Dassault Systèmes, Stephen Jorgenson-Murray

Maja Systems Designing Wireless Systems for Autonomous Vegicles Using Simulation

 

첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)은 운전 중 안전과 편의성을 한층 더 높여줍니다. 또한 완전 자율 주행 차량으로 향하는 중요한 단계이기도 합니다. 레이더, 차량 간 통신, 5G 연결, 스마트 도로 인프라, 위성 내비게이션은 모두 ADAS 시스템이 주변 환경을 인식하는 데 도움이 되며, 이러한 모든 시스템은 작동을 위해 안테나와 센서에 크게 의존합니다.

차량에 안테나를 배치하는 데는 몇 가지 어려움이 있습니다. 자동차 차체는 안테나 성능에 큰 영향을 미쳐 효율을 떨어뜨리고 전계 패턴을 변화시킬 수 있습니다. 서로 다른 시스템이 서로 간섭하거나 다른 민감한 온보드 전자 장치에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 또한 물과 먼지가 안테나와 센서를 오염시켜 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다. 시뮬레이션은 엔지니어가 실제 프로토타입을 제작하기 전에 실제 시나리오에서 성능을 분석할 수 있도록 안테나와 센서 시스템 설계 및 통합을 지원합니다.

 

 

요약

 

차량을 안전하게 제어하기 위해 ADAS 시스템은 차선 표시, 표지판, 도로 상태, 다른 차량 및 도로 사용자는 물론 예상치 못한 장애물과 같은 주변 환경에 대한 완전한 인식이 필요합니다. 그에 따라 장착된 차량은 카메라, 레이더 및 라이더와 같은 거리 측정 시스템, 지리적 위치 및 차량 주변에 있는 기타 센서와 같은 다양한 기술을 통해 환경을 감지합니다. 강력한 5G 및 기타 고속 모바일 데이터 연결은 ADAS 시스템이 인터넷 서비스, 스마트 도로 인프라, 기타 차량 및 승객 자신의 장치와 인터페이스할 수 있도록 하는 데에도 중요합니다. 이러한 시스템을 구성하는 구성 요소는 배치 효과, 먼지 및 눈 오염, 다른 안테나 및 전자 장치의 간섭에 민감합니다. 안전하고 신뢰할 수 있는 ADAS 및 자율 주행 시스템을 설계하려면 전체 시스템 수준에서 이러한 요소를 해결해야 합니다.

 

 

ADAS 및 자율 주행의 과제

 

안테나와 센서는 주변 환경에 매우 민감할 수밖에 없습니다. 안전하고 안정적으로 작동하려면 원치 않는 영향을 최소화해야 합니다. 이는 부품을 장착할 공간이 제한되어 있고 예측할 수 없고 매우 가변적인 조건에서 주행해야 하는 차량내 전장품을 설계할 때 특히 어렵습니다. 차량의 금속 차체는 전자파를 차단하고 반사할 수 있습니다. 또한 곡선형 차체에서 안테나의 성능은 일반적으로 평평한 접지면을 가정하는 이상적인 데이터시트 특성과 매우 다를 수 있습니다. 이로 인해 레이더와 같은 안전에 중요한 시스템에 대한 커버리지 사각지대가 발생하거나 빔 방향과 측면 로브에 영향을 미쳐 허위 판독값이 발생할 수 있습니다. 따라서 효과적인 ADAS 시스템을 구축하려면 부품 배치가 매우 중요합니다.

 

다른 구성 요소의 전자기 간섭(EMI)도 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 무선 및 레이더 안테나, 전력 전자 장치, 고전압 시스템(예: 전기 구동 시스템)은 모두 센서 성능에 영향을 주는 전계를 방출하거나 전류를 생성할 수 있습니다. 센서가 주변 및 주변 차량의 다른 시스템과 간섭을 일으키지 않아야 하는 전자파 적합성(EMC)도 마찬가지로 중요한 문제입니다. 마찬가지로 안테나와 센서에서 방사되는 전계는 방사선 위험(RADHAZ) 노출 한도 이내로 유지되어야 합니다. 레이더 센서가 작동 중일 때는 탑승자뿐만 아니라 지나가는 사람들도 안전해야 합니다. 규정을 준수하려면 다양한 사용 사례와 다양한 부하 사례에서 인체 조직에 대한 전자파 흡수율(SAR)을 분석해야 합니다. 마지막으로 차량 외부의 요인이 안테나 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 다른 차량, 도로 환경, 날씨 등이 모두 전자파를 반사하거나 흡수할 수 있습니다. 실험실과 테스트 트랙은 다양한 환경에서 ADAS 시스템의 성능을 측정할 수 있는 기회를 제공하지만, 발생할 수 있는 모든 시나리오를 테스트하는 데는 엄청난 비용과 시간이 소요됩니다.

 

 

시뮬레이션의 이점

 

ADAS 설계 주기에 시뮬레이션을 도입하면 위에 나열된 문제를 해결하여 개발 시간, 비용, 무엇보다도 위험을 크게 줄일 수 있습니다. 전자기 시뮬레이션은 전기장 및 자기장, 안테나 원거리 패턴은 물론 지향성 및 이득과 같은 기타 관련 핵심 성과 지표(KPI)를 계산합니다. 이러한 지표는 실제 프로토타입을 제작하기 훨씬 전에 시뮬레이션을 통해 결정할 수 있습니다. 성능을 최적화하기 위해 다양한 안테나 유형 및 배치와 같은 더 다양한 구성을 동시에 분석할 수 있습니다. 이러한 분석을 위해 CAD 모델이 시뮬레이션 환경으로 직접 전송되므로 엔지니어는 설계 변경이 ADAS 성능에 어떤 영향을 미치는지 빠르게 확인할 수 있습니다.

 

동일한 차량 플랫폼에서 여러 안테나와 센서를 현장에서 함께 시뮬레이션할 수 있습니다. 즉, 시뮬레이션 중에 기생 효과와 간섭을 고려할 수 있습니다. 온보드 전자 장치 및 전기 구동 시스템과 같이 간섭을 일으킬 수 있는 다른 구성 요소도 포함할 수 있습니다. 또한 유체 시뮬레이션을 사용하여 비나 진흙이 센서에 미치는 영향을 계산할 수 있습니다. 다양한 속도와 조건에서 계산된 스프레이 패턴은 대규모 테스트 주행을 시작하기 전에 잠재적인 문제를 식별하는 데 도움이 됩니다. 전자기 및 유체 시뮬레이션에 동일한 모델 데이터를 사용하면 프로세스 속도가 더욱 빨라집니다.

 

차량은 시뮬레이션에서 수십 또는 수백 마일의 가상 거리를 빠르게 주행할 수 있으며, 테스트 주행만으로는 따라잡을 수 없는 훨씬 더 다양한 도로 시나리오를 다룰 수 있습니다.

 

 

차량 안전과 안정적인 연결성을 보장하는 협업 및 워크플로우 조합

 

ADAS와 자율주행차의 복잡성이 증가함에 따라 설계자와 엔지니어링 팀 간의 긴밀한 협업을 통해 문제를 해결하고 개발 주기를 단축하고 위험을 줄이는 이점을 누릴 수 있습니다. 시뮬레이션 워크플로를 결합하고 시뮬레이션을 CAD 및 PLM을 비롯한 다른 제품과 통합하면 ADAS 설계자의 공통 요구사항과 엔지니어링 과제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 서로 다른 그룹에서 개발한 컴포넌트를 전체 차량 모델에 신속하게 조립하고 시뮬레이션을 준비할 수 있으므로 시뮬레이션 엔지니어가 최신 버전의 지오메트리로 작업하고 기본 모델에 대한 변경 사항을 따라잡을 수 있습니다.

 

 

안테나 설계 - 주어진 애플리케이션에 적합한 안테나를 신속하게 제공

 

ADAS 시스템 개발의 첫 번째 단계 중 하나는 애플리케이션에 적합한 부품을 찾는 것입니다. Antenna Magus는 검색 가능한 안테나 설계 카탈로그를 제공하며 크기, 기술, 주파수 및 이득과 같은 사양을 충족하는 안테나를 자동으로 선택하여 제안합니다. 이를 좋은 출발점으로 삼아 최종 안테나 최적화에 대한 확신을 가질 수 있습니다.

■ 전자기 시뮬레이션을 위한 포괄적인 기술: 하나의 사용자 인터페이스와 단일 라이선스를 통해 모든 솔버에 액세스 가능

 

 

안테나 및 센서 배치 - 5G, 모바일 데이터, 레이더, GPS 및 기타 안테나 시스템에 대한 KPI를 계산하여 최적의 배치를 찾습니다.

 

적절한 안테나를 설계한 후에는 차량에 배치하고 시스템 전체에 통합해야 합니다. 엔지니어는 전자기 시뮬레이션 패키지인 CST Studio Suite를 사용하여 차량에 부착된 안테나와 센서의 KPI를 계산할 수 있습니다. 풀 웨이브 3D 전자기 시뮬레이션에는 차체, 기타 전자 장치 및 주변 환경이 포함될 수 있으므로 부품이 차량에 장착되었을 때 예상대로 작동하는지 확인할 수 있습니다.

 

 ■ 유령 표적 탐지 방지 - 복잡한 형상이 레이더 시스템과 상호 작용하여 유령 표적이라고도 하는 오탐지(false positive)가 발생할 수 있습니다.

 

 

공동 사이트 간섭 완화(RF Desense)-시스템 간 잠재적 간섭 문제 식별

 

많은 구성 요소가 근접해 있는 경우 전자파 간섭(EMI)과 전자파 적합성(EMC)이 주요 관심사입니다. CST Studio Suite의 간섭 작업은 잠재적인 간섭 문제를 자동으로 식별하고 어떤 시스템이 서로 간섭할 가능성이 있는지를 보여주는 간섭 매트릭스를 생성합니다. 엔지니어는 간섭을 허용 가능한 수준으로 줄이기 위해 추가 필터를 도입하거나 안테나를 다른 위치로 이동하는 등 간섭 완화 솔루션을 신속하게 파악할 수 있습니다.

 

 

인체 노출 규정 준수 - 전자기장에 대한 노출이 법적 한도 이내로 유지되도록 보장합니다.

 

■ 인체 노출 시뮬레이션: 차량 운전석 내부의 복사장 시뮬레이션

 

많은 종류의 기기는 주변 사람들이 안전하게 노출될 수 있는 무선 주파수(RF) 전력량에 대한 규제를 받습니다. 실제 인체 모델을 시뮬레이션 환경에 추가하고 차량 안팎에서 포즈를 취하면 비용이 많이 드는 프로토타입 테스트 설정을 구축하지 않고도 노출량을 계산할 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 비흡수율(SAR)과 같은 KPI가 자동으로 계산되므로 엔지니어는 방출되는 방사선을 규제 한도 이하로 유지할 수 있습니다.
 

 

 

와이어 하네스 전기 엔지니어링 - 센서와 온보드 컴퓨터 간의 케이블 연결 최적화

 

ADAS 센서 및 기타 구성 요소는 복잡한 와이어 하네스로 결합된 버스 케이블로 연결됩니다. 서로 다른 케이블과 전선 간의 간섭은 ADAS 및 기타 온보드 시스템의 성능을 저하시킬 수 있습니다. CST Studio Suite는 케이블 하네스 설계를 임포트하고 이러한 복잡한 상호 작용을 효율적으로 시뮬레이션하여 크로스토크 및 신호 무결성(SI) 문제를 신속하게 식별할 수 있습니다.

 

본 자료는 다쏘시스템 코리아 블로그의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

 ■ 원본 : 다쏘시스템코리아 블로그