Editor's Note
스티어 바이 와이어, SbW 시스템은 전 세계의 주목을 받는 HL만도의 대표 기술로 자리잡고 있습니다. SbW 시스템은 자유로운 차량 설계를 가능케 하고, 승차감과 핸들링 성능 향상, 모듈화와 경량화를 통한 연비 개선 효과 등의 장점을 기대할 수 있는데요. 하지만 기계적인 연결이 없는 만큼 고장 및 시스템 오류에 치명적인 영향을 받을 수 있습니다. 오늘은 HL만도가 SbW 시스템을 개발하는 데 있어 안전성과 주행감을 어떻게 발전시켰는지를 소개합니다. 약 7분 분량입니다.
SbW, 더 안전하고 편안하게
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#스티어바이와이어 #SbW #안전성 #노면피드백
안전, 또 안전!
많은 자동차 부품이나 소프트웨어는 개발부터 상용까지 긴 시간이 소요됩니다. 새롭고 편한 기술은 얼마든지 만들어낼 수 있지만 상용화되었을 때 안전하고 편안한지를 거듭 고민하고 검증하기 때문인데요. 안전은 생명과 직결되는 문제이기 때문에 안전에 대한 검증은 조금도 양보할 수 없는 중요한 문제입니다.
특히 통신과 전기신호를 이용하는 SbW 시스템은 해킹이나 고장에 대한 우려의 목소리가 많은데요. HL만도는 시스템의 고장, 사이버공격 등의 위협 요인이나 외부 환경적 요인, 운전자의 조향감 등 기존의 스티어링 시스템을 완벽히 대체하는 것을 넘어 더 안전하고 편안한 SbW 시스템을 만들기 위해 노력하고 있습니다.
만에 하나도 대비가 필요해
고장 상황에서의 리던던시 확보하기
SbW 시스템에 대해 의구점을 가진 이들은 전기신호로 연결된 SbW에 대해 신호가 전달되지 않거나 고장으로 인해 조향력을 잃는 것에 대해 많은 우려를 표합니다. HL만도는 시스템 고장 시 리던던시(Redundancy, 이중화) 확보를 목적으로 편제동(Differential braking) 제어 기반의 스티어-바이-브레이크 시스템을 개발했습니다. 편제동을 활용한 차량의 조향 보조, 대체 연구는 90년대부터 꾸준히 진행되어왔는데요.
주행 중인 차량에 편제동으로 인한 좌우 방향의 힘 차이가 발생하면 수직축을 기준으로 움직이는 Yaw(요) 모먼트와 횡력이 생성, 차량 선회에 도움을 줄 수 있습니다. Yaw는 물체가 Z축을 기준으로 회전하는 움직임을 말합니다. 쉽게 말하면 도리도리를 하듯 좌우로 회전하며 움직이는 모양새죠.
주행 중인 차량의 전륜이 0점으로 고정된 상태에서의 고장은 편제동으로 모멘트 생성에 초점을 맞춘 보다 단순한 제어 기술을 적용할 수 있습니다. 하지만 SbW는 고장 상황에서 전륜이 스스로 회전(free-rolling)하는 특징이 발생할 수 있는데요. 이러한 상황을 모델링하고 적절한 조향력을 생성할 수 있도록 하는 것은 보다 복잡한 기술력을 요합니다. HL만도는 조향 기구 설계가 조향력 생성에 영향을 끼친다고 보았고, 스크럽 반경(Scrub radius, 접지면의 중앙에서 회전의 중심까지 거리) 값의 영향력을 고려해 양(+), 음(-), 제로(0)의 스크럽 반경 중 양의 스크럽 반경 구조로 설계했을 때 조향 목표 방향에 유리한 휠 앵글(wheel angle)을 생성한다는 점을 고려해 기술을 개발했습니다.
HL만도 M2MCx팀에서는 편제동 매커니즘을 활용, Yaw 거동을 만들어 조향 조작이 불가능한 상황에서 차량의 횡 거동을 구현하고자 했습니다. 시뮬레이션 평가와 실차 시험 결과를 거듭하며 SbB 시스템이 편제동만을 이용해 조향 불능 상황에 기여할 수 있을 것으로 기대되는 결과를 확인했습니다. 여기에 편제동 제어 불가능 상황을 고려해 RWS(Rear Wheel Steer)만으로도 조향성을 확보할 수 있도록 Steer-by-RWS(SbR)기술을 개발했습니다.
지난 10월 31일부터 11월 2일까지 진행된 ‘HL만도 스티어링 트랙 데이’에서는 편제동력을 만드는 제동시스템과 함께 RWS(Rear Wheel Steer, 후륜 조향) 시스템을 이용해 횡방향 거동을 생성하는 기술인 Steer-by-Brake with RWS(SbR+)를 선보이기도 했습니다. 편제동과 RWS의 통합 제어를 통해 조향성을 확보하는 기술로, 조향성이 가장 많이 확보되는 기술로, HL만도에서는 SbR+의 기술력과 신뢰도 향상을 위해 오는 24년 추가 연구 계획을 수립하고 있습니다.
해킹 등 사이버 공격으로부터 안전한 시스템 구축하기
SbW 시스템이 물리적 연결을 제거하고 전기 신호로만 작동한다는 점은 보안이라는 새로운 기술적 요구를 등장케 했습니다. HL만도는 SbW 시스템의 보안을 위해 위헙 요소와 공격 경로를 식별하고, 공격 경로별 위험 요소를 산출함으로써 위협분석과 위험성 평가를 진행했습니다. 또한 이를 바탕으로 리스크 경감 방안을 제안하여 보안 대응책에 필요한 요소 기술을 식별했습니다.
가장 먼저 SbW 시스템에 대한 위협과 그에 따른 위험을 평가하기 위해 SbW 시스템의 구조적 구성과 내부 소프트웨어 기능의 개념적인 흐름을 도식화해 사이버 공격에 대한 잠재적인 노출 지점을 파악했습니다.
SbW 시스템은 상부의 SFA(Steering Feedback Actuator)와 하부의 RWA(Road Wheel Actuator)로 구성되어 있는데요. SFA와 RWA의 각 ECU(Electronic Control Unit)는 차량 내 게이트웨이나 다른 ECU와의 통신 채널과 JTAG을 공통 인터페이스로 갖고 있으며, 액추에이터간의 통신과 센서 인터페이스를 가지고 있습니다. 이러한 노출 지점들은 물리적인 외부 환경으로부터 접근이 가능하므로 해커에 의한 사이버 공격의 주요 통로로 활용될 가능성이 있습니다. 때문에 SbW 시스템의 위험 경감 방안 역시 이러한 노출 지점 위주로 필요합니다.
HL만도는 SbW 시스템 구조도에서 파악한 노출 포인트들과 연결되는 차량의 동작 내용(기능)을 파악, 리스크를 관리하는 요인으로 활용했습니다. 시스템의 네트워크와 센서 신호와 소프트웨어 기능의 연결 관계와 흐름을 파악하고, 작동 흐름을 분석합니다.
| 노출 지점 | 기능 |
| 차량 네트워크 | 시스템 Wake-up/Shutdown |
| 차량 네트워크 | 시스템 작동 모드(운전자 모드vs자율주행 모드) |
| 액추에이터 간 네트워크 | 상대 액추에이터 동작 |
| 센서 인터페이스 | 액추에이터별 물리 신호 취득 |
▲노출 지점별 기능 파악 예시
이후 앞서 파악한 내용을 바탕으로 시스템에 데미지를 줄 수 있는 잠재적 시나리오를 분석합니다. 해커에 의한 사이버 공격의 실현 가능성과 노출된 경로에서의 공격으로 인해 시스템에 얼마나 심각한 데미지가 발생할 수 있는지를 평가해 종합적인 위험도를 산출, 이를 기반으로 위험 등급을 부여할 수 있습니다. 위험도 등급은 위험 경감 플랜 수립이나 대응 전략을 위한 우선 순위로의 의미를 가집니다.
이렇게 도출한 각각의 위험 항목들은 적용 가능한 경감 플랜에 따라 노출 지점이나 통로를 차단하는 등 보안 대책을 적용합니다. HL만도는 SbW 시스템의 위험 경감을 위한 요구사항을 차량 레벨과 시스템 레벨로 구분해 대응책을 마련하고 있습니다.
극한의 환경에서도 성능은 그대로
최근 자동차에 전장품 비중이 급격히 높아짐에 따라 이에 대한 신뢰성 테스트도 중요해지고 있습니다. 많은 전장품 부품이 온도에 더 민감하기 때문에 극한 온도에서의 기능과 성능 검증은 필수인데요. HL만도는 온도에 따른 SbW 시스템의 성능 변화를 알아보기 위해 저온에서의 차량 안정성과 동작 성능에 대한 평가를 진행했습니다.
각각 상온과 -10℃, -20℃의 환경에서 모터 전류, 작동 토크의 변화, 랙 스트로크, 응답 대비 지연 수준 등 다양한 항목들을 계측해 결과값을 비교·분석했습니다.
분석 결과, 응답성 성능은 영하 20도에서도 시간 지연이 없는 강건한 성능 특성을 보였으며, 랙 스트로크는 극 저온 상황에서 최대 2.5% 수준의 끝단부 지연이 발생했으나 운전자의 조타 의지를 충분히 반영할 수 있는 수준인 것으로 파악되었습니다. HL만도는 이렇게 파악한 저온 환경에서의 SbW 시스템의 특성을 가지고 시스템 성능 개선에 활용하고 있습니다.
운전자가 더 편안하게
운전자가 스티어링 휠(핸들)을 통해 느끼는 조타감은 다양한 정보를 포함하고 있습니다. 그 중 로드 피드백(Road Feedback)은 노면(도로)으로부터 전달되는 종합적인 정보로, 운전자가 도로 상태나 기후 조건을 파악하여 적절한 대응을 할 수 있도록 도와줍니다.
기존의 차량 시스템은 차량 하부의 기어박스와 상부의 컬럼(Steering Column)이 물리적으로 연결되어 있기 때문에 노면의 정보를 그대로 전달할 수 있는데요. SbW 시스템은 바퀴와 핸들이 물리적 연결 없이 전기 신호로 작동하기 때문에 노면으로부터 유입되는 로드 피드백 대부분이 차단되기 때문에 기존의 스티어링 시스템 대비 자연스러운 조타감을 구현하기 어렵습니다. HL만도는 SbW의 로드 피드백 성능을 개선하기 위해 SbW 시스템 평가와 이를 바탕으로 한 제어 로직 개발과 최적화 튜닝을 진행했습니다.
로드 피드백은 운전자가 느끼는 주관적인 느낌입니다. 운전자의 감정, 신체적 상태에 따라 영향을 받기도 합니다. 때문에 HL만도는 스티어링 성능평가 전문가와 함께 주관 평가를 진행하면서 객관적인 수치를 얻을 수 있는 계측 평가를 병행했습니다.
계측 평가를 위해서는 로드 피드백 정보의 정의가 필요한데요. HL만도는 ‘하중 전달 특성’과 ‘진동 전달 특성’으로 구분했습니다. 노면으로부터 전달되는 입력 신호와 운전자가 느끼는 출력 신호 계측을 위해 시스템을 구성하고 입력되는 하중/진동 신호가 어떻게 스티어링 휠로 전달되는지 전달 특성을 분석했습니다.
이렇게 계측한 데이터와 분석 결과를 바탕으로 SbW 시스템의 성능 개선을 위한 튜닝을 진행합니다. SbW 시스템의 제어 로직을 구성하고, 각 특성별 튜닝 영역을 구분합니다. HL만도는 RWA에서 노면별 랙 포스값을 추정해 SFA에 전달하고, SFA는 이를 이용해 스티어링 휠의 타겟 토크를 생성하도록 로직을 구성했습니다. 이후 차량 튜닝 단계에서는 적절한 로드 피드백이 생성될 수 있도록 노면 및 속도에 따른 조타감을 튜닝했습니다. 이후 다시 평가를 진행해 결과를 확인하고, 성능 개선 과정을 반복적으로 거칩니다.
지금까지 HL만도가 SbW 시스템을 개발하는 과정에서 안전성을 확보하기 위해 어떤 노력을 기울였는지 살펴보았는데요. 어떠셨나요, SbW 시스템에 대해 완전히 신뢰할 수 있나요? 아니면 여전히 ‘이론과 실제는 다르다’는 생각이 드나요?
HL만도에서는 지난 10월 31일, ‘스티어링 트랙 데이’를 열고 실제 차량을 통해 SbW 시스템을 체험할 수 있게 했습니다. 스티어링 트랙 데이에서는 시뮬레이터를 통해 SbW의 원리를 파악하고, SbW가 적용된 실제 차량에 탑승해 서킷을 질주하는 짜릿한 경험을 할 수 있었습니다. 가을 하늘만큼이나 SbW 시스템의 상용화에 대한 기대감이 높아졌던 그 현장을 확인해보세요.
▼HL만도 스티어링 트랙 데이 보러가기
[한 입 모빌리티] HL만도 트랙데이에서 미리 본 미래 조향 시스템
Editor's Note 지난 10월 31일부터 11월 2일까지, 강원도 인제군 인제스피디움에서는 아주 특별한 행사가 열렸는데요. 바로 HL만도가 개최한 제1회 스티어링 트랙데이입니다. 스티어링 트랙데이에서는
www.hlworld.com
▼SbW 시스템의 주행 모습 확인하기
* 해당 콘텐츠는 한국자동차공학회 학술대회에 실린 원고를 기반으로 제작되었습니다.
참고문헌
원우석, 김대성, 김대성, 이진환(2021). Steer-By-Wire System의 Systematic TARA 수행 및 Practical Mitigation Solution에 대한 연구, 2021 한국자동차공학회 추계학술대회
연제현, 전동일, 신동훈, 김경래(2020). Steer by Wire 시스템의 Road feedback 조타감 개선 연구, 2020 한국자동차공학회 춘계학술대회
연제현, 신희준, 김영식, 하영민(2021). Steer by Wire 조향시스템의 실차 저온 특성에 대한 연구, 2021 한국자동차공학회 추계학술대회
김진수, 조영은, 류정환, 고상진(2022). Steer-by-Wire redundancy 확보를 위한 Steer-by-Brake 시스템 개발, 2022 한국자동차공학회 추계학술대회
