2005년 위험경고 수준의 Lv0로 시작한 ADAS 단계가, 현재 Lv2 통합 운전지원을 넘어 Lv3인 부분 자율주행의 단계까지 다다르고 있다. 실제 독일 자동차 기업인 AUDI의 경우 작년 최초의 Lv3 자율주행 수준인 A8 차량을 출시하였으며, 현재 지역별 교통법에 따라 차량이 공급되고 있다.
NI의 수석 마케팅 매니저를 맡은 데이빗 홀 (David Hall)은 이러한 자율주행 차량 기술의 발달은 테스트 측면에 있어 많은 과제를 만들고 있다고 한다. 가장 쉽게 예상되는 분야로 레이더 시스템이다.

현재는 레이더가 측정한 값을 운전자에게 전달하고, 이를 운전자가 확인한 후 운전에 적용하는 방식이지만, 미래에는 레이더를 사용하여 ECU에 어떤 동작이 필요한지 알려주고, 이에 따라 ECU가 의사 결정을 내리도록 유도할 수 있다고 한다.

즉 테스터 입장에서는 레이더가 정확한 사물인지를 하는지만을 측정하던 단계에서 벗어나, 사물인지와 ECU의 반응 속도 및 대응 방식이 정확한지에 대한 시뮬레이션까지도 필요한 상황이 된다는 것이다.

이러한 종합적인 레이더 테스트를 위한 방법에 대하여 NI의 수석 마케팅 매니저인 데이빗 홀의 자세한 설명을 들어봤다.

현재 우리가 보고 있는 레이더 시스템의 주안점은 주행 중 운전자에게 발생할 수 있는 문제를 알려주는 메커니즘에서, ECU 자체에 더 많이 내장하는 방식으로 급격히 변화했다. 과거에는 레이더가 운전자에게 문제가 무엇인지를 알려주는 방식이었으나, 이제는 레이더와 ECU의 커뮤니케이션을 통해 ECU가 의사결정을 하도록 하는 방향으로 진화하고 있다.

이러한 자율주행 차량 진화에 맞는 레이더 테스트는 크게 3가지의 방식으로 진행된다.
첫 번째는 기본 시뮬레이션으로, 수학적 방법을 사용하여 레이더의 동작을 간단히 모델링하는 것이다. 이는 특정 상황에서 ECU가 어떻게 동작하는지 확인하기 위해 디바이스 또는 신호의 수학적 모델을 잠재적으로 사용할 수 있는 가장 기초적인 엔진 ECU 테스트 수행 시 바람직한 접근 방식이다.

다른 기법은 레이더 자체의 환경을 에뮬레이션하는 것이다. 이 기법은 사물에 부딪히고 다시 반사되는 레이더 자극의 결과로서, 발생 가능한 전자기 신호의 시그니처를 재현하는 것을 의미한다.

마지막 기법은 레이더 디바이스를 필드에 간단히 배치하여 실제 테스트를 진행하는 것이다. 이 기법은 매우 중요하고 효과가 탁월하다. 하지만 매우 많은 시간과 비용이 소요되는 것이 문제를 가지고 있다. 이외에도 필드 테스트에서 발생하는 문제 중 하나는 가장 극한의 시나리오를 시뮬레이션하기 어렵다는 것이다. 실제로 레이더 시스템은 99% 정확하게 작동할 수 있지만, 테스트하고 파악하려는 대로 올바르게 작동하지 않을 확률도 1%, 또는 0.1% 정도 된다.

따라서 필드 테스트에서 해당 시나리오를 재현하기 어려운 점을 감안할 때 필드 테스트와 에뮬레이션의 조합을 사용하여 디바이스 설계뿐 아니라 나중에 수행하는 디바이스 검증 단계에서 가능한 한 빨리 많은 버그를 파악하는 것이 중요하다.

ADAS 시스템 테스트 중 가장 빠른 발전 중인 레이더 에뮬레이션 기법

레이더 에뮬레이션의 아이디어는 레이더 시스템 주위 환경에 대한 전자 시그니쳐를 재현하는 것이다. 작동방식에 관해 말하자면, 주파수 변조 연속파(FMCW)를 사용하는 레이더 시스템은 주위 사물에 부딪히고 반사되는 신호를 효과적으로 보낸다.

일단 신호가 부딪히고 반사되면 디바이스의 속도와 거리에 따라 반사 신호가 일정 주파수와 지연 시간에 맞춰 레이더 시스템으로 돌아온다.
예를 들어, 레이더 자극이 빠르게 움직이는 사물이나 높은 속도의 사물에 반사되면, 되돌아오는 신호의 주파수 전환이 더욱 중요해진다.

레이더 시스템은 리시버 쪽에서 전송 신호와 수신 신호 사이의 위상 및 주파수 차이를 측정하여 범위와 속도를 모두 판별할 수 있다. 이런 레이더 시스템의 능력을 테스트하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 두 가지 서로 다른 유형의 사물 시뮬레이션을 사용할 때 효과적이다.
첫 번째는 지연선을 통해 신호를 효과적으로 전송하는 단순 수동형 사물 시뮬레이션이다. 그리고 지연선의 거리에 따라 실제로 해당 지연선에서 신호를 전파하는 데 걸리는 시간을 예측할 수 있다. 기본 물리학을 적용하면 지연선의 거리에 맞춰 전송 신호를 전달하는 데 얼마나 걸려야 하는지 판별할 수 있다. 또한, 레이더 시스템의 범위 감지가 얼마나 정확한지도 판별할 수 있다.

다음으로는 능동형 사물 시뮬레이션이라고 부르는 방법을 사용하는 것이다. 능동형 사물 시뮬레이션의 경우, 레이더 시스템에서 수신되는 신호를 효과적으로 디지털화하는 사물 시뮬레이터 또는 RF 제어 유닛이 있다. 그리고 수학적으로 신호 처리를 사용하여, 거리를 시뮬레이션하기 위해 지연 조합을 적용한다. 동시에 주파수 변위를 적용하여 움직이는 사물의 속도 또는 도플러를 시뮬레이션한다.

그리고 실제 사물이 반사될 때의 모습을 나타내는 반사 신호가 생성되면 아날로그-디지털 컨버터와 RF 컨버터를 사용하여 해당 신호를 아날로그 도메인으로 다시 변환한 후 레이더 시스템으로 다시 전달할 수 있다.

사물 시뮬레이션을 사용하면 몇 가지 장점이 있다. 먼저, 모든 사물을 수학적으로 모델링할 수 있으므로 여러 사물을 동시에 시뮬레이션할 수 있다.
또한, 사물의 실제 움직임 측면에서 더욱 폭넓은 움직임과 이에 따른 더욱 복잡한 시나리오를 시뮬레이션할 수 있다. 그러나 능동형 시뮬레이션 기법에는 최소 거리 측면에서 몇 가지 문제가 있다.

그 이유는 ADC를 사용한 디지털화, 일부 신호 처리 수행, 디지털 아날로그 컨버터를 통한 재전달과 관련된 지연이 있기 때문이다. 실제로 다수의 엔지니어는 두 기법을 조합하여 사용하고 있다.

NI 얼라이언스 파트너는 레이더 시스템 테스트 목적으로 레이더 사물의 동작을 시뮬레이션하기 위해 수동형 및 능동형 기법의 조합을 사용하는 솔루션을 제공한다.

AUDI에 적용된 KONRAD 시스템 예시
아래 그림의 오른쪽 상단에서 볼 수 있는 것처럼 KONRAD는 사용자가 디바이스의 움직임을 그릴 수 있는 소프트웨어 패키지를 제작하며, 사용자는 레이더 센서에 대해 상대적인 사물의 움직임을 그릴 수 있다.

이 그림을 소프트웨어로 로드한 후에 시뮬레이션을 실행하면, 사물 시뮬레이터가 해당 경로를 따라 움직이는 디바이스의 전자 시그니처를 재현한다.
그러면 센서 속도의 보고된 거리와 시뮬레이션 속도의 거리를 비교하여 디바이스가 적절히 작동하고 있는지 확인할 수 있다. 이런 유형의 기술을 사용한 고객사 중 한 곳이 AUDI이다.

AUDI의 레이더 구성 요소 담당자인 닐스 코흐(NEILS KOCH)는 PXI 시스템의 폭넓은 대역폭 즉, KONRAD의 소프트웨어와 NI의 벡터 신호 트랜시버의 조합이 이 전에는 알지 못했던 소프트웨어를 활용하여 버그를 식별할 수 있었던 궁극적인 요인이라고 언급했다.

레이더 테스트를 위한 기법에는 여러 가지가 있다. 이런 기법들이 다양한 상황, 종합 차량 테스트 또는 종합 시스템 테스트에 어떻게 적합한지 아래 그림으로 설명할 수 있다.
이 레이더 테스트 시뮬레이터 아이디어를 통해 방금 설명한 것은 실제로 레이더 디바이스의 하드웨어 테스트, 잠재적으로는 임베디드 소프트웨어 테스트이다.

이 레이더 디바이스는 엔진 제어 모듈 (ECM) 또는 엔진 제어 유닛 (ECU) 과 함께 사용된다. 따라서 ECU와 레이더 시스템은 상호 연동된다. 역사적으로 엔지니어들은 광범위한 시나리오에서 HIL (HARDWARE-IN-THE-LOOP) 기법을 사용하여 ECU와 ECM을 테스트해 왔다.

오늘날 PXI의 레이더 타겟 에뮬레이션과 같은 기법 적용의 이점 중 하나는 일부 기법을 공통 HIL 테스트 시스템에 결합할 수 있다는 것이다. 그리고 과거에는 엔지니어들이 사용할 I/O를 모델링하고, 해당 I/O를 시나리오 재현이 가능한 테스트 시스템과 대체하는 단순한 방식으로 ECU 테스트할 수 있었음을 의미한다.

오늘날 HIL 시뮬레이션을 위한 PXI의 장점으로는, PXI를 사용하면 ECU의 로드 및 개방/단락 동작뿐만 아니라 RF 특성 중 일부를 시뮬레이션하고 이에 따라 해당 신호를 동기화할 수 있다는 점이다.

이는 PXI를 사용하여 시뮬레이션 된 전체 RF 및 버스 인터페이스를 통해 전체 ECU 또는 ECM을 테스트할 수 있다는 의미이다. 실제로 이상적인 시나리오는 연동되는 여러 ECU의 동작을 테스트하는 것이며, 이런 시나리오는 HIL 및 PXI와 함께 다시 사용할 수 있다.

NI는 현재 자동차 테스트의 비용 및 시간을 절감하고, 수준 높은 측정 정확성을 확보할 수 있는 솔루션들을 공개하고 있다. 또한, NI의 플랫폼 기반 방식을 통해 시스템 전체 타이밍 및 동기화 기능을 갖춘 유연하고 미래 지향적인 시스템을 제공하며 ADAS, V2X, 인포테인먼트, 파워 트레인, 바디 및 새시 등 복잡한 자동차 테스트 요구 사항을 충족시킬 수 있다고 하였다.