자율주행차가 "보는" 방법 - 사잔 사이니(Sajan Saini)

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칠흑같이 어두운 늦은 밤에 자율주행차가 시골길을 달리고 있습니다. 느닷없이 장애물이 한꺼번에 3가지나 나타납니다. 운전대를 잡고 있는 사람은 없지만 차량은 지능형 시각, 감지기를 사용해서 순식간에 사태를 해결합니다. 이런 일이 어떻게 가능할까요? 사잔 사이니가 자율주행차를 현실로 만드는 라이다와 통합형 광학 기술에 대해 설명합니다.

사잔 사이니가 설명하고 아트레이크 스튜디오에서 제작하였습니다.

칠흑같이 어두운 늦은 밤에
자율주행차가 시골길을 달리고 있습니다.

느닷없이 장애물이
한꺼번에 3가지나 나타납니다.

무슨 일이 벌어질까요?

차량이 이런 난관을 헤쳐나가려면

먼저 장애물들을 감지해야 합니다.

크기, 형태, 위치정보를 충분히 모아서

통제규칙이 가장 안전한 길을
그려내게 합니다.

운전대를 잡고 있는 사람은 없으니

차량은 사태를 해결할
지능형 시각인 감지기가 필요합니다.

환경이나 날씨와 상관없이
얼마나 어둡든 간에

찰나의 순간에
모두 처리해야 합니다.

아주 어려운 과제이지만
두 가지를 결합한 해법이 있습니다.

레이저를 사용하는 탐색기, 즉 라이다와

인터넷이 활발하게 움직이게 하는
통신기술의 축소판, 통합광학기입니다.

라이다를 이해하려면
관련기술인 레이다부터 보면 쉽습니다.

항공에서는 레이다 안테나가
항공기에 전파나 초단파를 발사해서

전파가 돌아오는 시간을 측정해서
위치를 알아냅니다.

하지만 그것은 제한적인 방법입니다.

전파의 파장이 크기 때문에
미세한 부분을 형상화하기 어렵습니다.

반대로 자율주행차의 라이다 체계는

광 탐지 및 측정을 의미하는데

좁은 대역의 보이지 않는
적외선 레이저를 사용합니다.

길 건너편 보행자의 셔츠 단추만한
크기도 형상화 할 수 있습니다.

그런데 물체의 형태나 깊이는
어떻게 정할까요?

라이다는 아주 짧은 레이저 펄스를
연속 발사하여 깊이 분해능을 정합니다.

시골길의 큰사슴을 예로 들어보겠습니다.

차가 지나가면서 라이다 펄스 하나가
뿔의 아래 부분에서 산란됩니다.

다른 펄스 하나는 뿔의 끝부분에서
산란되어 돌아옵니다.

두 번째 펄스가 돌아오기까지
시간이 얼마나 더 걸렸는지 측정하여

뿔의 형태에 대한 자료를 얻습니다.

짧은 펄스를 많이 사용하여 라이다는
상세한 형태를 빠르게 그려냅니다.

빛의 펄스를 만드는 가장 확실한 방법은
레이져를 켰다 껐다하는 것입니다.

그렇게 하면 레이져는 불안정해져서
펄스의 정밀한 시간에 영향을 줍니다.

결국 깊이 분해능에 제한을 줍니다.

차라리 그냥 켜둔 채로 두고
주기적으로 빛을 차단하는

신뢰성있고 신속한 다른 방법을
사용하는 것이 더 낫습니다.

바로 그것이 통합 광학기를
사용하는 이유입니다.

인터넷의 디지털 자료들은

정밀하게 맞춰진 빛의 펄스에
실려 전달됩니다.

펄스는 100피코 초 정도로 짧습니다.

이런 펄스를 만드는 한 가지 방법은
마하젠더 변조기를 사용하는 것입니다.

이 기구는 파동의
특정한 상태를 이용합니다.

이는 바로 간섭이지요.

연못에 던진 돌멩이를 생각해보십시오.

파문이 퍼져 나가고 겹치면서
패턴을 만듭니다.

어떤 곳에서는 마루가 합쳐지면서
아주 높이 솟습니다.

다른 곳에서는 상쇄되어 없어집니다.

마하젠더 변조기는
이와 비슷한 일을 합니다.

빛의 파동을 평행한 두 부분으로
분리했다가 다시 합칩니다.

만약 한 쪽에서 느려지고 살짝 지연되면

파동은 동기화가 깨진 채로 합쳐져서
상쇄하거나 빛을 가로막습니다.

한쪽에서 이런 지연을 조작하면

변조기는 빛의 펄스를 발하는
스위치와 같은 역할을 합니다.

100피코 초 동안 나오는 빛의 펄스는

몇 cm의 깊이 분해능을 보여줍니다.

하지만 미래의 차는
성능이 더 좋아야 할 것입니다.

매우 민감하고 빠른 광탐지기와
변조기를 합치면

분해능은 1 mm까지 정밀해집니다.

길 건너에서 좋은 시력으로 보는 것보다
100배 이상 좋은 것입니다.

1세대 자동차 라이다는

지붕이나 후드에 설치한
복잡한 회전 부품을 사용했습니다.

통합 광학기를 사용한 변조기와 탐지기는
0.1 mm보다 작아졌으며

차량의 전조등에 들어갈 만큼 작은
칩에 집어 넣을 수 있을 것입니다.

또한 이 칩에는 개선된 변조기가 내장되어

움직이는 부품을 제거하여
빠른 속도로 탐지하게 됩니다.

변조기의 한 팔에서 빛의 속도를
아주 조금 지연시킴으로써

이 추가적인 기기는 스위치보다는
조광기로 작동할 것입니다.

의도적으로 지연시킨 기기들을 여럿 묶어서

평행하게 쌓으면 멋진 것이 탄생합니다:

조향 가능한 레이져 빔입니다.

새로운 시각에서 보면
이 지능형 시각은

자연에서 볼 수 있는 어떤 것보다
더 철저하게 탐지하고

많은 장애물을 헤쳐 나갈 수 있습니다.

아무도 신경 쓸 필요없습니다.

아마도 길잃은 큰사슴은 제외하고요.