하는 첨단 알고리즘을 제공할 수 있다.

DSP는 물체 클러스터링 및 트랙킹 알고리즘을 수행해 차량이 어떻게 움직이는지에 대한 데이터를 처리한 다음, MCU가 동적 교통량에 지능적이고 실시간으로 대응할 수 있다. 단일칩 솔루션은 소형 폼팩터 애플리케이션에도 유용하게 사용되며, 시야 내 물체의 거리, 속도, 각도를 정확하게 측정할 수 있다.

결론

mmWave 센서 고유의 특성과 능력은 고성능 감지 분석을 가능하게 해주고, 스마트 교통 모니터링 애플리케이션에 적합하다. 또한 단일칩 솔루션은 mmWave 센싱 설계의 진입 장벽도 낮춰준다.
 

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